DE19701394C1 - Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für mehr­ seitig zu bearbeitende Werkstücke nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Solche Haltevorrichtungen werden bei Werkzeugmaschinen benötigt, mit denen Werkstücke von verschiedenen Seiten im Stillstand mit unterschiedlichen Werkzeugen bearbeitet werden. Dabei werden die Werkstücke mit Hilfe einer in die Werkzeugmaschine eingebauten, über ein Steuergerät betätigbaren Winkelschalteinrichtung von einer Bearbeitungsstellung in eine weitere geschwenkt. Die Halte­ vorrichtung hat dabei die Aufgabe das Werkstück in die einzelnen Bearbeitungsstellungen ohne die Beaufschlagung durch Bearbeitungs­ kräfte weiterzudrehen bzw. im Stillstand während der Bearbeitung abzustützen.

In der EP 0547 554 B1 ist eine Werkstückhaltevorrichtung für auf Werkzeugmaschinen mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke beschrie­ ben, bei der das Werkstück zwischen zwei in axialer Richtung ge­ geneinander bewegbaren, mit ebenen Klemmflächen versehenen Klemm­ stücke mittels einer Klemmkraft eingespannt wird.

Zur Abstützung und zur Bewegungsübertragung ist jedes der Klemm­ stücke mit einer Spindel verbunden, die jeweils in einem auf dem Arbeitstisch der Werkzeugmaschine befestigten Gehäuse gelagert ist. Das erste Gehäuse nimmt dabei neben der Antriebsspindel die mit ihr verbundene Winkelschalteinrichtung auf, während im zweiten Gehäuse die mit einem Antrieb zur Erzeugung der Klemmkraft verbun­ dene, frei drehbare Stützspindel untergebracht ist.

In der DE 38 22 408 C2 ist ein Schraubstock mit Klemmbacken be­ schrieben, bei dem zwei Klemmbacken mit Hilfe einer gemeinsamen Spindel eine gegeneinander gerichtete Spannbewegung ausführen. Beim Einspannvorgang wird das Werkstück auf jeder Seite mit einer Spannkante der jeweiligen Klemmbacke erfaßt. Mit zunehmender Spannkraft schwenkt jede der Klemmbacken um eine horizontale Schwenkachse gegen die zunehmende Kraft von im Schraubstock unter­ gebrachten Rückstellfedern. An diesen elastischen Bereich schließt sich bei weiter anwachsenden Klemmkraft ein starrer Bereich an, in welchem sich der Rahmen des Schraubstocks elastisch aufbiegt. Hinterschneidungen in den Spannflächen der Klemmbacken stellen sicher, daß die Berührung zwischen den letzteren und dem Werkstück während des gesamten Einspannvorgangs immer an den Spannkanten stattfindet. Die Lage der Schwenkachsen ist so gewählt, daß auf das Werkstück mit steigender Klemmkraft ein Niederzug wirkt, der letzteres auf die Anlagefläche des Schraubstocks drückt.

Mit dem vorstehend beschriebenen Schraubstock lassen sich elas­ tische Verformungen beim Einspannen von Werkstücken so kompensie­ ren, daß die Berührungsstellen zwischen den Backen und dem Werk­ stück unabhängig von der Größe der Spannkraft unverändert bleiben. Die dabei eingesetzten Merkmale lassen sich jedoch bei einer Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke, die zwischen den einzelnen Arbeitsgängen um ihre Achse verschwenkt werden, nicht anwenden.

Mit zunehmender Größe der Klemmkraft verformen sich die verspann­ ten Teile, wie die beiden Gehäuse mit ihren Befestigungsschrauben und der zwischen ihnen liegende Teil des Arbeitstisches so, daß die Achsen der beiden Spindeln jeweils einen Winkel gegen die Ebe­ ne des Arbeitstisches bilden und sich dabei im Bereich des Werk­ stückes schneiden. Obwohl diese Winkel sehr klein sind, haben die Verformungen eine Veränderung der Werkstücklage gegenüber der ide­ elen Werkstückachse zur Folge, was zu unzulässigen Maßabweichungen bei der Bearbeitung führt. Außerdem kann die aus den Verformungen resultierende abweichende Lage der Klemmflächen an den Klemmstücken auch eine nicht unbeträchtliche Exzentrizität des Angriffs­ punktes der Klemmkraft hervorrufen, die zu einer instabilen Ein­ spannung des Werkstückes führt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.

Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, an der gattungsge­ mäßen Vorrichtung Maßnahmen zur Verringerung oder völligen Behe­ bung der durch die Spannkraft hervorgerufenen Verformungen anzu­ bringen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Haltevorrich­ tung der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß die Antriebsspin­ del und die Stützspindel im unbelasteten Zustand mit ihren Achsen gegen die Aufspannebene der Werkzeugmaschine eine Neigung um den Winkel (α1) und um den Winkel (α2) aufweisen, die nach der Ein­ spannung eines Werkstücks mit einer Nennklemmkraft (Fkn) in die koaxiale Richtung der beiden Achsen übergehen, und daß wenigstens an einem der Gehäuse Vorkehrungen für eine Höhenverstellung des zugehörigen Klemmstücks vorgesehen sind.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, die beim Anlegen einer Klemmkraft an das Werkstück auftretenden Verformungen mit Hilfe einer geeigneten Ausbildung der Sockel der beiden Gehäuse so zu kompensieren, daß beim Erreichen eines definierten Wertes der Klemmkraft das Werkstück in die für die Bearbeitungsvorgänge vorgesehene Einspannposition gelangt ist.

Demgemäß werden die beiden Gehäuse so ausgeführt, daß die Achsen der Antriebs- und der Stützspindel im unbelasteten Zustand jeweils eine Neigung gegenüber der Aufspannfläche des Arbeitstisches auf­ weisen und sich dabei im Bereich des einzuspannenden Werkstücks schneiden. Bei Belastung mit einer bestimmten, für die meisten Werkstücke ausreichenden Nennklemmkraft verformen sich die belas­ teten Bauteile der Werkzeugmaschine so, daß sich die Achsen der Antriebs- und der Stützspindel koaxial und die Klemmflächen paral­ lel zueinander einstellen. In diesem Zustand weist das Werkstück keine von der Einspannung herrührende Verformung oder Lageänderung gegenüber den Teilen der Werkzeugmaschine auf; an ihnen kann nun jede beliebige Präzisionsbearbeitung vorgenommen werden.

Damit mit der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung auch Werkstücke bei einer von dem Nennwert abweichenden Klemmkraft bearbeitet wer­ den können, ist an wenigstens einem der Gehäuse, vor allem an dem mit der geringeren Biegesteifigkeit eine Vorkehrung vorgesehen, mit der ein geringer Höhenausgleich durchgeführt werden kann. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird auf einfache Weise eine Verschiebung des Schnittpunktes der beiden Achsen in Richtung auf das höhenver­ stellbare Klemmstück vorgenommen und somit eine Minimierung der Verformung des Werkstücks infolge der Schrägstellung der Klemm­ stücke erreicht. Zur Höhenverstellung ist am Fuß des Sockels des jeweiligen Gehäuses eine Einrichtung, die nach dem Prinzip der schiefen Ebene arbeitet, vorgesehen. Dazu wird neben einem Keil auch eine Konstruktion mit einem Stützteil, dessen Verstellung mit Hilfe eines Feingewindes vorgenommen wird, eingesetzt. Dabei er­ möglicht eine die Klemmkraft anzeigende Skala die erforderliche Einstellung bereits vor dem Einsetzen des Werkstücks vorzunehmen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen hingewiesen, die im Einzelnen folgendes darstellen:

Fig. 1 Vereinfachte Darstellung der Haltevorrichtung ohne Werkstück;

Fig. 2 Haltevorrichtung mit einem beim Nennwert der Klemmkraft eingespannten Werkstück;

Fig. 3 Prinzipielle Darstellung der Verformungen bei einer den Nennwert übersteigenden Klemmkraft;

Fig. 4 Verformungen eines Werkstücks geringer Biegesteifigkeit bei einer den Nennwert übersteigenden Klemmkraft;

Fig. 5 Reduzierte Verformung des Werkstücks zu Fig. 4 nach einer Höhenverstellung des zweiten Klemmstücks;

Fig. 6 Höhenverstellung des zweiten Klemmstücks durch ein mit einem Feingewinde verstellbaren Stützteil;

Fig. 7 Schnitt A-B zu Fig. 6;

Fig. 8 Ansicht in Richtung D gegen den Sockel des zweiten Ge­ häuses in vergrößerter Darstellung.

Auf dem Arbeitstisch 1 einer Werkzeugmaschine sind gemäß Fig. 1 das erste Gehäuse 2 mit der Antriebsspindel 4 und dem an ihr be­ festigten ersten Klemmstück 7 sowie das zweite Gehäuse 3 mit der Stützspindel 5 und dem an ihr befestigten zweiten Klemmstück 8 in bekannter Weise aufgebaut. Erfindungsgemäß sind dabei die Achsen 14 und 15 gegenüber der fiktiven, horizontalen Werkstückachse 19 um die Winkel α1 bzw. α2 geneigt und schneiden sich im Punkt S. Die beiden Winkel α1 und α2 reichen bis etwa 1° und sind in Fig. 1 zur besseren Kenntlichmachung größer als in der realen Ausführung gezeichnet. Weil das erste Gehäuse 2, in dem neben der Lagerung der Antriebsspindel 4 auch die nicht dargestellte Winkel­ schalteinrichtung untergebracht ist, mit seinem Sockel 12 im all­ gemeinen größer und steifer ausgeführt ist als das zweite Gehäuse 3, das lediglich die Lagerung der Stützspindel 5 aufnimmt, mit seinem Sockel 13, ist der Winkel α1 im allgemeinen kleiner als der Winkel α2. Während der Sockel 12 unveränderbar auf dem Ar­ beitstisch 1 befestigt ist, weist der Sockel 13 einen unabhängi­ gen, unter einem Winkel β geneigten Fuß 11 auf, durch dessen ho­ rizontale Verschiebung die Höhe der Stützspindel 5 in einem die Ausrichtung eines eingespannten Werkstücks verbessernden Maße ein­ gestellt werden kann. Dabei kann der Fuß 11 mit Langlöchern verse­ hen sein, durch die die Befestigungsschrauben 6 durchgesteckt wer­ den, mit denen der Sockel 13 am Arbeitstisch 1 festgestellt ist. Der Fuß 11 ist gemäß Fig. 8 mit Hilfe einer in Nuten 21 desselben und der Platte 20 des Sockels 13 eingreifenden Feder 22 in Rich­ tung der Verstellbewegung geführt. In dem gezeigten Beispiel ist der Fuß 11 nur so breit, wie es die lichte Weite zwischen den in Bohrungen der Platte 20 angebrachten Befestigungsschrauben 6 zu­ läßt. Der Fuß 11 kann aber auch bei einer Breite, die der der Platte 20 entspricht, Langlöcher für den Durchgriff der Befesti­ gungsschrauben 6 aufweisen. Die Fig. 2 zeigt die Haltevorrichtung mit einem Werkstück 9a, das mit einer dem Nennwert entsprechenden Klemmkraft Fk zwischen den Klemmstücken 7 und 8 eingespannt ist. Wie bei der bekannten Werkstückhaltevorrichtung läßt sich das Werkstück 9a mittels einem von der Winkelschalteinrichtung über­ tragenen Verstellmoment Mw in die verschiedenen Bearbeitungsstel­ lungen schwenken.

Die vom Antrieb im zweiten Gehäuse 3 aufgebrachte, über die Stütz­ spindel 5 auf das Werkstück 9a übertragene Klemmkraft Fk ruft Ver­ formungen hervor, die bei der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung auf die in Fig. 1 angegebenen Winkel α1 und α2 eine Rückstell­ wirkung ausüben, die die Winkel bei dem Nennwert Fkn der Klemm­ kraft gegen Null gehen läßt. Dieser Wert ist so gewählt, daß mit ihm die meisten Werkstücke sicher bearbeitet werden können. Sollen Werkstücke 9a bearbeitet werden, für die eine über den Wert Fkn hinausgehende Klemmkraft Fk erforderlich ist, so stellt sich eine weitergehende Verformung insbesondere des zweiten Gehäuses 3 und, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Neigung des Klemmstücks 8 und der mit ihm verbundenen Achse 15 der Stützspindel um den Winkel α'2 ein. Zur Vereinfachung ist in Fig. 3 angenommen, daß die Neigung des ersten Gehäuses 2 und der Achse 14 der Antriebsspindel ver­ nachlässigbar klein ist. Gegen letztere weicht der Mittelpunkt T der Achse des Werkstücks 9a infolge der zusätzlichen Verformung um das Maß X ab. Auch wenn eine solche Abweichung nur im Bereich von einigen Hundertstel Millimeter liegt, ist bei der Bearbeitung die Einhaltung von engtolerierten Maßen nicht mehr möglich. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Höhenverstellung des Sockels 13 durch den unter dem Winkel β angesetzten Fuß 11 läßt sich die Verstellung X durch eine Verschiebung des Fußes 11 nach rechts so weit korrigie­ ren, bis das zweite Gehäuse 3 mit dem zweiten Klemmstück 8 um das Maß X angehoben ist. Die dabei erreichte Einstellung des Fußes 11 ist in Fig. 2 zu erkennen. Die Neigung der Achse 15 und des Klemmstücks 8 bleibt dabei allerdings erhalten; die Einhaltung der Präzisionsmaße bei der Produktion von Werkstücken 9a wird dabei aber nicht beeinträchtigt, es bleibt lediglich eine ungleichför­ mige Belastung der Lagerung der Stützspindel 5 infolge des unter­ halb des Mittelpunktes T liegenden resultierenden Angriffspunktes R der Klemmkraft Fk bestehen.

Werden mit der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung lange Werkstücke 9b von vergleichsweise geringer Biegesteifigkeit mit einer den Nennwert Fkn übersteigenden Klemmkraft eingespannt, so stellt sich im Prinzip die in der Fig. 4 schematisch dargestellte Lage ein, bei der die Achse 15 wiederum unter einem Winkel α2 gegenüber der in horizontaler Lage verbleibenden Achse 14 geneigt ist. Die Spannflächen des Werkstücks 9b liegen dabei an den beiden Klemm­ stücken 7 und 8 durchgehend an, die Klemmkraft Fk wird demgemäß über die gesamte Berührungsfläche übertragen. Die Achse 19 des Werkstücks nimmt gemäß Fig. 4 eine gekrümmte Form an, ihre größte Abweichung X von der unverformten Lage ergibt sich wiederum an der Berührungsstelle des geneigten zweiten Klemmstücks 8. Dasselbe gilt für die größte Abweichung f1 der Werkstückkontur von der Achse 14, die für Einhaltung von Produktionsmaßen maßgebend ist. Bei der Höherstellung des zweiten Klemmstücks 8 mit der von den Fig. 1 und 2 bekannten Vorkehrung ist wegen der gekrümmten Form der Werkstückachse 19 eine Minimierung der Abweichungen des Werk­ stücks 9b, wie in Fig. 5 gezeigt, nur durch einen Abgleich der Abweichungen f2' und f2'' zu erreichen. Diese Werte hängen von dem durch die Verstellung des Fußes 11 (Fig. 2) nicht zu beeinflus­ senden Winkel α2, also von dem Wert der Abweichung der Klemmkraft Fk von deren Nennwert ab.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedan­ kens ist gemäß den Fig. 6 und 7 in dem Sockel 13 des Gehäuses 3 ein Stützteil 16 mittels einem Feingewinde eingesetzt. Dazu ist im Unterteil des Sockels 13 ein Gewindezapfen 18 eingearbeitet, der mit dem Innengewinde des Stützteils 16 zusammenwirkt, an dem zur Verstellung beispielsweise wenigstens zwei Schlüsselflächen ange­ bracht sind. Bei einer Steigung von 1 mm ergibt zum Beispiel eine Drehung von 30° eine Höhenverstellung von 0,08 mm. Der Sockel 13 läuft in seinem Unterteil in einer Platte 20 aus, die mit vier Bohrungen 24 für die Befestigungsschrauben versehen ist (Fig. 7). Zur Absenkung des Druckes auf den Arbeitstisch 1 ist die untere Stirnfläche des Stützteils 16 in der Grundplatte 23 eingesetzt, die etwa die Größe der Platte 20 aufweist und ebenfalls von den die Bohrungen 24 der Platte 20 durchdringenden Befestigungsschrau­ ben gehalten ist. Mit der Vertiefung 25 wird die Führung des Stützteils 16 in der Grundplatte 23 verbessert.

Die in den Fig. 6 und 7 gezeigte Höhenverstellung läßt sich sehr einfach nach Lösen der Befestigungsschrauben ohne seitliche Verschiebung auf dem Arbeitstisch 1 betätigen. Mit der Skala 17 (Fig. 1) ist die genaue Einstellung des Maßes X an Hand der Abweichungen der Klemmkraft durchzuführen.

Claims (7)

1. Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke mit zwei das Werkstück mit Hilfe einer in axialer Richtung wirkenden Klemmkraft aufnehmenden, ebene Klemmflächen aufweisenden Klemm­ stücken, von denen das erste Klemmstück mittels einer in einem ersten Gehäuse gelagerten drehbaren Antriebsspindel mit einer Winkelschalteinrichtung und von denen das zweite Klemmstück mit­ tels einer in einem zweiten Gehäuse gelagerten drehbaren und axial verschiebbaren Stützspindel mit einem die Klemmkraft erzeugenden Antrieb verbunden ist und bei der die beiden Gehäuse auf dem Ar­ beitstisch einer Werkzeugmaschine angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsspindel (4) und die Stützspindel (5) im unbelas­ teten Zustand mit ihren Achsen (14, 15) gegen die Aufspannebene der Werkzeugmaschine eine Neigung um den Winkel (α1) und um den Winkel (α2) aufweisen, die nach der Einspannung eines Werkstücks (9a, 9b) mit einer Nennklemmkraft (Fkn) in die koaxiale Richtung der beiden Achsen (14, 15) übergehen, und daß wenigstens an einem der Gehäuse (2, 3) Vorkehrungen für eine Höhenverstellung des zugehörigen Klemmstücks (7, 8) vorgesehen sind.

2. Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gehäusen (2, 3) mit sehr unterschiedlichen Biegesteifig­ keiten die Höhenverstellung lediglich an dem Gehäuse (3) mit der geringeren Biegesteifigkeit vorgesehen ist.

3. Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (13) des mit der Höhenverstellung versehenen Ge­ häuses (3) gegen den Arbeitstisch (1) durch einen längs einer mit dem Winkel (β) gegen letzteren geneigten Fläche verschiebbaren Fuß (11) abgeschlossen ist.

4. Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fuß (11) und einer am Sockel (13) angeformten Platte (20) eine Führung, vorzugsweise eine Nut-Feder-Anordnung vorgesehen ist.

5. Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (13) des mit der Höhenverstellung versehenen Ge­ häuses (3) gegen den Arbeitstisch (1) mittels eines mit einem Feingewinde geringer Steigung verstellbaren Stützteils (16) ab­ geschlossen ist.

6. Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützteil (16) auf einer mit dem Sockel (13) gemeinsam an dem Arbeitstisch (1) angebrachten, vorzugsweise mit einer an die Abmessungen des Stützteils (16) angepaßten Vertiefung (25) verse­ henen Grundplatte (23) geführt ist.

7. Haltevorrichtung für mehrseitig zu bearbeitende Werkstücke nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verstellung des Sockels (13) eine vorzugsweise die Abweichung vom Nennwert der Klemmkraft (Fkn) anzeigenden Skala (17) vorgesehen ist.