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Beschreibung
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zum Patentgesuch uBac1.#enfutter.
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Die Erfindung betrifft ein Backenfutter mit den @erkmalen des Oberbegriffs
des PatentansPruchs 1.
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Ein typische marktgängige Ausführung eines solchen Futters ist in
der DT-OS 21 32 130 (1) beschrieben. Das Spannkolbenende kreist hier sogenannte
Keilhaken auf, die mit Gegenkeilhaken an den Backen zusarmenwirken, um die Axialbewegung
des Spann1toil#ens in eine Radialbewegung der zacken mit entsprechender Kraftübersetzung
zu ülertragen. Die Spannbacke hat eine Ausnehmung mit einer ausr.-zärts gekehrten
Wandungr auf die ein Arm des Hebels drückt; an seinem anderen Ende trägt der Hebel
das Ausgleichsgewicht. - Eine etwas abweichende Konstruktion mit einem an der Backe
seitlich angreifenden, etwas abgekröpften Hebel zeigt die DT-OS 22 36 651 (2) Eine
weitere Lösung ist in dem Buch "Fortschrittliche Fertigung und moderne Werkzeugmaschinen",
Verlag W.
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Girardet, Essen, 1954, in dem Artikel von Blättry "Ausnutzung von
neuzeitlichen Drehmaschinen durch geeignete Spannzeuge" unter Bezugnahme auf Figur
8 beschrieben. (3) Bei dieser bekannten Lösung weist der Spannkolben einen Doppelkonus
auf, mit dem er wechselweise auf Gegenflächen an den Spannbacken bzw. den Ausgleichsgewichten
einwirkt.
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Schließlich ist noch die DT-PS 2 150 885 (4) zu erwähnen, bei der
zwar kein Ausgleichsgewicht vorgesehen ist, aber die Kompensation der der Spannkraft
entgegenwirkenden Fliehkräfte ist gleichwohl vorgesehen; hier wird nämlich der Druck
im Spannzylinder in Abhängigkeit von der Drehzahl entsprechend nachgeregelt.
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Da Futter solcher Bauarten im wesentlichen für Drehmaschinen verwendet
werden, wirddie Problematik nachstehend unter Bezugnahme auf diesen Anwendungsfall
erläutern; es versteht sich aber, daß solche Futter ganz allgemein für Werkzeugmaschinen
geeignet sind.
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Es versteht sich, daß die Kompensation der Fliehkraft umso hedeutungsvoller
wird, je größer diese im Verhältnis zur Spannkraft selbst ist. Die Verhältnisse
werden mit zunehmender Drehzahl immer ungünstiger. Um nun immer mit möglichst maximaler
Schnittgeschwindigkeit arbeiten zu können, wird man versuchen, bei kleinen Durchmessern
die Maschine mit einer proportional höheren Drehzahl der Spindel zu betreiben. Zwar
braucht man für kleine Werkstückdurchmesser auch nur kleinere Futter, und die Fliehkraft
nimmt troportional zum Durchmesser ab. Die Fliehkräfte steigen aber überproportional,
nämlich quadratisch, mit der Drehzahl an, so daß das Problem der Fliehkraftkompensation
vor allem bei kleinen Futtern für hohe Drehzahlen akut ist. Nun hat sicli gezeigt,
daß bei modernen Bearbeitungsmaschinen auch die Schnittleistung aufgrund verbesserter
Werkstoffe für die Werkzeuge und verbesserter Kühlmittel erheblich gesteigert werden
kann, so daß man Spindeldrehzalllen bis zu 6000 pro minute oder noch höher zu berücksichtigen
hat. Man kann leicht abscnätzen, daß die Fliehkräfte, die auf die Spannbacken wirken,
den Spannkräften nahekommen oder im Extremfall schon bei Futtern mittlerer Größe
ü?#erwiegen.
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Hinzu kommt, daß die erwähnten modernen Werkzeuge und hohen Schnittgeschwindigkeiten
eine Feinbearbeitung ermöglichen, durch die anstelle teuerer Schleifarbeiten eine
Drehbearbeitung gleiclle Oberflächengüte ergibt. Dies setzt frcilicl auch hohe Spanngenauig]#eit
voraus. Will man daher wirtscilaftlicl arbeiten, so mun die Spannkraft des
Futters
variabel sein: Zunächst hoch für die Schrupparbeitsgänge, bei denen man die polygonale
Verformung durch den Angriff der Spannbacken tolerieren kann, dann aber geringer
während der Feinbearbeitung, um diese Verformung (die immer im elastischen Bereich
liegt) wieder zu kompensieren.
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Schließlich ist es höchst erwünscht, daß aas Futter eine Durchlaßbohrung
aufweist, um zu zerspanendes Material von der Außenseite des Spindelstocks durchschieben
zu können, da erst dann der Vorteil der Schnellspanung voll zum Tragen kommt.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, ein fliehkraftkompensiertes Backenfutter
zu schaffen, das folgende Eigenschaften aufweist: (a) Futt-erkörper kleiner Außenabmessungen,
Durchlaßbohrung möglich.
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(b) Höchste Spanngenauigkeit.
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(c) Variable Spannkraft ohne Lösen der Backen.
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(d) Es muß selbst mit vertretbarem Aufwand zu fertigen sein.
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Anders ausgedrückt, soll ein Futter geschaffen werden, bei dem der
Ausnutzung der höchsterzielbaren Zerspanungsleistung nicht aufgrund von Problemen
der Spannvorrichtung eine Grenze gesetzt ist.
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Es kann gezeigt werden, daß die bekannten Futter diesen Forderungen
nicht gleichzeitig genügen: Das in (1) beschriebene Futter ist kompliziert und damit
teuer. Bei Futtern kleiner Durchmesser kanninan keine Durchlaßbohrung mehr vorsehen.
Bei realistischen Annahmen für die Masse der Spannbacken plus Aufsatzbacken ist
der Platzbedarf hierfür zu groß.
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ähnliches gilt für das Futter gemäß (2), wenn auch hier der Platz
etwas besser genutzt ist, da der Raum zwischen den Spannbacken für die Ausgleichsmassen
zur Verfügung steht. Die Konstruktion ist jedoch noch aufwendiger.
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Bei einem Futter gemäß (3) ist bereits in der Notiz selbst angegeben,
daß der Raumbedarf ungünstig ist; darüber hinaus ist es nicht möglich, nach einem
Schrupparbeitsgang die Spannkraft zu vermindern, weil das Futter selbsthemmend ist;
würde man andere Kegelwinkel am Doppelkonus einführen, bei denen keine Selbsthemmung
auftritt, so würde diespannkraft entsprechend geringer. Schließlich ist anzumerken,
daß die relative Vielzahl der zusammenwirkenden Teile und Arbeitsflächen eine extreme
Genauigkeit aufgrund der unvermeidlichen Toleranzen nicht mehr zuläßt.
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Schließlich ist bei dem Futter gemäß (4) zwar eine Änderung der Spannkraft
ohne weiteres gegeben, doch ist dieses Futter insofern höchst unwirtschaftlich,
als bei hohen Drehzahlen ein sehr großer Spannzylinder im Verhältnis zur Spannkraft
vorgesehen werden muß, weil dieser ja auch die Kompensationskräfte aufzubringen
hat. Nachteilig ist ferner die aufwendige Steuerung~ In überraschend einfacher Weise
wird aber die gestellte Aufgabe vollständig gelöst, indem man gemäß der Erfindung
die im Patentanspruch 1 definierte Bauart wählt.
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Man erkennt zunächst, daß die Fliehkraftkompensation in einfacher
Weise mittels eines hebelangelenkten Ausgleichsgewichts erfolgt, wie dies ja aus
den Druckschriften (1) bis (3) bereits angegeben ist. Die Kompensation erfolgt mithin
drehzahlunabhängig. Es wird jedoch nicht die Keilhakenbetätigung für den Spannvorgang
verwendet, sondern der vorhandene Hebel wird auch für diese Funktion verwendet,
so daß man eine beträchtliche Kosteneinsparung erzielt, weil die Feinbearbeitung
wesentlich geringeren Aufwand erfordert. Der Fortschritt wird besonders augenfällig
bei einem Vergleich mit der Druckschrift (2), wo ebenfalls eine Hebelbetätigung
zwischen Spannkolben und Backen vorgesehen ist, jedoch jeder Backe zwei hebel mit
zugehöriger Lagerung zugeordnet werden müssen. Eine Selbsthemmung,
wie
bei (3), tritt nicht ein; damit ist auch die Forderung erfüllt, die Spannkraft herabsetzen
zu können. Gleichwohl braucht der Spannzylinder nicht, wie bei (4), die Kompensationskraft
aufzubringen, sondern nur die Spannkraft selbst. Da nur extrem wenige Teile vorzusehen
sind, die zudem leicht genau bearbeitet werden können, ist die Spanngenauigkeit
exzellent. Hinzu kommt, daß man - was bevorzugt ist - den gesamten Stirnbereich
des Futterkörpers für die Führung der Backen ausnutzen kann, so daß auch Fehler
durch Wirksamwerden von Kippmomenten auf ein Minimum gebracht werden können. Schließlich
ist anzumerken, daß der Raum zwischen den Backen nicht benötigt wird. Der Futterkörper
kann hier ausgenommen werden, was nicht nur das Trägheitsmoment in erwünschter Weise
verringert, sondern auch das Auseinanderrücken der Backenführungen infolge der auf
solche Massen wirkenden Fliehkräfte vermindert, was der Spanngenauigkeit zugute
kommt.
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Es kann vorteilhaft sein, den Hebel als Zahnrad (segment) auszubilden
und Backe, Ausgleichsgewicht und Spannkolben mit einer entsprechenden Gegenverzahnung
zu versehen, womit man die Verhältnisse bei der Kraftübertragung vergleichmäßigen
kann.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Dreibackenfutter gemäß
der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend
im einzelnen erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Futter im Axialschnitt, und Fig. 2 ist ein Schnitt
nach Linie 2-2 der Fig. 1.
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Der Futterkörper 10 weist drei Bohrungen 12 in drei entsprechenden
Teilflanschen 14 auf. Durch die Bohrungen passen Befestigungsschrauben 16, mit denen
der Futterkörper an der (nicht dargestellten) Spindel eine Drehmaschine befestigt
werden kann. Die Teilflansche ergeben sich dadurch, daß der Futterkörper an den
betrefrnden drei
Umfangsabschnitten ausgenommen ist, so daß das
Trtgheitsmoment klein gehalten wird. In einer zentralen Führungsbohrung 18 sitzt
gleitbeweglich ein Kolben 20, der mittels Lochgewinde 22 mit einem (nicht dargestellten)
Zylinderkolben verschraubt wird. Bewegt sich der Zylinderkolben in Axialrichtung
relativ zur Spindel und damit auch zum Futterkörper 10, so nimmt er den Kolben 20
mit. Die Zentrierung des Futterkörpers bezüglich der Spindel erfolgt durch die Zentrierausdrehung
24.
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In der der Spindel abgewandten Stirnseite des Futterkörpers befinden
sich die üblichen T-Nutführungen 26 für Grundbacken 28, die je nach der vorliegenden
Spannaufgabe mit Aufsatzbacken (nicht dargestellt) verbunden werden; hierfür weisen
die Grundbacken Gewindesacklöcher 30 und Positionierfortsätze 32 auf.
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In Axialrichtung hinter den Backen ist jeweils eine Gegenmasse oder
ein Ausgleichsgewicht 34 radial geführt angeordnet. Die Masse des Ausgleichsgewichts
entspricht der der Grundbacke plus der aufgesetzten Aufsatzbacke und deren Befestigungsschrauben
in dem Sinne, daß das Übersetzungsverhältnis des Hebels 36 berücksichtigt wird,
dessen kürzerer Hebelarm 38 an der Grundbacke und dessen längerer Hebelarm 40 an
dem Ausgleichsgewicht angreift.
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Grundbacke und Ausgleichsgewicht weisen jeweils eine Ausnehmung 42
bzw. 44 auf, in die der betreffende Hebelarm eingreift. Der Hebel ist um einen Bolzen
46 schwenkbar.
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Das Ausgleichsgewicht wirkt somit in bekannter Weise der Verringerung
der Spannkraft, mit der die Backe beaufschlagt ist, infolge der Fliehkraft entgegen,
da eine entsprechend große Gegenkraft - hervorgerufen durch die auch auf das Ausgleichsgewicht
wirkende Fliehkraft -mittels des Hebels 36 auf die Grundbacke übertragen wird.
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Nach der Lehre der Erfindung wird auch die Spannkraft auf die Grundbacke
mittels des Hebels 36 übertragen. Zu diesem Zweck weist der Hebel 36 einen weiteren
Hebelarm 48 auf, der in eine zugeordnete Ausnehmung 50 des Kolbens 20 eingreift.
Der Fachmann erkennt, daß der Umfang der Feinbearbeitung an den zusammenwirkenden
Elementen 20,36,28,34 minimal ist, um die genaue Führung der Backen
zu
gewährleisten. Man erkennt auch, daß hier eine Durchgangsbohrung des Futters möglich
ist, deren Durchmesser nur um so viel geringer zu sein braucht, wie die Wandstärke
des Kolbens im Bereich deren Ausnehmungen 50 noch betragen muß. Wie die Zeichnung
zeigt, entspricht dieser Bohrungsdurchmesser dem Futterkörperdurchmesser, auf dem
die Führung für die Backen beginnt. So kann die Backenführung trotz Durchgangsbohrung
und kleinem FutterkörperdurUchResser optimal lang bemessen werden.
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Um zu verhindern, daß Späne oder andere Verunreinigungen in das Futter
eindringen, ist der Futterkörper noch mit einer zusätzlichen Ausdrehung 52 versehen,
in die eine Abdeckhülse 54 eingesetzt ist. Diese ist bündig mit der Durchgangsbohrung
des Futters, während der Kolben im Bereich des axialen Bundes 56 eine Eindrehung
58 aufweist, deren Durchmesser gleich dem Außendurchmesser des Bundes 56 ist. Abdeckhülse
54 und Kolben 20 übergreiSn einander also in diesem Bereich auch bei einer relativen
Axialbewegung, so daß keinerlei Fremdkörper in den Bereich der Hebel 36 gelangen
können.
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Patentansprüche:
L e e r s e i t e