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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Halten eines auswechselbaren
Werkzeugs an einer Spindel einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, mit einem
als Steilkegel ausgebildeten Kegelschaft, an dessen Ende maximalen Durchmessers
ein radialer Flansch vorgesehen ist, einer als entsprechender Steilkegel ausgebildeten
Kegelbohrung zur Aufnahme des Kegelschaftes, an deren Ende maximalen Durchmessers
eine radial verlaufende Stirnfläche angrenzt, und einer Spannvorrichtung, die eine
den Kegelschaft in die Kegelbohrung ziehende axiale Spannkraft ausübt, wobei das
Kegelverhältnis des Steilkegels 7 : 24 beträgt und die axiale Länge des Kegelschaftes
im wesentlichen der axialen Länge der Kegelbohrung entspricht.
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Bei für den automatischen Werkzeugwechsel eingerichteten numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschinen ist es üblich, zum Spannen des Werkzeuges einen Steilkegelschaft
zu verwenden, der durch die axiale Spannkraft in die entsprechend ausgebildete Kegelbohrung
der Spindel gezogen wird (vgl. z.B. DIN 2079 bzw. IS0/DIS 297-1976). Bei dieser
sogenannten Steilkegelspannung liegt der Steilkegelschaft über seiner gesamten Länge
an der Kegelfläche der Kegelbohrung an, während der für den Werkzeugwechsel vorgesehene
radiale Flansch des Kegelschaftes einen axialen Abstand von der Stirnfläche der
Spindel hat.
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Bei einem Teil der in der Praxis auftretenden Bearbeitungen ist die
Steilkegelspannung allerdings unbefriedigend, da es z.B. aufgrund von in die Kegelbohrung
gelangten Spänen oder dgl. zu mangelnder Rundlaufgenauigkeit des Werkzeuges und/oder
Ratterschwierigkeiten kommen kann.
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Schätzungsweise dürfte dies für ca. 20 % der in der Praxis erforderlichen
Bearbeitungen zutreffen.
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In einer älteren, nicht vorveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin
(P 34 46 368.2) ist bereits vorgeschlagen worden, das Werkzeug mit einem zylindrischen
Schaft zu versehen, so daß der radiale Flansch des Werkzeuges durch die Spannvorrichtung
in axiale Spannanlage mit der Stirnfläche der Spindel gezogen wird.
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Dies macht jedoch eine entsprechende Anderung der Spindel erforderlich,
so daß der größte Teil der in der Spindel vorgesehenen Kegelbohrung für die Steilkegelspannung
verlorengeht. Außerdem lassen sich die mit den zylindrischen Schäften versehenen
Werkzeuge nicht mit denselben Werkzeugwechseleinrichtungen und Werkzeugmagazinen
wie die mit den Steilkegelschäften versehenen Werkzeuge handhaben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß sie durch eine möglichst geringfügige
Modifizierung der Spindel und des Werkzeuges ein im Sinne einer größeren Ausspannlänge
des Werkzeuges und einer höheren Rundlaufgenauigkeit des Werkzeuges besseres Spannen
des Werkzeuges erlaubt und dennoch die Werkzeuge mit den für die herkömmlichen Steilkegelschäfte
aus gebildeten Werkzeugwechseleinrichtungen und -magazinen gehandhabt werden können.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung mit den eingangs angegebenen
Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der radiale Flansch so ausgebildet
ist, daß er durch die axiale Spannkraft in Spannanlage mit der an der Kegelbohrung
angrenzenden Stirnfläche gezogen wird, und daß der Bereich, in dem der Kegelschaft
an der Kegelfläche der Kegelbohrung anliegt, auf eine zur Zentrierung des Werkzeugs
ausreichende axiale Länge beschränkt ist.
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Der radiale Flansch und der Kegelschaft werden somit gewissermaßen
im Sinne einer Kurzkegelspannung modifiziert.
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Kurzkegelspannungen sind an sich bereits seit langem bekannt (vgl.
z.B. DIN 55021 bzw. ASA B 5.9-1948). Herkömmliche Kurzkegelspannsysteme sind jedoch
für den Werkzeugwechsel ungeeignet, abgesehen davon, daß das Kegelverhältnis des
Kurzkegels (1 : 4) von dem des Steilkegels (7 : 24) abweicht.
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Aufgrund der stirnseitigen Verspannung des Flansches mit der Stirnfläche
der Spindel ist eine größere Ausspannlänge des Werkzeuges (d.h. ein größerer axialer
Abstand des Werkzeuges von der Spindel) als bei herkömmlicher Steilkegelspannung
möglich. Auch ergibt sich eine höhere Wechselgenauigkeit (Rundlaufgenauigkeit) des
Werkzeuges, da in der Kegelbohrung enthaltene Späne oder dgl. die Spanngenauigkeit
nicht beeinträchtigen können.
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Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die zur Aufnahme
eines Steilkegelschaftes ausgebildete Kegelbohrung nicht geändert zu werden braucht.
Dies bedeutet, daß die mit der Steilkegelbohrung versehene Spindel sowohl zum Spannen
von Werkzeugen mit herkömmlichen Steilkegelschäften wie auch von Werkzeugen mit
im Sinne der Erfindung modifizierten Kegelschäften verwendet werden kann. Darüber
hinaus können die im Sinne der Erfindung modifizierten Kegelschäfte mit den gleichen
Werkzeugwechseleinrichtungen und -magazinen gehandhabt werden, die für Werkzeuge
mit herkömmlichen Steilkegelschäften ausgebildet sind.
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Aufgrund von Fertigungstoleranzen ist es unvermeidlich, daß die Stirnseite
der Spindel von der radialen Ebene, in der der maximale Solldurchmesser (der sogenannte
Lehrendurchmesser) der Kegelbohrung liegt, einen axialen
Abstand
hat. Da bei herkömmlichen Steilkegel-Spanneinrichtungen der radiale Flansch des
Werkzeuges nicht an der Stirnseite der Spindel anliegt, ist für diesen axialen Abstand
ein relativ großer Toleranzbereich von 0 bis 2/10 mm (vgl. DIN 20970) zulässig.
Um jedoch bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung eine stirnseitige Anlage
des radialen Flansches an der Spindel sicherzustellen, sollte der Toleranzbereich
für den axialen Abstand der Stirnseite der Spindel von der radialen Ebene, in der
der maximale Solldurchmesser (Lehrendurchmesser) der Kegelbohrung liegt, höchstens
0 bis 1/100 mm, vorzugsweise 0 bis 5/1000 mm betragen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine herkömmlich ausgebildete
Einrichtung zum Halten eines Werkzeuges an einer umlaufenden Spindel einer numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschine; Figur 2 eine der Figur 1 entsprechende Ansicht einer
erfindungsgemäß abgewandelten Einrichtung zum Halten eines Werkzeuges an einer Spindel.
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Figur 1 zeigt eine Einrichtung zum Halten eines Werkzeuges (z.B. eine
Bohrstange) an einer umlaufenden Spindel 2 einer für den automatischen Werkzeugwechsel
eingerichteten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine (nicht gezeigt). Die in (strichpunktiert
angedeuteten) Lagern
drehbar gelagerte Spindel 2 ist an ihrem vorderen
Ende mit einer Kegelbohrung 4 versehen, die zur Aufnahme eines Kegelschaftes 8 eines
Werkzeuges 6 bzw. Werkzeughalters dient. Das Werkzeug 6 ist mit einem radialen Flansch
10 versehen, der am Kegelschaft 8 an dessen Ende maximalen Durchmessers angrenzt.
Der Flansch 10 ist mit einer Rille 12 trapezförmigen Querschnitts versehen, die
sich von Greifern einer Werkzeugwechseleinrichtung (nicht gezeigt) erfassen läßt.
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Mit Hilfe einer (nur schematisch angedeuteten) Spannvorrichtung 14
kann auf den Kegelschaft 8 eine axial gerichtete Spannkraft ausgeübt werden, die
den Kegelschaft 8 in die Kegelbohrung 4 hineinzieht. Im gespannten Zustand liegt
der Kegelschaft 8 im wesentlichen über seiner gesamten Länge an der Kegelfläche
der Kegelbohrung 4 an, während die der Spindel zugewandte Stirnfläche 18 des Flansches
10 von der gegenüberliegenden Stirnfläche 16 der Spindel 2 einen vorgegebenen axialen
Abstand a hat.
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Diese Halteeinrichtung ist herkömmlicher Bauart und wird weltweit
bei für den automatischen Werkzeugwechsel eingerichteten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen
eingesetzt. Hierbei sind der Kegelschaft 8 und die Kegelbohrung 4 als sogenannter
Steilkegel ausgebildet, dessen Kegelverhältnis 7 : 24 beträgt (vgl. DIN 69871 in
Verbindung mit DIN 254). Das Kegelverhältnis C ist wie folgt definiert: C=D-d/L
= 2 tan «/2 worin D und d der gröt bzw.
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kleinste Durchmesser und L die Länge des Kegelschaftes sowie 4 der
Kegelwinkel bedeuten.
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Für den größten Durchmesser D und die Länge L ergeben sich aus DIN
69871 folgende Werte:
Steilke- 40 45 50 gel Nr.
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D 44,45 57,15 69,85 L 68,4 82,7 101,75 Die Werte für D und L sind
in mm angegeben.
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Der Abstand a der Stirnfläche 18 des Flansches 10 von der Stirnfläche
16 der Spindel 2 beträgt 3,2 mm (vgl. DIN 69871).
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Die in Figur 2 gezeigte Einrichtung entspricht in ihrem grundsätzlichen
Aufbau der Einrichtung nach Figur 1, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen
versehen wurden. Die Einrichtung nach Figur 2 ist jedoch gegenüber der in Figur
1 gezeigten im wesentlichen in zweierlei Hinsicht modifiziert: Zum einen ist der
Flansch 10' gegenüber dem Flansch 10 um einen dem Abstand a entsprechenden Betrag
axial verlängert, so daß bei der Einrichtung nach der Figur 2 die Stirnfläche 18
des Flansches 10' in Spannanlage mit der Stirnfläche 16 der Spindel 2 gehalten wird.
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Zum anderen ist der Bereich A, in dem der Kegelschaft 8' an der Kegelfläche
der Kegelbohrung 4 anliegt, auf eine axiale Länge 1 beschränkt, die wesentlich kleiner
als die Gesamtlänge L des Kegelschaftes 8' ist. Der Anlagebereich A grenzt an den
Flansch 10' an und befindet sich somit im Bereich des größten Durchmessers D der
Kegelbohrung 4. Die axiale Länge 1 des Anlagebereiches A wird zweckmäßigerweise
in Anlehnung an herkömmliche Kurzkegelspannsysteme (z.B. DIN 55021) bemessen und
beträgt vorzugsweise 1/5 bis 1/4 des größten Durchmessers D,
was
ungefähr 1/7 bis 1/5 der Gesamtlänge L des Kegelschaftes entspricht.
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Um diese modifizierte "Kurzkegelanlage" im Anlagebereich A zu erzielen,
genügt es, daß der Kegelschaft 8' in seinem Bereich außerhalb des Anlagebereiches
A um 1/10 bis 5/10 mm durchmesserverringert wird gegenüber dem herkömmlichen Kurzkegelschaft
8.
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Um sicherzustellen, daß die Spannkräfte im wesentlichen durch die
Spannanlage zwischen dem Flansch 10' und der Stirnfläche 16 der Spindel 2 übertragen
werden und der Anlagebereich A lediglich Zentrierkräfte aufnehmen muß, sollte der
maximale Durchmesser D der Kegelbohrung 4 mit einer möglichst geringen Fertigungstoleranz
hergestellt werden. DIN 2079 schreibt für den axialen Abstand der Stirnfläche 16
von der Radialebene, in der der maximale Solldurchmesser (Lehrendurchmesser) der
Kegelbohrung 4 liegt, einen relativ großen Toleranzbereich von 0 bis 2/10 mm vor.
Bei der modifizierten Ausführungsform nach Figur 2 sollte dieser Toleranzbereich
auf 0 bis 1/100 mm, vorzugsweise 0 bis 5/1000 mm eingeschränkt werden.
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Die Spannvorrichtung 14 kann grundsätzlich beliebiger Bauart sein
und ist beispielsweise wie in der älteren Anmeldung P 34 46 368.2 der Anmelderin
ausgebildet.
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Wie dort beschrieben, besitzt sie zwei im Kegelschaft 8' radial hin-
und herbewegbare Keilstücke 20,22, die einerseits mit Keilnuten in der Spindel 2
zusain#uunwirken und andererseits über eine (nicht gezeigte) Nockeneinrichtung mit
einer axial hin- und herbewegbaren Zugstange 24 verbunden sind. Bei einer Axialverschiebung
der Zugstange 24 werden die Keilstücke 20,22 somit radial nach außen gegen zugehörige
Keilflächen in der Spindel 2 gedrückt, wodurch sie auf den Kegelschaft 8' eine nach
innen gerichtete axiale Spannkraft ausüben.
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Die im Sinne einer Kurzkegelspannung modifizierte Ausführungsform
nach Figur 2 erlaubt eine größere Ausspannlänge, Rundlaufgenauigkeit und Wechselgenauigkeit
des Werkzeuges gegenüber der Ausführungsform nach Figur 1.
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In der Praxis werden die Ausführungsformen nach Figur 1 und 2 nebeneinander
eingesetzt: Ein Werkzeugmagazin einer für den automatischen Werkzeugwechsel eingerichteten
numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine enthält beispielsweise 100 Werkzeuge, von
denen z.B. 80 Werkzeuge mit herkömmlichen Kegelschäften nach Figur 1 und die übrigen
20 Werkzeuge mit modifizierten Kegelschäften nach Figur 2 versehen werden. Beide
Arten von Werkzeuge können dann in dieselbe Kegelbohrung 4 der Spindel 2 eingesetzt
werden, wobei die Spannart (Steilkegel- oder Kurzkegelspannung) je nach der vorzunehmenden
Bearbeitung ausgewählt wird. Beide Arten von Werkzeugen lassen sich im übrigen mit
derselben herkömmlich ausgebildeten Werkzeugwechseleinrichtung handhaben, da die
Grundform der beiden Art von Werkzeugen die gleiche ist und insbesondere der axiale
Abstand der trapezförmigen Rille 12 von der Stirnfläche 16 der Spindel 2 bei beiden
Werkzeugarten der gleiche ist.
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Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführunqsbeispiel wird
die Spannanlage zwischen dem Flansch 10' und der Stirnseite 16 der Spindel durch
eine axiale Vergrößerung des Flansches selbst erzielt. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, zwischen dem herkömmlich ausgebildeten Flansch 10 und der Stirnfläche 16
der Spindel 2 eine am Flansch 10 lösbar befestigte Zwischenscheibe einzusetzen.
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Wenn auch bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Kegelschaft
am Werkzeug und die Kegelbohrung in der Spindel vorgesehen sind, ist es grundsätzlich
auch
möglich, den als "Kurzkegelschaft" ausgebildeten Schaft an
der Spindel und die Kegelbohrung am Werkzeug vorzusehen.