DE3781559T2

DE3781559T2 - Verriegelungsstab und anordung zur haltung eines werkzeugs.

Info

Publication number: DE3781559T2
Application number: DE8787908052T
Authority: DE
Inventors: A Erickson
Original assignee: Krupp Widia GmbH; Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1987-01-27
Filing date: 1987-11-13
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2007-11-14
Also published as: AU8335187A; EP0343164A4; EP0343164B1; JPH03501368A; AU608271B2; WO1988005356A1; EP0343164A1; US4836068A; ATE80074T1; DE3781559D1; US4708040A; CA1288226C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Halten eines rohrförmigen Werkzeughalter-Schaftes nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Sie betrifft im besonderen Verriegelungsstangen und Verriegelungsmechanismen, die Verriegelungskugeln verwenden, um einen Werkzeughalter und ein Stützelement zusammenzuhalten. Solche Geräte werden beim Schneiden und Bearbeiten von Werkstücken verwendet; dort ist es wichtig, daß der Werkzeughalter durch den Verriegelungsmechanismus starr an dem Werkzeug-Stützelement gehalten wird, so daß sowohl die Bewegung als auch die Schwingungen während der spanenden Metallbearbeitung minimiert werden.
Die US-A-4 135 418 offenbart eine Vorrichtung zum Halten eines rohrförmigen Werkzeughalter-Schaftes nach dem ersten Teil von Anspruch 1. Diese Vorrichtung weist ein Stützelement mit einer nach vorn gerichteten Oberfläche und einer Bohrung auf, die die nach vorn gerichtete Oberfläche schneidet und sich von dieser ausgehend rückwärts erstreckt, um den Schaft aufzunehmen. Der Schaft ist durch einen Klemmechanismus mit dem Stützelement verbunden, der eine gehärtete Büchse umfaßt, die mit dem Stützelement verschraubt ist, sowie innerhalb des Schaftes befindliche Kugeln, die gegen eine ebene Fläche der Büchse gedrückt werden.
Weitere Vorrichtungen aus dem Stand der Technik sind in der US-A-3 498 653, US-A-4 197 771 und US-A-4 350 463 dargestellt. Die obengenannten Vorrichtungen betreffen die Verwendung von kugelartigen Verriegelungselementen, um den Schaft eines Werkzeughalters in der Bohrung des Werkzeug-Stützelements zu halten. Bei einer Konstruktion nach dem Stand der Technik wurden zwei kugelartige Verriegelungselemente nach außen getrieben, um durch zwei geneigte Rampen an einer hin- und herbeweglichen Verriegelungsstange an dem Schaft eines Werkzeughalters in Anlage zu kommen.
Nun besteht aber immer ein Bedarf an verbesserten Werkzeughaltern, Stütz- und Verriegelungselementen, die bei Metallbearbeitungsoperationen einen höheren Grad an Steifigkeit bereitstellen, so daß eine einzige Anordnung aus Werkzeughalter, Stützelement und Verriegelungsmechanismus bei einer möglichst großen Zahl von Bearbeitungsoperationen verwendet werden kann, um bei einem stärkeren Schnitt eine gegebene Oberflächenbehandlung zu liefern oder für eine gegebene Schnittiefe und Vorschubrate eine feinere Oberflächengüte bereitzustellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Halten eines rohrförmigen Werkzeughalterschaftes mit einem höheren Grad an Steifigkeit während des Betriebes bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin zeigen
Fig. 1 die Perspektivansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Werkzeughalters zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 die seitliche Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Verriegelungsstange und einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung im Teilquerschnitt;
Fig. 3 den Längsschnitt entlang eines Durchmessers des in Fig. 1 gezeigten Werkzeughalters; und
Fig. 4 den vergrößerten diametralen Längsschnitt des vorderen Endes der in Fig. 2 gezeigten Verriegelungsstange.
In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Werkzeughalters 10 zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Werkzeughalter 10 weist ein vorderes Ende 12, einen mit dem vorderen Ende 12 verbundenen Schaft 14 sowie eine nach hinten gerichtete Anlagefläche 16 an der Verb indungsstelle des vorderen Endes 12 und des Schaftes 14 auf.
Das vordere Ende 12 ist herkömmlicher Art und weist eine herkömmliche Werkzeugaufnahmetasche 18 auf, um eine herkömmliche Beilagscheibe, eine Wendeschneidplatte und einen (nicht gezeigten) Verriegelungsstift aufzunehmen.
Die nach hinten gerichtete Anlagefläche 16 ist für die Anlage an der nach vorn gerichteten Oberfläche eines Werkzeug-Stützelements ausgelegt, an dem der Werkzeughalter 10 montiert werden soll. Die nach hinten gerichtete Anlagefläche 16 ist bevorzugt ebener Art und begrenzt bevorzugt eine Ebene, die senkrecht zu der Längssymmetrieachse des Schaftes 14 liegt.
In Fig. 1 ist gezeigt, daß der Schaft 14 bevorzugt ein mit dem Werkzeughalter 10 integrales Teil ist und bevorzugt aus einem einzigen Stahlteil gearbeitet ist. Man könnte jedoch auch daran denken, daß der Schaft 14 und das vordere Ende 12 des Werkzeughalters unabhängige Stücke sein können, die dann mechanisch zusammengefügt werden können, wobei die nach hinten gerichtete Anlagefläche 16 entweder ein Teil des vorderen Endes 12 oder des Schaftes 14 ist. Auf diese Weise kann ein einziger Schaft mit einer Vielzahl von verschiedenen Vorderenden von Werkzeughaltern oder anderen Werkzeugteilen verwendet werden.
Der Schaft 14 ist zumindest teilweise und bevorzugt vollständig rohrförmiger Art. Die äußeren Oberflächen des Schaftes 14 können in zwei Abschnitte unterteilt sein. Der erste Abschnitt 19 weist eine erste Rotationsfläche 20 um die Längssymmetrieachse auf, die radial nach außen gerichtet ist und sich nach innen verjüngt, während sie sich rückwärts erstreckt. In dieser Figur ist gezeigt, daß diese erste Rotationsfläche bevorzugt kegelförmiger Art ist.
Hinter dem ersten Abschnitt des Schaftes 14 und daran angefügt befindet sich ein zweiter Abschnitt 21, der rohrförmiger Art ist. Der zweite Abschnitt weist eine äußere Oberfläche auf, die eine zweite Rotationsfläche 22 bildet, die sich hinter und innerhalb der ersten Rotationsfläche 20 befindet. Die zweite Rotationsfläche 22 ist bevorzugt koaxial zu der ersten Rotationsfläche 20, und sie ist bevorzugt zylindrisch.
Die rohrförmige Wand des zweiten Abschnitts 21 des Schaftes ist mit einer ersten und einer zweiten Lochung 24 versehen, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, bevorzugt mit 180 Grad zueinander. Die erste bzw. die zweite Lochung 24 enthält eine erste und eine zweite nach vorne gerichtete, konkave Anlagefläche 26, die sich nach vorne erstrecken, während sie sich radial von der inneren Oberfläche 28 des Schaftes weg erstrecken. An Schäften mit großem Durchmesser können drei oder vier in Umfangsrichtung beabstandete Lochungen 24 vorgesehen sein.
Am Ende des rohrförmigen Schaftes 14 befinden sich bevorzugt zwischen den Lochungen 24 in Umfangsrichtung beabstandete Schlitze 30 und 32, die die zweite Rotationsfläche 22 unterbrechen. Diese Schlitze 30 und 32 sind so ausgelegt, daß sie als Keilnuten dienen, um Keile in der Bohrung des Werkzeug- Stützelements aufzunehmen. Außerdem kann die Flexibilität des Schaftteiles hinter den Lochungen leicht durch Änderungen in der Anordnung, der Größe und der Zahl der Schlitze gesteuert werden, indem die Schlitze am hinteren Ende des rohrförmigen Schaftes angeordnet werden. Bei dem in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nur der Schlitz 30, der sich in einer Linie mit der Schneidwerkzeugaufnahmetasche 18 befindet, als Keilnut verwendet, um den Werkzeughalter drehfest zu halten, insofern als die Breite w des Schlitzes 30 so dimensioniert ist, daß sie für eine Schlupfpassung mit einem Keil sorgt, während die Breite des Schlitzes 32 etwas größer (z. B. 0,254 mm (0,010 Zoll) größer) als die des Schlitzes 30 ist. Dies liefert den zusätzlichen Vorteil, daß der rohrförmige Schaft leicht in einer Werkzeug-Stützbohrung aufgenommen werden kann, die mit zwei Keilen versehen ist, um sowohl rechtshändige als auch linkshändige Werkzeughalter (d. h. die Schneidwerkzeugtasche an der linken oder rechten Seite des Werkzeughalters) aufzunehmen.
Unter Bezug auf Fig. 2 nach der vorliegenden Erfindung ist nun der Werkzeughalter 10 über Verriegelungselemente 36 elastisch an einem Werkzeug-Stützelement 34 montiert (d. h. verriegelt). Diese Verriegelungselemente 36 sind bevorzugt zwei kugelförmige Elemente (d. h. Kugeln), die durch eine Verriegelungsstange 38, die drehfest innerhalb eines zylindrischen Längsdurchgangs 40 in dem Stumpf 42 aufgenommen ist, teilweise innerhalb der Lochungen 24 gehalten sind. Die Kombination aus den Verriegelungselementen 36, der Verriegelungsstange 38 und dem Stumpf 42 bildet den Verriegelungsmechanismus. In der Figur ist gezeigt, daß der Durchmesser der Verriegelungsstange 38 kleiner als der Durchmesser des Längsdurchgangs 40 ist, um es der Verriegelungsstange 38 zu erlauben, sich während der Verriegelung selbst zu zentrieren. Die Verriegelungsstange 38 weist eine konkave, zylindrische Anlagerampe 44 und eine Nut 46 auf, die die Kugeln 36 nach außen durch radiale, zylindrische Öffnungen 48 in dem Stumpf 42 treibt, wenn die Verriegelungsstange 38 nach hinten gezogen und gehalten wird, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Wird die Verriegelungsstange 38 nach vorne geschoben, um den Werkzeughalter freizugeben, dann können die Kugeln 36 in den Vertiefungen 94 aufgenommen werden, um das Entfernen des Werkzeughalters zu ermöglichen.
Während des Verriegelns, wobei die Verriegelungskugeln durch die Rampe 44 und die Nut 46 nach außen bewegt werden, werden sie in Anlage mit den nach vorne gerichteten, konkaven Anlageflächen 26 in den Lochungen 24 und den nach hinten gerichteten, konkaven Oberflächen 50 in den radialen Öffnungen 48 des Stumpfes 42 getrieben. Auf diese Weise wird eine Kraft mit einer nach hinten sowie einer radial nach außen verlaufenden Komponente gegen den Schaft 14 des Werkzeughalters 10 gerichtet, der in die Bohrung 51 des Werkzeug-Stützelements 34 eingefügt worden ist. Die nach hinten verlaufende Komponente dieser Kraft zwingt die erste Rotationsfläche 20 in einen Preßsitz mit der vorderen Rotationsfläche 52 der Bohrung um die Längsachse X-X. Die vordere Rotationsfläche 52 ist radial nach innen gerichtet und verjüngt sich radial nach innen, während sie sich rückwärts erstreckt, und in der Figur ist gezeigt, daß sie bevorzugt kegelförmig ist und sich nach innen mit dem gleichen Winkel verjüngt, der sich auf der ersten Rotationsfläche 20 des Schaftes findet.
Während die erste Rotationsfläche 20 des Schaftes und die vordere Rotationsfläche 52 der Bohrung elastisch in gemeinsamen Preßsitz gebracht werden, wird die nach hinten gerichtete Fläche 16 des Werkzeughalters in Anlage mit der nach vorne gerichteten Oberfläche 54 des Werkzeug-Stützelements 34 gebracht.
Die radial nach außen verlaufende Komponente der gegen den Schaft 14 gerichteten Kraft dehnt elastisch zumindest einen Teil der zweiten Rotationsfläche 22 aus, die sich bevorzugt hinter der ersten und der zweiten nach vorne gerichteten, konkaven Anlagefläche 26 befindet, in Anlage an der radial nach innen gerichteten hinteren Rotationsfläche 56 der Bohrung um die Längsachse X-X. Diese Bohrungsoberfläche 56 ist bevorzugt konkav-zylindrisch, um eine vollständigere Anlage an der konvex-zylindrischen Oberfläche 22 des Schaftes sicherzustellen. Der Durchmesser der Bohrungsoberfläche 56 ist etwa um 0,05 bis 0,1 mm (0,002 bis 0,004 Zoll) größer als der Außendurchmesser der zweiten Rotationsfläche 22 in ihrem nicht ausgedehnten Zustand. Diese Spielpassung ermöglicht es, daß die vorliegende Erfindung leichter bei roboterorientierten Anwendungen verwendet werden kann, da der Werkzeughalterschaft leichter in die Bohrung des Stützelementes eingefügt werden kann.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Stumpf 42 in der Bohrung des Werkzeug-Stützelements 34 in Eingriff gebracht und durch vier Bolzen 58 (von denen nur zwei gezeigt sind) stationär gehalten, die ihn mit dem Werkzeug-Stützelement 34 verbinden. Die Verriegelungsstange 38 und die Verriegelungselemente 36 sind in dem Längsdurchgang 40 des Stumpfes bzw. in den radialen Öffnungen 48 lose gehalten, so daß sie sich während des Verriegelns selbst zentrieren. Ist kein Werkzeughalter vorhanden, dann sind die Verriegelungselemente durch die Verriegelungsstange 38 und die Bohrung 51 jeweils in ihren Öffnungen lose gehalten. Der Außendurchmesser des Stumpfes 42 an seinen radialen Öffnungen 48 ist so gewählt worden, daß die Differenz zwischen ihm und dem Durchmesser der Bohrung des Stützelements klein genug ist, um sicherzustellen, daß ein etwa aus der radialen Öffnung 48 vorstehendes Verriegelungselement 48 durch das hinterste Ende des Schaftes 14 in die Öffnung gedrückt wird, während es in die Bohrung und über den Stumpf eingesetzt wird.
Die Verriegelungsstange 38 ist durch den Eingriff eines Keiles in einer Keilnut, der hier als ein länglicher Ansatz 60 an der Verriegelungsstange in der länglichen Ausnehmung 62 in dem Stumpf 42 gezeigt ist, drehfest in dem Längsdurchgang 40 gehalten. Am hinteren Ende der Verriegelungsstange 38 befindet sich ein mit einem Gewinde versehenes Element 64 zum Eingriff mit herkömmlichen Mitteln, um die Verriegelungsstange 38 hin- und herzubewegen und sie nach hinten zu halten, um einen Schaft 14 an dem Werkzeug-Stützelement 34 zu verriegeln, sowie nach vorne, um den Schaft 14 zu entriegeln und ihn dann über die Anlage der vorderen Anlagefläche 66 an der Verriegelungsstange und der Schaftausdrückfläche 68 im Inneren des rohrförmigen Teils des Schaftes 14 nach vorne von dem Werkzeug-Stützelement 34 wegzudrücken.
Das in Fig. 2 gezeigte Beispiel einer herkömmlichen Einrichtung für die Hin- und Herbewegung wird durch eine Drehmutterneinheit gebildet, die aus einer Drehmutter 69 besteht, die über ein Gewinde mit dem Gewindeelement 64 der Verriegelungsstange 38 in Eingriff steht und innerhalb des hinteren Endes des Stumpfes 42 zwischen Sätzen aus Druckscheiben 70 drehbar gehalten ist, zwischen denen ein Drucknadelrollenlager 71 angeordnet ist. Die gesamte Drehmutterneinheit ist zwischen einer nach hinten gerichteten ringförmigen Schulter 72 und einem Haltering 74 axial stationär gehalten. Das hinterste Ende 75 der Drehmutter 69 kann dann mit einem herkömmlichen, motorbetriebenen und drehbaren Element in Eingriff gebracht werden, um die Drehmutter zu drehen und dadurch die Verriegelungsstange 38 nach vorne oder nach hinten zu bewegen. Alternativ lassen sich für die Hin- und Herbewegung der Verriegelungsstange anstelle der Drehmutterneinheit herkömmliche Federn verwenden.
In Fig. 2 ist gezeigt, daß das Werkzeug-Stützelement durch Befestigungselemente wie vier Bolzen 78 (von denen nur zwei gezeigt sind) auf einem größeren, herkömmlichen Maschinen- oder Basiselement 76 gehalten werden kann, das beispielsweise ein Revolverkopf, eine Spindel oder eine Bohrstange sein kann. Das Maschinenelement 76 weist eine zylindrische Bohrung 79 zur Aufnahme des hinteren Endes des Stumpfes 42 auf.
Das Werkzeug-Stützelement 34 enthält, wenn dies auch nicht gezeigt ist, bevorzugt zwei zylindrische Keile, die sich in seine Bohrung mit 180 Grad zueinander und mit 90 Grad zu den Lochungen 24 erstrecken. Diese Keile sind herkömmlich ausgelegt und greifen an den Keilnutschlitzen 30 und 32 im Ende des Schaftes 14 ein, aber gelangen nicht mit dem Stumpf 42 in Kontakt.
In Fig. 3, die den Querschnitt durch den rohrförmigen Schaft 14 längs einer Ebene zeigt, die einen Schaftdurchmesser und die Mittellinien P-P der Anlageflächen 26 enthält, ist deutlich dargestellt, daß die Anlageflächen 26 bevorzugt Wände 80 bilden, die von konkav-zylindrischer Gestalt sind und einen Krümmungsradius r aufweisen. Diese Wände 80 sind bezüglich der Längsmittellinie X-X des Schaftes in einem Winkel B angeordnet, so daß sich die Symmetriedrehachse P-P und, was noch wichtiger ist, die nach vorne gerichteten, konkaven Anlageflächen 26 an den Wänden 80 nach vorne erstrecken, wobei sie sich von der inneren Oberfläche 28 fort und auf die äußere Oberfläche 22 des rohrförmigen Schaftes 14 zu erstrecken. Der Winkel B würde zwar bevorzugt so groß wie möglich sein, um den mechanischem Vorteil zu maximieren, aber bei großen Winkeln können Bearbeitungstoleranzen mit der korrekten Anordnung der Verriegelungselemente 36 gegen die Oberflächen 26 in Konflikt geraten. Deshalb liegt der Winkel B bevorzugt zwischen 50 und 60 Grad, im besonderen bei 55 Grad.
Die konkaven, nach vorne gerichteten Anlageflächen 26 weisen einen Krümmungsradius r auf, dessen Wert durch den Krümmungsradius rs der konvexen Anlagefläche der Verriegelungselemente 36 bestimmt ist, die gegen die Oberflächen 26 in Anlage geraten. Bevorzugt liegen r und rs so nahe wie möglich beieinander, so daß bei Anlage der Verriegelungselemente 36 gegen die Oberflächen 26 über eine möglichst große Fläche ein Kontakt zustandekommt, um die Verformung der Oberfläche 26 und der Oberfläche des Verriegelungselementes zu minimieren, wodurch ihre Standzeit verlängert wird. Um dieses Ergebnis zu erreichen, ist r bevorzugt gleich, aber nicht größer als 0,1016 mm (0,004 Zoll), im besonderen 0,0508 mm (0,002 Zoll) größer als rs.
Es ist wichtig, daß die Anlageflächen 26 den beschriebenen Radius und die beschriebene Steigung aufweisen. Ebenso ist wichtig, daß sich die Anlageflächen 26 auf der gleichen Höhe in einer Richtung parallel zu der Achse X-X befinden, um sicherzustellen, daß die Verriegelung in beiden Anlageflächen 26 stattfindet. Die anderen Teile der Lochungswände, die nicht zur Anlage an den Verriegelungselementen verwendet werden, können jedoch von den oben beschriebenen Verhältnissen abweichen, ohne die Leistungsfähigkeit der Erfindung zu beeinträchtigen. Beispielsweise erstreckt sich, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, der obere Teil 82 der Lochungswände radial von der inneren Oberfläche 28 zu der äußeren Oberfläche 22 nach außen, so daß vermieden wird, daß sich die Lochungen 24 und die erste Rotationsfläche 20 schneiden. Falls die Lochung 24 die erste Rotationsfläche 20 schneiden sollte, dann kann die dadurch gebildete Ecke die Bohrung des Stützelements beschädigen, die gegen sie im Preßsitz eingepaßt ist, falls nicht an dieser Stelle in der Bohrung des Stützelementes ein Spielraum vorgesehen ist.
Die erste Rotationsfläche 20 ist, wie gezeigt, bevorzugt kegelförmig. Der Winkel A, den die Oberfläche 20 mit der Längsmittellinie X-X des Schaftes bildet, liegt bevorzugt zwischen 1 und 5 Grad (und 2A liegt bevorzugt zwischen 2 und 10 Grad), um beim Eingriff an der ebenso verjüngten Bohrung des Werkzeug-Stützelements einen selbsthaftenden Kegel bereitzustellen. 2A ist bevorzugt ein Morsekegel (d. h. 5 Grad, 43 Minuten und 30 Sekunden).
Die erste Rotationsfläche 20 ist so dimensioniert worden, daß sie mit dem nach vorne verjüngten Abschnitt in der Bohrung des Werkzeug-Stützelements einen Preßsitz schafft. Wir haben herausgefunden, daß bei gehärteten und vergüteten Stählen (z. B. AISI 4340 oder sein Äquivalent mit einer Rockwellhärte C 40-45 für den Werkzeughalterschaft und einer Rockwellhärte C 50-55 für die Bohrung des Stützelements) im unbelasteten Zustand (d. h. nicht im Werkzeug-Stützelement montiert) sich die erste Rotationsfläche um wenigstens 0,0127 mm (0,0005 Zoll) (auf einem Durchmesser) radial über die vordere Rotationsfläche hinaus erstrecken sollte, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zur Geltung zu bringen. Für die oben erwähnten Werkstoffe sollte die unbelastete Verlängerung der ersten Rotationsfläche nicht größer als 0,0381 mm (0,0015 Zoll) sein, um sicherzustellen, daß die plastische Verformung und/oder Ermüdungsschäden an dem Werkzeughalter oder dem Werkzeug-Stützelement vermieden werden. Außerdem wurde ein Maximum von 0,0381 mm (0,0015 Zoll) gewählt, um sicherzustellen, daß der Schaft leicht aus der Bohrung des Werkzeug- Stützelements entfernt werden kann. Dagegen ist es dem Fachmann unmittelbar einsehbar, daß diese Werte für die Größe eines Werkzeughalters (D&sub1; = 30 mm, D&sub2; = 40 mm, L = 6 mm und 2A = Morsekonus) und für die Materialien wie oben beschrieben gewählt wurden, um einen gewünschten Bereich von Berührungsspannungen bereitzustellen. Bei anderen Größen oder Arten von Werkzeughalter(n) und/oder Stützelementen aus anderen Materialien können Werte außerhalb des Bereiches von 0,0127 bis 0,0381 mm (0,0005 bis 0,0015 Zoll) geeignet sein, um gleichwertige Ergebnisse in Bezug auf die Steifigkeit zu erreichen.
Außer der Bereitstellung einer verbesserten Steifigkeit für die Anordnung aus Werkzeughalter und Stützelement, erlaubt es die Verwendung des hier beschriebenen Preßsitzes auch, daß die Toleranzen auf dem Durchmesser des Werkzeughalterschaftes ziemlich locker sein können (z. B. ± 0,01524 mm (± 0,0006 Zoll) auf einem Durchmesser), während dennoch durch die Anlage zwischen der nach hinten gerichteten Anlagefläche 16 an dem Werkzeughalter und der nach vorne gerichteten Oberfläche 54 des Werkzeug-Stützelements eine genaue Zentrierung und eine radiale Anordnung sowie eine genaue Längsanordnung sichergestellt ist. Aufgrund dieser lockeren Toleranzen ergeben sich auch geringere Herstellungskosten.
In Fig. 3 ist gezeigt, daß die zweite Rotationsfläche 22 bevorzugt eine zylindrische Oberfläche ist, besonders in den Bereichen, die sich hinter den nach vorne gerichteten, konkaven Anlagewänden 26 befinden, insofern als wir herausgefunden haben, daß die zylindrischen Oberflächen 22 während des Verriegelns ausgedehnt werden können, um im Vergleich zu komplementären, kegelförmigen Oberflächen größere Anlageflächen mit der zylindrischen, hinteren Rotationsfläche 56 in der Bohrung des Werkzeug-Stützelements 34 bereitzustellen. Ein größtmöglicher Oberflächenkontakt ist erwünscht, um dem Werkzeughalter eine verbesserte Steifigkeit zu verleihen.
In dem Schaft 14 ist durch die innere, allgemein zylindrische Oberfläche 28 ein innerer Hohlraum 83 ausgebildet; die Oberfläche steht mit den nach hinten gerichteten Oberflächen 84 und 68 am vorderen Ende des rohrförmigen Schaftes in Verbindung. Der Hohlraum 83 weist eine solche Größe auf, daß er den in Fig. 2 gezeigten Verriegelungsmechanismus lose aufnehmen kann. An ihren hintersten Enden sind die Oberflächen 28 und 22 durch Kegelelemente 86 verlängert. Die Kegelelemente 86 dienen dazu, die Belastung des Schaftes 14 über dem Stumpf 42 und in die Bohrung des Werkzeug-Stützelements 34 zu erleichtern, während sie auch dabei helfen, die Verriegelungselemente 36 während des Belastens in den Stumpf zu schieben.
In Fig. 4 ist nach der vorliegenden Erfindung eine vergrößerte, diametrale Querschnittsansicht des vorderen Elements der in Fig. 2 dargestellten Verriegelungsstange 38 gezeigt. Das vordere Ende 88 der Verriegelungsstange weist eine flache Anlagefläche 66 auf, an deren Umfang eine ringförmige Schräge 90 angrenzt. An das vordere Ende 88 grenzt an der äußersten Kante der Schräge 90 eine zylindrische Seitenfläche 92 an, die sich rückwärts von dem vorderen Ende 88 um seine zentrale Rotationssymmetrieachse Y-Y fort erstreckt, die die Anlagefläche 66 mit 90 Grad schneidet. Die Seitenfläche 92 wird durch eine erste und eine zweite Vertiefung 94 geschnitten, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet und bevorzugt in einem Winkel von 180 Grad zueinander und im gleichen Abstand von der Ebene der Anlagefläche 66 angeordnet sind, wie dies in der Figur gezeigt ist. Diese Vertiefungen 94 sind so dimensioniert worden, daß sie die Verriegelungselemente 36 in der unverriegelten Stellung aufnehmen. Die gezeigten Vertiefungen 94 sind in Richtung der Längsachse Y-Y verlängert und weisen an jedem Längsende bevorzugt eine konkave, kugelförmige Oberfläche mit einem Radius rd auf, der gleich dem Radius des Verriegelungselements 36 oder etwas größer ist. Die radiale Tiefe der Vertiefungen 94 in die zylindrische Seitenfläche 92 hinein ist so eingestellt, daß die Summe der Dicke des Verriegelungsstangenmaterials, das die Vertiefungen 94 trennt, plus die zwei Durchmesser der Verriegelungselemente 36 geringer als der Innendurchmesser des Schaftes ist.
Eine Rampe 44 grenzt an die erste Vertiefung 94 an ihrem, der Anlagefläche 66 am nächsten gelegenen Längsende an. Die Rampe 44 erstreckt sich von der ersten Vertiefung weg und auf die Anlagefläche 66 zu, wobei sie radial von der zentralen Achse Y-Y nach außen zurückweicht. Die Oberfläche der Rampe 44 ist eine konkave, zylindrische Rotationsfläche mit einem Radius r um die Achse R-R, die zur Achse Y-Y in einem spitzen Winkel C geneigt ist. Der Radius r ist bevorzugt gleich dem Radius der Verriegelungselemente 36 oder etwas größer, und bevorzugt nicht um mehr als 0,1 mm (0,004 Zoll), im besonderen 0,05 mm (0,002 Zoll), größer als der Radius der Verriegelungselemente 36.
Während der Winkel C im Idealfall so klein wie möglich sein sollte, um maximale mechanische Vorteile zu liefern, muß diese ideale Ausgestaltung mit der Möglichkeit der Herstellung innerhalb einer gegebenen Toleranz und dem Problem in Einklang gebracht werden, daß der zur vollständigen Verriegelung erforderliche Arbeitshub umso länger wird, und damit die Verriegelungsstange umso länger sein muß, je flacher C ist. Ich habe herausgefunden, daß ein bevorzugter Kompromiß zwischen diesen widerstreitenden Anliegen darin besteht, den Winkel C gleich 20 Grad zu setzen, wobei im besonderen ein Winkel von gleich 15 Grad bevorzugt ist.
An die zweite Vertiefung 94 grenzt nun eher eine Nut 46 als eine mit der Rampe 44 identische Rampe an, wie man dies in der Auslegung von Verriegelungsstangen nach dem Stand der Technik finden kann. Die Nut 46 grenzt an die zweite Vertiefung an ihrem der Anlagefläche 66 am nächsten gelegenen Längsende an und erstreckt sich parallel zu der zentralen Achse Y-Y von der zweiten Vertiefung fort und auf die Anlagefläche 66 zu. Die Oberfläche der Nut 46 ist eine konkave, zylindrische Rotationsfläche, ebenfalls mit einem Radius r, aber um die Achse G-G, die parallel zu der Achse Y-Y liegt.
Wird die Verriegelungsstange rückwärts gezogen, dann rollen die Verriegelungselemente aus den Vertiefungen 94 und auf die Nut 46 und die Rampe 44, die die Verriegelungselemente radial nach außen treiben, um den Werkzeughalter an dem Stützelement zu verriegeln. Wird danach die Verriegelungsstange nach vorne bewegt, dann rollen die Verriegelungselemente 36 in die Vertiefungen 94 und erlauben so der zweiten Rotationsfläche 20, sich aus der Anlage mit der hinteren Rotationsfläche 56 der Bohrung zu lösen, wodurch das Werkzeug entriegelt wird. Ist die erste Rotationsfläche 20 ein selbsthaftender Kegel, dann kann die Verriegelungsstange weiter nach vorne geschoben werden, so daß die Verriegelungsstangen-Anlagefläche 66 gegen die Ausdrückfläche 68 innerhalb des rohrförmigen Schaftes drückt, um den Werkzeughalter von dem Werkzeug-Stützelement freizugeben.
Die vorliegende Konstruktion einer Verriegelungsstange unter Verwendung einer Nut und einer Rampe geht deutlich über die Konstruktionen nach dem Stand der Technik hinaus, die zwei gegenüberliegende, sich zugewandte Rampen verwenden, die in gleichen Winkeln geneigt sind, und liefert dagegen deutliche Vorteile. Die vorliegende Konstruktion liefert für einen gegebenen umschlossenen Winkel (hier der Winkel zwischen der Achse R-R und der Achse G-G) einen erhöhten mechanischen Vorteil, da im Vergleich zu einer Konstruktion mit zwei Rampen mit dem gleichen, zwischen den zwei Rampen umschlossenen Winkel, ein kürzerer Verriegelungshub erforderlich ist.
Alle hier verwendeten Bauteile sind zwar bevorzugt aus gehärtetem oder vergütetem Stahl hergestellt, aber der Fachmann ist sich dessen bewußt, daß ersatzweise andere Werkstoffe verwendet werden können, ohne die Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung zu schmälern. Beispielsweise bestehen die Verriegelungselemente 36 bevorzugt aus einem Chromlegierungsstahl mit einer Rockwellhärte von C 60-65; man könnte jedoch auch daran denken, sie aus Sinterhartmetall herzustellen. Der Stumpf 42 kann aus einem AISI-4340-Stahl oder seinem Äquivalent mit einer Rockwellhärte von C 40-45 hergestellt sein. Während die Verriegelungsstange 38 bevorzugt aus einem Legierungsstahl wie AISI 4340 hergestellt sein kann, besteht sie im besondern aus einem stoßfesten Werkzeugstahl wie AISI S7 mit einer Rockwellhärte von etwa C 56-58.

Claims

1. Vorrichtung zum Halten eines rohrförmigen Werkzeughalter- Schaftes (14), wobei diese Vorrichtung ein Werkzeug-Stützelement (34) aufweist, das eine nach vorn gerichtete Oberfläche (54) und eine Bohrung (51) besitzt, welche die nach vorn gerichtete Oberfläche (54) schneidet und sich von dieser ausgehend rückwärts erstreckt, um den Schaft (14) aufzunehmen;

mit einer Einrichtung zum Verriegeln des Werkzeughalter- Schaftes (14) in dem Werkzeug-Stützelement (34);

wobei diese Verriegelungseinrichtung ein Stumpfelement (42) mit einem Durchgang (40) darin und einem lose in dem Durchgang hin- und herbeweglichen Element (38) aufweist;

wobei dieses Stumpfelement (42) innerhalb der Bohrung (51) angeordnet ist und in dem rohrförmigen Werkzeughalter-Schaft

(14) aufgenommen werden kann;

wobei das Stumpfelement (42) eine erste Öffnung (48) und eine zweite Öffnung (48) aufweist, die in Umfangsrichtung von der ersten Öffnung (48) beabstandet ist;

wobei die erste und die zweite Öffnung (48) sich in Radialrichtung von der Wandung (56) der Bohrung fort erstrecken und mit dem Durchgang (40) kreuzen;

sowie mit einem ersten Verriegelungselement (36) und einem zweiten Verriegelungselement (36) in der ersten bzw. in der zweiten Öffnung (48) für eine aufhebbare Anlage an dem hohlen Werkzeughalter-Schaft (14);

wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine Rampe (44) und eine Nut (46) zur Bewegung und zum lösbaren Halten der Verriegelungselemente (36) gegen den hohlen Werkzeughalter-Schaft (14);

wobei diese Rampe (44) und die Nut (44) an dem hin- und herbeweglichen Element (38) angeordnet sind, wobei die Nut (46)

sich parallel zu einer Richtung der Hin- und Herbewegung des hin- und herbewegbaren Elements (36) erstreckt und wobei die Rampe (44) und die Nut (46) in Umfangsrichtung mit der ersten bzw. mit der zweiten Öffnung (48) ausgerichtet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das erste und das zweite Verriegelungselement (36) durch Kugeln gebildet sind und die Rampe (44) sowie die Nut (46) eine konkave zylindrische Oberfläche zur Anlage an den Kugeln aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Krümmungsradius der konkaven zylindrischen Oberfläche um 0,004 Zoll, aber nicht mehr, größer ist als die Krümmungsradien des ersten und des zweiten Verriegelungselements (36).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der Krümmungsradius der konkaven zylindrischen Oberfläche um 0,002 Zoll, und nicht mehr, größer als die Krümmungsradien des ersten und des zweiten Verriegelungselements (36) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Verriegelungselement (36) durch das hin- und herbewegbare Element (38) und die Bohrungswandung (56) in der ersten bzw. in der zweiten Öffnung (48) gehalten sind.