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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit zumindest
einer vorzugsweise vertikal ausgerichteten Arbeitsspindel, die eine
Werkzeugaufnahme für Werkzeuge tragende Werkzeughalter
sowie ein Spannsystem mit mehreren Zangensegmenten aufweist, die
zwischen einer radial äußeren Spannposition, in
der sie mit ihren unteren Köpfen einen in die Werkzeugaufnahme
eingesetzten Werkzeughalter drehfest in der Arbeitsspindel verspannen,
und einer radial inneren Grundposition, in der der Werkzeughalter
in die Werkzeugaufnahme einsetzbar und aus ihr entnehmbar ist, verschiebbar sind.
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Das
bekannte Spannsystem dient dazu, bspw. einen sogenannten HSK-Werkzeughalter
mit Kegelhohlschaft in eine Werkzeugaufnahme einer Arbeitspindel
einzuziehen und dort drehfest zu verspannen. Das Spannsystem umfasst
einen Spanndorn, um den herum mehrere Zangensegmente angeordnet
sind. An den oberen und unteren Köpfen der Zangensegmenten
ist je eine schräg nach außen und oben bzw. unten
verlaufende Halteschulter vorgesehen. Diesen axial, also in Richtung
der Längsachse der Arbeitsspindel aufeinander zu weisenden Halteschultern
ist eine Anlagefläche an dem Werkzeughalter sowie eine
weitere Anlagefläche innen in der Arbeitsspindel zugeordnet.
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An
den unteren und oberen Köpfen der Zangensegmenten sowie
an dem Spanndorn und an einer Haltebuchse des Spannsystems sind
ferner Gleitschrägen vorgesehen, durch die bei einem axialen
Spannhub des Spanndorns die Zangensegmente parallel zueinander und
parallel zur Längsachse der Arbeitsspindel nach außen
in ihre Spannposition verschoben werden. Durch diesen Spannhub üben
die Halteschultern einen Druck auf die Anlageflächen aus,
wodurch der Werkzeughalter in die Werkzeugaufnahme hineingezogen
und drehfest mit der Arbeitsspindel verspannt wird.
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Bei
einem dem Spannhub entgegengesetzt verlaufenden Lösehub
werden die Zangensegmente wieder radial nach innen in ihre Grundposition
bewegt, in der die unteren Köpfe einen derartigen radialen
Abstand quer zur Längsachse zueinander aufweisen, dass
der Werkzeughalter aus dem Spannsystem freikommt. Dazu kann es erforderlich
sein, dass der Spanndorn mit seiner Stirnseite auf den Boden des
Kegelhohlschaftes aufstößt.
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Die
Zangensegmente werden an ihren oberen Köpfen von einer
Druckfeder beaufschlagt und dadurch federbelastet in ihre Stellung
parallel zur Längsachse der Arbeitspindel gehalten.
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Werkzeugmaschinen,
bei denen diese oder vergleichbare Spannsysteme verwendet werden, sind
aus dem Stand der Technik umfangreich bekannt.
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So
beschreibt die
DE 41
17 701 A1 eine Werkzeugmaschine, bei der um die Arbeitsspindel verteilt
eine Vielzahl von Werkzeugwechslern vorgesehen sind, die jeweils
einen Greifer tragen, in den ein ein Werkzeug tragender Werkzeughalter
eingesetzt ist. Auf diese Weise befinden sich in diesem mitfahrenden
Magazin so viele Werkzeuge wie Werkzeugwechsler vorhanden sind.
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Zum
Einwechseln eines Werkzeuges in die Werkzeugaufnahme wird der Werkzeugwechsler ausgefahren,
so dass der Greifer sich mit dem Werkzeughalter unter die Arbeitsspindel
bewegt, woraufhin der Werkzeughalter in die Werkzeugaufnahme eingesetzt
wird. In der Arbeitsspindel ist ein Spannsystem der eingangs genannten
Art vorgesehen, das den eingesetzten Werkzeughalter ergreift und
in der Werkzeugaufnahme verspannt.
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Nachdem
der Werkzeughalter drehfest mit der Arbeitsspindel verbunden ist,
wird diese auf ihre Betriebsdrehzahl hochgefahren. Der Greifer verbleibt dabei
an dem Werkzeughalter, wobei entsprechende Maßnahmen vorgesehen
sind, damit der Werkzeughalter während des Betriebes von
dem Greifer freikommt.
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Wenn
ein neues Werkzeug eingewechselt werden soll, wird die Arbeitsspindel
abgebremst, bis sie eine Kupplungsdrehzahl er reicht, bei der das Spannsystem
gelöst und der Werkzeughalter aus der Werkzeugaufnahme
ausgestoßen und von dem Greifer wieder aufgenommen wird.
Der Greifer schwenkt dann den Werkzeughalter zurück in
seine Magazinposition, während im Gegentaktbetrieb ein
anderer Werkzeughalter durch den entsprechenden Werkzeugwechsler
in die Werkzeugaufnahme eingesetzt und dort mit Hilfe des Spannsystems
verspannt wird.
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Aus
der
DE 102 25 143
A1 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, die zwei Werkzeugwechsler aufweist,
die im Gegentaktbetrieb Werkzeuge zwischen einem Maschinenmagazin
und der Werkzeugaufnahme in der Arbeitsspindel auswechseln. Das Maschinenmagazin
ist ortsfest angeordnet, während die beiden Werkzeugwechsler
an dem die Arbeitsspindel tragenden Spindelkopf angeordnet sind.
Der Spindelkopf fährt in eine Wechselposition, wo der eine
Werkzeugwechsler das zuvor verwendete Werkzeug aus der Werkzeugaufnahme
entnimmt, während der andere Werkzeugwechsler bereits ein
einzuwechselndes Werkzeug aus dem Werkzeug- oder Maschinenmagazin
entnommen hat, wo die Werkzeuge gelagert sind.
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Bei
dieser Werkzeugmaschine verbleibt der Greifer also nicht an dem
im Einsatz befindlichen Werkzeug. Wenn ein Werkzeug ausgewechselt
werden soll, wird zunächst die Arbeitsspindel abgebremst,
bis sie zum Stillstand kommt, bevor der Greifer das Werkzeug erfassen
kann, das daraufhin ausgestoßen wird, damit es in dem Werkzeugmagazin abgelegt
werden kann.
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Bei
dieser und anderen bekannten Werkzeugmaschinen ist es auch möglich,
die Werkzeuge im Pick-Up-Verfahren zu wechseln, wozu keine Werkzeugwechsler
benötigt werden. Die Arbeitspindel fährt hier
unmittelbar das Werkzeugmagazin an, wo sie zunächst das auszuwechselnde
Werkzeug ablegt, bevor sie, ggf. nach entsprechendem Verfahren des
Werkzeugmagazins, ein neues Werkzeug aufnimmt.
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Bei
diesen Werkzeugmaschinen ist von Nachteil, dass die Arbeitsspindel
immer erst zum Stillstand oder zumindest auf eine geringe Kupplungsdrehzahl
abgebremst werden muss, bevor der Lösevorgang für
das eingespannte Werkzeug beginnen kann. Beim Lösen des
Spannsystems besteht nämlich die Gefahr, dass der Werkzeughalter
aus der Werkzeugaufnahme herausfällt, weshalb das Spannsystem
erst dann gelöst wird, wenn der Greifer das Werkzeug wieder
erfasst hat. Diese Verfahrensschritte sind jedoch zeitintensiv,
was die Zeit, die für das Auswechseln eines Werkzeuges
benötigt wird, verlängert.
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Auch
beim Einspannen ein Werkzeuges muss mit dem Wegfahren des Greifers
hier so lange gewartet werden, bis das Spannsystem den Werkzeughalter
sicher eingespannt hat, was ebenfalls Zeit kostet.
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Insgesamt
wird die Werkzeugwechselzeit bei den insoweit beschriebenen Werkzeugmaschinen als
zu lang empfunden, denn die Werkzeugwechselzeit geht maßgeblich
in die Span-zu-Span-Zeit ein, die ein Maß für
die Bearbeitungsgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine ist. Je länger
nämlich ein Werkzeugwechsel dauert, desto länger
dauert es auch, bis das eingewechselte Werkzeug wieder im Eingriff
mit dem Werkstück ist. Insbesondere in der Massenproduktion
ist es jedoch wünschenswert, mit möglichst kurzen
Span-zu-Span-Zeiten zu arbeiten.
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Um
die Werkzeugwechselzeit zu verkürzen, schlägt
die
DE 101 59 661
C1 ein Spannsystem der hier in Rede stehenden Art vor,
bei dem zusätzlich zu den Zangensegmenten eine Klemmhülse
mit radial federnden Klemmabschnitten vorgesehen ist, die einen
in die Werkzeugaufnahme eingeschobenen Werkzeughalter durch reibschlüssige
Anlage hält, bevor das Spannsystem den Werkzeughalter ergreift und
vollständig einspannt.
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Das
DE 299 22 642 U1 offenbart
ein Spannsystem der eingangs beschriebenen Art, bei dem zusätzlich
zu den Zangensegmenten in Radialrichtung federnde Haltezungen vorgesehen
sind. Sowohl an den aktiv betätigten Zangensegmenten als
auch an den Haltezungen sind Halteschultern vorgesehen, die mit
Anlageflächen in dem Werkzeughalter in Anlage gelangen.
Die Halteschultern der federnden Haltezungen liegen axial weiter
unten als die Halteschultern des Spannsystems, so dass die Haltezungen den
eingeschobenen Werkzeughalter früher ergreifen als das
Spannsystem selbst.
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Der
Werkzeughalter wird also unmittelbar nach dem Einsetzen in die Werkzeugaufnahme
von dem Spannsystem ergriffen, sodass der Greifer von dem Werkzeughalter
oder die Arbeitsspindel von dem Werkzeugmagazin weggefahren werden
kann, während zeitparallel das Spannsystem den Werkzeughalter
einzieht und verspannt.
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In
beiden Fällen wird der Werkzeughalter dabei durch Federkraft
gehalten, weshalb bei einem Einkuppeln mit drehender Arbeitsspindel
zumindest anfänglich eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeughalter
und den federnden Haltern erfolgt, was wegen der schnellen Werkzeugwechsel
sehr schnell zu einem hohen Verschleiß führt.
Nach Erkenntnis der hiesigen Anmelderin kann bei diesen Spannsystemen
daher ein Werkzeugwechsel nur mit stehender Arbeitsspindel erfolgen.
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Hinzu
kommt, dass in beiden Fällen die Haltekraft durch die Federkraft
bzw. Klemmkraft der in sich nachgebenden Haltezungen oder Klemmabschnitte
bestimmt wird, so dass bei lediglich hierdurch gehaltenem Werkzeughalter
die Arbeitsspindel keine schnellen oder ruckartigen Bewegungen durchführen
kann, da ansonsten die Gefahr besteht, dass die zwar gehaltenen
aber noch nicht eingespannten Werkzeughalter aus der Arbeitsspindel
herausgeschleudert werden.
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Die
Werkzeugwechselzeit ist daher auch bei mit solchen Spannsystemen
ausgerüsteten Werkzeugmaschinen nicht zufriedenstellend
kurz.
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Die
DE 10 2004 029 A1 schlägt
daher vor, das Spannsystem mit einem zweiten Satz von Zangensegmenten
zu versehen, die den Werkzeughalter ebenfalls an der Anlagefläche
ergreifen. Die Bewegung dieser zweiten Zangensegmente wird durch
einen dem Spannhub vorausgehenden, sehr viel kürzeren Haltehub
des Spanndorns gesteuert. Sobald der Haltehub durchgeführt
wurde, ist der Werkzeughalter unverlierbar gehalten und der Greifer
kann schon jetzt entfernt bzw. die Arbeitsspindel von dem Werkzeugmagazin
weggefahren werden. Ferner kann die Arbeitspindel nach dem Haltehub
bereits wieder hochbeschleunigt und schnell im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine
verfahren werden
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Gleiches
gilt für den Lösehub, der den Werkzeughalter zwar
aus den ersten, üblichen Zangensegmenten und damit der
Werkzeugaufnahme löst, nicht jedoch aus den zweiten Zangensegmenten. Wäh rend
des Lösehubes kann die Arbeitsspindel zeitgleich einen
leeren Speicherplatz in einem Werkzeugmagazin anfahren oder ein
Greifer kann das Werkzeug ergreifen.
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Erst
durch einen auf den Lösehub folgenden Freigabehub wird
der Werkzeughalter frei, so dass die Arbeitspindel den Spindelplatz
verlassen oder der Greifer das Werkzeug aus der Werkzeugaufnahme entnehmen
kann.
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Dadurch
ergeben sich beim Werkzeugwechsel Zeitvorteile gegenüber
dem oben beschriebenen Spannsystem.
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Diese
Konstruktion ist jedoch wie die anderen Lösungen aus dem
Stand der Technik konstruktiv aufwendig.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, bei der bekannten Werkzeugmaschine auf konstruktiv einfache Weise
die für einen Werkzeugwechsel benötigte Zeitspanne
weiter zu verkürzen, ohne dass die Betriebssicherheit beeinträchtigt
wird.
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Bei
der eingangs erwähnten Werkzeugmaschine wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
zumindest einige der unteren Köpfe der Zangensegmente in
ihrer Grundposition einen derartigen radialen Abstand zueinander
aufweisen, dass sie einen in die Werkzeugaufnahme eingesetzten Werkzeughalter
erfassen, und dass diese unteren Köpfe radial nach innen
bewegbar angeordnet sind.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen
gelöst.
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Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nämlich erkannt,
dass zumindest einige vorhandenen Zangensegmente in dem Sinne verwendet werden
können, wie die bei dem
DE 299 22 642 U1 zusätzlich vorgesehenen
federnden Haltezungen. Dazu werden die unteren Köpfe zumindest
einiger Zangensegmente in ihrer Grundposition radial weiter außen
angeordnet als dies im Stand der Technik der Fall ist. Auf diese
Weise halten diese unteren Köpfe einen in die Werkzeugaufnahme
eingesetzten Werkzeughalter ohne ihn schon zu verspannen. Der Werkzeughalter
kann jedoch nicht aus der Werkzeugaufnahme herausfallen.
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Damit
der Werkzeughalter in dieser Grundposition der Köpfe in
die Werkzeugaufnahme eingesetzt und aus ihr entnommen werden kann,
werden die Köpfe so gelagert, dass sie radial nach innen
bewegbar sind, so dass sie das Einsetzen und Herausnehmen der Werkzeughalter
nicht behindern. Sobald der Werkzeughalter jedoch eingesetzt wurde,
nehmen diese unteren Köpfe ihre Grundposition wieder ein.
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Der
Werkzeughalter wird also unmittelbar nach dem Einsetzen in die Werkzeugaufnahme
von dem Spannsystem ergriffen, sodass der Greifer von Werkzeughalter
oder die Arbeitsspindel von dem Werkzeugmagazin weggefahren werden
kann, während zeitparallel das Spannsystem den Werkzeughalter
einzieht und verspannt.
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Diese
Lösung ist konstruktiv einfacher als die Lösungen
aus dem Stand der Technik, denn es ist bspw. lediglich erforderlich,
einige der unteren Köpfe federnd auszubilden und radial
weiter nach außen zu verlegen. Andererseits können
einige der unteren Köpfe auf gelenkig an den entsprechenden
Zangensegmenten gela gert sein, und entweder durch Federkraft in
die Grundposition vorgespannt sein, oder aber aktiv bewegt werden.
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Es
ist jedoch bevorzugt, wenn zumindest einige der Zangensegmente in
ihrer Grundposition verkippbar gelagert sind, wobei es weiter bevorzugt
ist, wenn die Zangensegmente starr ausgebildet sind.
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Diese
Maßnahmen sind konstruktiv und unter Sicherheitsaspekten
von Vorteil. Da die Zangensegmente selbst verkippbar sind, ist es
nicht erforderlich, die unteren Köpfe gesondert auszubilden
oder zu lagern. Es können also die verfügbaren
Zangensegmente verwendet werden, die jetzt erfindungsgemäß verkippbar
gelagert werden, so dass die unteren Köpfe einem Werkzeughalter
beim Einsetzen oder Herausnehmen ausweichen können.
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Ein
weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Zangensegmente alle
starr ausgebildet sein können, so dass die Zangensegmente,
deren untere Köpfe den Werkzeughalter in der Grundposition
halten, ebenfalls zum Verspannen in der Spannposition verwendet
werden könne. Damit stehen alle Zangensegmente zum Verspannen
zur Verfügung, wobei einige oder alle Zangensegmente auch
zum Halten in der Grundposition eingesetzt werden.
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Mit
anderen Worten, der zur Verfügung stehende umfängliche
Platz im Spannsystem wird vollständig von Zangensegmenten
genutzt, die zum Spannen und Halten dienen. Im Stand der Technik sind
dagegen bis zu 50% der Zangensegmente durch Haltezungen oder andere
Zangensegmente ersetzt, die lediglich zum Halten aber nicht zum
Verspannen dienen.
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Damit
wird mit dem erfindungsgemäßen Spannsystem bei
einfachem konstruktivem Aufbau ein schnellerer Werkzeugwechsel möglich,
denn unmittelbar nach dem Einsetzen eines Werkzeughalters kann die
Arbeitsspindel schnell verfahren und in der Drehzahl hoch gefahren
werden.
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In
den Räumen der Anmelderin konnte auf diese Weise bei einer
Werkzeugmaschine mit Werkzeugwechsel im Pick-Up-Verfahren die Span-zu-Span-Zeit
von 2,4 auf 1,9 Sekunden verringert werden. Auch bei Werkzeugmaschinen
mit Werkzeugwechslern lassen sich 0,2 bis 0,5 Sekunden bei der Span-zu-Span-Zeit
gewinnen.
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Dieser
Zeitvorteil ergibt sich zum einen daraus, dass der Werkzeughalter
nach dem Einsetzen in die Werkzeugaufnahme ohne Zeitverlust sofort
sicher gehalten wird, wobei dieses Halten derart sicher ist, dass
die Arbeitsspindel zeitparallel zum eigentlichen Spannvorgang bereits
schnelle und auch ruckartige Bewegungen durchführen kann.
Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass das Spannsystem keine Einbußen
beim Verspannen hinnehmen muss, es steht vielmehr auch für
das Verspannen die maximal mögliche Zahl an Zangensegmenten
zur Verfügung.
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Beim
Herausnehmen des Werkzeughalters aus der Werkzeugaufnahme muss eine
entsprechende Kraft aufgewendet werden, um die unteren Köpfe nach
innen zu bewegen, sofern diese Bewegung nicht aktiv gesteuert wird.
Diese Kraft wird durch die Arbeitspindel selbst aufgebracht, die
den Werkzeughalter in einem Magazin oder Greifer ablegt, wo er formschlüssig
gehalten wird. Das Magazin und der Greifer können dabei
die sehr hohen Kräfte aufnehmen, die die Arbeitsspindel
beim Verfahren ausüben kann.
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Damit
können die unteren Köpfe über starke Federn
in ihre Grundposition vorgespannt werden, was für das sichere
Halten sorgt.
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In
diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn die Zangensegmente an
ihren oberen Köpfen von einer axial wirkenden Druckfeder
beaufschlagt werden.
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Hier
ist von Vorteil, dass die sowieso vorhandene Druckfeder, die die
Zangensegmente axial ausgerichtet hält, auch als Ruckstellfeder
für die Grundposition verwendet wird. Diese Druckfeder übt
hohe Druckkräfte aus, so dass ein eingesetzter Werkzeughalter
sicher gehalten wird.
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Weiter
ist es bevorzugt, wenn das Spannsystem einen Spanndorn umfasst,
der mit seinem axialen Hub die Zangensegmente radial verschiebt.
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Auf
diese an sich bekannte Weise kann der Spanndorn mit seinem axialen
Hub die Spannvorrichtung sowohl beim Spannen als auch beim Lösen betätigen,
was insbesondere konstruktiv von Vorteil ist.
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Derartige
Spannsysteme mit axial bewegtem Spanndorn sind aus dem Stand der
Technik hinreichend bekannt, sie werden insbesondere für HSK-Werkzeughalter
eingesetzt; siehe bspw. die
DE 100 31 027 A1 . Die erfindungsgemäße
Weiterbildung lediglich des Spannsystems ermöglicht einen
schnellen Werkzeugwechsel ohne Veränderung an dem HSK-Werkzeughalter
oder sonstige konstruktive Änderungen an der Arbeitsspindel.
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Allgemein
ist es bevorzugt, wenn der Spanndorn an seinem oberen Abschnitt
ein Auflager aufweist, um das die Zangensegmente verkippbar gelagert
sind, wobei weiter vorzugsweise das Auflager eine abschnittsweise
radiale Verdickung des oberen Abschnitts des Spanndorns umfasst.
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Diese
Maßnahmen sind konstruktiv von Vorteil, die Verkippbarkeit
der Zangensegmente wird dadurch erreicht, dass oben am Spanndorn
ein Auflager vorgesehen wird, um das sich die Zangensegmente verkippen
können. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben in
Versuchen ermittelt, dass bei ansonsten unveränderter Konstruktion
bei einem üblichen Spannsystem schon eine geringfügige
Verdickung eines Abschnittes des Spanndornes in seinem oberen Bereich
um weniges Zehntel mm ausreicht, um sowohl für die erfindungsgemäße
Verkippbarkeit als auch für die radial weiter außen
liegenden unteren Köpfe zu sorgen. Die sowieso vorgesehen
Druckfeder spannt die Zangensegmente in die neue Grundposition vor,
erlaubt es aber, dass die Zangensegmente im Bereich der unteren
Köpfe nach innen gekippt werden.
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Insgesamt
ist es bevorzugt, wenn die Zangensegmente an ihren unteren Köpfen
nach unten weisende, schräg nach unten und radial nach
innen verlaufende Gleitflächen aufweisen, die zueinander in
ihrer Grundposition einen derartigen radialen Abstand aufweisen,
dass sie beim Einsetzen eines Werkzeughalters in die Werkzeugaufnahme
mit diesem zumindest teilweise in Anlage gelangen, wodurch die unteren
Köpfe radial nach innen bewegt werden.
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Auch
diese Maßnahme ist konstruktiv von Vorteil. Es sind lediglich
an den unteren Köpfen Gleitflächen vorzusehen, über
die das Verschwenken der Köpfe radial nach innen schon
durch die Einsetzbewegung des Werkzeughalters bewirkt wird.
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Dabei
ist es auch bevorzugt, wenn die Zangensegmente an ihren unteren
Köpfen nach oben weisende, schräg nach unten und
radial nach außen verlaufende Halteschultern aufweisen,
die zueinander in ihrer Grundposition einen derartigen radialen Abstand
aufweisen, dass sie nach dem Einsetzen eines Werkzeughalters in
die Werkzeugaufnahme mit an diesem vorgesehenen Anlageflächen
zumindest teilweise in Anlage gelangen, wodurch der Werkzeughalter
in der Werkzeugaufnahme gehalten wird.
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Die
sowieso vorgesehenen Halteschultern dienen damit auch zum Halten
des Werkzeughalters vor dem Spannen, wobei sie beim Herausnehmen unter
entsprechender Zugkraft auch dazu führen, dass die Zangensegmente
gekippt werden.
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Vor
diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Spannsystem
mit den erfindungsgemäßen Merkmalen.
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Allgemein
ist es bevorzugt, wenn der Werkzeughalter einen kegelförmigen
Hohlschaft aufweist, an dessen Außenkontur die Werkzeugaufnahme
angepasst ist.
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Diese
Maßnahme ist allgemein bekannt. Mit solchen HSK-Werkzeughaltern
lässt sich die Erfindung bei allen gängigen Werkzeugmaschinen
einsetzen.
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Besondere
Vorteile ergeben sich jedoch, wenn die Werkzeugmaschinen eine vertikalachsige Arbeitsspindel
aufweisen, denn hier wirken beim schnellen und ruckartigen Verfahren
der Ar beitspindel besonders hohe Kräfte auf den Werkzeughalter, der
durch das erfindungsgemäße Spannsystem jetzt dennoch
sicher gehalten wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten
Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils
angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
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1 in
schematischer Seitenansicht eine Prinzipskizze einer Werkzeugmaschine,
bei der die Erfindung Anwendung findet;
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2 in
einer schematischen Vorderansicht eine Prinzipskizze eines anderen
Ausführungsbeispiels einer Werkzeugmaschine, bei der die
Erfindung Anwendung findet;
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3 in
schematischer, teilweise geschnittener Darstellung die Arbeitsspindel
einer Werkzeugmaschine aus 1 oder 2 im
Bereich der Werkzeugaufnahme, mit eingesetztem aber noch nicht eingespanntem
Werkzeughalter, wobei hier die Erfindung nicht eingesetzt ist;
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4 eine
Darstellung wie 3, jedoch mit erfindungsgemäßer
Spannvorrichtung und in größeren Ausschnitt;
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5 eine
Darstellung wie 4, jedoch in kleinerem Ausschnitt
und mit stärkerer Vergrößerung;
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6 eine
Darstellung wie 4, jedoch mit eingespanntem
Werkzeughalter; und
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7 eine
Darstellung wie 5, jedoch mit eingespanntem
Werkzeughalter.
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In 1 ist
mit 10 eine Werkzeugmaschine bezeichnet, die in schematischer,
nicht maßstabs- und detailgetreuer Darstellung gezeigt
ist.
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Die
Werkzeugmaschine 10 weist auf ihrem Maschinenfuß 11 einen
ersten Schlitten 12 auf, der in Richtung einer ersten Achse 14 auf
Führungsschienen 15 verfahrbar ist. Auf dem ersten
Schlitten 12 ist ein zweiter Schlitten 16 über
Führungsschienen 17 in Richtung einer zweiten
Achse 18 verfahrbar angeordnet.
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An
dem zweiten Schlitten 16 ist ein Spindelkopf 19 in
Richtung einer dritten Achse 21 verfahrbar gelagert. In
dem Spindelkopf 19 ist drehbar eine Arbeitsspindel 22 gelagert,
die an ihrem unteren Ende ein Werkzeug 23 trägt.
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Auf
dem Maschinenfuß 11 ist ferner ein Werkstücktisch 24 vorgesehen,
der ein schematisch angedeutetes Werkstück 25 trägt,
das durch Verfahren des Spindelkopfes 19 und damit der
Arbeitsspindel 18 in den drei Achsen 14, 18, 21 mit
dem Werkzeug 23 an unterschiedlichen Stellen bearbeitet
wird.
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Auf
dem ersten Schlitten 12 ist ferner ein Maschinenmagazin 26 in
Form eines Kettenmagazins 27 gelagert, das in Richtung
eines Pfeils 28 verfahrbar ist.
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In
seiner gestrichelt dargestellten Spindelposition 29 ermöglicht
das Kettenmagazin 27 einen Werkzeugwechsel an der Werkzeugspindel 22.
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Dieser
Werkzeugwechsel kann im Pick-Up-Verfahren erfolgen, bei dem die
Werkzeugspindel 22 zunächst das gebrauchte Werkzeug 23 in einen
Leerplatz in dem Kettenmagazin 27 ablegt, das Kettenmagazin 27 dann
ein neues Werkzeug 23 in die Spindelposition 29 fährt,
das dann von der Werkzeugspindel 22 aufgenommen wird.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel der 1 sind jedoch
zwei Werkzeugwechsler vorgesehen, von denen bei 31 schematisch
einer am Spindelkopf 19 dargestellt ist.
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Zum
Auswechseln eines Werkzeuges 23 aus der Arbeitsspindel 22 wird
ein Werkzeugwechsler 31 unter die Arbeitsspindel 22 gefahren,
die zum Stillstand abgebremst wurde. Der Werkzeugwechsler 31 erfasst
mit seinem in 1 nicht dargestellten Greifer
das Werkzeug 23, das dann durch ein in 1 ebenfalls
nicht dargestellte Spannsystem ausgestoßen wird. Der Werkzeugwechsler
fährt nun das Werkzeug 23 in seine Magazinposition
in dem Ket tenmagazin 27, wobei zeitgleich der andere Werkzeugwechsler 31 bereits
ein Werkzeug 23 aus dem Kettenmagazin 27 entnommen
hat und jetzt im Gegentaktbetrieb in die Arbeitsspindel 22 einsetzt. Nachdem
das Werkzeug in der Arbeitsspindel 22 verspannt wurde,
gibt der Greifer das Werkzeug 23 frei und die Arbeitsspindel 22 wird
auf Betriebsdrehzahl hochbeschleunigt.
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Es
sei noch erwähnt, dass die Werkzeuge 23 nicht
unmittelbar von dem Werkzeugwechsler 31 ergriffen werden,
sondern dass die Werkzeuge 23 in an sich bekannter Weise
in einen Werkzeughalter eingespannt sind, für den unten
in der Arbeitsspindel 22 eine genormte Werkzeugaufnahme
vorgesehen ist, und den in an sich bekannter Weise Greifer erfassen können,
die an den Werkzeugwechslern 31 vorgesehen sind.
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Insoweit
ist diese Konstruktion vergleichbar zu der jetzt im Zusammenhang
mit 2 geschilderten, alternativen Ausführungsform
der neuen Werkzeugmaschine.
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Bei
der in 2 gezeigten Werkzeugmaschine sind gleiche Bauteile
mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in 1.
Die Werkzeugmaschine 10 weist mehrere um den Spindelkopf 19 herum verteilt
angeordnete Werkzeugwechsler 31 auf, von denen in 2 lediglich
zwei dargestellt sind. Jeder Werkzeugwechsler 31 umfasst
eine Parallelogrammführung 32, an deren unterem
Ende jeweils ein Greifer 33 angeordnet ist, der ein Werkzeug 23 trägt,
das in einen schematisch dargestellten Werkzeughalter 34 eingespannt
ist.
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Die
Arbeitsspindel weist an ihrem unteren Ende eine Werkzeugaufnahme 35 auf,
die als Innenkegel ausgebildet ist und in die die Werkzeughalter 34 mit
ihrem geometrisch passenden Hohlkegel 36 eingesetzt werden
können. Zu diesem Zweck wird eine bei 37 angedeutete
Hülse, die die einzelnen Werkzeugwechsler 31 trägt,
in 2 nach oben gefahren.
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Während
bei der Werkzeugmaschine aus 1 die Arbeitsspindel 22 jeweils
bis zum Stillstand abgebremst wird, bevor ein Greifer den Werkzeughalter
erfassen kann, damit das Spannsystem den Werkzeughalter ausstoßen
kann, verbleiben bei der Werkzeugmaschine aus 2 die
Greifer 33 sowohl in der zu der Werkzeugaufnahme 35 beabstandeten Magazinposition
als auch in der Arbeitsposition an dem Werkzeughalter 34.
Nach dem Einspannen des Hohlkegels 36 in die Werkzeugaufnahme 35 wird
die Hülse 37 ein kleines Stück abgesenkt,
wodurch der Werkzeughalter 34 aus dem Greifer 33 freikommt und
sich frei gegenüber diesem verdrehen kann.
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Da
bei der Werkzeugmaschine aus 2 die Greifer 33 permanent
an den Werkzeughaltern 34 verbleiben, können die
Werkzeughalter 34 bei noch mit Kupplungsdrehzahl drehender
Arbeitsspindel 22 eingewechselt und ausgewechselt werden,
was einen Zeitvorteil beim Werkzeugwechsel mit sich bringt.
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Die
beiden insoweit beschriebenen Werkzeugmaschinen sind aus dem eingangs
erwähnten Stand der Technik hinreichend bekannt.
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3 zeigt
die Arbeitsspindel 22 im Bereich der Werkzeugaufnahme 35 in
schematischer Schnittdarstellung, wobei ein Werkzeughalter 34 mit
seinem kegelförmigen Hohlkegel 36 in die Werkzeugaufnahme 35 eingesetzt
aber noch nicht verspannt ist.
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In
der Arbeitsspindel 22 ist ein schematisch angedeutetes
Spannsystem 42 vorgesehen, das einen von einer Zugstange 43 bewegten
Spanndorn 44 umfasst, der einen axialen Hub ausführen
kann, was durch einen Doppelpfeil 45 angedeutet ist.
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Das
Spannsystem 42 umfasst in bekannter Weise umfänglich
um den Spanndorn 44 herum verteilte Zangensegmente 46,
von denen in 3 zwei dargestellt sind.
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Die
Zangensegmente 46 wirken mit dem Spanndorn 44 derart
zusammen, dass sie durch den axialen Hub 45 von ihrer in 3 gezeigten,
radial inneren Stellung, in der sie den Hohlschaft 46 vollständig
freigeben, in ihre radial äußere Stellung, die Spannposition
bewegt werden, in der sie den Hohlschaft 36 mit ihren unteren
Köpfen 47 ergreifen und drehfest mit der Arbeitsspindel 22 verbinden.
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Zu
diesem Zweck ist an dem Spanndorn 44 eine Kegelfläche 48 vorgesehen,
die als Gegenschräge für Gleitschrägen 49 an
den Zangensegmenten 46 dienen, so dass beim Hochziehen
des Spanndorns 44 in 3 nach oben
die Zangensegmente 46 radial nach außen bewegt
werden.
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Abgelegen
von den Gleitschrägen 49 sind an den Zangensegmenten 46 Halteschultern 51 vorgesehen,
die mit einer nach innen vorspringenden, umfänglich verlaufenden
Anlagefläche 52 in dem Hohlschaft 36 zusammenwirken,
wenn die Zangensegmente 46 radial nach außen bewegt
werden.
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In
dem in 3 gezeigten Betriebszustand wurde der Hohlschaft 36 so
weit in die Werkzeugaufnahme 35 eingeführt, dass
der Spanndorn 44 in einen Hohlraum 53 eingreift,
der in dem Hohlschaft 36 vorgesehen ist. Der Hohlraum 53 weist
einen Hohlraumboden 54 auf, mit dem in 3 der
Spanndorn 44 mit seiner Stirnfläche 55 in
Anlage ist. Der Werkzeughalter 34 wird in dieser Betriebssituation
ausschließlich durch den Greifer 33 oder alternativ
in einem Werkzeugplatz in einem Werkzeugmagazin gehalten.
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In
der in 3 gezeigten Betriebsstellung, in der die Spannvorrichtung 42 ihren
Spannvorgang noch nicht durchgeführt hat, die Zangensegmente 46 also
noch radial innen liegen, weist der Werkzeughalter 34 mit
seiner Ringschulter 56 zu einer stirnseitig an der Arbeitsspindel 22 vorgesehenen
Gegenfläche 57 einen geringen Abstand auf, der
bei 58 angedeutet ist. Dieser Abstand beträgt beispielsweise
0,5 mm.
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In
der in 3 gezeigten Betriebsposition kann die Arbeitsspindel 22 stehen
oder sich mit geringer Kupplungsdrehzahl drehen. Der Spanndorn 44 führt
jetzt in Richtung des Pfeils 45 nach oben einen Spannhub
aus, bei dem sich die Stirnfläche 55 des Spanndorns 44 von
dem Hohlraumboden 54 abhebt. Durch diesen Spannhub gleitet
die Gleitschräge 49 auf der Kegelfläche 48 nach
außen, sodass sich die Zangensegmente 46 radial
nach außen verschieben und mit ihren Halteschultern 51 in
Anlage mit der Anlagefläche 52 gelangen. Mit in 3 nicht
gezeigten oberen Halteschultern gelangen die Zangensegmente 46 dabei
in Anlage mit in 3 nicht gezeigten Anlageflächen
in der Arbeitsspindel 22, so dass der Werkzeughalter in
die Werkzeugaufnahme 35 eingezogen wird, wie dies aus dem
eingangs diskutierten Stand der Technik bekannt ist.
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Dabei
wird der Hohlkegel 36 so weit in die Werkzeugaufnahme 35 hineingezogen,
dass die Ringschulter 56 in Anlage mit der Gegenfläche 57 gerät.
Der Werkzeughalter 34 ist jetzt sicher in der Werkzeugaufnahme 35 verspannt,
wobei durch die Plananlage zwischen Ringschulter 56 und
Gegenfläche 57 für eine genaue Positionierung
des Werkzeughalters 34 in der Arbeitsspindel 22 gesorgt
wird, so dass mit dem von dem Werkzeughalter 34 getragenen
Werkzeug hoch präzise Bearbeitungen von Werkstücken
durchgeführt werden können. Jetzt wird bspw. der
Greifer 33 von dem Werkzeughalter 34 entfernt
oder aber soweit abgesenkt, dass der Werkzeughalter 34 sich
frei in ihm drehen kann, so dass der Greifer 33 am Werkzeughalter 34 verbleiben kann.
Wenn der Werkzeugwechsel im Pick-Up-Verfahren erfolgt, kann die
Arbeitsspindel jetzt aus der Spindelposition 29 weggefahren
werden.
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Wenn
der Einsatz des eingewechselten Werkzeuges 23 beendet ist,
wird die Arbeitsspindel 22 zum Stillstand oder auf Kupplungsdrehzahl
heruntergebremst. Sobald das Werkzeug von dem Werkstück
freigekommen ist und die Arbeitsspindel bei der Werkzeugmaschine
aus 1 ggf. in die Spindelposition 29 gefahren
wurde, wird der Werkzeughalter 34 wieder von einem Halter
im Maschinenmagazin 26 oder dem Greifer 33 erfasst,
sofern der Greifer nicht sowieso am Werkzeughalter 34 verblieben
ist, wie dies bei der Werkzeugmaschine aus 2 der Fall ist.
Danach wird von dem Spanndorn 44 ein Lösehub durchgeführt,
der die Wirkung des Spannhubes rückgängig macht.
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Dabei
wird der Spanndorn 44 in Richtung des Pfeils 45 in 3 nach
unten bewegt, so dass die Zangensegmente 46 mit ihren Halteschultern 51 von
der Anlagefläche 52 freigekommen. Der Werkzeughalter 34 wird
jetzt vollständig von dem Greifer 33 oder dem
Maschinenmagazin 26 gehalten und kann aus der Werkzeugaufnahme 35 herausbewegt werden,
indem entweder der Greifer 33 oder die Arbeitsspindel 22 bewegt
werden.
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Der
bekannte Werkzeugwechsel ist zwar sehr zuverlässig, er
erfordert jedoch eine merkliche Zeitspanne, denn der Werkzeughalter
kann erst freigegeben werden, wenn dieser vollständig eingespannt,
der Spanndorn also seinen Spannhub vollständig ausgeführt
hat.
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Bei
beiden Werkzeugmaschinen wird jetzt erfindungsgemäß ein
Spannsystem 42 verwendet, das den Werkzeughalter 34 erfasst,
sobald er mit seinem Hohlkegel 36 in die Werkzeugaufnahme 35 eingesetzt
wird. Dies erfolgt durch eine Art Rastsystem, zu dessen Funktion
es nicht erforderlich ist, dass der Spanndorn 44 einen
Hub ausführt.
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Dazu
sind zumindest die unteren Köpfe 47 der Zangesegmente 46 in
ihrer in 3 gezeigten, radial inneren
Stellung, die hier als Grundposition oder Grundstellung bezeichnet
wird, verglichen mit bekannten Spannsystemen radial so weit nach
außen gelegt, dass die Halteschultern 51 schon
teilweise den Anlageflächen 52 gegenüberliegen.
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Die
Zangensegmente 46 sind gegen die Kraft einer Rückstellfeder
verkippbar gelagert, so dass die Köpfe 47 beim
Einsetzen eines Werkzeughalters 34 radial nach innen ausweichen
können und wieder in ihre Grundposition zurückkippen,
wenn sie in den Hohlraum 53 eingetaucht sind. Wegen ihrer verglichen
mit 3 radial weiter außen liegenden Grundposition
gelangen die Halteschultern 51 dabei schon teilweise in
Anlage mit den Anlageflä chen 52, so dass der Werkzeughalter 34 unmittelbar
nach dem Einführen in die Werkzeugaufnahme 35 durch
die sowieso vorhandenen Zangensegmente 46 sicher gehalten
wird.
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Nach
dem Einsetzen des Werkzeughalters 34 in die Werkzeugaufnahme 35 kann
die Arbeitsspindel 22 jetzt auf Betriebsdrehzahl hochbeschleunigt
und/oder schnell im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine verfahren werden.
Ferner kann ein Greifer 33 unmittelbar nach dem Einsetzen
des Werkzeughalters 34 von diesem entfernt werden.
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Umgekehrt
ergeben sich diese Vorteile auch beim Auswechseln des Werkzeughalters 34,
denn der Spanndorn 44 kann in seine Lösestellung
der 3 bewegt werden, ohne dass das Risiko besteht, dass
der Werkzeughalter 34 aus der Werkzeugaufnahme 35 herausfällt.
Auch dieser Lösevorgang kann damit zeitparallel zum Verfahren
und/oder Herunterbremsen der Arbeitsspindel 22 erfolgen,
ohne dass der Werkzeughalter 34 zuvor von einem Greifer 33 oder
einem Maschinemagazin 26 aufgenommen worden sein muss.
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Damit
ergeben sich diese Vorteile sowohl bei Werkzeugmaschinen mit einem
oder mehreren Werkzeugwechslern 31 als auch insbesondere
bei Werkzeugmaschinen, die Werkzeuge im oben beschriebenen Pick-Up-Verfahren
wechseln. Besondere Vorteile ergeben sich bei einer Werkzeugmaschine mit
vertikal ausgerichteter Arbeitsspindel 23, denn hier wirken
auf den Werkzeughalter 34 besonders hohe Kräfte
beim Verfahren der Arbeitsspindel 23, so dass bei bekannten
Spannsystemen vor dem vollständigen Versspannen der Werkzeughalter
keine schnellen Bewegungen möglich sind, was dort zu langen
Span-zu-Span-Zeiten führt.
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Die
neue Konstruktion des Spannsystems 42 wird jetzt anhand
der 4 bis 7 erläutert, die die
Arbeitsspindel 22 im Bereich der Werkzeugaufnahme 35 in
schematischen Schnittdarstellungen und zwei verschiedenen Vergrößerungen
zeigen, wobei für dieselben Baugruppen und -teile dieselben Bezugszeichen
wie in 3 verwendet werden.
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Die
Zangensegmente 46 weisen jeweils einen oberen Kopf 61 auf,
an dem eine Halteschulter 62 vorgesehen ist, die mit einer
Anlagefläche 63 an der Arbeitspindel 22 zusammenwirkt.
Wenn die Zangensegmente 46 radial nach außen bewegt
werden, verspannen sie über die Halteschultern 51, 62 und Anlageflächen 52, 63 den
Werkzeughalter 34 mit der Arbeitsspindel 22.
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Die
oberen Köpfe 61 weisen je eine Stirnfläche 64 auf,
auf der eine Buchse 65 aufliegt, die durch die Kraft einer
Druckfeder 66 in 4 in Richtung
der Längsachse L nach unten gedrückt wird. In
seinem oberen Abschnitt 67, der zwischen den Köpfen 47 und 61 liegt,
ist der Spanndorn 44 mit einem Auflager für die
Zangensegmente 46 versehen, das in diesem Ausführungsbeispiel
als verdickter Bereich 68 ausgebildet ist, der um wenige
Zehntel mm über der ansonsten zylindrischen Außenfläche
des Spanndorns 44 vorsteht.
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Dadurch
werden die Zangensegmente im Wesentlichen parallel zur Längsachse
L ausgerichtet, die unteren Köpfe 47 liegen aber
radial weiter außen als in der 3, so dass
die Halteschultern 51 den Anlageflächen 52 in
der Grundposition der 4 schon teilweise gegenüberliegen,
so dass der Werkzeughalter 34 sicher in der Werkzeugaufnahme 34 gehalten
aber noch nicht verspannt ist.
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Bei 69 ist
der Abstand angedeutet, den die unteren Köpfe 47 jetzt
im Gegensatz zu 3 zu dem Spanndorn 44 aufweisen.
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Beim
Einschieben eines Werkzeughalters 34 in die Werkzeugaufnahme 35 gelangen
die unteren Köpfe 47 über nach unten
weisende, schräg nach unten und radial nach innen verlaufende
Gleitflächen 71, die zueinander in ihrer Grundposition
einen entsprechenden Abstand aufweisen, mit einer oberen Kante 72 eines
Werkzeughalters 34 zumindest teilweise in Anlage, wodurch
die unteren Köpfe 34 radial nach innen bewegt
werden.
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Wenn
die unteren Köpfe 47 in den Hohlraum 53 eingetaucht
sind, verkippen sie in ihre Grundposition zurück. 5 zeigt ähnlich
wie 3 den Zustand der 4 in vergrößertem,
ausschnittsweisem Zustand. Innen ist der Spanndorn 44 kreuzschraffiert, weil
der Aufbau dort nicht von Interesse ist.
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Wenn
der Zustand der 4 erreicht ist, kann folglich
die Arbeitsspindel 22 auf ihre Betriebsdrehzahl hochbeschleunigt
und verfahren werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Werkzeughalter 34 aus
der Werkzeugaufnahme 35 wieder herausfällt, denn
er wird durch die in wieder in Grundposition befindlichen und in
dieser Position durch Druck der Druckfeder gehaltenen Zangensegmente 46 sicher
gehalten.
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Während
des Hochbeschleunigens und Verfahrens der Arbeitsspindel 22 führt
der Spanndorn 44 in Richtung des Pfeils 45 nach
oben seinen Spannhub aus, der in 3 bei 45 gezeigt
ist.
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6 und 7 zeigen
die Zangensegmente 46 in ihrer Spannposition, in der sie
durch den Spanndorn 44 radial nach außen ge drückt
wurden. In dieser Spannposition wird der Werkzeughalter 34 durch
die in Anlage befindlichen Flächen 51, 52 sowie 62, 63 fest
in die Werkzeugaufnahme 35 eingezogen und drehfest mit
der Arbeitsspindel 22 verbunden. Die Spannzangen sind parallel
zur Längsachse L ausgerichtet, das Auflager, also der verdickte
Bereich 68 stören diese Funktion nicht.
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Wenn
der Spanndorn 44 zum Lösen wieder nach innen gedrückt
wird, verschieben sich die Zangensegmente 46 wieder nach
innen, wozu es erforderlich sein kann, dass der Spanndorn den Hohlkegel nach
unten drückt, damit die Flächen 51, 52 sowie 62, 63 wieder
voneinander freikommen, wobei aber die Flächen 51, 52 sich
noch teilweise überlappen, wie dies in 4 und 5 gezeigt
ist. Zwischen Ringschulter 56 und Gegenfläche 57 ist
ein Ringspalt – 58 in 3 – zu
erkennen, der Werkzeughalter 34 hat sich also schon etwas
aus der Werkzeugaufnahme nach unten herausbewegt.
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Beim
Herausziehen des Werkzeughalters 34 aus der Werkzeugaufnahme 35 drückt
dessen Anlagefläche 52 auf die nach oben weisenden,
schräg nach unten und radial nach außen verlaufenden
Halteschultern 51 der unteren Köpfe 47,
wodurch diese sich gegen die Kraft der Druckfeder 66 radial
nach innen bewegen und den Werkzeughalter 34 freigeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0471197
A1 [0002]
- - DE 4117701 A1 [0008]
- - DE 10225143 A1 [0012]
- - DE 10159661 C1 [0018]
- - DE 29922642 U1 [0019, 0032]
- - DE 102004029 A1 [0024]
- - DE 10031027 A1 [0049]