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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsstelle zwischen zwei Werkzeugsystemteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein damit ausgestattetes Werkzeug. Bei den hier in Frage kommenden Werkzeugsystemteilen kann es sich beispielsweise um einen Werkzeugkopf und einen diesen tragenden Halter handeln, der Bestandteil einer Werkzeugverlängerung oder aber als Werkzeugaufnahme unmittelbar Teil einer Werkzeugmaschine sein kann.
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Verbindungsstellen zwischen zwei Werkzeugsystemteilen, die koaxial und zentriert zueinander ausgerichtet mittels einer achszentralen Differentialgewindeschraube zusammen spannbar sind, sind vielfach bekannt. Beispielhaft wird auf die Veröffentlichungen G 91 07 604,
DE 39 12 503 A1 ,
EP 1 240 963 B1 verwiesen.
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All diesen Verbindungsstellen ist gemeinsam, dass in die einzelnen Werkzeugsystemteile Gewindebohrungen eingebracht werden müssen. Wenn ein Werkzeugsystemteil aus einem schwer bearbeitbaren, insbesondere zerspanbaren Werkstoff, wie z.B. einem Hartstoff oder Hartmetall (VHM) gefertigt ist, führt die Verwendung solcher Verbindungsstellen zu Problemen. Hinzu kommt, dass derartige, schwer bearbeitbare bzw. zerspanbare Werkstoffe oftmals nicht ausreichend duktil sind, um den in der Regel sehr hohen Spannungsspitzen an den Gewindegängen Stand zu halten.
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Besonders problematisch stellt sich die Situation dann dar, wenn ein Werkzeug zusammengestellt werden muss, bei dem ein mit mehreren Schneiden bestückter Schneidenkopf in einem beträchtlichen Abstand zur Werkzeugaufnahme arbeitet. Die Verbindung zwischen dem Spannfutter und dem Schneidenteil muss hier besonders steif sein, damit eine hohe Arbeitsgenauigkeit erzielbar bleibt. Rohre aus Materialien, die diese Eigenschaft bieten, sind aber in der Regel schwer zu bearbeiten, so dass ein Einschneiden von Gewinden nicht in Frage kommt.
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Man hat deshalb bereits versucht, dem Problem dadurch entgegen zu treten, dass in ein Hartmetallrohr eine Metallhülse eingelötet wurde, in die dann das Gewinde geschnitten werden konnte. Es zeigt sich aber, dass diese Konstruktion nur dann zufriedenstellende Ergebnisse liefert, wenn bei der Herstellung der Lötverbindung auf größtmögliche Präzision geachtet wird, was allerdings die Herstellung erheblich verteuert.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsstelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die es ermöglicht, Werkzeugsystemteile dauerhaft stabil mit hohen Spannkräften und hoher Zentriergenauigkeit auch dann zusammen zu spannen, wenn für die Werkzeugsystemteile Werkstoffe verwendet werden, die wenig duktil bzw. schwer zu bearbeiten, insbesondere schwer zu zerspanen sind. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Werkzeug bereit zu stellen, bei dem die Vorteile einer derartigen Verbindungsstelle optimal genutzt werden.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verbindungsstelle durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Werkzeugs durch den Anspruch 15 gelöst.
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Die Verbindungsstelle gemäß Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass das Werkzeugsystemteil, in das die Spannhülse eingesetzt wird, nur noch eine Feinbearbeitung in sehr geringem Umfang erfordert. Wenn das Werkzeugsystemteil beispielsweise aus VHM gefertigt wird, kann die Innenausnehmung mit geringfügigem Aufmaß bereits im vorgesinterten Zustand eingearbeitet werden. Die zur Aufnahme und Positionierung der Spannhülse erforderlichen Flächen im Inneren des Werkzeugsystemteils können grundsätzlich verhältnismäßig grob gestaltet und bearbeitet werden, mit der Besonderheit, dass die axiale Spannkraft relativ weit von der Achse entfernt und großflächig in das Werkzeugsystemteil eingeleitet wird. Spannungsspitzen, insbesondere durch Kerbwirkung gesteigerte Spannungsspitzen können somit vermieden werden, so dass sich die erfindungsgemäße Verbindungsstelle besonders für die Verbindung von Werkzeugsystemteilen aus hochfesten Materialien eignet, die oftmals weniger duktil sind, und gerade auch dann, wenn sehr hohe axiale Spannkräfte gefordert sind. Gleichzeitig eröffnet diese Gestaltung der Verbindungsstelle die Möglichkeit, herkömmliche, wie z.B. in dem Dokument
DE19920748 A1 oder
DE 103 38 610 A1 gezeigte Schnittstellen, die mit einer Spannpatrone arbeiten, welche mittels einer Bajonettverbindung in einem Werkzeugsystemteil fixiert ist, umzurüsten. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Spannpatrone zu entfernen und die bereits vorhandene, teilweise hinterschnittene Innenausnehmung für die verdrehsichere Aufnahme einer erfindungsgemäßen Spannhülse heranzuziehen und zu nutzen.
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Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass sich die erfindungsgemäße Gestaltung der Verbindungsstelle positiv auf die zentrierte Verspannung der Werkzeugsystemteile auswirkt, weil die Spannhülse in der Aufnahmebohrung so aufgenommen ist, dass sich die Achse des Innengewindes der Spannhülse zur Achse der Spannschraube und in ausreichendem Umfang auch zur Achse der Differentialgewindeschraube weitgehend zwängungsfrei ausrichten kann. Dies führt dazu, dass die für die Zentrierung der beiden Werkzeugsystemteile verantwortlichen Flächen, d.h. die Konus- oder Zylinder-Paarungsflächen, beim Fügen und Zusammenspannen der beiden Werkzeugsystemteile über den gesamten Umfang gleichförmig in Funktion treten können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verbindungsstelle sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Weiterbildung des Anspruchs 2 hat den besonderen Vorteil, dass das Innengewinde der Spannhülse, welches zur axialen Verspannung der beiden Werkzeugsystemteile herangezogen wird, gleichzeitig für die Montage der Spannhülse genutzt wird. Außerdem wird der Spannschraube eine Doppelfunktion übertragen. Zum einen stabilisiert sie die Spannhülse in der radial aufgeweiteten Form. Gleichzeitig dient sie dazu, die Spannhülse axial in der Aufnahmebohrung zu fixieren. Für die Sicherstellung beider Funktionen ist eine einzige Bewegung der Spannschraube ausreichend, was zu einer einfachen Handhabung bei der Montage der Spannhülse führt.
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Die Bearbeitung der Innenausnehmung des die Spannhülse aufnehmenden Werkzeugsystemteils wird durch die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 weiter vereinfacht. Denn es muss lediglich eine einzige Anschlagschulter für die Positionierung des im Montagezustand eingefügten Spannhülse und für die Stützfläche der Spannschraube vorgesehen werden.
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Vorzugsweise kann die Spannschraube - in der Weiterbildung gemäß Anspruch 4 - auch für die Aufweitung der Spannhülse herangezogen werden. Durch einfache Drehbewegung der Spannschraube wird die Spannhülse radial so weit aufgeweitet, dass das Gewinde der Spannschraube mit dem Innengewinde der Spannhülse in Eingriff kommen kann. Die erforderlichen Montagehandgriffe werden demnach stark vereinfacht.
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Mittels des kreiszylindrischen Übergangsabschnitts gelingt es, das Einschrauben der Spannschraube zu erleichtern, indem das Innengewinde der weitgehend aufgeweiteten Spannhülse axial vor-ausgerichtet wird
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Wenn die Spannhülse gemäß Anspruch 6 zu beiden Seiten des zumindest einen radialen Vorsprungs vorzugsweise kreiszylindrische Passungsabschnitte für ein Anschmiegen an die Innenoberfläche der Aufnahmebohrung ausbildet, kann die Spannhülse dünnwandiger ausgebildet werden, da sie großflächig von der Innenoberfläche der Aufnahmebohrung abgestützt wird. Gleichzeitig wird das Innengewinde ausreichend ausgerichtet, um ein Verkanten der Spannschraube beim Eindrehen zu vermeiden, so dass einer Beschädigung des Gewindes wirksam entgegengetreten wird.
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Vorzugsweise hat der Halsfortsatz eine solche axiale Länge, dass er zumindest bis zur axialen Mitte der Spannhülse hinein reicht, wenn die Spannschraube mit dem Halsfortsatz in die in der Aufnahmebohrung vormontierte Spannhülse eingeführt wird. Auf diese Weise wird die Spannhülse beim radialen Aufweiten über eine ausreichend große axiale Länge radial abgestützt, so dass sie beim Aufweiten achsparallel ausgerichtet bleibt.
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Die Spannhülse kann verschiedenste Ausgestaltungen haben, um die vorstehend beschriebenen Funktionen zu erfüllen. Sie kann beispielsweise einstückig ausgebildet werden, wobei ein Schlitz die radiale Aufweitung bzw. die Verringerung der Außenabmessung in radialer Richtung ermöglicht. Dabei kann die Spannhülse auch unter elastischer Verformung bei zusammengepresstem Schlitz in die Aufnahmebohrung einsetzbar sein. Für die Sicherstellung rotationssymmetrischer Belastungszustände ist es allerdings von besonderem Vorteil, wenn die Verbindungsstelle gemäß Anspruch 8 gestaltet ist, insbesondere dann, wenn die einzelnen zylinder-segmentartig zusammengestellten Spannhülsenteile über den Umfang gleichmäßig verteilt sind.
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Um die Montage der Spannhülse zu vereinfachen, ist es von Vorteil, wenn die aus mehreren Teilen bestehende Spannhülse im Montagezustand zu einer als Einheit handhabbaren Einheit zusammengehalten ist. Wenn - entsprechend Anspruch 9 - die einzelnen Spannhülsenteile durch ein elastisches Ringband in den Montagezustand gezwängt sind ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass auch die Demontage der Spannhülse aus der Aufnahmebohrung sehr einfach wird.
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Vorteilhafterweise sind die Spannhülsenteile im Montagezustand durch Formschluss drehsicher in der Aufnahmebohrung fixierbar. Somit kann die in das Innere der Spannhülse eingeschobene Spannschraube relativ zur Spannhülse verdreht werden, wobei ein Mitdrehen der Spannhülse ausgeschlossen ist. Das radiale Aufweiten der Spannhülse gelingt auf diese Weise auch dann, wenn größere Rückstellkräfte überwunden werden müssen. Außerdem kann die Verdrehsicherung wirksam dazu herangezogen werden, die Spannhülse im radial aufgeweiteten Zustand verdrehsicher in der Aufnahmebohrung zu halten, so dass das Einschrauben der Spannschraube prozesssicher erfolgen kann.
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Zu einer besonders einfachen Verbindungsstelle, bei der sich die Spannhülse aus zwei Spannhülsenteilen zusammensetzt, gelangt man mit der Weiterbildung nach Anspruch 10. In diesem Fall dient die in der Aufnahmebohrung vorgesehene Fläche für die Verdrehsicherung gleichzeitig als radiale Führung der Spannhülsenteile, wodurch die Spannhülsenteile beim Einführen der Spannschraube mit Halsfortsatz leichtgängig radial nach außen verschoben werden können, ohne ein Verkanten der Spannhülsenteile befürchten zu müssen.
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Wenn die Führungswangen in die Hinterschneidung der Aufnahmebohrung übergehen wird die Herstellung der Innenausnehmung in dem die Spannhülse aufnehmenden Werkzeugsystemteilen weiter vereinfacht.
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Die erfindungsgemäße Verbindungsstelle ist so aufgebaut, dass sie auch dann die erforderliche Steifigkeit besitzt, wenn im Achszentrum kein Material vorgesehen ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Verbindungsstelle mit Werkzeugkomponenten zu benutzen, die eine zentrale Kühl-/Schmiermittel (KSM)-Versorgung benötigen. Es genügt in diesem Fall, die Spannschraube und die Differentialgewindeschraube jeweils als Hohlschraube auszubilden.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Verbindungsstelle kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die koaxiale Zentrierung der Werkzeugsystemteile über eine Kegel-Plananlage erfolgt, bei dem ein Radialbund eines Außenkonus des einen Werkzeugsystemteils gegen eine Stirnfläche des mit einem Innenkonus ausgebildeten anderen Werkzeugsystemteils spannbar ist. Denn in diesem Fall muss die Spannmimik keinen Beitrag zur Zentrierung leisten, und es ist sogar vorteilhaft, wenn die Einleitung der axialen Spannkraft über den Umfang möglichst gleichmäßig erfolgt. Die größere Abstützfläche für die Spannhülse wird in dem Werkzeugsystemteil bereitgestellt, in der der Innenkonus ausgebildet ist. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Spannhülse in diesem Werkzeugsystemteil aufgenommen ist.
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Aufgrund der vorstehend beschriebenen bzw. in den Ansprüchen niedergelegten Merkmale eignet sich die Verbindungsstelle im Besonderen für die Verbindung von Werkzeugsystemteilen, von denen zumindest eines, nämlich dasjenige, in dem die Spannhülse aufgenommen ist, von einem schwer bearbeitbaren, insbesondere schwer zerspanbaren Material, wie z.B. Hartmetall (VHM), Cermet-Werkstoff, Keramik oder einer sonstigen schwer zerspanbaren Metalllegierung, wie z.B. einer Titanlegierung gebildet ist.
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Die vorstehend beschriebene Verbindungsstelle eignet sich ferner in vorteilhafter Weise für den Aufbau eines Werkzeugs, bei dem das erste Werkzeugsystemteil von einem Schneidenkopf gebildet ist, und das zweite Werkzeugsystemteil von einem Hartmetallrohr. Dieser Aufbau ermöglicht es, ein Werkzeug zusammenzustellen, bei dem die Schneiden in sehr großem Abstand zur Spannstelle an der Werkzeugmaschinenspindel bzw. zur Werkzeugaufnahme in Eingriff mit dem Werkstück stehen, so dass es auf eine biegesteife, drehschwingungsarme und gut zentrierte Verbindung der Werkzeugsystemteile ankommt.
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Versuche haben gezeigt, dass auf diese Weise ein Werkzeug zusammenstellbar ist, bei dem das Hartmetallrohr eine Länge hat, die dem 10 bis 20-fachen des Durchmessers entspricht.
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Nachfolgend werden anhand schematischer Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines rotatorisch antreibbaren Werkzeugs, das eine Verbindungsstelle zwischen einem Schneidenkopf und einem rohrförmigen Werkzeugschaft aufweist;
- 2 im vergrößerten Maßstab eine aufgebrochene perspektivische Ansicht der bei dem Werkzeug gemäß 1 verwendeten Verbindungsstelle im gespannten Zustand;
- 3 eine schematische Seitenansicht des Werkzeugsystemteils, in dem die Spannhülse aufgenommen wird;
- 3A die um 10° gedrehte Schnittansicht „IIIA-IIIA“ in 3;
- 3B die um 10° gedrehte Schnittansicht „IIIB-IIIB“ in 3;
- 4 in etwas verkleinertem Maßstab die Draufsicht der Verbindungsstelle gemäß 2;
- 5 die Ansicht der Verbindungsstelle gemäß 4 mit Blickrichtung „V“;
- 5A die um 10° gedrehte Schnittansicht „VA-VA“ in 5;
- 5B die um 10° gedrehte Schnittansicht „VB-VB“ in 5;
- 6A bis 6C schematische Ansichten der bei der Verbindungsstelle gemäß 1 bis 5 verwendeten Spannhülse, wobei 6A eine Seitenansicht, 6B eine Draufsicht und 6C eine Stirnansicht darstellen;
- 7A bis 7D schematische Ansichten der bei der Verbindungsstelle gemäß 1 bis 5 verwendeten Spannschraube, wobei 7A eine Seitenansicht, 7B eine Draufsicht und die 7C und 7D jeweils eine Stirnansicht darstellen;
- 8A und 8B Ansichten der bei der Verbindungsstelle verwendeten Differentialgewindeschraube;
- 9 eine perspektivische Explosionsdarstellung der bei der Verbindungsstelle verwendeten Komponenten; und
- 10 bis 13 schematische Schnittansichten der Verbindungsstelle in den verschiedenen Montagestufen, wobei
- die 10 die Situation zeigt, in der die Spannhülse im Montagezustand in die Aufnahmebohrung des Werkzeugsystemteils eingeführt ist und die Spannschraube mit ihrem Halsfortsatz lose in die Spannhülse eingreift,
- 11 die Situation, in der die Spannschraube um 90° gedreht und so weit in das Innere der Spannhülse eingeführt ist, dass das Schraubengewinde den Anschnitt des Innengewindes der Spannhülse erreicht,
- 12 den Zustand, in dem die Spannhülse fest in dem Werkzeugsystemteil verankert ist, und
- 13 die Situation, in der das Zusammenspannen der Werkzeugsystemteile mittels der Differentialgewindeschraube beginnt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist mit dem Bezugszeichen 20 ein rotatorisch antreibbares Werkzeug bezeichnet, das einen auswechselbaren Schneidenkopf 22 hat. Der Schneidenkopf sitzt über eine nachstehend im Detail beschriebene Verbindungsstelle zentriert auf einem Werkzeugschaft 24, der in einem Spannfutter, wie z.B. einem HSK-Werkzeugaufnahme 26 mit Schrumpfspannfutter aufgenommen ist. Als Verbindungsstelle wird dabei eine biegefeste Kupplung zwischen zwei Werkzeugsystemteilen, hier zwischen dem Werkzeugschaft 24 und dem Schneidenkopf 22, verstanden, die koaxial und zentriert zueinander ausgerichtet mittels einer Spanneinrichtung, hier mittels einer achszentralen Differentialgewindeschraube, die mit zugehörigen Gewindeabschnitten unterschiedlicher Steigung in den jeweiligen Werkzeugsystemteilen in Eingriff steht, zusammen spannbar sind. Das in 1 gezeigte Werkzeug 20 ist für einen Bearbeitungsvorgang hergerichtet, bei dem der Schneidenkopf in einem beträchtlichen Axialabstand zum Spannfutter eine spanende Bearbeitung ausführt. Dementsprechend hat der Werkzeugschaft eine erhebliche axiale Länge L24, die dem 10 bis 20-fachen des Werkzeug-Nenndurchmessers und damit des Schaftdurchmessers D24 entsprechen kann.
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Damit das Werkzeug mit einer hohen Arbeitsgenauigkeit betrieben werden kann, muss nicht nur der Schneidenkopf 22 exakt zentriert mit dem Werkzeugschaft 20 verbunden sein, sondern es muss auch dafür gesorgt sein, dass zwischen Werkzeugaufnahme 26 und Schneidenkopf 22 eine biege- und torsionsfeste Verbindung vorliegt, damit Schwingungen des Schneidenkopfs 22 beherrschbar bleiben. Außerdem muss es der Aufbau des Werkzeugs ermöglichen, die Schneiden des Werkzeugs ausreichend mit Kühl-/Schmiermittel (KSM) zu versorgen, was bei derartigen Werkzeugen nur durch innenliegende KSM-Kanäle gelingt. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, wenn als Material für den Werkzeugschaft ein hochfester Werkstoff, wie z.B. Hartmetall (VHM) zur Anwendung kommt, so dass also der Werkzeugschaft 24 von einem VHM-Rohr gebildet wird. Allerdings sind derartige hochfeste Werkstoffe in der Regel auch schwer zu bearbeiten und weniger duktil, so dass an die Verbindungsstelle besondere Anforderungen gestellt werden: bei Sicherstellung hoher axialer Spannkräfte sind feinbearbeitete innenliegende Flächen im Werkzeugsystemteil auf ein Minimum zu beschränken, wobei Spannungsspitzen, insbesondere Zugspannungsspitzen im hochfesten Werkzeugsystemteil zu vermeiden sind.
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Mit der im Folgenden anhand der 2 bis 13 näher beschriebenen Verbindungsstelle wird diesen Anforderungen Rechnung getragen. In der Beschreibung der 2 bis 13 sind dabei der eine erstes Werkzeugsystemteil ausbildende Schneidenkopf 22 und das ein zweites Werkzeugsystemteil ausbildende Hartmetallrohr 24 hinsichtlich ihrer jeweiligen Außengestaltung nur noch schematisch wiedergegeben.
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2 zeigt den Aufbau der Verbindungsstelle, und 9 die einzelnen Komponenten in einer perspektivischen Explosionsdarstellung. Man erkennt, dass die Zentrierung der Werkzeugsystemteile 22, 24 über eine Kegel-Plananlage erfolgt, bei dem ein Radialbund 30 eines Außenkonus 28 des einen Werkzeugsystemteils 22 gegen eine Stirnfläche 34 des mit einem Innenkonus 32 ausgebildeten anderen Werkzeugsystemteils 24 spannbar ist. Die Aufbringung der axialen Spannkraft erfolgt über eine Differentialgewindeschraube 40 (siehe im Einzelnen 9), die zwei Außengewindeabschnitte 42, 44 unterschiedlicher, einschließlich gegensinniger Steigung aufweist und die mit zugehörigen, komplementär gestalteten Innengewindeabschnitten unterschiedlicher Steigung in den jeweiligen Werkzeugsystemteilen 22, 24 in Eingriff bringbar ist.
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Man erkennt aus der 2, dass die Differentialgewindeschraube 40 mit ihrem einen Außengewindeabschnitt 42 direkt in einen Innengewindeabschnitt 52 des Werkzeugsystemteils 22 eingreift, während der andere Außengewindeabschnitt 44 in einen Innengewindeabschnitt 54 einer aus einem duktileren Material, wie z.B. Metall bestehenden Spannhülse 60 eingreifen kann, die lösbar im Werkzeugsystemteil 24 montiert wird. Die Gestaltung und Montage der Spannhülse 60 wird nachstehend unter Bezug auf die 3, 6, 7 und 9 bis 12 im Einzelnen erläutert.
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Die Spannhülse 60 ist so aufgebaut, dass sie an ihrem Außenumfang zwei radiale Vorsprünge 62, 64 hat, aber derart gestaltet ist, dass sie in einem Montagezustand, der in 10 dargestellt ist und in dem sie eine in radialer Richtung verkleinerte Außenabmessung besitzt, axial in eine Aufnahmeausnehmung, vorzugsweise eine Aufnahmebohrung 66 (siehe 3) des Werkzeugsystemteils 24, vorzugsweise bis in die in 10 dargestellte Anschlagposition, eingeführt werden kann. Bei der gezeigten Ausführungsform wird dies dadurch ermöglicht, dass die Spannhülse 60, wie im Einzelnen aus der 6 ersichtlich, zweiteilig ausgebildet ist. 6 zeigt die beiden Spannhülsenhälften 60-1 und 60-2 in einer Position, die sie bei fester Verankerung in der Aufnahmebohrung 66 einnehmen und in der die beiden zylinderhalbschalenförmigen Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 den Innengewindeabschnitt 54 zu einem vollständig kreiszylindrischen bzw. durchgängigen Gewinde (siehe 6C) ergänzen und der Spannhülse insgesamt im Wesentlichen die Form eines mit einem Innengewinde 54 ausgestatteten Hohlzylinders mit zwei diametral einander gegenüberliegenden radialen Vorsprüngen 62, 64 geben. Die maximale radiale Außenabmessung im Bereich der Vorsprünge 62, 64 ist mit AR bezeichnet, der Außendurchmesser der zu beiden Seiten der Vorsprünge 62, 64 liegenden segment-kreiszylindrischen Spannhülsenabschnitte 68, 70 (siehe 6) mit D68 und D70.
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In dieser Lage sind die beiden Spannhülsenhälften um das Maß MS eines Spalts 68 voneinander entfernt. Dies bedeutet, dass die beiden Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 zur Montage in der Aufnahmebohrung 66 um das Maß MS zusammengeschoben werden können, so dass die Spannhülse 60 (60-1, 60-2) - wie in 10 dargestellt - in die Aufnahmebohrung 66 eingeschoben werden kann. Damit die Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 für die Montage leichter handhabbar sind, ist ein elastischer Ring 82 vorgesehen, der in einer Ringnut 84 sitzt und die beiden Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 aufeinander zu spannt, das heißt in die Montagstellung zwängt.
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Vorzugsweise bildet eine Schulter 72 der Aufnahmebohrung 66 einen axialen Anschlag für die in der Montagestellung eingeschobene Spannhülse in der Weise, dass die radialen Vorsprünge 62, 64 radial innerhalb einer an die Form der radialen Vorsprünge 62, 64 angepassten Hinterschneidung 74 im Werkzeugsystemteil 24 zu liegen kommen. Entscheidend ist dabei, dass die die Hinterschneidung 74 ausbildende Ausnehmung im Werkzeugsystemteil 24 in der Lage ist, die radialen Vorsprünge der fest im Werkzeugsystemteil verankerten Spannhülse 60 vollständig aufzunehmen und eine Stützschulter 80 für die Spannhülse 60 bereit zu stellen.
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Die Spannhülse 60 wird in dieser axialen Position im Werkzeugsystemteil 24 dadurch verankert, dass sie radial zur Herstellung des in 6 dargestellten Innengewinde-Sollmaßes aufgeweitet wird, wobei sie dabei vorzugsweise zumindest abschnittsweise - bei der gezeigten Ausführungsform mit den kreiszylindrischen Spannhülsenabschnitten 68, 70, die bevorzugter Weise identische Durchmesserabmessungen haben - in Passungskontakt mit entsprechenden Bohrungsabschnitten der Aufnahmebohrung 66 bringbar ist, während die radialen Vorsprünge 62, 64 in die Hinterschneidung 74 der Aufnahmebohrung 66 eintauchen. Dieser Zustand ist in 12 dargestellt.
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Im Folgenden wird näher beschrieben, wie das radiale Aufweiten der vormontierten Spannhülse 60 und deren Verankerung im Werkzeugsystemteil 24 vonstatten geht.
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Aus der Darstellung gemäß 6 geht noch hervor, dass die radialen Vorsprünge 62, 64 in seitliche Abflachungen 76 übergehen, die im vormontierten Zustand der Spannhülse, d.h. dann, wenn die Spannhülse - wie in 10 dargestellt - in die Aufnahmebohrung 66 vollständig eingefügt ist, mit einem aus der Darstellung gemäß 3B und 5B erkennbaren Führungswangenpaar 78 in Passungskontakt kommen. Diese einander diametral gegenüberliegenden Führungswangen 78 sind - wie am besten der 5B entnehmbar ist - Bestandteil der Hinterschneidung 74 und gehen in diese über. Auf diese Weise sorgen sie dafür, dass die Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 im eingesetzten Zustand der vormontierten Spannhülse eine Verdrehsicherung erhalten.
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Bei der gezeigten Ausführungsform wird zum radialen Aufweiten der Spannhülse 60 eine zentrale Spannschraube 86 verwendet, die anhand der 7 und 9 näher beschrieben werden soll. Sie ist in die radial aufgeweitete Spannhülse 60 mittels eines geeigneten Werkzeugs, das in eine Innensechskantausnehmung eingreifen kann, einschraubbar und dazu hergerichtet, die radialen Vorsprünge 62, 64 der Spannhülse 60 gegen die radiale Stützschulter 80 der Hinterschneidung 74 zu drücken. Im Einzelnen hat die Spannschraube 86 einen mit einem Gewinde ausgestatteten Schraubenkopf 88 und einen sich daran anschließenden axialen Halsfortsatz 90, dessen Querschnitt so gestaltet ist, dass er im Montagezustand der Spannhülse 60 in einer bestimmten Drehstellung in diese zwängungsfrei einführbar ist. Der Halsfortsatz 90 ist über einen kreiszylinderförmigen Übergangsabschnitt 92 (siehe 7) an den Schraubenkopf 88 angeschlossen. Der Halsfortsatz 90 ist von einem Hohlzylinder gebildet, der seitliche Abflachungen 94 hat, die den Querschnitt des Halsabschnitt so weit verkleinern, dass er mit Passung in das Innere der sich im Montagezustand befindlichen und vormontierten Spannhülse 60 eingeführt werden kann. Dieser Zustand ist in 10 dargestellt. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Halsfortsatz 90 eine solche axiale Länge L90 hat, dass er zumindest bis zur axialen Mitte der Spannhülse 60 in diese einführbar ist.
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Indem die Spannschraube 86 axial mit leichtem Druck in die Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 gedrückt wird, gleiten die Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 auf den kreiszylinderförmigen Übergangsabschnitt 92, so dass die Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 - wie in 11 gezeigt - leicht auseinander gedrückt werden. Die seitlichen Abflachungen 76 gelangen dabei in Kontakt mit den Führungswangen 78. In dieser Position kann die Spannschraube 86 - wie in 11 dargestellt - beispielsweise mittels eines Steckschlüssels, der in eine Innen-Profilausnehmung 94 (siehe 9) im Schraubenkopf 88 eingreift, um 90° gedreht werden, wodurch der Halsabschnitt 90 die Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 insgesamt und gleichmäßig über die gesamte Länge radial nach außen drücken kann, so dass die radialen Vorsprünge 62, 64 in die Hinterschneidung 74 eintauchen. Ein Mitdrehen der Spannhülse 60 ist dabei verhindert, weil die seitlichen Abflachungen 76 mit den Führungswangen 78 bereits in Anlagekontakt stehen. Während die Spannhülsenhälften radial nach außen in die Hinterschneidung wandern, gleiten die Abflachungen 76 an den Führungswangen 78, so dass auch ein Verkanten der Spannhülsenhälften 60-1, 60-2 vermieden ist.
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Bei weiterem axialem Vorschieben der Spannschraube 86 erreicht der Schraubenkopf 88 einen Anschnitt des Innengewindes 64 und kann in dieses eingeschraubt werden, wodurch die Spannhülse 60 vollständig radial aufgeweitet wird und sich mit ihren segment-kreiszylindrischen Spannhülsenabschnitten 68, 70 an die Innenwandungen der Aufnahmebohrung 66 anschmiegt. Die Spannschraube 86 wird so lange in das Innengewinde 64 gedreht, bis der Schraubenkopf 88 - wie in 12 dargestellt - an der Schulter 72 der Innenausnehmung anschlägt. Wenn in diesem Zustand die Spannschraube 86 weiter gedreht wird, wird die Spannhülse 60 aus der Anschlagstellung an der Schulter 72 von dieser weg gedrückt, so dass die radialen Vorsprünge 62, 64 - wie in 12 dargestellt - unter Beseitigung eines in 11 eingezeichneten Spiels S gegen die radiale Stützschulter 80 gepresst werden. Damit ist die Verankerung der Spannhülse 60 im Werkzeugsystemteil 24 abgeschlossen.
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Um den Schneidenkopf, d.h. das Werkzeugsystemteil 22 zentriert mit dem Werkzeugsystemteil 24 zu verspannen, wird zunächst die Differentialgewindeschraube 40 mit ihrem Differentialgewindeabschnitt 42 vollständig in den Innengewindeabschnitt 52 des Werkzeugsystemteils 22 eingeschraubt. Anschließend wird der Außenkonus 28 in den Innenkonus 32 des Werkzeugsystemteils 24 eingeführt, so dass die Werkzeugsystemteile die in 13 gezeigte Position einnehmen. Die aus dem Außenkonus 28 vorstehende Stirnseite der Differentialgewindeschraube 40 kommt dabei fluchtend dem Innengewinde 54 der Spannhülse 60 gegenüber zu liegen. In dieser Lage ist zwischen dem Radialbund 30 des Außenkonus 28 und der Stirnfläche 34 des mit einem Innenkonus 32 ausgebildeten Werkzeugsystemteils 24 noch ein Fügespalt FS vorhanden. Da der Differentialgewindeabschnitt 44 dasselbe Gewinde wie die Spannschraube 86 hat, kann sie nun in die Spannhülse 60 geschraubt werden, indem sie über eine Innensechskantausnehmung 96 mittels eines zentral durch das Werkzeugsystemteil greifenden Steckschlüssels betätigt wird.
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In der in 12 gezeigten Stellung der Werkzeugsystemteile 22, 24 greift ein abgesetzter und mit Abflachungen (siehe 9) 100 ausgestatteter Positionierungsvorsprung 98 formschlüssig in eine mit entsprechenden Passungswangen 106 ausgestatteten Positionierungsausnehmung 102 ein, die sich unter Zwischenschaltung einer Ringausnehmung 104 (wie am besten in 3 gezeigt) an den Innenkonus 32 anschließt. Dadurch wird in der lose eingesteckten Position des Werkzeugsystemteils 22 eine Verdrehsicherung geschaffen.
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Weil die Gewindesteigungen der Differentialgewindeabschnitte 42, 44 unterschiedlich ist, genauer gesagt, weil die Gewindesteigung des Differentialgewindeabschnitts 42 kleiner ist als die Gewindesteigung des Differentialgewindeabschnitts 44, wird der den Außenkonus 28 aufweisende Hohlzapfen des Werkzeugsystemteils 22 beim Eindrehen der Differentialgewindeschraube 40 in das Innengewinde 54 der Spannhülse 60 in den Innenkonus 32 hineingedrückt, und zwar so lange, bis der Radialbund 30 nach Beseitigung des Fügespalts FS und unter elastischer Verformung der die Konusflächenpaarung ausbildenden Komponenten an der Stirnfläche 34 des Werkzeugsystemteils 24 anschlägt. Diese Position ist in den 2,4,5 und 12 dargestellt. Damit ist die zentrierte Verbindung zwischen den beiden Werkzeugsystemteilen fertig gestellt.
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Zum Lösen der Verbindung wird die Differentialgewindeschraube 40 aus der Spannhülse 60 herausgedreht, so dass aufgrund der unterschiedlichen Gewindesteigungen der Differentialgewindeabschnitte 42 und 44 das den Außenkonus aufweisende Bauteil aus dem Innenkonus 32 herausgedrückt wird.
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Aus der vorstehenden Beschreibung wird klar, dass die Besonderheit der Verbindungsstelle darin besteht, dass das Werkzeugsystemteil 24, in das die Spannhülse 60 eingesetzt wird, nur noch - wie am besten aus der 3 ersichtlich - mit einer Ausnehmung ausgestattet werden muss, die leicht herzustellende Flächen aufweist. Ein Gewinde im Werkzeugsystemteil kann entfallen. Eine Feinbearbeitung der Innenausnehmung wird nur noch in sehr geringem Umfang erforderlich, nämlich für die Bearbeitung des Innenkonus 32 und der Stirnfläche 34. Wenn das Werkzeugsystemteil 24 beispielsweise aus VHM gefertigt wird, kann die Innenausnehmung mit geringfügigem Aufmaß bereits im vorgesinterten Zustand eingearbeitet werden, so dass für die Bearbeitung auf Endmaß nur noch wenig Zerspanungsarbeit anfällt. Die zur Aufnahme und Positionierung der Spannhülse erforderlichen Flächen, das heißt Abschnitte 66 und die Hinterschneidung 74 mit der Stützschulter 80 im Inneren des Werkzeugsystemteils können aufgrund der Verformbarkeit der Spannhülse 60 bzw. der Beweglichkeit deren Hülsensegmente 60-1, 60-2, grundsätzlich verhältnismäßig grob gestaltet und bearbeitet werden, mit der Besonderheit, dass die axiale Spannkraft relativ weit von der Achse entfernt und großflächig in das Werkzeugsystemteil 24 eingeleitet wird. Spannungsspitzen, insbesondere durch Kerbwirkung gesteigerte Spannungsspitzen können somit vermieden werden.
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Die vorstehend beschriebene Verbindungsstelle eignet sich deshalb besonders für die Verbindung von Werkzeugsystemteilen aus hochfesten Materialien, die oftmals weniger duktil sind, und gerade auch dann, wenn sehr hohe axiale Spannkräfte gefordert sind.
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Die vorstehend beschriebene Gestaltung der Verbindungsstelle wirkt sich auch positiv auf die zentrierte Verspannung der Werkzeugsystemteile 22, 24 aus, weil die Spannhülse 60 in der Aufnahmebohrung 66 so aufgenommen ist, dass sich die Achse des Innengewindes 54 der Spannhülse 60 zur Achse der Spannschraube 80 und sogar in gewissem Umfang zur Achse der Differentialgewindeschraube 40 weitgehend zwängungsfrei ausrichten kann. Dies führt dazu, dass die für die Zentrierung der beiden Werkzeugsystemteile verantwortlichen Flächen, d.h. die Konus- oder Zylinder-Paarungsflächen, beim Fügen und Zusammenspannen der beiden Werkzeugsystemteile über den gesamten Umfang gleichförmig in Funktion treten können.
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Selbstverständlich sind Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsform möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung, wie er in den Ansprüchen umrissen ist, zu verlassen.
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Die Gestaltung der Verbindungsstelle gibt beispielsweise die Möglichkeit, herkömmliche, wie z.B. in dem Dokument
DE19920748 A1 oder
DE 103 38 610 A1 gezeigte Schnittstellen, die mit einer Spannpatrone arbeiten, welche mittels einer Bajonettverbindung in einem Werkzeugsystemteil fixiert ist, umzurüsten. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Spannpatrone zu entfernen und die bereits vorhandene, teilweise hinterschnittene Innenausnehmung für die verdrehsichere Aufnahme einer erfindungsgemäßen radial aufweitbaren Spannhülse heranzuziehen.
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Die Spannhülse kann auch von einer einteiligen, geschlitzten Hülse gebildet sein. Es ist ferner möglich, die Spannhülse aus mehr als zwei Hülsensegmenten zusammen zu stellen. Anstelle einer Kegel/Plananlage kann auch eine Zylinder/Plananlage zur Zentrierung der Werkzeugsystemkomponenten verwendet werden.
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Die Erfindung schafft somit eine Verbindungsstelle zwischen zwei Werkzeugsystemteilen 22, 24, die koaxial und zentriert zueinander ausgerichtet mittels einer achszentralen Differentialgewindeschraube 40, die mit zugehörigen Gewindeabschnitten unterschiedlicher Steigung in den jeweiligen Werkzeugsystemteilen 22, 24 in Eingriff steht, zusammen spannbar sind. Zumindest einer der Gewindeabschnitte ist vom Innengewinde 54 einer in das betreffende Werkzeugsystemteil 24 einsetzbaren Spannhülse 60 gebildet. Eine Besonderheit der Verbindungsstelle besteht darin, dass die Spannhülse 60 am Außenumfang zumindest einen radialen Vorsprung 62, 64 hat und derart gestaltet ist, dass sie in einem Montagezustand mit in radialer Richtung verkleinerter Außenabmessung axial in eine Aufnahmebohrung 66 des betreffenden Werkzeugsystemteils 24 einführbar und durch anschließendes radiales Aufweiten zur Herstellung des Innengewinde-Sollmaßes in Passungskontakt mit der Aufnahmebohrung 66 bringbar ist. Dabei taucht der radiale Vorsprung 62, 64 in eine Hinterschneidung 74 der Aufnahmebohrung 66 ein. Auf diese Weise ist die Verbindungsstelle für das Zusammenspannen von Werkzeugsystemteilen optimiert, bei denen weniger duktile bzw. schwer zu bearbeitende, insbesondere schwer zu zerspanende Werkstoffe verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3912503 A1 [0002]
- EP 1240963 B1 [0002]
- DE 19920748 A1 [0008, 0050]
- DE 10338610 A1 [0008, 0050]
