DE7817684U1 - Werkzeugspindel mit pneumatisch betätigtem Spannfutter - Google Patents

Description

Georg Müller Kugellagerfabrik KG Äußere Bayreuther Straße 230

D-8500 Nürnberg

Werkzeugspindel mit pneumatisch betätigtem Spannfutter

Die Aufnahme des Werkzeuges in einer Werkzeugspindel erfolgt im allgemeinen entweder ^.urch direkte Befestigung des Werkzeuges mit einem kegeligen oder zylindrischen Sitz mittels einer Schraubbefestigung oder durch Spannen in einem besonderen Spannfutter. Bei häufigem Werkzeugwechsel und speziell bei zylindrischen , handelsüblichen Werkzeugen wie Bohrer und Fräser erfolgt die Werkzeugaufnahme stets mit einem Spannfutter.

Im allgemeinen erfolgt das Spannen und Lösen des Werkzeuges im Spannfutter durch manuelle Betätigung direkt am Spannfutter. Bei Schnellspannfuttern ist es bereits bekannt, das Spannen durch Federkraft, das Lösen durch manuelle Betätigung zu bewerkstelligen.

Bei NC-gesteuerten Maschinen muß jedoch der Werkzeugwechsel und somit das Spannen und Lösen der Werkzeuge automatisch erfolgen. Es entspricht hierbei dem Stand der Technik, durch eine Bohrung der Spindelwelle eine Zugstange zu führen, welche an dem dem Spannfutter abgewandten Ende mit Federn so verspannt ist, daß das Spannfutter gespannt ist. Das öffnen des Spannfutters erfolgt durch Druck auf die Zugstange beziehungsweise durch eine Bewegung der Zugstange in Richtung Spannfutter unter Zusammendrücken der Federn.

Diese Bewegung kann durch eine Vorrichtung außerhalb der Spindel eingeleitet werden. Es ist jedoch vorteilhaft, diese Vorrichtung mit der Spindel zu einer Einheit zusammenzusetzen. Die Kraft kann hierbei in einem Hydraulik-Zylinder oder einem Pneumatik-Zylinder erzeugt werden.

Bei kleinen Spindeldurchmessern, wie sie häufig in automatischen Maschinen benötigt werden, ist es nun schwierig die große Kraft, die zum Lösen nötig ist, innerhalb des vorgegebenen Durchmessers zu erzeugen. Die Kraft beträgt zum Beispiel bei Verwendung eines 3 mm Werkzeugdurchmessers etwa 1000 N.
Geht man vom Druck der normal zur Verfügung stehenden Druckluft

von etwa 5 bar aus, so wird ein Kolbendurchmesser benötigt, der größer ist als der Spindeldurchmesser.

Dies ist, wenn mehrere Spindeln in einer Maschine zusammenarbeiten müssen, oft aus Platzgründen nicht möglich. \

ι Zum andern kann eine solche Spindel nur von einer Seite in ihre

Aufnahme eingesetzt werden.

Wählt man dagegen den Kolbendurchmesser so klein, daß er innerhalb des Spindeldurchmessers untergebracht werden kann, so wird ein Luftdruck benötigt, der um ein Mehrfaches höher ist als der normale Betriebsdruck. Dies hat zur Folge, daß ein zusätzlicher Druckübersetzer benötigt wird und auch Spezialschläuche zur Druckluftzuführung eingesetzt werden müssen, welche die geforderte leichte Beweglichkeit der Spindel behindern.

Verwendet man zur Krafterzeugung einen Hydraulikzylinder, so ist zur Erzeugung des Drucköles ein besonderes Aggregat erforderlich sowie Hochdruckzuleitungen, welche, wie oben gesagt, die geforderte leichte Beweglichkeit der Spindel behindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkzeugspindel mit pneumatisch betätigtem Schnellspannfutter zu schaffen, welche diese Nachteile nicht aufweist, bei welcher der Pneumatikteil j keinen größeren Durchmesser aufweist als der Spindelteil und bei ί welcher der in den Werkstätten übliche Druck der Druckluft von etwa 5 bar ausreicht und somit die geforderte leichte Beweglich- I keit der Spindel durch Hochdruckzuleitungen nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung mehrerer hintereinander angeordneter Pneumatikelemente in Verbindung mit einer speziellen konstruktiven Gestaltung der Werkzeugspindel .

Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen: Fig. 1: Eine Ausführungsform einer Werkzeugspin-

del mit eingespanntem· Werkzeug

Fig. 2: Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit geöffneter Spannzange

Fig. 3: Einen Ausschnitt der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 mit gespanntem Futter, aber ohne Werkzeug

Fig. 4: Eine Ausführungsform einer verwendbaren Lagerung in Form eines Kugellagers.

Die gesamte Werkzeugspindel besteht aus einem Spindelteil 1 und einem Pneumatikteil 2. Im Spindelteil 1 ist die durchbohrte Spindelwelle 3 mittels eines vorderen Lagers 4 und hinteren Lagers 5 in der Spindelhülse 6 drehbar gelagert. Zwischen diesen Lagern befindet sich der Motor, bestehend aus Rotor 7 und Stator 8. Das Lager 5 ist mittels der Feder 9 gegen das Lager 4 angestellt und mittels Kugelführungsbüchse 10 gegenüber der Spindelhülse axial verschiebbar angeordnet. Das Spannfutter 11 wird über die Zugstange 12 mittels der Federn 13 gespannt beziehungsweise bei Druck auf den Druckteller 14 in Richtung Spannfutter gelöst. Im gespannten Zustand besteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem zylindrischen Werkzeugschaft 15a und der zylindrischen Bohrung 15 der Spannzange sowie zwischen dem kegeligen Außendurchmesser 16 der Spannzange und der kegeligen Bohrung 16a der Spindelwelle. Das Spannfutter 11 ist am Ansatz 18 mit der Zugstange 12 verschraubt und kann zur Aufnahme verschiedener Werkzeugdurchmesser ausgewechselt werden. Zwischen dem Ansatz 18 der Zugstange und dem Ansatz 19 der Spindelwellenbohrung ist ein geringer Abstand vorgesehen. Ist im gespannten Zustand kein Werkzeug in die Spannzange eingesetzt (Fig. 3), so begrenzt der Ansatz 18 der Zugstange durch Anschlag an Ansatz 19 der Spindelwellenbohrung den Axialweg der Spannzange so, daß die zylindrische Öffnung 15 der Spannzange nur um weniges kleiner ist als der zylindrische Schaftdurchmesser des Werkzeuges.

Bei einem Druck auf den Druckteller 14 in Richtung Spannzange wird die gesamte Spindelwelle zunächst in der gleichen Richtung bewegt. Das hintere Lager 5 bleibt dabei durch die Feder 9 belastet, die Axialbewegung erfolgt in der Kugelführungsbüchse 10.

Das vordere Lager 4 wird zunächst entlastet ftnd im weiteren Verlauf dieser Bewegung wird der Innenring um einen bestimmten Betrag aus dem Außenring mit Kugeln herausgehoben. Dies ist ohne Beschädigung des Lagers möglich, da der Innenring nur eine Schulter hat und beginnend vom tiefsten Punkt der Laufbahn auf der offenen Seite einen Zylinder (Fig. 4) mit einem Durchmesser gleich dem kleinsten Laufbahndurchmesser aufweist. Nach einem kurzen Weg der Spindelwelle schlägt der Ansatz 20 der Spindelwelle 3 an den Flansch 21 der Spindelhülse 6 an (Fig. 2). Die auf den Druckteller 14 in Richtung Spannfutter wirkende Kraft drückt nun die Federn 13 zusammen und bewegt die Zugstange 12 in der Bohrung der Spindelwelle in Richtung öffnen des Spannfutters. Die kraftschlüssige Verbindung zwischen Spannzange und Spindelwelle wird gelöst, das Werkzeug kann entnommen oder ein neues Werkzeug eingesetzt werden (Fig. 2).

Das Pneumatikteil 2 ist mit dem Spindelteil 1 fest verbunden und weist einen Außendurchmesser auf, der gleich oder kleiner ist als das Spindelteil. In der zylindrischen Bohrung der Hülse 22, welche durch einen Deckel 30 abgeschlossen ist, sind hintereinander mehrere im wesentlichen gleiche Pneumatikeinheiten, bestehend aus dem topfförmigen Zylinder 23, dem scheibenförmigen Kolben 24, welcher auf dem Druckbolzen 25 fest montiert ist. Der Boden 26 des Zylinders 23 trennt die einzelnen Pneumatikeinheiten voneinander. Der Druckbolzen 25 ragt mit einem Ende durch die Bohrung dieses Bodens und ist in dieser Bohrung abgedichtet. Die axiale Länge der Zylinder 23 ist gleich der axialen Länge der Druckbolzen 25. Durch den Kolben 24 wird der Innenraum des Zylinders in zwei Räume 27 und 28 geteilt. Alle Räume 27 sind durch Bohrungen 31 miteinander und mit einem Anschluß an ein Regelglied verbunden, ebenso die Räume 28 miteinander mit Bohrungen 32 und dem Regelglied, welches nicht besonders dargestellt ist. Über das Regelglied v/erden zum Öffnen der Spannzange die Räume 28 mit Druckluft beaufschlagt und gleichzeitig die Räume 27 entlüftet. Entsprechend der wirksamen Kolbenfläche und dem Luftdruck wird in jeder Pneumatikeinheit eine bestimmte Kraft auf den jeweiligen Druckbolzen 25 übertragen. Der dem Deckel 30 benachbarte Druckbolzen 25/4 überträgt dia in dieser Pneumatikeinheit erzeugte

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Kraft auf den benachbarten Druckbolzen. Dieser wieder überträgt diese Kraft und die in dieser zweiten Einheit erzeugte Kraft auf den nächsten Druckbolzen und so weiter. Der letzte dem Druckteller 14 benachbarte Druckbolzen 25/1 überträgt somit die Summe aller in den einzelnen Pneumatikeinheiten erzeugten Kräfte auf den Druckteller (Fig. 2) und bewirkt das öffnen des Spannfutters.

Ist der Werkzeugwechsel erfolgt, so wird das Regelglied umgeschaltet und der Raum 27/1 oder alle Räume 27 werden mit Durckluft beaufschlagt und gleichzeitig die Räume 28 entlüftet. Die Kolben mit den Druckbolzen werden nun in die Richtung Deckel 30 bewegt, bis der letzte Druckbolzen 25/4 am Deckel 30 anliegt. Der Druckteller 14 wird freigegeben, die Feder 13 spannt über die Zugstange 12 das Spannfutter 11 und zwischen Druckteller 14 und dem ersten Druckbolzen 25/1 entsteht ein Spalt, so daß sich nun die Spindelwelle frei drehen kann. Dieser Spalt ist bei eingesetztem Werkzeug etwas größer als der Abstand zwischen dem Ansatz 18 der Zugstange und dem Ansatz 19 der Spindelwellenbohrung, damit auch, wenn kein Werkzeug sich in der Spannzange befindet, ein Kontakt zwischen Druckteller und dem ersten Druckbolzen sicher vermieden wird.

Durch die beschriebene Anordnung der hintereinander angeordneten Pneumatik-Zylinder und Pneumatik-Kolben ist es möglich, auch bei kleinen Spindeldurchmessern innerhalb dieses kleinen Durchmessers nahezu beliebig große Kräfte zur Betätigung der Spannzange zu erzeugen, auch bei Verwendung eines Luftdruckes, wie er in den übliehen Druckluftanlagen zur Verfügung steht. Es werden keine zusätzlichen Druckerzeugungs-Aggregate benötigt, was wesentlich zur Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage, bestehend aus Maschine und Spindel, beiträgt.

Durch die kleinen Spindeldurchmesser ist es möglich, mehrere Spindeln nahezu nebeneinander gleichzeitig einzusetzen. Bei gleichzeitiger Bearbeitung mehrerer Werkstücke kann der Aufnahmetisch wesentlich kleiner gehalten werden beziehungsweise bei gleicher Größe können mehrere Werkstücke untergebracht werden.

Das auf der Spannzangenseite vorgesehene zerlegbare Lager läßt auf grund seiner Konstruktion mit zwei Borden am Außenring und einem darin geführten Käfig sehr hohe Drehzahlen zu und ermöglicht durch

die Zerlegbarkeit große Axialwege der Spindelwelle zur Spindelbüchse ohne die Gefahr einer Lagerbeschädigung. Die hohen Drehzahlen in Verbindung mit den kurzen Werkzeugwechselzeiten vermindern die Taktzeiten zur Bearbeitung eines Werkstückes und erhöhen somit ganz wesentlich die Wirtschaftlichkeit der Maschine, in weicher die erfindungsgemäßen Werkzeugspindeln eingesetzt sind.

Claims (3)

Ansprüche

1. Werkzeugspindel mit eingebautem hochtourigen Motor und

Schnellwechsel-Spannvorrichtung für Werkzeuge mit zyling drischem Aufnahmeschaft, bestehend aus einem den Motor und

die Spindelwelle mit Spannzange aufnehmenden Spindelteil und einem damit fest verbundenen Pneumatikteil mit Anschluß an ein normales Druckluftnetz mit einem Druck von etwa 4 bis 10 bar, wobei öle Spannkraft für das Werkzeug durch eine vorgespannte Druckfeder erzeugt wird und bei geschlossener Spannzange mit und ohne Werkzeug ein Kontakt zwischen der drehenden Spindelwelle und dem Kraftübertragungsglied der Pneumatik sicher vermieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Pneumatikteil im Außendruchmesser nicht größer ist als das Spindelteil und daß die Löcekraft für die Spannzange und die Rückholkraft für das Kraftübertragungs^lied der Pneumatik durch Hintereinanderschaltung mehrerer doppelseitig wirkender Pneumatikkolben erfolgt und die Spindelwelle auf der Spannzangenseite in einem zerlegbaren Lager mit aus dem Lager herausnehmbaren Innenring gelagert ist.

2. Werkzeugspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulikeinheiten untereinander identisch sind und gemäß dem Baukastensystem in beliebiger Zahl zusammengefügt werden können.

3. Werkzeugspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Spannvorgang ohne Werkzeug die Spannzange durch eine Begrenzung zwischen Zugstange und Spindelwelle auf einen Durchmesser schließt, der nur um weniges kleiner ist als der Werkzeugschaf tdurchmesser .