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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugaufnahme für eine Schnellfrequenzspindel
der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.
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Unter
Schnellfrequenzspindel sind solche Werkzeugmaschineneinheiten zu
verstehen, die für die üblichen
Bearbeitungsaufgaben wie Fräsen,
Bohren, Schleifen und dergleichen dienen, jedoch kein eigenes Maschinengestell
besitzen. Sie werden vielmehr an ihrem zumindest in axialen Abschnitten
zylindrischen Gehäuse
in eine externe Aufspannvorrichtung eingespannt. Der direkt auf
die Spindel wirkende Elektromotor erzeugt hohe Drehzahlen im Bereich
von 30.000 bis über
100.000 U/min. Die Elektromotoren werden mit einer erhöhten Frequenz
gespeist, die durch einen Frequenzumformer oder in ähnlicher
Weise gewonnen wird.
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Die
Spindel ist an ihrem der Ankopplung eines Werkzeugs dienenden Ende üblicherweise
mit einer Werkzeugaufnahme versehen, die – je nach Ausführungsform – einen
manuellen oder einen vollautomatischen Werkzeugwechsel gestatten.
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Insbesondere
an die Werkzeugaufnahmen für
einen vollautomatischen Werkzeugwechsel werden heutzutage hohe Anforderungen
gestellt, da Werkzeugwechselfrequenzen von 30/Std. keine Seltenheit
sind und zum Erreichen einer ausreichenden Standzeit Betätigungszahlen
von einer Million wünschenswert
sind.
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Automatisch
arbeitende Werkzeugaufnahmen zu schaffen, die diesen Anforderungen
genügen,
stellt insbesondere bei Spindeln mit einer Arbeitsdrehzahl von 30.000/Min.
und mehr eine erhebliche Schwierigkeit dar, da zur Reduzierung der
in Betrieb entstehenden Zentrifugalkräfte die Spindellager auf solche
mit einem Bohrungsdurchmesser kleiner oder gleich 30 mm zu reduzieren
sind, wodurch der zur Ausbildung der Werkzeugaufnahme zur Verfügung stehende
Raum begrenzt ist.
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Aus
der
DE 43 16 411 C1 ist
eine automatisch betätigbare
Werkzeugaufnahme bekannt. Sie umfaßt eine sich durch die Längsausnehmung
der in diesem Fall hohlgebohrten Spindelwelle erstreckende Zugstange,
die unter der Wirkung einer sie umgebenden, in der Längsausnehmung
angeordneten Tellerfeder federkraftbeaufschlagt ist. Die Zugstange weist
an ihrem dem Werkzeug zugewandten Ende ein Spannelement auf, welches
dem Einziehen des Werkzeugsitzes in einen das Ende der Spindelwelle bildenden
Kegelsitz dient. Hierzu ist das Spannelement etwa topfförmig mit
kreisrundem Querschnitt ausgebildet, wobei in die Mantelfläche eine
Vielzahl sich bis nahe des Bodens erstreckende Schlitze eingearbeitet
sind, so daß sich
von letzterem eine Vielzahl von Zungen erstreckt. Diese weisen im
Bereich ihrer dem Werkzeug zugewandten Enden nach innen gerichtete
Vorsprünge
auf, die vom Werkzeug fortweisende Arretierflächen umfas sen, die dem Hintergreifen
einer oder mehrerer an dem Werkzeug oder an einer Werkzeughalterung
vorgesehener Arretierflächen
dienen. Das Spannelement ruht in einem in der Spindelwelle eingearbeiteten
Sitz, dessen Wandungen derart ausgebildet sind, daß sich die
die Fortsätze
aufweisenden Enden der Laschen bei einer Verlagerung des Zugbolzens
in Richtung der Federkraft unter einer elastischen Verformung nach
innen verlagern, um so in Eingriff mit der Gegenarretierfläche zu gelangen.
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Zwar
ist mit dieser bekannten Werkzeugaufnahme ein einfacher Werkzeugwechsel
durch Betätigung
des Zugbolzens entgegen der Federkraft, was beispielsweise mit hydraulisch,
pneumatisch, mechanisch oder elektromagnetisch betätigbaren
Krafterzeugern geschehen kann, möglich.
Es hat sich in der Praxis jedoch gezeigt, daß es bei besonders starker Belastung
des Spannelements durch hohe Betriebsdrehzahlen der Spindel und
häufigen
Werkzeugwechsel zum Bruch einzelner Laschen des Spannelements kommen
kann. Dies ist nach derzeitiger Erkenntnis darauf zurückzuführen, daß das Spannelement
bzw. dessen Laschen im gespannten Zustand während des Betriebes ständig unter
einer Biegespannung stehen, die dann im Betrieb zu einer Spannungs-Rißbildung
führen
kann. Ferner ist die mit den Laschen übertragbare Einzugskraft, mit
der das Werkzeug bzw. der Werkzeughalter gezogen werden kann, teilweise
zu niedrig, da heute oft erforderliche Einzugskräfte von 1000 N und mehr aufgrund
der notwendigen Flexibilität
der Laschen des Spannelements nicht übertragbar sind.
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Aus
der
DE 43 03 608 A1 ist
eine Spanneinrichtung für
ein Werkzeug bekannt, bei welcher das Spannelement aus einzelnen
nicht miteinander verbundenen Spannsegmenten besteht. Um ihre gleichmäßige Verteilung über den
Umfang aufrechtzuerhalten, enthalten die Spannsegmente an ihren
der Zugstange zugewandten Enden je einen Nutenstein, der in eine
von mehreren über
den Umfang verteilten Nuten in dem Endabschnitt des Spannelementlagers eingreift.
Bei einer Verlagerung des Spannelements zwischen der Arretier- und
der Werkzeugwechselstellung findet eine Relativbewegung zwischen
einem die Betätigung
ermöglichenden
Zugbolzen und den Spannsegmenten in axialer Richtung statt.
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Nachteilig
ist bei dieser Spanneinrichtung, dass eine exakte Positionierung
der Spannsegmente zueinander auch nach mehreren Betätigungsvorgängen nicht
gewährleistet
ist, so dass diese Spanneinrichtung zur Verwendung von Spindeln
mit Drehzahlen von bis zu 100.000 Umdrehungen pro Minute wegen der
zu erwartenden Unwuchten nur bedingt geeignet ist.
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Von
der Fa. Jakob Ott Spanntechnik ist aus dem Prospekt „Modulare
Spanntechnik" eine
Werkzeugaufnahme bekannt, bei welcher das Spannelement aus mehreren, über den
Umfang des Zugbolzens verteilten Spannsegmenten besteht. Diese weisen
Fortsätze
auf, die in einer in den Zugbolzen eingearbeitete Rundumnut derart
eingreifen, dass sie gegen ein Ver schiebung relativ zum Zugbolzen
in Richtung der Spindelwellenachse gesichert sind, eine Verschwenkbewegung
der Segmente zum Hintergreifen bzw. Freigeben der an dem Werkzeug
oder an dem Werkzeughalter vorgesehenen Arretierfläche jedoch
möglich
ist. Zum Erzeugen der hierfür
notwendigen Verschwenkbewegung weist der in der Spindelwelle vorgesehene
Sitz für
die Spannsegmente eine derartige Innenkontur auf, daß er für jedes Spannelement,
das mit der Kontur jeweils an zwei beidseitig der Schwenkachse vorgesehenen
Berührungsstellen
zusammenwirkt, eine Art Nockenführung
bildet, die beim Verlagern des Spannelements in Richtung der Spindelwellenachse
die zum An- oder Entkoppeln des Werkzeugs notwendige Verschwenkbewegung
der einzelnen Segmente bewirkt.
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Zwar
ist das Spannelement bei dieser Werkzeugaufnahme sowohl in seiner
Endarretier-, als auch in seiner Arretierungstellung frei von Biegespannungen.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß es für den Einsatz
bei Spindeln mit einer Betriebsdrehzahl von mehr als ca. 10.000/Min.
nicht geeignet ist, da aufgrund der einzelnen Spannsegmente ein
exakt ausgewuchteter Rundlauf insbesondere bei häufigen Werkzeugwechseln nicht
gewährleistet
ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugaufnahme
für eine
Schnellfrequenzspindel zu schaffen, die für eine größere Anzahl von Werkzeugwechseln
und zur Übertragung höherer Werkzeugeinzugskräfte geeignet
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Werkzeugaufnahme
gelöst.
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Dadurch,
daß Mittel
vorgesehen sind, die die Positionen der Spannelemente in Drehrichtung
relativ zueinander zumindest im wesentlichen fixieren, ist es möglich, ein Spannelement,
welches einzelne Spannsegmente umfaßt, auch bei schnellaufenden Spindeln
zu verwenden, da ein einmal erreichter Auswuchtzustand auch nach
vielfachen Werkzeugwechseln erhalten bleibt.
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Die
Mittel umfassen sich von der äußeren Umfangsfläche des
Zugbolzens nach innen erstreckende Ausnehmungen, in die an den Spannelementen
vorgesehene Fortsetze, um die sich die Spannsegmente während einer
Betätigung
der Werkzeugaufnahme verschwenken, eingreifen.
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Alternativ
oder auch zusätzlich
können
die Mittel zwischen benachbarten Spannelementen angeordnet Abstandshalter
umfassen. Wenn diese – wie
bevorzugt – aus
einem flexiblen, komprimierbaren Material – beispielsweise Gummi – bestehen
und jeweils an zwei benachbarte Spannsegmente anvulkanisiert sind,
läßt sich
das gesamte Spannelement einstückig,
gegebenenfalls unter Aufweiten oder Zusammendrücken der Abstandshalter, auf
einfache Weise an der Zugstange und in dem Sitz montieren, da nicht
die Gefahr besteht, daß während der
Montage einzelne der Spannsegmente aus ihrer vorgesehenen Position
herausfallen oder gar gänzlich
verloren gehen.
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Weist
der Zugbolzen einen Betätigungsteil und
einen von der der Werkzeugaufnahme zugewandten Stirnseite her in
den Betätigungsteil
einführ- und
festlegbaren, den stirnseitigen Abschluß des Zugbolzens bildenden
Zugbolzenkopf auf und erstrecken sich die Ausnehmungen, in die die
Fortsetze der Spannelemente hineinragen, bis zur Stirnseite des Betätigungsteils,
so ist die Werkzeugaufnahme für besonders
kleine Lagerbohrungsdurchmesser und damit verbundene besonders kleine
Räume zur
Ausbildung des Spannelementsitzes geeignet. Denn zur Montage des
Spannelements kann dieses unter Kompression der Abstandshalter zunächst durch eine
relativ kleine Öffnung
von seiten des Werkzeugs her in den Sitz eingefügt werden. Anschließend kann der
Betätigungsteil
des Zugbolzens von der gegenüberliegenden
Seite durch die Längsausnehmung
der Spindelwelle eingeführt
und so gedreht werden, daß die
Ausnehmungen des Betätigungsteils
mit den Fortsätzen
der Spannelemente fluchten und durch weiteres Verschieben des Betätigungsteils
in Eingriff gebracht werden können.
Anschließend
kann der Zugbolzenkopf an dem Betätigungsteil festgelegt werden,
wozu dieser vorzugsweise einen in eine zentrale Gewindebohrung des
Betätigungsteils
einschraubbaren Gewindebolzen aufweist.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme
graphisch dargestellt. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Schnellfrequenzspindel mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme;
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2 – ausschnittsweise – den Bereich
der Werkzeugaufnahme einer Schnellfrequenzspindel im Längsschnitt;
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3 einen
Längsschnitt
durch ein Spannelement einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme;
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4 dasselbe
Spannelement in einer Ansicht der im montierten Zustand dem Werkzeug
zugewandten Stirnseite des Spannelements sowie
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5 – schematisch
und teilgeschnitten – den
Aufbau einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme
in einer perspektivischen Darstellung.
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Die
in 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Schnellfrequenzspindel
umfaßt
ein Gehäuse 10,
welches einen vorderen, d.h. der Werkzeugaufnahme zugewandten Gehäuseteil 1 mit
zylindrischer Außenumfangsfläche besitzt.
Im Bereich des der Werkzeugaufnahme 20 abgewandten Endes
springt der zylindrische Außenumfang
des Gehäuseteils 1 in
einem zylindrischen Umfangsbund 2 radial auf einen größeren Durchmesser
vor. An der gemäß 1 rechten
Stirnfläche
des Bundes 2 ist eine Trennstelle 3 gebildet,
an die sich ein zylindrischer Gehäuseteil 4 anschließt, dessen
Außendurchmesser
dem Außendurchmesser
des Bundes 2 entspricht. Der Gehäuseteile 4 endet auf
seiner der Werkzeugaufnahme 20 abgewandten Seite in einen
ebenen Deckel 5.
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Die
Werkzeugaufnahme 20 ist an dem aus dem Gehäuseteil
gemäß 1 nach
links hervorstehenden Ende einer als Ganzes mit 30 bezeichneten Spindelwelle
angeordnet. Der Gehäuseteil 1 ist
rohrförmig
mit einer den Stabilitätsanforderungen
entsprechenden Wanddicke ausgebildet und besitzt eine zylindrische
Ausnehmung 7, die der Aufnahme der Spindelwelle 30,
der im Bereich des der Werkzeugaufnahme 20 zugewandten
Endes und im Bereich des anderen Endes des Gehäuseteils vorgesehenen Lageranordnungen 8, 9 sowie
eines die Spindelwelle umgebenden Stators 6 dient.
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Die
Spindelwelle umfaßt
eine zentrale Längsausnehmung 11,
durch die sich ein Zugbolzen 12 hindurch erstreckt, der
unter der Wirkung einer ihn umgebenden, in der Längsausnehmung 11 angeordneten
Tellerfederanordnung 13 in von der Werkzeugaufnahme 20 fortweisenden
Richtung, d.h. gemäß 1 nach
rechts, federkraftbeaufschlagt ist. Der Zugbolzen 12 wirkt
auf ein in der Werkzeugaufnahme 20 vorhandenes Spannelement 14,
welches in 1 in der Spannstellung dargestellt
ist.
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In
dem in 1 rechten Gehäuseteil 4 ist eine
als Ganzes mit 40 bezeichnete Betätigungseinrichtung vorgesehen,
die einen koaxial in den Gehäuseteil 4 eingesetzten
Mehrfachzylinder 41 mit einem darin unter der Wirkung eines
durch einen Einlaß 42 zugeleiteten
Druckmediums verschiebbaren Mehrfachkolben 43 umfaßt. Mit
letzterem ist ein sich in die zentrale Längsausnehmung 11 der
Spindelwelle 30 hineinerstreckender Druckstift 44 vorgesehen,
der gegen das in 1 rechts dargestellte Ende des Zugbolzens 12 wirkt.
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Zur
Betätigung
der Werkzeugaufnahme wird über
den Einlaß 42 der
Mehrfachkolben/Zylindereinheit 41, 43 ein Druckmedium – beispielsweise
Preßluft – zugeleitet,
wodurch der mit dem Mehrfachkolben 43 verbundene Druckstift 44 den
Zugbolzen gemäß 1 nach
links bewegt und das in seiner technischen Ausführung und Funktion noch zu
beschreibende Spannelement 14 in seinem Sitz 15 ebenfalls nach
links verlagert wird. Wird der Einlaß 42 von der Quelle
des Druckmediums getrennt, verlagert die Tellerfederanordnung 13 den
Zugbolzen 12 und damit das Spannelement 14 in
seinem Sitz 15 in umgekehrter Richtung, d.h. gemäß 1 nach
rechts. Der Zurückverlagerung
des Mehrfachkolbens 43 dienen in dem Gehäuseteil 4 angeordnete
Schraubenfedern 45.
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Der
Aufbau und die Funktionsweise der Werkzeugaufnahme 20 soll
nun anhand der 2 bis 5 im einzelnen
beschrieben werden. Wie insbesondere 5 entnehmbar
ist, besteht sie im wesentlichen aus dem am dem Werkzeug zugewandten Ende 21 des
Zugbolzens angeordneten Spannelement 14, welches im eingebauten
Zustand in seinem Sitz 15 ruht, und einem Zugbolzenkopf 16,
der einen in eine Längsmittelbohrung
des Zugbolzens 12 einschraubbaren Gewindefortsatz 17 und
einen radial vorstehenden Kopf 18 aufweist, dessen Außendurchmesser
etwa dem Außendurchmesser
des Zugbolzens 12 entspricht.
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Das
in 5 teilgeschnitten dargestellte Spannelement 14 umfaßt eine
Mehrzahl – im
hier dargestellten Ausführungs beispiel
sechs – Spannsegmente 19,
die im Bereich ihres in den Zeichnungen rechts dargestellten, d.h.
dem Zugbolzen 12 zugewandten Endes mittels aufvulkanisierter
Abstandshalter 22 miteinander verbunden sind. Jedes dieser Spannsegmente
weist im Abstand von etwa zwei Dritteln der gesamten Länge vom
dem Werkzeug zugewandten Ende einen nach innen weisenden radialen
Fortsatz 23 auf, welcher derart bemessen ist, daß er in
entsprechende, von der Stirnseite des vorderen, als Betätigungsteil 21 bezeichneten
Endes des Zugbolzens 12 eingearbeitete Ausnehmungen 24 einführbar ist.
Die Abmessungen der Fortsätze 23 und Ausnehmungen 24 sind
so gewählt,
daß nach
Einschrauben des Zugbolzenkopfes 18 ein im wesentlichen
in Längs-
und Drehrichtung spielfreier, Verschwenkbewegungen um im Bereich
der Fortsätze 23 liegende
Achsen der einzelnen Spannsegmente jedoch erlaubender Sitz gewährleistet
ist.
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Wie
insbesondere aus 4 entnehmbar ist, weisen die
Spannsegmente 19 einen im wesentlichen kreissegmentförmigen Querschnitt
auf und sind über
die flexiblen Abstandshalter 22 zueinander derart beabstandet,
daß ein
Einfügen
des gesamten Spannelements 14 unter Komprimierung der Abstandshalter 22 auch
in Öffnungen
möglich
ist, die kleiner als der Außendurchmesser
des Spannelements 14 im entlasteten Zustand der Abstandshalter 22 sind.
Hierdurch wird – wie
bereits eingangs erwähnt – eine Montierbarkeit
auch in schnelldrehende Spindeln mit kleinen Lagerdurchmessern erzielt.
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Jedes
der Spannsegmente 19 weist an seinen Längsenden radial nach außen vorspringende Fortsätze 25, 26 auf,
die im in den Sitz 15 eingebauten Zustand des Spannelements
an zwei in Längsrichtung
voneinander beabstandeten Stellen 27, 28 die Sitzfläche 29 berühren. Die
Sitzfläche 29 weist eine
Nockenkontur auf, die derart ausgestaltet ist, daß bei einer
Betätigung
des Zugbolzens 12 in Richtung auf die in der Zeichnung
als Ganzes mit 50 bezeichnete Werkzeughalterung, die in
einem das Ende der Spindelwelle 30 bildenden Kegelsitz 51 ruht,
die Spannsegmente um die Fortsetze 23 derart verschwenkt
werden, daß ein
an jedem Spannsegment 19 vorgesehener Arretiervorsprung 52 aus
einer eine an der Werkzeughalterung 50 vorgesehene Arretierfläche 53 hintergreifenden
und den Werkzeughalter somit in Längsrichtung arretierenden Stellung
in eine die Arretierfläche 53 freigebende
und somit den Werkzeugwechsel ermöglichende Stellung verlagert wird.