DE4025745A1 - Spannfutter mit werkstuecklagebestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Spannfutter für Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehmaschinen mit einem Grundkörper und mehreren radial hierzu verstellbaren Spannelementen, wie dies beispielsweise auch bei der bekannten Planscheibe der Fall ist.

Der Nachteil einer Planscheibe besteht jedoch darin, daß es für den automatischen Betrieb nicht geeignet ist und sowohl die Positioniergenauigkeit als auch die Wiederholbarkeit einer einmal vorgenommenen genauen Positionierung eines Werkstückes zu wünschen übrig läßt. Auch ein nachträgliches Feinpositionieren eines einmal groß eingelegten Werkstückes ist nicht möglich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein an die Kinematik der Planscheibe angenähertes Spannfutters so weiterzuentwickeln, daß es für den automatischen Betrieb geeignet ist, für unterschiedliche Werkstücke eingesetzt werden kann und eine hohe Positioniergenauigkeit sowie eine Möglichkeit zum Feinpositionieren eines groß eingelegten Werkstückes bietet.

Diese Augabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Daß die Spannelemente einzeln und unabhängig voneinander verstellbar sind, ist die Grundvoraussetzung für die Feinpositionierung. Erfolgt diese Verstellung jeweils mittels eines separaten Motors, so kann hierdurch - auch automatisch - jeweils wieder die gleiche Position angefahren werden bzw. eine registrierte Position verändert werden. Hierfür ist entweder ein Wegmeßsystem für die Spannelemente bezüglich des Grundkörpers notwendig oder es müssen wegabhängige Motoren wie beispielsweise Schrittmotoren verwendet werden.

Möglich wären auch regelbare Servo-Motoren, die dann aber durch ein Wegmeßsystem ergänzt werden müssen.

Um weiterhin eine definierte Axiallage des Werkstückes im Spannfutters auch automatisch einnehmen zu können, ist im Zentrum des Spannfutters, also im Bereich der Symmetrieachse, ein Längsanschlag vorgesehen. Dieser sitzt aufgrund seiner speziellen Ausbildung spielfrei in axialer Zuordnung zum Grundkörper des Spannfutters, läßt sich aber dennoch sehr leicht aus dem Spannfutters entnehmen. Dadurch ist jederzeit das Auswechseln gegen einen anderen Längsanschlag, abgestimmt auf ein anderes zu bearbeitendes Werkstück, möglich.

Ebenso kann anstatt eines solchen Längsanschlages ein Referenzteil schnell und präzise im Zentrum des Spannfutters befestigt werden, mit dessen Hilfe die Null- Lage der Spannelemente überprüft bzw. neu eingestellt werden kann. Ein solches Referenzteil kann entweder mit gleichem Wirkmechanismus anstelle des Längsanschlages in den Grundkörper eingesetzt werden, oder das Referenzteil wird am Längsanschlag befestigt, was den Nachteil hat, daß dann die Gefahr auftretenden Spieles sowohl zwischen Grundkörper und Längsanschlag als auch zwischen Längsanschlag und Refernzteil besteht.

Vorteilhaft ist dabei eine Ausbildung der Spannelemente bestehend aus Grundbacken und daran befestigten, gegenüber der Grundbacke beweglichen Spannplatten. Bei einer solchen Konfiguration bewegt sich beim Spannen lediglich die Spannplatte gegenüber der Grundbacke, nicht jedoch diese gegenüber dem Grundkörper. Andererseits wird beim Verstellen und Positionieren das gesamte Spannelement, also die Grundbacke mit darauf befestigter Spannplatte, bewegt. Im entspannten Zustand kann somit als Zustellbewegung die Grundbacke soweit gegen das Werkstück oder das Referenzteil gefahren werden, bis das Werkstück an der Spannplatte und dieses an einem entsprechenden, definierten Anschlag der Grundbacke, anliegt, und die Grundbacke mit einer bestimmten Vorspannung, deren Erreichen das Beenden der Zustellbewegung bewirkt, durch den Verstellantrieb beaufschlagt wird. Dadurch können auch unsymmetrische Werkstücke gespannt werden, wobei jedes Spannelement unabhängig voneinander gegen das Werkstück fährt, bis über die reine Anlage hinaus die definierte Vorspannung anliegt. Ein entsprechendes Kraftmeßsystem zwischen Grundbacke und Gehäuse gibt hierüber Aufschluß. Alternativ dazu kann auch die Spannplatte so ausgelegt werden, daß sie im entspannten Zustand nicht an der Grundbacke anliegt. Wird dann die Elastizität der Spannplatte so gewählt, daß die gewünschte Vorspannkraft gerade dann anliegt, wenn die Spannplatte soweit in Richtung Grundbacke verbogen wird, daß sie einen dort angebrachten Kontakt berührt oder in dem hinter der Spannplatte angeordneten Druckraum, der im entspannten Zustand geschlossen wird, einen entsprechenden Druck aufbaut, so können diese Merkmale das Signal für das Erreichen der gewünschten Vorspannung und damit das Beenden der Zustellbewegung liefern.

Anstelle der am meisten verwendeten Dreibackenfutter wird hier ein Vierbackenfutter mit gleichmäßig über dem Umfang verteilten Spannelementen verwendet.

Mit entsprechenden Aufnahmen im Grundkörper des Spannfutters kann die Anzahl der Spannelemente im Spannfutter jedoch auch variabel gestaltet sein.

Im Gegensatz zu den Dreibackenfuttern bieten Vierbackenfutter nicht nur eine höhere Positioniergenauigkeit und eine gesteigerte Sicherheit gegen Herauskippen des Werkstückes, sondern auch bessere dynamische Eigenschaften wegen der geringen Schwankung der dynamischen Anregungen im Betrieb des Futters.

Ein weiterer Vorteil von vier Backen liegt darin, daß trotz noch relativ geringer Zahl der Kosten- und auch steuerungsintensiven Spannelemente aufgrund der jeweils diametral gegenüberliegenden Position zweier Spannelemente eine Lageveränderung eines grob - beispielsweise mittels einer Handhabungseinheit - in das Futters eingesetzten Werkstückes zu bewirken: Das Paar der jeweils diametral gegenüberliegenden Spannelemente kann - nach weitgehendem Lösen der anderen Spannelemente - gemeinsam verfahren werden, so daß die Spannung zwischen diesem Paar von Spannelementen bestehen bleibt, also das Herausfallen des Werkstückes verhindert wird. Anschließend kann durch Vorspannen und gemeinsamen Verfahren mittels des anderen Spannelementenpaares ein Versetzen des Werkstückes in der anderen Koordinatenrichtung durchgeführt werden.

Für den Fall, daß diese Möglichkeit beispielsweise zum automatischen Zentrieren oder Auswuchten von Werkstücken benutzt werden soll, sind entsprechende Meßeinrichtungen, die Unwuchten und deren Position feststellen, an der Werkzeugmaschine bzw. dem Spannfutters vorzusehen.

Weiterhin sollten derartige, aus Grundbacken und Spannplatte aufgebaute Spannelemente mittels eines Gewindes in Axialrichtung verschraubt werden, wobei die diese Verstellung bewirkenden Antriebswellen eine Radialebene bezüglich der Symmetrieachse des Spannfutters bilden. Der Längsanschlag befindet sich dabei außerhalb der Ebene dieser Antriebswellen in Richtung auf das Werkstück zu, so daß dahinter Raum für die zentrumsnahe Lagerung der Antriebswellen besteht, so daß diese sehr nahe an die Symmetrieachse des Spannfutters heranreichen können. Dies erweitert den Verstellbereich des Spannfutters nach unten, also in Richtung auf sehr kleine Werkstücke, ohne die Auskragung der Spannelemente unnötig vergrößern zu müssen.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Vierbackenfutters, welches auch für Drehmaschinen geeignet ist,

Fig. 2 eine teilgeschnittene, teilweise Frontansicht des Futters der Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie A-B der Fig. 1,

Fig. 4 einen Teilschnitt entlang der Linie C-D gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine Einzeldarstellung einer Spannbacke des Futters,

Fig. 6 einen Teilschnitt entlang der Linien E-F gemäß Fig. 1,

Fig. 7 eine vergrößerte Detaildarstellung des mittleren Bereiches von Fig. 1 und

Fig. 8 und 9 eine Gegenüberstellung des Kraftflusses im erfindungsgemäßen Futters gegenüber einem Futter mit Spindelantrieb.

Wie die Übersichtsdarstellungen der Fig. 1 und 2 zeigen, ist in den Fig. 1 bis 6 ein von der Planscheibe abgeleitetes Vierbackenfutter dargestellt, welches unter anderem auch für hohe Drehzahlen und damit für den Einsatz an Drehmaschinen geeignet ist.

Wie die Frontalansicht der Fig. 2 zeigt, stehen die radial wirkenden Spannbacken 1 unter einem Winkel von jeweils 90° zueinander, und können über sehr große radiale Distanzen verfahren werden, wie die Teleskopabdeckung 30 erkennen läßt.

Jede der Spannbacken 1 wird dabei über einen separaten Motor, hier einen Schrittmotor 62, längs des radialen Verstellweges separat und exakt steuerbar verfahren.

Von dieser Zustellbewegung völlig getrennt ist die Spannbewegung, wobei die Spannbacke 1 stillsteht und an jeder Spannbacke 1 eine Spannplatte 20 nochmals um eine geringe Strecke radial nach innen, also in Richtung auf das nicht dargestellte Werkstück zu, bewegt wird.

Es handelt sich somit um ein Spannfutter, dessen Backen sich während der Bearbeitung mit dem Werkstück mitdrehen und jeweils unabhängig voneinander eine Zustellbewegung durchführen können sowie eine Spannbewegung.

Darüber hinaus ist die Spannplatte 20 einfach demontierbar und elastisch ausgebildet, um eine Anpassung an unterschiedliche Krümmungen des Werkstückes zu ermöglichen. Zusammen mit dem großen Verstellbereich der einzelnen Backen können damit z. B. zylindrische Werkstücke zwischen etwa 40 mm und etwa 250 mm Durchmesser mit ein und demselben Spannfutter gespannt werden.

Die Spannbewegung wird durch die Axiale (bezüglich der Symmetrieachse 99 des Spannfutters) Bewegung der Zugstange 34 bewirkt, die bei vielen Drehmaschinen zur Betätigung von Keilhakenfuttern vorhanden ist. Das erfindungsgemäße Futter ist damit für die Nachrüstung gut geeignet.

Wie Fig. 1 zeigt, wird das Spannfutter, das auf dem Grundkörper 2 aufgebaut ist, mittels eines Zwischenstückes 35 am Flansch 33 der Werkzeugmaschine bzw. der Hauptspindel einer Drehmaschine befestigt. Dies geschieht im vorliegenden Fall mittels Gewindebolzen, kann jedoch auch auf jede andere spielfreie Befestigungsart erfolgen. Innerhalb des hohlen Flansches 33 ist das Ende der Zugstange 34 zu erkennen, auf deren Stirnseite der sogenannte Keilhaken 9 verschraubt ist. Dieser kegelstumpfförmige Keilhaken 9 besitzt in an sich bekannter Weise entlang von vier symmetrisch über seinen Umfang verteilten Mantellinien T-förmige oder auf andere Art und Weise hinterschnittene Nuten 74. In diesen Nuten 74 laufen die entsprechend als Nutensteine geformten, radial nach innen gerichteten und entsprechend der Außenfläche des Keilhakens abgeschrägten Stirnseiten der Zwischenkeile 10.

Bei einer axialen Bewegung der Zugstange 34 mit dem Keilhaken 9 werden wegen der Schräge der Außenfläche des Keilhakens 9 die Zwischenkeile 10 ausschließlich radial bewegt.

Die Stirnseite der Zwischenkeile 10, die in Richtung des Werkstückes weist, verläuft schräg zur Symmetrieachse, und auf dieser Stirnfläche sind wiederum - jeder Spannbacke zugeordnet - vier Axialkeile 11 angeordnet, deren dem Werkstück zugewandte Stirnseite 75 rechtwinklig zur Symmetrieachse stehen. Da diese Axialkeile mit den nach innen gewandten Seiten axial beweglich, aber radial fest mit dem Grundkörper 2 über die Kontaktfläche 76 verbunden sind, bewirkt jedes Betätigen der Zugstange eine Radialbewegung der Zwischenkeile und in der Folge hiervon wiederum eine Axialbewegung der Axialkeile.

In axialer Richtung vor dieser Stirnseite 75 befindet sich jeweils der Spannbacken 1, an dessen Rückseite in der Fig. 1 ein Kolben 26 sichtbar ist.

Wie Fig. 6 zeigt, handelt es sich dabei um zwei nebeneinander in axialer Richtung liegende Kolben, die in die hintere Stirnseite des Spannbackens 1 eingeschoben werden können und dadurch im Inneren der Spannbacke 1 einen Arbeitsdruck erzeugen. Die Axialbewegung der Kolben 26 wird durch die Axialbewegung jeweils einen Axialkeiles 11 bewirkt, der mit seiner nach vorne gerichteten Stirnseite auf die hinteren Stirnflächen der beiden Kolben 26 drückt. Die Kolben 26 sind zusammen mit den Spannbacken radial verschiebbar, so daß die hintere Stirnfläche der Kolben 26 radial entlang der vorderen Stirnfläche des Axialkeiles entlanggleiten kann.

In Fig. 1 ist ferner das Federstahlband 61 zu erkennen, welches mit seinem einen Ende an den Kolben 26 und mit dem anderen Ende mit dem Grundkörper 2 des Spannfutters verbunden ist und zwischen diesen beiden Befestigungspunkten eine in radialer Richtung liegende Schleife bildet, die in einer radialen Nut 78 in der Rückseite des Axialkeiles 11 liegt. An diesem Federstahlband 61 sind elektrische Leitungen befestigt, die vom Futtergrundkörper zu dem Kolben 26, also der druckerzeugenden Einheit, führt.

Wie genauer in Fig. 3 zu erkennen, sind auf den Kolben 26 Dehnmeßstreifen 79 befestigt, welche den durch die Kolben 26 erzeugten Druck auf Grund seiner Verformung als elektrisches Signal angeben, welches über die elektrischen Leitungen 80 zu einer nicht dargestellten Regelungs- und Steuereinheit der Werkzeugmaschine geführt werden.

Jeder Kolben 26 weist dabei zwei Zonen unterschiedlichen Durchmessers auf, wobei der größere Durchmesser im Arbeitsraum der Spannbacke den Druck erzeugt, während die Dehnmeßstreifen 79 auf dem kleineren Durchmesser befestigt sind. Damit wird eine Beschädigung der Dehnmeßstreifen 79 durch die Spannbacke 1 bei relativer Bewegung der Kolben 26 zur Spannbacke 1 vermieden.

Die elektrischen Leitungen 80 sind in regelmäßigen Abständen an dem Federstahlband 61 befestigt, welches aufgrund seiner Reißfestigkeit und Führung in der Nut 78 auch bei hohen Drehzahlen seine Lage beibehält, und damit ein Beschädigen, Durchscheuern etc. der darauf befestigten elektrischen Leitungen 80 verhindert.

Der in den Backen 1 erzeugte Druck wird ausschließlich zum Spannen verwendet. Hierfür sind lediglich geringe axiale Bewegungen notwendig, welche nur ein Teil der Spannbacke 1 durchführt, wie im folgenden gezeigt wird. Zusätzlich - und gänzlich unabhängig von der Spannbewegung - kann die Spannbacke 1 über einen großen Weg radial verfahren werden, um ihre Lage an den Durchmesser der einzuspannenden Werkstücke anzupassen. Hierdurch wird eine Zustellfunktion und wie im folgenden zu zeigen ist auch eine Bestimmfunktion der Spannbacke 1 ermöglicht.

Der Verstellmechanismus für die Spannbacken 1 ist in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt:
Die Spannbacke 1 ist radial verfahrbar und weist zu diesem Zweck beidseitig vorstehende Führungsnasen 81 auf, die in entsprechenden Nuten 82 des Grundkörpers 2 geführt sind. Die Führungsnasen 81 liegen dabei an den zum Werkstück zu­ und von dem Werkstück abgewandten Seiten an den Wänden der Nut 82 möglichst spielfrei an, so daß die Spannbacke die am freien Ende durch das Werkstück eingebrachten Kräfte momentensteif aufzunehmen vermag. Zwischen dem äußeren Rand des Wandfutters und dem äußeren Rand der Spannbacke ist dabei die in Fig. 1 und 2 sichtbare Teleskopabdeckung 30 montiert, die bei Verfahren der Spannbacke in Richtung auf die Symmetrieachse die ansonsten freiliegenden Führungen, also die Nuten 82, abdecken.

Jeder der Spannbacken 1 wird durch einen zugeordneten separaten Schrittmotor 62 (siehe Fig. 2) unabhängig von den anderen Spannbacken angesteuert und in radialer Richtung verfahren. Dadurch ist auch ein unsymmetrisches Einspannen eines Werkstückes bzw. das zentrische Einspannen eines unsymmetrischen Werkstückes möglich. Zu diesem Zweck ist an der Spannbacke 1 gegen die Symmetrieachse 99 zugewandt eine Hohlschraube 4 angeordnet, die auf ihrer zylindrischen Außenfläche mit einem Gewinde versehen ist. Beide zusammen bilden das Spannelement 13.

Diese Hohlschraube 4 ist mit einer Stirnseite frei drehbar in der radialen Innenseite der Spannbacke 1 gelagert und besitzt eine zentrische Bohrung, die mit einem Keilwellenprofil versehen ist und mit einer etwas größeren Durchgangsbohrung in der Spannbacke 1 fluchtet. Eine Keilwelle 5 erstreckt sich durch die Durchgangsbohrung der Spannbacke 1 und die hierzu passende innere Keilwellenverzahnung der Hohlschraube 4 vom Außenrand des Spannfutters radial bis in die Nähe der Symmetrieachse 99 des Spannfutters.

Wird nun die Keilwelle 5 in Drehung versetzt, so steht diese mit der inneren Keilverzahnung mit der Hohlschraube 4 in Eingriff, welche durch die Drehbewegung über ihre Außenverzahnung entlang einer entsprechenden Innenverzahnung im Grundkörper 2 (siehe Fig. 3) in radialer Richtung des Spannfutters verschraubt wird. Da die Hohlschraube 4 mit der Spannbacke 1 frei drehend, aber nicht lösbar verbunden ist, wird hierdurch auch die Spannbacke 1 radial verfahren.

Wie Fig. 1 zeigt, sind die Keilwellen 5 am Außenrand des Spannfutters in einem Lager 59 und am innenliegenden Ende in einer Lagereinheit 56 gelagert, welche sowohl ein Axial­ als auch ein Radiallager umfaßt und über Tellerfedern 53 vorgespannt werden. Am radial äußeren Ende der Keilwelle 5 ist diese drehfest mit einem Zahnrad 7 verbunden, welches über eine Umfangsverzahnung mit einem kleineren Zahnrad 8 kämmt, welches vom Schrittmotor 62, der in Fig. 2 zu erkennen ist, angetrieben wird.

Damit wird jeder Spannbacken 1 von einem separaten Schrittmotor 62 angetrieben, wobei Spannbacke 1 einschließlich Antrieb im Betrieb mit dem Werkstück und dem Grundkörper 2 der Spannbacke rotieren. In Fig. 1 ist mit strichpunktierten Linien die im Betrieb vorhandene Abdeckung des Zahnradantriebes für die Keilwelle 5 dargestellt.

Diese Art der Axialverstellung der Spannbacke 1 bietet gegenüber einem Antrieb bestehend aus Spindel und Spindelmutter, wie er beispielsweise vom Schlittenantrieb einer Werkzeugmaschine her bekannt ist, deutliche Vorteile hinsichtlich der Krafteinleitung, wie in dem Vergleich des Kraftflusses gemäß Fig. 8 und 9 dargestellt: Fig. 9 zeigt eine Spannbacke 1, die ein Innengewinde besitzt, in welcher sich eine Spindel 1 dreht, wodurch die Backe 1 längs der Spindel 83 verfahren wird. Bei gespanntem Werkstück geschieht die Krafteinleitung vom Werkstück in das freie Ende der Spannbacke und von dort in die Gewindespindel 83. Weiter verläuft der Kraftfluß über die gesamte Länge der Gewindespindel 83 bis zu deren Lagerung am Ende, wo die Kraft über die Lagerung in den Grundkörper 2 eingeleitet wird.

Demgegenüber wird bei der vorliegenden Konstruktion gemäß Fig. 8 die Kraft ebenfalls vom Werkstück über die Kontaktfläche in das freie Ende der Spannbacke 1 eingeführt. Von dort verläuft der Kraftfluß weiter in die Hohlschraube 4, die sich unmittelbar an der Spannbacke 1 befindet, und von dort direkt in den Grundkörper 2, da die in Fig. 8 nicht dargestellte Keilwelle in der Hohlschraube 4 längsverschieblich ist und damit keine Kräfte in Richtung der Keilwelle aufgenommen werden können.

Ein Vergleich von Fig. 8 und Fig. 9 zeigt anschaulich, daß der Kraftfluß bei der vorliegenden Konstruktion nicht nur kürzer ist, sondern auch kritische Krafteinleitungspunkte wie aus Abmessungsgründen relativ klein dimensionierte Lager der Gewindespindel etc. vermeidet. Auch das aus Gewichts- und Abmessungsgründen möglichst klein gehaltene Materialquerschnitt der Gewindespindel 83 wird nicht durch die Spannkräfte beaufschlagt. Die bei der vorliegenden Konstruktion an dieser Stelle eingesetzte Keilwelle kann damit so klein wie möglich dimensioniert werden, sofern ausreichend hohe Drehkräfte zum Antrieb der Hohlschraube 4 aufgebracht werden können, die jedoch nicht die Spannkraft überwinden müssen, sondern lediglich zum Verstellen und ggf. bis zum Anschlag am Werkstück eine definierte Bestimmkraft aufbringen müssen, die eine ausreichende Anlage der Spannbacke am Werkstück zum Ausdruck bringen, so daß die Verstellbewegung hierauf beendet wird.

Da die Schrittmotoren 62 zum Verstellen der Spannbacken 1 ihre Lage bezüglich des Grundkörpers 2 nicht ändern, ist die Energiezufuhr über elektrische Leitungen trotz Rotation der gesamten Einheit unproblematisch.

Die Spannbacke 1 wird nun soweit in Richtung auf das Werkstück verfahren, bis dieser gegen die Spannplatte 20 drückt, die Spannplatte 20 dadurch gegen die mittlere Zunge 17 und diese sich wiederum am Grundkörper der Spannbacke 1 abstützt. Ist an einer dieser Kontaktstellen ein Kraftmeßsystem installiert oder am Antriebsmotor eine Steuerung der el. Parameter vorhanden, so kann die Zustellbewegeung bei einer definierten Anpreßkraft beendet werden.

Anschließend wird die Spannbewegung selbst nicht von der Spannbacke 1 durchgeführt, sondern von der mit ihr verbundenen Spannplatte 20. Diese wird durch die freien Enden der drei beweglichen Zungen 17, 18, 19 von ihrer Rückseite her beaufschlagt, welche wiederum durch Arbeitskolben, die innerhalb der Spannbacke 1 gelagert sind und durch den von den Kolben 26 erzeugten Druck aktiviert werden.

In der Ansicht der Fig. 2 und als Detaildarstellung in Fig. 5 ist die Spannplatte 20 in Richtung der Symmetrieachse 99 dargestellt. Die dem (nicht dargestellten) Werkstück zugewandte Vorderseite 65 der Spannplatte ist eben, während die Rückseite entsprechend der Krafteinleitung durch die Zungen 17, 18 und 19 angepaßt ist: Im Bereich der Krafteinleitung durch diese Zungen weist die Spannplatte 20 einen wesentlich dickeren Querschnitt auf, während zwischen den Krafteinleitungsbereichen der Querschnitt gering gehalten wurde, um eine ausreichende Elastizität der Spannplatte zur Anpassung an die Außenkontur des zu spannenden Werkstückes zu ermöglichen. Die hier dargestellte Spannplatte mit ebener Vorderseite 65 ist zum Spannen von Körpern mit relativ großem Außendurchmesser und im Spannbereich geringem Krümmungsradius vorgesehen. Bei kleinen Werkstücken mit großem Krümmungsradius kann die Vorderseite 65 konkav ausgebildet sein, jedoch mit etwas größerem Krümmungsradius, so daß bei radialem Verstellen der Spannbacke die Spannplatte 20 immer zuerst mit dem mittleren Bereich das Werkstück berührt.

In der Ansicht der Fig. 2 und 5 ist zu erkennen, daß die Vorderseite 66 der mittleren Zunge eben ausgebildet ist, und analog hierzu in diesem Bereich auch die Rückseite der Spannplatte 20. Beide sind durch den in Fig. 5 nur angedeuteten Stecker 21 lose und leicht lösbar miteinander verbunden, wie auch in Fig. 1 zu erkennen.

In Blickrichtung der Symmetrieachse 99, also den Darstellungen der Fig. 2 und 5, gesehen, sind dagegen die Vorderseiten 67 der äußeren Zungen konvex ballig ausgebildet, und analog hierzu die Rückseite der Spannplatte 20 in diesem Bereich konkav ballig. Dadurch ist eine Schrägstellung der Spannplatte 20 zu der in Fig. 5 strichpunktiert eingezeichneten Symmetrielinie der Spannbacke möglich, wie sie auftritt, wenn die Spannfläche des Werkstückes in diesem Bereich schräg zu dieser Symmetrielinie steht. Da die äußeren Zungen 18 und 19 mit annähernd der gleichen Kraft beaufschlagt werden, ist bei schräger Werkstückoberfläche eine der beiden Zungen weiter in Richtung auf den Werkstückmittelpunkt vorgeschoben als die andere der äußeren Zungen, wobei sich jedoch aufgrund der balligen Vorderseiten 67 immer die gleiche Größe einer Kontaktfläche und damit die gleiche Flächenpressung zwischen den Vorderseiten 67 der äußeren Zungen 18 und 19 und den entsprechenden Bereichen der Rückseiten der Spannplatte 20 ergibt.

Das Beaufschlagen der beiden äußeren Zungen 18 und 19 mit gleicher Kraft wird durch Kraftverteilung mittels einer mechanischen Wippe 16 erreicht, die am besten in Fig. 2 zu erkennen ist. Diese Wippe 16 ist an ihrer Rückseite 69 konkav ballig ausgeformt und wird mittig von einem inneren Arbeitskolben 14 beaufschlagt, dessen der Wippe 16 zugewandte Stirnseite entsprechend konvex ballig geformt ist. Ist eine Schrägstellung der Spannplatte 20 erforderlich, so ergibt sich eine seitliche Auslenkung der Wippe 16 auf der balligen Kontaktfläche gegenüber dem inneren Arbeitskolben 14 und damit eine Schrägstellung der Wippe, wodurch jedoch die unterschiedlich weit vorstehenden äußeren Zungen 18 und 19 mit der gleichen Kraft beaufschlagt werden.

Demgegenüber wird, wie in Fig. 1 dargestellt, die mittlere Zunge 17 unmittelbar von einem Arbeitskolben 15 beaufschlagt, welcher koaxial ringförmig um den inneren Arbeitskolben 14 herum angeordnet ist und seitliche Aussparungen aufweist, in denen die Wippe 16 und die äußeren Zungen 18 und 19 zu liegen kommen. Der ringformige, äußere Arbeitskolben 15 ist auf der Außenseite in der Spannbacke 1 geführt und liegt ebenso wie der innenliegende Arbeitskolben 15 im gleichen Druckraum, wird also durch den von den Kolben 26 an der hinteren Stirnseite der Spannbacke 1 erzeugten Arbeitsdruck beaufschlagt. Das Verhältnis zwischen den durch die äußeren Zungen 18 und 19 und den durch die mittlere Zunge 17 aufgebrachten Kräfte wird durch das Verhältnis der Stirnseiten des inneren und des äußeren Arbeitskolbens 15 festgelegt und kann je nach Anwendungsfall hierdurch variiert werden. Im vorliegenden Fall hat der innere Kolben 14 eine um etwa ¹/₃ größere Stirnfläche als der äußere, ringförmige Arbeitskolben 15, woraus sich wegen der Verteilung der Kraft des inneren Arbeitskolbens auf zwei außen liegende Zungen ergibt, daß die innere Zunge 17 mit einer um etwa 50% höheren Kraft beaufschlagt wird als die beiden äußeren Zungen 18 und 19.

Fig. 4 zeigt ebenso wie Fig. 1 die Verschraubung der beiden äußeren Zungen 18 und 19 mittels Schrauben 100 an der Spannbacke 1, wobei diese Verschraubung auf der vom Werkstück abgewandten Seite der Keilwelle 5 liegt. Demgegenüber ist die mittlere Zunge 17 deutlich kürzer, so daß ihre Verschraubung 101 auf der dem Werkstück zugewandten Seite der Keilwelle 5 liegt. Demgegenüber befindet sich jedoch die Nut 82 im Grundkörper 2 zur Führung der Führungsnasen 81 des Backens 1 relativ nahe in Richtung auf das Werkstück, um den Hebelarm zwischen der Krafteinleitungsstelle vom Werkstück in die Spannbacke und der das Drehmoment aufnehmenden Nut 82 möglichst gering zu halten. In Fig. 4 ist ferner die Wippe 16 sowie die Auflageflächen des äußeren, ringförmigen Kolbens 15 auf der mittleren Zunge 17 zu erkennen. Ebenso zeigt Fig. 4 den Querschnitt des Steckers 21 in der mittleren Zunge 17, und zwar etwa in der Mitte der frei auskragenden Länge der Spannbacke 1, während demgegenüber der Mittelpunkt der Arbeitskolben 14 und 15 etwas zurückversetzt, aber noch außerhalb des Grundkörpers 2 liegt. Der Mittelpunkt ist dabei etwa doppelt so weit von der Nut 82 zur Radialführung der Backen entfernt wie von der Mitte des Steckers 21, die den Krafteinleitungspunkt vom Werkstück in die Spannplatte 20 darstellt.

In Fig. 1 ist ferner die Verjüngung 57 im Querschnitt der mittleren Zunge 17 dargestellt, welche eine erhöhte Elastizität der Zunge in diesem Bereich ergibt und damit die Funktion eines mechanisch ausgebildeten Biegegelenkes erfüllt.

Ebenso wie in den Fig. 2 und 5 die Balligkeit der Vorderseiten des inneren Arbeitskolbens 14 sowie der äußeren Zungen 18 und 19 zu erkennen ist, zeigt die Ansicht der Fig. 1, also quer zur Symmetrieachse 99, eine Krümmung der Vorderseite der mittleren Zunge 17. Hieran angepaßt ist eine konkav ballige Rückseite der Spannplatte 20 im Bereich des Kontaktes mit der Vorderseite der mittleren Zunge 17. Fig. 1 zeigt auch den Stecker 21, der aus der Rückseite der Spannplatte 20 hervorragt und in eine entsprechende Bohrung in der mittleren Zunge 17 gedrückt werden kann. Die Bohrung weitet sich nach außen kegelförmig auf und nach Überwindung einer Engstelle vergrößert sich auch der Querschnitt zum Inneren der mittleren Zunge 17.

Der Stecker 21 ist in Längsrichtung von seinem freien Ende her eingeschnitten, wobei das freie Ende annähernd kugelförmig ausgebildet ist. Beim Einschieben des freien Endes des Steckers 21 in die Öffnung 84 in der mittleren Zunge 17 wird durch das Zusammendrücken des geschlitzten Steckers die Engstelle in der Öffnung überwunden und durch das anschließende Aufspreizen aufgrund der Materialelastizität des Steckers 21 dieser samt Spannplatte 20 auch entgegen der Schwerkraft an der mittleren Zunge 17 gehalten. Dies ist ausreichend, da bei Beaufschlagung der Spannplatte 20 mit der Spannkraft diese gegen die konvex ballige Fläche der Zunge 17 gedrückt wird, die durch die Fliehkräfte noch erhöht wird. Durch die einfache Ausbildung der Steckverbindung zwischen der Spannplatte 20 und der mittleren Zunge 17 ist ein einfaches und auch automatisches Wechseln der Spannplatte möglich, welche in Anpassung an die zu spannenden Werkstückkonturen gewechselt werden kann.

In Fig. 1 und ebenso in Fig. 2 ist ferner ein Längsanschlag im Spannfutter gezeichnet, um eine definierte Axiallage eines automatisch einzusetzenden Werkstückes zu ermöglichen.

Ferner kann mit Hilfe des Längsanschlages 22 auch ein Referenzteil exakt zentrisch sehr einfach am Grundkörper 2 des Spannfutters befestigt werden, dessen Außenflächen zur Null-Lage-Bestimmung der einzelnen Spannbacken 1 dienen. Eine solche Null-Lage-Bestimmung ist von Zeit zu Zeit notwendig, wenn an den einzelnen Spannbacken 1 bzw. deren Führungen im Grundkörper 2 sowie den Zungen 17, 18, 19 oder den Spannplatten 20 Abnutzungen bzw. Verformungen aufgrund des Betriebes stattgefunden haben.

Der Längsanschlag 22 besteht aus einem hohlen, drehsymmetrischen Teil, welches sich mit einer Schulter 52 an der dem Werkstück zuweisenden Stirnseite 51 des Grundkörpers 2 in der Nähe der Symmetrieachse 99 abstützt. Ein Abheben von dieser Stirnfläche 51 wird dadurch verhindert, daß der Längsanschlag 22 in den Grundkörper 2 hineinragt, dessen hierfür vorgesehene zentrische Ausnehmung 50 eine ringförmig umlaufende Ausnehmung 45 besitzt, die sich in Richtung auf das Werkstück schräg nach innen verjüngt. In diese ringförmige Ausnehmung 45 des Grundkörpers 2 ragen entsprechend geformte schräg nach außen laufende Enden 91 hinein, die am hinteren Ende des Längsanschlages 22 ausgebildet sind und eine von der hinteren Stirnseite her offene, kegelstumpfförmige Ausnehmung besitzen, in welcher ein kegelstumpfförmiges Spreizteil 25 liegt. Nach dem Zurückschieben des Spreizteiles 25 federn die Enden 91 des Längsanschlages 22 so weit nach innen, daß der Längsanschlag ohne weiteres aus dem Grundkörper 2 entnommen bzw. in diesen eingesetzt werden kann. Durch eine zentrale, abgestufte Durchgangsöffnung des Längsanschlages 22 wird von der vorderen Stirnseite, also vom Werkstück her, eine Schraube 24 durch den Längsanschlag 22 geschoben und mit dem Spreizteil 25 verschraubt, entgegen der Kraft einer Spiralfeder 55, die den Kopf der Schraube 24 von dem Längsanschlag 22 abzudrücken versucht.

Durch Druck auf den Kopf der Schraube 24, also in der Darstellung der Fig. 1 nach links, hebt das mit der Schraube 24 verschraubte Spreizteil 25 von seinem Kegelsitz in der hinteren Stirnfläche des Längsanschlages ab, wodurch die aufgespreizten Enden 91 des Längsanschlages 22 nach innen, also in Richtung auf die Symmetrieachse 99 zurückfedern und somit der gesamte Längsanschlag von seiner Anlage am bzw. im Grundkörper 2 abgehoben werden kann. Ebenso einfach ist ein Einsetzen des Längsanschlages 22 möglich.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß eine in den Umfang des Längsanschlages 22 hineinragende Drehsicherung 54 in Form eines Bolzens etc. ein Drehen und damit ein unbeabsichtigtes Abschrauben des Spreizteiles 25 von der Schraube 24 verhindert.

In die vordere Stirnfläche des Längsanschlages 22 ist zusätzlich ein Abdeckteil 23 fest eingepaßt. Dadurch wird ein unbeabsichtigtes Entfernen der Schraube 24 vermieden und diese bleibt dennoch zugänglich, da das Einschraubteil 23 eine innere, durchgehende Öffnung besitzt, die etwas kleiner als der Schraubenkopf ist, um diesen zu sichern. Das Einschraubteil - dessen vordere, zum Werkstück weisende Stirnfläche natürlich nicht über die Stirnfläche des Längsanschlages 22 hervorragen darf - besitzt in der durchgehenden Öffnung ein Innengewinde. In dieses kann ein nicht dargestellter Gewindestift passender Länge - geführt von einer Handhabungseinheit oder einem Bediener - bis zur Anlage z. B. an einer Schulter eingeschraubt werden. Der Gewindestift drückt dabei die Schraube 24 soweit gegen die Kraft der Feder 55, daß das daran befestigte Spreizteil aus dem Bereich des Längsanschlages 22 gerät und dessen Enden 91 nach innen zurückfedern können. Der Längsanschlag 22 ist dann zu entnehmen. Ein Referenzteil mit gleichem Wirkmechenanismus kann ebenso eingebracht werden.

Als Null-Lage der Spannbacken 1 wird diejenige radiale Lage bezeichnet, bei der beim radialen Verfahren der Spannbacken 1 nach innen die Spannplatte 20 mit einer solchen Kraft am Referenzteil anliegt, daß hierdurch über die Zungen 17, 18, 19 und die Arbeitskolben 14 und 15 in dem dahinterliegenden Druckraum in der Spannbacke 1 ein bestimmter Druck erzeugt wird, der über die Dehnmeßstreifen 79 an den Kolben 26 gemessen wird. Bei Anlage an der Referenzfläche mit diesem vorher festgelegten Druck ist die Null-Lage der Spannbacke 1 erreicht, also nicht nur der Verstellvorgang, sondern auch der Bestimmvorgang der Backe bezüglich des Werkstückes durchgeführt, woran sich - bei Stillstand der Spannbacke 1 - die Spannbewegung anschließt, die lediglich in einer Radialbewegung der Zungen 17, 18, 19 zusammen mit der Spannplatte 20 besteht.

Somit besteht das beschriebene Spannfutter aus einzeln verstellbaren Spannbacken, die sich jeweils einschließlich ihres Antriebes bei der Bearbeitung des ebenfalls drehenden Werkstückes drehen und nach der Zustellbewegung und einer bestimmten Anlage am Werkstück durch Betätigung der Zugstange 34 gespannt werden, so daß unabhängig von den hierfür notwendigen radialen Spannwegen die gleichen Spannkräfte von allen Backen in das Werkstück eingebracht werden.

Claims (14)

1. Spannfutter mit einem Grundkörper und mehreren radial verstellbaren Spannelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (13) einzeln über einen relativ großen Spannbereich verstellbar sind, die Verstellung der Spannelemente (13) mittels jeweils eines separaten Motors geschieht und im Zentrum des Spannfutters ein axial fester, leicht lösbarer Längsanschlag für das Werkstück am Grundkörper angeordnet ist.

2. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Verstellmotoren für die Spannelemente um wegabhängige Elektromotoren handelt.

3. Spannfutter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Motoren zur Verstellung der Spannelemente um Schrittmotoren (62) handelt.

4. Spannfutter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittmotoren (62) über eine Steuerung gekoppelt sind, so daß die Spannelemente (13) korreliert zueinander verfahren werden können.

5. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannfutter vier Spannelemente (13) aufweist, die gleichmäßig auf der Stirnfläche des Spannfutters verteilt angeordnet sind.

6. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (13) jeweils eine Grundbacke (1) und eine Spannplatte (20) aufweisen, welche bezüglich der Grundbacke beim Spannen bewegt wird.

7. Spannfutter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung der Spannelemente die Grundbacke (1) mit der Spannplatte (20) entlang eines Gewindes mittels einer Antriebswelle radial verschraubt wird.

8. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftmeßeinrichtung zwischen der Grundbacke (1) und dem Grundkörper (2) des Spannfutters angeordnet ist, so daß bei der Zustellung des Spannelementes an das Werkstück eine definierte Vorspannung aufgebracht werden kann.

9. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Längsanschlag außerhalb der Radialebene, in Richtung auf das Werkstück zu, befindet, welche durch die Antriebswellen für die Spannelemente definiert wird.

10. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundbacken (1) im Grundkörper (2) in Längsführungen geführt sind, welche Drehmomente um eine senkrecht zur Symmetrieachse (99) des Spannfutters liegende Drehachse aufnehmen können und der axiale Abstand zwischen diesen Längsführungen und der Berührungsfläche zwischen der Spannplatte (20) und dem Werkstück geringer ist als zwischen dem Gewinde zur Verstellung der Spannbacke und der Berührungsfläche.

12. Spannfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsanschlag (22) aus einem hohlen, drehsymmetrischen Teil besteht, welches sich mit einer Schulter (52) an der dem Werkstück zuweisenden Seite (51) des Grundkörpers (2) abstützt, das drehsymmetrische Teil in eine entsprechende zentrische Ausdehnung (50) des Grundkörpers (2) hineinragt, welche eine ringförmig umlaufende Ausnehmung (45) aufweist, die sich in Richtung auf das Werkstück schräg zur Symmetrieachse (99) hin verjüngt und in der Gegenrichtung eine Abschlußfläche senkrecht zur Symmetrieachse (99) aufweist und daß in der Nähe des hinteren Endes des drehsymmetrischen Teils schräg nach außen laufende Enden (91) an diesem einstückig ausgebildet sind, die in die ringförmige Ausnehmung (45) des Grundkörpers (2) hineinragen und zur Symmetrieachse (99) hin federn können.

13. Spannfutter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das drehsymmetrische Teil des Längsanschlages (22) von der hinteren, dem Werkstück abgewandten, Stirnseite her axial so geschlitzt ist, daß ein Federn der Enden (91) bis zur Symmetrieachse (99) möglich ist.

14. Spannfutter nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Stirnseite des Längsanschlages (22) eine kegelstumpfförmige Ausnehmung besitzt, die sich zur Stirnseite hin erweitert, in welcher ein entsprechend geformtes kegelstumpfförmiges Spreizteil (5) angeordnet ist, welches über eine zentrale Gewindebohrung über eine von der vorderen Stirnseite her in den Längsanschlag eingeschobene Schraube (24) verschraubt ist, wobei sich zwischen dem Kopf der Schraube (24) und dem Längsanschlag (22) eine auf Druck belastbare Spiralfeder (55) befindet, deren Kraft ausreicht, um die Enden (91) fest bis zum Anschlag in die ringförmige Ausnehmung (45) des Grundkörpers (2) zu drücken.

15. Spannfutter nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß in die vordere Stirnfläche des Längsanschlages (22) ein Abdeckteil (23) fest eingepaßt ist, dessen vordere Stirnseite nicht über die vordere Stirnseite des Längsanschlages (22) hinausragt, und welches eine zentrale Durchgangsöffnung mit Innengewinde aufweist, jedoch den Kopf der Schraube (24) teilweise abdeckt, so daß ein in das Innengewinde eingeschraubter Gewindestift die Schraube (24) nach hinten schieben und dadurch das Zurückfedern der Enden (91) des Längsanschlages (22) ermöglichen kann.