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Diese
Erfindung betrifft eine Werkzeugspannvorrichtung für eine Maschinenspindel,
wobei die Werkzeugspannvorrichtung eine Zugstange einschließt, an einem
Ende der Zugstange ein Klemmorgan angeordnet ist, um einen Teil
einer Werkzeugkupplung an dem Ende festzuklemmen, dazu noch eine
Vorrichtung, um eine axial gerichtete Kraft auf die Zugstange in
einer Richtung weg von der Klemmvorrichtung auszuüben, wobei
die Vorrichtung, welche eine Kraft auf die Zugstange ausüben soll,
ein Gehäuse,
einen Kolben, welcher axial in dem Gehäuse verschoben werden kann
und dazu noch ein komprimierbares Druckmedium in dem Gehäuse einschließt. Die
Erfindung betrifft auch eine Maschinenspindel. Eine dem Oberbegriff
von Anspruch 1 entsprechende Klemmvorrichtung und eine Maschinenspindel
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 6 sind zum Beispiel aus der
DE-A-3838959 bekannt.
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Stand der Technik
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Für eine detailliertere
Beschreibung des Standes der Technik wird auf die beigefügte A und den unten anschließenden beschreibenden
Abschnitt Bezug genommen.
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Ziele und Merkmale der
Erfindung
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Ein
erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkzeugspannvorrichtung
für eine
Maschinenspindel vorzustellen, die vollständig symmetrisch und dadurch
in einem hohen Maße
vibrationsfrei ist.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkzeugspannvorrichtung
vorzustellen, welche imstande ist, mehr Klemmkreisläufe zu überstehen
als der Stand der Technik.
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Ein
zusätzliches
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die axiale Länge der
Werkzeugspannvorrichtung zu verringern, genauer gesagt, ist es das Ziel,
die Länge
um ungefähr
50% zu reduzieren.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dass die Werkzeugspannvorrichtung
leichter in dem Gehäuse
der Maschinenspindel einzubauen sein sollte.
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Die
Ziele dieser Erfindung wurden durch die in Anspruch 1 definierte
Werkzeugspannvorrichtung und die in Anspruch 6 definierte Maschinenspindel erreicht.
Die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung werden in den anhängenden
Patentansprüchen
definiert.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Im
Folgenden wird eine Ausführungsform der
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen A einen Längsschnitt
durch eine Maschinenspindel mit einer Werkzeugspannvorrichtung nach
dem Stand der Technik zeigt, und 1 einen
Längsschnitt durch eine
Maschinenspindel zeigt, in welche eine Werkzeugspannvorrichtung
eingebaut ist, die dieser Erfindung entspricht.
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Detaillierte
Beschreibung des Standes der Technik und einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung
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Bekannte
Maschinenspindeln schließen üblicherweise
eine Werkzeugspannvorrichtung des Typs ein, der in der beigefügten A gezeigt wird. Diese Werkzeugspannvorrichtung
schließt
eine Zugstange B ein, welche ein erstes Ende hat, das mit einer Klemmstange
C verbunden ist, welche Teil einer Werkzeugspannvorrichtung ist,
die in ihrer Arbeitsstellung in Eingriff mit einem Teil einer (nicht
gezeigten) Werkzeugkupplung steht, zum Beispiel des Coromant Capto® oder ISOcone-Typs.
Die Klemmstange C weist schwenkbare, befestigte Segmente D auf, deren
freie Enden radial nach außen
versetzt werden, wenn die Klemmstange C ihre Arbeitsposition einnimmt.
Die Zugstange B wird dann, wie in A gezeigt,
durch eine Reihe von einzelnen Scheibenfedern E oder durch eine
schraubenförmige
Scheibenfeder betätigt.
Die Zugstange B wird auf eine ihrer Endpositionen innerhalb der
Maschinenspindel versetzt, wenn die Federn/Feder sich selbst in
ihrem ausgedehnten Zustand befinden. Wenn die Zugstange B sich selbst
in einer Endposition befindet, wird sich die Klemmstange C in ihrer
Arbeitsposition befinden, was bedeutet, dass sie einen Teil der
(nicht dargestellten) Werkzeugkupplung festklemmt, welcher an der
Klemmstange C befestigt ist. Um den (nicht dargestellten) Teil einer
Werkzeugkupplung zu lösen, wird
die Zugstange B versetzt, und zwar mit axialer Kompression der Scheibenfedern
E in Richtung auf die Klemmstange C hin. An diesem Punkt werden
die freien Enden der Segmente D nach innen schwenken und der Werkzeugkupplungsteil
(welcher nicht dargestellt wurde) kann entfernt werden.
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Ein
klarer Nachteil der oben beschriebenen Werkzeugspannvorrichtung
ist, dass die Scheibenfedern E im Verhältnis zu der Zugstange B ein
Spiel aufweisen, das heißt,
sie haben ein Mittelloch, welches größer ist als der Durchmesser
B der Zugstange. Das gleiche trifft auf das Mittelloch einer schraubenförmigen Scheibenfeder
zu. Aus dem obigen folgt, dass das Spiel dazu führt, dass die Spindel nicht
mehr richtig läuft,
was seinerseits zu Vibration führen
wird und dazu, dass die Spindel unausgewogen ist, wobei diese Probleme
besonders bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten spürbar sind.
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Um
ausreichend hohe Klemmkräfte
zu erzeugen, muss die Feder eine hohe Anzahl an Scheiben beziehungsweise
Umdrehungen aufweisen. Daraus folgt, dass die in Rede stehende Feder,
dessen ungeachtet, ob es sich um eine Scheibenfeder E oder eine
schraubenförmige
Scheibenfeder handelt, eine beträchtliche
axiale Länge
haben wird, was seinerseits dazu führen wird, dass die Länge der
Maschinenspindel gleichfalls eine beträchtliche Länge hat. Dies impliziert einen
Nachteil bei der Handhabung, dem Festklemmen und dem Drehen der
Maschinenspindeln.
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Eine
Maschinenspindel des oben beschriebenen Typs ist zu ungefähr 500.000
Klemmkreisläufen
imstande, wobei jeder Kreislauf das Festklemmen und das Lösen eines
Teils einer Werkzeugkupplung einbezieht. Dies mag als eine beruhigende
Menge erscheinen, tatsächlich
wäre aber
eine mehrfache Zunahme bei der Anzahl der Klemmkreisläufe, bevorzugt
um das vierfache, ein außergewöhnlicher Vorteil
dieser Anwendung.
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Die
in 1 gezeigte Maschinenspindel schließt ein Gehäuse 3 ein,
innerhalb dessen eine dieser Erfindung entsprechende Klemmvorrichtung eingebaut
ist.
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Die
dieser Erfindung entsprechende Klemmvorrichtung schließt als einen
Hauptbestandteil eine "ziehende" Gasfeder ein, welche
locker am Inneren des Gehäuses 3 befestigt
ist. Wie aus dem oberen Teil von 1 ersichtlich,
schließt
die Gasfeder 5 ein zylindrisches Gehäuse 7 ein, welches
an seinem linken Ende in 1 an
einer Stoppvorrichtung 8 in dem Gehäuse 3 anliegt, welche
so das Gehäuse 7 der
Gasfeder 5 daran hindert, in eine aufwärts gerichtete Richtung entsprechend 1 versetzt zu werden. Ein
versetzbarer Kolben 9 befindet sich in dem Gehäuse 7,
welcher an seinem einen Ende ein zylindrisches Endstück 10 aufweist,
welches in Kontakt mit der inneren begrenzenden Endwand des Gehäuses 7 über Dichtungen 11 und 12 steht,
wobei die Dichtungen um den Kreisumfang des zylindrischen Endstücks herum
verlaufen. Allgemein hat das zylindrische Endstück 10 einen größeren Durchmesser als
der Kolben 9. An dem Ende des Gehäuses 7, welches sich
nahe dem Endstück 10 befindet,
ist das Gehäuse 7 mit
einer Widerlagerschulter ausgestattet, welche sich um 360° und nach
innen zu dem Zentrum des Gehäuses 7 hin
erstreckt. Das zylindrische Endstück 10 ruht an der
Schulter, wenn es in 1 so
weit wie möglich
nach unten versetzt wird. Der Zweck der Dichtungen 11 und 12 ist
es, den Raum zwischen dem zylindrischen Endstück 10 und der inneren
begrenzenden Endwand des Gehäuses
vor einem Gasmedium abzudichten, welches in der Gasfeder eingeschlossen
ist. Der Kolben 9 weist eine erste Durchlochung 4 für ein Kühlmittel
auf.
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Das
freie Ende des Kolbens 9 erstreckt sich durch den linken
Giebel in 1 nach außen. Das freie
Ende 14 ist über
eine erste Schraubkupplung mit der Zugstange 16 verbunden,
welche ein anderes mittiges Durchgangsloch 17 für Kühlmittel
aufweist, wobei der Zweck dieses Loches ist, Kühlmittel von dem unteren Ende
der Zugstange 16 in 1 zu
ihrem oberen Ende in 1 zu
transportieren. Die Zugstange 16 ist an ihrem oberen Ende
in 1 mit einer Klemmeinheit
in Form eines Segments 18 versehen, wobei die Segmente
an einem Ende gehalten werden und zu der Zugstange 16 hin
schwenkbar sind, wobei das freie Ende der Segmente imstande ist,
radial nach außen
zu einer Arbeitsposition hin zu schwenken, wenn die Zugstange, wie
in 1 gezeigt, nach unten
versetzt wird.
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Ein
radial sich nach außen
erstreckender Flansch 19, welcher sich über den gesamten Kreisumfang
herum erstreckt, befindet sich in einem Mittelabschnitt des Kolbens 9,
wobei der Flansch als eine Stoppvorrichtung wirkt, wenn der Kolben 9 in 1 in Richtung zu dem oberen
Ende der Maschinenspindel versetzt wird. Der Flansch 19 wird
somit an ein Giebelelement 20 der Gasfeder 5 anstoßen, genauer
gesagt, an das untere Ende des Giebelelements 20 in 1.
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Wie
aus 1 zu ersehen, ist
das Giebelelement 20 an dem Gehäuse 7 der Gasfeder 5 mittels
einer Dichtung 21 angebracht, welche den Hohlraum zwischen
dem Giebelelement 20 und der inneren Begrenzungswand des
Gehäuses 7 in
Bezug auf das Gasmedium 6 abdichtet, welches in der Gasfeder 5 eingeschlossen
ist. Das Giebelelement 20 ist mit weiteren Dichtungen 22, 23, 24 versehen,
welche den Hohlraum zwischen dem Kolben 9 und dem Giebelelement 20 in
Bezug auf das Gasmedium 6 abdichten, welches in der Gasfeder 5 eingeschlossen
ist. Normalerweise beträgt
der Druck des eingeschlossenen Gasmediums 6 ungefähr 150 Bar.
Entsprechend einer derzeit be vorzugten Praxis werden die Maschinenspindeln 1 mit
der angeschlossenen Gasfeder 5 in "unbeladenem" Zustand geliefert, das heißt ohne das
unter Druck stehende Gasmedium 6. Der Grund dafür ist der,
dass Gasfedern des in Rede stehenden Typs gemäß den derzeit gültigen Bestimmungen nicht
mit Luftfracht transportiert werden dürfen, wenn sie Gas enthalten,
das einen Druck in der Größenordnung
von 150 Bar hat. Die Gasfedern 5 werden normalerweise vor
der Auslieferung an einen Kunden "beladen", weswegen Gasfedern 5 mit
einem (nicht gezeigten) Befüllungsnippel
oder etwas ähnlichem ausgestattet
sind. Dieser Nippel kann offenkundig in Situationen verwendet werden,
in denen das Gasmedium überprüft oder
beibehalten werden soll.
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In
dem Bereich seines freien Endes weist das zylindrische Endstück 10 ein
inneres Gewinde auf, welches zusammen mit einem äußeren Gewinde an einer Zugstange 15 eine
zweite Schraubverbindung 26 bildet. Die Zugstange 25 ist
versetzt innerhalb des Gehäuses 3 der
Maschinenspindel positioniert und wird durch die Dichtung 27 gegen
die innere Begrenzungswand abgedichtet. Die Zugstange 25 weist
ein drittes, mittiges Durchgangsloch für Kühlmittel 28 auf. Die
Funktionsweise der Zugstange 25 wird unten erklärt.
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Die
Maschinenspindel 1 wird in 1 in
der Situation gezeigt, in welcher der Kolben 9 bis zum Maximum
nach unten versetzt ist. Zugleich hat der stehende Kolben 9 unter
dem Druck des Gasmediums 6 seinerseits die Zugstange 16 abwärts zu der maximalen
Position versetzt und die Segmente 18 haben ihre Arbeitspositionen
eingenommen, das heißt,
die freien Ende der schwenkbar befestigten Segmente 18 wurden
radial nach außen
versetzt, um sich mit einem Teil der (nicht gezeigten) Werkzeugkupplung
zu verkeilen, zum Beispiel des COROMANT CAPTO®- oder
ISOcone-Typs. Auf diese Weise übt
das eingeschlossene Gasmedium 6 innerhalb des Gehäuses der
Gasfeder 5 einen Druck auf die innere radiale Oberfläche 29 des
zylindrischen Endstücks 10 aus,
was dazu führt,
dass der Kolben 9 und die Zugstange 16 einer Kraft
ausgesetzt sind, die permanent in einer axialen Richtung wirkt,
welche sich bemüht,
dieses Element in 1 nach
unten zu versetzen. Diese permanente axial wirkende Kraft stellt sicher,
dass der nicht dargestellte Teil der Werkzeugkupplung sicher an
dem freien Ende der Zugstange 16 befestigt ist.
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Wenn
der nicht dargestellte Teil der Werkzeugkupplung von der Zugstange 16 gelöst werden soll,
wird die Druckstange 15 in 1 in
Bezug auf das Gehäuse 3 der
Maschinenspindel nach oben versetzt. Diese Versetzung wird erreicht,
indem es der Druckstange 25 gestattet wird, durch geeignetes äußeres Organ,
welches nicht dargestellt ist, beeinflusst zu werden. Somit wird
die Druckstange 25 den Kolben 9 in Bezug sowohl
auf das Gehäuse 7 der Gasfeder 5 als
auch das Gehäuse
der Maschinenspindel versetzen. Diese Versetzung des Kolbens 9 tritt
gegen den Einfluss des Gasmediums 6 auf, welches in der
Gasfeder 5 eingeschlossen ist, das somit komprimierbar
ist. Der Kolben 9, welcher an seinem freien Ende mit der
Zugstange 16 verbunden ist, wird auf diese Weise in 1 die Zugstange nach oben versetzen,
wobei der nicht dargestellte Teil der Werkzeugkupplung dadurch gelöst werden
kann, dass die freien Enden der Segmente 18 radial nach
innen schwenken. Wenn die Kraft von der Druckstange aufhört, das
heißt,
wenn die Druckstange 25 dazu gebracht wird, zu ihrer Position
gemäß Figur
zurückzukehren,
werden der Kolben 9 und sogar die Zugstange 16 zu
der in 1 dargestellten
Position zurückkehren,
in welcher die Zugstange 16 nicht mit irgendeinem Teil
einer Werkzeugkupplung verbunden ist. Offenbar ist es möglich und
sogar meist normal, dass ein neuer Teil einer Werkzeugkupplung an
dem freien Ende der Zugstange 16 angebracht wird, und zwar
unmittelbar nachdem der bestehende Teil der Werkzeugkupplung, das
heißt
die Druckstange 25 in ihrer in 1 nach oben versetzten Position während des
Wechsels eines nicht gezeigten Teils einer Werkzeugkupplung, entfernt
wurde.
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Um
es somit zusammenzufassen, es wurde erreicht, dass eine Gasfeder,
welche eine Kraft ausübt,
die mit der einer Scheibenfeder oder einer schraubenförmigen Scheibenfeder
vergleichbar ist, eine beträchtlich
geringere axiale Länge
als die Scheibenfeder hat. Darüber
hinaus schließt
die Gasfeder keine lockeren Elemente ein, welche bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten
eine Unausgewogenheit der Maschinenspindel und dadurch eine folgende
Vibration erzeugen können.
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Mögliche Modifikationen der Erfindung
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Bei
bestimmten Anwendungen kann die Klemmvorrichtung an einer Maschinenspindel
mit einem System aus Keilen ausgestattet werden, welche während der Übertragung
der auf die Zugstange wirkenden Kräfte eine günstige Umwandlung auf die Klemmvorrichtung
an der Zugstange 16 erzeugen. Somit ist diese Erfindung
nicht nur auf die in 1 gezeigte
Ausführungsform
der Zugstange 16 beschränkt
sondern deckt selbst Klemmvorrichtungen mit anderen Typen an Kraftübertragungseinheiten ab,
und innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung wird dem Fachmann
eine Reihe unterschiedlicher alternativer Wege in Bezug auf die
Kraftübertragung
von der Zugstange 16 zu der Klemmvorrichtung angeboten.
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Die
oben beschriebenen Beispiele an Werkzeugkupplungen sind in keiner
Weise erschöpfend und
Klemmeinheiten an einer Zugstange 16 können in vielen verschiedenen
Weisen ausgestaltet werden, um mit unterschiedlichen Werkzeugen
zusammenzupassen.