DE3529786A1 - Backenfutter fuer werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Backenfutter für Werkzeugma­ schinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit immer weiter steigenden Drehzahlen der Hauptspindel von Werkzeugmaschinen ist es erforderlich geworden, die von einem Backenfutter auf das Werkstück ausgeübte Spann­ kraft (Haltekraft) zu erhöhen, und zwar deshalb, weil die auf die Backen des Backenfutters einwirkende Zentrifugal­ kraft einen Teil der Spannkraft kompensiert. Eine bei niedriger Spindeldrehzahl ausreichende Spannkraft kann daher bei hoher Spindeldrehzahl eine Bearbeitung des Werk­ stücks unmöglich machen.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen den Aufbau eines herkömmlichen Backenfutters. Fig. 1 stellt eine Schnittansicht des oberen Teils des Backenfutters dar. In einem Körper 1 sind radial verlaufende Führungsnuten 1 a ausgebildet, die den Körper 1 a in Umfangsrichtung in drei gleiche Abschnitte unterteilen. In jede Nut 1 a ist verschiebbar eine Hauptbacke 2 einge­ setzt, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. An der Vorderseite der Hauptbacke 2 wird mit Hilfe von Bolzen eine Zusatzbacke 3 befestigt. In eine Bohrung des Körpers 1 ist in Axial­ richtung verschiebbar ein Spannkolben 4 eingesetzt. In der äußeren Umfangsfläche des Spannkolbens 4 sind Keilnuten 5 (gegenüber der Achse schräg verlaufende Nuten) ausgebildet, wie aus Fig. 3 ersichtlich, die die Umfangsfläche in drei gleiche Abschnitte aufspalten (in den Figuren ist jeweils nur eine Keilnut mit den angrenzenden Abschnitten gezeigt). Diese Keilnuten besitzen im Querschnitt die Form eines umgekehrten T. In die Keilnuten 5 greift jeweils ein keilartiger bzw. schräg verlaufender Ansatz 2 a der Haupt­ backen 2 ein, wie es am besten aus Fig. 4 zu erkennen ist, welche einen Querschnitt längs der Linie X-X′ in Fig. 1 dar­ stellt.

Auf den Ansatz 2 a einer Hauptbacke 2 wirkt, wenn letztere verschoben wird, eine Kraft P gemäß Pfeil in Fig. 4 ein. Da jedoch eine Bewegung auch in einer Richtung senkrecht zur Kraft P, also in XY-Richtung möglich ist, treten sol­ che Bewegungen bedingt durch Einflüsse der gehaltenen Fläche des Werkstücks (zum Beispiel infolge von Unregel­ mäßigkeiten dieser Fläche) von Zeit zu Zeit auf. Außerdem wirkt auf den Bereich 5 b (siehe Fig. 4; die Erläute­ rung beschränkt sich hier auf eine Seite und gilt ent­ sprechend für die entgegengesetzte Seite) neben der Keilnut 5 ein Biegemoment in Richtung des Pfeiles M um den Punkt Q, wo ein Kontakt zwischen der Innenfläche des Körpers 1 und der Außenfläche des Spannkolbens 4 hergestellt oder unterbrochen wird. Wenn die Kraft P erhöht wird, tritt hauptsächlich im Bereich H zwischen der oberen Ecke der Keilnut bis zur äußeren Umfangsfläche des Spannkolbens eine Spannungskonzentration auf, die zu Rissen oder Brüchen führen kann.

Solche Schäden lassen sich dadurch vermeiden, daß man die Breite des Bereichs H (siehe Fig. 4) entsprechend vergrös­ sert. Dies führt jedoch zu einem größeren Volumen des Spannkolbens 4 insgesamt, was nicht nur dem Streben nach Kompaktheit entgegensteht, sondern nun auch zu einer Kosten­ erhöhung führt.

Zur Vermeidung der genannten Probleme hat man gemäß der japanischen Patentschrift 56-1 02 403 vorgesehen, bei einem Backenfutter mit dem grundsätzlichen Aufbau, wie er in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, die Breite der Führungsnuten 1 a im Körper 1 kleiner als die Breite der im Querschnitt T-förmigen Ansätze 2 a der Hauptbacken 2 zu machen. Wie aus den Fig. 1 bis 4 erkennbar, greifen bei diesem Backenfutter die Hauptbacken 2 mit ihrem T-förmigen Ansatz 2 in die T-förmigen Keilnuten des Spannkolbens 4, so daß aufgrund der aus Fig. 1 entnehmbaren Neigung von Keilnuten 5 und Ansätzen 2 a eine Axialbewegung des Spann­ kolbens 4 zu einem Öffnen bzw. Schließen der Hauptbacken 2 führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Stand der Technik weiter zu verbessern, so daß einerseits sichere und starke Spann- bzw. Haltekräfte erzielt werden, anderer­ seits aber die oben im einzelnen erläuterten und unter Umständen zu Beschädigungen führenden Beanspruchungen nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Backenfutter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Backenfutter umfaßt einen Körper, einen Spannkolben und Backen. Die Hauptbacken und der Spannkolben greifen mit T- bzw. umgekehrt T-förmigen Eingriffsteilen ineinan­ der. Die vorerwähnten Nachteile der bekannten Backenfutter werden dabei dadurch beseitigt, daß die Gleitflächen der Eingriffsteile von Hauptbacken und Spannkolben kreisbogen­ förmig ausgebildet sind. Dabei erlaubt die Erfindung die Umsetzung der Axialbewegung des Spannkolbens in eine Radialbewegung mit gutem Wirkungsgrad und in einer Weise, daß starke Kräfte übertragen werden können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß eine Bewegung in Umfangs­ richtung möglich ist, das heißt eine Pendelbewegung, die das Ergreifen bzw. Spannen unregelmäßig geformter Gegen­ stände problemlos und mit hoher Genauigkeit gestattet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht des oberen Teiles eines herkömmlichen Backenfutters,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Hauptbacke,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Keil­ nut im Spannkolben,

Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie X-X′ in Fig. 1,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Hauptbacke gemäß einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Teiles des Spannkolbens,

Fig. 7 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 4 mit zusammengesetztem Spannkolben und Hauptbacke gemäß der Erfindung,

Fig. 8 bis 12 Schnittansichten anderer Ausführungs­ beispiele der Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungs­ gemäß verbesserten Hauptbacke, Fig. 6 eine solche eines Teils des Spannkolbens und Fig. 7 eine solche der beiden im kombinierten Zustand.

Bei dem Ausführungsbeispiel dieser Figuren fallen, wie aus den Figuren entnehmbar, die Krümmungsmittelpunkte der Krümmung des Ansatzes 2 a der Hauptbacke und derjenigen der Keilnut des Spannkolbens 4 zusammen (Krümmungsmittel­ punkt O), das heißt die Krümmungen e und f sind gleich. Es ist vorteilhaft, wenn diese Krümmungen so ausgebildet werden, daß sie der Biegespannungsverteilungskurve folgen, die sich beim Spannen einstellt. Wenn ferner der Krümmungs­ mittelpunkt der äußeren Umfangsfläche des Spannkolbens 4 (Radius R) und derjenige der Gleitflächen der erwähnten Eingriffsteile (Radius r) zusammenfallen (Krümmungsmittel­ punkt O), dann wird sich die Hauptbacke 2 nicht in eine Richtung senkrecht zu der auf ein Werkstück oder Werkzeug ausgeübten Kraft P, also in XY-Richtung bewegen, und zwar unabhängig vom Ausmaß des Spiels K ₁ bzw. K ₂. Da sich der Spannkolben 4 während des Spannvorgangs längs den Gleit­ flächen der Eingriffsteile (Ansatz 2 a bzw. Keilnut 5) in Umfangsrichtung bewegen kann, kann ein Werkstück oder Werkzeug mit großer Kraft eingespannt werden, ohne daß unerwünscht hohe Kräfte auf die Eingriffsteile bzw. ihre Flächen einwirken. Infolge der erwähnten Konzentrizität beeinflussen derartige kleine Bewegungen nicht die Spann­ genauigkeit (Außermittelpunktslage); da bei dem herkömm­ lichen Backenfutter der Spannkolben 4 derartige kleine Bewegungen in Umfangsrichtung nicht ausführen kann, treten dort die erwähnten Wirkungen nicht auf, sondern es kommt zu einer lokalen Spannungskonzentration mit der Folge von Beschädigungen.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel und stellt eine Teilschnittansicht von Hauptbacke 2 und Spannkolben 4 in zusammengesetztem Zustand dar. Beim vorgenannten Ausführungsbeispiel sind die Krümmungen e und f der Ein­ griffsteile konzentrisch zur äußeren Umfangsfläche des Spannkolbens 4. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 8 ist dies nicht der Fall. Vielmehr ist hier der Krümmungsmittelpunkt O′ der Krümmung der Gleitflächen der Eingriffsteile (Radius r′) gegenüber dem Mittelpunkt O der äußeren Umfangsfläche des Spannkolbens 4 (Radius R′) um die Strecke Z nach oben (radial nach außen) versetzt. In Fig. 8 ist K′₁ der Spalt zwischen der Hauptbacke 2 und der Wand der Führungsnut im Körper 1. K′₂ bezeichnet den Spalt zwischen der Hauptbacke 2 und der Wand der Keilnut im Spannkolben 4. Je größer die Spalte K′₁ und K′₂, desto größer ist der mögliche Schwenk­ bereich der Hauptbacke 2, und desto kraftvoller kann ge­ spannt werden. Auf diese Weise kann ebenfalls eine Bewegung des Spannkolbens 4 in Umfangsrichtung mit den für das vorge­ nannte Ausführungsbeispiel erwähnten vorteilhaften Wirkun­ gen möglich gemacht werden.

Das Halten bzw. Spannen eines Werkstücks erfolgt tatsäch­ lich mit Hilfe der Zusatzbacken 3, die an der Vorderseite der Hauptbacken 1 befestigt werden, wie es aus Fig. 1 hervorgeht. Die sich dabei ergebende tatsächliche Lage der Spannfläche ist in den Fig. 7 und 8 als gestrichelte Linie F ₁ eingetragen. In Fig. 8 ist der Abstand zwischen dem Krümmungsmittelpunkt O′ und der Linie F ₁ mit r′′ und der entsprechende Abstand zwischen dem Mittelpunkt O und der Linie F ₁ mit R′′ bezeichnet. Bei Vorhandensein der Spalte K′₁ und K′₂ erlaubt die in Fig. 8 definierte Radiusdiffe­ renz Δ e die Anpassung an unregelmäßige Werkstücke (Erhöhun­ gen und/oder Vertiefungen in dessen Außenfläche), so daß ohne Schwierigkeiten kraftvoll gespannt werden kann (Ein­ spannen der Außenfläche eines Werkstücks).

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Die obigen Ausführungsbeispiele zeigten einen Aufbau, die es erlauben, ein Werkstück oder Werkzeug an der Außenfläche zu spannen. Das Ausführungsbeispiel von Fig. 9 erlaubt das Spannen nicht nur an der Außenfläche, sondern auch an der Innenfläche eines Werkstücks. Im letzteren Fall ist die Spannfläche F ₂ die Oberseite der Hauptbacke 2 (tatsächlich der oben erwähnte entsprechende Punkt der an der Vorderseite der Hauptback 2 montierten Zusatzbacke 3). Die Stelle, wo beim Spannen ein Biegemoment auftritt, ist im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der untere Teil, wes­ halb dieser Teil kreisbogenförmig ausgebildet ist. Allge­ mein ausgedrückt, beide Eingriffsteile (Gleitflächen) sind als eine einzige kugelförmige Fläche ausgebildet.

Fig. 10 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich speziell auf Probleme, die bei kleinen Backenfuttern auftreten, das heißt den gewöhnlichen Backenfuttern mit drei Backen. Wenn man diese Backenfutter kompakt ausbilden will, dann rücken die Keil­ nuten 5 im Spannkolben 4 bei den herkömmlichen Backenfuttern entsprechend eng zusammen, das heißt der Abstand S (Fig. 11) wird gering, was häufig zum Bruch führt. Dieses Problem wird durch eine Ausbildung nach Fig. 10 vermieden, bei der der Ansatz 2 a der Hauptbacke 2 stiefelförmig (siehe Fig. 10) ausgebildet ist. Außerdem ist die Konstruktion so ausge­ legt, daß bezogen auf die zum Spannen ausgeübte Kraft P von der Beziehung l = m (siehe Fig. 12) etwas abgewichen wird. Fig. 10 zeigt ein Beispiel zum Spannen der äußeren Umfangsfläche eines Werkstücks, und F ₁ stellt die imaginäre Spannlinie dar. Die Gleitflächen, auf die ein Biegemoment ausgeübt wird, sind wie bei den vorangegangenen Ausführungs­ beispielen mit einer Kreisbogenform g versehen.

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 12 besteht die Möglich­ keit, ein Werkstück sowohl innen als auch außen zu spannen. Der untere Teil, der dem oben erwähnten Kreisbogen g gegen­ überliegt, ist als ähnlicher symmetrischer Kreisbogen g′ ausgebildet. F ₂ stellt die Spannfläche beim Spannen einer Innenfläche dar.

Bei der Erfindung kann sich die Hauptbacke in Umfangsrich­ tung des Spannkolbens bewegen, so daß beim Spannen eine gleichmäßige Kraftverteilung auf die einzelnen Backen erfolgt. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung des Backenfutters dar. Auf der anderen Seite wird die Spannkraft bei den Eingriffsteilen von Hauptbacke und Spannkolben immer von einer Fläche (Gleitflächen) mit gewisser Ausdeh­ nung aufgenommen, das heißt es besteht ein Flächenkontakt im Gegensatz zum Punkt- oder Linienkontakt herkömmlicher Backenfutter. Dies führt zu einer stabilen Spannkraft und einem sicheren und kraftvollen Spannen. Ein Festfressen kann deshalb auch nicht auftreten.

Die Keilnut des Spannkolbens und die Führungsnut des Körpers, in die die Hauptbacke eingreift und längs der sie gleitet, führen dazu, daß die Schaltgenauigkeit, die durch gleiches Aufspalten beim Vorsehen der Nuten erreicht wird, besser als bei den herkömmlichen 20′ und 30′ Einheiten ist, und diese Aufspaltgenauigkeit liegt in der guten Größenordnung von 1°. Dies spart Investitionskosten für Einrichtungen und Bearbeitungszeit und macht den Zusammen­ bau einfacher. Auch die Betriebskosten werden reduziert.

Claims (6)

1. Keilbetätigtes Backenfutter für Werkzeugmaschinen, bei dem Eingriffsteile (2 a, 5) von Hauptbacke (2) und Spannkolben (4) die Form eines umgekehrten T besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleit­ flächen der Eingriffsteile Kreisbogenform aufweisen.

2. Backenfutter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kreisbogenform der Gleitflächen so gewählt ist, daß sie den Verteilungskurven der auf die Gleitflächen wirkenden Biegespannungen gleichen.

3. Backenfutter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kreisbogenformen eines Keilansatzes (2 a) der Hauptbacke (2) und des Spannkolbens (4) identisch ist und sie denselben Krümmungsmittelpunkt (O) besitzen.

4. Backenfutter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungs­ mittelpunkt (O) der Gleitflächen identisch ist mit dem Mittelpunkt der äußeren Umfangsfläche des Spannkolbens (4).

5. Backenfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r, r′) der Gleitflächen kleiner ist als der Radius (R, R′) der äußeren Umfangsfläche des Spannkolbens (4).

6. Backenfutter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt (O′) der Gleitflächen gegenüber dem Mittelpunkt (O) der äußeren Umfangsfläche des Spannkolbens (4) radial nach außen ver­ setzt ist.