DD284349A7

DD284349A7 - Vorrichtung zum spannen eines werkzeuges oder werkstueckes vorzugsweise in einer arbeitsspindel

Info

Publication number: DD284349A7
Application number: DD88321826A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Otto
Original assignee: ��@��@��k��
Priority date: 1988-11-16
Filing date: 1988-11-16
Publication date: 1990-11-14
Also published as: DE3925551A1; FR2638990A1; ATA184689A; AT396664B; CH679988A5

Abstract

Anwendbar z. B. bei der Gestaltung einer Werkzeugspannvorrichtung in der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine, betrifft die Erfindung die Gestaltung und das Verriegeln der beweglichen Elemente derselben und zeigt deren Anordnung. Innerhalb der hohlen Arbeitsspindel sind die Zugstange fuer die Werkzeugspannfinger, ein Betaetigungselement fuer Verriegelungskoerper und zwischen Keilflaechen die Verriegelungskoerper selbst angeordnet. Ein Abschnitt einer schiefen Schnittflaeche des als Hohlzylinder ausgebildeten Betaetigungselementes und ein Abschnitt einer schiefen Schnittflaeche der als Hohlzylinder ausgebildeten Arbeitsspindel bilden jeweils eine der Keilflaechen. Das federbelastete Betaetigungselement bewegt die Verriegelungskoerper, erfindungsgemaesz als Formkoerper ausgebildet, zunaechst in axialer Richtung und danach bogenfoermig um die Spindelachse bzw. tangential zum Spindeldurchmesser. Beide Bewegungen werden in eine axiale Bewegung der Zugstange umgesetzt, wobei die bogenfoermige bzw. tangentiale Bewegung die Spannkraft erzeugt. Fig. 2{Werkzeugmaschine; Arbeitsspindel; Spannen; Spannvorrichtung; Spannkrafterhoehung; Verriegeln, axial; Verriegelungskoerper}

Description

Titel:

Vorrichtung zum Spannen eines Werkzeuges oder Werkstueckes vorzugsweise in einer Arbeitsspindel.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Beispielsweise bei der Gestaltung der Werkzeugspanneinrichtung in der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine kann die Erfindung vorteilhaft genutzt werden. Auch Werkstueckspanneinrichtungen, sowohl fuer rotatorische als auch prismatische Werkstuecke, koennten erfindungsgemaesz gestaltet sein. Ganz allgemein ist die Erfindung ueberall dort anwendbar, wo Spannelemente zunaechst mit niedriger Kraft zur Anlage am zu spannenden Objekt zu bringen sind und danach eine grosze Spannkraft mittels moeglichst kurzer Wege der Spannelemente uebertragen werden soll.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Mit DD 137673 wurde eine Spanneinrichtung fuer Werkzeuge in Arbeitsspindeln vorgeschlagen, bei welcher ein Tellerfederpaket die Spannkraft aufbringt und Kugeln als Verriegelungselemente zwischen die Zugstange und die Arbeitsspindel geschaltet sind. Diese Loesung hat den Nachteil, dasz die verfuegbare Spannkraft von der Kraft des Tellerfederpaketes begrenzt wird. Eine Spannkrafterhoehung ist nur durch Vergroeszerung des Tellerfederpaketes moeg— lieh, woraus eine Vergroeszerung der Spindelbaugruppe resultiert. Ein weiterer Nachteil ist, dasz die Kugeln zum Zwecke des Verriegeins bzw. Entriegeins in radialer Richtung zur Spindelachse bewegt werden, Wofuer Raum benoetigt wird.

Dieser letztgenannte Nachteil wird besonders deutlich bei der mit DE 2741 166 vorgeschlagenen Vorrichtung zur Betaetigung eines an einer Arbeitsspindel gehaltenen Spannkopfes fuer Werkstuecke oder Werkzeuge. Auch hier werden Kugeln als Verriegelungselemente ver-

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wendet und zu diesem Zweck in radialer Richtung zur Spindelachse zwischen Spannstange und Arbeitsspindel bewegt. Die von einer Feder ausgehende Spannkraft wird hier ueber Keilflaechen zunaechst auf die Kugeln und von diesen ueber eine weitere Keilflaeche auf die Spannstange uebertragen, wobei gleichzeitig, ueber eine dritte Keilflaeche die Verriegelung zwischen Spannstange und Arbeitsspindel erfolgt.

Die Radialbewegung der Kugeln und die daraus resultierende Gestaltung der Funktionselemente der Einrichtung erfordern einen relativ groszen Auszendurchmesser derselben, so dasz diese Einrichtung nicht im Innenraum einer Arbeitsspindel untergebracht werden kann, ohne die gesamte Baugruppe zu vergroeszern und die damit verbundenen Nachteile in Kauf zu nehmen. Zusaetzlicher_vBauraum im Anschlusz an die eigentliche Arbeitsspindel wird auszerdem erforderlich. Diese Verlaengerung der Arbeitsspindel ist schon vom Aufbau der Maschine her gesehen nachteilig und wirkt sich ferner bei hohen Drehzahlen der Arbeitsspindel aeuszerst nachteilig auf die Wuchtguete derselben aus

Alle Loesungen, die Kugeln oder Walzen als Mittel der Kraftübertragung nutzen, haben desweiteren den erheblichen Nachteil, dasz infolge der bloszen Punkt- oder Linienberuehrung zwischen Kugel bzw. 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 gleichgrosze nach den Stand der Technik gestaltete Baugruppe beispielsweise Spindelbaugruppe soll mit der Erfindung eine Verringerung des Aufwandes fuer die Herstellung derselben und trotzdem eine Erhoehung ihrer Umlauffrequenz ermoeg-

licht werden. Damit soll neben der Kostensenkung bei der Herstellung der Spindelbaugruppe eine Erhoehung der Produktivitaet der mit einer solchen Arbeitsspindel ausgeruesteten Werkzeugmaschine und eine Verbesserung des Bearbeitungsergebnisses am Werkstueck erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der. Erfindung ist es, die Baugruppe, beispielsweise Spindelbaugruppe, zu verkleinern, ihre Steife und ihre Wuchtguete zu erhoehen und die Hertzsche Pressung zwischen den Verriegelungselementen zu verringern.

Grundlage der Erfindung sind mehrere auf einer gemeinsamen Achse angeordnete in axialer Richtung bewegbare Koerper, die Elemente einer Spanneinrichtung beispielsweise in einer Werkzeugmaschinenspindel sind, welche mittels mehrerer auf sie einwirkender Verriegelungskoerper bewegt und gegeneinander verriegelt werden koennen.

Dabei weist die Spannvorrichtung fuer Werkzeuge in der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine eine konzentrisch angeordnete federbelastete Zugstange auf, auf welcher ein von der gleichen Feder belastetes Betaetigungselement fuer Verriegelungskoerper gleitfaehig angeordnet ist. Dieses Betaetigungselement weist er— findungsgemaesz eine schiefe Schnittflaeche des Hohlzylinders auf, die als Keilflaeche zum Bewegen der Verriegelungskoerper dient. Erfindungsgemaesz ist auch die als Hohlzylinder ausgebildete Arbeitsspindel mit einer schiefen Schnittflaeche des Hohlzylinders versehen, die ebenfalls als Keilflaeche zum Bewegen der Verriegelungskoerper dient. Beide Schnittflaechen sind so im jeweiligen Hohlzylinder (Arbeitsspindel und Betaetigungselement) angeordnet, dasz ihre orthogonal zur Achsebene der Arbeitsspindel

verlaufenden Kanten in konzentrisch zur Achse, in axialer Richtung in einem Abstand zueinander befindlichen Kreisebenen auf Sehnen dieser Kreise angeordnet sind.

Als Verriegelungskoerper koennten Kugeln verwendet werden

Eine vorteilhafte Gestaltung der Verriegelungskoerper sieht erfindungsgemaesz Formkoerper mit im wesentlichen prismatischer Gestalt vor. Jeder dieser Formkoerper weist eine Anlageflaeche auf, der eine geneigte Flaeche gegenueber liegt, von welcher eine weitere jedoch entgegengesetzt geneigte oder sphaerisch geformte Flaeche ausgeht. Der Formkoerper ist so angeordnet, dasz die Anlageflaeche sich in einer orthogonal zur Achse der Arbeitsspindel erstreckenden Ebene befindet. Die Kontur der Anlageflaeche ist durch gerade Kanten oder gerade und um die Achse der Arbeitsspindel gekruemmte Kanten bestimmt. Diese Kanten bestimmen die Form der orthogonal zur Anlageflaeche und parallel zur Achse der Arbeitsspindel verlaufenden Flaechen des Formkoerpers.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemaeszen Vorrichtung wird anhand des nachfolgenden Ausfuehrungsbeispieles erlaeutert.

Ausfuehrungsbeispiel

In der zugehoerigen Zeichnung 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 bogenfoermig bewegten Formkoerpern (linke Seite der Fig.3) und tangential bewegten Formkoerpern (rechte Seite der Fig.3) im entspannten (oben) und gespannten (unten) Zustand

Fig.4 einen Verriegelungskoerper mit gekruemmten Kanten und einer sphaerisch geformten Flaeche

Fig.5 einen Verriegelungskoerper mit geraden Kanten und geneigten Flaechen

Die nicht naeher dargestellte Arbeitsspindel 1 einer Werkzeugmaschine weist einen koaxialen Hohlraum 2 auf, in welchem eine Zugstange 3 gleitend angeordnet ist, welche ueber Spannklauen in bekannter Weise Kontakt mit dem in der Arbeitsspindel 1 zu spannenden Werkzeug hat. Zwischen der Oberflaeche der Zugstange 3 und der den Hohlraum 2 begrenzenden inneren Wandung der Arbeitsspindel 1 entsteht ein Ringraum 2.1, welchen in radialer Richtung zur Achse 4 der Arbeitsspindel 1 ein auf der Zugstange 3 gleitend angeordnetes federbelastetes Betaetigungselement 5 ganz und in axialer Richtung teilweise ausfuellt. Die dieses Betaetigungselement 5 belastende nicht dargestellte Feder stuetzt 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 Hohlraum 2 sind desweiteren Absaetze 6, die mit der Arbeitsspindel 1 fest verbunden sind, einander gegenueberliegend angeordnet. Mit der Zugstange 3 verbunden ist das Formstueck 7, das im Hohlraum 2 gleitfaehig angeordnet ist. Das Betaetigungselement 5 weist an seinen achsparallel verlaufenden Armen 5.1 Ausnehmungen 8 auf und von diesen ausgehende in Richtung Spindelstirn ansteigende Keilflaechen 9- Diese Keilflaechen 9 werden durch einen schiefen Schnitt durch den rotationssymmetrischen Koerper des Betaetigungselementes 5 gebildet. Sie enden an achsparallel verlaufenden Gleitflaechen 10, die ebenfalls an den Armen 5.1 vorgesehen sind. Weitere Ausnehmungen 11 sind in den

Absaetzen б angeordnet. Ausgehend von der der Spindelstirn abgewandten Stirnflaeche 12 der Absaetze б verlaeuft eine Keilflaeche 13 bis zur aohsparallelen Seitenflaeche 14 der Ausnehmungen 11. Im Bereich der Ausnehmung 8 und der Keilflaechen 9 und 13 ist ein Verriegelungskoerper 15.1 lose angeordnet. Diese Verriegelungskoerper 15.1 koennen, wie die Figuren 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 Verriegelungskoerper 15.1 mit gekruemmten Kanten 16 auch Keilflaechen 17 und 18 aufweisen, wie sie am Verriegelungskoerper 15.2 in Fig.5 gezeigt sind und der hier dargestellte Verriegelungskoerper 15.2 mit geraden Kanten 19 kann eine gekruemmte Flaeche 20 aufweisen. Die Winkel o&_t /-> und J^ sind in Abhaengigkeit von den beabsichtigten Weg- und Kraftverhaeltnissen der Vorrichtung gewaehlt.

Mit Fig.3 sind die Verriegelungskoerper 15.1 und 15.2 in ihrer Lage nach Schnitt A - A in Fig.1 bzw. Fig.2 dargestellt. Dabei zeigt die obere Haelfte der Darstellung die Verriegelungskoerper 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 Haelfte der Fig.3 zeigt die Lage der Verriegelungskoerper 15.1 und 15.2 bei eingespanntem Werkzeug in ihrer Endposition entsprechend der Darstellung nach Fig.2. Dabei ist in den Quadranten 1 und 4 die jeweilige Lage des Verriegelungskoerpers 15.2 und in den Quadranten 2 und 3 die des Verriegelungskoerpers 15.1 dargestellt. Aus technologischen Gruenden wird eine erfindungsgemaesze Vorrichtung entweder mit Verriegelungskoerpern 15.1 oder 15.2 ausgelegt

Diese Darstellung laeszt die Bewegungsrichtung der Verriegelungs—

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koerper 15.1 und 15.2 erkennen. Waehrend die Verriegelungskoerper 15.1 sich auf einer gekruemmten gegebenenfalls einer kreisfoerraigen Bahn bewegen, nehmen die Verriegelungskoerper 15.2 einen geraden tangentialen Weg.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Anordnung der Verriegelungskoerper 15.1. Es ist ersichtlich, dasz dieselben mit ihrer Anlageflaeche 16.1 an der der Spindelstirn zugewandten Stirnflaeche 23 des Formstueckes 7 anliegen und mit ihrer gekruemmten Flaeche 20 an der Kante 26 zwischen Keilflaeche 9 und Ausnehmung 8

Der Verriegelungskoerper 15.2 wuerde in Fig.1 mit seiner Anlageflaeche 19.1 an der Stirnflaeche 23 abliegen und mit seiner Keilflaeche 18 an der Kante 26. Im Zustand gemaesz Fig.2 (Werkzeug gespannt) haette die Keilflaeche 17 Kontakt mit der Keilflaeche 9.

Der Funktionsablauf der Vorrichtung ist folgender: Fig.1 zeigt eine erfindungsgemaesz gestaltete Werkzeugspannvorrichtung im geloesten Zustand der Werkzeugspannung. Dies wird erreicht, indem eine Kraft auf die Stirnflaechen 24 des Betaetigungselementes 5 in Richtung Spindelstirn wirkt (beispielsweise ein nicht dargestellter hydraulischer Arbeitszylinder) und das Betaetigungselement- 5 gegen die Kraft der ebenfalls nicht dargestellten bereits erwaehnten Feder in Richtung Spindelstirn, in der Fig.1 nach rechts, verschiebt. Ueber einen Teil des Weges des Betaetigungselementes 5 wird von der gleichen Kraft, die auch auf die Stirnflaeche 25 wirkt, auch das mit der Zugstange 3 verbundene Formstueck 7 und damit auch die Zugstange 3 in Richtung Spindelstirn bewegt und zwar bis das Formstueck 7 am Absatz 6 anliegt. Diesen Zustand zeigt Fig.1. Dabei befindet sich der Verriegelungskoerper 15.1 in der Ausnehmung 8 des Betaetigungselementes 5. Die Vorrichtung ist zum Spannen eines Werkzeuges

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bereit.

Ist das zu spannende Werkzeug in die Maschinenspindel eingesetzt, so wird die Kraft, welche auf die Stirnflaechen 24 und 25 wirkt, beseitigt. Die nicht dargestellte, zwischen Arbeitsspindel 1 und Betaetigungselement 5 angeordnete Feder kann nun das Betaetigungselement 5 in entgegengesetzter Richtung, also von der Spindelstirn hinweg bewegen. Der Verriegelungskoerper 15.1, der in der Ausnehmung 8 liegt, wird mit bewegt und da er, wie in Fig.1 gezeigt, einerseits durch den Absatz б laengsgefuehrt ist und andererseits mit seiner Anlageflaeche 16.1 am Formstueck 7, Stirnflaeche 23, anliegt, nimmt er auf seinem Weg in axialer Richtung das Formstueck 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 Elastizitaet der beteiligten Elemente moeglich. Bis hierher hat sich der Verriegelungskoerper 15.1 soweit bewegt, dasz seine Kante 16.3 die Fuehrungsflaeche am Absatz б verlassen hat und im Raum vor der Keilflaeche 13 liegt. Die weiter auf das Betaetigungselement 5 wirkende und dasselbe weiter in axialer Richtung verschiebende Federkraft hat zur Folge, dasz der Verriegelungskoerper 15.1 von der Kante 26 an der seine gekruemmte Flaeche 20 anliegt, einen Bewegungsimpuls in Richtung Keilflaeche 13 erhaelt. Er bewegt sich bis zur Anlage seiner geneigten Flaeche 21 an diser Keilflaeche 13. Dabei gleitet seine gekruemmte Flaeche 20 auf die Keilflaeche 9 auf. Das weiterhin unter der Federwirkung stehende Betaetigungselement 5 treibt seine Keilflaeche 9 unter den Verriegelungskoerper 15.1 und diesen, soweit es die Elastizitaet aller beteiligten Elemente zulaeszt, in den Spalt zwischen Absatz б und Formstueck 7. Dadurch wird * die mit dem Formstueck 7 verbundene Zugstange 3 gegenueber

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der mit dem Absatz 6 verbundenen Arbeitsspindel 1 verkeilt. Das von der Zugstange 3 ueber Greifelemente in den Spindelkegel der Arbeitsspindel 1 gezogene Werkzeug ist nun mit hoher Kraft eingespannt .

Waere die erfindungsgemaesze Vorrichtung mit den Verriegelungskoerpern 15.2 ausgeruestet, dann waere der Funktionsablauf der gleiche. Lediglich die Bewegung der Verriegelungskoerper 15.2 erfolgte mit Wirksamwerden der Kante 26 nicht auf einer gekruemmten Bahn, sondern wie das Fig.3 zeigt auf einer geraden Bahn.

Die erfindungsgemaesze Vorrichtung ergibt zunaechst den Vorteil, dasz der Spindeldurchmesser kleiner gewaehlt werden kann, da die funktionsbedingt notwendige Bewegung der Verriegelungskoerper nicht in radialer Richtung zur Spindelachse erfolgt. Damit wird die Spindelmasse kleiner, was sich vorteilhaft auf Spindelantrieb und -dynamik auswirkt.

Die Ausbildung der Verriegelungskoerper als Formkoerper mit Flaechen verringert auszerdem die Hertzsche Pressung zwischen den Kontaktflaechen, so dasz die Steife der Vorrichtung allein schon deshalb hoeher wird.

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Claims

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Patentanspruch

1. Vorrichtung zum Spannen eines Werkzeuges oder Werkstueckes vorzugsweise in einer Arbeitsspindel, insbesondere einer Werkzeugmaschine, die eine insbesondere keglige Aufnahmeoeffnung fuer den Schaft des Werkzeuges oder Werkstueckes, eine konzentrisch angeordnete Zugstange, ein auf dieser innerhalb der Arbeitsspindel gleitendes Betaetigungselement fuer Verriegelungskoerper, welche zwischen gegeneinander und in axialer Richtung geneigten Keilflaechen angeordnet sind, und ein Federelement aufweist, das einerseits an der Arbeitsspindel und andererseits an dem Betaetigungselement festliegt, wobei eine der Keilflaechen mit dem Betaetigungselement und die andere mit der Arbeitsspindel verbunden ist,

gekennzeichnet dadurch,

dasz als Keilflaeche (9) ein Abschnitt einer schiefen Schnittflaeche des als Hohlzylinder ausgebildeten Betaetigungselementes (5) und als weitere Keilflaeche (13) ein Abschnitt einer schiefen Schnittflaeche der als Hohlzylinder ausgebildeten Arbeitsspindel (1) vorgesehen ist, wobei die orthogonal zur Achsebene der Arbeitsspindel (1) verlaufenden Kanten der Keilflaechen (9, 13) jeweils auf Sehnen von konzentrisch zur Achse (4) gedachten, in axialer Richtung in einem Abstand zueinander befindlichen Kreisringen angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1
gekennzeichnet dadurch,

dasz als Verriegelungskoerper (15.1, 15.2) Formkoerper vorgesehen sind, von denen jeder eine orthogonal zur Achse (4) der Arbeitsspindel (1) angeordnete Anlageflaeche (16.1, 19.1) und eine dieser in axialer Richtung gegenueberliegende geneigte Flaeche (21, 22) sowie eine weitere von dieser geneigten

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Flaeche (21, 22) ausgehende in Richtung der Achse (4) der Arbeitsspindel (1) verlaufende entgegengesetzt geneigte oder sphaerisch geformte Flaeche (18, 20) aufweist, wobei die Kontur der Anlageflaeche (16.1, 19.1) entweder nur gerade Xanten (19) oder gerade (16.2) und bogenfoermige um die Achse (1) gekruemmte Kanten (16) besitzt.

Hierzu 2 Sc\kh1cul