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Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt eine hydraulische Dehnspanneinrichtung, insbesondere zum Fixieren eines Werkstücks oder eines Werkzeugs an einer Werkzeugmaschine, mit einem eine Längsachse definierenden Grundkörper, an dem ein Spannbereich ausgebildet ist, wobei der Spannbereich eine Aufnahme mit einer außen liegenden Spannfläche für ein Bauteil und eine mit einem Hydraulikmittel beaufschlagbare Druckkammer umfasst, welche ringförmig radial innerhalb der Aufnahme ausgebildet ist oder mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Druckkammerabschnitte aufweist, wobei zwischen der Aufnahme und der Druckkammer eine dünne Wandung derart ausgebildet ist, dass sie durch Druckerhöhung in der Druckkammer elastisch radial nach außen verformbar ist, um ein auf die Aufnahme geschobenes Bauteil von innen kraftschlüssig zu fixieren.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt eine hydraulische Dehnspanneinrichtung, insbesondere zum Fixieren eines Werkstücks oder eines Werkzeugs an einer Werkzeugmaschine, mit einem eine Längsachse definierenden Grundkörper, an dem ein Spannbereich ausgebildet ist, wobei der Spannbereich eine Aufnahme mit einer innenliegenden Spannfläche für ein Bauteil und eine mit einem Hydraulikmittel beaufschlagbare Druckkammer umfasst, welche die Aufnahme ringförmig umgibt oder mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Druckkammerabschnitte aufweist, wobei zwischen der Aufnahme und der Druckkammer eine dünne Wandung derart ausgebildet ist, dass sie durch Druckerhöhung in der Druckkammer elastisch radial nach innen verformbar ist, um ein in die Aufnahme eingesetztes Bauteil von außen kraftschlüssig zu fixieren.
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Häufig werden derartige hydraulische Dehnspanneinrichtungen - auch Hydro-Dehnspannfutter oder Hydro-Dehnspanndorn genannt - eingesetzt, um Werkzeuge oder Werkstücke an einer Maschinenspindel einer Werkzeugmaschine zu fixieren. Die hydraulischen Dehnspanneinrichtungen umfassen gewöhnlich einen Grundkörper, der eine Längs- oder Spannachse definiert. An dem Grundkörper ist zumeist ein Spannbereich ausgebildet, welcher eine Aufnahme für ein Bauteil umfasst. Ferner umfasst der Spannbereich eine mit einem Hydraulikmittel beaufschlagbare Druckkammer, wobei zwischen der Aufnahme und der Druckkammer eine dünne Wandung ausgebildet ist. Diese ist durch Druckerhöhung in der Druckkammer elastisch radial nach außen oder nach innen verformbar, um ein Bauteil von innen oder von außen kraftschlüssig zu fixieren.
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Derartige Dehnspanneinrichtungen können prinzipiell als Spanndorn zum innenseitigen Fixieren eines mit einer Öffnung versehenen Bauteils oder als Spannfutter zum außenseitigen Fixieren eines Bauteils ausgestaltet sein. Bei einem Spannfutter ist die Aufnahme dabei zumeist als eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung ausgebildet, deren Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des zu fixierenden Bauteils. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das Bauteil einfach in die Aufnahme eingesetzt werden kann und bereits eine geringe elastische Verformung der Wandung ausreicht, um den Werkzeugschaft kraftschlüssig in der Aufnahme zu fixieren. Bei einem Spanndorn hingegen ist die Aufnahme zumeist in der Form eines Kreiszylinders ausgebildet, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Öffnung des zu fixierenden Bauteils.
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Bei den bekannten hydraulischen Dehnspanneinrichtungen erweist sich häufig das Spannen von kurzen Bauteilen als schwierig, da die elastische Verformung und somit die von der jeweiligen Spannfläche übertragene Spannkraft in einem axial mittigen Abschnitt hoch ist, jedoch zu den Endbereichen hin stark abnimmt. Mit anderen Worten wird die Spannkraft im Wesentlichen nur in einem mittleren axialen Abschnitt des Spannbereichs übertragen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine alternative hydraulische Dehnspanneinrichtung bereitzustellen, welche einen gleichmäßigen Spannkraftverlauf ermöglicht.
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Diese Aufgabe ist bei einer hydraulischen Dehnspanneinrichtung der eingangs genannten Art gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass in dem Spannbereich ein vorderer Einstich und/oder ein hinterer Einstich ausgebildet ist, welcher sich ausgehend von einer Außenfläche des Grundkörpers in den radial innerhalb der Druckkammer liegenden Bereich des Grundkörpers erstreckt.
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Bei einer hydraulischen Dehnspanneinrichtung der eingangs genannten Art gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass in dem Spannbereich ein vorderer Einstich und/oder ein hinterer Einstich ausgebildet ist, welcher sich ausgehend von einer Außen- oder Innenfläche des Grundkörpers in den radial außerhalb der Druckkammer liegenden Bereich des Grundkörpers erstreckt.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, durch mindestens einen Einstich, welcher in die der Spannfläche abgewandte Seite der Druckkammer verläuft, in den axialen Randbereichen des Spannbereichs eine gezielte Materialschwächung herbeizuführen und somit eine erhöhte Verformbarkeit der dünnen Wandung zu ermöglichen, so dass in diesem Bereich ein gleichbleibender Spannkraftverlauf realisiert wird.
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Bei einem Spanndorn gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung mit einer außen liegenden Spannfläche erstreckt sich der vordere und/oder der hintere Einstich somit in den radial innerhalb der Druckkammer liegenden Bereich des Grundkörpers, wohingegen bei einem Spannfutter gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung mit einer innenliegenden Spannfläche sich der vordere und/oder der hintere Einstich in den radial außerhalb der Druckkammer liegenden Bereich des Grundkörpers erstreckt. Dadurch wird die dünne Wandung nicht geschwächt und die Lebensdauer nicht beeinträchtigt, sondern lediglich die Verformbarkeit der dünnen Wandung in den axialen Randbereichen des Spannbereichs erhöht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann sich der vordere Einstich und/oder der hintere Einstich axial in den Bereich der Druckkammer erstrecken. Eine derartige Erstreckung bis in den axialen Bereich der Druckkammer hinein verbessert die radiale Beweglichkeit und Flexibilität der dünnen Wandung in ihren axialen Endbereichen.
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Bevorzugt erstreckt sich der vordere Einstich ausgehend von einer vorderen Stirnfläche und/oder der hintere Einstich ausgehend von einer hinteren Stirnfläche des Grundkörpers in diesen. Beispielweise können derartige Stirnflächen die Spannfläche in axialer Richtung begrenzen, so dass der vordere Einstich und/oder der hintere Einstich bevorzugt von solchen Stirnflächen ausgeht. Eine in solchen Stirnflächen vorgenommene gezielte Materialschwächung in den Randbereichen des Spannbereichs führt somit zu einer erhöhten Verformbarkeit der dünnen Wandung.
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In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführungsformen ist der vordere Einstich und/oder der hintere Einstich an der jeweiligen Stirnfläche in einem Winkel zwischen 30° und 45° zur Längsachse geneigt. Ein derartiger Winkelbereich ist vorteilhaft, da ein derartig ausgestalteter Einstich zum einen eine definierte Materialschwächung und somit eine erhöhte Verformbarkeit bewirkt, zum anderen durch die Orientierung eine hohe Dauerfestigkeit und somit eine hohe Lebensdauer nach einer Vielzahl von Spannvorgängen gegeben ist.
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Ferner kann der vordere Einstich und/oder der hintere Einstich derart ausgestaltet sein, dass mit zunehmender Tiefe der Neigungswinkel bezogen auf die Längsachse abnimmt. Derartige Einstiche, die sich mit zunehmender Tiefe der Längsrichtung annähern, haben sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine gleichmäßige Spannkraftverteilung herausgestellt.
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Der vordere Einstich und/oder der hintere Einstich können zumindest abschnittsweise einen bogenförmigen Verlauf aufweisen, welcher insbesondere zur Druckkammer hin konvex ausgebildet ist. Ein bogenförmiger Verlauf bietet gegenüber abrupten Richtungsänderungen den Vorteil einer geringeren Kerbwirkung. Für die Dauerfestigkeit ungünstige mehrachsige Spannungszustände werden somit minimiert.
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In bevorzugter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der vordere Einstich und/oder der hintere Einstich ringförmig umlaufend, insbesondere konzentrisch zur Längsachse ausgebildet. Ein derartiger umlaufender Einstich bietet sich insbesondere bei einer ringförmig umlaufenden Druckkammer an, da somit über den Umfang eine gleichmäßige Verformbarkeit und somit über den Umfang ein gleichmäßiger Spannkraftverlauf ermöglicht wird.
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In an sich bekannter Weise kann der Grundkörper mindestens eine ringförmig umlaufende Freistichnut aufweisen, welche axial benachbart zu der Aufnahme angeordnet ist. Konkret kann sich der vordere Einstich und/oder der hintere Einstich vom Nutgrund oder von einer Nutwand einer Freistichnut ausgehend in den Grundkörper hinein erstrecken. Beispielsweise kann bei einem Spanndorn die außenliegende Spannfläche an beiden axialen Enden durch eine solche Freistichnut begrenzt sein. Die Nutwand und der Nutgrund bilden dabei mögliche Flächen, von denen ausgehend sich die Einstiche axial den Bereich der Aufnahme und gegebenenfalls axial bis in den Bereich der Druckkammer hinein erstrecken können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Druckkammer in ihren axialen Endbereichen abgerundet ausgebildet sein. Eine solche abgerundete Ausgestaltung verhindert mehrachsige Spannungszustände und erhöht somit die Lebensdauer der Dehnspanneinrichtung.
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Bevorzugt weist die Druckkammer in ihren axialen Endbereichen einen grö-ßeren Querschnitt auf als in dem dazwischenliegenden zentralen Bereich. Dadurch werden in den axialen Endbereichen größere Radien der Abrundung ermöglicht, was zu einer verringerten Kerbwirkung und einer verbesserten Dauerfestigkeit führt.
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Ferner kann der Querschnitt der Druckkammer in einem mittleren axialen Teilabschnitt eine Ausbuchtung aufweisen. Unter einer Ausbuchtung ist dabei eine lokale Vergrößerung des Querschnitts der Druckkammer zu verstehen, d.h. die Druckkammer ist in diesem Bereich aufgeweitet. Eine derartige Ausbuchtung, welche sich bevorzugt in die dünne Wandung hinein erstreckt, trägt ebenfalls zu einer gleichmäßigeren Verformung der Spannfläche bei.
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In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführungsform variiert die Stärke der dünnen Wandung in Längsrichtung. Konkret ist bevorzugt die dünne Wandung in einem mittleren Teillängsabschnitt der Druckkammer dicker abgebildet als in den axialen Endabschnitten. Die Stärke der Wandung korreliert unmittelbar mit deren radialer Verformbarkeit, so dass eine dünnere Wandungsstärke in den axialen Endbereichen zu einer höheren Verformung dort führt.
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In an sich bekannter Weise kann in dem Grundkörper eine zentrale Durchgangsbohrung ausgebildet sein. Eine derartige Durchgangsbohrung kann beispielsweise dazu verwendet werden, von einer rückseitigen Maschinenseite aus Kühlschmiermittel zuzuführen. Ferner kann eine Durchgangsbohrung zur Gewichtsersparnis beitragen.
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In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist in dem Grundkörper mindestens ein Verbindungskanal, insbesondere drei über den Umfang gleichmäßig verteilte Verbindungskanäle ausgebildet, wobei der mindestens eine Verbindungskanal mit der Druckkammer Fluidverbunden ist und in die zentrale Durchgangsbohrung mündet. Durch ein in die Durchgangsbohrung eingesetztes und gegenüber deren Wandung entsprechend abgedichtetes Element kann somit die Durchgangsbohrung dazu genutzt werden, Hydraulikmittel in die Druckkammer einzuleiten und den Druck in der Druckkammer einzustellen.
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Zur Befestigung insbesondere an einer Werkzeugmaschine weist der Grundkörper bevorzugt rückseitig eine Maschinenschnittstelle auf. Die Maschinenschnittstelle kann einen Ringflansch und einen Befestigungskonus umfassen. Dabei kann die Maschinenschnittstelle als normierter Hohlschaftkegel (HSK) nach DIN 69893-1 oder als Steilkegel (SK) ausgebildet sein. Dadurch wird eine einfache Anbringung der erfindungsgemäßen hydraulischen Dehnspanneinrichtung an einer Werkzeugmaschine ermöglicht.
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Alternativ kann die Maschinenschnittstelle auch einen Verbindungsflansch umfassen, welcher mehrere axiale Durchgangsbohrungen zum Verschrauben insbesondere an einer Werkzeugmaschine aufweist. Ein solcher Flansch weist üblicherweise einen ringförmig vorragenden Bund auf, in welchem Durchgangsbohrungen ausgebildet sind, vorzugsweise vier, sechs oder acht Durchgangsbohrungen, mittels derer der Grundkörper verschraubt werden kann.
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Insbesondere wenn die erfindungsgemäße hydraulische Dehnspanneinrichtung rotierend verwendet werden soll, sind am Gundkörper bevorzugt Zentriermittel vorgesehen, welche beispielsweise in der Form eines Zentrierbundes oder eines Zentrierrücksprungs im Grundkörper ausgebildet sein können.
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Ist die erfindungsgemäße hydraulische Dehnspanneinrichtung als Spanndorn ausgebildet und besitzt eine außenliegende Spannfläche, so sind bevorzugt in dem Flansch mehrere, insbesondere drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Gewindedurchgangsbohrungen radial außerhalb der Aufnahme ausgebildet. Dadurch kann über ein mit einem korrespondierenden Außengewinde versehenes Element, beispielsweise eine Schraube, eine Axialkraft auf ein gespanntes Bauteil ausgeübt werden, falls sich dieses verkantet und sich nicht ohne weiteres von der Aufnahme entnehmen lässt.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Spannbereich an einem vorderen Endbereich des Grundkörpers ausgebildet. Dadurch kann abhängig von der Grundform der hydraulischen Dehnspanneinrichtung ein Bauteil auf einfache Weise in die Aufnahme eingebracht bzw. auf die Aufnahme geschoben werden.
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Bevorzugt ist die dünne Wandung zwischen der Aufnahme und der Druckkammer einteilig mit dem Grundkörper ausgebildet. Prinzipiell ist es auch denkbar, die dünne Wandung als separates Bauteil, insbesondere als Dehnbüchse oder Dehnhülse auszubilden, und mit entsprechenden Dichtungsmitteln zu versehen oder stoffschlüssig mit dem Grundkörper zu verbinden, allerdings bietet sich vorliegend eine einteilige Ausgestaltung an, da so die Gefahr von Undichtigkeiten der Druckkammer minimiert wird.
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In an sich bekannter Weise kann wenigstens der Spannbereich des Grundkörpers mit der dünnen Wandung zwischen der Aufnahme und der Druckkammer mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, insbesondere mittels selektiven Laserschmelzens, gefertigt sein. Ein derartiges Herstellungsverfahrens ermöglicht die Fertigung nahezu beliebiger Geometrien und gestattet insbesondere eine einfache Herstellung des vorderen Einstichs und/oder des hinteren Einstichs.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen hydraulischen Dehnspanneinrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine hydraulische Dehnspanneinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Längsschnittansicht;
- 2 die hydraulische Dehnspanneinrichtung aus 1 in einer Seitenansicht;
- 3 die hydraulische Dehnspanneinrichtung aus 1 in einer Vorderansicht; und
- 4 die hydraulische Dehnspanneinrichtung aus 1 in einer perspektivischen Ansicht.
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Die 1 bis 4 zeigen eine als Hydro-Dehnspanndorn 1 ausgebildete hydraulische Dehnspanneinrichtung zum Fixieren eines Werkstücks an einer Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Der Spanndorn 1 umfasst einen Grundkörper 2, der eine zentrale Längsachse X definiert. An seinem in der 1 linken Endbereich weist der Grundkörper 2 eine Maschinenschnittstelle in Form eines Verbindungsflanschs 3 auf. Dieser besitzt, wie in 3 erkennbar ist, über seinen Umfang verteilt insgesamt sechs axiale Durchgangsbohrungen 4 zum Verschrauben des Spanndorns 1 an einer Werkzeugmaschine. Ferner sind in dem Verbindungsflansch 3 insgesamt drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Gewindedurchgangsbohrungen 5 ausgebildet.
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An dem der Maschinenschnittstelle gegenüberliegenden axialen Ende ist an dem Grundkörper 2 ein Spannbereich 6 ausgebildet. Dieser umfasst eine Aufnahme 7 mit einer außenliegenden, kreiszylindrischen Spannfläche 8 für ein Bauteil. Zwischen der Aufnahme 7 und dem Verbindungsflansch 3 weist der Grundkörper eine ringförmig umlaufende Freistichnut 9 auf, welche die Spannfläche 8 axial nach hinten begrenzt. Axial nach vorne ist die Spannfläche 8 durch die vordere Stirnfläche 10 des Grundkörpers 2 begrenzt.
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Der Spannbereich 6 umfasst ferner eine mit einem Hydraulikmittel beaufschlagbare Druckkammer 11, welche ringförmig radial innerhalb der Aufnahme 7 angeordnet ist. Die Druckkammer 11 erstreckt sich in axiale Richtung nahezu über die gesamte Länge der Spannfläche 8 und ist in ihren axialen Endbereichen 12a, 12b abgerundet ausgebildet. Um möglichst große Radien in den Abrundungen realisieren zu können, weist die Druckkammer 11 in ihren axialen Endbereichen 12a, 12b einen größeren Querschnitt auf als in dem dazwischen liegenden zentralen Bereich 13. Ferner weist der Querschnitt der Druckkammer 11 in einem mittleren axialen Teilabschnitt eine Ausbuchtung 14 auf.
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In dem Grundkörper 2 sind ferner eine zentrale Durchgangsbohrung 15, sowie drei über den Umfang gleichmäßig verteilte Verbindungskanäle 16 ausgebildet. Die Verbindungskanäle 16 sind mit der Druckkammer 11 fluidverbunden und münden in die zentrale Durchgangsbohrung 15.
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Zwischen der Aufnahme 7 und der Druckkammer 11 ist eine dünne Wandung 17 einteilig mit dem Grundkörper 2 ausgebildet. Diese ist durch Druckerhöhung in der Druckkammer 11 elastisch radial nach außen verformbar, um ein auf die Aufnahme 7 geschobenes Werkstück von innen kraftschlüssig zu fixieren. Die Stärke der dünnen Wandung 17 variiert dabei in Längsrichtung und ist in einem mittleren Teillängsabschnitt 18 der Druckkammer 11 dicker ausgebildet als in den axialen Endabschnitten 19a, 19b.
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In dem Spannbereich 6 ist ein vorderer Einstich 20 ausgebildet, welcher sich ausgehend von der vorderen Stirnfläche 10 des Grundkörpers 2 in den radial innerhalb der Druckkammer 11 liegenden Bereich des Grundkörpers 2 erstreckt, wobei sie sich axial in den Bereich der Druckkammer 11 erstreckt. An der vorderen Stirnfläche 10 ist der vordere, ringförmig konzentrisch zur Längsachse X ausgebildete Einstich 20 in einem Winkel von etwa 40° zur Längsachse X geneigt und weist davon ausgehend einen bogenförmigen Verlauf auf, wobei er zur Druckkammer 11 hin konvex ausgebildet ist.
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Darüber hinaus ist in dem Spannbereich 6 ein hinterer Einstich 21 ausgebildet. Dieser erstreckt sich ausgehend von der Kante von dem Nutgrund 22 zur vorderen Nutwand 23 der Freistichnut 9 in den radial innerhalb der Druckkammer 11 liegenden Bereich des Grundkörpers 2. Wie der vordere Einstich 20 erstreckt sich auch der hintere Einstich 21 axial in den Bereich der Druckkammer 11. Ausgehend von der Freistichnut 9 erstreckt sich der hintere Einstich 21 ebenfalls in einem Winkel von etwa 40° zur Längsachse X. Der hintere Einstich 21 besitzt an die Freistichnut angrenzend einen geradlinigen Einstichabschnitt 24, an welchen sich ein bogenförmig verlaufender, konvex zur Druckkammer 11 ausgebildeter Einstichabschnitt 25 anschließt.
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Die beiden Einstiche 20, 21 bewirken eine Materialschwächung in den axialen Randbereichen der Aufnahme, so dass dort eine erhöhte Verformung der dünnen Wandung 17 gegeben ist, wenn der Druck in der Druckkammer 11 erhöht wird. Dies bewirkt einen gleichmäßigen Spannkraftverlauf in axialer Richtung X. Außerdem führen die abgerundeten Endbereiche der Druckkammer 11, sowie die abgerundeten weiteren Querschnittsübergänge in der Druckkammer 11 zu einer verminderten Kerbwirkung und somit zu einer erhöhten Lebensdauer auch nach einer Vielzahl von Spannvorgängen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spanndorn
- 2
- Grundkörper
- 3
- Verbindungsflansch
- 4
- axiale Durchgangsbohrung
- 5
- Gewindedurchgangsbohrung
- 6
- Spannbereich
- 7
- Aufnahme
- 8
- Spannfläche
- 9
- Freistichnut
- 10
- vordere Stirnfläche
- 11
- Druckkammer
- 12a, 12b
- axialer Endbereich
- 13
- zentraler Bereich
- 14
- Ausbuchtung
- 15
- zentrale Durchgangsbohrung
- 16
- Verbindungskanal
- 17
- dünne Wandung
- 18
- mittlerer Teillängsabschnitt
- 19a,b
- axialer Endabschnitt
- 20
- vorderer Einstich
- 21
- hinterer Einstich
- 22
- Nutgrund
- 23
- vordere Nutwand
- 24
- geradliniger Einstichabschnitt
- 25
- bogenförmiger Einstichabschnitt
- X
- Längsachse
