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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung eines
Griffkopfes einer Spindel einer Werkzeugmaschine.
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Es sind bereits Werkzeugverriegelungsvorrichtungen in einem
Werkzeugfutter einer Werkzeugmaschine bekannt, die allgemein ein
Axialgleitelement, das in geeigneter Weise am Werkzeug befestigbar ist, ein
axial stationäres Element und eine Ausdehnvorrichtung umfassen, die in
der Lage ist, eine Axialverschiebung innerhalb des Gleitelementes
durchzuführen und Verriegelungskugeln gegen eine Anschlagfläche des
stationären Elementes über geeignete Öffnungen im Gleitelement zu
drücken. Hierbei treibt ein Federsystem die Vorrichtung in eine
Verriegelungsposition, während die Entriegelung durch einen
hydraulischen Betätigungskolben durchgeführt wird. Eine
Verriegelungsvorrichtung dieser Art gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist
in der DE-C-2741166 beschrieben.
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Eine derartige Vorrichtung besitzt einige Nachteile. Einer dieser
Nachteile besteht beispielsweise darin, daß die Verriegelungskugeln, die
ein im wesentlichen punktförmiges Lager auf der
Ausdehnvorrichtungsfläche der Verriegelungsvorrichtung und auf der gegenüberliegenden
Fläche des axial stationären Elementes besitzen, einen sehr hohen
örtlichen Druck ausüben, so daß sie üblicherweise Verformungen der
Kontaktflächen verursachen, was zur Folge hat, daß nach einer gewissen
Betriebsdauer die Werkzeugbefestigung die erforderliche Steifigkeit
verliert.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß die
Kugeln, bei denen es sich um mindestens sechs handelt, hohe
Herstellkosten aufweisen, insbesondere wegen des hohen Risikos von
Fehlern bei der Herstellung. Darüber hinaus kann die Vorrichtung durch
die Verwendung von vielen Kugeln nur schlecht mögliche
Konzentrizitätsfehler, die im rotierenden Element vorhanden sind, mittels einer
geeigneten winkligen Orientierung des Gleitelementes ausgleichen.
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Ein weiterer Nachteil der vorstehend erwähnten bekannten
Verriegelungsvorrichtung besteht darin, daß die Kugeln ihre Verriegelung mit einer
Radialbewegung in Richtung auf die Drehachse der Vorrichtung ausführen,
d. h. in der zur Zentrifugalkraft der rotierenden Spindel
entgegengesetzten Richtung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Verriegelungsvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art ohne die
erwähnten Nachteile zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine
Verriegelungsvorrichtung gelöst, bei der die Zahl der Kugeln oder Rollen
auf nur drei reduziert ist, wobei deren Bewegung auf auf der Außenfläche
der Ausdehnvorrichtung ausgebildeten Laufringen derart stattfindet, daß
sie sich bei ihrer Bewegung in die Verriegelungsposition radial von der
Drehachse der Vorrichtung wegbewegen.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung besitzt weitere Vorteile
und neuartige Merkmale relativ zum Stand der Technik, die aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform der
Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung hervorgehen. Es
zeigen:
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Figur 1 eine Axialschnitt durch die erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung im Betriebszustand;
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Figur 2 einen vergrößerten Längsschnitt entlang dem Ausdehnelement
der Vorrichtung der Figur 1;
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Figur 3 einen Schnitt entlang Linie 3-3 in Figur 2;
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Figur 4 einen Schnitt entlang Linie 4-4 in Figur 2;
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Figur 5 eine vergrößerte Ansicht eines Längsschnittes entlang der
Drehachse der Vorrichtung der Figur 1;
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Figur 6 eine Vorderansicht aus der Richtung 6 des in Figur 5
dargestellten Elementes;
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Figur 7 einen Teilschnitt entlang Linie 7-7 in Figur 5; und
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Figur 8 einen Axialschnitt ähnlich Figur 1, wobei die Vorrichtung
jedoch in ihrem entriegelten Zustand dargestellt ist.
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Wie aus Figur 1 hervorgeht, umfaßt die erfindungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung ein Axialgleitelement 12, das hiernach als Gleitelement
bezeichnet wird und das dazu dient, über übliche Einrichtungen (nicht
gezeigt) mit dem Werkzeugverriegelungseinsatz einer Werkzeugmaschine
verbunden zu werden. Um das Gleitelement 12 herum und koaxial damit ist
ein Element 14 angeordnet, das keinerlei Axialverschiebung erfährt,
sondern nur eine Drehbewegung ausführt. Dieses Element wird hiernach
kurz als rotierendes Element 14 bezeichnet. Bei der in der Zeichnung
dargestellten speziellen Ausführungsform kann sich das rotierende
Element 14 um die Achse a drehen, und das Element lagert mit Hilfe von
Lagern 16 ein festes Element 18, das weder eine Axialverschiebung noch
irgendeine Drehbewegung durchführt. Ein Verriegelungselement oder eine
Ausdehnvorrichtung 20 erfährt eine Axialverschiebung entlang der Achse a
und ist innerhalb des Gleitelementes 12 angeordnet, um mit drei
Einrichtungen zum Verkeilen in der Form von Metallkugeln
zusammenzuwirken.
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Zwischen dem Gleitelement 12 und dem Drehelement 14 befindet sich eine
Schraubenfeder 24, die ein Ende aufweist, das gegen den Flansch 33 des
Gleitelementes 12 stößt, sowie ein anderes Ende, das gegen eine Schulter
36 des rotierenden Elementes 14 stößt. Zwischen dem Gleitelement 12 und
der Ausdehnvorrichtung 20 ist eine Feder 26, vorzugsweise vom
Schraubenfedertyp, angeordnet, die ein Ende aufweist, das direkt auf die
Ausdehnvorrichtung 20 stößt, und ein anderes Ende, das auf eine Schulter
34 des Gleitelementes 12 stößt.
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Innerhalb des rotierenden Elementes 14 und zum Gleitelement 12
ausgerichtet befindet sich ein Entriegelungskolben 28, der eine
Axialbewegung entlang der Achse a durchführen kann, wenn er über ein in
die Kammer 30 eingeführtes Strömungsmittel angetrieben wird.
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Das Gleitelement 12 besitzt eine im wesentlichen rohrförmige Gestalt und
ist von der Seite aus, die in ihrem Inneren die Ausdehnvorrichtung 20
aufnimmt, mit Öffnungen oder Durchlaufschlitzen 32 versehen, die in
geeigneter Weise entlang einem Umfang im Abstand voneinander angeordnet
sind. Die Größe der Öffnungen 32 ist so gewählt, daß sie die drei
Einrichtungen 22 zum Verkeilen, bei denen es sich normalerweise um
Kugeln oder Rollen handelt, mit einem gewissen freien Spiel aufnehmen.
An einem Ende an der linken Seite der Figur 1 besitzt das Gleitelement
12 einen Flansch 33, der als Anschlag der Feder 24 wirkt. Am
gegenüberliegenden Ende der rechten Seite der Figur 1 besitzt das Gleitelement 12
eine Schulter 34, die in Richtung auf das Innere vorsteht und als
Anschlag der Feder 26 wirkt.
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Aus den Figuren 2, 3 und 4 geht hervor, daß die Ausdehnvorrichtung oder
das Verriegelungselement 20 eine rohrförmige Gestalt besitzt, auf deren
Außenfläche die Laufringbahnen 42 für die Rollbewegung der Kugeln 22
angeordnet sind. Die Laufringe 42 sind relativ zueinander entlang einem
Umfang winklig im Abstand zueinander angeordnet, und zwar ähnlich wie
Durchgangsschlitze 32, die im Gleitelement 12 angeordnet sind. Jede der
Laufringbahnen 42 verbindet ein Ende der Ausdehnvorrichtung 20 mit einem
Schlitz 44, der so ausgebildet ist, daß er die Einrichtungen 22 zum
Verkeilen aufnimmt. Die Laufringe 42 besitzen eine Tiefe, die sich in
der Richtung auf die Schlitze 44 erhöht, so daß sie geringfügig vom Ende
der Ausdehnvorrichtung 20 in Richtung auf die Schlitze 44 geneigt sind.
Wenn die Einrichtungen 22 zum Verkeilen die Form von Kugeln besitzen,
sind die Laufringe 42 kanalförmig ausgebildet und besitzen einen
Querschnitt, der als Umfangsbogen ausgebildet ist mit einem Radius, der
im wesentlichen dem der Kugeln 22 entspricht. Wenn die Einrichtungen 22
zum Verkeilen stattdessen die Form von Rollen besitzen, sind die
Laufringe 42 in einfacher Weise geneigte Ebenen. In beiden Fällen findet
der Kontakt zwischen den Verkeilungskörpern und der Fläche der Laufringe
nicht über nahezu punktförmige, sehr begrenzte Bereiche statt, sondern
gemäß der Haupteigenschaft der vorliegenden Erfindung im wesentlichen
über ausgedehnte Bereiche. Auf diese Weise wird der Verschleiß von
Kontaktteilen entscheidend reduziert, wodurch der Hauptgrund für
unerwünschte Steifigkeitsverluste der Verbindung zwischen der
Verriegelungsvorrichtung und dem Werkzeug vermieden wird.
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Die Schlitze 44 besitzen die Form von kugelförmigen Kappen, wenn es sich
bei den Verkeilungskörpern 22 um Kugeln handelt (wie in den Figuren
dargestellt), und weisen eine halbzylindrische Form auf, wenn die
Verkeilungskörper 22 Rollen sind.
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Wie man den Figuren 5, 6 und 7 entnehmen kann, besitzt auch der
rotierende Körper 14 eine im wesentlichen rohrförmige Gestalt, und sein
Inneres weist eine Schulter 36 auf, die als Anschlag für das rechte
äußere Ende der Feder 24 dient. Benachbart zur Schulter 36 befindet sich
eine zylindrische Fläche 37, die über die konische Fläche 40 mit einer
zylindrischen Fläche von geringerem Durchmesser 38 verbunden ist. Diese
konische oder geneigte Fläche 40, die als Anschlagfläche bezeichnet
wird, ist mit Sitzen 41 versehen, die in geeigneter Weise entlang einem
Umfang beabstandet sind, und zwar in entsprechender Weise und mit dem
gleichen Abstand wie die Durchgangsschlitze 32 des Gleitelementes 12 und
die Laufringe 42 der Ausdehnvorrichtung 20. Die Abmessungen und die Form
der Sitze 41 ist in Abhängigkeit von den Dimensionen und der Form der
Verkeilungskörper 22 gewählt. Wenn diese die Form von Bällen besitzen,
wie bei den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen, sind die
Sitze 41 als kugelförmige Kappen ausgebildet und weisen einen Radius
auf, der im wesentlichen dem Radius der Kugeln entspricht. Wenn die
Körper 22 die Form von Rollen besitzen, sind die Sitze 41 als planare
Abschnitte ausgebildet, die in die konische Wand 40 eingearbeitet sind.
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Wendet man sich wieder Figur 1 zu, so erkennt man, daß das feste Element
18 im wesentlichen aus einem kastenförmigen Element 46, das mit einer
zylindrischen rohrförmigen Verlängerung versehen ist, die den Kolben 28
aufnimmt, einem Element 48, das als Abdeckung des kastenförmigen
Elementes 46 dient, und einem Endelement 50 besteht.
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Wie vorstehend erläutert, ist das stationäre Element 18 das einzige, das
während der Funktionsweise der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung
keine Bewegungen ausführt. Das Element 12 führt eine Axialbewegung sowie
eine Drehbewegung aus, da es zum Teil innerhalb des rotierenden
Elementes 14 angeordnet ist, mit dem es über einen Keil 51 verbunden ist.
Die Ausdehnvorrichtung 20, die sich innerhalb des Abschnittes des
Gleitelementes 12 befindet, der innerhalb des rotierenden Elementes 14
angeordnet ist, führt ebenfalls eine Drehbewegung aus. Der Kolben 28
führt nur eine Axialbewegung aus, und ein Lager 53 befindet sich
zwischen dem Kolben und der Ausdehnvorrichtung 20.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung wird
nunmehr in Verbindung mit den Figuren l und 8 beschrieben. In Figur 8
ist die Vorrichtung in ihrer Außerbetriebsstellung dargestellt, in der
sie entriegelt und zur Verriegelung des Werkzeuges bereit ist. In einem
derartigen Zustand befinden sich die Kugeln 22 in den Schlitzen 44 der
Ausdehnvorrichtung 20 und stehen daher nicht radial über die Außenfläche
des Gleitelementes 12 vor. Deshalb stehen sie nicht mit dem rotierenden
Element l4 in Eingriff, so daß das Element 12 axial innerhalb des
rotierenden Elementes l4 frei gleiten kann. Die Vorrichtung wird in
diesem entriegelten Zustand durch den Strömungsmitteldruck innerhalb der
Kammer 30 gehalten, der den Federn 24 und 26 entgegenwirkt und den
Kolben 28 gegen die Ausdehnvorrichtung 20 drückt. Das unter Druck
stehende Strömungsmittel kann über irgendwelche geeignete Einrichtungen,
die somit keine detaillierte Beschreibung benötigen, in die Kammer 30
eingeführt werden.
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Um die Vorrichtung in ihre in Figur 1 gezeigte Verriegelungsvorrichtung
zu bringen, werden geeignete Steureinrichtungen so betätigt, daß der
Kolben 28 nicht mehr durch das Strömungsmittel unter Druck gesetzt wird.
Der Kolben 28, der somit nicht mehr vom Druck des Strömungsmittels in
der Figur nach rechts gedrückt wird, beginnt seine Verschiebung nach
links unter der Axialkraft der Federn 26 und 24. Die Ausdehnvorrichtung
20 wird ebenfalls über die Feder 26 in der Figur nach links gedrückt,
und die Kugeln 22 ziehen das Element 12 nach links. Die Kugeln 22
geraten aus den Schlitzen 44 heraus und rollen entlang der geneigten
Laufringe 42, wobei sie gegen das rotierende Element 14 radial und genau
gegen dessen Innenfläche 40, die als Anschlagfläche bezeichnet wird,
gedrückt werden. Am Ende ihres Laufes in Richtung auf die linke Seite
der Ausdehnvorrichtung 20 verkeilen sich die Kugeln 22 innerhalb der
geeigneten Sitze 41, die an der Anschlagfläche 40 vorgesehen sind. An
diesem Punkt befindet sich die Vorrichtung in ihrer
Verriegelungsposition und verriegelt das in das Werkzeugfutter der Werkzeugmaschine
eingesetzte Werkzeug in fester Weise. Zum Entriegeln des Werkzeuges wird
unter Druck stehendes Strömungsmittel in die Kammer 30 eingeführt, und
die Vorrichtung kehrt in die vorstehend in Verbindung mit Figur 8
beschriebene Position zurück.
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Es versteht sich, daß sich die drei Kugeln 22 oder andere äquivalente
Verkeilungskörper beim Bewegen aus ihrer Ruheposition, d. h. der in
Figur 8 gezeigten Entriegelungsposition, in ihre Arbeits- oder
Verriegelungsposition gemäß Figur 1 von der Achse a der Vorrichtung radial nach
außen ausweiten. Folglich üben die Kugeln 22 während der Drehung des
Werkzeugfutters der Werkzeugmaschine eine erhöhte Zentrifugalkraft aus,
die dazu beiträgt, um die Aufrechterhaltung einer perfekten Verriegelung
des Werkzeuges sicherzustellen. Dies stellt in bezug auf die vorstehend
erwähnten bekannten Vorrichtungen, bei denen sich die Kugeln oder
äquivalente Verkeilungskörper der Achse a der Vorrichtung nähern, wenn
sie sich aus der Ruheposition in die Betriebsposition bewegen, ein
vorteilhaftes Merkmal der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung dar.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung kann offensichtlich auch
zum Verriegeln des Werkstückes an einer Werkzeugmaschine eingesetzt
werden.