DE10032073B4

DE10032073B4 - Lösbare, hochgenaue und steife Verbindung eines Werkzeug-, Werkstück- oder Messzeug-Trägers mit einem Spindelkopf einer Werkzeugmaschinenspindel

Info

Publication number: DE10032073B4
Application number: DE10032073.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Hochuli; Giorgio Scacchi
Original assignee: Reishauer AG
Current assignee: Reishauer AG
Priority date: 2000-07-01
Filing date: 2000-07-01
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2020-07-02
Also published as: US20020000140A1; US6553876B2; JP2002046037A; ITMI20011208A1; DE10032073A1

Abstract

Lösbare hochgenaue und steife Verbindung eines Werkzeug-, Werkstück- oder Messzeug-Trägers (7) mit einem Spindelkopf (1) einer Werkzeugmaschinenspindel (3), umfassend einen am Spindelkopf (1) angeordneten ersten Zentrierkegel (6) sowie eine ebene erste Anlagefläche (22) des Spindelkopfs (1), einen am Träger (7) angeordneten zweiten Zentrierkegel (8) zur Anlage am ersten Zentrierkegel (6) und eine ebene zweite Anlagefläche (10) zur Anlage an der ersten Anlagefläche (22), dadurch gekennzeichnet, dass einer der Zentrierkegel (6, 8) an einem rohrförmigen Stutzen (15, 24) ausgebildet ist und die axiale Länge (16) dieses Zentrierkegels (6, 8) 20% bis 50% der axialen Länge des rohrförmigen Stutzens (15, 24) beträgt, derart, dass dieser Zentrierkegel (6, 8) in Umfangsrichtung elastisch ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft die lösbare Verbindung eines Werkzeug-, Werkstück- oder Messzeug-Trägers mit der Spindel einer Werkzeugmaschine. Auf modernen Präzisionswerkzeugmaschinen mit hoher Produktionsleistung müssen zur Erreichung kurzer Umrüstzeiten die Schnittstellen zwischen der Maschine und den Trägern der werkstückspezifischen Bearbeitungswerkzeuge, Messzeuge und Werkstückaufnahmen so gestaltet sein, dass ein Wechsel innerhalb kürzestmöglicher Zeit mit höchstmöglicher Positionsgenauigkeit manuell oder auch automatisch bewerkstelligt werden kann, wobei die Verbindung die für die Werkstückbearbeitung notwendige Steifigkeit und Übertragungsfähigkeit der auftretenden Kräfte und Drehmomente aufweisen muss.
Eine Schnittstelle, die diese Forderungen in hohem Maß erfüllt, ist die Flanschverbindung mit Zentrierkegel und Flanschanlage in der in DIN 55026 bzw. 55028 beschriebenen Art. Sie wird gebildet aus dem kurzen Innen- und Aussenkegel am Flansch des Werkzeug- oder Werkstückträgers bzw. am Spindelkopfzur radialen Zentrierung sowie die senkrecht zur Rotationsachse der Spindel liegenden Flanschflächen zur Planausrichtung des Werkzeug- bzw. Werkstückträgers gegenüber der Spindel, die bei der Montage mittels Schrauben oder anderer Befestigungsmittel miteinander zur Anlage gebracht werden. Um in radialer Richtung einen spielfreien formschlüssigen Sitz zu gewährleisten, besitzt der Aussenkegel des Spindelkopfes gegenüber dem Innenkegel des Werkzeug- bzw. Werkstückträgers ein geringes Übermaß, so dass beim Aufeinanderziehen der Flansche das Spiel zwischen den Kegelstümpfen aufgehoben wird und diese eine leichte radiale elastische Verformung erfahren.
Ein Nachteil dieser Verbindung besteht in der, hohen Fertigungsgenauigkeit, die eingehalten werden muss, um die Positionsgenauigkeit und Steifigkeit der Verbindung sicherzustellen. Werden die engen Toleranzen von Kegelwinkel und Kegeldurchmesser überschritten, so droht die Gefahr von Rund- und Planlauffehlern infolge Radialspiels des Aussen- im Innenkegel oder infolge ungenügender Plananlage der Flansche. Versucht man, die Flanschflächen trotzdem zur Anlage zu bringen – zum Beispiel durch überhöhte Anzugskräfte der Befestigungsschrauben –, so besteht die Gefahr einer elastischen Verformung des Spindelkopfes, welche die Laufgüte der Spindel beeinträchtigen kann. Zudem besteht als Folge zu hoher Flächenpressungen am Zentrierkegel bei häufiger Montage und Demontage die Gefahr von vorzeitigem Verschleiß bzw. Verlust an Positionsgenauigkeit.
Der Stand der Technik in der Druckschrift DE 33 14 591 betrifft ein mehrteiliges Spannsystem, insbesondere für rundlaufende Werkzeuge, mit einem gegebenenfalls einen Spannschaft tragenden Aufnahmekörper, der an einer Stirnseite eine rechtwinklig zur Drehachse verlaufende Anlagefläche und eine koaxiale, kegelige Aufnahmebohrung aufweist, sowie mit einem vorzugsweise als Werkzeugträger ausgebildeten Anschlussteil, das auf einer Stirnseite ebenfalls mit einer richtwinklig zu der Drehachse verlaufenden Anlagefläche und mit einem koaxialen, in die kegelige Aufnahmebohrung passenden Zentrierzapfen ausgebildet ist. Der Zentrierzapfen ist über einen ihm zugeordneten und zu ihm koaxialen Außenkegel unter elastischer Verformung eines Teils durch eine Längsverschiebung der Konuslücke zwischen dem Innenkegel der Aufnahmeborhung und dem Außenkegel in der Aufnahmebohrung zentrierbar.
Die Druckschrift DE 44 02 483 A1 betrifft einen Werkzeughalter mit einem Vorderteil, einem in einer Aufnahme eines Maschinenteils einfügbaren Ansatz und mit einem Flansch, der mit einer rückwärtigen Ringfläche an einer Stirnfläche des Maschinenteils zur Anlage bringbar ist. Bei diesem Werkzeughalter besteht ein die Ringfläche aufweisender Flansch oder Flanschteil aus einem Stück mit einem in die Aufnahme einfügbaren Hülsenkörper. Dieser weist wenigstens eine elastische, belastbare Partie auf, die zwischen einem Flanschteil benachbarten Bereich und einem seinen hinteren Ende benachbarten Bereich gelegen ist.
Die Druckschrift DE 42 10 144 A1 betrifft eine Spannanordnung für rotierende Werkzeugsysteme, insbesondere zur Verbindung eines in die Hauptspindel von Werkzeugmaschinen aufnehmbaren Grundkörpers und eines als Adapter oder als Verlängerungsteil oder als Werkzeug ausgebildeten Anschlussteiles, wobei der gegebenenfalls einen Spannschaft tragende Grundkörper an seiner einen Stirnseite über eine zur Drehachse im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Auflagefläche und eine koaxiale kegelige Bohrung verfügt, während das Anschlussteil an seiner sich an den Grundkörper anfügenden Stirnseite ebenfalls mit einer zur Drehachse im Wesentlichen senkrecht verlaufenden Auflagefläche und einem sich in die kegelige Bohrung einfügenden koaxialen kegeligen Zentrierzapfen versehen ist. Dabei sind die kegelige Bohrung und der kegelige Zentrierzapfen mit voneinander abweichenden Kegelwinkeln versehen und diese können mittels eines lösbaren Spannmechanismus bei ihrer elastischen Verformung konzentrisch gegeneinander gespannt werden.
Die Druckschrift DE 40 03 485 A1 betrifft eine Werkzeugkupplung, insbesondere für Zerspannungswerkzeuge, die aus einem mit einer ringförmigen axialen Anlagefläche und einer kegeligen Aufnahmebohrung versehenen Aufnahmekörper, einen mit einer ringförmigen axialen Anlagefläche und einem koaxial aufgebohrten kegeligen Aufnahmezapfen versehenen Werkzeughalter oder Zerspanungswerkzeug sowie einer den Aufnahmekörper und das Zerspanungswerkzeug oder den Werkzeughalter axial verspanenden lösbaren Spaneinrichtung gebildet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbindung vorzuschlagen, bei der die hohe Positionsgenauigkeit und Steifigkeit der Flanschverbindung ohne das Risiko unerwünschter elastischer Deformationen auch bei gröberen Fertigungstoleranzen und damit niedrigeren Fertigungskosten der Flanschteile immer sicher gewährleistet werden kann und vorzeitiger Verschleiß vermieden wird. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche gelöst.
Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel der Befestigung des Werkstückträgers einer Zahnflankenschleifmaschine auf dem Spindelkopf der Werkstückspindel anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
1 den Spindelkopf und den Befestigungsflansch des Werkstückträgers in der Ausführung gemäss dem heutigen technischen Stand,
2 den Befestigungsflansch in der erfindungsgemässen Ausführung,
3 eine Variante des Befestigungsflansches in 2, und
4 die kinematische Umkehrung der Ausführungsform nach 2.
Der in 1 dargestellte Spindelkopf 1 der um die Spindelachse 2 drehbaren Werkstückspindel 3 einer Zahnradschleifmaschine wird gebildet aus dem zur Spindelachse 2 senkrechten Spindelflansch 4 mit konzentrisch zur Spindelachse 2 angeordneten, zu ihr parallelen Gewindebohrungen 5 und dem zur Spindelachse 2 koaxialen Zentrierkegel 6. Flansch 4 und Zentrierkegel 6 des Spindelkopfes 1 dienen zur Aufnahme des Werkstückträgers 7, der mittels seines Innenkegels 8 auf dem Aussenkegel 6 des Spindelkopfes 1 zentriert wird und dessen zur Achse 9 des Zentrierkegels 8 senkrechte Anlagefläche 10 seines Flansches 11 nach dem Anziehen der Befestigungsschrauben 12 auf der Anlagefläche 22 des Flansches 4 des Spindelkopfes 1 rundherum aufliegt. Wie sich leicht erkennen lässt, verlangt die steife Ausführung des Spindelkopfes 1 und des Flansches 11 in 1 eine hohe Fertigungsgenauigkeit, damit eine ungenügende Flanschanlage sowie Spiel oder zu hohe Flächenpressungen an den Zentrierkegeln und damit vorzeitiger Verschleiß und Genauigkeitsverlust vermieden werden.
Der Spindelkopf von 1 wurde in der Ausführungsform nach 2 unverändert übernommen. Hingegen weist der Flansch 13 des Werkzeugträgers 7 erfindungsgemäss im Durchmesserbereich ausserhalb des Zentrierkegels 8 einen axialen zur Rotationsachse 9 koaxialen Einstich 14 auf. Zudem ist der Zentrierkegel 8 innen so weit zylindrisch aufgeweitet, dass die Flöhe 16 des verbleibenden Zentrierkegels 8 nur noch einen Bruchteil der Flöhe 17 des Zentrierkegels 6 des Spindelkopfes 1 beträgt. Hierdurch erhält der Zentrierinnenkegel 8 unterhalb seines Fußes die Form eines dünnwandigen axial und radial steifen aber im Durchmesser elastisch ausdehnbaren Rohrstutzens 15.
Die Verkürzung des Kegels 8 auf die Flöhe 16 und dessen Lage am freien Ende des Rohrstutzens 15 bewirken die Aufweitung des Rohrstutzens mit geringstmöglichen Kräften und vermindern damit den Verschleiß.
3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Befestigungsflansches 13, bei welcher der Rohrstutzen 15 zur weiteren Erhöhung seiner Elastizität in Umfangsrichtung mit Radialschlitzen 19 von maximal der Tiefe des Einstichs 14 versehen ist.
Durch die erfindungsgemässe Gestaltung der Flanschunterseite des Werkzeugträgers 7 wird erreicht, dass sich der Durchmesser des Zentrierkegels 8 bei grösseren Abweichungen vom Sollmaß aufgrund seiner elastischen Eigenschaften ohne überhöhte Anzugskräfte der Flanschschrauben 12 und allenfalls dadurch verursachte Deformation des Spindelkopfes 1 dem Kegeldurchmesser des Spindelkopfes 1 anpassen kann und damit die Plananlage der Flansche 4 und 13 immer gewährleistet ist. Es bedeutet zugleich, dass sich trotz genauer Zentrierung die Pressung zwischen Aussen- und Innenkegel und damit der Verschleiß der sich berührenden Kegeloberflächen in niedrigen Grenzen halten lässt. Bei den häufig sehr kurzen Umrüstintervallen von Werkzeugen und Spannzeugen moderner universeller Werkzeugmaschinen mit hoher Bearbeitungsleistung gewährleistet dies die Erhaltung der Positionsgenauigkeit der Schnittstelle über eine hohe Einsatzdauer.
Eine weitere in 4 dargestellte Anwendungsform des Erfindungsgedankens bietet sich darin, in der erfindungsgemässen Weise statt des Innenkegels 8 des Werkzeug- bzw. Werkstückträgerflansches 13 mit gleichem Effekt den Aussenkegel 6 des Spindelkopfes 1 rohrstutzenförmig zu gestalten. Der Vorteil der in 2 und 3 dargestellten Variante besteht aber darin, dass die Erfindung ohne Einschränkungen auch auf bereits im Einsatz befindlichen, mit Spindelköpfen gemäss 1 und 2 ausgeführten Maschinen genutzt werden kann.
Bei der Ausführungsform nach 4 erstreckt sich der axiale, ringförmige Einstich oder die Nut 21 im Spindelkopf 1 koaxial zum Zentrierkegel 6. Die axiale Tiefe der Nut 21 entspricht annähernd dem Abstand 17 zwischen der ebenen Anlagefläche 22 des Flansches 4 und der Stirnfläche 23 des rohrförmigen Stutzens 24, an welchem der Zentrierkegel 6 ausgebildet ist. Die axiale Länge des Zentrierkegels 6 beträgt etwa 20% bis 50% dieses Abstandes 17.
Die Wandstärke des rohrförmigen Stutzens 15 (2 und 3) bzw. 24 (4) beträgt weniger als die Hälfte der Länge des Stutzens 15, 24.

Claims

Lösbare hochgenaue und steife Verbindung eines Werkzeug-, Werkstück- oder Messzeug-Trägers (7) mit einem Spindelkopf (1) einer Werkzeugmaschinenspindel (3), umfassend einen am Spindelkopf (1) angeordneten ersten Zentrierkegel (6) sowie eine ebene erste Anlagefläche (22) des Spindelkopfs (1), einen am Träger (7) angeordneten zweiten Zentrierkegel (8) zur Anlage am ersten Zentrierkegel (6) und eine ebene zweite Anlagefläche (10) zur Anlage an der ersten Anlagefläche (22), dadurch gekennzeichnet, dass einer der Zentrierkegel (6, 8) an einem rohrförmigen Stutzen (15, 24) ausgebildet ist und die axiale Länge (16) dieses Zentrierkegels (6, 8) 20% bis 50% der axialen Länge des rohrförmigen Stutzens (15, 24) beträgt, derart, dass dieser Zentrierkegel (6, 8) in Umfangsrichtung elastisch ausgebildet ist.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Träger (7) koaxial zum zweiten Zentrierkegel (8) eine axiale Ringnut (14) mit einer Tiefe von annähernd der axialen Länge (14) des ersten Zentrierkegels (6) angeordnet ist, so dass der zweite Zentrierkegel (8) am rohrförmigen Stutzen (15) ausgebildet ist, und dass der Träger eine zum zweiten Zentrierkegel (8) koaxiale Bohrung (18) aufweist, welche die axiale Länge des zweiten Zentrierkegels (8) auf 20% bis 50% der axialen Länge des rohrförmigen Stutzens (15) beschränkt.
Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche des rohrförmigen Stutzens (15) gegenüber der zweiten Anlagefläche (10) zurückversetzt ist.
Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Spindelkopf (1) innerhalb des ersten Zentrierkegels (6) ausgehend von dessen Stirnfläche (23) eine koaxiale Einsenkung (21) angeordnet ist, deren Tiefe annähernd der axialen Länge des zweiten Zentrierkegels (8) entspricht, so dass der erste Zentrierkegel (6) an dem rohrförmigen Stutzen (24) ausgebildet ist, und dass die axiale Länge des ersten Zentrierkegels (6) 20% bis 50% der axialen Länge (16) des rohrförmigen Stutzens (24) beträgt).
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Stutzen (15, 24) Radialschlitze (19) aufweist.
Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des rohrförmigen Stutzens (15, 24) weniger als seine axiale Länge beträgt, vorzugsweise weniger als 50% dieser Länge.