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Die Erfindung bezieht sich auf die Patentanmeldung
AZ 10 2010 018927.8 und betrifft eine Axialfixierung für Werkzeuge integriert in rotierende Werkzeug-Aufnahmen, bezogen auf Werkzeugmaschinen.
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Werkzeuge wie Fräser, Bohrer usw. können in verschiedenenartigen Aufnahmen befestigt werden, dabei werden sie an ihrem Schaft-Bereich auf unterschiedliche Weise gespannt.
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Bei zylindrischer Schaft-Form kommen variable Bohrspannfutter, Aufnahmen mit radial angeordneten Spannschrauben, Hydrodehn- oder Schrumpfspannfutter zum Einsatz. In den weitaus meisten Fällen jedoch werden die Werkzeuge mit Hilfe konischer Spannzangen verschiedener Bauart fixiert.
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Grundsätzlich gelten für alle Werkzeugverbindungen hohe Anforderungen an die Haltekraft und die Rundlaufgenauigkeit, sowie die Handhabung.
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Die Werkzeuge werden im Betrieb je nach Schneiden- und Bearbeitungsgeometrie sowohl radial, als auch axial mit Kräften beaufschlagt. Für die Übertragung der radial wirkenden Kräfte ist die Spannkraft der bekannten Werkzeugaufnahmen ausreichend. Axial wirkende Kräfte dagegen, können zu Verschiebungen des Werkzeugs innerhalb der Aufnahme führen. Axialkräfte entstehen durch den stirnseitigen Druck des Werkzeugs auf das Werkstück und wirken in Richtung Werkzeugaufnahme. Ein verschieben in dieser Richtung könnte durch einen Aufnahmeinternen Anschlag, oder einen Bund am Werkzeug-Schaft zur Abstützung an der Werkzeugaufnahme verhindert werden. Axialkräfte können aber auch in der entgegengesetzten Richtung, insbesondere bei der Verwendung von Schaft-Fräsern, bedingt durch die meist spiralförmige Anordnung der Werkzeugschneiden während des Fräsens auftreten. Es ist möglich, dass die insbesondere in diese Richtung, aber auch in die andere Richtung wirkenden Kräfte die Haltekraft des jeweiligen Spannmittels überschreiten und dazu führen, dass das Werkzeug aus der Aufnahme gezogen, oder entgegengesetzt in die Aufnahme geschoben wird. Die dadurch entstehende undefinierte Lage des Werkzeugs in der Maschine führt in der Folge zu Schäden am Werkstück, schlimmstenfalls sind auch schwerwiegendere Kollisionen möglich.
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Bei manuellem Werkzeugeinbau ist meist die axiale Position des Werkzeugs in der jeweiligen Aufnahme nicht definiert und muss mittels Einmessen innerhalb der Maschine, oder an einer externen Einmessvorrichtung in einem weiteren Arbeitsschritt exakt bestimmt werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die axial exakte und reproduzierbare Positionierung eines Werkzeugs in der Aufnahme eines Werkzeug-Spannmittels bei manueller Bestückung zu ermöglichen. Axialverschiebungen des Werkzeugs innerhalb des Spannmittels bedingt durch auftretende Kräfte während der Zerspanung sollen verhindert werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass zwischen den einander zugekehrten Umfangsflächen der hohlzylindrischen Aufnahme eines Spannmittels und des zylindrischen Schafts eines Werkzeugs mindestens ein angefederter Klemmkörper vorhanden ist, welcher sich in einer umlaufenden Nut des Werkzeugschafts abstützt und in einer Vertiefung des Gegenstücks gelagert ist, welche sich tangential in einem spitzen Winkel zu der Tangente der umlaufenden Nut des Werkzeugschafts in der Aufnahme des Spannmittels erstreckt, so dass der Klemmkörper bei einer Drehung des Werkzeugs in einer Richtung in die Vertiefung geschoben oder gerollt wird, und somit eine Verdrehung des Werkzeugs in der Aufnahme möglich ist, und bei einer Drehung des Werkzeugs in die andere Richtung eine Klemmung zwischen dem Werkzeug und der Aufnahme bewirkt. Die Tangente verläuft hierbei durch den Berührungspunkt des Klemmkörpers mit der zugeordneten umlaufenden Nut des Werkzeugschafts.
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Die Klemmkörper-Anordnung der Aufnahme ist so ausgerichtet, dass sich ein entsprechend seiner Schneiden-Anordnung rotierendes Werkzeug durch Klemmung in der Aufnahme arretiert wobei sich der/die Klemmkörper in der umlaufenden Nut des Werkzeugschafts auch axial zentrieren. In derartiger Konstellation ist mittels der Klemmkörper-Anordnung ein Drehmoment, ausgehend von der Werkzeug-Aufnahme auf das Werkzeug und umgekehrt übertragbar.
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Da sich die Klemmung durch die auftretenden Drehmoment-Kräfte verstärkt, ist eine Axialverschiebung des Werkzeugs in der Aufnahme ausgeschlossen.
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Das eigentliche Spannen des Werkzeugs bewirkt das jeweilige Werkzeug-Spannmittel mit seiner Aufnahme (Spannzange, Hydrodehn- oder auch Schrumpfspannfutter, beziehungsweise andere geeignete Systeme), jedoch erst nach dem beim Einsetzen des Werkzeugs in die Aufnahme, die entsprechende Arretierung des Werkzeugschafts über die integrierte Klemmkörper-Anordnung erfolgte.
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Die Funktionsweisen der in Kombination mit der Klemmkörper-Anordnung verwendbaren Werkzeug-Spannmittel sind bekannt und sollen somit an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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01 eine aufgeschnittene dreidimensionale Darstellung einer Spannzange (1) mit integrierter Klemmkörper-Anordnung (6) in Wirkposition mit einem Schaftfräser (3),
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02 eine Aufsicht analog zu 01,
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03 eine Aufsicht analog zu 02, zur Freigabe des Werkzeugschaft-Querschnitts (4) für den Ein- und Ausbau des Werkzeugs (3) befinden sich die angefederten Klemmkörper (10) zurückgedrängt in den Vertiefungen (13) der Aufnahme (2),
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04 eine Seitenansicht analog zu 01–03,
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05 einen Schaftfräser (3) ausgestattet mit einer umlaufenden Nut (14) und einer extra tiefen umlaufenden Nut (21),
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06 eine Detaildarstellung einer umlaufenden Nut (14) am Werkzeugschaft (4) entsprechend der Klemmkörper-Kontur mit einseitiger Formschräge (18),
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07 eine Detaildarstellung einer umlaufenden Nut (14) am Werkzeugschaft (4) entsprechend der Klemmkörper-Kontur,
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08 eine Detaildarstellung einer umlaufenden Nut (14) am Werkzeugschaft (4) entsprechend der Klemmkörper-Kontur mit zusätzlicher Vertiefung (15),
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09 eine Detaildarstellung einer umlaufenden Nut (14) am Werkzeugschaft (4) entsprechend der Klemmkörper-Kontur jedoch in V-förmiger Ausführung (16),
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10 einen Detail-Schnitt durch ein Spannmittel (1) ohne eingebautes Werkzeug (3), mit einer Kugel als Klemmkörper (10) und einem Dichtkolben (19) zur Abdichtung der Durchbruchöffnung (20) an der Schnittstelle der Führungsbohrung (13) mit der Aufnahme (2),
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11 eine Detailansicht analog 10,
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12 eine Aufsicht einer Spannzange (1) mit Klemmkörper-Anordnung (6) im konischen Schaftbereich (5),
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13 eine geschnittene Seitenansicht analog 12 zur Darstellung der Durchbruchöffnungen (20) der Vertiefungen (13) am hohlzylindrischen Aufnahme-Querschnitt (2),
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14 eine dreidimensionale Ansicht analog 12 und 13, ringförmige Vertiefungen (23) bieten Platz für alternative Verschluss-Optionen (12) der Vertiefungen (13) nach außen hin.
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15 einen Schnitt durch ein Spannmittel (1) mit eingebautem Werkzeug in Arbeitsstellung, die Drehmomentübertragung auf das Werkzeug (3) erfolgt in Pfeilrichtung,
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16 eine dreidimensionale Detaildarstellung der Durchbruchöffnung (20) analog zu 15, an der Schnittstelle der Führungsbohrung (13) und der Aufnahme (2) des Spannmittels (1) mit einer Kugel als Klemmkörper (10) in Neutralstellung, beidseitig beaufschlagt mit einer Federkraft,
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17 einen Detail-Schnitt durch ein Spannmittel (1) ohne eingebautes Werkzeug (3) mit einer Kugel als Klemmkörper (10) in Neutralstellung, beidseitig beaufschlagt mit einer Federkraft, wobei sich zwei nicht koaxial verlaufende Führungsbohrungen (8; 13) in der Neutralposition des Klemmkörpers (10) schneiden,
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18 eine dreidimensionale Detaildarstellung der Durchbruchöffnung (20) analog zu 17, an der Schnittstelle der Führungsbohrung (13) und der Aufnahme (2) des Spannmittels (1) mit einer Kugel als Klemmkörper (10) in Neutralstellung, beidseitig beaufschlagt mit einer Federkraft,
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Zwischen den einander zugekehrten Umfangsflächen der hohlzylindrischen Aufnahme (2) eines Spannmittels (1) und des zylindrischen Schafts (4) eines Werkzeugs (3) ist mindestens ein angefederter Klemmkörper (10) vorhanden, welcher sich in einer umlaufenden Nut (14) des Werkzeugschafts (4) abstützt und in einer Vertiefung (13) des Gegenstücks (1) gelagert ist, welche sich tangential in einem spitzen Winkel (a) zu der Tangente der umlaufenden Nut (14) des Werkzeugschafts (4) in der Aufnahme (2) des Spannmittels (1) erstreckt, so dass der Klemmkörper (10) bei einer Drehung des Werkzeugs (3) in einer Richtung in die Vertiefung (13) geschoben oder gerollt wird, und somit eine Verdrehung des Werkzeugs (3) in der Aufnahme (2) möglich ist, und bei einer Drehung des Werkzeugs (3) in die andere Richtung eine Klemmung zwischen dem Werkzeug (3) und der Aufnahme (2) bewirkt. Die Tangente verläuft hierbei durch den Berührungspunkt des Klemmkörpers (10) mit der zugeordneten umlaufenden Nut (14) des Werkzeugschafts (4).
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Durch die Wahl des Winkels (a) ist die Klemmwirkung beeinflussbar. Eine gute Klemmung wird bei einem Winkel (a), von ca. 16° erreicht. Mit abnehmendem Winkel (a) erhöht sich die Klemmung, mit zunehmendem Winkel (a) verringert sie sich.
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So kann bei einem absichtlich größer gewählten Winkel (a) eine Klemmung ausgeschlossen werden, um nur eine Bremswirkung des Klemmkörpers (10) zwischen dem Spannmittel (1) und dem Werkzeug (3) in einer Drehrichtung zu erzeugen.
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Der Klemmkörper (10) kann als verschiebbarer Keil ausgebildet sein, ist jedoch vorzugsweise ein Wälzkörper, welcher um eine Achse parallel zu der Drehachse des Werkzeugs (3) drehbar in der Vertiefung (13) gehalten sein kann. Es ist vorgesehen, dass der Querschnitt der Vertiefung (13) möglichst genau der äußeren Kontur des Klemmkörpers (10) entspricht. Damit erhält der Klemmkörper (10) eine gute Führung in axialer Richtung und die auf den Klemmkörper wirkenden Kräfte werden flächenmäßig besser verteilt. Besonders eignet sich als Wälzkörper eine Kugel, da sie in jeder Lage eindeutig definiert und zudem als präzises und kostengünstiges Kaufteil einsetzbar ist.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Bohrung, in Verbindung mit einer Kugel als Klemmkörper (10), die Vertiefung (13) bildet, welche tangential in die Umfangsfläche der Aufnahme (2) mündet und welche auf deren der Mündung abgekehrten Seite durch einen Stopfen (12), eine Stiftschraube, eine Hülse, einen Federring, eine elastische Manschette oder vergleichbare Maßnahmen verschlossen ist.
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Der Durchbruch (20), welcher sich dadurch ergibt, dass die Führungsbohrung (13) die Umfangsfläche der Aufnahme (2) tangential schneidet, erlaubt der Kugel (10), bis zu einer bestimmten Tiefe in den Querschnitt der Aufnahme (2) hineinzuragen, ohne dass diese durch den Durchbruch (20) aus der Führungsbohrung (13) rollen kann. Zwischen der Kugel (10) und dem Verschluss (12) der Führungsbohrung (13) kann ein elastisches oder federndes Element (11) unterschiedlichster Form, vorzugsweise eine Druckfeder (11), angeordnet sein, welche eine Kraft auf die Kugel (10) in Richtung der ihr zugewandten umlaufenden Nut (14) des Werkzeugschafts (3) ausübt.
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Hierdurch wird erreicht, dass die Drehmomentübertragung, beziehungsweise axiale Arretierung unmittelbar bei Drehung des Werkzeugs (3) in die wirksame Richtung einsetzt. Es ist vorteilhaft, wenn sich die Windungen der Druckfeder zu einer Seite verjüngen, sodass die Druckfeder (11) eine konische Form aufweist. Das schlanke Ende der Druckfeder (11) stützt sich dabei an der Kugel (10) ab und zentriert sich gleichzeitig.
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Zum einen hat die Druckfeder (11) dann beim Einsetzen des Werkzeugs (3) keinen Kontakt zu dessen Umfangsfläche (4), zum anderen reduziert sich das Blockmaß der Druckfeder (11), sodass sie weniger Bauraum beansprucht.
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Der Verschluss (12) und das federnde Element (11) sind z. B. in Kunststoffspritztechnik als ein Teil kombinierbar, wodurch sich die Anzahl der Bauteile reduziert und somit die Montage vereinfacht werden kann.
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Die Drehmomentübertragung beruht auf dem Prinzip der Klemmung zwischen dem Werkzeugschaft (3), der Kugel (10) und der Aufnahme (2) des Spannmittels (1).
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Je nach Möglichkeit können mehrere Kugelanordnungen (6) in einer oder auch mehreren Ebenen der Aufnahme (2) im gleichen Drehsinn verteilt, verbaut werden. Hierdurch wird eine sichere und gleichmäßigere Kraftübertragung erreicht. Außerdem verteilt sich die resultierende Belastung beim Übertragen eines Drehmoments, oder von Axialkräften auf die entsprechende Anzahl der Kugeln (10).
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Speziell in Kombination mit Spannzangen, werden die Kugelanordnungen (6-8) so positioniert, dass sie sich nach Möglichkeit nicht mit den für Spannzangen (1) typischen Trennschlitzen (9) schneiden.
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Beim Einsetzen des Werkzeugs (3) werden die Kugeln (10) in die Führungsbohrungen (13) gedrückt oder gerollt, so dass eine Drehmomentübertragung nicht möglich ist. Bei einer Drehung in die entgegengesetzte Richtung gelangen die Kugeln (10) auch bedingt durch die Federkräfte in die jeweiligen Zwickel zwischen den Führungsbohrungen (13) und der umlaufenden Nut (14) des Werkzeugschafts (4), sodass eine Klemmung erfolgt, über die die Übertragung des Drehmoments stattfindet.
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Über eine solche Klemmung können sehr hohe Kräfte übertragen werden. Eine nahezu spielfreie Drehmomentübertragung wird ermöglicht, wenn alle Komponenten zweckmäßigerweise sehr präzise gefertigt sind. Die Kräfte, welche bei der Übertragung eines Drehmoments auf die Kugeln (10) wirken, treten entsprechend der Hebelverhältnisse im gleichen Maße auch an den jeweiligen Berührungspunkten mit der umlaufenden Nut (14) des Werkzeugschafts (3) und den Führungsbohrungen (13) im Werkzeug-Spannmittel (1) auf. Es ist daher erforderlich, dass die Kugeln (10) und zumindest die betroffenen Flächen, die mit ihnen in Berührung kommen, aus hartem und möglichst verschleißfreiem Material bestehen.
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Der Querschnitt der umlaufenden Nut (14) des Werkzeugschafts (4) sollte möglichst genau an die Kontur der Kugel (10) angepasst sein.
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Um aus fertigungstechnischen Gründen sicher zu stellen, dass sich die Kugel (10) optimal in der Nut (14) zentriert, kann ihre Kontur mit einer zusätzlichen Vertiefung (15) ausgeführt werden, auch wäre ein V-förmiger Querschnitt (16) günstig.
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Das Werkzeug (3) lässt sich bei entsprechend gewählten Durchmessertoleranzen des Schafts (4) und der Aufnahme (2), ohne Kraftaufwand axial in die Aufnahme (2) schieben und verdrängt dabei mittels einer geringfügigen Drehbewegung gegen die Wirkrichtung der zugeordneten Druckfedern (11) die Kugeln (10) in ihre Führungsbohrungen (13), bis sie den Querschnitt der Aufnahme (2) soweit wie erforderlich freigeben. Beim weiteren Einführen des Werkzeugs (3) in die Aufnahme (2), gerät die umlaufende Nut (14) des Werkzeugschafts (4) in den Wirkbereich einer oder auch mehrerer Kugeln (10), welche bedingt durch die Federkraft selbsttätig in die Nut (14) einrasten und das Werkzeug (3) axial und entgegen der Eindrehrichtung radial arretieren. In der Eindrehrichtung bleibt das Werkzeug weiterhin frei drehbar.
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Durch eine Drehbewegung in dieser Richtung und gleichzeitiges ausüben einer Axialkraft lassen sich die Kugeln zurück in ihre Führungsbohrungen (13) drängen. Das Werkzeug (3) kann so ohne weitere Hilfsmittel aus der Aufnahme (2) entnommen werden um es beispielsweise gegen ein anderes Werkzeug (3) zu tauschen. Es ist aber auch möglich, es in die andere Richtung, also weiter in die Aufnahme (2) zu schieben bis die Kugeln in eine weitere umlaufende Nut (14) am Werkzeugschaft (4) einrasten. Radienübergänge (17) vom zylindrischen Schaftereich (4) zur umlaufenden Nut (14), bei Bedarf auch kombiniert mit Formschrägen (18) erleichtern die Freigabe des Aufnahme-Querschnitts (2) durch die Kugeln (10), womit sich die Handhabung nochmals verbessern lässt.
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Je nach äußerer Form des Spannmittels (1) können durch das Einbringen der Führungsbohrungen (13) scharfkantige Konturen entstehen, welche als Beispiel mittels entsprechender Ausbuchtungen (25) verrundet werden.
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Für den Fall, dass sich kein Werkzeug (3) in der Aufnahme (2) des Spannmittels (1) befindet, können Kolben oder Hülsen (19), angeordnet zwischen Kugeln (10) und Federelementen (11), welche die Durchbruchöffnungen (20) der Führungsbohrungen (13) zur Aufnahme (2) des Spannmittels (1) weitgehend abdichten, die Mechanik vor dem Eindringen von Schmutzpartikeln schützen. Zusätzlich lässt sich die Aufnahmeöffnung (24) mittels einer dafür passenden Schutzkappe vor dem Eindringen von Schmutz effektiv abdichten.
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Eine weitere Ausführung der Erfindung (15–18) besteht darin, die Kugeln (10) mit zwei Federelementen (11), in einer verlängerten, beziehungsweise in zwei Führungsbohrungen (13), welche nicht koaxial zueinander verlaufen, sich aber in einem stumpfen Winkel (b) schneiden und im Bereich des Schnittpunkts gemeinsam eine Durchbruchöffnung (20) zur Aufnahme (2) hin bilden, in einer Neutralstellung zu halten. Die Führungsbohrungen (13) bieten Platz für das zweite Federelement (11) und die zusätzlich erforderliche Bewegungsfreiheit der Kugel (10) in die zweite Richtung.
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Mit dem Einsetzen des Werkzeugs (3) kann hier die Drehrichtung für den Freilauf oder die Drehmomentübertragung gewählt werden. Damit die Kugeln (10) den Querschnitt der Aufnahme (2) freigeben können, muss das Werkzeug (3) beim Einsetzen geringfügig in die gewünschte Richtung gedreht werden. Dabei rollen sich die Kugeln (10) zur entsprechenden Seite und geben den Querschnitt der Aufnahme (2) frei. Zum Ändern der Drehrichtung wird das Werkzeug (3) aus der Aufnahme (2) genommen und mit entsprechend geänderter Eindrehrichtung erneut in die Aufnahme (2) des Spannmittels (1) eingesetzt.
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Um einen Drehrichtungswechsel des Werkzeugs (3) innerhalb der Aufnahme zu ermöglichen, kann der Werkzeugschaft (4) für diese Variante mit einer oder mehreren extra tiefen umlaufenden Nuten (21) ausgestattet werden. Rastet die Kugelanordnung (7; 8) in eine derartige Nut (21), gelangen die Kugeln (10) in ihre neutrale Position, wo sie sich außer Wirkung befinden. Ausgehend von dieser Stellung lässt sich ein Drehrichtungswechsel vornehmen, ohne dass das Werkzeug (3) gänzlich aus der Aufnahme (2) genommen werden muss.
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16 und 18 verdeutlichen, dass die Länge (X) der Durchbruchöffnung (20) an der Schnittstelle der Führungsbohrung (13) zur Aufnahme (2) je nach Klemmkörper-Anordnung (7; 8) unterschiedlich ist. Bei einer durchgehenden Führungsbohrung (7; 13) (15; 16) ist die Länge X der Durchbruchöffnung relativ groß und es besteht eher die Möglichkeit des Eindringens von Schmutzpartikeln. Eine derartige Bohrung ist jedoch fertigungstechnisch leichter herstellbar, außerdem ist die gleichmäßige Führung der Kugel ausgehend von ihrer Neutralstellung in beide Richtungen weniger Aufwändig zu gewährleisten.
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Bei verlängerter Führungsbohrung (13) als Sackloch (15) ist zusätzlich eine kleinere, vorzugsweise schräg angeordnete Bohrung (22) vorgesehen, welche zur manuellen Beeinflussung der Kugel (10) von der zweiten Seite her dienen könnte. Die Führungsbohrung (13) könnte aber auch durchgehend gestaltet werden, wobei von der zweiten Seite her ein zusätzlicher Verschluss (12) als Widerlager für das zweite Federelement (11) erforderlich ist.
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Die Ausführungsbeispiele beschreiben jeweils günstigste Formen oder Anordnungen der Erfindung, ohne deren Inhalt, da weitere Varianten möglich sind, dadurch unnötig eingrenzen zu wollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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