DE19622297A1 - Präzises Spannfutter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannfutter für das Spannen zylindrischer Werkzeugschäfte in einem aus Maschinenschaft und Zangenschaft bestehenden Spannkörper, der eine koaxiale Bohrung aufweist, welche im Zangenschaft kegelig ausgebildet ist, für die Aufnahme einer komplementär ausgebildeten Klemmhülse mit kegeligem Mantel und die in dem Spannkörper durch eine Zugschraube, welche in eine entsprechende Gewindebohrung der Klemmhülse eingreift, gehalten wird und dabei den Werkzeugschaft spannen kann.

Dieses für sich bekannte Morsekegelfutter mit Anzugsgewinde nach der DE-Norm DIN hat den Nachteil, daß Rundlaufgenauigkeiten von 5 µm oder weniger nicht erreichbar sind.

Für eine derartige genaue Spannung eines Werkzeuges, z. B. eines Fräsers, eines Gewindebohrers oder ähnlichem sind Rollspannfutter bekannt, die eine geschlitzte Zange für das Einsetzen des Werkzeugschaftes aufweisen und eine Mutter, die die Zange zusammenpreßt. Dabei sind hohe Spannkräfte und Genauigkeiten, sowie auch eine erhebliche Spannsicherheit zu erreichen. Der Nachteil dieser Rollspannfutter besteht darin, daß ein Spannen von Werkzeugen mit Durchmessern < 8 mm kaum möglich ist und die Futterköpfe aufgrund ihres Umfanges (Störkreise) einer großen Ausspannlänge bedürfen, weil das Futter sonst mit dem zu bearbeitenden Werkzeug kollidiert.

Außerdem sind Hydroden-Futter bekannt, bei denen innerhalb einer ebenfalls noch relativ großen Futterkopfes ein geschlossenes Kammersystem mit einer, dem Werkzeugschaft zugewandten Dehnbüchse existiert, die durch hydraulischen Druck komprimiert wird und dadurch den Werkzeugschaft spannt. Bei geringer Druckreduzierung oder starkem Lastwechsel ist nicht immer eine ausreichende Spannsicherheit gegeben. Auch hier kann bauartbedingt der Störkreis relativ groß sein.

Dem Rollspannfutter und Hydrodenfutter haftet der Nachteil an, daß sie relativ teuer sind.

Das preiswerteste Futter ist die gattungsgemäße Spannzange, die zudem noch den Vorteil hat, daß durch die Selbsthemmung des Morsekegels Spannsicherheit gewährleistet ist, wenn die Zugschraube sich lockern sollte.

Von daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein präzises Spannfutter zu entwickeln, das preiswerter und möglichst noch schlankere Störkreise hat und steifer ist, als die bisherigen hochgenauen Spannfutter, für die verschiedensten zylindrischen Werkzeugschäfte, auch solche mit Weldon- Schaft und Whistle-Notch-Schaft verwendbar ist, die Vorteile der bekannten Spannfutter nutzt aber deren Nachteile vermeidet.

Gelöst wird das Problem durch die Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.

Unter Verwendung des von dem Morsekegelfutter oder ähnlich schlanken Kegeln her bekannten Spannkörpers, der für übliche Spannzangen weiterhin verwendbar bleiben soll, wird die Spannzange, im folgenden als Klemmhülse bezeichnet, um die Unterschiede zu den herkömmlichen Zangen aufzuzeigen, einseitig im Mantel mit einem Rücksprung versehen, in die eine in den Spannkörper ragende oder vorzugsweise diesen durchdringende Lagesicherung z. B. ein Stift eingreifen kann, wenn die Klemmhülse im Spannzustand ist.

Anstelle des Stiftes kann auch eine andere Körperform für die Lagesicherung beispielsweise eine Raste, Kugel oder runder oder rechteckiger Körper Verwendung finden, der Formschluß zum Spannkörper mit eindeutiger Positionierung der Klemmhülse gewährleistet.

Dadurch wird erreicht, daß die Klemmhülse stets in gleicher Position im Zangenschaft sitzt und dort zumindest rotatorisch fixiert wird. Zugleich kann bei der bevorzugten Ausführungsform kontrolliert werden, ob der Stift auch eingerastet hat, weil die Bohrung für den Stift den Spannkörper durchdringt und so der Stift von außen sichtbar ist. Der Rücksprung wird bevorzugt als Längsnut parallel zur Spannkörpermittelachse ausgebildet, damit die Lagesicherung keine axiale Sperre sein kann.

Das zweite wesentliche Merkmal ist, daß die Klemmhülse im Kontaktbereich zum Werkzeugschaft, also an ihrem das Werkzeug spannenden Innendurchmesser, keinen konzentrisch gleichförmigen Ringquerschnitt hat. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Mantel der Klemmhülse von außen her bis auf die dünne, in engen Grenzen verformbare Wandung zur zentralen Bohrung hin genutet, weist jedoch eine geschlossene Innenwandung auf, so daß die Klemmhülse durch das Einziehen in den kegeligen Zangenschaft geringfügig komprimiert werden kann.

Gemäß dem dritten Merkmal weist die Klemmhülse innen einen Durchmesser auf, der etwa 0,01 mm größer ist, als der kleinste zu spannende Werkzeugschaft, wobei bei diesem Durchmesser eine exakte zylindrische Innenbohrung vorliegt. Generell soll das Übermaß in diesem Bereich etwa 0,005 mm bis 0,03 mm betragen.

Diese exakte zylindrische Bohrung mit entsprechender Passung und Oberfläche wird dadurch erzeugt, daß das Futter im eingespannten Zustand und mit gespannter Klemmhülse mittels Schleifen einen präzisen Innendurchmesser erhält. Dieser so geschliffene Innendurchmesser kennzeichnet den minimalen Durchmesser des spannbaren Werkzeugschaftes. Zugleich wird durch diese Methode erreicht, daß die Klemmhülse zwischen ihrer maximalen Öffnung und dem minimalen, exakten Innendurchmesser, Werkzeugschäfte mit entsprechend geringfügig abweichendem Durch­ messer - hier sind Bereiche von einigen hundertstel Millimeter angesprochen - spannen kann.

Insgesamt wird sichergestellt, daß die Klemmhülse vor der Benutzung im Futter geschliffen wird und diese Schleiflage auch später nach dem Auswechseln der Klemmhülse für das Spannen der Werkzeuge wieder eingenommen werden kann. Die Nuten im Mantel lassen ein entsprechendes Vorspannen der Klemmhülse zu.

Nur in den Teilen der Klemmhülse, die Kontakt zum Zangenschaft haben, ist in einer erfinderischen Variante ein die Innenwand durchstoßender Schlitz vorgesehen, damit nicht wie bei bisher üblichen Zangen einzelne Backenteile sich doch noch gegenüber der Sollage verschieben können. Dieser Schlitz soll insbesondere für Klemmhülsen verwendet werden, bei denen der Werkzeugschaft teils außerhalb des Zangenschaftes zu spannen ist und durch Pressen der hinter dem Werkzeugschaft befindlichen Teile der Klemmhülse noch genügend Klemmkräfte für das Werkzeug aufgebracht werden können.

Bei Bedarf kann der Mantel der Klemmhülse auch noch reibungsmindernd, z. B. mit Titannitrit oder ähnlichem beschichtet werden, so daß eine größere Spannkraft auf den Werkzeugschaft aufgebracht werden kann.

Anstelle der Beschichtung kann auch eine Oberfläche nach Art eines Nadelkäfiges oder Kugellager, Rollenlager oder Gleitlager geschaffen werden.

Die Bohrung für den Stift sollte vorzugsweise in dem Bereich des Maschinenschaftes angeordnet sein, der später innerhalb der Werkzeugmaschine sitzt. Dadurch ist ein zusätzlicher Schutz gegen ein Herausschleudern des Stiftes bei sehr hohen Drehzahlen gegeben. Dies ist insbesondere wichtig bei der Holzbearbeitung, wo mit Fräsern extrem hoher Drehzahl gearbeitet wird.

Für das Spannen von Werkzeugen geringer Durchmesser, insbesondere auch unterhalb 8 mm wird die Klemmhülse nur an ihrem werkzeugseitigen Ende mit einem Kontaktbereich oder Spannbereich für den Werkzeugschaft versehen, wodurch die Klemmhülse werkzeugseitig sehr schlank gestaltet werden kann, aber trotzdem noch genügend Spannfläche für den Werkzeugschaft hat. Entsprechend reduziert sich bei der Bearbeitung kleiner Werkstücke und/oder tiefer Bohrungen der Störkreis des Spannkörpers bzw. Vergrößer sich die Ausspannlänge des Werkzeuges. Die keglige Bohrung des Spannschaftes des Spannkörpers sollte nach Art eines Morsekegels oder einer ähnlich schlanken Kegelform ausgebildet sein, um die zuvor erwähnte Selbsthemmung zu behalten.

Für Werkzeuge hoher Drehzahl ist vorgesehen, daß der Spannkörper zusätzlich ausgewuchtet ist, beispielsweise kann an geeigneter Stelle in die Außenkontur des Spannkörpers eine Bohrung eingebracht und/oder ein Ausgleichsgewicht angebracht sein.

In Weiterbildung der Erfindung ist auch vorgesehen, daß die Zugschraube an ihrer werkzeugseitigen Kopffläche mit einem Anschlag versehen ist und/oder das ein Anschlag z. B. in eine Bohrung in dieser Zugschraube eingeschraubt wird, welcher einen Kopf aufweist, der komplementär zu dem Ende des einzusetzenden Werkzeugschaftes ausgebildet ist. Dadurch können auch Werkzeuge innerhalb der Klemmhülse in eine Sollage ausgerichtet sein oder es kann ein zusätzliches Drehmoment übertragen werden, was durch Formschluß und nicht durch Reibschluß in der Klemmhülse von der Werkzeugmaschine auf das Werkzeug übertragen wird. Der Anschlag bewirkt, daß das Werkzeug beim Anziehen der Klemmhülse in seiner relativen Lage zum Spannkörper verharrt, die durch entsprechendes Einstellen mit einem Kegellehrenmaß vorab definiert werden kann. Außerdem kann der Anschlag so gestaltet sein, daß beispielsweise der Vierkant eines entsprechendes Gewindebohrers in den Anschlag eingeführt wird, so daß auf entsprechend synchronisierten Maschinen Gewinde direkt geschnitten werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Spannfutter entfällt das bisher übliche Justieren von Werkzeugen innerhalb des Spannfutters mit Hilfe von radialen Justierschrauben und das zusätzliche Spannen des Werkzeuges an entsprechenden Hinterschnitten des Werkzeugschaftes.

Die Zahl der Teile eines derartigen Spannfutters ist auf vier oder fünf Teile reduziert, so daß ein problemloser Zusammenbau möglich ist, wobei die spezielle Form der Hülse und ihre Lage während der Bearbeitung immer sicherstellt, daß Rundlaufgenauigkeiten von weniger als 5 µm, in der Regel weniger als 3 µm garantiert werden können. Das Werkzeug bedarf auch keiner inneren Kühlmittelzufuhr, da die Klemmhülse und der Zangenschaft sehr schlank gestaltet werden können und daher eine Kühlmittelzufuhr von außen an das Werkzeug immer möglich ist.

Das Werkzeug kann unmittelbar an der Spitze des Zangenschaftes gespannt werden, nicht erst innerhalb des Zangenschaftes mit etlichen Millimetern Abstand zum Werkstück.

Letztlich ist es möglich, auch Spannhülsen nach dem Stand der Technik auch solche ohne Nuten oder Schlitze einzusetzen, sowie herkömmliche genormte Morsekegelschäfte zu verwenden, wenn auf die Klemmhülse verzichtet wird. Dadurch ist das erfindungsgemäße Spannfutter sehr universell einsetzbar und auch preiswert herzustellen.

Anhand einer Zeichnung mit Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Klemmhülse für kleine Werkzeugschäfte;

Fig. 2a, b einen Teilschnitt durch eine Klemmhülse gemäß Fig. 1 in um 90° versetzter Ansicht und eine Draufsicht;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Klemmhülse in Seitenansicht analog Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt durch die zweite Ausführungsform der Klemmhülse gemäß Fig. 3 mit um 90° gedrehter Lage;

Fig. 5 ein komplettes Spannfutter mit einer dritten Ausführungsform der Klemmhülse im Teilschnitt;

Fig. 6 ein komplettes Spannfutter mit eingesetztem Werkzeugschaft und einer vierten Form der Klemmhülse.

Eine Klemmhülse 1 gemäß den Fig. 1 und 2 weist einen zylindrischen Teil 4 und ein mit Kegelmantel versehenes Klemmteil 2 auf. Der zylindrische Teil hat an seinem Außenumfang eine vertikale Nut 8, in die ein Stift 21 (Fig. 5) in einer entsprechenden Bohrung 28 im Maschinenschaft des Spannkörpers eingreifen kann. Dadurch wird die Lage der Klemmhülse in dem Zangenschaft 40 in radialer Richtung, sowie in minimaler und maximaler Einschubtiefe bestimmt. Der Mantel ist mit Nuten 7 versehen, die in Teilbereichen 37 - maschinenschaftseitig hinter dem Werkzeugklemmbereich - als Schlitz durch den Mantel bis zur Gewindebohrung 6 der Klemmhülse 1 reichen. An ihrer werkzeugseitigen Spitze weist die Klemmhülse 1 eine exakte zentrische Bohrung 5 auf, in der ein Werkzeugschaft gespannt werden kann. Durch Verringerung des Durchmessers des Mantels 9 an dem Ende 3 der Klemmhülse hat diese dort einen sehr geringen Störkreis und ermöglicht es auch, tiefe und kleine Bohrungen oder Nuten mit dem eingespannten Werkzeug zu bearbeiten und zudem Kühlmittel von außen an das Werkzeug zu führen. Es ist klar ersichtlich, daß im gesamten Klemmbereich 2, genauer im Kontaktbereich zum nicht dargestellten Werkzeug, die Klemmhülse mit sehr dünner verformbarer Wandung 6 gestaltet ist, so daß große Klemmkräfte auf den Werkzeugschaft ausgeübt werden können. Fig. 2b zeigt die werkzeugseitige Draufsicht auf die Klemmhülse gemäß Fig. 2a mit ihren vier Rücksprüngen oder Nuten 7 im Mantel 9. Die Zahl der Nuten kann z. B. in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser oder der Dicke der Wandung variieren, um die erforderliche Klemmkraft erzeugen zu können.

In gleicher Weise ist eine zweite Ausführungsform der Klemmhülse 11 mit entsprechender Wanddicke im Bereich der Kontaktfläche der Innenbohrung 15 des Klemmbereiches 12 der Klemmhülse ausgebildet. Auch diese Form der Klemmhülse kann, wie eine weitere Ausführungsform gemäß. Fig. 5 zeigt, entweder Nuten 17 (Fig. 3) oder Schlitze 47 (Fig. 5) aufweisen, sowie an ihrer, dem Werkzeug zugewandten, Kopffläche mit einem geschlossenen Ringquerschnitt 13 ausgestattet sein, um beim Schleifen eine entsprechende Vorspannung in dem Klemmbereich 12 der Hülse aufbringen zu können. Auch hier ist die Klemmhülse an ihrem, dem Spannkörper zugewandten, Ende 14 außen zylindrisch gestaltet, während der Klemmbereich einen kegligen Mantel aufweist für eine entsprechende keglige Bohrung im Spannschaft. Der zylindrische Bereich weist wiederum einen Rücksprung 18 für einen einzusetzenden Stift 21 auf. Außerdem ist, beginnend an diesem zylindrischen Ende der Klemmhülseninnenseiten, das zuvor beschriebene Gewinde 16 für eine einzusetzende Zugschraube dargestellt.

Fig. 5 und 6 zeigen zusammengebaute Spannfutter, einmal zum Schleifen vorbereitet und einmal mit Werkzeug. In Fig. 5 ist der Spannkörper aufgebrochen dargestellt. Er weist eine durchgehende Bohrung 26, 30, 29 auf. Bohrung 26 im Maschinenschaft 10, der außenseitig mit einem Kegel für die Aufnahme in eine Spindel der nicht dargestellten Werkzeugmaschine, sowie mit einem Innengewinde für das Spannen versehen ist, ermöglicht es, eine Zugschraube 20 mit einem für ein geeignetes Werkzeug ausgebildeten Kopf 23 einzuführen. Dabei greift ein Außengewinde der Schraube 20 in ein Innengewinde im zylindrischen Teil 14 der Klemmhülse ein und die Klemmhülse kann soweit in die keglige Bohrung 29 eingezogen werden bis die Klemmhülse ihre maximale Pressung erreicht. Selbstverständlich ist dazu die zylindrische Bohrung 30 im Spannkörper so lang gestaltet, daß die Klemmhülse nicht im Maschinenschaft 10 anstößt. Beim Einführen in den Spannschaft 40 ist darauf zu achten, daß die zum maschinenseitigen Ende der Klemmhülse hin offene Nut 18 in eine Radiallage gedreht ist, in der der Stift 21 in Bohrung 28 in den Rücksprung 18 einrasten kann, was von außen durch die Bohrung 28 am Maschinenschaft beobachtet werden kann. Zum Ausgleich dieser Bohrung und anderer Einschnitte am Spannkörper kann eine Auswuchtbohrung 25 erzeugt werden. Diese Bohrung kann auch für das Einsetzen von Ausgleichsgewichten zum Auswuchten des Spannkörpers bzw. des kompletten Futters dienen. In die Zugschraube 20 ist eine Bohrung 22 eingebracht, in die ein Anschlag 24 eingeschraubt ist.

Fig. 6 zeigt einen Spannkörper analog Fig. 5, jedoch ist hier dargestellt, daß die Klemmhülse 27 weder genutet noch geschlitzt ist. Dies ist für ein präzises Spannen des Werkzeugschaftes 41 dann möglich, wenn die Hülsenwandung insgesamt sehr dünn dimensioniert ist und deshalb keiner Nuten oder Schlitze bedarf. In diesem Fall ist - zur Warnung - sichtbar, daß der dunkle Stift 21 nicht eingerastet ist, sondern bis etwa an die Mantelfläche des Maschinenschaftes 10 reicht. Ebenso ist aus Fig. 6 zu ersehen, daß auch ein Werkzeugschaft mit Morsekegel anstelle der Hülse in einen derartigen Spannkörper einsetzbar ist, wobei in den letztgenannten Fällen natürlich die Nachteile, die die Klemmhülse der erfindungsgemäßen Version vermeidet, auftreten können.

Der Fachmann erkennt daran, daß der Spannkörper sowohl für den erfindungsgemäßen Präzisionszweck mit sehr hochgenauerer und auch etwas weniger genauer Spannung von Werkzeugen einsetzbar ist, aber genauso mit dem bisher im Betrieb vorhandenen Werkzeug bestückbar ist, was dem Betrieb Kosten für eine Umrüstung erspart.

Claims (16)

1. Spannfutter für das Spannen von zylindrischen Werkzeugschäften, umfassend einen Spannkörper mit Maschinenschaft und Zangenschaft, die eine koaxiale Bohrung aufweisen, welche im Zangenschaft keglig ausgebildet ist, eine Klemmhülse mit teils kegligem Mantel für das Einsetzen in die Bohrung des Zangenschaftes sowie eine Zugschraube, welche vom Maschinenschaft her in eine zentrische Gewindebohrung der Klemmhülse eingreifen und diese samt Werkzeugschaft im Zangenschaft spannen kann, wobei

• - die Klemmhülse (1, 11) einseitig im Mantel (9, 19) einen Rücksprung (18) aufweist, in die ein in den Spannkörper (10) ragendes Mittel zur eindeutigen Lagesicherung (21) der Klemmhülse im Spannzustand eingreifen kann,
• - die Klemmhülse mindestens im Kontaktbereich (2, 12) zum Werkzeugschaft (41) mit einer geschlossenen dünnen zylindrischen Innenwandung, der Mantel jedoch mit äußeren Nuten versehen ist, die sich axial vom Maschinenschaft bis zum werkzeugseitigen Ende erstrecken und
• - die Klemmhülse im Spannzustand im gesamten Kontaktbereich mit dem Werkzeugschaft eine exakte zylindrische Innenbohrung (5, 15) mit einem Durchmesser, der etwa 0,005 bis 0,03 mm größer ist, als der zu spannende Werkzeugschaft, aufweist.

2. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücksprung (18) als sich in Achsrichtung der Klemmhülse erstreckende Längsnut gestaltet ist.

3. Spannfutter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmhülse in Teilen des Mantels, die Kontakt zum Zangenschaft haben, Schlitze (37, 47) aufweist.

4. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Lagesicherung Rasten, Kugeln, rechteckige, ovale oder zylindrische Formkörper umfassen.

5. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Lagesicherung ein Stift (21) ist und in einer Bohrung (28) im Bereich des Maschinenschaftes (10) sitzt.

6. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Nuten oder Schlitze mit einer zu den übrigen Nuten oder Schlitzen abweichenden Form als Lagesicherung dient.

7. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die exakte zylindrische Innenbohrung (5, 15) bei gespanntem Futter und gespannter Klemmhülse eine durch Schleifen erzeugte Passung und Oberfläche aufweist.

8. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (9, 19) reibungsmindernd gestaltet ist.

9. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reibungsmindernde Gestaltung eine Beschichtung mit Titanverbindungen oder die Ausbildung als die Manteloberfläche überdeckender Käfig für die Halterung von Rollagerelementen oder Gleitlagerelementen umfaßt.

10. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmhülse (1) nur in ihrem werkzeugseitigen Ende (3) einen Kontaktbereich hat.

11. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmhülse (1) werkzeugseitig einen verjüngten Mantel (3) hat.

12. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die keglige Bohrung (29) eine Morsekegel-Form oder etwa gleichschlanke Kegelform hat.

13. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannkörper (10, 40) ausgewuchtet ist.

14. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugschraube (20) mit einem Anschlag (24) für einen Werkzeugschaft (41) versehen ist.

15. Spannfutter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (24) eine, dem Ende des einzusetzenden Werkzeugschaftes komplementäre Form hat und genutet, geschlitzt, plan oder durchbohrt ist.

16. Spannfutter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (24) in eine Gewindebohrung (22) der Zugschraube (20) eingesetzt ist.