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Die
Erfindung betrifft eine Spannzange sowie eine Spannvorrichtung eines
Langdrehautomaten, die von einer solchen Spannzange Gebrauch macht. Die
Spannzange dient der Befestigung und dem Vorschub von stangenförmigen Werkstücken während der
Bearbeitung.
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Spannzangen
zum Einspannen von Werkstücken
in Werkzeugmaschinen sind im Stand der Technik bereits seit vielen
Jahren bekannt.
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Spannzangen
und Spannzangenaufnahmen sind Verschleißteile. Nach dem Stand der
Technik werden zur Werkstückspannung
vorrangig Spannzangen verwendet, die nach DIN 6343 angefertigt sind.
Gemäß dieser
Norm handelt es sich bei solchen Spannzangen um eine Hülse, die
außen
an einem Ende kegelig ist und innen eine zylindrische Bohrung eines
für die
jeweilige Spannzange festgelegten Nenndurchmessers hat. Die Hülse ist
beginnend von der kegelförmigen
Seite mehrfach radial eingeschlitzt. Dadurch sind Spannbacken ausgebildet,
die am anderen Ende der Hülse
in einem gemeinsamen Ring zusammenlaufen. Eine Spannzangenaufnahme hat
einen zur Spannzange passenden Innenkegel. Das Spannen erfolgt durch
axiales Verschieben eines Druckrohrs, wodurch die Spannzange in
den Innenkegel der Spannzangenaufnahme gedrückt wird. Dadurch, dass die
Spannzange geschlitzt, ist werden die Spannbacken am geschlitzten
Ende zusammen gedrückt,
um das Werkstück
kraftschlüssig
festzuhalten. Der Spannbereich einer solchen Spannzange ist sehr
gering (ca. 0,5 mm). Dies resultiert aus der winkligen Verlagerung
der Spannbacken, die nur unter Biegebe anspruchung des harten Spannbackenmaterials
möglich
ist. Dadurch müssen
für verschiedene Durchmesser
Spannzangen mit entsprechenden Abmessungen vorgehalten werden. Ein
Nachteil dieser Spannzangen ist es, dass die kraftschlüssige Spannung
nur auf einem linienförmigen
Umfangsstück
erfolgt, da der Innendurchmesser der Spannzange am ringseitigen
Ende der Spannbacken nicht verändert werden
kann. Deshalb ist die Übertragung
des Drehmomentes auf das Werkstück
bei höheren
Drehzahlen nicht immer gewährleistet.
Das Werkstück
beginnt dann in der Spannzange zu rutschen. Allerdings bieten die
normgerechten Spannzangen den Vorteil, dass radiale Kräfte gut
aufgenommen werden können,
die bei der Bearbeitung des Werkstücks eingeleitet werden.
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Für den Einsatz
bei Drehmaschinen für
kurze Werkstücke
sind Mehrsegment-Spannköpfe
bekannt, welche die DIN gemäßen Spannzangen
ersetzen. Diese stellen den Kraftschluss zwischen Spannkopf und
Werkstück über die
gesamte Länge
des Spannkopfes her, da der Spannkopf entlang seiner gesamten Länge Schlitze
besitzt, die einzelne Spannbacken ausbilden. Diese Segmente lassen sich
beim Spannen im Ganzen in radialer Richtung verschieben, wodurch
eine Spannung des Werkstückes
auf der gesamten Umfangsfläche
erzielt wird.
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Aus
der
DE 100 57 977
A1 ist ein Spannfutter für Werkzeugmaschinen bekannt.
Eine teilbare Spannzange besteht hier aus einem Spannrohr und einem
Spannkopf. Der Spannkopf ist durch axial und radial durchgehende
Trennschlitze in mehrere Spannbacken unterteilt, die durch elastische
Verbindungselemente miteinander vereinigt sind. Da der Spannkopf
einem höheren
Verschleiß unterliegt,
als das Spannrohr, werden solche Spannzangen zweiteilig gefertigt.
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Die
Spannung des Werkstückes
erfolgt durch eine axiale Verschiebung der Spannzange im Spannfutter.
Eine Spannung des Werkstückes
erfolgt hier achsparallel über
die gesamte Länge
der Spannzange. Allerdings greift für die axiale Verschiebung der
Spannzange ein Zugrohr an dieser an, worüber Zugkräfte auf die Spannzange ausgeübt werden. Konstruktionsbedingt
sind daher die bekannten Spannzangen nicht für den Einsatz in Langdrehautomaten
geeignet, da dort keine Möglichkeit
für den Einbau
eines Zugrohrs besteht.
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Aufgrund
der hohen Anforderungen an Rundlaufgenauigkeit, Drehmomentübertragung
und Übertragung
der Vorschubkräfte
in axialer Richtung ging die Fachwelt bisher davon aus, dass die
genannten Mehrsegment-Spannköpfe
in Langdrehautomaten nicht eingesetzt werden können.
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Aus
der
DE 29 03 915 A1 ist
die Verwendung einer Führungsbuchse
in Langdrehautomaten bekannt, die sich durch einstellbare Vorspannung
mittels Federdruck automatisch an sich während der Verarbeitung einer
Materialstange verändernde Durchmesser
anpassen kann. Es werden drei Spannsegmente mit Gummipuffern verbunden.
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Aus
der
DE 43 15 612 C2 ist
eine Spannzange zum Einspannen von Rundmaterial an Drehmaschinen
bekannt. Die Spannzange weist drei Spannbacken auf. Axial verlaufende,
die Spannzange radial durchsetzende Schlitze teilen die Spannzange
in drei Spannbacken. Die Schlitze erstrecken sich von einem Überwurfring
ausgehend in axialer Richtung etwa über zwei Drittel der Gesamtlänge der
Spannzange.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung für Langdrehautomaten
bereitzustellen, die ein stangenförmiges Werkstück mit extrem
hoher Rundlaufgenauigkeit, erhöhter
Spannkraft in axialer Richtung und guter Drehmomentübertragung
im Langdrehautomaten einspannt. Ein Teilaspekt der Erfindung besteht
dabei darin; eine Spannzange für
die Verwendung an Langdrehautomaten anzupassen, wobei gleichzeitig
eine preiswerte Herstellung dieser Spannzange ermöglicht werden
soll.
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In
Abkehr von dem oben genannten, in der Fachwelt seit langem verwurzelten
Vorurteil wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale der nebengeordneten
Ansprüche
1 und 5 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin,
dass im Vergleich zu den bisher in Langdrehautomaten eingesetzten
Spannzangen nach DIN 6343 eine wesentliche Verbesserung der Übertragung
der axialen Kräfte
erreicht wird. Durch die Verwendung von wenigen, vorzugsweise drei
Spannbacken werden Vibrationen des Werkstückes bei hohen Drehzahlen erheblich
verringert.
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Eine
erfindungsgemäße Spannvorrichtung umfasst
eine Spannzange, die aus mindestens drei Spannbacken besteht, welche
durch ein elastisches Material so miteinander verbunden werden,
dass im Inneren der Spannzange eine Spannfläche gebildet wird, welche der
Oberfläche
des einzuspannenden Werkstücks
entspricht. Die Verbindung mit dem elastischen Material ist so ausgeführt, dass
eine Bewegung der Spannbacken im Wesentlichen nur in radialer Richtung
möglich
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das elastische Material Gummi. Die Verbindung der Spannbacken
mit dem Gummi erfolgt z.B. durch Vulkanisieren. Weitere Materialen
und Verbindungstechniken sind denkbar.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Spannfläche
eine Zylindermantelfläche,
während
der Querschnitt des stabförmigen
Werkstückes
eine Kreisfläche
bildet. In weiteren Ausführungsformen kann
die Spannfläche
der Spannzange auch für
die Aufnahme von anderen Profilen, wie beispielsweise Sechskant- oder Vierkantprofilen
ausgebildet sein. Der Fachmann kann die Spannfläche an den Querschnitt des
zu bearbeitenden Werk stückes
anpassen, indem er die Form der Spannbacken entsprechend wählt.
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Die äußere Form
der Spannzange ist kegelstumpfförmig
mit einer koaxial zur Spannachse verlaufenden Längsachse (im Folgenden als
Kegelfläche
bezeichnet) ausgebildet, wobei sich am Fußende des Kegelstumpfes ein Überwurfring
anschließt,
dessen Außendurchmesser
nur wenig größer, als
der Innendurchmesser der Spannzange ist. Der Überwurfring ist segmentweise
einstückig
an der Spannbacke angeformt. Er dient zur Führung einer Überwurfmutter,
mit der die Spannzange in einer Spannhülse befestigt wird.
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Die
Außenfläche der
Spannzange korrespondiert mit der Innenfläche einer Spannhülse oder Spannzangenaufnahme,
die zur Wahrung der Kompatibilität
mit vorhandenen Langdrehautomaten die Maßvorgaben der DIN 6343 hinsichtlich
dieser Flächen
berücksichtigen
kann.
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Die
Kegelfläche
der Spannzange bzw. die Außenflächen der
Spannbacken bleiben beim Spannvorgang komplett in Berührung mit
den Kegelflächen
der Spannhülse.
Es kann somit beim Spannvorgang keine Verkippung einzelner Spannbacken erfolgen.
Das Werkstück
wird durch die achsparallele Verschiebung der Spannbacken ebenfalls
achsparallel in der Spannvorrichtung eingespannt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Vorderansicht einer Spannzange;
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2 eine
Schnittansicht der Spannzange entlang der Linie A-A in 1;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
von Spannrillen der Spannzange gemäß 2;
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4 eine
schematische Längsschnittsdarstellung
eines Langdrehautomaten mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung.
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In 1 ist
eine Spannzange 01 in Vorderansicht dargestellt, während 2 eine
Schnittansicht der Spannzange entlang der Schnittlinie A-A in 1 zeigt.
Die Spannzange 01 umfasst einen Grundkörper, der in dieser Ausführungsform
in drei Spannbacken 03 unterteilt ist. Die Spannbacken
sind so angeordnet, dass die durch sie gebildeten Innenflächen 05 des
Grundkörpers über die
gesamte Längserstreckung
einen Kreisquerschnitt umschließen,
also achsparallel verlaufen. Bei abgewandelten Ausführungsformen
können
auch mehrere Spannbacken zur Anwendung kommen.
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Die
Spannbacken 03 sind durch zueinander parallel verlaufende
Radialschlitze 04 voneinander getrennt und beabstandet,
gleichzeitig aber durch in diese Schlitze eingebrachte Gummiverbindungsteile 13 miteinander
dauerhaft verbunden. Die Gummiverbindungsteile 13 werden
z.B. mithilfe eines Vulkanisierungsprozesses an den zu den Schlitzen
gewandten Flanken der Spannbacken befestigt. Die Verbindungsteile 13 sind
elastisch, um eine radiale Verschiebung der einzelnen Spannbacken 03 zu
gestatten.
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Die
Spannzange 01 besitzt eine kegelstumpfförmige Außenfläche 11, welche durch
die Außenflächen der
Spannbacken 03 gebildet wird. Jede Spannbacke weist somit
im Längsschnitt
einen keilförmigen
Hauptabschnitt auf.
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Ein
ebenfalls in Segmente aufgeteilter Überwurfring 07 schließt sich
an den Fuß 09 der
kegelstumpfförmigen
Außenfläche 11 an.
Der Außendurchmesser
des Überwurfrings 07 ist
kleiner als der Durchmesser des Kegelstumpfes am Fuß 09,
so dass eine Anschlagfläche
am Fuß zur
Verfügung steht,
um in Längsrichtung
der Spannzange Verschiebekräfte
einzuleiten.
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Zu
einer Verbesserung der Aufnahme axialer Schubkräfte können quer zu Längsachse 15 mehrere Spannrillen 17 auf
den Innenflächen 05 der
Spannbacken 03 angebracht sein.
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3 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt aus 2,
in welchem die Ausführung
der Spannrillen 17 als Nuten dargestellt ist. Der Fachmann
kennt die Ausgestaltung solcher Spannrillen und wird weitere Möglichkeiten
für deren
Formgebung erkennen.
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In 4 ist
eine prinzipielle Längsschnittdarstellung
eines Langdrehautomaten mit einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung gezeigt,
die von der oben beschriebenen Spannzange Gebrauch macht. Ein erster
Teil der Spannvorrichtung ist in an sich bekannter Weise an einer
Spindel 19 des Langdrehautomaten angeordnet. Die Spannvorrichtung umfasst
in unmittelbarer Verbindung mit der Spindel 19 eine Spannhülse 21,
die Spannzange 01 und eine Haltemutter 23. Mit
Hilfe der Haltemutter 23, welche am Überwurfring 07 geführt wird,
ist die Spannzange 01 mit der Spannhülse 21 an der Spindel 19 befestigt.
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Ein
Druckrohr 25 wird zum Spannen eines stangenförmigen Werkstückes 27 in
Richtung des auf dem Druckrohr 25 dargestellten Pfeils
axial verschoben. Dieses bewegt die Spannhülse 21 in axialer Richtung.
Die Kegelinnenfläche 28 der
Spannhülse 21 und
die Außenfläche 11 der
Spannzange 01 laufen keilförmig aufeinander auf, so dass
die Spannbacken in radialer Richtung nach innen gepresst werden.
Dabei bleiben die Kegelinnenfläche 28 der Spannhülse 21 und
die Außenfläche 11 der
Spannzange flächig
in Berührung.
Die Spannung des Werkstückes 27 erfolgt über die
gesamte Länge
der axialen Erstreckung der Spannzange 01.
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Anders
als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Spannvorrichtungen
für Langdrehautomaten
kommt es beim axialen Verschieben der Spannzange nicht zu einer
Verkippung der Spannbacken gegenüber
der Längsachse.
Die Berührung
zwischen den Außenflächen der
Spannbacken und der Kegelinnenfläche
der Spannhülse
bleibt daher unter allen Bedingungen flächig und nicht linienförmig. Die einleitbaren
Kräfte
sind höher.
Vorteilhaft macht sich das auch während der Bearbeitung des eingespannten
Werkstücks
bemerkbar, wenn beispielsweise beim Bohren von axialen Löchern erhöhte Axialkräfte aufgebracht
werden. Dadurch wird die Spannzange weiter in die Spannhülse gepresst,
wodurch sich die Spannkraft automatisch erhöht. Gleichzeitig werden aber
durch die flächige
Anlage der Spannbacken am Werkstück
zu hohe Linienkräfte
vermieden, die zu einer Beschädigung
der Werkstückoberfläche führen könnten.
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Es
wird auch darauf hingewiesen, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf die bisher übliche
Druckfeder zwischen Druckrohr und Spannzange verzichtet werden kann.
Die nötigen
Kräfte
für das
Aufspreizen der Spannbacken werden direkt durch die elastischen
Verbindungsteile zwischen den Spannba cken bereitgestellt. Sobald über das
Druckrohr keine Druckkraft mehr auf die Spannzange mehr ausgeübt wird,
kommt es daher zum Lösen
der Einspannung durch selbsttätiges
Auf weiten der Spannzange.
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Bei
der Bearbeitung des Werkstücks 27 wird dieses
mit Hilfe des Schlittens 33 in axialer Richtung bewegt.
Diese Axialkräfte
muss die Spannzange 01 zusätzlich zur Übertragung des Drehmomentes
der in Pfeilrichtung (Drehpfeil) angetriebenen Spindel 19 aufnehmen
können,
ohne dass das Werkstück 27 in der
Spannzange 01 verrutscht, so dass die Spannkräfte entsprechend
hoch auszulegen sind.
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Da
aufgrund der durchgängigen
Radialschlitze 04 die einzelnen Spannbacken 03 zueinander
beweglich sind, wobei diese Beweglichkeit durch die Gummiverbindungsteile 13 und
die ausgeübte Spannkraft
beschränkt
wird, könnte
es bei Einwirkung größerer Radialkräfte auf
das Werkstück
zu einer Verkippung des Werkstücks
aus der Drehachse heraus kommen. Dies steht der geforderten Präzision bei
der Bearbeitung entgegen.
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Um
trotz des Einsatzes der in Spannbacken unterteilten Spannzange eine
hohe Rundlaufgenauigkeit sicherzustellen und auch größere Radialkräfte aufnehmen
zu können,
umfasst die Spannvorrichtung eine Führungsbuchse 29, in
der das Werkstück 27 drehbar
gelagert ist und wo es in radialer Richtung zusätzlich abgestützt wird.
Die Bearbeitung des Werkstücks 27 mit
einem Werkzeug 31 erfolgt grundsätzlich in unmittelbarer Nähe der Führungsbuchse 29,
vorzugsweise auf der von der Spannzange 01 abgewandten
Seite. Die hohen radialen Kräfte
bei der Bearbeitung des Werkstückes 27 werden
damit weitgehend von dieser Führungsbuchse 29 aufgenommen.
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- 01
- Spannzange
- 03
- Spannbacke
- 04
- Radialschlitze
- 05
- Innenfläche der
Spannbacke
- 07
- Überwurfring
- 09
- Fuß des Kegelstumpfes
- 11
- Außenfläche
- 13
- Gummiverbindungsteile
- 15
- Längsachse
- 17
- Spannrillen
- 19
- Spindel
- 21
- Spannhülse
- 23
- Haltemutter
- 25
- Druckrohr
- 27
- Werkstück
- 28
- Kegelinnenfläche der
Spannhülse
- 29
- Führungsbuchse
- 31
- Werkzeug
- 33
- Schlitten