DE4138974C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Es sind bereits Kupplungsvorrichtungen zwischen Werkstück- oder Werkzeug­ trägerteilen, z. B. dem Hohlschaft eines Werkzeuges, und Handhabungs­ einrichtungen, z. B. der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, bekannt (DE-PS 38 07 140), die sich dadurch kennzeichnen, daß sie mindestens drei klammerartige Spannklauen aufweisen, die im angekuppelten Zustand unter Einleitung einer hohen Spannkraft radial in eine nutartige Ausnehmung drückbar sind.

Nachteilig wirkt sich beim vorbekannten Stand der Technik allerdings aus, daß bereits während des Schwenkvorganges der Spannklauen eine hohe Spann­ kraft einerseits auf die nutartige Ausnehmung des Hohlschaftes und andererseits auf die Planfläche der hauptspindelseitig festgelegten Klauen übertragen wird. Da die kraftaufnehmenden Flächen der Spannklauen allerdings erst bei Beendigung des Schwenkvorganges großflächig an den entsprechenden Gegenflächen des Hohlschaftes und der Hauptspindel an­ liegen, ergeben sich während des Schwenkvorganges nur Punktberührungen, obwohl bereits hohe Kräfte übertragen werden. Die Folge sind kaum beherrschbare Flächenpressungen, die im Hinblick auf eine dauerhafte Funktion äußerst nachteilig sind.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten müßten entweder bessere Werkstoffe oder bekannte Verfahren zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften Anwen­ dung finden. Selbst wenn es entsprechend behandelte Werkstoffe gäbe, die dieser Beanspruchung dauerhaft standhielten, würde das einen nicht unerheblichen Aufwand bedeuten. Während die höheren Fertigungskosten für die Spannvorrichtung und die Hauptspindel nur einmal pro Maschine anfielen, verteuerte sich jedes einzelne Werkzeug wesentlich. So ist zu erklären, daß die die Hohlschaftwerkzeuge beschreibende Norm keine besonderen Vorschriften oder Hinweise enthält die aus spannkraft­ bedingten Anforderungen der Spannvorrichtung an das Werkzeug herrühren.

Ein weiterer Nachteil der vorbekannten Vorrichtung ist die, wenn auch geringe, Relativbewegung in der Kontaktstelle zwischen der Klaue und der nutartigen Ausnehmung im Hohlschaft. Da die Spannklauen wie schon erwähnt, während des Schwenkvorganges bereits hohe Kräfte übertragen, werden die bereits im Eingriff befindlichen Kontaktstellen hohen Reibungskräften und damit erhöhtem Verschleiß ausgesetzt. Die Maßtoleranzen werden mit zunehmendem Verschleiß überschritten, was im Endeffekt dazu führen kann, daß trotz konstanter Betätigungskraft der Spannstange die Spannkraft bis auf null abfällt, ohne daß dieser gefährliche Zustand frühzeitig erkannt werden kann.

Aus der DE 40 28 775 C1 ist eine Spannvorrichtung im wesentlichen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt, bei der zwar Punktberührungen und die sich daraus ergebenden hohen Flächenpressungen nicht auftreten, der Nachteil der Anordnung besteht allerdings darin, daß der eigentliche Spannvorgang bereits beginnt, bevor die beteiligten Konus­ flächen sich optimal decken, so daß auch bei dieser Vorrichtung verschleiß­ behaftete Relativbewegungen und daraus resultierend eine verkürzte Lebens­ dauer auftreten.

Ein weiterer Nachteil neben der bereits angesprochenen hohen Flächen­ pressung und der Verschleißempfindlichkeit ist die Empfindlichkeit der Kupplungsvorrichtungen gegenüber den Toleranzen des Hohlschaftes des Werkzeuges, die von den vorbekannten Vorrichtungen nur begrenzt aufgefangen werden können.

Als letzter Nachteil sei erwähnt, daß es beim Ein- und Ausbau dieser bekannten Vorrichtungen jeweils erforderlich ist, diese in ihre Bestand­ teile zu zerlegen und die Bestandteile jeweils nacheinander zu montieren bzw. zu demontieren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Spann­ vorrichtung für ein mit einem Hohlschaft versehenes Werkzeug, Werkstück oder Maschinenteil zu schaffen, die sowohl verschleißbehaftete Relativ­ bewegungen als auch Punktberührungen zwischen den an der Einspannung betei­ ligten Bauteilen unter Zulassung größerer Längentoleranzen des Hohlschaftes vermeidet und einfach ein- und ausbaubar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerk­ malen erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruches 1 angegebene technische Lehre vermittelt.

Als vorteilhaft ist hier zunächst hervorzuheben, daß die Spannklauen, bevor sie mit einer axialen Kraft beaufschlagt werden, in eine mit Axialspiel behaftete Eingriffslage gebracht und während des Spann­ vorganges darin gehalten werden, so daß nach Überwindung des Axial­ spieles und bei einsetzendem Kraftaufbau alle beteiligten Flächen vollflächig aufeinander aufliegen und keine Relativbewegungen zwischen Spannklauen, Werkzeug und Hauptspindel stattfinden. Das zu Beginn des Spannvorganges noch bestehende Spiel erlaubt es, größere Längentoleranzen des Hohlschaftes noch funktionssicher zu überbrücken. Besondere Maßnahmen betreffend Werkstoff, Warmbehandlung oder Oberflächengüte in bezug auf das Werkzeug, die Spannvorrichtung oder die Hauptspindel können gänzlich entfallen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 obere Hälfte: die Vorrichtung in Spannstellung
untere Hälfte: die Vorrichtung in Lösestellung

Fig. 2 die Vorrichtung vor Beginn des Spannkraftaufbaus

Fig. 3 die Vorrichtung in Montage- bzw. Demontagestellung

Fig. 4 eine Spannklauenversion mit in Durchgangsausnehmung angeordnetem Teilgetriebe

Fig. 5 eine Spannklauenversion mit in seitlichen Ausnehmungen ange­ ordneten Keilgetrieben.

Die Spannvorrichtung setzt sich in ihren Hauptbestandteilen aus einem Gehäuse 2, das hier dem einer Hauptspindel entspricht und einer Spann­ stange 3 zusammen, die aus der Betätigungsstange 23 und dem Spanndorn 4 besteht, weiterhin aus einer oder mehreren radial um den Spanndorn 4 ange­ ordneten Spannklauen 5, einem oder mehreren durch die Spannklauen 5 durch­ greifenden Keilgetrieben, die jeweils aus einem Keilstück 8 und einem Druckstück 9 bestehen, sowie aus einer durch eine Feder 22 belasteten Kegelhülse 10 und aus einem auf der Betätigungsstange 23 angeordneten, als Kraftspeicher 6 dienenden Tellerfederpaket.

Die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung wird in der Fig. 3 in einer Montage- bzw. Demontagestellung gezeigt. Um den Ein- und Ausbau der Vorrichtung zu erleichtern, ist im Spanndorn 4 eine Ausdrehung 17 vorhanden, in die alle Druckstücke 9 und alle Keilstücke 8 unter Wirkung der die Druckstücke umfassenden ring­ förmigen Zugfeder 18 radial nach innen ausweichen können, wenn der Spann­ dorn 4 von der Betätigungsstange 3 gelöst ist und sich in der entspre­ chenden axialen Position befindet. Weiterhin sind in jeder Spannklaue 5 Bohrungen 19 vorhanden, in die eine einfache Montagehilfe eingreifen kann. Diese nicht dargestellte Montagehilfe richtet die Spannklauen 5 achs­ parallel aus und gewährleistet zusammen mit dem Federelement 18 den Zusammenhalt aller Bauteile um den in der Mitte liegenden Spanndorn 4. Auf diese Weise ist der einfache Ein- und Ausbau der kompletten Vorrichtung möglich, ohne die Vorrichtung in ihre Bestandteile zu zerlegen und diese umständlich nacheinander montieren bzw. demontieren zu müssen. Unabhängig von Spanndorn, Spannklauen und Keilgetrieben wird die von einer Feder 22 kraftbeaufschlagte Kegelhülse 10 montiert, sie weist zu diesem Zweck ein Hilfsgewinde in der Bohrung auf.

In der Lösestellung der Vorrichtung sind, wie in der unteren Hälfte der Fig. 1 dargestellt, die Spannklauen 5 unter Wirkung der federbetätigten Kegelhülse 10 in Richtung der Mittelachse in einen kegelig ausgedrehten Abschnitt 24 des Spanndornes 4 eingeschwenkt und erlauben so das Aus­ wechseln des zu spannenden Teiles 1. Um in diese Stellung zu gelangen, muß die Betätigungsstange 23 und der mit ihr verbundene Spanndorn 4 von außen gegen die Schulter 11 in dem Gehäuse 2 der Hauptspindel bewegt werden. Der Spanndorn 4 bleibt in dieser Stellung, bis ein anderes Werkzeug in die Hauptspindel eingewechselt worden ist. Darauf bewegt sich unter der Wirkung des Kraftspeichers 6 der Spanndorn 4 in entgegengesetzter Richtung, wobei zunächst die Spannklauen 5, geführt durch den Kegelabschnitt 12 des Spanndorns 4 ausschwenken, bis sie auf dem Zylinderabschnitt 13 des Spann­ dorns 4 aufliegen.

In dieser Phase des Spannvorganges, die in der Fig. 2 dargestellt ist, weisen die Wirkflächen 14 der Spannklauen 5 ein deutlich zu erkennendes axiales Spiel gegenüber den Wirkflächen 15 des Hohlschaftes 1 auf. Erst wenn im weiteren Verlauf des Spannvorganges dieser Abstand überwunden ist und die Spannklauen 5 mit ihren Flächen 14 axial spielfrei an den Flächen 15 des Hohlschaftes 1 und mit ihren Flächen 25 radial spielfrei am Zylinderabschnitt 13 des Spanndornes 4 anliegen, beginnt der Kraftaufbau durch die Kraftverstärkung im Keilgetriebe. Dabei drückt der Kegel­ abschnitt 7 des Spanndorns 4 das Keilstück 8 in den Keilspalt zwischen Druckstück 9 und Spannklaue 5. Die axialen Reaktionskräfte des Keil­ stückes 8 stützen sich einerseits über das Druckstück 9 an einer haupt­ spindelseitigen Schulter 16 und andererseits über die Spannklaue 5 am Hohlschaft 1 des zu spannenden Teiles ab. Damit ist der Kraftfluß zwischen dem Hohlschaft 1 des zu spannenden Teiles und dem Gehäuse 2 der Arbeitsspindel über die Spannklauen 5 geschlossen und das zu spannende Teil mit hoher Spannkraft sicher gespannt. Diese Phase ist in der oberen Hälfte der Fig. 1 dargestellt.

Die Anzahl der verwendeten Spannklauen wird üblicherweise drei oder mehr betragen, jedoch sind auch Ausführungsbeispiele mit nur zwei Spannklauen denkbar.

Zur Erzeugung der axialen Spannkraft besteht zum einen die Möglichkeit, die Spannstange mit nicht in den Figuren dargestellten Wirkflächen auszurüsten, die unmittelbar mit den Spannklauen zusammenwirken, oder zum anderen ein oder mehrere Keilgetriebe zwischenzuschalten, um eine Kraftverstärkung zu erzielen. Ein solches kann, wie in der Fig. 4 darge­ stellt, in einer langlochförmigen Ausnehmung 20 einer Spannklaue 5 beweg­ lich angeordnet sein oder aber, wie in der Fig. 5 dargestellt, in seit­ lichen, beiderseits angeordneten Aussparungen 12 einer Spannklaue 5 ein­ greifen.

An der Erzeugung der axialen Spannkräfte sind also keine Flächen des zu spannenden Teiles und der Hauptspindel unmittelbar beteiligt. Das Werkzeug unterliegt daher keinem aus der Hafteinleitung resultierenden Verschleiß, da es von der Spannkraft nur axial belastet wird. Die Schwenkbewegung der Spannklauen beim Spannen ist vollständig abgeschlossen, bevor die Kraft­ verstärkung beginnt. Beim Entstehen der hohen Spannkraft infolge der Kraft­ verstärkung stehen, im Gegensatz zur Punktberührung der vorbekannten Ausführungen, ausreichend große Flächen zur Verfügung, die eine geringe Flächenpressung gewährleisten. Geringe Flächenpressung bedeutet geringe Verschleißempfindlichkeit und sichere dauerfeste Funktion. Außerdem erlaubt es das vor Beginn der Krafteinleitung vorhandene und Aus Fig. 2 zu ersehende axiale Spiel, größere Längentoleranzen des Hohlschaftes funktionssicher zu überbrücken. Werkstoff, Warmbehandlung und Oberflächen­ güte von Werkzeug und Hauptspindel haben keinen Einfluß auf die Kraft­ verstärkung und deren Wirkungsgrad und können somit rein auf die technolo­ gischen Bedürfnisse von zu spannendem Teil und Hauptspindel abgestimmt werden. Der Ein- und Ausbau der Vorrichtung ist einfach, da die Vorrichtung zu diesem Zweck nicht in ihre Bestandteile zerlegt werden muß.

Claims (10)

1. Spannvorrichtung für ein mit einem Hohlschaft versehenes Werkzeug, Werkstück oder Maschinenteil, bestehend aus einem Gehäuse mit einer in diesem axial beweglich geführten Spannstange und radial zu dieser angeordneten Spannelementen, wobei als Spannklauen gestaltete Spann­ elemente in den Hohlschaft eingreifen und dort auf Wirkflächen auf­ liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spann­ stange (3) mindestens eine Funktionsfläche (12) aufweist, mit der die in der Lösestellung eingeschwenkten Spannklauen (5) in eine zur Wirkfläche (15) des Hohlschaftes (1) axialspielbehaftete Eingriffs­ lage bringbar sind und daß die Spannstange (3) eine oder mehrere weitere Funktionsflächen aufweist, mit denen die von der Spann­ stange (3) in der Eingriffslage gehaltenen und nach Überwindung des Axialspiels großflächig und relativbewegungsfrei auf der Wirkfläche (15) des Hohlschaftes (1) aufliegenden Spannklauen (5) unmittelbar oder unter Zwischenschaltung kraftverstärkender Mittel in axialer Richtung spannbar sind.

2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der weiteren Funktionsflächen der Spannstange (3) kraft­ verstärkende Keilgetriebe (8, 9) angeordnet sind, die von einer Funktionsfläche (7) der Spannstange (3) mit Kraft beaufschlagbar sind und die sich am Gehäuse (2) und in axialer Spannrichtung an den Spannklauen (5) abstützen.

3. Spannvorrichtung nach einem oder beiden der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spannklauen (5) sich diametral gegenüberliegend um die Spannstange (3) angeordnet sind.

4. Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannstange (3) zweiteilig ausgeführt ist und sich aus einem, dem zu spannenden Teil zugewandten und die Funktionsflächen (7, 12, 13) aufweisenden Spanndorn (4) und einer Betätigungsstange (23) zusammensetzt.

5. Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spannklauen (5) in Eingriffslage bringende und darin haltende Teil der Spannstange an deren, dem zu spannenden Teil zugewandten Ende angeordnet ist und zunächst einen zylindrischen Abschnitt (13) aufweist, dem ein durchmesservermindernder Abschnitt (12) folgt, dem sich wiederum ein durchmesservergrößernder Abschnitt (24) anschließt.

6. Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsfläche (7) der Spannstange für das Keilgetriebe aus einem sich in Spannrichtung durchmesserver­ mindernden Kegelabschnitt (7) besteht, dem ein oder mehrere Keilstücke (8) des Keilgetriebes zugeordnet ist bzw. sind.

7. Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannklauen (5) radial durchgängige Ausnehmungen (20) oder seitliche Ausnehmungen (21) aufweisen, in die die kraftverstärkenden Mittel eingreifen.

8. Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannklauen (5) an ihren, dem zu spannenden Teil zugewandten Seiten auf der Innenseite einen zylindri­ schen Abschnitt (25) mit einem dem Zylinderabschnitt (13) der Spann­ stange entsprechenden Durchmesser aufweisen.

9. Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstücke (9) des Keilgetriebes durch eine ringförmige Zugfeder (18) auf dem Spanndorn zusammengehalten werden.

10. Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-9 dadurch gekennzeichnet, daß der Spanndorn (4) zur Montage und Demontage der Spannvorrichtung über eine die Druckstücke (9) und die Keilstücke (8) aufnehmende Ausdrehung (17) verfügt und die Spannklauen (5) axiale Bohrungen (19) aufweisen.