Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupplungsvorrichtung
zwischen einem Werkstück- oder Werkzeugträgerteil,
wie z.B. einem Werkzeugsystemmodul, beispielsweise in
Form einer Werkzeug-Grundaufnahme, und einer zugehörigen
Handhabungseinrichtung, wie z.B. einer Werkzeugmaschine,
beispielsweise in der Ausgestaltung als Bohr-,
Dreh- oder Fräsmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1. Die Kupplungsvorrichtung soll dabei
sowohl für stehende als auch für bewegte, wie z.B.
drehende Werkstück- oder Werkzeugträgerteile, wie z.B.
Werkzeugsystemmodule geeignet sein. Als Handhabungseinrichtung
kommt dabei jedes Teil, beispielsweise auch
ein weiterer Werkzeugsystemmodul in Betracht, das eine
geeignete angepaßte Spanneinrichtung mit axial antreibbarem
Betätigungsglied aufnehmen kann.
Im Zuge der jüngeren technischen Entwicklung hin zu automatisierten
Bearbeitungszentren entsteht das Bedürfnis
nach modulartig aufgebauten Werkzeugsystemen, die
bei geringstmöglichem Zeitaufwand auswechselbar sein
müssen.
Es sind bereits eine Reihe von Kupplungsvorrichtungen
zwischen einzelnen Werkzeugsystemmodulen entwickelt und
vorgeschlagen worden, die sich für stehende und auch für
drehende Werkzeuge eignen. Man hat auch versucht, diese
modularen Kupplungen auf die Schnittstelle zwischen
Werkzeugmaschine und Werkzeugsystemmodul zu übertragen.
Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß es schwierig ist, die
Kupplungsvorrichtung derart zu gestalten, daß sie den
Anforderungen hinsichtlich Stabilität, Positionierungs
genauigkeit, Schmiermittelversorgung des Werkzeugs und
Automatisierbarkeit des Werkzeugwechsels gleichermaßen
gerecht wird.
So ist bereits aus der Zeitschrift "DE-Z.: Moderne Fertigung,
Heft 11, November 1986, Seiten 49 bis 52", eine Kupplungsvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem ein mit
der Betätigungsstange der Spannvorrichtung verbundener
Konus zwei diametral zueinander versetzte Spannkörper
radial nach außen in entsprechend geformte Ausnehmungen
von radial von außen in eine Spindelaufnahme geschraubten
Schrauben drückt. Die Ausnehmungen in den Schrauben sind
ebenso wie die damit in Eingriff kommenden Flächen der
Spannkörper kegelförmig gestaltet, wobei ein gewisser
Achsversatz zwischen dem Konus der Schraubenausnehmung und
dem Konus des Spannkörpers vorgesehen ist, so daß beim
radialen Nachaußendrücken der Spannkörper eine axial
gerichtete Andruckkraft zwischen den zu kuppelnden Teilen
erzeugt wird. Die Abstützung erfolgt hierbei über verhält
nismäßig große Radial-Planflächen, wodurch sich eine
verhältnismäßig hohe Steifigkeit des Systems ergibt.
Allerdings können diese Planflächen nicht zur Gesamtheit
zur Druckkraftübertragung genutzt werden, da normal zu
diesen Planflächen ausgerichtete Mitnehmerstifte vorgese
hen sein müssen, die für eine Indexierung der Werkzeug
systemmodule zueinander bzw. für eine
Mitnahme des Werkzeugsystemmoduls durch die benachbarte
Handhabungseinrichtung, wie z.B. die Spindel,
sorgen. Um dem Problem entgegenzutreten, daß ein
verhältnismäßig kühler Werkzeugsystemmodul an ein bereits
vorgewärmtes werkzeugmaschinenseitiges Kupplungsteil zwän
gungsfrei angeschlossen werden kann, ist es von Vorteil,
wenn der Werkzeugsystemmodul einen Eingriffsfortsatz und
das werkzeugmaschinenseitige Kupplungsteil eine hierfür
vorgesehene Aufnahme aufweist. Im bekannten Fall muß
dieser Vorzug jedoch mit dem Nachteil erkauft werden, daß
der Werkzeugsystemmodul mit einer verhältnismäßig komple
xen Mechanik ausgestattet werden muß, die das Keilgetrie
be, eine Betätigungsstange, und die beiden Spannkörper
umfaßt.
Um diesen verhältnismäßig großen Aufwand zu vermeiden, ist in der
genannten Literaturstelle bereits vorgeschlagen worden, dieses bekannte Kupplungs
system kinematisch umzukehren, d.h. die Spannelemente
zusammen mit der Betätigungsstange und dem Keilgetriebe
auf seiten der Werkzeugmaschine unterzubringen. Dies führt
jedoch im bekannten Fall dazu, daß nunmehr ein Zentrier
zapfen am werkzeugmaschinenseitigen Teil der Kupplungsvor
richtung angebracht werden muß. Hierdurch muß jedoch auf
seiten des Werkzeugsystemmoduls eine Innenfläche auf
Präzision gefertigt werden, was zu relativ hohen Kosten
führt. Darüber hinaus bedeutet diese Systemumkehr, daß
beim Ansetzen eines Werkzeugsystemmoduls, der eine niedri
gere Temperatur als die beispielsweise bereits vorgewärmte
Werkzeugmaschinenspindel hat, Passungsprobleme auftreten
können, wobei zu berücksichtigen ist, daß aus Gründen der
Positionierungsgenauigkeit verhältnismäßig enge Toleranzen
vorgesehen sein müssen.
Es hat sich darüber hinaus gezeigt, daß die Steifigkeit
der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkzeugmaschine
dadurch begrenzt ist, daß das Biegewiderstandsmoment der
Kupplungsvorrichtung im Bereich der Schnittstelle lediglich
in der die Achsen der Spannkörper und der
Schrauben enthaltenden Ebene definiert ist. Bei umlaufenden
Lasten bedeutet dies, daß die Kupplungsvorrichtung
nicht wirksam in der Lage ist, dem Aufbau von
Werkzeugschwingungen entgegenzuwirken. Aus der DE-OS 27
41 810 ist eine Spannvorrichtung für einen Werkzeughalter
beschrieben, der mit einem Norm-Spannkegel ausgestattet
ist und gleichzeitig eine Innenspannung ermöglicht.
Auch in diesem Fall wird eine Innenringnut im
anzukuppelnden Teil ausgebildet, in die ein Spannglied
nach außen gedrückt werden kann. In diesem bekannten
Fall ist das Spannglied von einer längsgeschlitzten
Hülse gebildet, an deren Ende radial nach außen vorstehende
Vorsprünge angeformt sind. Durch Verschieben eines
Spannstabes von der Handhabungseinrichtung, nämlich
von der Spindel weg, werden die federnd nach innen vorgespannten
Vorsprünge nach außen gedrückt.
Im bekannten Fall wird somit die eigentliche Spannkraft
zwischen den zu kuppelnden Teilen dadurch aufgebracht,
daß bei Vorliegen eines formschlüssigen Eingriffs der
Vorsprünge und der Innenringnut das Zugglied unter
Spannung gesetzt wird. Abgesehen davon, daß mehrere,
relativ zur Spindel bewegbare Komponenten, nämlich das
Zugglied und der Spannstab vorgesehen sein müssen,
eignet sich die bekannte Konstruktion aufgrund der Anordnung
der Innenringnut im Bereich des ohnehin vorgesehenen
Gewindes nicht dazu, größte Spannkräfte in verhältnismäßig
großem Radialabstand zur Achse und über
den Umfang gleichmäßig verteilt einzuleiten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Kupplungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 zu schaffen, die den Anforderungen hinsichtlich
Positionierungsgenauigkeit des Werkstück-
oder Werkzeugträgerteils, wie z.B. des Werkzeugsystemmoduls,
Steifigkeit der Verbindung, Automatisierbarkeit
des Werkstück- oder Werkzeugwechsels, Flexibilität hinsichtlich
der Anwendungsgebiete und Wirtschaftlichkeit
in verbessertem Maße gerecht wird.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß gelingt es durch die Schaffung einer
klammerartigen Verspannung zwischen den zu kuppelnden
Teilen, den Kraftfluß zwischen den Kupplungsteilen zu
verbessern, d.h. über den Umfang der Schnittstelle zwischen
dem Werkzeugsystemmodul und Werkzeugmaschine möglichst
gleichmäßig zu halten. Durch die homogene Kraftverteilung
über den Umfang wird in Verbindung mit der
erfindungsgemäßen Gestaltung der Spannklauen in Form
von im wesentlichen axial ausgerichteten länglichen,
vorzugsweise klammerartigen Elementen der in radialer
Richtung benötigte Bauraum für die Spannklauen sehr
klein, wodurch sich die Möglichkeit eröffnet, die in
Flächenkontakt miteinander stehenden Planflächen der zu
koppelnden Teile sehr groß zu gestalten. Weil darüber
hinaus durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kupplungsvorrichtung
kein bewegtes Teil in Achsnähe erforderlich
ist, ergibt sich eine Kompatibilität mit verschiedensten
Werkzeugsystemen, beispielsweise auch
solchen, bei denen eine modulare Kopplung mit axialer Anzugsschraube
aufgebaut wird. Dabei ist nach wie vor dafür gesorgt, daß temperatur
bedingte Schwierigkeiten beim Wechsel des Werkzeugsystemmoduls vom
Grundkonzept her ausgeschlossen sind, da der gegebenenfalls kältere
Werkzeugsystemmodul mit einem Fortsatz in eine Aufnahme eingreift.
Die relativ aufwendigere Passungsinnenfläche ist dabei im Bereich des
werkzeugmaschinenseitigen Teils ausgebildet, wodurch die Kosten des
Werkzeugsystemmoduls reduziert werden. Dabei ergibt sich der besonde
re Vorteil, daß im Werkzeugsystemmodul keine bewegten Teile mehr
vorhanden sind, wodurch die Herstellungskosten erheblich reduziert
werden können.
Die vorstehend beschriebenen Vorteile ergeben sich für jede Art einer
Kupplung zwischen einem Werkstück- oder Werkzeugträger und einer
Handhabungseinrichtung, die beispielsweise von einem Werkstückwech
selsystem gebildet sein kann.
Der erfindungsgemäße Aufbau der Kupplungsvorrichtung für modular aufgebaute Werkzeugsysteme hat
insbesondere dann Vorteile, wenn er im Bereich der
Schnittstelle zwischen einer Werkzeugmaschinenspindel und
einer Werkzeug-Grundaufnahme Anwendung
findet. Mit der Weiterbildung gemäß Anspruch 2 ergibt sich ein äußerst
einfacher Spindelaufbau, da alle Teile rotationssymmetrisch
gestaltet werden können. Ein zusätzlicher Vorteil ist
dabei darin zu sehen, daß Spindeln von bereits im Handel
befindlichen Werkzeugmaschinen mit geringem Aufwand auf
das erfindungsgemäße Kupplungssystem umrüstbar sind, wobei
die in der Spindel bereits vorgesehene Zugstange weiter
verwendet werden kann und lediglich ein Spindelvorsatz
flansch ausgebildet werden muß, der die Spannklauen
aufnimmt. Dabei ist nach wie vor der Aushubweg zum Lösen
der Kupplungsvorrichtung erheblich gegenüber einem her
kömmlichen Kupplungssystem mit Steilkegel reduziert. Da
auf seiten des Werkzeugsystemmoduls lediglich eine Plan
fläche und ein Zentrierfortsatz ausgebildet werden muß,
ist es auch möglich, baugleiche, genormte Greiferrillen
für einen automatischen Werkzeugwechsel vorzusehen, wo
durch sich zusätzliche wirtschaftliche Vorteile ergeben,
wobei die Vorteile der Zylinderpassung hinsichtlich der
Positionierungsgenauigkeit nach wie vor erhalten bleiben.
Die rotationssymmetrische Gestaltung der Kupplungsvor
richtung eröffnet darüber hinaus in vorteilhafter Weise
die Möglichkeit, die Anpreßkraft querkraftfrei zu übertra
gen und dadurch die Positionierungsgenauigkeit und letzt
lich auch die Stabilität des Werkzeugs anzuheben. Die
den Werkzeugsystemmodul anklammernden, länglichen Spannklauen
schmiegen sich unter Einwirkung des Keilgetriebes äußerst
gleichmäßig an eine Flanke in der nutartigen Ausnehmung des
Zentrierfortsatzes an, wobei durch geeignete Gestaltung der
in Kontakt stehenden Flächen des Keilgetriebes, wie z. B. durch
die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 4, eine möglichst verlustfreie
Einleitung der Klemmkraft erfolgen kann. Dabei ist
von weiterem Vorteil, daß die durch das Nachaußendrücken der
Spannklauen hervorgerufene kleine elastische Verformung des
Zentrierfortsatzes die Tendenz hat, die Passung zwischen den
zu kuppelnden Teilen, wie z. B. zwischen Spindel und Werkzeugsystemmodul
exakter auszubilden, d. h. zu verbessern.
Die querkraftfreie Erzeugung der axialen Anpreßkraft wird
durch die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 6 zusätzlich
verbessert. Auf diese Weise wird eine schwimmende Lagerung
der Betätigungsstange geschaffen, wodurch der Schubkonus beim
Einleiten der Kraft eine Selbstzentrierung radial innerhalb
der Spannklauen erfährt. In der Ausbildung gemäß Patentanspruch
7 stützen sich die Spannklauen mit ihrem dem Klauenabschnitt
abgewandten Ende in radial definierter Position in der Aufnahme
ab, so daß ein zwängungsfrei arbeitendes Getriebe geschaffen
wird, mit dem die Anpreßkraft über den Umfang äußerst
gleichmäßig erzeugt werden kann.
Wenn der Schubkonus radial innerhalb der Klauenabschnitte
angeordnet ist, ergibt sich eine unmittelbare Einleitung
der Konuskraft auf die Klauenabschnitte, wobei durch die
Keilflächen des Keilgetriebes eine Kraftübersetzung er
folgt. Eine weitere Kraftübersetzungsstufe wird erfin
dungsgemäß durch das Einschwenken der Klauenabschnitte in
die nutartige Ausnehmung im Zentrierfortsatz erzeugt, so
daß sehr hohe axiale Spannkräfte aufgebracht werden
können. Die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung eignet
sich demgemäß besonders für den Einsatz an Schnittstellen
nahezu aller Werkzeugmaschinentypen.
Grundsätzlich ist es möglich, die Spannkörper an irgend
einer aufnahmefesten Stelle, wie z. B. in der Zentrieraufnahme
einer Spindel, derart festzulegen, daß sie unter Beibehaltung
einer vorbestimmten axialen Position in und
außer Eingriff mit der nutartigen Ausnehmung des Zentrierfortsatzes
gebracht werden können. Besonders vorteilhaft
ist jedoch die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 7, gemäß
der eine unmittelbare Abstützung der Spannkörper in einer
Stütznut der Aufnahme vorgesehen ist.
Der durch die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 2
erzielte Vorteil, unter Zuhilfenahme zumindest einer
Mitnehmerklaue, die in der Stirnseite des Zentrierzylin
ders in eine Ausnehmung eingreift, die bei der Drehmoment
übertragung auftretenden Kräfte definiert einzuleiten und
dabei die Kontakt-Planflächen zwischen den zu kuppelnden
Teilen unverletzt zu lassen, wird durch die Weiterbildung
gemäß Schutzanspruch 19 bzw. 20 aufrechterhalten. Darüber
hinaus ergibt sich hierdurch der fertigungstechnische Vorteil,
daß die für die Schwenkbewegung der Spannklauen und
die für die Umfangskraftübertragung vorgesehenen Funktionsflächen
nunmehr an einem einzigen Bauteil ausgebildet und
deshalb mit größerer Präzision hinsichtlich der Lagezuordnung
zueinander gefertigt werden können.
Wie eingangs bereits erwähnt, eröffnet die erfindungsge
mäße Gestaltung der Kupplungsvorrichtung einen reinen
rotationssymmetrischen Aufbau, der in Achsnähe keine
Bauteile benötigt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die
Möglichkeit eröffnet, den Werkzeugsystemmodul über achs
mittige Versorgungskanäle mit Kühl- bzw. Schmiermittel für
das Werkzeug zu versorgen. Hierzu ist lediglich erforder
lich, daß die Betätigungsstange eine Längsbohrung für
Schmiermittel erhält. Dieses Schmiermittel wird dann im
Inneren des Schubkonus weitergeleitet und über einen
Hohlzapfen gemäß Patentanspruch 9 einer koaxialen Ausneh
mung im Werkzeugsystemmodul zugeführt.
In diesem Zusammenhang ist es möglich, gemäß Patentan
spruch 34 im Schubkonus eine axiale zentrische Bohrung
vorzusehen, in die abdichtend ein im Werkzeugsystemmodul
befestigter Hohlzapfen eingreifen kann. Auf diese Weise
kann die Schmiermittelzufuhr ohne radiale Umlenkungen
weiterhin erfolgen, es wird jedoch zusätzlich dafür
gesorgt, daß die Aushubbewegung beim Lösen der Kupplungs
vorrichtung auf das axiale Längenmaß des Zentrierzylinders
beschränkt bleibt.
Eine besonders vorteilhafte Gestaltung der nutartigen
Ausnehmung im Zentrierfortsatz bzw. Zentrierzylinder ist
Gegenstand des Patentanspruchs 11, da diese Nut im
Einstichverfahren hergestellt werden kann.
Der erfindungsgemäße Aufbau der Kupplungsvorrichtung
eröffnet die Möglichkeit, die Funktionsflächen zwischen
Spannklauen, Aufnahme- und Zentrierzylinder derart zu
gestalten, daß möglichst großflächige Kontaktbereiche ent
stehen. Dies kann zuverlässig dadurch sichergestellt
werden, daß die Spannklauen gemäß Patentanspruch 16
hergestellt bzw. ausgebildet sind.
Wenn ein Zentrierring gemäß Patentanspruch 14 vorgesehen
ist, kann der Rundlauf zusätzlich einstellbar gemacht
werden, wodurch sich die Positionierungsgenauigkeit des
Werkzeugsystemmoduls weiter anheben läßt.
Bei der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung ist eine
homogene Kraftverteilung über den Umfang und eine exakte
Lagepositionierung der zu kuppelnden Teile zueinander vom
Zustand der in Passungseingriff miteinander bringbaren
Funktionsflächen der zu kuppelnden Teile abhängig. Es ist
deshalb von Vorteil, diese Funktionsflächen im Einsatz der
Kupplungsvorrichtung selbst unter rauhen Bedingungen, d.h.
im Einsatz mit größten Zerspanungsleistungen und auch bei
ungünstiger Spanbildung, sauber und den hierfür erforder
lichen vorrichtungstechnischen Aufwand so klein wie
möglich zu halten. Diesem Bedürfnis wird durch die
Weiterbildung des Patentanspruchs 17 Rechnung getragen.
Die Funktionsflächen der in Eingriff bringbaren Teile der
Kupplungsvorrichtung werden im gelösten Zustand der
Kupplung vorzugsweise kontinuierlich mit Druckluft ge
spült, so daß sich Schmutz, Schleifstaub und dergleichen
nicht an den Passungsflächen festsetzen kann. Beschädigun
gen der Passungsflächen können deshalb wirksam ausge
schlossen werden, so daß die Lebensdauer der Kupplungsvor
richtung zusätzlich angehoben wird.
Bei rotationssymmetrischem Aufbau der Kupplungsvorrichtung
ergibt sich eine einfache Versorgung des Spülkanalsystems
mit Druckluft. Um den Planflächenkontakt zwischen Werk
zeugsystemmodul und Spindel wirksam zu reinigen, ist die
Weiterbildung gemäß Patentanspruch 18 von besonderem
Vorteil. Die Druckluft-Spülkanäle in den Radialringflä
chensegmenten sorgen dafür, daß bei Annäherung des
Werkzeugsystemmoduls im Bereich der Passungsflächen eine
immer stärker beschleunigte Druckluftströmung zwischen den
aufeinander zu bewegten Passungsflächen erzeugt wird,
wodurch selbst feinster Schleifstaub zuverlässig von der
Passungsfläche entfernt wird. Die Nuten zwischen den
Radialringflächensegmenten wirken dabei zusätzlich als
Schmutzkammern, so daß eine Sauberhaltung dieser Passungs
flächen zusätzlich vereinfacht wird.
Herstellungstechnisch von Vorteil ist die Weiterbildung
gemäß Patentanspruch 19 bzw. 21, da auf diese Weise
lediglich eine axiale Bearbeitung des werkzeugmaschinen
seitigen Teils, beispielsweise der Werkzeugmaschinenspin
del, erfolgen muß.
Es hat sich gezeigt, daß durch die prismenartige Gestal
tung des Mitnahmefortsatzes am Mitnahmering sehr große
Umfangskräfte übertragen werden können, wobei der wirksame
Durchmesser des Mitnahmefortsatzes verhältnismäßig be
grenzt bleiben kann. Für die Gestaltung des Mitnahmefort
satzes kann grundsätzlich jeder regelmäßige Polygonquer
schnitt als Basis dienen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß
auf der Basis eines Dreikantprismas mit rundgeschliffenen
Kanten und konvex gewölbten Prismenflächen gute Ergebnisse
erzielt werden können. Es ergibt sich auf diese Weise eine
Formschlußverbindung in Form eines sog. K-Profils, wobei
allerdings die dort zwischen den Kantenrundungen vorgese
henen ebenen Flächen durch konvexe Flächen ersetzt sind.
Die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 24 erhöht zusätz
lich den Gebrauchswert der erfindungsgemäßen Kupplungsvor
richtung. Mit dieser Gestaltung gelingt es nicht nur, die
bei der Drehmomentübertragung auftretenden Umfangskräfte
symmetrisch zu übertragen, sondern es wird darüber hinaus
die Voraussetzung dafür geschaffen, daß eine Indexierung
des Werkzeugsystemmoduls relativ zur Werkzeugmaschine in
Teilschritten von 30° erfolgen kann.
Zur zusätzlichen Stabilisierung der Spannklauen ist die
Weiterbildung gemäß Patentanspruch 25 von Vorteil. In der
Weiterbildung gemäß Patentanspruch 26 wird dem Führungs
zylinder gleichzeitig die Funktion übertragen, den Mitnah
mering definiert in der Zentrieraufnahme zu fixieren,
wodurch die Anzahl der Bauelemente reduziert werden kann.
Mit der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 27 wird durch
die erfindungsgemäße Gestaltung des mit Druckluft versorg
baren Ringraums die zur Verfügung stehende Druckluft mit
geringen Verlusten zu den wichtigen Punkten geleitet, die
es sauber zu halten bzw. zu reinigen gilt. Diese
Weiterbildung ist insbesondere in Verbindung mit der
Gestaltung gemäß Patentanspruch 29 von Vorteil, da es auf
diese Weise gelingt, die durch die Stichkanäle strömende
Druckluft vom Massendurchsatz her so groß zu halten, daß
nicht nur die Planfläche, sondern auch die zylindrische
Passungsinnenfläche gespült bzw. gesäubert werden kann.
Herstellungstechnisch besonders einfach ist die Weiterbil
dung gemäß Patentanspruch 29, da die Kerbe im Bereich des
Gewindes sehr einfach herstellbar ist.
Mit der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 30 wird mit
einfachen Mitteln dafür gesorgt, daß auch ein gezielter
Druckluftstrom zu den Funktionsflächen zwischen Schubkonus
und Spannklauen geleitet wird.
Die Gestaltung des Führungszylinders gemäß Patentanspruch
33 schafft in einfacher Weise die Voraussetzung für die
oben erwähnte schwimmende Lagerung der Betätigungsstange
im Bereich des Keilgetriebes, wodurch der Selbstzentrie
rungseffekt realisiert wird, dabei aber gleichzeitig der
Kupplungsvorgang selbst nicht erschwert wird, da der
elastische Dichtring für eine ausreichende Vorzentrierung
der Kupplungsteile sorgt.
Wenn die Druckluft-Spülkanäle im Zentrierring ausgebildet
werden, ergibt sich eine sehr kostengünstige Bereitstel
lung des Spülkanalsystems, da die Druckluft-Spülkanäle in
einem gesonderten Bauteil untergebracht werden können.
Dabei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß durch den
Einsatz des Zentrierrings, der zu seiner statisch bestimm
ten Halterung in der Spindel lediglich an einer Planfläche
und an einer zylindrischen Passungsfläche mit der Spindel
in Kontakt steht, zwangsläufig ein Ringraum auf der
rückwärtigen Seite des Zentrierrings entsteht, über den
die Druckluft gleichmäßig auf die einzelnen Spülkanäle
verteilt werden kann. Die Weiterbildung gemäß Patentan
spruch 14 ist insbesondere in Verbindung mit der Gestal
tung gemäß Patentanspruch 31 von zusätzlichem Vorteil. Der
Ringspalt zur Reinigung der zylindrischen Passungsfläche
zwischen Spindel und Werkzeugsystemmodul kann auf diese
Weise einfach dadurch erzeugt werden, daß eine geeignete
Durchmesserabstimmung des Mitnahmerings und des Zentrier
rings erfolgt.
Mit der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 32 ergibt sich
die Möglichkeit einer sehr einfachen, zentralen Druckluft
versorgung für das Spülkanalsystem.
Durch die Gestaltung der Klauenabschnitte gemäß Patentan
spruch 35 kann der Aufbau der Kupplungsvorrichtung
zusätzlich vereinfacht werden. Die zum Werkzeugsystemmodul
hin abfallende Keilflanke bewirkt, daß der Zentrierzylin
der beim Einführen in die Werkzeugmaschinenausnehmung die
Klauenabschnitte radial nach innen verdrängt.
Ein zusätzlicher Vorteil der vorstehend beschriebenen
Kupplungsvorrichtung ist noch darin zu sehen, daß es mit
einer einzigen Schnittstelle gelingt, Durchmesserreduzie
rungen, d.h. Übergänge von einem verhältnismäßig großen
Spindeldurchmesser auf einen verhältnismäßig kleinen
Durchmesser des Werkzeugsystemmoduls, ohne Vergrößerung
der axialen Baulänge vorzunehmen. Zu diesem Zweck ist es
lediglich erforderlich, in die Zentrieraufnahme einen
entsprechend gestalteten Reduzierring einzusetzen und
dementsprechend radial nach innen gekröpfte Spannklauen
vorzusehen, die dann mit einem gegebenenfalls etwas
modifizierten Schubkonus in Funktionseingriff bringbar
sind.
Es hat sich gezeigt, daß besonders gute Ergebnisse mit
sechs oder acht Spannklauen erzielbar sind.
Mit der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 37 wird der
vorrichtungstechnische Aufwand verringert.
Die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 38 eröffnet die
Möglichkeit, die besonders hoch beanspruchten Bereiche der
Stütznut im Vorsatzflansch auszubilden, der abnehmbar am
werkzeugmaschinenseitigen Kupplungsteil, beispielsweise an
der Werkzeugmaschinen-Spindel befestigt ist. Der Vorsatz
flansch kann - ebenso wie der vorstehend angesprochene
Zentrierring - entweder insgesamt aus verschleißfestem
Material ausgebildet sein oder aber Einsätze aus derarti
gem Material aufweisen, um die Standzeit anzuheben.
Vorteilhafte Varianten zur Gestaltung der Mitnahme in
Umfangsring zwischen den zu koppelnden Teilen der Kupp
lungsvorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 39
bis 54.
Um das Ansetzen des Werkzeugsystemmoduls zu erleichtern, ist es zweckmäßig,
eine Vorzentrierungseinrichtung für das anzukoppelnde Teil
des Werkzeugsystemmoduls bereitzustellen. Eine einfache
Form der Vorzentrierung ist Gegenstand des Patentanspruchs
56.
Eine weitere bzw. zusätzliche Möglichkeit der Vorzentrie
rung ist Gegenstand des Patentanspruchs 57. Mit dieser
Weiterbildung gelingt es, beim Zusammenfahren der zu
koppelnden Teile, d.h. im ausgefahrenen Zustand der
Betätigungsstange, letztere zur Vorzentrierung des anzu
koppelnden Teils heranzuziehen. Durch geeignete Gestaltung
der Gegenflächen, die auf den Hub der Betätigungsstange
abgestimmt ist, wird dafür gesorgt, daß die Betätigungs
stange zusammen mit dem Schubkonus beim Spannvorgang keine
radiale Führung mehr hat, so daß sich der Schubkonus im
Zusammenwirken mit den Spannklauen während des Spannvor
gangs selbst zentrieren kann.
Die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 59 führt zu einer
weiteren Vereinfachung des Aufbaus der Kupplungsvorrich
tung, indem der Kopplungsansatz des Schubkonus zur
seitlichen Stabilisierung der Spannklauen herangezogen
wird.
Die Weiterbildung gemäß Patentanspruch 63 hat den zusätz
lichen Vorteil, daß im ausgerückten Zustand der Betäti
gungsstange ein zwangsweises Nachinnenschwenken der Klau
enabschnitte erfolgt, wodurch die Möglichkeit eröffnet
wird, den Flankenwinkel in der nutförmigen Ausnehmung
einerseits und der damit zusammenwirkenden Klauenabschnit
te zur Mittelachse der Kupplungsvorrichtung steiler
auszubilden.
Ähnliche Vorzüge ergeben sich mit der Weiterbildung gemäß
Patentanspruch 64.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehre
re Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform der
Kupplungsvorrichtung;
Fig. 2A eine Stirnansicht des Werkzeugsystemmoduls in der
Ausgestaltung einer Werkzeug-Grundaufnahme;
Fig. 2B eine teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht
der Werkzeug-Grundaufnahme;
Fig. 3A eine Schnittdarstellung des der Werkzeug-Grundauf
nahme zugewandten Endabschnitts einer Werkzeugmaschinen
spindel;
Fig. 3B eine Stirnansicht der Werkzeugmaschinenspindel
gemäß "IIIB" in Fig. 3A;
Fig. 4A eine teilweise im Axialschnitt gezeigte Ansicht
eines Mitnahmerings;
Fig. 4B eine Ansicht des Mitnahmerings gemäß "IVB" in Fig. 4A;
Fig. 4C eine Ansicht des Mitnahmerings gemäß Fig. 4A gemäß
"IVC" in Fig. 4A;
Fig. 5A im oberen Teil einen Längsschnitt einer Spannklaue
und im unteren Teil eine Seitenansicht eines Hülsenkör
pers, aus dem die Spannklaue herstellbar ist;
Fig. 5B im oberen Teil Stirnansichten von drei in
gleichmäßigem Umfangsabstand zueinander liegenden Spann
klauen und im unteren Abschnitt eine Stirnansicht des in
Fig. 5A gezeigten hülsenförmigen Körpers;
Fig. 6A einen Längsschnitt eines Führungszylinders;
Fig. 6B eine Ansicht des Führungszylinders gemäß "VIB" in
Fig. 6A;
Fig. 7 einen Längsschnitt des Schubkonus gemäß Fig. 1;
Fig. 8 eine Seitenansicht des Hohlzapfens gemäß Fig. 1;
Fig. 9 eine Zusammenstellung der in den Fig. 2 bis 8
gezeigten Einzelelemente zur Verdeutlichung des Montage
vorgangs;
Fig. 10 eine teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht
der Kupplungsvorrichtung zu Beginn des Ankupplungsvorgan
ges;
Fig. 11 eine der Fig. 10 ähnliche Ansicht der Kupplungs
vorrichtung, wobei der Zentrierzylinder in die Werkzeugma
schinenaufnahme gerade eingeführt wird;
Fig. 12 eine der Fig. 11 ähnliche Seitenansicht der
Kupplungsvorrichtung bei vollständig eingeführtem Zen
trierzylinder; und
Fig. 13 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht einer
abgewandelten Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung;
Fig. 14 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform
der Kupplungsvorrichtung im gelösten Zustand;
Fig. 15 eine Stirnansicht des der Werkzeug-Grundaufnahme
zugewandten Endabschnitts einer Werkzeugmaschinenspindel
gemäß II in Fig. 14;
Fig. 16 eine Stirnansicht des Werkzeugsystemmoduls in der
Ausgestaltung einer Werkzeug-Grundaufnahme gemäß XVI in
Fig. 14;
Fig. 17 einen Schnitt gemäß XVII-XVII in Fig. 14;
Fig. 18A eine teilweise im Axialschnitt gezeigte Ansicht
eines Mitnahmerings;
Fig. 18B eine Ansicht des Mitnahmerings gemäß "XVIII B" in
Fig. 18A;
Fig. 18C eine Ansicht des Mitnahmerings gemäß "XVIIIC" in
Fig. 18A;
Fig. 19A einen Axial-Halbschnitt einer weiteren Ausfüh
rungsform der Kupplungsvorrichtung bei einer Schnittfüh
rung gemäß XIXA-XIXA in Fig. 19B;
Fig. 19B einen Radialschnitt gemäß XIXB-XIXB in Fig. 19A;
Fig. 19C den Halbschnitt XIXC in Fig. 19B;
Fig. 19D den Halbschnitt XIXD gemäß Fig. 19B;
Fig. 20A eine der Fig. 19A ähnliche Halbschnittansicht
einer weiteren Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung
gemäß XXA in Fig. 20B;
Fig. 20B eine Stirnansicht gemäß XXB des werkzeugmaschi
nenseitigen Kupplungsteils der Ausführungsform gemäß Fig. 20A;
Fig. 20C einen Halbschnitt gemäß XXC in Fig. 20B;
Fig. 21A einen Halbschnitt einer weiteren Ausführungsform
eines werkzeugmaschinenseitigen Kupplungsteils der Kupp
lungsvorrichtung bei einer Schnittführung gemäß XXIA in
Fig. 21B;
Fig. 21B eine Stirnansicht des Kupplungsteils gemäß Fig. 21A;
Fig. 21C einen Halbschnitt gemäß XXIC in Fig. 21B;
Fig. 22A einen Radial-Halbschnitt einer weiteren Ausfüh
rungsform der Kupplungsvorrichtung;
Fig. 22B eine Teilansicht des Stirnabschnitts des in Fig. 22A
gezeigten Werkzeugsystemmoduls;
Fig. 23 einen Axial-Halbschnitt einer weiteren Ausfüh
rungsform der Kupplungsvorrichtung;
Fig. 24A und 24B Axial-Halbschnitte zweier weiterer
Ausführungsformen der Kupplungsvorrichtung;
Fig. 25A einen Axial-Halbschnitt einer weiteren abgewan
delten Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung mit Vor
satzflansch;
Fig. 25B eine Teilansicht gemäß XXVB in Fig. 25A;
Fig. 26A und 26B der Fig. 25 ähnliche Ansichten einer
weiteren Ausführungsform der Kupplungsvorrichtung; und
Fig. 27A und 27B Axialschnitte einer letzten Ausführungs
form der Kupplungsvorrichtung, wobei in Fig. 27A die
gelöste und in Fig. 27B die verriegelte Stellung der
Kupplungsvorrichtung gezeigt ist.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 2 ein Werkzeugsystem
modul, wie z.B. eine Werkzeug-Grundaufnahme und mit dem
Bezugszeichen 4 eine Werkzeugmaschinenspindel bezeichnet,
wie z.B. die Spindel einer Schleifmaschine. Die nachfol
gend näher zu beschreibende Kupplungsvorrichtung betrifft
die Schnittstelle zwischen diesen beiden Komponenten, von
denen die eine irgendeinen Werkzeugsystemmodul und die
andere einen diesen tragenden Teil einer Werkzeugmaschine
darstellt.
Zur Ermöglichung eines automatischen Wechsels des Werk
zeugsystemmoduls weist dieser eine Greiferrille 6 auf, die
in herkömmlicher Weise ausgebildet sein kann. Die nachfol
gend näher zu beschreibende Kupplungsvorrichtung muß in
der Lage sein, die Komponenten in vorbestimmter radialer
und axialer Positionierung fest gegeneinander zu drücken.
Als weiteres wesentliches Kriterium ist eine leichte
Lösbarkeit der Kupplung unter Verwirklichung möglichst
kleiner Aushubwege zu beachten. Zu diesem Zweck besitzt
die Kupplungsvorrichtung den folgenden Aufbau:
Die Werkzeug-Grundaufnahme 2, die im einzelnen in den Fig. 2A
und 2B gezeigt ist, weist eine Radialringfläche 8 und
eine Zentrierfläche 10 auf, die an der Außenseite eines
Zentrierzylinders 12 ausgebildet ist. Zu den Flächen 8 und
10 existieren auf seiten der Spindel korrespondierende
Gegenflächen 14 und 16, die aus Fig. 3 im einzelnen
hervorgehen. Die Fläche 14 ist wiederum als Radialringflä
che ausgebildet und die Fläche 16 ist Bestandteil einer
Zentrieraufnahme für den Zentrierzylinder 12. Auf diese
Weise entsteht eine Planflächenpaarung, die ununterbrochen
bzw. unverletzt ausgebildet werden kann.
Das Lösen und Eindrücken der Kupplung erfolgt wie bei
einer Vielzahl herkömmlicher Kupplungsvorrichtungen durch
eine zentral in der Spindel 4 aufgenommene Betätigungs
stange 20, die gegen die Kraft eines nicht näher
dargestellten Federpakets in der Darstellung gemäß Fig. 1
nach links gedrückt werden kann. Über die Betätigungs
stange 20 wird ein Keilgetriebe 22 betätigt, über das
Spannelemente 24 angesteuert werden. Als Spannelemente 24
sind sechs in gleichmäßigem Winkelabstand von 60° zueinan
der angeordnete Spannklauen vorgesehen, die klammerartig
die Stoßstelle zwischen den zu koppelnden Teilen 2 und 4
überbrücken. Die Spannklauen weisen einen radial innerhalb
des Zentrierzylinders 12 liegenden Klauenabschnitt 26,
einen sich daran anschließenden Stababschnitt 28 und einen
hakenförmigen Endabschnitt 30 auf, der in eine axial
bezüglich der Spindel festgelegte Nut eingreift. Durch
Angreifen eines Schubkonus 34 können die Spannelemente 24
unter Abstützen ihrer hakenförmigen Endabschnitte 30 in
der Nut 32 mit ihren Klauenabschnitten 26 in eine
nutartige Ausnehmung 36 im Zentrierzylinder 12 hineinver
schwenkt werden und dadurch eine axial gerichtete Anpreß
kraft zwischen Werkzeuggrundaufnahme 2 und Spindel 4
erzeugen.
Zur Übertragung von Drehmomenten zwischen Spindel 4 und
Werkzeugsystemmodul 2 ist eine Klauenverzahnung vorgese
hen, die nachfolgend näher beschrieben werden soll. Wie
aus den Fig. 2A und 2B hervorgeht, ist in den Zentrierzy
linder 12 eine diametral verlaufende Mitnahmenut 38
eingearbeitet, d.h. eingeschliffen, so daß zwei Passungs-
Planflächen 40 entstehen. In diese nutartige Ausnehmung
greifen entsprechend geformte Mitnahmerklauen 42 ein, die
bei der dargestellten Ausführungsform an einem Mitnahme
ring 44 ausgebildet sind.
Der Mitnahmering ist in Fig. 4 im einzelnen dargestellt.
Er weist eine zylindrische Passungsfläche 46 für den
Passungseingriff mit der Zylinderfläche 16 der Spindel 4,
eine Radialfläche 48 zur flächigen Anlage an einer
Schulterfläche 50 der Zentrieraufnahme 18 der Spindel 4
und einen Mitnahmefortsatz 52 für den Eingriff in eine
sich an die Schulter 50 anschließende axiale Vertiefung 54
in der Zentrieraufnahme 18 auf. Der Mitnahmefortsatz 52
hat im wesentlichen ein Polygonprofil, wobei sich gezeigt
hat, daß es von Vorteil ist, den Mitnahmefortsatz an eine
Prismengestaltung mit drei Kanten anzulehnen. Der Mitnah
mefortsatz ebenso wie die Vertiefung 54 weist drei konvex
nach außen gewölbte Mantelflächen 56 auf, die über
Rundungsabschnitte 58 ineinander übergehen. Auf diese
Weise erhält der Mitnahmefortsatz 52 eine Gestaltung, die
einem K-Profil ähnlich ist, das im Maschinenbau als
formschlüssige Wellen-Nabenverbindung Anwendung findet.
Zur axialen Festlegung des Mitnahmerings 44 weist dieser
eine radiale Innenschulter 60 auf, gegen die Halteab
schnitte 62 eines Klemmkörpers 64 (siehe Fig. 6) drückbar
sind. Zu diesem Zweck weist der Klemmkörper einen
Gewindeabschnitt 66 auf, mit dem er in die Spindel 4
schraubbar ist. Der Halteabschnitt 62 ist im wesentlichen
hülsenförmig ausgebildet, um im Inneren genügend Raum für
die Betätigungsstange 20 zu belassen. In dem dem Gewinde
abschnitt 66 abgewandten Endbereich weist der Klemmkörper
64 eine Innensechskantausnehmung 68 auf, um das Einschrau
ben in die Spindel 4 zu erleichtern.
Man erkennt aus den Darstellungen gemäß Fig. 1 und 6, daß
die Spannklauen 24 im Klemmkörper 64 geführt sind. Zu
diesem Zweck sind zwischen den Halteabschnitten 62 eine
der Anzahl der Spannklauen entsprechende Zahl von Füh
rungsausnehmungen 70 vorgesehen, in denen mit Spielpassung
die Spannklauen 24 radial beweglich geführt sind. Zu
diesem Zweck ist der Nutgrund der Führungsausnehmungen 70
zum Werkzeugsystemmodul 2 hin abfallend, so daß die
Spannklauen eine begrenzte Schwenkbewegung in radialer
Richtung innerhalb der Führungsausnehmungen 70 durchführen
können. Der Nutgrund 72 ist durch die gestrichelte Linie
in Fig. 6A angedeutet.
Um die Spannklauen 24 in axialer Richtung an der Spindel 4
festzulegen, ist im Mitnahmering 44 eine Stütznut 74
vorgesehen, deren vordere Nutwand 74 - wie aus Fig. 1
ersichtlich - im gekuppelten Zustand der Teile 2 und 4 in
flächigem Anlagekontakt mit dem hakenförmigen Endabschnitt
30 der jeweiligen Spannklaue 24 steht. Zur Ermöglichung
der oben angesprochenen beschränkten Verschwenkbewegung
der Spannklauen 24 ist die Stütznut 74 breiter als der
hakenförmige Endabschnitt 30 ausgebildet.
In der Fig. 5 sind Einzelheiten der Gestaltung der
Spannklauen 24 entnehmbar. Als Rohling bei der Herstellung
derartiger Spannklauen dient ein hülsenförmiger rotations
symmetrischer Körper 78, aus dem dann die entsprechenden
Spannklauen 24 ausgeschnitten werden, wie dies im oberen
Teil der Fig. 5B ersichtlich ist. Der hakenförmige
Endabschnitt 30 weist zwei Konusflächen 80 und 82 auf, um
die Verschwenkbewegung in der Führungsausnehmung 70 des
Klemmkörpers 64 zu ermöglichen. Der Klauenabschnitt 26 ist
auf seiner Außenseite ebenfalls von zwei Konusflächen 84
und 86 gebildet, von denen die Konusfläche 86 in flächigen
Anlagekontakt mit einer Flanke 88 (siehe Fig. 2B) der
nutartigen Ausnehmung 36 im Zentrierzylinder 12 bringbar
ist. Die andere Konusfläche 84 des Klauenabschnitts 26
fällt zum Werkzeugsystemmodul 2 hin ab, wodurch erreicht
wird, daß insbesondere im Zusammenwirken mit einer Fase 90
an der Stirnseite des Zentrierzylinders 12 beim Einführen
des Zentrierzylinders in die Zentrieraufnahme 18 ein
zwangsweises Nachinnenschwenken der Spannklauen 24 er
folgt.
Man erkennt aus der Darstellung gemäß Fig. 1, daß die
Abmessungen der Spannklauen 24 an die Gestaltung der
nutartigen Ausnehmung 36 und der Stütznut 74 angepaßt
sind, was eine möglichst großflächige Anlage zwischen den
Funktionsflächen schafft. Aus Fig. 1 ist ferner ersicht
lich, daß der hakenförmige Endabschnitt 30 der jeweiligen
Spannelemente 24 im Zusammenwirken mit der Führungsausneh
mung 70 in radialer Richtung ständig fixiert ist, wodurch
einem Verkanten der Spannklauen 24 wirksam entgegengewirkt
wird.
Durch die Neigung der Konusfläche 86 kann auf die Größe
der zu erzeugenden Axialkraft Einfluß genommen werden.
Eine weitere Beeinflussungsmöglichkeit besteht durch die
Gestaltung des Schubkonus 34 im Zusammenwirken mit der
zugehörigen Stützfläche 92 auf seiten der Spannklauen 24.
Auf diese Weise ist eine zweistufige Übersetzung der in
axialer Richtung eingeleiteten Zugkraft der Betätigungs
stange 20 möglich. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist
die Stützfläche 92 konvex gestaltet, so daß eine linien
förmige Berührung zwischen dem Schubkonus 34 und Stütz
fläche 92 erfolgt. Diese Gestaltung ermöglicht eine
Selbstzentrierung des Schubkonus 34 und dadurch eine
querkraftfreie Einleitung der axialen Druckkraft in die
beiden zu koppelnden Komponenten. Um dem Schubkonus 34 den
hierfür erforderlichen radialen Freiheitsgrad zu geben,
ist die Betätigungsstange 20 im Bereich der Schnittstelle
radial nicht fest gelagert. Sie erstreckt sich mit
radialem Spiel durch eine Innenausnehmung 94 (siehe Fig. 6A)
des Klemmkörpers 64. Die Innenausnehmung 94 weist eine
Einstichnut 96 zur Aufnahme eines elastischen Ringes,
beispielsweise eines O-Ringes 98 auf, der sich vorzugswei
se linienförmig an einem zylinderförmigen Kopplungsansatz
100 des Schubkonus 34 abstützt. Der Außendurchmesser des
Kopplungsansatzes 100 ist somit ebenfalls kleiner als der
Innendurchmesser der Innenausnehmung 94 im Klemmkörper 64,
so daß eine gedämpfte radiale Beweglichkeit des Schubkonus
34 relativ zur Spindel 4 verbleibt. Über den Kopplungsan
satz 100 erfolgt darüber hinaus die Verbindung mit der
Betätigungsstange 20, wofür ein Innengewinde 102 vorgese
hen ist. Auf der dem Innengewinde 102 abgewandten Seite
weist der Schubkonus 34 eine Planfläche 104 auf, in der
mehrere Ausnehmungen 106 für den Eingriff eines geeigneten
Werkzeugs vorgesehen sind.
Koaxial zum Innengewinde 102 ist ein weiteres Innengewinde
108 zur Aufnahme eines Gewindeabschnitts 110 eines
Hohlzapfens 112 vorgesehen, der mit Passung in eine
Bohrung 114 der Werkzeug-Grundaufnahme 2 eingreifen kann.
An der Außenseite des Hohlzapfens 112 sind zwei Ringnuten
116 für die Aufnahme von Dichtringen 118 vorgesehen, um
bei einer Schmiermittelversorgung durch eine Längsausneh
mung 120 und eine Innenausnehmung 122 des Hohlzapfens 112
ein Eindringen von Schmier- bzw. Kühlmittel in den Raum
124 radial innerhalb des Zentrierzylinders 12 zu verhin
dern.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß
unter Steuerung durch die Betätigungsstange 20 ein
zwangsweises Nachaußendrücken der Klauenabschnitte 26 in
die nutartige Ausnehmung 36 hinein erfolgt, wodurch eine
mehrfach übersetzte axiale Andruckkraft im Bereich der
Radialringflächen 8 und 14 erzeugt werden kann. Wenn die
Betätigungsstange 20 gemäß Fig. 1 nach links bewegt wird,
werden die Spannklauen 24 kraftfrei, wobei die Spannklauen
24 radial so weit nach innen verschwenken können, daß der
jeweils radial äußerste Punkt des Klauenabschnitts inner
halb des Innendurchmessers D 12 des Zentrierzylinders 12
(siehe Fig. 2A) zu liegen kommt. Die Konusflächen 84 und
86 am Klauenabschnitt 26 sorgen dafür, daß beim Heraus
ziehen des Zentrierzylinders 12 zwangsweise ein Nachinnen
schwenken der Spannklauen erfolgt. Um diese Bewegung der
Spannklauen zusätzlich zu unterstützen, ist in Fig. 1 ein
elastischer Ring 126 angedeutet, der in Rillen 128 (siehe
Fig. 5A) aufgenommen ist und die Spannklauen 24 radial
nach innen vorspannt.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die
Kupplungsvorrichtung nicht nur in der Lage ist, große
axiale Spannkräfte über den Umfang gleichmäßig verteilt
aufzubringen, sondern daß darüber hinaus durch die
räumliche Trennung der Komponenten zur Übertragung der
Axialkräfte und der Umfangskräfte eine Optimierung der
hierfür erforderlichen Funktionsflächen erfolgen kann.
Dabei ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Kupplungs
vorrichtung auch dazu herangezogen werden kann, einen
Werkzeugsystemmodul in vorbestimmten Winkelschritten be
züglich der Werkzeugmaschine zu indexieren. Zu diesem
Zweck wird erneut auf die Fig. 4 Bezug genommen, aus der
ersichtlich ist, daß die Symmetrieebene E S der Mitnehmer
klauen 42 mit einer Axialebene E A durch einen Kantenschei
tel 130 des Mitnahmefortsatzes 52 einen Winkel von 30°
einschließt. Dies bedeutet, daß die Werkzeug-Grundaufnahme
in Teilschritten von jeweils 30° bezüglich der Spindel 4
positioniert werden kann.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 9 im
einzelnen beschrieben, in welcher Weise die Montage der
vorstehend beschriebenen Kupplungsvorrichtung erfolgt.
Zunächst werden die Spannklauen 24 mit ihren hakenförmigen
Endabschnitten 30 in die Stütznut 74 des Mitnahmerings 44
eingefädelt und in gleichmäßigem Winkelabstand zueinander
grob positioniert. Dies geschieht vorzugsweise in vertika
ler Lage. Anschließend wird der Klemmkörper 64 mit seinem
Gewindeabschnitt 66 radial innerhalb der Spannklauen 24
durch den Mitnahmering 44 geschoben, und zwar so weit, daß
der sternförmige Halteabschnitt 62 gegen die Innenschulter
60 des Mitnahmerings 44 anschlägt. In diesem Zustand sind
die Spannklauen 24 bereits formschlüssig im Mitnahmering
44 gehalten. Nun wird die Gesamtheit aus Mitnahmering 44,
Spannklauen 24 und Klemmkörper 64 in die Zentrieraufnahme
18 eingeschoben und durch Eindrehen des Gewindeabschnitts
66 in ein entsprechendes Innengewinde 132 der Spindel 4
derart befestigt, daß der Mitnahmefortsatz 52 formschlüs
sig in die Vertiefung 54 eingreift und eine flächige
Anlage zwischen der Schulterfläche 50 der Spindel 4 und
der Radialfläche 48 des Mitnahmerings 44 entsteht. Nach
Einlegen des elastischen Rings 98 in die Nut 96 wird die
in Fig. 9 nicht dargestellte Betätigungsstange mit dem
Kopplungsfortsatz 100 des Schubkonus 34 verschraubt,
woraufhin der in Fig. 8 dargestellte Hohlzapfen 112
seinerseits mit dem Schubkonus 34 verbunden wird. Wenn die
Betätigungsstange entgegen dem vorstehend erwähnten Feder
paket in der Darstellung gemäß Fig. 1 und 9 nach links
verschoben wird, gelangt der Schubkonus 34 außer Eingriff
mit den Stützflächen 92 der Spannklauen 24, woraufhin die
Werkzeug-Grundaufnahme 2 an die Spindel 4 angesetzt werden
kann.
In Fig. 10 ist der Zustand der Kupplungsvorrichtung zu
Beginn des Ankupplungsvorgangs dargestellt. Aus Vereinfa
chungsgründen ist die Betätigungsstange weggelassen. Auch
die Dichtringe 118 am Hohlzapfen 112 sind zeichnerisch
nicht dargestellt. Der Schubkonus 34 nimmt in dieser
Position seine linke Endstellung ein, so daß die Spann
klauen 24 radial so weit nach innen schwenkbar sind, daß
der Zentrierzylinder 12 der Werkzeug-Grundaufnahme 2 über
die Klauenabschnitte 26 hinweg schiebbar ist, wie dies in
Fig. 11 gezeigt ist. Gleichzeitig taucht beim Einschieben
des Zentrierzylinders 12 in die Zentrieraufnahme 18 der
Hohlzapfen 112 in die Bohrung 114 der Werkzeug-Grundauf
nahme 2 ein, wobei über die - nicht dargestellten -
Dichtringe eine fluiddichte Abdichtung des Raums 124 zur
Bohrung 114 erfolgt. Unter der Zentrierwirkung der Fläche
10 werden die Radialringflächen 8 und 14 in planparalleler
Ausrichtung aufeinander zugeschoben. Schließlich greifen
die Mitnehmerklauen 42 in die Mitnehmernut 38 ein,
woraufhin die Ringflächen 8 und 14 in Anlagekontakt
miteinander gebracht werden können.
Dieser Zustand ist in der Darstellung gemäß Fig. 12
gezeigt. Indem die nicht dargestellte Betätigungsstange
losgelassen wird, wird das ebenfalls nicht dargestellte
Federpaket wirksam und versucht, die Betätigungsstange
zusammen mit dem Schubkonus 34 gemäß Fig. 12 nach rechts zu
bewegen. Hierbei gleitet der Schubkonus auf die Stütz
fläche 92 auf und drückt die Klauenabschnitte 26 radial
gleichmäßig nach außen. Während der sich einstellenden
Verschwenkbewegung der Spannklauen 24 in den Führungsaus
nehmungen 70 des Klemmkörpers 64 werden die hakenförmigen
Endabschnitte 30 ständig lagefixiert in der Stütznut 74
des Mitnahmerings 44 gehalten. Vorzugsweise erfolgt die
Abstimmung der geometrischen Verhältnisse derart, daß im
gespannten Zustand eine flächige Anlage sowohl des
hakenförmigen Endabschnitts 30 als auch des Klauenab
schnitts 26 an den jeweiligen Gegenflächen 76 bzw. 36
erfolgt.
Schließlich nehmen die Bauteile der Kupplungsvorrichtung
im gekuppelten Zustand die Lage gemäß Fig. 1 ein, wobei
sich ein Selbstzentrierungseffekt des Schubkonus durch die
radial elastische Lagerung des Kupplungsansatzes 100 im
Klemmkörper 64 ergibt.
In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform der Kupplungs
vorrichtung gezeigt, die sich allerdings nur in einigen
Punkten von der zuvor beschriebenen Ausführungsform
unterscheidet. Aus diesem Grunde sind in dieser Figur nur
diejenigen Bezugszeichen enthalten, die zur Erläuterung
dieser Variante erforderlich sind. Diejenigen Bauteile der
Kupplungsvorrichtung, die mit den zuvor beschriebenen
Bauteilen unmittelbar vergleichbar sind, sind mit entspre
chenden Bezugsnummern versehen, die durch ein Hochkomma
ergänzt sind.
Die erste Abwandlung der in Fig. 13 gezeigten Ausführungs
form besteht darin, daß auf seiten der Spindel 4′ ein
Zentrierring 140 vorgesehen ist, der vorzugsweise in
radialer Richtung einstellbar an der Stirnseite der
Spindel 4 befestigt ist. Dies ist durch die stichpunktier
te Linie 142 angedeutet. Durch diese Gestaltung gelingt
es, den Rundlauf des Werkzeugsystemmoduls 2′ zu justieren.
Der Zentrierring 140 besteht bevorzugterweise aus gehärte
tem Stahl oder aus Hartmetall, bevorzugterweise aus
gehärtetem Stahl oder aus Hartmetall, um Verschleißer
scheinungen möglichst gering zu halten.
Eine weitere Modifizierung im Vergleich zur Ausführungs
form gemäß Fig. 1 bis 12 liegt im Bereich des Hohlzapfens
112′ vor. Abweichend von der zuvor beschriebenen Ausfüh
rungsform ist nunmehr der Hohlzapfen 112 fest mit dem
Werkzeugsystemmodul in der Ausgestaltung als Werkzeug-
Grundaufnahme 2′ verbunden. Das auskragende Ende ist mit
Passung in einer Innenbohrung 144 des Schubkonus 34′
aufgenommen, wobei wiederum Dichtringe 118′ Anwendung
finden können. Es ist ersichtlich, daß mit dieser
Gestaltung der Aushubweg zum Lösen der Teile 2′ und 4′ auf
die Länge des Zentrierzylinders 12′ beschränkbar ist.
Unter Abweichung vom dargestellten Ausführungsbeispiel ist
es auch möglich, mit radial nach innen gekröpften
Spannklauen 24 zu arbeiten, um auf diese Weise unter
Beibehaltung der Abstützung der hakenförmigen Endabschnit
te 30 in eine nutartige Ausnehmung eines Zentrierzylinders
12 eingreifen zu können der einen reduzierten Durchmesser
hat. In diesem Fall ist es sinnvoll, mit einem Zwischen
ring zu arbeiten, der in die Zentrieraufnahme 18 der
Spindel 4 eingesetzt ist und einen Innendurchmesser hat,
der dem Außendurchmesser des reduzierten Zentrierzylinders
entspricht. Durch diese Variante gelingt es, auf gering
stem Bauraum an ein und derselben Schnittstelle zur
Maschine Werkzeugsystemmodule stark unterschiedlicher
Durchmesserstufen anzukoppeln.
In weiterer Abwandlung des dargestellten Ausführungsbei
spiels ist es selbstverständlich auch möglich, das
Kupplungssystem zur Kupplung anderer Maschinen- bzw.
Werkzeugteile heranzuziehen. So ist das System ebenfalls
bei stehenden Werkzeugen, wie z.B. bei Drehmeißeln,
anwendbar.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel sind sechs Spann
klauen 24 vorgesehen. Selbstverständlich ist es auch
möglich, die Zahl der Spannklauen zu variieren, wobei
jedoch die Zahl "3" nicht unterschritten werden sollte, um
die Axialkraft möglichst gleichmäßig über den Umfang zu
verteilen.
Aus der Beschreibung wird klar, daß die beschriebene
Kupplungsvorrichtung auch dazu geeignet ist, herkömmliche
Werkzeugmaschinen nachzurüsten. Hierzu ist lediglich
erforderlich, daß ein Spindelvorsatzflansch angebracht
wird, der dann mit der Zentrieraufnahme 18 ausgestattet
wird.
Im folgenden wird eine weitere Ausführungsform der
Kupplungsvorrichtung beschrieben, die zusätzlich mit einem
Spülkanalsystem ausgestattet ist. Der Einfachheit halber
werden für diejenigen Komponenten, die mit den Teilen der
vorstehend beschriebenen Ausführungsform vergleichbar
sind, identische Bezugszeichen verwendet.
In Fig. 14 ist mit dem Bezugszeichen 2 ein Werkzeugsystem
modul, wie z.B. eine Werkzeug-Grundaufnahme und mit dem
Bezugszeichen 4 eine Werkzeugmaschinenspindel bezeichnet,
wie z.B. die Spindel einer Schleifmaschine.
Das Lösen und Einrücken der Kupplung erfolgt in gleicher
Weise wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsfor
men.
Zur Übertragung von Drehmomenten zwischen Spindel 4 und
Werkzeugsystemmodul 2 ist eine Klauenverzahnung vorgese
hen, die nachfolgend näher beschrieben werden soll. In den
Zentrierzylinder 12 ist gemäß Fig. 16 eine diametral
verlaufende Mitnahmenut 38 eingearbeitet, d.h. einge
schliffen, so daß zwei Passungs-Planflächen 40 entstehen.
In diese nutartige Ausnehmung greifen entsprechend geform
te Mitnehmerklauen 42 ein, die bei der dargestellten
Ausführungsform an einem Mitnahmering 44 ausgebildet sind.
Zur Gestaltung des Mitnahmerings kann auf die Beschreibung
der Fig. 4 verwiesen werden. Fig. 18 läßt die gemeinsamen
baulichen Einzelheiten erkennen.
Man erkennt aus der Darstellung gemäß Fig. 14 nicht im
einzelnen, daß die Spannklauen 24 im Klemmkörper 64
geführt sind. Zu diesem Zweck sind zwischen den Halte
abschnitten 62 eine der Anzahl der Spannklauen entspre
chende Zahl von Führungsausnehmungen vorgesehen, in denen
mit Spielpassung die Spannklauen 24 radial beweglich
geführt sind. Ferner ist ein Nutgrund 70 der Führungsaus
nehmungen zum Werkzeugsystemmodul 2 hin abfallend, so daß
die Spannklauen eine begrenzte Schwenkbewegung in radialer
Richtung innerhalb der Führungsausnehmungen durchführen
können. Der Nutgrund ist durch die gestrichelte Linie in
Fig. 14 angedeutet.
Einzelheiten der Gestaltung der Spannklauen 24 ergeben
sich aus der Beschreibung der Fig. 5A und B.
Ein Hohlzapfen 112 ist fest mit dem Werkzeugsystemmodul 2
verbunden. Das auskragende Ende ist mit Passung in einer
Innenbohrung 144 des Schubkonus 34 aufgenommen, wobei
Dichtringe 118 auf Seiten des Hohlzapfens 112 vorgesehen
sind. Es ist ersichtlich, daß mit dieser Gestaltung der
Aushubweg zum Lösen der Teile 2 und 4 auf die Länge des
Zentrierzylinders 12 beschränkbar ist.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß in
Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Ausfüh
rungsbeispiel unter Steuerung durch die Betätigungsstange
20 ein zwangsweises Nachaußendrücken der Klauenabschnitte
26 in die nutartige Ausnehmung 36 hinein erfolgt, wodurch
eine mehrfach übersetzte axiale Andruckkraft im Bereich
der Radialringflächen 8 und 14 erzeugt werden kann.
Die Montage der weiteren Ausführungsform erfolgt entspre
chend der vorstehend beschriebenen Kupplungsvorrichtung.
Abweichend von der bereits beschriebenen Ausführungsform
ist auf Seiten der Spindel 4 ein Zentrierring 140
vorgesehen, der vorzugsweise in radialer Richtung ein
stellbar an der Stirnseite der Spindel 4 befestigt ist.
Durch diese Gestaltung gelingt es, den Rundlauf des
Werkzeugsystemmoduls 2 zu justieren. Der Zentrierring 140
besteht bevorzugterweise aus gehärtetem Stahl oder aus
Hartmetall, um Verschleißerscheinungen möglichst gering zu
halten.
Zur Erzielung eines Reinigungseffektes der miteinander in
Eingriff bringbaren Funktionsflächen der Kupplungsteile
ist ein nachfolgend näher zu beschreibendes Druckluft-
Spülkanalsystem vorgesehen. Hierbei wird Druckluft aus
einer nicht näher dargestellten Quelle einem Ringkanal 300
zwischen der Zugstange 20 und der Spindel 4 zugeführt. Der
Ringkanal 300 mündet in einen Druckluft-Versorgungsraum
302, wie dies durch die Pfeile in Fig. 14 dargestellt ist.
Vom gemeinsamen Druckluft-Versorgungsraum 302 wird eine
Druckluft-Spülströmung in zwei Zweigen erzeugt. Die eine
Druckluft-Zweigströmung gelangt durch einen Zwischenraum
304 zwischen Zugstange 20 und Führungskörper 64 in mehrere
vorzugsweise über den Umfang gleichmäßig verteilte Längs
ausnehmungen 306 auf der Außenseite des Kopplungsansatzes
100 des Schubkonus 34. Von dort gelangt die Strömung zur
Vorderseite des Führungskörpers 64 und entweicht zwischen
dem Führungskörper 64 und der Rückseite des Schubkonus 34
in radialer Richtung nach außen, wodurch die Klauenab
schnitte 26 mit Druckluft gereinigt werden können.
Die andere Druckluft-Zweigströmung gelangt ausgehend vom
Druckluft-Versorgungsraum 302 in vorzugsweise mehrere
Axialkerben 308 im Bereich des Gewindes des Führungskör
pers 64. Über die Axialkerben 308 wird ein Ringraum 310
versorgt, der über einen Dichtring 312 zwischen Führungs
körper 64 und Mitnahmering 44 zu den Spannklauen 24 hin
abgedichtet ist. Vom Ringraum 310 aus verlaufen vorzugs
weise im Umfang gleichmäßig verteilte diskrete Stichkanäle
314, die jeweils in eine Längsnut 316 auf der Außenseite
des Mitnahmerings 44 münden. Am vorderen Ende der Längsnut
316 zweigt sich die Druckluftströmung erneut auf. Über
einen Ringraum 318 gelangt Druckluft durch eine Vielzahl
von vorzugsweise über den Umfang gleichmäßig verteilten
Druckluft-Spülkanälen 320 zu Radialringflächensegmenten
14 A (Fig. 15), über die die Abstützung des Werkzeugsystem
moduls 2 an der Spindel 4 erfolgt. Die Druckluft-Spülka
näle 320 sind dabei so ausgebildet, daß die Mündungsöff
nungen 322 im wesentlichen mittig aus den Radialringflä
chensegmenten 14 A austreten. Man erkennt aus der Darstel
lung gemäß Fig. 14, daß die Radialringflächensegmente 14 A
dadurch gebildet sind, daß diametral verlaufende Nuten 324
in die Stirnseiten der Spindel eingebracht sind. Auf diese
Weise entstehen Schmutzkammern, die einer Verschmutzung
der Funktionsflächen 14 A entgegenwirken.
Vom Ringraum 318 aus geht ein weiterer Reinigungs-Druck
luftstrom zur Innenzylinderfläche 16, wie dies durch die
Pfeile in Fig. 14 dargestellt ist. Diese Teilströmung wird
dadurch erzeugt, daß eine Abstimmung des Innendurchmessers
des Zentrierrings 140 an den Außendurchmesser des Mitnah
merings 44 vorgenommen wird, so daß ein Ringspalt 326
entsteht.
Aus der Beschreibung wird klar, daß beim Zusammenführen
der zu kuppelnden Teile 2 und 4 die aus den Druckluft-
Spülkanälen 320 austretende Druckluft mit zunehmender
Annäherung der Teile 2 und 4 immer stärker beschleunigt
wird, wodurch der Säuberungseffekt der Planflächensegmente
14 A und der Ringfläche 8 verstärkt wird. Im vollkommen
zusammengefahrenen Zustand der Teile 2 und 4 werden die
Mündungsöffnungen 322 von der Planfläche 8 verschlossen,
so daß ein weiteres Entweichen von Druckluft verhindert
und somit Energie gespart wird. Nach Abschluß des
Kupplungsvorgangs wird die Druckluftversorgung abgestellt.
Unter Abweichung vom dargestellten Ausführungsbeispiel ist
es auch möglich, mit radial nach innen gekröpften
Spannklauen 24 zu arbeiten, um auf diese Weise unter
Beibehaltung der Abstützung der hakenförmigen Endabschnit
te 30 in eine nutartige Ausnehmung eines Zentrierzylinders
12 eingreifen zu können, der einen reduzierten Durchmesser
hat. In diesem Fall ist es sinnvoll, mit einem Zwischen
ring zu arbeiten, der in die Zentrieraufnahme 18 der
Spindel 4 eingesetzt ist und einen Innendurchmesser hat,
der dem Außendurchmesser des reduzierten Zentrierzylinders
entspricht. Durch diese Variante gelingt es, auf gering
stem Bauraum an ein und derselben Schnittstelle zur
Maschine Werkzeugsystemmodule stark unterschiedlicher
Durchmesserstufen anzukoppeln.
Nachfolgend wird auf die Fig. 19A bis 19D Bezug genommen,
in denen eine weitere Ausführungsform der Kupplungsvor
richtung gezeigt ist. Aus Vereinfachungsgründen sind
wiederum diejenigen Bestandteile der Kupplungsvorrichtung,
die den Komponenten vorstehend beschriebener Ausführungs
formen im wesentlichen entsprechen, mit identischen
Bezugszeichen bezeichnet. Der wesentliche Unterschied
zwischen der Ausführungsform gemäß Fig. 19 und den
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen besteht darin,
daß kein Mitnahmering 44 mehr vorgesehen ist, daß die
Mitnahme in Umfangsrichtung durch besonders gestaltete
Mitnehmersteine erfolgt und daß eine Vorzentrierungsein
richtung vorgesehen ist.
Für einen hakenförmigen Endabschnitt 430 der Spannelemente
424, von denen abweichend von den vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen acht vorgesehen sind, ist in der
Spindel 4 eine hinterschnittene Stütznut 474 vorgesehen.
Die Stabilisierung der Spannelemente 424 in Achsrichtung
erfolgt durch Radialstege 435 in einem Kopplungsansatz 500
eines Schubkonusteils 434, der mit der Betätigungsstange
20 fest verschraubt und mittels einer Konter-Hohlschraube
433 gesichert ist. Der Schubkonuskörper 434 bildet auf der
Außenseite zwischen dem Kopplungsansatz 500 und einem
hohlzylindrischen Fortsatz 512, der mit einer Passungsboh
rung 514 im Werkzeugsystemmodul 2 zusammenwirkt, zwei im
Winkel zueinander stehende Konusflächen 434 A und 434 B aus,
von denen letztere mit der Mittelachse einen kleineren
Winkel als die Fläche 434 A einschließt. Durch diese
Gestaltung kann der Stellweg der Betätigungsstange 20
reduziert werden, indem über die Fläche 434 A ein verhält
nismäßig schnelles Nachaußenbewegen der Klauenabschnitte
426 erfolgt, bevor über die Fläche 434 B die eigentliche
Anpreßkraft erzeugt wird.
Das Schubkonusteil 434 weist im Bereich seiner beiden
Endabschnitte zylindrische Passungsflächen 513 bzw. 501
auf, von denen die erstgenannte mit der Passungsbohrung
514 und die letztere mit einem Bohrungsabschnitt 401 der
Spindel zusammenwirkt, der sich auf der dem Werkzeugsy
stemmodul 2 abgewandten Seite in eine Ausnehmung 403
erweitert. Entsprechend erweitert sich die Passungsbohrung
514 in einen Ausnehmungsabschnitt 515. Der hohlzylindri
sche Fortsatz 512 steht über eine Dichtung in Eingriff mit
der Passungsbohrung 514. Eine weitere Dichtung 498 ist
zwischen dem Bohrungsabschnitt 401 und dem Kopplungsansatz
500 vorgesehen.
Die Fig. 19A zeigt die Komponenten der Kupplungsvorrich
tung im gelösten Zustand der Kupplung, indem die Betäti
gungsstange 20 nach links verschoben ist. Über die
Flächenpaarung 401 und 501 ist das Schubkonusteil 434 und
damit der hohlzylindrische Fortsatz 512 zur Spindel 4
zentriert, so daß die Passungsfläche 513, die bevorzugter
weise ballig bzw. sphärisch ausgebildet ist, eine Zen
trierhilfe für das Ankoppeln des Werkzeugsystemmoduls 2
bilden kann. Wenn die Betätigungsstange 20 losgelassen und
damit gemäß Fig. 19A nach rechts verschoben wird, gelangt
die zylindrische Passungsfläche 501 außer Eingriff mit dem
Bohrungsabschnitt 401, so daß auf das Schubkonusteil 434
keinerlei Zwangskräfte mehr ausgeübt werden, weil die
Passungsfläche 513 im Ausnehmungsabschnitt 515 zu liegen
kommt. Die Betätigungsstange 20 ist somit zusammen mit dem
Schubkonusteil 434 radial frei schwimmend in der Werkzeug
spindel 4 gelagert, wenn die Spannkraft aufgebracht wird.
Die Zwangszentrierung des Schubkonusteils 434 ist vorzugs
weise zu Beginn der Preßkrafterzeugung aufgehoben.
Eine zusätzliche Zentrierhilfe ist bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 19 durch eine besondere Gestaltung des
Stirnbereichs des Zentrierzylinders 12 des Werkzeugsystem
moduls 2 bereitgestellt. Die Zentrierfläche 10 geht über
eine Einkerbung in einen balligen Endabschnitt 412 über,
der bevorzugterweise sphärisch ausgebildet ist, wobei der
Durchmesser der den Abschnitt 412 einhüllenden Kugel
geringfügig, beispielsweise einige 1/100 mm kleiner ist
als der Innendurchmesser der Gegen-Passungsfläche am
werkzeugmaschinenseitigen Kupplungsteil 4.
Die Mitnahme zwischen den Teilen 4 und 2 in Umfangsrich
tung erfolgt über ein Paar von diametral angeordneten
Mitnehmerkörpern bzw. Mitnehmersteinen 550, die in einer
Radialnut 552 der Spindel 4 aufgenommen und dort ver
schraubt sind. In den Mitnehmerkörpern 550 sind radial
außen Schlitze 554 ausgebildet, durch die sich der Schaft
der betreffenden Befestigungsschraube 556 erstreckt. Mit
den radial innen liegenden Bereichen greifen die Mitnehme
rkörper 550 in nicht näher bezeichnete Mitnahmenuten im
Zentrierzylinder 12 ein. Die Mitnehmerkörper 550 er
strecken sich dabei ebenfalls durch einen Axialfortsatz
562 eines Zentrierrings 560, der als Verschleißring dient
und zu diesem Zweck aus verschleißfestem Material,
beispielsweise aus Hartmetall, ausgebildet sein kann. Der
Zentrierring 560 ist fest mit der Spi 21218 00070 552 001000280000000200012000285912110700040 0002003807140 00004 21099ndel verschraubt und
bildet die vorstehend beschriebenen, erhabenen Radialring
flächensegmente 14 A aus, gegen die die Radialringfläche 8
des Werkzeugsystemmoduls 2 gepreßt wird. In Fluchtung mit
den Befestigungsschrauben 556 weist der Zentrierring 560
Gewindebohrungen 564 auf, die mittels Madenschrauben 566
verschließbar sind. Diese Konstruktion ermöglicht es, bei
abgenommenem Werkzeugsystemmodul 2 und herausgenommener
Madenschraube 566 die Mitnehmersteine 550 auszuwechseln,
ohne dazu den Zentrierring 560 abnehmen zu müssen.
Mit 526 ist wiederum ein elastischer Ring beispielsweise
in der Form einer Wurmfeder bezeichnet, mit dem die
Klauenabschnitte 426 radial nach innen vorgespannt werden.
Man erkennt aus der Darstellung gemäß Fig. 19, daß ein
Spülkanalsystem zur Reinigung der in Eingriff bringbaren
Funktionsoberflächen an den zu kuppelnden Bestandteilen
der Kupplungsvorrichtung ausgebildet ist. Zu diesem Zweck
ist ein Radialkanal 570 zwischen Mitnehmerstein 550 und
Zentrierzylinder 12 einerseits sowie einem Durchbruch im
Zentrierring 560 andererseits ausgebildet. Dieser Radial
kanal mündet in einen Ringraum 572 (Fig. 19C und 19D), von
dem mehrere Stichkanäle 574 zu den Radialringflächenseg
menten 14 A ausgehen. Ferner sind zusätzliche Leckölbohrun
gen 576 zu Taschen zwischen den Radialringflächensegmenten
14 A geführt.
In Fig. 20 ist eine weitere Ausführungsform der Kupplungs
vorrichtung beschrieben, die sich von der zuvor beschrie
benen Ausführungsform gemäß Fig. 19 lediglich dadurch
unterscheidet, daß die Mitnahme zwischen Spindel 4 und
Werkzeugsystemmodul 2 in einem radial weiter außen
liegenden Bereich erfolgt, wobei kein zusätzlicher Zen
trierring vorgesehen ist. Hinsichtlich der mit der
Ausführungsform gemäß Fig. 19 übereinstimmenden Teile wird
auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Identische
Funktionsteile sind - wie auch im folgenden - mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Zur Mitnahme zwischen den Teilen 2 und 4 sind auf Seiten
der Spindel 4 Nutensteine 580 vorgesehen, die in Radialnu
ten 582 einer Passungs-Stirnfläche 584 aufgenommen und
dort verschraubt sind. Diese Nutensteine können so
ausgebildet sein, wie dies bei Steilkegelkupplungen gemäß
DIN 2080 oder DIN 69871 der Fall ist. Die Passungs-Stirnfläche 584
weist wiederum erhabene Radialringflächensegmente 14 A auf, an denen
der Radialflansch des Werkzeugsystemmoduls 2 anliegt. Mit 586 sind
Stichkanäle bezeichnet, die von den Radialringflächensegmenten 14 A
ausgehen und zu einem Ringraum 588 führen, der mit einem Spül-Druck
mittel speisbar ist. Von diesem Ringraum 588 gehen ferner radial
innerhalb der Nutensteine 580 weitere Kanäle 589 aus, die einen
Austritt für Lecköl bereitstellen und über die eine Luftstauentlüf
tung stattfinden kann.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 21 unterscheidet sich von
derjenigen gemäß Fig. 20 im Grunde genommen lediglich
darin, daß zwischen Nutenstein 580 und Spindel 4 ein
zusätzlicher Zentrierring 590 eingegliedert ist. In der
Stirnseite des Zentrierrings sind Radialnuten 592 zur
Aufnahme der Nutensteine 580 ausgebildet. Mit 596 sind
Druckluft-Spülkanäle bezeichnet, die sich im wesentlichen
axial durch den Zentrierring 590 erstrecken und im Bereich
der Radialringflächensegmente 14 A des Zentrierrings 590
austreten. Mit 599 sind Kanäle bezeichnet, die den Kanälen
589 der Ausführungsform gemäß Fig. 20 entsprechen.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 22 erfolgt die Mitnahme
zwischen Spindel 4 und Werkzeugsystemmodul 2 über Ausneh
mungen 38 im Bereich der Stirnseite des Zentrierzylinders
12. Zur Mitnahme sind an einer Schulter 602 der Spindel 4 Mitnehmer
körper 604 befestigt, die mit Passung in die Mitnahmenuten 38 des
Zentrierzylinders 12 eingreifen. Von der Schulter 602 gehen mehrere
Radialbohrungen 606 aus, von denen Stichkanäle 608 zu nicht näher
dargestellten Radialringflächensegmenten der Stirnseite 614 der
Spindel 4 geführt sind, um das Druckmittelspülsystem zur Reinigung
der Funktionsflächen der Kupplungsvorrichtung auszubilden. Von den
Radialbohrungen 606 ist lediglich eine außen zur Druckmittelzufuhr
geöffnet.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 23 erfolgt die Mitnahme in
Drehrichtung zwischen Spindel 4 und Werkzeugsystemmodul 2 durch einen
Mitnehmerring 620, der zumindest zwei radial nach innen weisende
Mitnehmernasen 622 aufweist, die in entsprechend geformte Nuten am
Anschlußflansch des Werkzeugsystemmoduls 2 eingreifen. Die Zentrie
rung erfolgt unter Zuhilfenahme eines Zentrierrings 630, der von den
Mitnehmernasen 622 übergriffen wird. Anstelle eines Rings können auch
zwei hakenförmige Mitnehmersteine vorgesehen sein.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 24A bzw. 24B entspricht
hinsichtlich der Mitnahme zwischen den zu koppelnden
Teilen in Umfangsrichtung im wesentlichen der Ausführungs
form gemäß Fig. 19. Vergleichbare Teile sind diesbezüglich
mit identischen Bezugszeichen wie in Fig. 19 versehen.
Auch bei dieser Ausführungsform sind Mitnehmersteine 550
austauschbar mittels Befestigungsschrauben 556 in einer
Nut 552 des Anschlußflanschs der Spindel 4 befestigt. Über
den Zentrierring 560, der wiederum aus verschleißfestem
Material hergestellt sein kann, erfolgt eine verlängerte
Vorzentrierung des Zentrierzylinders 12.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 24A ist der Zentrierzy
linder 12 an einem Grundaufnahmeteil 640 für ein Modular
werkzeug 650 ausgebildet, wohingegen bei der Ausführungs
form gemäß Fig. 24B der Zentrierzylinder 12 Bestandteil
eines Massivwerkzeugs 660 ist. Das Modularwerkzeug 650 ist
unter Zuhilfenahme eines Pendelzapfens 652 gegen das
Grundaufnahmeteil 640 spannbar, indem eine Befestigungs
schraube 654 in Preßkontakt mit einer Keilfläche 656 des
Pendelzapfens 652 gebracht wird, der sich über eine
Kugelfläche 658 an einem Konus 659 abstützt.
Abweichend von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispie
len erfolgt bei den in Fig. 24 gezeigten Ausführungsformen
keine doppelte Vorzentrierung. Abweichend ist auch die
Gestaltung des Schubkörper- bzw. -konusteils und der Spannelemente,
worauf nachfolgend näher eingegangen werden soll.
Das mit 734 bezeichnete Schubkonusteil weist radial
innerhalb der Funktionsflächen 734 A und 734 B eine zylin
derförmige Ausnehmung 736 auf, in der abdichtend ein
Hohlkolben 738 geführt ist, der mittels einer Feder 740
ständig mit seiner sphärischen Dichtfläche 742 gegen einen
Konus 744 entweder im Pendelzapfen 652 oder im Massivwerk
zeug 660 gedrückt wird. Diese Gestaltung erlaubt eine
zentrische Schmiermittelversorgung des Werkzeugsystemmo
duls durch das Innere der Betätigungsstange 20.
Anstelle des bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbei
spielen vorgesehenen elastischen Rings 26, 126 bzw. 526
erfolgt bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 24A und 24B
eine Zwangs-Bewegungssteuerung der mit 724 bezeichneten
Spannelemente, um dafür zu sorgen, daß sich die Klauenab
schnitte 726 bei Verschiebung der Betätigungsstange 20
nach links, d.h. beim Lösen der Kupplungsvorrichtung,
zuverlässig außer Eingriff mit der nutartigen Ausnehmung
36 im Zentrierzylinder 12 bewegen. Zu diesem Zweck ist auf
der dem Werkzeugsystemmodul 2 abgewandten Seite eines
Kopplungsansatzes 800 des Schubkonusteils 734 ein Stabili
sierungskörper 746 geführt, der mittels einer Feder 748
gegen eine rückwärtige schräge Steuerfläche 750 der
Spannelemente 724 drückbar ist. Die Spannelemente 724
stützen sich mit ihren hakenförmigen Endabschnitten 730 in
einer Stütznut 774 der Spindel 4 und mit einem balligen
Abschnitt 731 auf dem Kopplungsansatz 800 ab. Im Stabili
sierungskörper sind eine der Anzahl der Spannelemente 724
entsprechende Anzahl von Schlitzen 747 ausgebildet, in die
mit Passung endseitige Führungsrippen 725 der Spannelemen
te 724 eingreifen. Man erkennt aus der Darstellung gemäß
Fig. 24A und 24B, daß durch Verschiebung der Betätigungs
stange 20 und damit des Schubkonusteils 734 nach links
(Fig. 24A) unter Einwirkung des federbeaufschlagten
Stabilisierungskörpers 746 ein Nachuntenschwenken des
Klauenabschnitts 726 erfolgt.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 25 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Stütznut 874 für die
hakenförmigen Endabschnitte 830 von Spannelementen 824
zwischen der Spindel 4 und einem Vorsatzflansch 880
ausgebildet, der mit Mitnehmernasen 882 in entsprechende
Ausnehmungen 884 des Werkzeugsystemmoduls 2 eingreift. Das
Schubkonusteil ist auf der linken Endseite entsprechend
den Ausführungsformen gemäß Fig. 19 bis 23 ausgebildet, so
daß eine Vorzentrierung des anzukoppelnden Werkzeugsystem
moduls erfolgen kann.
Zur Ausbildung eines gleichzeitig zur Entlüftung dienenden Spülkanal
systems ist im Vorsatzflansch 880 im Bereich der zylindrischen Pas
sungsfläche eine wendelförmige Nut 886 ausgebildet, die über eine
Luftkanalbohrung 888 speisbar ist. Die wendelförmige Nut
886 steht in kommunizierender Verbindung mit einer
spiralförmigen Nut 890 in der Planfläche 814 des Vorsatz
flansches 880, so daß über die Luftkanalbohrung 888 und
die Nuten 886 und 890 zumindest ein Reinigungskanal
ausgebildet wird.
Abweichend von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
erfolgt bei der Ausführungsform gemäß Fig. 25 eine
Stabilisierung der Spannelemente 824 über einen endseitig
angebrachten Positionierungsstift 825, der mit Passung in
einen Axialschlitz 827 am Kopplungsansatz 900 des Schub
konusteils 834 eingreift. Mit 829 ist ein elastischer
Ring bezeichnet, durch den die Radialvorspannung der
Spannelemente 824 erfolgt.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 26 unterscheidet sich von
der Ausführungsform gemäß Fig. 25 lediglich in der
Ausgestaltung der Einrichtung für die Mitnahme in Umfangs
richtung. Bei dieser Ausführungsform liegt der Werkzeug
systemmodul 2 direkt an der Spindel 4 an. Die Mitnahme
erfolgt über Mitnehmerkörper 950, für die im Werkzeugsy
stemmodul 2 eine Ausnehmung 952 vorgesehen ist und die
einstückig mit einem Zentrierzylinderabschnitt 954 ausge
bildet sind. Mit diesem Zentrierzylinderabschnitt steht
der Zentrierzylinder 12 in Passungseingriff. Von einem
Ringraum 956, der über zumindest eine Radialbohrung 958
mit Reinigungsdruckluft gespeist wird, gehen Stichkanäle
960 aus, die - wie vorstehend mehrfach beschrieben - an
den zu reinigenden Passungsflächen zwischen den Komponen
ten 2 und 4 austreten.
Die Reinigung der zylindrischen Passungsflächen zwischen
Zentrierzylinder 12 und Zentrierzylinderabschnitt 954
erfolgt durch eine wendelförmige Nut 962 im Zentrierzylin
derabschnitt 954.
Schließlich soll noch auf die Ausführungsform gemäß Fig. 27
Bezug genommen werden, die hinsichtlich der Mitnahme
zwischen den zu koppelnden Teilen in Umfangsrichtung mit
der Ausführungsform gemäß Fig. 24 übereinstimmt. Unter
schiedlich ist jedoch die Gestaltung der Spannelemente
924, und der hierfür vorgesehenen Stabilisierungseinrich
tung sowie die Ausbildung des zentralen Schmiermittelver
sorgungskanals.
Mit 934 ist ein Schubkonusteil bezeichnet, das wiederum
mit einem Kopplungsansatz 1000 mit der hohlen Betätigungs
stange 20 verbunden ist. Das Schubkonusteil 934 hat auf
der dem Werkzeugsystemmodul 2 zugewandten Seite eine
Passungsbohrung 936, in den abdichtend ein Hohlzapfen 938
einführbar ist, der am Werkzeugsystemmodul 2 befestigt
ist.
Die Spannelemente 924 stützen sich mit ihren hakenförmigen
Endabschnitten 930 in einer Stütznut 974 der Werkzeugma
schinenspindel 4 ab. Auf der den Klauenabschnitten 926
abgewandten Seite der Spannelemente 924 sind Führungsrip
pen 925 ausgebildet, die mit Passung in Schlitze 947 eines
Stabilisierungskörpers 946 eingreifen. Im Bereich der
Führungsrippen 925 ist auf der Außenseite des Kopplungsan
satzes 1000 eine Nockenfläche 948 ausgebildet, an der ein
Steuerabschnitt 949 der Führungsrippen 925 entlang gleiten
kann. Im Kopplungszustand ist der Steuerabschnitt 949 in
einer Ausnehmung 945 des Kopplungsansatzes 1000 vollkommen
aufgenommen (siehe Fig. 27B). Wenn die Betätigungsstange
20 gemäß Fig. 27A nach links bewegt wird, gelangt die
Nockenfläche 948 in Funktionseingriff mit dem Steuerab
schnitt 949, wodurch die Klauenabschnitte 926 aus der
nutartigen Ausnehmung 36 zwangsweise herausgeschwenkt
werden.
Selbstverständlich sind weitere Abwandlungen der Kupp
lungsvorrichtung möglich. So sind insbesondere Kombina
tionen von Einzelheiten der vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen miteinander möglich. Es ist insbesondere
möglich, die Vorzentrierung der Ausführungsformen gemäß
Fig. 19 bis 23 vorzusehen, ohne dabei gleichzeitig den
hohlzylindrischen Fortsatz zur Abdichtung des Kühlmittel
versorgungskanals heranzuziehen. Vielmehr kann statt
dieser Abdichtung gemäß Fig. 19 bis 23 auch ein Kühlmit
telübergabebolzen gemäß Fig. 13 vorgesehen sein.
Die Mitnahme der zu koppelnden Teile in Umfangsrichtung
kann auch dadurch erfolgen bzw. verbessert werden, daß die
sich gegenüberliegenden Planflächen über eine Stirnverzah
nung in Eingriff stehen, die entweder zentrierend oder
nicht selbstzentrierend ausgebildet sein kann. Eine
derartige Stirnverzahnung kann an den sich berührenden
Radial-Passungsflächen und/oder an den sich lediglich gegenüberliegenden
Radialflächen vorgesehen sein, wobei auch Verzahnungs-
Zwischenringe Verwendung finden können.
Abweichend von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispie
len ist es auch möglich, das Spülkanalsystem mit anderen
Medien als mit Druckluft zu spülen. Der Fortsatz 12, 12′
am werkzeugsystemmodulseitigen Teil der Kupplungsvorrich
tung ist auch nicht auf eine Gestaltung beschränkt, bei
der ausschließlich zylindrische Passungsflächen vorgesehen
sind. Möglich ist es auch, in diesem Bereich mit
Konusflächen zu arbeiten. Schließlich ist es auch möglich,
im Bereich des Eingriffs des Fortsatzes mit einer
formschlüssigen Verbindung zum Gegenstück am werkzeugma
schinenseitigen Kupplungsteil zu arbeiten. Hier ist als
Querschnittsform der miteinander in Eingriff stehenden
Teile jede vom Kreisquerschnitt abweichende Querschnitts
gestaltung möglich.
Der vorstehend als Schubkonus bezeichnete Betätigungskör
per für die Spannelemente kann selbstverständlich auch
eine von den dargestellten Ausführungsbeispielen abwei
chende Formgebung haben. Anstelle der kegeligen Betäti
gungsflächen am Schubkonus kann auch eine andere, geeig
nete Kurvenfläche Anwendung finden, die entweder direkt
mit den Kontaktflächen an den Spannelementen oder indirekt
unter Zwischenschaltung eines geeigneten anderen Stellkör
pers auf die Spannelemente einwirkt. Auf diese Weise kann
eine beliebige Steuerung des Stellwegs für die Spannele
mente erreicht werden, so daß beispielsweise zu Beginn des
Rückhubs der Betätigungsstange ein verhältnismäßig schnel
les Nachaußenschwenken der Klauenabschnitte erfolgt,
wonach über einen flacheren Anstieg der Kontaktflächenpaa
rung ein verändertes, im Hinblick auf eine hohe Anpreß
krafterzeugung abgestelltes Bewegungsverhältnis vorliegt.
Anstelle der Variante, wonach der Kühlmittelübertragungs
körper fest mit dem werkzeugsystemmodulseitigen Kupplungs
teil verbunden ist, ist es selbstverständlich auch
möglich, einen derartigen Kühlmittelübertragungskörper
fest mit dem Schubkörper zu verbinden, wobei dann der
Kühlmittelübertragungskörper abdichtend in eine entspre
chend ausgebildete Innenausnehmung auf Seiten des Werk
zeugsystemmoduls eingreift.
Der Kontaktflächenabschnitt des Kühlmittelübertragungskör
pers ist selbstverständlich auch nicht auf eine sphäri
sche, d.h. kugelförmige Außenoberfläche beschränkt. Es
sind auch andere Flächengestaltungen, beispielsweise die
Ausbildung einer Konusfläche denkbar, wobei es vorteilhaft
sein kann, im Bereich der Dichtungskontaktflächen mit
zusätzlichen Dichtungseinrichtungen, beispielsweise einem
O-Ring zu arbeiten.
Anstelle der Verwendung eines Zentrierrings bzw. Vorsatz
flanschs aus verschleißfestem Material ist es auch
denkbar, diese Komponenten lediglich im Bereich der
Funktionsoberflächen mit verschleißfesten Beschichtungen
zu versehen. Für den Fall, daß mit derartigen verschleiß
festen Beschichtungen gearbeitet wird, kann sich in
verschiedenen Fällen auch ein gesonderter Zentrierring
erübrigen.
Die Erfindung wurde anhand einer Schnittstelle zwischen
Werkzeugsystemmodul und einer Werkzeugmaschine beschrie
ben. In gleichermaßen vorteilhafter Weise läßt sich die
Erfindung jedoch auch für eine Schnittstelle zwischen
einem Werkstück, einem Werkstückträger, oder einem Werk
zeugträger und einer dafür vorgesehenen Handhabungsein
richtung, wie z.B. einem Werkstück- oder Werkzeug-
Wechsel- oder -Transportsystem anwenden, wobei sich
insbesondere bei der Handhabung schwerer Systeme die
Vorteile effektiv nutzen lassen.
Die Erfindung schafft somit eine Kupplungsvorrichtung
zwischen einem Werkstück- oder Werkzeugträgerteil, wie
z.B. einem Werkzeugsystemmodul, beispielsweise in Form
einer Werkzeug-Grundaufnahme, und einer Handhabungsein
richtung, wie z.B. einer Werkzeugmaschine, insbesondere
einer Spindel. Zum schnellen Herstellen und Lösen der
Verbindung zwischen diesen Komponenten unter Bereitstel
lung großer Axialkräfte ist eine Spanneinrichtung mit
einer Betätigungsstange vorgesehen, über die ein Keilge
triebe angesteuert ist, mit dem in dem einen zu koppelnden
Teil vorgesehene Spannelemente im wesentlichen radial nach
außen in eine entsprechend gestaltete Ausnehmung am
anderen zu koppelnden Teil drückbar sind. Die Spannele
mente sind von zumindest drei in gleichmäßigem Winkelab
stand zueinander angeordneten, klammerartigen Spannklauen
gebildet, die im wesentlichen parallel zu einem Zentrier
fortsatz der Werkzeug-Grundaufnahme angeordnet und unter
Abstützung in einer Zentrieraufnahme der Spindel mit einem
im angekuppelten Zustand radial innerhalb des Zentrier
fortsatzes liegenden Klauenabschnitt in eine nutartige
Ausnehmung des Zentrierfortsatzes schwenkbar sind. Diese
Kupplungseinrichtung zeichnet sich durch eine hohe Flexi
bilität hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten bei wirt
schaftlicher Herstellbarkeit aus.