DE3839681A1 - Vorrichtung zum verbinden eines werkzeughalters mit einem traeger, insbesondere einer werkzeugmaschinenspindel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden eines Werkzeughalters mit einem Träger, insbesondere einer Werk­ zeugmaschinenspindel, mit einer an dem Träger konzentrisch zu einer Trägerachse angeordneten Zentrierbohrung bzw. einem Zentrieransatz, mit mindestens zwei in je einer radial zur Trägerachse verlaufenden Querausnehmung des Trägers ver­ schiebbaren Spannstücken, mit einem in Richtung der Träger­ achse an dem Träger axial beweglichen Betätigungsglied, welches über Keilflächen auf die ersten Enden der Spann­ stücke einwirkt, mit einem am Werkzeughalter vorgesehenen Zentrieransatz bzw. einer Zentrierbohrung, der bzw. die in spitzem Winkel zur Trägerachse angeordnete Schrägflächen aufweist, auf welche die Spannstücke in Spannstellung mit ihren zweiten Enden einwirken und hierdurch Ringflächen, welche den Zentrieransatz bzw. die Zentrierbohrung umgeben, axial aneinanderpressen.

Bei einer derartigen bekannten Vorrichtung zum Verbinden eines Werkzeughalters mit einer Werkzeugmaschinenspindel (DE 35 22 555 A1) ist an einem mit der Werkzeugmaschinen­ spindel verbindbaren Vorsatzflansch ein zylindrischer Zen­ trieransatz vorgesehen. Der Werkzeughalter ist mit einer zylindrischen Zentrierbohrung auf den Zentrieransatz auf­ schiebbar. Im Zentrieransatz sind zwei Spannstücke diame­ tral gegenüberliegend angeordnet, deren radial äußere Enden mit in spitzem Winkel zur Trägerachse geneigten Schräg­ flächen versehen sind. Diese Schrägflächen wirken in Spann­ stellung mit den am Werkzeughalter im Bereich der Zentrier­ bohrung vorgesehenen Schrägflächen zusammen. Hierdurch wer­ den die Ringflächen von Träger und Werkzeughalter mit einer gewissen Verspannkraft axial aneinandergepreßt, wenn das Betätigungsglied in axialer Richtung bewegt wird. Die Größe der Spannkraft hängt im wesentlichen von der axialen Kraft ab, die auf das Betätigungsglied einwirkt. Die axiale Kraft wird durch einen herkömmlichen Werkzeugspanner erzeugt, der in der Werkzeugmaschinenspindel angeordnet ist. Die vom Werkzeugspanner erzeugte axiale Kraft läßt sich jedoch kon­ struktionsbedingt nicht beliebig steigern. Es hat sich auch gezeigt, daß ab einer bestimmten axialen Kraft die Verspann­ kraft nicht mehr linear mit der axialen Kraft zunimmt, son­ dern sich nur unwesentlich steigern läßt. Es ist jedoch wünschenswert, die Verspannkraft zu erhöhen, da von ihr die Steifigkeit der Verbindung von Träger und Werkzeughalter und auch das durch die Verbindung übertragbare Drehmoment abhängen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zum Verbinden eines Werkzeughalters mit einem Träger, insbesondere einer Werkzeugmaschinenspindel, der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der ohne Erhöhung der auf das Betätigungsglied wirkenden Axialkraft eine wesentliche Vergrößerung der Verspannkraft, mit der die Ringflächen von Träger und Werkzeughalter axial aneinander­ gepreßt werden, erzielt werden kann.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß an dem zweiten Ende jedes Spannstückes eine Kugel in einer im Spannstück vorgesehenen Kugelpfanne versenkt angeordnet und drehbar gelagert ist, deren Tiefe etwas mehr als der halbe Kugeldurchmesser ist, wobei der Kugeldurchmesser so bemessen und die Schrägfläche gegenüber der Kugel so ange­ ordnet ist, daß sich in Spannstellung die Kugel und die Schrägfläche an einem Kraftangriffspunkt berühren, der in Abstand von der Kante liegt, an der die Schrägfläche in eine achsparallele Fläche übergeht.

Es hat sich gezeigt, daß bei dieser Ausgestaltung der Vor­ richtung sich bei einer vorgegebenen, auf das Betätigungs­ glied wirkenden Axialkraft eine wesentlich höhere axiale Verspannkraft zwischen beiden Ringflächen erreichen läßt. Desweiteren hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vor­ teil, daß an den Spannstücken und den Schrägflächen ein geringerer Verschleiß auftritt.

Weitere vorteilhalfte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist in folgendem, anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform im Axialschnitt,

Fig. 2 und 3 Teilaxialschnitte von Varianten der ersten Ausfüh­ rungsform,

Fig. 4 einen Axialschnitt eines zweiten Ausführungsbei­ spieles,

Fig. 5 einen Axialschnitt eines dritten Ausführungsbei­ spieles.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Träger bezeichnet, bei dem es sich bevorzugt um eine Werkzeugmaschinenspindel handelt. Der Träger 1 kann jedoch auch, wie es mit strichpunktierten Linien angedeutet ist, ein mit der Werkzeugmaschinenspindel verbindbarer, sogenannter Vorsatzflansch sein. Ebenso kann es sich bei dem Träger auch um einen Revolverkopf oder einen mit dem Revolverkopf verbundenen Teil handeln.

Der Träger 1 weist eine konzentrisch zu der Trägerachse A angeordnete Zentrierausnehmung 2 auf, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildet ist. Gegebenen­ falls könnte diese Zentrierausnehmung jedoch auch kegelför­ mig sein. Der Träger 1 ist ferner mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Querausnehmungen 3 versehen. In jeder der Querausnehmungen 3 ist ein Spannstück 4 radial zur Träger­ achse A verschiebbar gelagert. Die Spannstücke 4 weisen vor­ zugsweise einen zylindrischen Querschnitt auf und demzufolge sind auch die Querausnehmungen 3 als zylindrische Bohrungen ausgebildet. Das radial innere, erste Ende 4 a jedes Spann­ stückes 4 ist mit einer Keilfläche 5 versehen, die mit einer entsprechenden Keilfläche 6 an dem Betätigungsglied 7 zusam­ menwirkt. Das Betätigungsglied 7 ist in Richtung der Träger­ achse A axial verschiebbar. Es kann unmittelbar mit der Zug­ stange 8 eines in der Werkzeugmaschinenspindel 1 angeordne­ ten bekannten Werkzeugspanners verbunden sein. Anstelle dieser unmittelbaren Verbindung ist es auch möglich, das Betätigungsglied mit einem Anzugsbolzen zu versehen, an dem dann eine mit der Zugstange des Werkzeugspanners verbundene Spannzange angreift.

Am radial äußeren, zweiten Ende 4 b jedes Spannstückes ist eine zweckmäßig aus Hartmetall bestehende Kugel 9 in einer im Spannstück 4 vorgesehenen Kugelpfanne 10 versenkt ange­ ordnet und drehbar gelagert. Damit die Kugel 9 unverlierbar mit dem Spannstück 4 verbunden ist, beträgt die Tiefe t der Kugelpfanne 10 etwas mehr als der halbe Durchmesser d der Kugel 9. Der die Kugel 9 umgebende Bereich des Endes 4 b des Spannstückes 4 ist zur Kugel hin umgebördelt.

Der Werkzeughalter 12 weist einen in die Zentrierausnehmung 2 passenden Zentrieransatz 13 auf. Dieser Zentrieransatz 13 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel hohl ausgebildet und weist an seiner Innenseite im Bereich der Kugeln 9 eine in spitzem Winkel µ zur Trägerachse A angeordnete Schräg­ fläche 14 auf. Die Schrägfläche 14 ist bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel Bestandteil einer umlaufenden Ringrille 15. Zur Übertragung des Drehmomentes sind bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel in der Spindel 1 Quernuten 16 vorgesehen, in welche Nutensteine 17 eingreifen, die mit dem Werkzeughal­ ter 12 verbunden sind.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Spannstellung der Spann­ stücke 4 berühren sich die Kugel 9 und die Schrägfläche 14 an einem Berührungspunkt, der infolgendem als Kraftan­ griffspunkt P bezeichnet wird, da an diesem Punkt die Spann­ kräfte von den Spannstücken 4 bzw. ihren Kugeln 9 auf die Schrägfläche 14 übertragen werden. Es ist vorgesehen, daß der Kraftangriffspunkt P in Abstand von der Kante 14 a liegt, an der die Schrägfläche 14 in die achsparallele Fläche 13 a des Zentrierzapfens 13 übergeht. Hierdurch werden eine Berührung und Kraftübertragung an der Kante 14 a und damit unzulässige Flächenpressungen und Kantendrücke an dieser Kante 14 a vermieden. Die Kraftübertragung erfolgt in Abstand von der Kante 14 a. Durch Abstimmung des Kugeldurchmessers d und/oder entsprechende Anordnung der Schrägfläche 14 in bezug auf die Kugel 9 kann man erreichen, daß der Kraftan­ griffspunkt (P) jeweils in dem gewünschten Abstand von der Kante 14 a liegt.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kugeldurch­ messer d etwa 2/3 des Durchmessers D des Spannstückes 4 beträgt.

Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Spannstellung wird zu einem Werkzeugwechsel die Zugstange 8 gemäß Fig. 1 nach unten bewegt, wodurch der Keil 7 a des Betätigungs­ gliedes 7 in die strichpunktiert dargestellte Stellung gelangt. Wird der Werkzeughalter 12 von der Werkzeugma­ schinenspindel 1 nach unten entfernt, dann drückt die Schrägfläche 14 auf die Kugeln 9 und verschiebt damit die Spannstücke 4 radial nach innen. Sobald ein anderer Werk­ zeughalter 12 mit seinem Zentrieransatz 13 in die Zentrier­ bohrung 12 eingesetzt ist, wird die Zugstange 8 wieder nach oben bewegt. Die Keilflächen 6 des Keiles 7 a verschieben die Spannstücke 4 radial nach außen, wodurch ihre Kugeln 9 an der Schrägfläche 14 zur Anlage kommen. Bis zum Erreichen der endgültigen Spannstellung können die Kugeln 9 an der Schrägfläche 14 abrollen und sich hierbei in ihren Kugel­ pfannen 10 drehen. Hierdurch werden die Ringflächen 18, 19, welche die Zentrierbohrung 2 bzw. den Zentrierzapfen 13 um­ geben, mit hoher Verspannkraft V aneinandergedrückt.

Um die Verspannkraft V noch zu steigern, kann man den Winkel µ, den die Schrägfläche 14 mit der Trägerachse A einschließt und der beim gezeigten Ausführungsbeispiel 45° beträgt, noch vergrößern. Eine Vergrößerung der Spannkraft kann auch da­ durch erreicht werden, daß die Keilflächen 5, 6 in einem kleineren Winkel zur Trägerachse A geneigt werden.

In Fig. 2 und 3 sind zwei Varianten des in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsbeispieles gezeigt. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist im Bereich jeder Kugel 9 eine Schraube 20, 20′ in eine radiale Gewindebohrung 21, 21′ des Zentrieran­ satzes 13 eingeschraubt. Diese Schraube 20, 20′ weist eine kegelförmige Vertiefung 14′ auf, die ebenfalls eine in spitzem Winkel zur Trägerachse A geneigte Schrägfläche bildet. Hierbei ist es jedoch wichtig, daß die Achse A 1 der Schraube 20, 20′ gegenüber der durch den Kugelmittel­ punkt verlaufenden Radialebene R zu der Ringfläche 19 hin versetzt ist, damit die Kugel 9 einseitig an der kegelför­ migen Vertiefung 14′ zur Anlage gelangt. Die Anordnung der kegelförmigen Vertiefungen 14′ in den Schrauben 20, 20′ hat Vorteile. Sollte sich nämlich nach längerem Gebrauch des Werkzeuges ein Verschleiß an den kegelförmigen Vertie­ fungen 14′ ergeben, so können die Schrauben ohne weiteres gegen neue ausgetauscht werden. Außerdem ist es möglich, die Schrauben 20, 20′ aus besonders verschleißfestem Mate­ rial herzustellen und zu härten. Härtungsprobleme, die sich u.U. beim Härten einer direkt in den Werkzeughalter einge­ arbeiteten Schrägfläche ergeben, werden damit vermieden. Außerdem können durch die kegelförmigen Vertiefungen 14′ auch Drehmomente übertragen werden, so daß zusätzliche Einrichtungen zur Drehmomentsübertragung wie die oben beschriebenen Quernuten 16 und Nutensteine 17 entfallen können.

Die in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen, bei welchen der Zentrieransatz 13 hohl ausgebildet und von der in der Werkzeugmaschinenspindel 1 vorgesehenen Zentrieraus­ nehmung 2 umgeben ist, weisen auch noch weitere wesentliche Vorteile auf. Wenn nämlich die Spannstücke 4 nach außen ge­ drückt werden, dann erzeugen die Kugeln 9 an der Schräg­ fläche 14 auch radial nach außen gerichtete Kraftkomponenten. Hierdurch wird der hohle Zentrieransatz 13 radial elastisch aufgeweitet und mit seiner äußeren Mantelfläche an die Zen­ trierbohrung 2 angepreßt. Das geringe Spiel, welches zum Einschieben des zylindrischen Zentrieransatzes 13 in die Zentrierausnehmung 2 erforderlich ist, wird hierdurch nahezu beseitigt. Es wird damit ein besserer Formschluß zwischen Zentrieransatz 13 und Zentrierausnehmung 2 erzielt. Dies hat wiederum eine Erhöhung der Steifigkeit der Verbin­ dung zwischen Werkzeugmaschinenspindel 1 und Werkzeughalter 12 zur Folge. Außerdem wird die Positioniergenauigkeit er­ höht.

Bei den in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispie­ len sind Teile gleicher Funktion mit den gleichen Bezugs­ zeichen bezeichnet, wie sie bei den vorhergehend beschrie­ benen Ausführungsbeispielen verwendet worden sind. Obige Beschreibung trifft daher sinngemäß auch für die in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele zu. Auch bei diesen Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Schrägflächen 14 durch kegelförmige Vertiefungen zu ersetzen, die an ent­ sprechenden Schrauben angeordnet sind. Die kegelförmigen Vertiefungen könnten bei diesen Ausführungsbeispielen eben­ so wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gegebe­ nenfalls auch direkt in dem Werkzeughalter angeordnet sein.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Spannstücke 4 in einem den Zentrieransatz 13 umgeben­ den Teil 1′ der Werkzeugmaschinenspindel 1 angeordnet. Das Betätigungsglied ist in diesem Fall ein das Teil 1′ kon­ zentrisch umgebender Ring 7′, der axial verschiebbar ist.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der an der Werkzeugmaschinenspindel 1 zu befestigende Träger 1′ als Spindelvorsatzflansch ausgebildet. Er weist einen Zentrieransatz 22 auf, in welchem die Spannstücke 4 radial verschiebbar gelagert sind. Der Werkzeughalter 12′ ist in diesem Fall mit einer auf den Zentrieransatz 22 pas­ senden Zentrierbohrung 23 versehen. Alle übrigen Teile ent­ sprechen in Aufbau und Funktion den Teilen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Verbinden eines Werkzeughalters mit einem Träger, insbesondere einer Werkzeugmaschinenspindel, mit einer an dem Träger konzentrisch zu einer Trägerachse angeordneten Zentrierbohrung bzw. einem Zentrieransatz, mit mindestens zwei in je einer radial zur Trägerachse verlaufenden Querausnehmung des Trägers verschiebbaren Spannstücken, mit einem in Richtung der Trägerachse an dem Träger axial beweglichen Betätigungsglied, welches über Keilflächen auf die ersten Enden der Spannstücke einwirkt, mit einem am Werkzeughalter vorgesehenen Zen­ trieransatz bzw. einer Zentrierbohrung, der bzw. die in spitzem Winkel zur Trägerachse angeordnete Schrägflächen aufweist, auf welche die Spannstücke in Spannstellung mit ihren zweiten Enden einwirken und hierdurch Ringflächen, welche jeweils den Zentrieransatz bzw. die Zentrierbohrung umgeben, axial aneinanderpressen, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zweiten Ende (4 b) jedes Spannstückes (4) eine Kugel (9) in einer im Spannstück (4) vorgesehenen Kugel­ pfanne (10) versenkt angeordnet und drehbar gelagert ist, deren Tiefe (t) etwas mehr als der halbe Kugeldurchmes­ ser (d) ist, wobei der Kugeldurchmesser so bemessen und die Schrägfläche (14, 14′) gegenüber der Kugel (9) so angeordnet ist, daß sich in Spannstellung die Kugel (9) und die Schrägfläche (14, 14′) an einem Kraftangriffs­ punkt (P) berühren, der in Abstand von der Kante (14 a) liegt, an der die Schrägfläche (14) in eine achsparallele Fläche (13 a) übergeht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kugel (9) umgebende Bereich des jeweiligen Endes (4 a) des Spannstückes (4) zu der Kugel (9) hin umgebör­ delt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kugeln (9) aus Hartmetall bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kugeldurchmesser (d) etwa 2/3 des Durchmessers (D) des zylindrisch ausgebildeten Spann­ stückes (4) beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche durch eine kegelförmige Vertiefung (14′) einer Schraube (20, 20′) gebildet ist, die in eine radial zur Trägerachse (A) verlaufende Gewindebohrung (21, 21′) im Werkzeughalter (12) eingeschraubt ist.