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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hauptspindelaufbau
einer Werkzeugmaschine, insbesondere auf einen Werkzeugklemm-Mechanismus
des Kugelspanntyps mit hoher Werkzeughalte-Steifigkeit und einem
Ziehknauf, der für
den Werkzeugklemm-Mechanismus benutzt wird.
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7 zeigt
eine Ansicht, die einen Hauptspindelaufbau darstellt, der einen
herkömmlichen Werkzeugklemm-Mechanismus
des Kugelspanntyps benutzt.
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Ein
Gehäuse 2 ist
an einem körperfernen Ende
eines Spindelkopfes 1 befestigt, und eine Hauptspindel 4 ist
drehbar mittels eines Lagers 3 in dem Gehäuse 2 gehalten.
Eine Zugstange 10 ist in einem Durchgangsloch angeordnet,
das sich längs der
Achse der Hauptspindel 4 erstreckt. In das körperferne
Ende der Zugstange 10 sind Kugelspannteile 7a eingebettet,
um auf diese Weise einen Kugelspannteil zum Halten eines Ziehknaufs 13 zu
bilden, der an einem Werkzeugschaft 5 angebracht ist. Der Ziehknauf 13 ist
mittels des Kugelspannteils gehalten und wird in die Hauptspindel 4 gezogen.
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Koaxial
und die Zugstange 10 umgebend ist eine Feder 11 vorgesehen.
Die Zugstange 10 wird wie in 7 gezeigt
mittels der abstoßenden
Kraft der Feder 11 aufwärts
bewegt, und der Ziehknauf 13, der mittels des Kugelspannteils
gehalten ist, wird in das Durchgangsloch in der Hauptspindel 4 gezogen.
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Wenn
sich eine Rolle 12 vorbewegt, wird die Zugstange 10,
die mit einem Führungsring 10b verbunden
ist, wie in 7 gezeigt abwärts geschoben. Wenn
sich die Zugstange 10 abwärts bewegt, wird durch einen
gespreizten Teil des Durchgangslochs in der Hauptspindel 4 der
Kugelspannteil der Zugstange 10 veranlasst, sich zu öffnen, um
dadurch den Ziehknauf 13 aufnehmen zu können. Wenn der Ziehknauf 13 des
Werkzeugs in die Hauptspindel 4 durch deren körperfernes
Ende eingeführt
ist, hält
der Kugelspannteil der Zugstange 10 den Ziehknauf 13.
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Wenn
sich die Rolle 12 zurückzieht,
wird die Zugstange 10 aufwärts bewegt, wie dies in 7 gezeigt
ist, und mittels der abstoßenden
Kraft der Feder 11 eingezogen. Der Kugelspannteil hält den Ziehknauf 13 mittels
eines engeren Teils des Durchgangslochs sicher.
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Wenn
der Ziehknauf 13 mittels der Zugstange 10 in das
Durchgangsloch der Hauptspindel 4 eingezogen wird, werden
eine verjüngte
Oberfläche 5a des
Werkzeugschafts 5 und eine verjüngte Oberfläche der Innenumfangsoberfläche des
körperfernen Endes
der Hauptspindel 4 in enge Berührung miteinander gebracht.
Daraufhin wird das Werkzeug mit der Hauptspindel 4 als
Einheit gehalten und geklemmt.
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Im
allgemeinen wird als die Feder 11 eine Tellerfeder oder
Wickelfeder benutzt. Das Beispiel, das in 7 gezeigt
ist, ist eine Doppelwickelfeder, die eine Klemmkraft von ungefähr 270 Kilopond
erzeugen kann. Diese Klemmkraft ist eine passende Kraft für die Größe des Werkzeugschaft
des Verjüngungstyps.
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Die
Wickelfeder wird verglichen mit der Tellerfeder einer geringeren
Reibungskraft-Hysterese unterzogen, so dass sie eine stabile Last
erzeugt. Da sie überdies
die Zugstange 10 glatt berührt, kann die Wickelfeder nicht
leicht die Zugstange 10 beschädigen. Wenn sie für eine Belastungsamplitude
ausgelegt ist, die nicht höher
als ein gegebener Wert ist, kann sie überdies die Erzeugung ihrer
Last beträchtlich
oft wiederholen, was eine hohe Lebensdauer zur Folge hat.
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Wie
zuvor erwähnt
wird die Klemmkraft andererseits durch die enge Berührung zwischen
den verjüngten
Teilen erzeugt. Um die Werkzeug-Haltesteifigkeit zu erhöhen, müssen daher
Späne oder andere
Fremdkörper
von den verjüngten
Oberflächen
ferngehalten werden.
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Die
verjüngten
Teile können
derart gereinigt werden, dass Fremdkörper mittels eines großen Druckluftvolumens
nach außen
transportiert werden, das von einem zentralen Durchgangsloch 10c der Zugstange 10 zugeführt und
zwischen die verjüngten Teile
strömt,
wenn die verjüngte
Oberfläche 5a des Werkzeugschafts 5 durch
einen Werkzeugwechsel-Vorgang veranlasst wird, sich von dem verjüngten Teil
der Hauptspindel 4 zu entfernen. Beim Anbringen eines neuen
Werkzeugschafts an der Hauptspindel 4 werden deren verjüngten Teile
einer Reinigung mit Druckluft unterzogen, so dass sie in enge Berührung miteinander
kommen.
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Durch
das zentrale Durchgangsloch 10c der Zugstange 10 und
ein zentrales Durchgangsloch in dem Ziehknauf 13 kann dem
Werkzeug eine Schneidbearbeitungsflüssigkeit zum Kühlen und Schmieren
der Schneidkante eines Werkzeugs zugeführt werden.
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Wenn
die Produktivität
moderner Werkzeugmaschinen verbessert werden soll, muss die Werkzeug-Rückhaltekraft
durch Steigern der Kräfte
der Befestigung eines Werkzeugs oder eines Werkzeughalters an dem
Spindelschaft erhoht werden, um eine höhere Schneidbearbeitungsleistung
sicherzustellen. Um dies zu erreichen, ist damit begonnen worden,
allgemein beidseitig begrenzte Werkzeugschäfte zu benutzen (s. Japanische
Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 10-58260).
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Ein
solcher beidseitig begrenzter Werkzeugschaft ist derart gestaltet,
dass sowohl ein verjüngter Teil
als auch eine zylindrische Endfläche
eines Aufsteckdorns in enge Berührung
mit einer Hauptspindel gebracht werden. Grundsätzlich kann die Werkzeug-Haltesteifigkeit
des Werkzeugschafts dieses Typs höher als diejenige eines Werkzeugschafts
gemacht werden, der nur für
eine enge Berührung
zwischen verjüngten
Teilen ausgelegt ist.
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Der
beidseitig begrenzte Werkzeugschaft erfordert eine Reinigen der
Berührungsteile
zwischen der jeweiligen Endfläche
der Hauptspindel und des Werkzeugschafts. Wenn Späne und dgl.
an den Endberührungsteilen
haften bleiben, wird der Werkzeugschaft unvermeidlich geneigt, wenn
er an der Hauptspindel angebracht wird, so dass die Bearbeitungsgenauigkeit
herabgesetzt wird. Demgemäß ist es notwendig,
Mittel vorzusehen, um den Endberührungsteilen
sowohl reichlich Druckluftt zuführen
zu können,
um die Späne
und andere Fremdkörper wegzublasen,
als auch die verjüngten
Teile zu reinigen.
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Unlängst ist
eine zentrale Durchgangskühlung
bekannt geworden, bei der dem Werkzeugende von dem Zentrum der Hauptspindel Öl zugeführt wird.
Um dem Werkzeugende Schneidbearbeitungsöl unter ausreichendem Druck
gemäß diesem
Verfahren zuführen
zu können,
ist es jedoch notwendig, den Werkzeugschaft und den Klemm-Mechanismus abzudichten
und nur das Werkzeugende mit einem Flüssigkeitskanal zu versehen.
Dieses Erfordernis ist nicht mit dem Erfordernis der Endflächenreinigung vereinbar,
das die Notwendigkeit umfasst, den verjüngten Teilen Luft zuzuführen. Im
allgemeinen wird daher ein teurer Klemm-Mechanismus benötigt, um die
Erfordernisse der zentralen Durchgangskühlung und der Endflächenreinigung
in Einklang zu bringen.
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Um
die Werkzeug-Haltesteifigkeit für
die Hauptspindel zu erhöhen,
sollte das Haftvermögen zwischen
den jeweiligen Berührungsoberflächen der Hauptspindel
und des Werkzeugschafts in jedem Fall, dem Fall des Haftvermögens zwischen
nur den verjüngten
Teilen oder dem Fall des Haftvermögens durch beidseitige Begrenzung
zwischen einem verjüngten
Teil und einer Endfläche
erhöht
werden. Um dies zu erreichen, muss die Werkzeugzugkraft erhöht werden.
Die Werkzeug-Zugkraft eines Klemm-Mechanismus des Spannzangentyps
ist größer als
diejenige eines Klemm-Mechanismus des Kugelspanntyps.
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8A bis 8C u. 9A bis 9C zeigen
einen Hauptspindelaufbau, der bei dem Prozess der Entwicklung der
vorliegenden Erfindung unter Benutzung des Klemm-Mechanismus des
Spannzangentyps entworfen und studiert wurde. Für Elemente und Komponenten,
die mit denjenigen in dem Klemm-Mechanismus des Kugelspanntyps identisch sind,
der in 7 gezeigt ist, sind die gleichen Bezugszeichen
benutzt.
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In
diesem Klemm-Mechanismus des Spannzangentyps wird die abstoßende Kraft
einer Feder 11, die auf eine Zugstange 10 in einem
Durchgangsloch in einer Hauptspindel 4 einwirkt, auf einen
Ziehknauf 13 übertragen,
nachdem sie mittels einer Spannzange 16 verstärkt ist. 8A zeigt
einen Zustand, in dem die Zugstange 10 in die Hauptspindel zurückgezogen
ist. In diesem Zustand ist die Spannzange 16 wie in 8C gezeigt
geschlossen, so dass sie den Ziehknauf 13 klemmen kann.
Wenn die Zugstange 10 wie in 8A gezeigt
abwärts
geschoben wird, wird sie andererseits gegen die abstoßende Kraft
der Feder 11 geöffnet,
so dass sie den Ziehknauf 13 aufnehmen kann.
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Ein
Kölben 14,
der in die Zugstange 10 eingesetzt ist, wird mittels einer
Feder 15 in der Zugstange 10 in Aufwärtsrichtung
in 8A gedrückt.
Wenn die Zugstange 10 nach unten geschoben wird, wie dies
in 9A gezeigt ist, öffnet sich das körperferne Ende
der Spannzange 16, wie dies in 8B gezeigt ist,
so dass ein Durchlass des Ziehknaufs 13 ermöglicht ist.
Wenn die Zugstange 10 veranlasst wird, sich durch die abstoßende Kraft
der Feder 11 nach oben zu bewegen, wie dies in 9B gezeigt
ist, wird das körperferne
Ende der Spannzange 16 andererseits geschlossen, wie dies
in 8C gezeigt ist, und hält und zieht dann den Ziehknauf 13 nach
oben.
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Bei
einem Austauschen des Werkzeugs wird von einem Durchgangsloch 10a im
Zentrum der Zugstange 10 Druckluft zugeführt und
strömt
durch ein Durchgangsloch 14a im Zentrum des Kolbens 14,
der mittels der Feder 15 aufwärts gedrückt wird. Dann wird die Druckluft
in einen Raum eingeleitet, in dem die Spannzange 16 und
der Ziehknauf 13 miteinander zu verbinden sind, und strömt zwischen
die verjüngte
Oberfläche 5a des
Werkzeugschafts 5 und die verjüngte Oberfläche der Hauptspindel, um dadurch die
verjüngten
Oberflächen
zu reinigen. Ferner strömt
die Druckluft durch ein Verbindungsloch 4a in der Hauptspindel,
das die die körperferne
Endfläche der
Spindel und den Verbindungsraum für die Spannzange 16 und
den Ziehknauf 13 verbindet. Dann wird die Druckluft zwischen
den jeweiligen Endflächen des
Werkzeugschafts 5 und der Hauptspindel, die in enge Berührung miteinander
zu bringen sind, ausgestoßen,
um dadurch diese Endflächen
zu reinigen.
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Die
abstoßende
Kraft der Feder 15 ist derart eingestellt, dass die Kraft
der Feder 15 zum Aufwärtsstoßen des
Kolbens 14 größer als
die Kraft der Druckluft zum Abwärtsstoßen des
Kolbens 14 während
the Einleitung der Druckluft ist. Daher wird der Kolben 14 aufwärts geöffnet gehalten.
wie dies in 9A gezeigt ist.
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Wenn
das Klemmen abgeschlossen ist, wobei die Zugstange 10 angehoben
ist, wie dies in 9B gezeigt ist, wird die Einleitung
der Druckluft gestoppt. Wenn die Schneidberarbeitungsflüssigkeit durch
das Durchgangsloch 10a im Zentrum der Zugstange 10 eingeleitet
wird, um eine Bearbeitung auszuführen,
stößt deren
Druck den Kolben 14 abwärts, dem
die Stoßkraft
der Feder 15 entgegenwirkt. Daraufhin wird der Kölben 14 gegen
das körperferne Ende
des Ziehknaufs 13 gedrückt,
so dass das Durchgangsloch 14a in dem Kolben 14 und
das Durchgangsloch in dem Ziehknauf 13 verbunden und abgeschlossen
werden, wie dies in 9C gezeigt ist. Folglich verläuft die
Schneidbearbeitungsflüssigkeit
durch das Durchgangsloch 10a in der Zugstange 10,
das Durchgangsloch 14a in dem Kolben 14 und das
Durchgangsloch in dem Ziehknauf 13 und wird schließlich von
dem körperfernen
Ende der Schneidkante des Werkzeug aus augestoßen.
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In
dem Hauptspindelaufbau des herkömmlichen
Werkzeugklemm-Mechanismus
des Kugelspanntyps, der in 7 gezeigt
ist, hat die Klemmkraft (Zugkraft) den maximalen Wert, der selbst
bei Benutzung der Doppelwickelfeder in dem tatsächlichen Raum erreicht werden
kann. Um eine größere Klemmkraft
zu gewinnen, ist es notwendig, den Wickelfeder-Durchmesser zu erhöhen und
den hinteren Teil des Schafts der Hauptspindel zu vergrößern. Wenn
ein Drehteil, das nichts mit der Hauptspindel-Steifigkeit zu tun
hat, verdickt wird, nimmt die Massenträgheit zu, und die Beschleunigungsfähigkeit
der Hauptspindel verschlechtert sich. Bei einer Komponenten-Bearbeitung,
die eine häufige
Beschleunigung und Verzögerung
der Hauptspindel mit sich bringt, wird daher unvermeidlich die Produktivität der Maschine
herabgesetzt. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, den Durchmesser
des Klemm-Mechanismus auf einen Wert zu beschränken, der nicht größer als
der bestehenden Wert ist.
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Bei
Benutzung des Klemm-Mechanismus des Spannzangentyps mit dem Kraftverstärkungsmittel
gemäß 8A, 9A, 9B u. 9C,
das dazu bestimmt ist, die Klemmkraft (Zugkraft) zu erhöhen, ist
es unmöglich,
den Durchmesser der Hauptspindel auf einen Wert zu beschränken, der
nicht größer als
der bestehende Wert ist, obwohl eine bestommte Klemmkraft erreicht
werden soll. Vermutlich ist die Größe der Reibungskräfte überdies
so hoch, dass die Klemmkraft bei den Berührungsteilen der Komponenten
nicht stabil sein kann.
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Gemäß dem Klemm-Mechanismus,
der eine Spannzangen-Spannvorrichtung benutzt, muss der Kolben oder
dgl. überdies
wie zuvor erwähnt
in der Zugstange vorgesehen sein, um die zentrale Durchgangskühlung und
die Reinigung der jeweiligen Berührungsoberflächen der
Hauptspindel und des Werkzeugschafts mittels Druckluft in Einklang
zu bringen. Daher ist der sich ergebende Aufbau unvermeidlich kompliziert
und teuer.
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Der
Kolben in dem zentralen Teil der Spannzangen-Spannvorrichtung wird
unter dem Druck einer Hochdruck-Schneidbearbeitungsflüssigkeit
mit dem körperfernen
Ende des Ziehknaufs in Berührung gebracht.
Beim Start des Aausstoßens
der Schneidbearbeitungsflüssigkeit
wird daher der Kolben veranlasst, sich gegen das körperferne
Ende des Ziehknaufs nach Art eines Wasserschlag-Zusammenpralls zu
bewegen. Demzufolge besteht für
den Kolben nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass er seine Funktion über eine
lange Zeitperiode hinweg stabil erfüllt.
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Es
ist überdies
ratsam, in solchen Bereichen in der Hauptspindel das Vorsehen nichtlanglebiger Komponenten,
die bei Wartungsarbeiten nicht zugänglich sind, zu vermeiden.
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Aus
diesen Gründen
ist der Klemm-Mechanismus des Spannzangentyps kein vorteilhafter
Mechanismus zum Ineinklangbringen der zentralen Durchgangskühlung und
der Reinigung der jeweiligen Berührungsoberflächen der
Hauptspindel und des Werkzeugschafts mittels Druckluft.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kompakten
Klemm-Mechanismus des Kugelspanntyps zu schaffen, der eine große Klemmkraft
aufweist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Werkzeugklemm-Mechanismus, den die vorliegende Erfindung verbessern
soll, ist in der Druckschrift US-A-684303 offenbart.
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Ein
Werkzeugklemm-Mechanismus gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Werkzeugklemm-Mechanismus des Kugelspanntyps,
in dem eine Zugstange in bezug auf eine Hauptspindel in axialer
Richtung derselben bewegt wird, wodurch ein Kugelspannteil bewegt
wird, um ein Werkzeug oder einen Werkzeughalter einzuziehen oder
freizugeben, wobei die Zugstange in einem Außenumfangsteil derselben eine
erste Ausnehmung einer derartigen Form hat, dass ein rollendes Element
darin eingreifen kann, welcher Werkzeugklemm-Mechanismus ferner umfasst:
eine erste Buchse, die an der Innenumfangsoberfläche der Hauptspindel zwischen
der Zugstange und dem Kugelspannteil befestigt ist, wobei die Innenumfangsoberfläche der
ersten Buchse derart ausgebildet ist, dass sie eine zweite Ausnehmung in
einer derartigen Form hat, dass das rollende Element darin eingreifen
kann, eine zweite Buchse, die sich zwischen der ersten Buchse und
der Zugstange zur Bewegung in der axialen Richtung in bezug auf die
erste Buchse und die Zugstange befindet, wobei die zweite Buchse
derart ausgebildet ist, dass sie ein Loch hat, das die zweite Buchse
in der radialen Richtung derselben durchdringt und sich das rollende
Element in dem Loch der zweiten Buchse befindet, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zugstange mit einem Paar von Nuten versehen ist, in die
ein Ansatz auf der zweiten Buchse eingreifen kann, eine Vielzahl von
ersten Ausnehmungen längs
eine Umfangs des Außenumfangsteils
der Zugstange vorgesehen sind, jede der ersten Ausnehmungen dafür eingerichtet
ist, ein jeweiliges einer Vielzahl von rollenden Elementen aufzunehmen,
die in einer Vielzahl von Bohrlöchern untergebracht
sind, welche die zweite Buchse durchdringen, jede der ersten Ausnehmungen
einen Durchmesser hat, der geringfügig größer als derjenige des entsprechenden
rollenden Elements ist, und die Zugstange, die erste Buchse und
die zweite Buchse derart angeordnet sind, dass in einem freigegebenen
Zustand des Kugelspannteils die Bohrlöcher der zweiten Buchse der
unausgenommenen Innenumfangsoberfläche der ersten Buchse auf einer Seite
und die ersten Ausnehmungen in der Außenum fangsoberfläche der
Zugstange auf der anderen Seite gegenüberliegen, so dass, wenn sich
die Zugstange bewegt, um das Kugelspannteil in einen Spannzustand
zu versetzen, die ersten Ausnehmungen die rollenden Elemente mit
der Zugstange antreiben, so dass sich die zweite Buchse ebenfalls
bewegt, bis das Kugelspannteil einen Spannvorgang mit jedem rollendem
Element vervollständigt,
das in eine Ruhelage versetzt wird, die mit der Neigung der entsprechenden
ersten Ausnehmung in der Zugstange und mit der Neigung der zweiten
Ausnehmung in der ersten Buchse in Eingriff gehalten wird, wobei
die ersten Ausnehmungen in dem Außenumfangsteil der Zugstange
und die zweite Ausnehmung in dem Innenumfangsteil der ersten Buchse
einen Zugkraft-Verstärkungsmechanismus
zum Verstärken
einer Kraft längs
der Axialrichtung der Zugstange in der Spannrichtung bilden, um
dadurch eine Zugkraft, die auf das Kugelspannteil zu übertragen
ist, zu verstärken.
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Gemäß dem Werkzeugklemm-Mechanismus,
der auf diese Weise aufgebaut ist, können die zentrale Durchgangskühlung und
das Reinigen der Berührungsoberflächen miteinander
in Einklang gebracht werden.
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Der
Werkzeugklemm-Mechanismus gemäß der Erfindung
kann seine Klemmkraft mittels eines Kraftverstärkungs-Mechanismus erhöhen, der
an dem Kugelspannteil angebracht ist. Da die Größe des Hauptspindelaufbaus
nicht erhöht
ist, ist der sich ergebende Klemm-Mechanismus überdies kompakt. Ferner kann
der allgemeine Aufbau des Klemm-Mechanismus sehr einfach sein, weil
der Innenumfang der bewegbaren zweiten Buchse und der Außenumfang
eines Werkzeug-Ziehknaufs abgedichtet werden können.
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In
einem Fall, in dem ein Ziehknauf mit einem Führungsbohrloch zum Leiten von
Druckluft versehen ist, können
die jeweiligen verjüngten
Oberflächen
und Endflächen
der Hauptspindel und des Werkzeugschafts, die in Berührung miteinan der
zu bringen sind, mit Druckluft gereinigt werden. Wenn ein Flüssigkeitskanal-Umschaltmittel
in dem Führungsbohrloch
des Ziehknaufs vorgesehen ist, kann der Flüssigkeitskanal überdies
zwischen einem Durchlass für
eine Schneidbearbeitungsflüssigkeit zur
zentralen Durchgangskühlung
und einem Durchlass für
Druckflüssigkeit
zum Reinigen umgeschaltet werden, so dass die zentrale Durchgangskühlung mit der
Reinigung der jeweiligen Berührungsoberflächen der
Hauptspindel und des Werkzeugschafts in Einklang gebracht werden
können.
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Da
das Flüssigkeitskanal-Umschaltmittel
in dem Ziehknauf vorgesehen ist, kann der Klemm-Mechanismus einfach
sein und eine hohe Zuverlässigkeit
aufweisen. In einem Fall, in dem sich das Flüssigkeitskanal-Umschaltmittel
in dem Ziehknauf befindet ist verglichen mit dem Fall, in dem es
sich in der Zugstange befindet, insbesondere die Häufigkeit
seiner Benutzung so niedrig, dass seine Haltbarkeit kaum irgendein
Problem aufwirft. Wenn das Flüssigkeitskanal-Umschaltmittel
in dem Ziehknauf gestört ist,
kann die Störung überdies
durch Aiswechseln nur des Umschaltmittels oder des gesamten Ziehknaufs beseitigt
werden.
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Im
folgenden wird zum besseren Verständnis der Erfindung und um
zu zeigen, wie diese zur Wirkung gebracht wird, beispielhaft auf
die vorliegenden Figuren Bezug genommen.
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1 zeigt
eine Schnittansicht des Hauptteils eines Werkzeugklemm-Mechanismus
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2A u. 2B zeigen
Ansichten zum Veranschaulichen der Arbeitsweise des Werkzeugklemm-Mechanismus
gemäß 1.
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3A bis 3C zeigen
Ansichten zum Veranschaulichen zusätzlicher Vorgänge in der
Arbeitsweise des Werk zeugklemm-Mechanismus, die den Vorgängen folgen,
die in 2A u. 2B gezeigt
sind.
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4A bis 4C zeigen
Explsionsansichten, die Hauptkomponenten des Werkzeugklemm-Mechanismus
gemäß 1 darstellen,
wobei 4A(a) eine Teilschnittansicht
einer erste Buchse ist, 4A(b) eine
Druntersicht der ersten Buchse ist, 4B(a) eine
Teilschnittansicht einer zweiten Buchse ist, 4B(b) eine
Schnittansicht längs
einer Linie A-A in 4B(a) ist, 4B(c) eine Schnittansicht längs einer
Linie B-B in 4B(a) ist, 4C(a) eine teilweise im Schnitt dargestellte
Seitenansicht ist, die den unteren Teil einer Zugstange zeigt, und 4C(b) eine Schnittansicht längs einer
Linie C-C in 4C(a) ist.
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5 zeigt
eine Darstellung zum Veranschaulichen eines Kraftverstärkungsvorgangs
in dem Werkzeugklemm-Mechanismus gemäß 1.
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6A bis 6C zeigen
Ansichten zum Veranschaulichen von Ziehknäufen des Werkzeugklemm-Mechanismus
gemäß 1,
wobei 6A u. 6B einen
Ziehknauf zeigen, der für
eine zentrale Durchgangskühlung
benutzt wird, und 6C einen Ziehknauf zum Reinigen
ohne zentrale Durchgangskühlung
zeigt.
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7 zeigt
eine Ansicht eines Hauptspindelaufbaus, der einen herkömmlichen
Klemm-Mechanismus des Spanntyps benutzt.
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8A bis 8C zeigen
Schnittansichten eines Hauptspindelaufbaus, der einen Klemm-Mechanismus
des Spannzangentyps benutzt, der bei dem Vorgang der Entwicklung
der vorliegenden Erfindung entworfen und studiert wurde.
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9A bis 9C zeigen
Ansichten zum Veranschaulichen der Arbeitsweise des Hauptspindelaufbaus,
der den Klemm-Mechanismus des Spannzangentyps gemäß 8A benutzt.
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Im
folgenden wird ein Werkzeugklemm-Mechanismus gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die vorliegenden 1 bis 6C beschrieben.
In diesen Figuren sind die gleichen Bezugszeichen für Elemente
und Komponenten benutzt, die mit denjenigen des herkömmlichen
Klemm-Mechanismus des Kugelspanntyps, der in 7 gezeigt
ist, identisch sind.
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Eine
Hauptspindel 4 ist mittels eines Lagers 3 in einem
Gehäuse 2 drehbar
gehalten, das an einem Spindelkopf 1 angebracht ist. Ein
Klemm-Mechanismus zum Klemmen eines Ziehknaufs 13, eine Zugstange 10 usw.
sind derart in einem Loch angeordnet, das in der Hauptspindel 4 ausgebildet
ist, dass sie sich längs
dessen Achse erstrecken.
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Der
Klemm-Mechanismus gemäß der vorliegenden
Erfindung ist aus einer ersten Buchse 9, die an dem Innenumfangsteil
des Lochs in der Hauptspindel befestigt ist, und einer zweiten Buchse 8 zusammengesetzt,
die in der axialen Richtung der Hauptspindel bewegbar ist. Ein Ende
einer Feder 11 zum Aufwärtsdrücken der
Zugstange 10 stößt gegen die
obere Endfläche
der ersten Buchse 9. Die Zugstange 10 durchdringt
die Feder 11. In der Zugstange 10 ist ein Durchgangsloch 10c derart
ausgebildet, dass es sich längs
ihrer Achse erstreckt.
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Wie
in 4A gezeigt ist die erste Buchse 9 mit
einer Nut 9a versehen, die eine Neigung auf ihrer Innenumfangsoberfläche hat.
Die erste Buchse 9 ist in das Loch im Zentrum der Hauptspindel 4 eingesetzt
und in dem Spindelloch mittels eines verjüngten Endteil des Lochs und
der Feder 11 befestigt. Der Ausnehmung oder Nut 9a,
welche die Neigung auf der Innenumfangsoberfläche der ersten Buchse 9 bildet,
kann derart eine kubisch Form gegeben sein, dass sie Kugeln 7b umgreifen
kann. Da die erste Buchse 9 kleine Abmessungen hat, ist
der Freiheitsgrad bei der Auswahl ihres Materials und dessen Wrmebehandlung
jedoch so hoch, dass ein Bereitschaftszustand sichergestellt werden
kann, ohne der Nut 9a die kubische Form zu geben. Demzufolge
wird die Nut 9a nur durch Drehen ausgebidet.
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Wie
in 4B(a), 4B(b) u. 4B(c) gezeigt ist der obere Teil der zweiten
Buchse 8, der verjüngt
oder im Durchmesser verringert ist, in die erste Buchse 9 eingeführt. Der
verjüngte
obere Endteil der zweiten Buchse 8 kann gegen einen vergrößerten Teil
der Zugstange 10 stoßen.
Eine Vielzahl von Bohrlöchern 8a u. 8b durchdringt
radial die unteren und oberen Teile der zweiten Buchse 8.
In die Löcher 8a bzw. 8b sind
Kugelspannteile 7a u. 7b eingebettet.
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Die
Kugeln 7b, die in die oberen Löcher 8b eingebettet
sind, sind dafür
angepasst, in die Neigung der Nut 9a in der ersten Buchse 9 und
die Neigungen von Ausnehmungen 10d (werden später erwähnt) in
der Zugstange 10 einzugreifen. Ferner bilden die Kugelspannteile 7a,
die in die unteren Löcher 8a eingebettet
sind, einen Kugelspannteil zum Halten des Ziehknaufs 13.
Obwohl die Kugelspannteile 7a gemäß diesem Ausführungsbeispiel
als typische Beispiele für
rollende Elemente benutzt sind, können sie durch Rollen ersetzt
sein.
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Wie
in 4C(a) u. 4C(b) gezeigt
sind die Ausnehmungen 10d in dem unteren Endteil der Zugstange 10 ausgebildet,
und in deren jeweilige Neigungen greifen die Kugeln 7b einzeln
ein. Ferner befindet sich ein vergrößerter Teil der Zugstange 10 zum
Eingreifen in das obere Ende der zweiten Buchse 8 gerade
oberhalb der Ausnehmunges 10d. Der vergrößerte Teil
ist mit einem Paar von Nuten 10a versehen, die mit einem
Ansatz 8c auf der zweiten Buchse 8 in Eingriff
treten können.
Eine Neigung jeder Ausnehmung 10d der Zugstange 10 kann
mittels einer Kugelmühle
ausgebildet sein, die einen Durchmesser hat, der ein bisschen größer als
derjenige jeder Kugel 7b ist, die in die Neigung eingreift.
Auf diese Weise wird ein Berührungsoberflächendruck
herabgesetzt, der auf die Zugstange 10 einwirkt, um eine zufriedenstellende
Haltbarkeit sichertzstellen.
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Von
der Hauptspindel 4 wird ein Werkzeugschaft 5,
der in verschiedene Werkzeuge eingesetzt werden kann, mittels eines
automatischen Werkzeugwechslers (nicht gezeigt) entfernt, und alternativ dazu
wird ein anderer Werkzeugschaft an der Hauptspindel 4 angebracht.
Eine Hauptfunktion des Klemm-Mechanismus gemäß der Erfindung besteht darin,
den Werk-zeugschaft 5 zu entklemmen und einen anderen Werkzeugschaft,
der mittels des Werkzeugwechslers ausgewählt ist, während eines automatischen Wechselvorgangs
in der Hauptspindel zu klemmen. Dieser Klemm-Mechanismus kann dazu benutzt
werden, einen Ziehknauf eines Werkzeughalters zu halten und den
Werkzeughalter statt des Wechselns des Werkzeugs selbst zu wechseln.
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Im
folgenden wird der Werkzeugwechsel-(Werkzeughalterwechsel-)Vorgang
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf die 2A, 2B, 3A, 3B u. 3C beschrieben.
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2A zeigt
einen Anfangszustand, im dem die Zugstange 10 mittels der
Feder 11 gegen den oberen Endteil gedrückt ist. Wenn eine Rolle 12 bei dem
automatischen Werkzeugwechsel-Vorgang
vorbewegt oder herabgegeführt
wird, wird die Zugstange 10, die mit einem Führungsring 10b verbunden
ist, nach unten geschoben. Wenn sich die Zugstange 10 herunterbewegt,
wird die zweite Buchse 8 niedergedrückt, um die Position einzunehmen,
die in 2B gezeigt ist.
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In
dem Zustand gemäß 2B wird
die Zufuhr von Druckluft gestartet, die von dem zentralen Durchgangsloch 10c der
Zugstange 10 zuzuführen ist.
Die Zugstange 10 und die zweite Buchse 8 bewegen
sich weiter nach unten, woraufhin die Kugelspannteile 7a bei
dem unteren Teil der zweiten Buchse 8 in Richtung auf eine Öffnungsposition 4b bei
einem Stufenteil der Bohrung der Hauptspindel bewegt werden. In
diesem Zustand gestatten die Kugelspannteile 7a den Durchtritt
des Kopfes des Ziehknaufs 13.
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3A zeigt
den Werkzeugschaft 5, der mittels des automatischen Werkzeugwechslers
in die Hauptspindel 4 eingeführt ist. Wenn der Ziehknauf 13 eingeführt wird,
wobei seinem Kopf gestattet ist, durch die Kugelspannteile 7a zu
treten, werden die Kugelspannteile 7a wie zuvor erwähnt durch
den Kopf des Ziehknaufs 13 auseinandergespreizt. Die Außenumfangsoberfläche des
Ziehknaufs 13 und die Innenumfangsoberfläche der
zweiten Buchse 8 werden mittels eines O-Rings 8d abgedichtet,
der an der Buchse 8 angebracht ist, und die Druckluft,
die von dem Durchgangsloch 10c der Zugstange 10 zugeführt wird,
strömt
durch einen Kanal 13b in dem Ziehknauf und dann in den
Raum zwischen einer verjüngten
Oberfläche 5a des
Werkzeugschafts 5 und einem verjüngten Oberflächenteil
der Hauptspindel 4, um dadurch die zwei verjüngten Oberflächen zu
reinigen.
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Ferner
strömt
die Druckluft durch ein Loch 4a, das eine Endfläche der
Hauptspindel 4 und einen Raum gerade unterhalb der Verbindung
des Ziehknaufs 13 und der zweiten Buchse 8 verbindet,
um dadurch beide der jeweiligen Endflächen des Werkzeugschafts 5 und
der Hauptspindel 4 zu reinigen.
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Wenn
sich die Rolle 12 aufwärts
bewegt, so dass die Zugstange 10 veranlasst wird, ihr zu
folgen, und sich durch die abstoßende Kraft der Feder 11 aufwärts bewegt,
stoßen
die Ausnehmungen 10d in dem körperfernen Endteil der Zugstange 10 die
Kugeln 7b nach oben, so dass sich die zweite Buchse 8 ebenfalls
aufwärts
bewegt, wie dies in 3B ge zeigt ist. Wenn sich die
zweite Buchse 8 aufwärts
bewegt, werden die Kugelspannteile 7a bei dem unteren Endteil
der zweiten Buchse 8 veranlasst, den Kopf des Ziehknaufs 13 durch
den verjüngten
Stufenteil des Lochs in der Hauptspindel 4 zu halten. Dann wird
der Ziehknauf 13 angehoben, und der Ziehknauf 13 und
der the Werkzeugschaft 5 werden in die Hauptspindel 4 gezogen.
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3C zeigt
eine Ansicht, die einen derartigen Zustand darstellt, in dem das
Klemmen mit der Hauptspindel 4 vervollständigt ist,
nachdem die Zugstange 10 angehoben ist, um den Werkzeugschaft 5 anzuheben.
Das Klemmen ist vervollständigt,
und die Zufuhr von Druckluft ist gestoppt, woraufhin der Werkzeugwechsel
beendet ist. In diesem Zustand werden die Kugeln 7b bei
dem oberen Teil der Zugstange 10 in Eingriff mit den jeweiligen
Neigungen der Ausnehmungen 10d der Zugstange 10 und
der Neigung der Nut 9a in der ersten Buchse 9 gehalten.
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Die
verjüngte
Oberfläche
der Hauptspindel 4 und die verjüngte Oberfläche 5a des Werkzeugschafts 5 werden
in enge Berührung
miteinander gebracht, und die Endfläche der Hauptspindel 4 und
die zylindrische Endfläche
des Werkzeugschafts 5 werden ebenfalls in enge Berührung miteinander
gebracht. Durch diese beidseitige Bedrenzung wird der Werkzeugschaft 5 an
die Hauptspindel 4 geklemmt, und es kann eine hohe Haltesteifigkeit
erreicht werden.
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5 zeigt
eine Darstellung zum Veranschaulichen eines derartigen Kraftverstärkungsvorgangs,
dass die Zugkräfte
der Zugstange 10 auf die zweite Buchse 8 übertragen
werden. Die jeweiligen Richtungen und Größen der einzelnen Kräfte sind durch
Abschnitte repräsentiert.
In 4A, 4C u. 5 ist α der Winkel
der Neigungen der Ausnehmungen 10d der Zugstange 10,
und β ist
der Winkel der Nut 9a der ersten Buchse 9.
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Wenn
die abstoßende
Kraft der Feder 11 als ein Abschnitt AB der Zugstange 10 gegeben
ist, wie dies in 5 gezeigt ist, ist eine Kraft,
die jede Kugel 7b von der Neigung jeder Ausnehmung 10d der
Zugstange 10 aufnimmt, als ein Abschnitt AC in der Richtung
senkrecht zu der Neigung gegeben. Eine radiale Komponente der Kraft
des Abschnitts AC ist durch einen Abschnitt BC gegeben. Eine Kraft,
die jede Kugel 7b von der Neigung der Nut 9a in
der ersten Buchse 9 aufnimmt, ist durch einen Abschnitt
AD senkrecht zu der Neigung gegeben. Der Abschnitt AD repräsentoert
eine Kraft einer derartigen Größe, dass
ihre radiale Komponente einer Kraft ED gleich der zuvor genannten
radialen Komponente der Kraft BC ist. Eine Kraft, die jede Kugel 7b von
beiden Neigungen aufnimmt, ist durch einen Abschnitt AF gegeben,
der die Summe der jeweiligen axialen Komponenten der Kraft, AB u.
AE, der Abschnitte AC u. AD repräsentiert.
Der Abschnitt AF repräsentiert
eine Klemmkraft, mit welcher der Ziehknauf 13 eingezogen
wird. Die Größe dieser
Kraft ist durch |AF| = |AB| × (1+sinβ/(tanα·cosβ))
= |AB| × (1+tanβ/tanα)gegeben.
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Wenn α = 18° und β = 40° gegeben
sind, wird |AF| = |AB| × 3,58gewonnen, so dass
die abstoßende
Kraft (Abschnitt AB) der Feder 11 3,58-mal verstärkt und
auf den Ziehknauf 13 übertragen
wird. Eine notwendige Klemmkraft kann durch geeignete Auswahl der
Winkel α u. β der Neigungen
erreicht werden. Eine Klemmkraft von 512 Kilopond kann als ein praktischer
Wert für
einen Entwurf gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
erreicht werden, wobei die abstoßenden Kraft der Feder auf
143 Kilopond gesetzt ist.
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6A bis 6C zeigen
Schnittansichten, die einzeln verschiedene Konfigurationen des Ziehknaufs 13 darstellen,
der für
den zuvor beschriebene Klemm-Mechanismus oder dgl. benutzt wird,
wobei die jeweiligeb verjüngten
Oberflächen
und Endflächen
der Hauptspindel 4 und des Werkzeugschafts 5 gereinigt
werden können. 6A u. 6B zeigen einen
Ziehknauf, der für
eine zentrale Durchgangskühlung
benutzt wird, während 6C einen
Ziehknauf nur zum Reinigen, d. h. nicht für eine zentrale Durchgangskühlung zeigt.
Das Beispiel, das in 2A, 2B, 3A, 3B u. 3C gezeigt ist,
ist die Version, die in 6C gezeigt
ist.
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Ein
Ziehknauf 20 für
die zentrale Durchgangskühlung,
der in 6A u. 6B gezeigt
ist, ist mit einem ersten Führungsbohrloch 20d,
das den Ziehknauf 20 von dem körperfernen Ende seines Kopfes
her axial durchdringt, und einem zweiten Führungsbohrloch 20c versehen,
das sich radial erstreckt, mit dem ersten Führungsbohrloch 20d verbunden
ist und sich seitwärts
in der Umfangsoberfläche
des Ziehknaufs 20 öffnet.
In das erste Führungsbohrloch 20d ist
ein Kolben 20a, eine nagelförmige hohle Komponente, zum
Vorbewegen und Zurückziehen
eingesetzt, und es ist eine Feder 20b angeordnet, um den
Kolben 20a aufwärts
(oder in Richtung auf das körperferne
Ende des Kopfes des Ziehknaufs 20) zu drücken.
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Wenn
sich der Kolben 20a wegen der Stoßkraft der Feder 20b an
dem oberen Ende befindet, ist es dem zweiten Führungsbohrloch 20c gestattet,
mit dem ersten Führungsbohrloch 20d zu
kommunizieren, ohne dass es durch den Kolben 20a blockiert
ist, wie dies in 6A gezeigt ist. Wenn sich der
Kolben 20a gegen die Stoßkraft der Feder 20b an
dem untere Ende befindet, kommen andererseits das körperferne
Ende des Kolbens 20a und ein Stufenteil des ersten Führungsbohrlochs 20d in
enge Berührung miteinander,
wie dies in 6B gezeigt ist, wodurch das
zweite Führungsbohrloch 20c bloc kiert
wird, um die Kommunikation des zweiten Führungsbohrlochs 20c mit
dem ersten Führungsbohrloch 20d zu
verhindern.
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Die
Stoßkraft
der Feder 20b wird in folgender Weise gesetzt: Wenn Druckluft
zum Reinigen auf das körperferne
Ende des Kolbens 20a (körperferne
Endeseite des Kopfes des Ziehknaufs 20) einwirkt, wird der
Kolben 20a von einem Bewegen durch die Stoßkraft der
Feder 20b abgehalten. Wenn eine Schneidbearbeitungsflüssigkeit
für die
zentrale Durchgangskühlung
auf das körperferne
Ende des Kolbens 20a einwirkt, gestattet ihr Druck dem
Kolben 20a, das untere Ende gegen die Stoßkraft der
Feder 20b zu bewegen.
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Wenn
die Druckluft dem körperfernen
Ende des Kopfes des Ziehknaufs zugeführt wird, um die jeweiligen
Berührungsoberflächen der
Hauptspindel 4 und des Werkzeugschafts 5 zu reinigen,
kann der Kolben 20a daher mittels der Stoßkraft der
Feder 20b ohne Bewegung an dem obere Ende gehalten werden,
wie dies in 6A gezeigt ist. Demgemäß strömt die Druckluft
durch ein Durchgangsloch in dem Kolben 20a und die ersten
und zweiten Führungsbohrlöcher 20d u. 20c.
Nachdem sie durch das zweite Führungsbohrloch 20c strömt, reinigt
die Druckluft die jeweiligen verjüngtn Oberflächen der Hauptspindel 4 und
des Werkzeugschafts 5, wie es unter Bezugnahme auf 3A bis 3C beschrieben
wurde, und strömt
durch das Loch 4a in der Hauptspindel 4, um auch
die jeweiligen Endflächen der
Hauptspindel 4 und des Werkzeugschafts 5 zu reinigen.
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Wenn
die Schneidbearbeitungsflüssigkeit dem
körperfernen
Ende des Kopfes des Ziehknaufs 13 zugeführt wird, veranlasst andererseits
deren Druck den Kolben 20a, sich gegen die Stoßkraft der Feder 20b zu
dem unteren Ende zu bewegen, wie dies in 6B gezeigt
ist. Daraufhin kommen das körperferne
Ende des Kolbens 20a und der Stufenteil des ersten Führungsbohrlochs 20d des
Ziehknaufs 13 in enge Berührung miteinander, um dadurch
das zweite Führungsbohrloch 20c zu
blockieren. Demgemäß wird die
Schneidbearbeitungsflüssigkeit
nur durch das erste Füh-rungsbohrloch 20d geleitet,
so dass sie durch ein Loch im Zentrum eines Werkzeugs strömt und aus
dem körperfernen
Ende des Werkzeugs ausgestoßen
wird.
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Da
der Ziehknauf 20 weniger oft benutzt wird, ist die Häufigkeit
der Benutzung des Kolbens 20a als Flüssigkeitskanal-Umschaltmittel,
der sich in dem Ziehknauf 20 befindet, geringer als in
dem Fall, in dem sich der Kolben in der Zugstange befindet, wie dies
in 8A, 9A, 9B u. 9C gezeigt ist.
Demzufolge ist die Haltbarkeit des Kolbens verbessert. Wenn der
Kolben 20a gestört
ist, kann er überdies
leicht gegen einen neuen ausgetauscht werden, und außerdem kann
der Ziehknauf komplett gewechselt werden, so dass die Wartungsarbeiten leicht
durchzuführen
sind.
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6C zeigt
den Ziehknauf 13 zum Reinigen ohne zentrale Durchgangskühlung. Ein
erstes Führungsbohrloch 13a kommuniziert
nur mit einem zweiten Führungsbohrloch 13b ohne
Durchdringen des Ziehknaufs 13. Der Ziehknauf 13 dieses
Typs dient nur zum Reinigen der jeweiligen verjüngten Oberflächen und
Endflächen
der Hauptspindel 4 und des Werkzeugschafts 5,
die eng miteinander in Berührung
zu bringen sind.
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Obwohl
der Ziehknauf an dem Werkzeug angebracht ist, kann er gemäß dem Ausführungsbeispiel,
das zuvor beschrieben wurde, alternativ dazu an dem Werkzeughalter
angebracht werden, und der Werkzeugklemm-Mechanismus gemäß der vorliegenden
Erfindung kann außerdem
für ein
Austauschen des Werkzeughalters benutzt werden.