CH679988A5 - - Google Patents

Description

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CH 679 988 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens sowie eine Anwendung dieses Verfahrens.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Beispielsweise bei der Gestaltung der Werkzeugspanneinrichtung in der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine kann die Erfindung vorteilhaft genutzt werden. Auch Werkstückspanneinrichtungen, sowohl für rotatorische als auch prismatische Werkstücke, könnten erfindungsgemäss gestaltet sein. Ganz allgemein ist die Erfindung überall dort anwendbar, wo Spannelemente zunächst mit niedriger Kraft zur Anlage am zu spannenden Objekt zu bringen sind und danach eine grosse Spannkraft mittels möglichst kurzer Wege der Spannelemente übertragen werden soll.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus der DD 137 673 ist eine Spanneinrichtung für Werkzeuge in Arbeitsspindeln bekannt, bei welcher ein Tellerfederpaket die Spannkraft aufbringt und Kugeln als Verriegelungselemente zwischen die Zugstange und die Arbeitsspindel geschaltet sind. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die verfügbare Spannkraft von der Kraft des Tellerfederpaketes begrenzt wird. Eine Spannkrafterhöhung ist nur durch Vergrösserung des Tellerfederpaketes möglich, woraus eine Vergrösserung der Spindelbaugruppe resultiert. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Kugeln zum Zwecke des Verriegeins bzw. Entriegeins in radialer Richtung zur Spindelachse bewegt werden, wofür Raum benötigt wird.

Dieser letztgenannte Nachteil wird besonders deutlich bei der aus der DE 2 741 166 bekannten Vorrichtung zur Betätigung eines an einer Arbeitsspindel gehaltenen Spannkopfes für Werkstücke oder Werkzeuge. Auch hier werden Kugeln als Verriegelungselemente verwendet und zu diesem Zweck in radialer Richtung zur Spindelachse zwischen Spannstange und Arbeitsspindel bewegt. Die von einer Feder ausgehende Spannkraft wird hier über Keilflächen zunächst auf die Kugeln und von diesen über eine weitere Keilfläche auf die Spannstange übertragen, wobei gleichzeitig über eine dritte Keilfläche die Verriegelung zwischen Spannstange und Arbeitsspindel erfolgt.

Die Radialbewegung der Kugeln und die daraus resultierende Gestaltung der Funktionselemente der Einrichtung erfordern einen relativ grossen Aussendurchmesser derselben, so dass diese Einrichtung nicht im Innenraum einer Arbeitsspindel untergebracht werden kann, ohne die gesamte Baugruppe zu vergrössern und die damit verbundenen Nachteile in Kauf zu nehmen. Zusätzlicher Bauraum im Anschluss an die eigentliche Arbeitsspindel wird ausserdem erforderlich. Diese Verlängerung der Arbeitsspindel ist schon vom Aufbau der Maschine her gesehen nachteilig und wirkt sich ferner bei hohen Drehzahlen der Arbeitsspindel äusserst nachteilig auf die Wuchtgüte derselben aus.

Alle Lösungen, die Kugeln oder Walzen als Mittel der Kraftübertragung nutzen, haben des weiteren den erheblichen Nachteil, dass infolge der blossen Punkt- oder Linienberührung zwischen Kugekbzw. Walze und den anderen Funktionselementen in diesem Bereich eine sehr hohe Hertzsche Pressung auftritt, was sich nachteilig hinsichtlich der Steife der Einrichtung auswirkt.

Ziel der Erfindung

Bezogen auf eine gleich grosse nach dem Stand der Technik gestaltete Spindelbaugruppe soll mit der Erfindung eine Verringerung des Aufwandes für die Herstellung derselben und trotzdem eine Erhöhung ihrer Umlauffrequenz ermöglicht werden. Damit soll neben der Kostensenkung bei der Herstellung der Spindelbaugruppe eine Erhöhung der Produktivität der mit einer solchen Arbeitsspindel ausgerüsteten Werkzeugmaschine und eine Verbesserung des Bearbeitungsergebnisses am Werkstück erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Spindelbaugruppe zu verkleinern, ihre Steife und ihre Wuchtgüte zu erhöhen und die Hertzsche Pressung zwischen den Verriegelungselementen zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemässen Verfahrens nach Patentanspruch 2.

Eine vorteilhafte Weiterausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs 3.

Gegenstand der Erfindung ist ausserdem eine Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens nach Patentanspruch 4.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Abschnitt einer Werkzeugmaschinenspindel mit einigen Elementen der Werkzeugspanneinrichtung in entspannter Stellung;

Fig. 2 die Elemente nach Fig. 1 in gespannter Stellung;

Fig. 3 eine Ansicht der Ebene A-A mit bogenförmig bewegten Formkörpern (linke Seite der Fig. 3) und tangential bewegten Formkörpern (rechte Seite der Fig. 3) im entspannten (oben) und gespannten (unten) Zustand;

Fig. 4 einen Verriegelungskörper mit gekrümmten Kanten und einer sphärisch geformten Fläche; und

Fig. 5 einen Verriegelungskörper mit geraden Kanten und geneigten Flächen.

Die nicht näher dargestellte Arbeitsspindel 1 einer Werkzeugmaschine weist einen koaxialen Hohlraum 2 auf, in welchem eine Zugstange 3 gleitend an-

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geordnet ist, welche über Spannklauen in bekannter Weise Kontakt mit dem in der Arbeitsspindel 1 zu spannenden Werkzeug hat. Zwischen der Oberfläche der Zugstange 3 und der den Hohlraum 2 begrenzenden inneren Wandung der Arbeitsspindel 1 5 ? entsteht ein Ringraum 2.1, welchen in radialer Rich-

* tung zur Achse 4 der Arbeitsspindel 1 ein auf der

; Zugstange 3 gleitend angeordnetes federbelaste-

\ tes Betätigungselement 5 ganz und in axialer Rich tung teilweise ausfüllt. Die dieses Betätigungsele- 10 ment 5 belastende, nicht dargestellte Feder stützt sich einerseits an dessen der Spindelstirn zugewandten Seite und andererseits an der Arbeitsspindel 1 ab und ist ebenfalls in dem Ringraum zwischen Zugstange 3 und Arbeitsspindel 1 angeordnet. Im 15 Hohlraum 2 sind des weiteren Absätze 6, die mit der Arbeitsspindel 1 fest verbunden sind, einander gegenüberliegend angeordnet. Mit der Zugstange 3 verbunden ist das Formstück 7, das im Hohlraum 2 gleitfähig angeordnet ist. Das Betätigungselement 5 20 weist an seinen achsparallel verlaufenden Armen 5.1 Ausnehmungen 8 auf und von diesen ausgehende, in Richtung Spindelstirn ansteigende Keilflächen 9. Diese Keilflächen 9 werden durch einen schiefen Schnitt durch den rotationssymmetrischen Körper 25 des Betätigungselementes 5 gebildet. Sie enden an achsparallel verlaufenden Gleitflächen 10, die ebenfalls an den Armen 5.1 vorgesehen sind. Weitere Ausnehmungen 11 sind in den Absätzen 6 angeordnet. Ausgehend von der der Spindelstirn abgewand- 30 ten Stirnfläche 12 der Absätze 6 verläuft eine Keilfläche 13 bis zur achsparallelen Seitenfläche 14 der Ausnehmungen 11. Im Bereich der Ausnehmung 8 und der Keilflächen 9 und 13 ist ein Verriegelungskörper 15.1 lose angeordnet. Diese Verriegelungs- 35 körper 15.1 können, wie die Fig. 4 und 5 zeigen, unterschiedlich geformt sein. Dabei ist die Gestaltung nicht an die mit den Fig. 4 und 5 jeweils gezeigten Details gebunden. Vielmehr kann z.B. der Verriegelungskörper 15.1 mit gekrümmten Kanten 16 auch 40 Keilflächen 17 und 18 aufweisen, wie sie am Verriegelungskörper 15.2 in Fig. 5 gezeigt sind, und der hier dargestellte Verriegelungskörper 15.2 mit geraden Kanten 19 kann eine gekrümmte Fläche 20 aufweisen. Die Winkel a, ß und y sind in Abhängigkeit 45 von den beabsichtigten Weg- und Kraftverhältnissen der Vorrichtung gewählt.

Mit Fig. 3 sind die Verriegelungskörper 15.1 und 15.2 in ihrer Lage nach Schnitt A-A in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt. Dabei zeigt die obere Hälfte der 50 Darstellung die Verriegelungskörper 15.1 und 15.2 in der entspannten Stellung der Vorrichtung, d.h., es ist in der Arbeitsspindel 1 kein Werkzeug aufgenommen. Das entspricht der Darstellung nach Fig. 1.

Die untere Hälfte der Fig. 3 zeigt die Lage der 55 Verriegelungskörper 15.1 und 15.2 bei eingespann-l tem Werkzeug in ihrer Endposition entsprechend i der Darstellung nach Fig. 2. Dabei ist in den

Quadranten 1 und 4 die jeweilige Lage des Verriege-\ lungskörpers 15.2 und in den Quadranten 2 und 3 60

die des Verriegelungskörpers 15.1 dargestellt. Aus technologischen Gründen wird eine erfindungsge-mässe Vorrichtung entweder mit Verriegelungskörpern 15.1 oder 15.2 ausgelegt.

Diese Darstellung lässt die Bewegungsrichtung 65

der Verriegelungskörper 15.1 und 15.2 erkennen. Während die Verriegelungskörper 15.1 sich auf einer gekrümmten, gegebenenfalls einer kreisförmigen Bahn bewegen, nehmen die Verriegelungskörper 15.2 einen geraden tangentialen Weg.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Anordnung der Verriegelungskörper 15.1. Es ist ersichtlich, dass dieselben mit ihrer Anlagefläche 16.1 an der der Spindelstirn zugewandten Stirnfläche 23 des Formstückes 7 anliegen und mit ihrer gekrümmten Fläche 20 an der Kante 26 zwischen Keilfläche 9 und Ausnehmung 8.

Der Verriegelungskörper 15.2 würde in Fig. 1 mit seiner Anlagefläche 19.1 an der Stirnfläche 23 und mit seiner Keilfläche 18 an der Kante 26 anliegen. Im Zustand gemäss Fig. 2 (Werkzeug gespannt) hätte die Keilfläche 17 Kontakt mit der Keilfläche 9.

Der Funktionsablauf der Vorrichtung ist folgender:

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäss gestaltete Werkzeugspannvorrichtung im gelösten Zustand der Werkzeugspannung. Dies wird erreicht, indem eine Kraft auf die Stirnflächen 24 des Betätigungselementes 5 in Richtung Spindelstirn wirkt (beispielsweise ein nicht dargestellter hydraulischer Arbeitszylinder) und das Betätigungselement 5 gegen die Kraft der ebenfalls nicht dargestellten bereits erwähnten Feder in Richtung Spindelstim, in der Fig. 1 nach rechts, verschiebt. Über einen Teil des Weges des Betätigungselementes 5 wird von der gleichen Kraft, die auch auf die Stirnfläche 25 wirkt, auch das mit der Zugstange 3 verbundene Formstück 7 und damit auch die Zugstange 3 in Richtung Spindelstirn bewegt, und zwar bis das Formstück 7 am Absatz 6 anliegt. Diesen Zustand zeigt Fig. 1. Dabei befindet sich der Verriegelungskörper 15.1 in der Ausnehmung 8 des Betätigungselementes 5. Die Vorrichtung ist zum Spannen eines Werkzeuges bereit.

Ist das zu spannende Werkzeug in die Maschinenspindel eingesetzt, so wird die Kraft, welche auf die Stirnflächen 24 und 25 wirkt, beseitigt. Die nicht dargestellte, zwischen Arbeitsspindel 1 und Betätigungselement 5 angeordnete Feder kann nun das Betätigungselement 5 in entgegengesetzter Richtung, also von der Spindelstirn hinweg bewegen. Der Verriegelungskörper 15.1, der in der Ausnehmung 8 liegt, wird mit bewegt und da er, wie in Fig. 1 gezeigt, einerseits durch den Absatz 6 längsgeführt ist und andererseits mit seiner Anlagefläche 16.1 am Formstück 7, Stirnfläche 23, anliegt, nimmt er auf seinem Weg in axialer Richtung das Formstück 7 und die mit diesem verbundene Zugstange 3 soweit mit, bis der Werkzeugschaft im Spindelkegel anliegt. Eine weitergehende axiale Bewegung der Zugstange 3 ist nur noch im Rahmen der Elastizität der beteiligten Elemente möglich. Bis hierher hat sich der Verriegelungskörper 15.1 soweit bewegt, dass seine Kante 16.3 die Führungsfläche am Absatz 6 verlassen hat und im Raum vor der Keilfläche 13 liegt. Die weiter auf das Betätigungselement 5 wirkende und dasselbe weiter in axialer Richtung verschiebende Federkraft hat zur Folge, dass der Verriegelungskörper 15.1 von der Kante 26, an der seine gekrümmte Fläche 20 anliegt, einen Bewe-

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gungsimpuls in Richtung Keilfläche 13 erhält. Er bewegt sich bis zur Anlage seiner geneigten Fläche 21 an dieser Keilfläche 13. Dabei gleitet seine gekrümmte Fläche 20 auf die Keilfläche 9 auf. Das weiterhin unter der Federwirkung stehende Betätigungselement 5 treibt seine Keilfläche 9 unter den Verriegelungskörper 15.1 und diesen, soweit es die Elastizität aller beteiligten Elemente zulässt, in den Spalt zwischen Absatz 6 und Formstück 7. Dadurch wird die mit dem Formstück 7 verbundene Zugstange 3 gegenüber der mit dem Absatz 6 verbundenen Arbeitsspindel 1 verkeilt. Das von der Zugstange 3 über Greifelemente in den Spindelkegel der Arbeitsspindel 1 gezogene Werkzeug ist nun mit hoher Kraft eingespannt.

Wäre die erfindungsgemässe Vorrichtung mit den Verriegelungskörpern 15.2 ausgerüstet, dann wäre der Funktionsablauf der gleiche. Lediglich die Bewegung der Verriegelungskörper 15.2 erfolgte mit Wirksamwerden der Kante 26 nicht auf einer gekrümmten Bahn, sondern wie das Fig. 3 zeigt, auf einer geraden Bahn.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ergeben zunächst den Vorteil, dass der Spindeldurchmesser kleiner gewählt werden kann, da die funktionsbedingt notwendige Bewegung der Verriegelungskörper nicht in radialer Richtung zur Spindelachse erfolgt. Damit wird die Spindelmasse kleiner, was sich vorteilhaft auf Spindelantrieb und -dynamik auswirkt.

Die Ausbildung der Verriegelungskörper als Formkörper mit Flächen verringert die Hertzsche Pressung zwischen den Kontaktflächen, so dass die Steife der Vorrichtung allein schon deshalb höher wird.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bewegen und Verriegeln von auf einer gemeinsamen Achse angeordneten, in axialer Richtung zueinander bewegbaren Elementen einer Spannvorrichtung unter Verwendung mehrerer auf die verschiebbaren Körper wirkender Verriegelungskörper, gekennzeichnet dadurch, dass die Verriegelungskörper zunächst axial über eine Strecke bewegt werden, die einer Teilstrecke der von einem der verschiebbaren Körper (5) zurückzulegenden Strecke entspricht und dass ihnen danach eine bogenförmige Bewegung um die Achse (4) der verschiebbaren Körper (5, 7) oder eine tangentiale Bewegung zu einem um diese Achse (4) gedachten Kreis erteilt wird, die von der Bewegung eines der axial verschiebbaren Körper (5) über die Reststrecke abgeleitet ist.

2. Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Spannen eines Werkzeuges oder Werkstückes in einer Arbeitsspindel, die eine Aufnahmeöffnung für das Werkzeug oder Werkstück, eine konzentrisch angeordnete Zugstange, ein auf dieser innerhalb der Arbeitsspindel gleitendes Betätigungselement für Verriegelungskörper, welche zwischen gegeneinander und in axialer Richtung geneigten Keilflächen angeordnet sind, und ein Federelement aufweist, das einerseits an der Arbeitsspindel und andererseits an dem Betätigungselement festliegt, wobei eine der Keilflächen mit dem Betätigungselement und die andere mit der Arbeitsspindel verbunden ist, gekennzeichnet dadurch,

dass als Keilfläche (9) ein Abschnitt einer schiefen 5 Schnittfläche des als Hohlzylinder ausgebildeten

Betätigungselementes (5) und als weitere Keilfläche ^ (13) ein Abschnitt einer schiefen Schnittfläche der ' als Hohlzylinder ausgebildeten Arbeitsspindel (1) vorgesehen ist, wobei die orthogonal zur Achsebe- ? 10 ne der Arbeitsspindel (1) verlaufenden Kanten der Keilflächen (9, 13) jeweils auf Sehnen von konzentrisch zur Achse (4) gedachten, in axialer Richtung in einem Abstand zueinander befindlichen Kreisringen angeordnet sind.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2 gekennzeichnet dadurch, dass als Verriegelungskörper (15.1, 15.2) Formkörper vorgesehen sind, von denen jeder eine orthogonal zur Achse (4) der Arbeitsspindel (1) angeordnete Anlagefläche (16.1, 19.1) und eine dieser 20 in axialer Richtung gegenüberliegende geneigte Fläche (21, 22) sowie eine weitere von dieser geneigten Fläche (21, 22) ausgehende, in Richtung der Achse (4) der Arbeitsspindel (1) verlaufende, entgegengesetzt geneigte oder sphärisch geformte Fläche (18, 25 20) aufweist, wobei die Kontur der Anlagefläche (16.1,19.1 ) entweder nur gerade Kanten (19) oder gerade (16.2) und bogenförmige um die Achse (1) gekrümmte Kanten (16) besitzt.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 30 zum Bewegen und Verriegeln der Elemente einer Werkzeugspanneinrichtung einer Werkzeugmaschinenspindel.

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