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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Spannzange und eine diese umfassende Spannvorrichtung zum Einspannen eines zylindrischen Schafts eines Werkzeugs, wobei die Spannzange als Hülse mit mindestens einem an einer Kante der Hülse beginnenden Schlitz ausgebildet ist.
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Stand der Technik
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Zum Einspannen von Werkzeugen mit einem zylindrischen Schaft sind Halteelemente bekannt, die das Werkzeug, beispielsweise einen Bohrer, durch Haftreibung halten.
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Solche Halteelemente sind beispielsweise als Spannzange mit einer Innenbohrung ausgebildet, wobei die Innenbohrung größtenteils etwa dem Durchmesser des Werkzeugschafts entspricht und bereichsweise einen kleineren Durchmesser aufweist. Beim Einführen eines Werkzeugs in die Innenbohrung der Spannzange bilden sich Halteflächen aus, wobei das Werkzeug aufgrund von Haftreibung an den Halteflächen gehalten wird.
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Nachteil solcher Halteelemente bzw. Spannmittel ist, dass ein federndes Material für die Spannzange verwendet werden muss, beispielsweise ein federnder Stahl, um eine Verformung des Materials und das reibschlüssige Halten des Werkzeugschafts zu ermöglichen. Ein geeignetes federndes Material muss eine ausreichende Elastizität haben, um einer möglichst hohen Biege-Lastwechselanzahl standzuhalten. Da solche Materialien eine entsprechend geringere Härte aufweisen, ist auch ihre Verschleißfestigkeit vermindert. Insbesondere an den Kontaktstellen mit dem Werkzeug tritt daher schneller Verschleiß ein, was zu einer Verringerung der Haltekräfte führt und damit zum Ausfall des Spannsystems. Belastung und Verschleiß der Halteflächen werden insbesondere durch Vibrationen des Werkzeugs während des Betriebs verursacht.
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Aus der
DE 86 34 397 U1 ist eine solche Spannvorrichtung für insbesondere zahnärztliche Werkzeuge mit zylindrischem Schaft bekannt, die eine hülsenförmige Welle mit einer Spannhülse als Spannmittel bzw. Spannzange aufweist. Die Spannhülse weist Längsschlitze auf, wodurch federnde, den Werkzeugschaft in der Spannstellung in der Spannhülse festhaltende Zungen gebildet werden. Um den Verschleiß der Halteflächen zu reduzieren ist die Spannhülse vollständig oder teilweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) beschichtet.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, eine alternative Lösung zur Verschleißreduzierung bzw. eine verschleißfestere Spannzange bereitzustellen.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Spannzange gelöst. Diese Spannzange zum Einspannen eines zylindrischen Schafts eines Werkzeugs in eine Spannvorrichtung ist als Hülse mit mindestens einem an einer Kante der Hülse beginnenden Schlitz ausgebildet und besteht aus mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil aus mindestens einem ersten Material und das zweite Bauteil aus mindestens einem zweiten Material besteht, wobei das zweite Material härter ist als das erste Material.
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Die erfindungsgemäße Spannzange kann beispielsweise Teil einer Spannvorrichtung eines motorbetriebenen zahnärztlichen Hand- oder Winkelstücks oder eines zahnärztlichen Turbinenhandstücks sein, die in dessen Kopf angeordnet ist, um beispielsweise einen Bohrer aufzunehmen, zu halten und die Drehbewegung eines Motors oder einer Turbine auf das Werkzeug zu übertragen.
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In einer erfindungsgemäßen Spannzange wird ein Werkzeug, beispielsweise ein Bohrer, aufgrund von Haftreibung gehalten. Hierfür weist die Spannzange eine Hülse, also einen hülsenförmigen Körper auf, der mindestens einen Schlitz aufweist, der von einer Kante der Hülse in Richtung der am anderen Ende der Hülse liegenden Kante verläuft und sich zumindest über Teile der Länge der Hülse erstreckt. Der Schlitz erstreckt sich somit über die Mantelfläche der zylinderförmigen Hülse und zwar von einer Kante der Mantelfläche der Hülse zumindest in Richtung der auf der anderen Seite der Mantelfläche liegenden Kante, wobei er sich nicht unbedingt über die gesamte Höhe der Mantelfläche erstreckt. Der Schlitz verläuft beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Hülse, wobei mit Längsachse die durch den Mittelpunkt der kreisförmigen Öffnungen bzw. Innenbohrung der Hülse verlaufende Symmetrieachse der Hülse bezeichnet wird und wobei die Länge des Schlitzes kleiner oder gleich der Länge der Hülse bzw. der Höhe der zylindrischen Mantelfläche der Hülse ist.
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Eine Hülse einer Spannvorrichtung eines dentalen Handstücks kann beispielsweise eine Länge von ca. 9 mm aufweisen, wobei mit Länge die Ausdehnung der Hülse entlang der Längsachse bezeichnet wird. Im Hülsenmantel können beispielsweise zwei Schlitze beispielsweise an zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Mantelfläche der Hülse angeordnet sein, die sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse beispielsweise über ca. die Hälfte der Länge der Hülse erstrecken und beispielsweise eine Breite von mindestens 0,02 mm aufweisen. Die Schlitze können beispielsweise über ihre gesamte Länge eine konstante oder auch eine variierende Breite aufweisen.
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Der mindestens eine Schlitz ermöglicht es, die Hülse zumindest im Bereich des Schlitzes aufzubiegen. Hierdurch ist es möglich einen Schaft eines Werkzeugs mit einem Durchmesser, welcher zumindest ein wenig größer als der Innendurchmesser der Hülse ist, in die Hülse einzuführen, wobei der Schaft aufgrund der beim Aufbiegen entstandenen Vorspannung bzw. der Rückstellkräfte des Materials der Spannzange gehalten wird. Üblicherweise als FG-Schaft (Friction Grip) bezeichnete Werzeugschafts für entsprechende auf Haftreibung beruhende zahnärztliche Spannsysteme haben beispielsweise einen Durchmesser von ca. 1,6 mm. Ein zum Halten eines solchen FG-Schafts geeigneter Innendurchmesser der Hülse beträgt entsprechend zumindest bereichsweise etwas weniger als der Durchmesser des Schafts.
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Beim Einführen des Schafts bilden sich Haltebereiche aus. Dies sind Bereiche, in denen sich der Schaft und die Innenseite der Hülse so berühren, dass diese Bereiche den Schaft halten, während die restlichen Bereiche der Hülse den Schaft im Wesentlichen nur führen. Diese Haltebereiche befinden sich typischerweise im Bereich des geringsten Innendurchmessers der Hülse, beispielsweise im Bereich eines Endes des mindestens einen Schlitzes im Hülsenmantel. Haltebereiche können kantenförmig, punktförmig oder auch flächig ausgebildet sein.
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Die Innenbohrung einer Hülse einer Spannvorrichtung eines dentalen Handstücks kann beispielsweise im Wesentlichen drei Bereiche mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen, die in Richtung der Längsachse aufeinander folgen. Beispielsweise kann sich der Innendurchmesser beginnend an der Kante, an der auch der mindestens eine Schlitz beginnt, über eine Länge der Hülse von ca. 2 mm von einem etwas größeren Wert auf ca. 1,54 mm reduzieren, anschließenden über einige Millimeter konstant bleiben und sich wiederum anschließend auf einen Wert von ca. 1,6 mm erhöhen.
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Halteflächen bzw. Haltekanten bzw. Haltepunkte bilden sich im Wesentlichen in dem Bereich der Hülse mit dem geringsten Innendurchmesser aus. Die Form des Haltebereichs hängt im Wesentlichen von der Ausformung des Schlitzes in diesem Bereich ab. Beispielsweise können sich Haltekanten direkt am Schlitz bilden, insbesondere in Bereichen, in denen sich die Breite des Schlitzes ändert. Haltepunkte oder ganze Halteflächen bilden sich beispielsweise auf der Inneren Mantelfläche der Hülse im Bereich mit dem geringsten Innendurchmesser aus.
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Das Aufbiegen der Spannzange sowie die Rückstellkräfte beruhen wesentlich auf dem Material, aus welchem die Spannzange gefertigt ist. Daher muss ein erstes Material, aus dem ein erstes Bauteil besteht, eine geeignete Elastizität bzw. ein geeignetes Verhältnis von Steifigkeit/Biegesteifigkeit und Elastizität aufweisen, wobei auch ein Kompromiss zwischen der Härte des Materials und der zu erreichenden Biege-Lastwechselanzahl gefunden werden muss. Dadurch ist das für eine Spannzange geeignete Material meist nicht besonders hart, weist also eine nicht so große Härte auf. Beispielsweise sind federnde Stähle mit einer maximalen Härte von ca. 600 HV (Vickers Härte) geeignet.
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Dies wirkt sich nachteilig auf die Verschleißfestigkeit aus. Erfindungsgemäß wird das erste Bauteil aus dem mindestens eine erste Material daher durch mindestens ein zweites Bauteil aus mindestens einem zweiten Material ergänzt, wobei das zweite Material eine größere Härte als das erste Material aufweist. Das zweite Material kann beispielsweise eine Härte von mindestens 750 bis 1800 HV 3 aufweisen.
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Vorzugsweise weist die Hülse mindestens eine Ausnehmung auf, die an einem Anfang und/oder einem Ende des Schlitzes und/oder an einer Position entlang des Schlitzes angeordnet ist.
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Eine Ausnehmung am unteren Ende des Schlitzes, also an dem von der Kante der Hülse, an welcher der Schlitz beginnt, abgewandten Ende des Schlitzes, verhindert bzw. verzögert das Brechen der Hülse, insbesondere das Abbrechen des entlang des mindestens einen Schlitzes verlaufenden Wandabschnitts. Bei mehreren Schlitzen entsprechen diese Wandabschnitte zwischen benachbarten Schlitzen Metallzungen. Die Form der Ausnehmung kann beispielsweise rund, eckig oder auch herzförmig oder dreieckig sein.
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Eine Ausnehmung am Beginn eines Schlitzes, also in einem Bereich der Kante der Hülse, von der sich der Schlitz erstreckt, vereinfacht das Einführen des Werkzeugschafts bzw. einer Vorrichtung zum Aufbiegen der Spannzange, wie beispielsweise eines Stößels, um den Werkzeugschaft leicht in die Hülse einführen zu können. Die Ausnehmung kann beispielsweise halbkreisförmig sein oder auch eine eckige oder elliptische oder halb-elliptische Form aufweisen. Beispielsweise kann die Ausnehmung konus- oder trichterförmig zum Ende hin bzw. auf eine Endbreite hin zusammenlaufen, beispielsweise mit einem Öffnungswinkel von ca. 30°.
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Ein typischer Schlitz kann beispielsweise als erste Ausnehmung einen an der Kante beginnenden ersten Bereich mit einer sich kontinuierlich beispielsweise von ca. 0,15 mm auf ca. 0,02 mm reduzierenden Breite aufweisen, der in einen Bereich übergeht, der eine konstante Breite von beispielsweise ca. 0,02 mm aufweist. An diesen Bereich mit konstanter Breite kann sich beispielsweise als zweite Ausnehmung ein bis zum Ende des Schlitzes reichender Bereich mit einer variierenden Breite von beispielsweise bis zu 1 mm oder mehr anschließen.
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Vorzugsweise ist das erste Material ein federnder Stahl.
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Federnder Stahl ist ein Stahl, der Elastizität aufweist. Beispielsweise ein Stahl mit einer maximalen Härte von ca. 600 HV (Vickers Härte).
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Vorzugsweise ist das zweite Material Stahl, Hartmetall, Keramik oder Diamant.
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Geeignete Materialien für das zweite Material sind Hartmetalle, Keramiken und Diamant, da sie eine besonders hohe Härte aufweisen und dadurch besonders verschleißfest sind.
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Vorzugsweise ist mindestens ein zweites Bauteil an mindestens einer Verschleißstelle der Spannzange angeordnet.
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Durch das Anordnen eines Bauteils aus einem härteren Material im Bereich einer Verschleißstelle eines ansonsten aus einem weicheren Material bestehenden ersten Bauteils kann einerseits die nötige Elastizität der Spannzange sicher gestellt werden, die eine hohe Zahl an Biege-Lastwechseln ermöglicht und andererseits eine möglichst hohe Verschleißfestigkeit erreicht werden.
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Vorzugsweise ist mindestens ein zweites Bauteil an mindestens einem Haltebereich der Spannzange angeordnet.
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Der oder die Haltebereiche, also der oder die sich beim Aufbiegen der Hülse und einsetzen eines Werkzeugs ausbildenden Berührungspunkte an denen das Werkzeug gehalten wird, sind die besonders belasteten Bereiche der Spannzange. Nur in diesen Bereichen ein Bauteil aus härterem Material einzusetzen vermindert einerseits nicht die Elastizität bzw. das Haltevermögen, die bzw. das durch das erste Bauteil der Spannzange sichergestellt wird, andererseits erhöht es die Verschleißfestigkeit der gesamten Spannzange.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine zweite Bauteil ringförmig oder quasi ringförmig ausgebildet.
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Die Haltebereiche befinden sich typischerweise auf der Innenseite der Hülse in Bereichen mit dem geringsten oder zumindest einem geringeren Innendurchmesser und können beispielsweise punkt- oder flächenförmig ausgebildet sein. Daher ist es besonders einfach, alle Haltebereiche durch das zweite Bauteil abzudecken, wenn sich dieses ringförmig oder zumindest quasi ringförmig auf Höhe des geringsten Innendurchmessers der Innenbohrung der Hülse über den gesamten Innenumfang der Hülse erstreckt. Hierfür kann das zweite Bauteil als durchgehender flacher Ring ausgebildet sein oder aus mehreren kreisabschnittsförmigen Segmenten bestehen, die zumindest in einem Zustand ohne Krafteinwirkung entlang des Innenumfangs aneinander angrenzen und in ihrer Gesamtheit eine Art Ring ergeben.
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Vorzugsweise sind mehrere zweite Bauteile nebeneinander in einer Umfangrichtung der Spannzange entlang eines Innenumfangs der Spannzange angeordnet.
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Die Haltebereiche sind beispielsweise im Vergleich zum Innenumfang der Hülse kleinere Bereiche, die sich typischerweise alle auf Höhe des geringsten Innendurchmessers der Innenbohrung befinden. Werden die zweiten Bauteile beispielsweise kreisförmig ausgebildet und entlang des Innenumfangs auf der Höhe der Haltebereiche bzw. Haltepunkte angeordnet, so können möglichst viele Haltebereiche durch ein zweites Bauteil abgedeckt werden, wobei im Vergleich zu einer ringförmigen oder quasi ringförmigen Ausbildung des zweiten Bauteils weniger zweites Material verwendet werden muss.
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Vorzugsweise sind die mehreren zweiten Bauteile an den Haltebereichen der Hülse angeordnet.
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Werden die zweiten Bauteile entlang des Innenumfangs so angeordnet, dass jedes zweite Bauteil genau einen Haltebereich abdeckt, so ist es möglich, die Größe und Anzahl der zweiten Bauteile möglichst klein zu halten, also wenig zweites Material einzusetzen und trotzdem alle Haltebereiche und damit alle besonders verschleißanfälligen Bereiche durch ein härteres Material abzudecken.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Spannvorrichtung zum Einspannen eines Werkzeugs mit zylindrischem Schaft, die eine erfindungsgemäße Spannzange aufweist.
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Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Spannzange wird der Wartungsaufwand der Spannvorrichtung verringert und ihre Lebenszeit erhöht.
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Vorzugsweise ist die Spannvorrichtung ein friction-grip Spannsystem (FG-Spannsystem).
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
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1 ein Kopfgehäuse eines dentalen Handgeräts,
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2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spannzange,
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3–5 Schnitte erfindungsgemäßer Spannzangen.
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Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt eine Skizze eines Kopfgehäuses 1 eines dentalen Handgeräts. Das Kopfgehäuse 1 weist eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung 2 auf, um ein Werkzeug, beispielsweise einen Bohrer mit einem zylindrischen Schaft einzuspannen.
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Die Spannvorrichtung 2 zur Übertragung einer Rotationsbewegung auf das Werkzeug umfasst eine hülsenförmige Welle 3, in der konzentrisch eine Spannzange 4 angeordnet ist. Die Spannzange ist als Hülse 5 ausgebildet, in die der Schaft des Werkzeugs eingebracht und gehalten wird.
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Hierzu weist die Hülse 5 mindestens einen Schlitz 6 auf, der sich von einer Kante 7 der Hülse 5 über einen Teil der Länge L der Hülse 5 in Richtung der gegenüberliegenden Kante 8 der Hülse 5 erstreckt, wie in 2 zu erkennen ist. Der mindestens eine Schlitz 6 ermöglicht das Aufbiegen der Hülse 5 zumindest in dem Bereich dieses mindestens einen Schlitzes 6 und damit das Entstehen einer Vorspannung, durch welche ein eingebrachtes Werkzeug gehalten wird.
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Um das Einbringen eines Werkzeugschafts und das damit verbundene Aufbiegen zu erleichtern und/oder zu ermöglichen, ist auf der Seite des mindestens einen Schlitzes 6 der Hülse 5 ein Stößel 9 vorgesehen, welcher durch Drücken in die Hülse 5 hinein bewegbar ist. So kann die Hülse mittels des Stößels 9 aufgebogen und ein Werkzeugschaft leicht eingeführt werden. Wird der Stößel 9 wieder aus der Hülse herausbewegt, so wird der eingeführte Werkzeugschaft von der Hülse 5 gehalten.
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Insbesondere um das Einführen des Stößels 9 zu vereinfachen kann der mindestens eine Schlitz 6 im Bereich der Kante 7 in einer Ausnehmung 10 anfangen, wie dies in 1 zu erkennen ist. Diese Ausnehmung 10 kann beispielsweise wie dargestellt halbkreisförmig sein. Es können aber auch andere Formen, beispielsweise eine trichterartige Form verwendet werden.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Hülse 5 mit zwei sich gegenüberliegenden Schlitzen 6 die jeweils in einer dreiecksförmigen Ausnehmung 11 enden. Durch die Schlitze 6 entstehen zwei sich gegenüberstehende Zungen 12, die zum Einführen eines Werkzeugschafts mit einem Durchmesser, der etwas größer als der Innendurchmesser I der Hülse 5 ist, beispielsweise mittels des Stößels 9 auseinandergebogen werden. Das Vorhandensein der Ausnehmung 11 sowie ihre Form wirken sich auf die Elastizität der Hülse 5 im Übergangsbereich der Zungen 12 zu dem restlichen in Umfangsrichtung geschlossenen Teil der Hülse 5 aus. Sie verhindern bzw. verzögern das Abbrechen der Zungen 12 aufgrund von Materialermüdung.
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Erfindungsgemäß besteht die Hülse 5 aus mindestens zwei Bauteilen. Ein erstes Bauteil 13 der Hülse 5 besteht aus einem ersten Material, welches die nötige Elastizität aufweist, um eine möglichst hohe Biege-Lastwechselanzahl zu erhalten. Ein zweites Bauteil 14 der Hülse 5 besteht aus einem zweiten Material. Diese ist härter als das erste Material und hat dadurch eine höhere Verschleißfestigkeit als das erste Material.
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In 3 ist ein zweites Bauteil 14 dargestellt, das sich ringförmig entlang des Innenumfangs der Hülse 5 erstreckt und eine Höhe H sowie eine Dicke D aufweist. Der restliche Bereich der Hülse wird durch das erste Bauteil 13 aus einem ersten Material gebildet.
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Das dargestellte ringförmige zweite Bauteil 14 kann beispielsweise einstückig oder mehrstückig, z.B. segmentiert, aus Hartmetall, Keramik, Diamant oder härterem Stahl hergestellt werden und in eine den Dimensionen dieses zweiten Bauteils entsprechende Ausnehmung des ersten Bauteils 13 eingefügt werden.
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Das erste Bauteil kann ebenfalls einstückig oder mehrstückig hergestellt werden, wobei es aus elastischerem Material, beispielsweise aus einem federnden Stahl hergestellt wird.
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In 4 ist eine Hülse 5 aus einem ersten Bauteil 13 und mehreren zweiten Bauteilen 14 dargestellt, wobei die zweiten Bauteile 14 in Umfangrichtung entlang des Innenumfangs der Hülse 5 angeordnet und beispielhaft punkt- bzw. kreisförmig ausgebildet sind. Hierdurch kann im Vergleich zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Anteil der zweiten Bauteile 14, also des zweiten Materials an der Hülse 5 verringert werden.
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Um die Verschleißfestigkeit der Spannzange 4 zu erhöhen, sollte das mindestens eine zweite Bauteil 14, die Bereiche der innenliegenden Oberflächen der Hülse 5 überspannen, die besonders belastet und damit verschleißanfällig sind. Diese Verschleißstellen 15 sind im Wesentlichen die Bereiche, an denen das Werkzeug gehalten wird. Diese Haltebereiche 16, die auch als Haltekanten oder Haltepunkte bezeichnet werden können, befinden sich an den Stellen, an denen ein eingeführter Werkzeugschaft mit der Hülse 5 so in Berührung steht, dass der Schaft nicht nur geführt sondern gehalten wird. Dies sind insbesondere die Bereiche an denen ein etwas größerer Durchmesser eines Werkzeugschafts auf einen etwas kleineren Durchmesser der Hülse 5 trifft. Typischerweise befinden sich die Haltebereiche 16 entsprechend in den Bereichen der Hülse 5 mit dem geringsten Innendurchmesser. Ein Beispiel für einen solche Haltekante 16 ist in 5 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kopfgehäuse
- 2
- Spannvorrichtung
- 3
- hülsenförmige Welle
- 4
- Spannzange
- 5
- Hülse
- 6
- Schlitz
- 7
- Kante
- 8
- Kante
- 9
- Stößel
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Zunge
- 13
- erstes Bauteil
- 14
- zweites Bauteil
- 15
- Verschleißstelle
- 16
- Haltebereich
- D
- Dicke des zweiten Bauteils
- H
- Höhe des zweiten Bauteils
- I
- Innendurchmesser der Hülse
- L
- Länge der Hülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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