EP2001625A1 - Spannvorrichtung für rotierende werkzeuge oder werkstücke - Google Patents

Spannvorrichtung für rotierende werkzeuge oder werkstücke

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Publication number
EP2001625A1
EP2001625A1 EP07723576A EP07723576A EP2001625A1 EP 2001625 A1 EP2001625 A1 EP 2001625A1 EP 07723576 A EP07723576 A EP 07723576A EP 07723576 A EP07723576 A EP 07723576A EP 2001625 A1 EP2001625 A1 EP 2001625A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
receptacle
pressure
clamping device
pressure chambers
clamping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07723576A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rüdiger HABERLAND
Kai Schmidt
Guido SCHÜLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitat Kaiserlautern
Technische Universitat Kaiserslautern
Original Assignee
Technische Universitat Kaiserlautern
Technische Universitat Kaiserslautern
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitat Kaiserlautern, Technische Universitat Kaiserslautern filed Critical Technische Universitat Kaiserlautern
Publication of EP2001625A1 publication Critical patent/EP2001625A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B31/00—Chucks; Expansion mandrels; Adaptations thereof for remote control
    • B23B31/02—Chucks
    • B23B31/24—Chucks characterised by features relating primarily to remote control of the gripping means
    • B23B31/30—Chucks characterised by features relating primarily to remote control of the gripping means using fluid-pressure means in the chuck
    • B23B31/305—Chucks characterised by features relating primarily to remote control of the gripping means using fluid-pressure means in the chuck the gripping means is a deformable sleeve
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B31/00—Chucks; Expansion mandrels; Adaptations thereof for remote control
    • B23B31/40—Expansion mandrels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2240/00—Details of connections of tools or workpieces
    • B23B2240/08—Brazed connections
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2240/00—Details of connections of tools or workpieces
    • B23B2240/16—Welded connections
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2240/00—Details of connections of tools or workpieces
    • B23B2240/21—Glued connections

Definitions

  • the invention relates to a clamping device for a rotatable about a rotation axis tool or workpiece according to the preamble of claim 1.
  • Generic clamping devices are used to attach tools or workpieces to tool spindles. They are thus part of machine tools with which, for example, a machining of the workpiece by turning, milling, drilling or grinding is achieved. In this case, either the tool can perform a rotary movement with a stationary workpiece or vice versa. Due to the development towards ever higher speeds of the tool spindles and thus of the machining tools are such machine tools in addition to the normal machining especially for micro and ultra precision cutting, as at high speeds despite small tool heads high cutting speed and machine performance is given. In combination with high-resolution displacement measuring systems, molds for micro-injection molding, hot stamping or electroplating methods, as well as masks for screen printing, but also more complex structures such as, for example, can be used. B. microturbines or Mikrofluidkanäle with a dimensional accuracy of 10 ⁇ 5 m achieve. A trend towards producing ever finer microstructures is unmistakable.
  • the clamping accuracy with which a tool or workpiece is mounted in the receptacle of the spindle is of decisive importance for its concentricity.
  • the receptacle must ensure that the machining tool or workpiece is clamped centrally and coaxially to the axis of rotation.
  • Known recordings have this collets, jaw chuck, hydraulic or thermal feed.
  • misalignments cause an imbalance, which has a negative effect on the precision of the workpiece machining and increases the tool wear, especially in connection with high speeds.
  • this process is repeated after each tool change with the appropriate amount of work.
  • clamping errors can be the cause of asymmetric stress on the cutting edges, which in turn leads to excessive wear and resulting reduced tool life and frequent tool changes.
  • the Dehnspannwerkmaschine comprises a rotatably connected to the spindle body, which has a cylindrical opening in the axis of rotation of the spindle.
  • a Dehnbüchse is used, the geometry of which with respect to the opening is such that the beginning and end of the expansion close circumferentially sealed to the inner wall of the axial opening.
  • the intermediate region has a smaller wall thickness, thereby creating an annular space surrounding the sleeve.
  • the annular space is acted upon by a pressure medium, which leads to a deformation of the expansion sleeve radially inwardly as a result and thus causes a large-scale clamping of the tool shank in the main body on all sides.
  • a similar Dehnspannwerkmaschine represents the chuck disclosed in DE 296 14 727 U1.
  • the chuck consists essentially of a hollow-cylindrical clamping part with an axial receiving bore for the shaft of the machining tool.
  • the clamping part has in the region of the receiving bore to a surrounding annular chamber, which is the front side each sealed.
  • the annular chamber is filled with a pressure medium and also with a pressure medium filled channel connected to a pressure-generating actuator.
  • a pressure can be initiated in the annular chamber, which leads to a radial curvature of the inner circumference of the receiving bore to the axis of rotation.
  • the outer circumference of the clamping part bulges radially outwards, so that in this way another machining tool can be fastened to the chuck body.
  • Both clamping devices are characterized by a receiving bore on all sides and a large area surrounding annular space, the receiving bore facing partition for fixing the tool shaft is deformed by pressurizing radially to the tool shank out.
  • the concomitant statically indeterminate load condition in the receiving bore requires high pressures to generate a sufficient clamping force.
  • the production of an annular space is relatively expensive, since this consists of at least two components which are connected to one another via joining processes.
  • the thin wall of the annular space for recording due to its production always has irregularities that are a hindrance to a centric tension.
  • DE 199 26 152 A1 From DE 199 26 152 A1 also a chuck for a tool spindle is known, which, however, fundamentally different from the above-described devices.
  • the chuck disclosed in DE 199 26 152 A1 is attached to the tool-side end face of a tool holder, which in turn is connected to the spindle of a machine tool via a steep taper.
  • the chuck has a central bore for receiving the tool shank.
  • the receiving bore is surrounded by a plurality of axially parallel around the receiving bore arranged around radial slots.
  • the radial slots are characterized by a radial main extension direction, whereby circumferentially acting expansion surfaces are formed.
  • the present invention seeks to provide a clamping device with respect to known devices higher clamping accuracy.
  • the essence of the invention is the clamping of the shank of a machining tool or workpiece for its attachment to a tool spindle not over its entire circumference, but only partially reach.
  • the receptacle needs to be deformed during clamping of the tool only over a partial area, the required clamping force is achieved even at relatively low pressure in the pressure chambers.
  • Another advantage results from the inventive design of the pressure chambers.
  • the arrangement according to the invention of a plurality of axially parallel pressure chambers along the receptacle or pressure chambers extending radially or tangentially to the receptacle leads to no appreciable constructive weakening of the cross section of the tensioning device.
  • a clamping device according to the invention thus has a higher rigidity over known devices and thereby enables a better concentricity.
  • the resulting from the design of the invention stability reserves can also be used for a further reduction in the dimensions of the clamping device with the advantage of obtaining extremely compact machine tools with which also previously held inaccessible places on workpieces can be edited. This is of particular importance with regard to the production of high-precision microstructures.
  • the basic body of the clamping device possessing the coaxial receptacle is monolithic.
  • the body of the part of the clamping device on the one hand has force-transmitting coupling surfaces for rotational drive and on the other coupling surfaces for clamping the tool or workpiece. This does not exclude that such a body can be supplemented to form the pressure chambers to other parts.
  • Such a base body can be produced in one clamping so that inaccuracies of the coupling surfaces due to multiple clamping of the main body or subsequent insertion of tool holding parts into the basic body, which form the tool holder, are avoided.
  • FIGS. 2 and 3 are perspective sectional views through a tensioning device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal view of a tensioning device according to the invention
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through the device shown in FIG. 4 along the line V-V
  • FIG. 6 shows a cross section through the device shown in FIG. 4 along the line VI-VI, FIG.
  • FIG. 7 shows a cross section through the device shown in FIG. 4 along the line VII-VII on a larger scale
  • Figures 8 a to h are cross-sections of further embodiments of
  • 9 and 10 are longitudinal sections through further embodiments of the invention with different longitudinal geometry of the pressure chambers
  • FIG. 11 shows a cross section through a clamping device according to the invention with alternative pressure generation in the pressure chambers
  • FIGS. 12 a and b show a longitudinal and cross section through a tensioning device according to the invention with an alternative pressure chamber system
  • FIGS. 13 a and b show a longitudinal and cross section of a further embodiment a tensioning device according to the invention as a mandrel
  • FIGS. 14 and 15 show a cross section and a longitudinal section through a further embodiment of the invention with a two-part main body
  • FIG. 16 shows a cross section of an embodiment of the invention with a pressure chamber and a receptacle with two reference surfaces
  • FIG. 17 shows a cross-section of an embodiment of the invention with two pressure chambers and a receptacle with a reference surface
  • Figures 18 and 19 a cross section and longitudinal section through further
  • FIGS. 20 and 21 show a cross-section and a longitudinal section through a variant of the device shown in FIGS. 18 and 19 with independent pressurization of the individual pressure chambers;
  • Figure 22 is a cross-section through another embodiment of the invention with tangentially arranged for receiving pressure chambers and
  • Figure 23 is an oblique view of another embodiment of the invention with independent pressurization of the individual pressure chambers.
  • FIG. 1 shows an overview of the invention.
  • a work spindle 1 which rotates in operation about the axis of rotation 2 and on which a clamping device 3 with its perpendicular to the axis of rotation 2 extending clamping surface is rotatably mounted.
  • a machining tool 4 in the form of a milling cutter can be seen in the axis of rotation 2.
  • the tensioning device 3 has, as an essential component, a monolithic basic body 5 with a stepped cylinder Shape whose outer diameter gradually decreases from the tool-distal end to the tool-near end. This results in a first longitudinal section 6 with a large diameter, the free axial end of which forms the clamping surface to the work spindle 1 and to which a middle longitudinal section 7 of smaller diameter and a further longitudinal section 8 with a small diameter adjoins.
  • the longitudinal section 6 has circumferentially close to three circumferentially uniformly distributed axially parallel holes 9, which serve to accommodate fixing screws not shown for rotationally fixed fixing of the base body 5 on the work spindle 1.
  • a receptacle 10 in the form of a blind hole, which extends into the section 6.
  • the machining tool 4 can be used with its shaft 11 with match play.
  • the wall of the receptacle 10 thus represents the machining tool 4 aligning and at the same time force-transmitting surface to the shaft 11 of the machining tool 4.
  • Such a base body 5 can be produced in only one clamping, so that the clamping surface of the main body 5 to the work spindle 1 and the receptacle 10th are aligned exactly perpendicular to each other.
  • the receptacle 10 is surrounded at a narrow radial distance by three axially parallel, tubular pressure chambers 12, which are arranged with a uniform circumferential spacing on a common circumferential circle.
  • the pressure chambers 12 are formed by blind holes, which extend from the tool-distal end to approximately the tool-near end of the main body 5.
  • each pressure chamber 12 is formed by a threaded portion 13 whose diameter is slightly larger than the cross section of the rest of the pressure chamber 12.
  • the threaded portion 13 is intended to receive a sealing washer 14 which allows a pressure-tight closing of the pressure chamber 12 by means of a sealing screw 15 ,
  • the pressure chambers 12 and receptacle 10 overlap over approximately the entire length of the receptacle 10, wherein the overlapping region defines the clamping region 16 for the tool 4 (see FIG. 5).
  • the main body 5 forms due to the inventive arrangement of the pressure chambers 12 for receiving 10 narrow, thin-walled dividers with less Strength, which act as deformation zones 17 when pressurized (see Figure 7). Due to the circular shape of the pressure chambers 12 and 10 receiving the deformation zones 17 have a double-concave cross-section and extend strip-shaped over the entire clamping portion 16 axially parallel to the rotation axis 2. Other cross sections of the deformation zones 17 result from varying the cross sections of the pressure chambers 12 which later under Figure 8 is detailed.
  • a radially extending branch channel 18 is also formed, which extends from the outer periphery of the body 5 at a sufficient axial distance to the receptacle 10 on the axis of rotation 2 away to the pressure chamber 12 and cuts them.
  • the branch channel 18 in the form of a stepped bore has the largest diameter on the input side and is formed there by a threaded portion 19, to which a sealing portion 20 connects radially inward (see FIG. 3).
  • the stepped bore serves to receive a sealing and pressure generating device 21, which is composed in detail of a sealing piece 22, a pressure piece 23 and a pressure pin 24.
  • the seal piece 22 is arranged as intended in the sealing portion 20 and seals with its annular flange relative to the threaded portion 19 from.
  • the pressure piece 23 in the threaded portion 19 can be screwed until it presses the annular flange of the seal piece 22 against a corresponding annular surface on the base body 5.
  • the pressure pin 24 can be screwed, whose radially inner end is piston-shaped and can be moved in the seal piece 22 by a screw axially in the branch channel 18.
  • the tool 4 is inserted with its shaft 11 in pressureless pressure chambers 12 axially into the receptacle 10 to the bottom. Subsequently, by screwing in the pressure pin 24, a piston movement in the sealing piece 22 in the direction of the axis of rotation 2 is performed, which leads to a uniform pressure generation in the pressure chambers 12 due to the concomitant reduction in volume in the branch channel 18. Due to the small thickness of the material in the region of the deformation zones 17, the pressure causes an elastic deformation of the deformation zones 17 in the radial direction towards the axis of rotation 2 with otherwise unchanged cross section of the main body 5.
  • the thereby adjusting statically determined clamping state allows a self-centering with high precision clamping of the tool shank 11 in the base body 5 and thus leads to an extremely high concentricity.
  • FIGS. 8 a to 8 h show different cross-sectional and arrangement variants of the pressure chambers 12, wherein different variants in number and arrangement of the pressure chambers 12 can of course be combined.
  • FIG. 8a differs from that described above only by an increase in the number of pressure chambers 12.
  • Four pressure chambers 12 are shown which surround the receptacle 10 in a symmetrical arrangement and thus form four deformation zones 17. This results in a simply statically indefinite clamping state, which allows a very high clamping accuracy at a slightly higher clamping force.
  • the embodiment according to FIG. 8b shows pressure chambers 12 with a cross-sectional shape deviating from the circular shape.
  • the pressure chambers 12 have an oval cross section, wherein the main axis of the longitudinal extension direction is tangential to the receptacle 10. This results in relatively large tangentially extending pressure surfaces 25, which lead even at low pressure to deformation of the deformation zones 17 with high, radially acting clamping force.
  • the number of pressure chambers 12 is five in the embodiment shown in Figure 8 b, with a smaller or higher number is conceivable.
  • FIG. 8 c A modification of the embodiment shown in Figure 8 b can be seen in Figure 8 c.
  • the pressure chambers 12 shown there have a curved oval cross-section, wherein the curvature of the main axis of the oval counter to the curvature of the receptacle 10 extends. In this way, an approximately line-shaped deformation zone 17 is generated at relatively low pressure.
  • the embodiment of the invention shown in FIG. 8 d shows an alternative oval cross-sectional shape in which the main axis of the oval has the same curvature sense as the receptacle 10.
  • a clamping of the tool shaft 1 1 takes place over a larger peripheral area, whereby a strip-shaped deformation zone 17 with a larger contact area and consequently higher clamping forces sets.
  • the embodiment shown in Figure 8 e of the invention has pressure chambers 12 with triangular cross-section, wherein the base of the pressure chamber 12 of the receptacle 10 faces. In this way, here too large tangential pressure surfaces 25, which cause a high clamping force at an already low pressure build-up in the pressure chambers 12.
  • the embodiment of the invention according to Figure 8 f has pressure chambers 12 with a semicircular cross section, which leads to a lower chamber volume compared to the pressure chambers 12 of the embodiment described in Figures 1 to 6.
  • the pressure chambers 12, shown in FIG. 8 g, of yet another embodiment of the invention have a rectangular cross-section, the longitudinal direction of which extends tangentially to the receptacle 10. Again, large tangential aligned pressure surfaces 25 arise with the advantages already described.
  • FIG. 8 h A further embodiment of the invention is described in FIG. 8 h, whose pressure chambers 12 are slit-shaped and follow the accommodation of the receptacle 10 at least in their middle region.
  • Each pressure chamber 12 is associated with a supply bore 26 which is offset radially outwards relative to the pressure chamber 12 and is connected via a supply web 27 to the pressure chamber 12.
  • Such complex cross sections are advantageously produced by erosion.
  • the scope of the invention also includes embodiments with pressure chambers 12 whose cross-section is variable in the longitudinal direction.
  • a preferred embodiment of the invention in this sense has pressure chambers 12 which have a larger cross-section both at the beginning and at the end of the clamping region 16 than in the region between them. This results in an initial area 28 and end portion 29 smaller thickness of the deformation zone 17, so that there elastic deformation occurs easier and faster than in the remaining area. As a result, this leads to increased clamping forces at the beginning 28 and end 29 of the clamping area 16 and thus to a statically determined clamping state, not only in cross-section, but also in the longitudinal direction of the receptacle 10. In this way, extremely high clamping accuracies are possible with a correspondingly precise concentricity.
  • FIG. 10 also shows that the pressure chambers 12 can also extend over the entire main body 5. This is the case, for example, in the case of cross-sectional shapes of the pressure chambers 12, which are produced by erosion and subsequently sealed pressure-tight on both sides.
  • FIG. 11 shows an embodiment of the invention with an alternative system for generating pressure. While in the embodiment according to FIGS. 1 to 7 the functions pressure generation and pressure supply in the branch channel 18 are realized combined, the embodiment according to FIG. 11 provides for a separation of these functions.
  • a radial branch channel 30 is introduced in section 6 of the main body 5, which intersects two pressure chambers 12 tangentially, the third pressure chamber 12 passes through and ends in the region of the base body 5 near the periphery.
  • a threaded hole in the initial region is a closing of the branch channel 30, for example analogous to the closure of the receptacle 10 by means of sealing washer 14 and sealing screw 15 is possible.
  • the puncture channel 30 is used for uniform supply of all pressure chambers 12 with a pressure medium.
  • a tangential branch channel 31 extends from the edge of the main body 5 to the end of the branch channel 30 with which it intersects. This results in a communicating system between stitch channel 30, stitch channel 31 and pressure chambers 12.
  • the beginning of the branch channel 31 is intended to receive a sealing and pressure generating device 21, as already described in Figures 1 to 6, so that what is said there.
  • This embodiment of the invention allows a larger displacement for the piston of the sealing and pressure generating device 21, which therefore finds advantageous use in clamping with greater elastic deformation.
  • Figures 12 a and b relate to an embodiment of the invention, in which the pressure chambers 12 are connected to each other via a rotationally symmetrical to the axis 2 cavity 32.
  • the cavity 32 is formed from the end face 33 of the base body 5 with an axial depth which leads to the intersection with the inner end of the pressure chambers 12. In the region facing the end face 33, the cavity 32 is turned out to receive a cover 34 with a larger diameter, which is tensioned by means of screws engaging in the threaded bores 35 against the annular surface 36 formed by the gradation and thus forms a pressure-tight closure.
  • a radial branch channel 37 leads from the outer periphery of the section 6 of the main body 5 to the cavity 32.
  • the sealing and pressure generating device already described in FIGS. 1 to 7 closes off the stitch channel 37 to the outside.
  • FIGS 13 a and b make it clear that an implementation of the invention is also possible on a mandrel on which a machining tool or workpiece with a hollow cylindrical shaft 38 is inserted.
  • a corresponding embodiment of the invention has a main body 5, the tool-near longitudinal portion 8 forms with its peripheral surface 39, the receptacle for the inner wall 40 of the tool shank 38.
  • pressure chambers 12 are formed with uniform circumferential distance and lying on a circumferential circle axially parallel to the axis of rotation 2 such that the pressure chambers 12 extend in the tool-related longitudinal section 8 with only a small distance to the peripheral surface 39.
  • the main body 5 in the area between the pressure chambers 12 and the circumferential surface 39 again forms narrow, thin-walled deformation zones 41 which elastically deform radially outward when the pressure chambers 12 are pressurized, thereby tensioning the tool shank 38.
  • FIGS. 14 and 15 show an embodiment of the invention which is advantageous with regard to the manufacturing accuracy of the pressure chambers 12.
  • This has a main body 5 'with a longitudinal section 6' with a large diameter to form a clamping surface for coupling to the tool spindle 1.
  • the longitudinal section 6 ' integrally joins a coaxial thin-walled receiving cylinder 45 with integrated receptacle 10 for the tool shank 11.
  • the cylindrical outer circumferential surface of the receiving cylinder 45 is up to the start and end of three with uniform angular distance of 120 ° arranged peripheral sections ground flat. This results in the outer jacket of the receiving cylinder 45 extending in the longitudinal direction, strip-shaped planar surfaces 47. In the region of the flat surfaces 47 thus resulting Materialausschreibn 11, for receiving 10, which are deformed when pressurized radially to the axis of rotation 2.
  • a cylindrical fitting sleeve 46 is pushed onto the receiving cylinder 45 and glued to this pressure-tight, welded or soldered.
  • the flat surfaces 47 of the receiving cylinder 45 and the inner circumference of the fitting sleeve 46 thus form the pressure chambers 12 in the interface between these components.
  • one or more axial channels 48 are provided, each of which is provided with a pressure generating device 49.
  • a pressure generating device 49 it is also possible to provide only one pressure generating device 49 and to connect all the pressure chambers 12 to one another with a common pressure chamber system.
  • the axial channels 48 can thereby completely penetrate the longitudinal section 6 ', the resulting openings being closed on the front side of the longitudinal section 6' in the region of the receiving cylinder 45 in the course of pushing on the fitting sleeve 46 as a result of its wall thickness.
  • this embodiment of the invention is in addition to the already mentioned high manufacturing accuracy in the extremely compact by this manufacturing size.
  • spindle systems are possible thanks to the invention, which are also suitable for processing difficult to access areas of a workpiece.
  • this embodiment of the invention is characterized by a geometry of the pressure chambers 12, which reduces voltage spikes in the material as a result of the continuous transitions in the flat surfaces 47 and thus increases the overall durability of the clamping device.
  • FIG. 1 Another embodiment of the invention is shown in FIG.
  • the basic body 5 shown there largely corresponds to that already described above, differences being mainly due to the receptacle 10 'arranged in the section 7, whose cross section deviates from the circular shape.
  • the cross section of the receptacle 10 ' is composed essentially of a semicircular peripheral portion 50 and the two reference surfaces 51 and 52, which preferably intersect at an angle of 45 °. This results in a symmetrical plane 53 mirror image of the receptacle 10 '.
  • a pressure chamber 12 which forms the deformation zone 17 with the semicircular peripheral portion 50 of the receptacle 10'.
  • the pressurization of the pressure chamber 12 can be carried out according to the possibilities already described in other embodiments.
  • FIG. 17 A modified embodiment of the invention is disclosed in FIG. 17.
  • the receptacle 10 "shown there again has a cross section deviating from the circular shape with a U-shaped peripheral portion 54 whose leg ends are connected by the reference surface 55. This in turn results in a tangential arrangement of the reference surface 55 and a symmetrical plane 56 mirror image embodiment of the recording 10 ".
  • pressure chambers 60 which, starting from the peripheral surface of the portion 7 of the main body 5 in radial Extend direction towards the receptacle 10 and end at a short distance in front of the receptacle 10. This results in between the bottom of each pressure chamber 60 and the circumference of the receptacle 10 each have a deformation zone 17 with approximately punctiform or oval extent.
  • the pressure chambers 60 shown in FIGS. 18 and 19 each have a pressure-resistant closure 61 in the peripheral region of the main body 5, as already described in connection with previous embodiments.
  • the arrangement of the pressure chambers 60 preferably takes place in two with respect to the axis of rotation 2 at an axial distance from each other and perpendicular to the axis of rotation 2 extending clamping planes 62 and 63, of which the clamping plane 63 coincides with the sectional plane XIIX and thus corresponds to the representation in FIG. It can be seen that the three pressure chambers 60 are arranged at a uniform angular distance of 120 ° to each other.
  • the course of the clamping planes 62 and 63 within the main body 5 is selected such that the deformation zones 17 result in the beginning and end regions of the receptacle 10. Additional clamping planes, for example in the middle region of the receptacle 10, are within the scope of the invention and can serve to increase the clamping force.
  • an axial branch channel 64 is used, which intersects or penetrates the pressure chambers 60 succeeding one another in both clamping planes 62 and 63.
  • the branch channel 64 is provided with a pressure generating device 65, which has already been described in FIGS. 2 and 3 in the first exemplary embodiment.
  • all pressure chambers 60 form a corresponding pressure chamber system analogous to that shown in FIGS. 12a and b Embodiment.
  • the puncture channels 61 can open into a coaxial cavity, to which a radial pressure branch for generating specific radial pressure is connected.
  • FIGS. 20 and 21 A further modification of the invention is shown in FIGS. 20 and 21. This differs from that described in FIGS. 18 and 19 only in that the individual radial pressure chambers 60 are not interconnected, that is to say they do not form a communicating chamber system. Instead, each radial pressure chamber 60 has its own pressure generating device 65 in the region near the periphery for independent pressure generation in the individual pressure chambers 60, both in the clamping plane 62 and 63 analogous to the embodiment described in Figure 23.
  • FIG. 22 Another variant of the invention is shown in FIG. 22.
  • the difference to the above-described embodiment is that the pressure chambers 60 'are not radially aligned with the receptacle 10, but lead to formation of deformation zones 17 at a small distance to the receptacle 10 over.
  • this embodiment corresponds to those mentioned in FIGS. 18, 19 and 20, 21, in particular with regard to the number of pressure chambers, their arrangement in clamping planes and the different possibilities for generating pressure in the pressure chambers 60 '.
  • the advantage of this embodiment of the invention is inter alia that the deformation zones 17 are reduced in their extent substantially to a point, which can achieve very high Einspanngenaumaschineen.
  • the invention comprises variations of the pressure chambers 60 in number, it being possible analogous to the embodiments of Figs. 16 and 17, a radial or tangential pressure chamber 60, 60 'in conjunction with two reference surfaces or two Pressure chambers 60, 60 'in conjunction with a reference surface or more than three pressure chambers 60, 60' provide.
  • FIG. 23 shows this system in conjunction with axially directed pressure chambers 12.
  • the implementation of this idea in conjunction with radial pressure chambers 60 has already been described in FIGS. 20 and 21. Transfer to embodiments with tangential pressure chambers 60 'is also possible.
  • each stitch channel 65 has the pressure generating device described in FIGS. 2 and 3, consisting of sealing piece 22, pressure piece 23 and pressure pin 24.
  • the invention is not limited to the combinations of features disclosed within individual embodiments, but that in the context of the invention, combinations of individual features or feature groups of different embodiments lie among each other.
  • the mandrel shown in Figures 13a and b can of course also be combined with a pressure distribution system as described in Figures 12a and b, or the pressure chambers 12, 60, 60 'may have cross-sections as disclosed in Figures 8a-h vary in number. It is also possible to transfer the manner of pressure generation and pressure distribution in the pressure chambers 12, 60, 60 'from one embodiment to another without the scope of To leave invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für ein um eine Rotationsachse (2) drehbares Werkzeug (4, 38) oder Werkstück, mit einem koaxial zur Rotationsachse (2) angeordneten Grundkörper (5, 5'), der am Werkzeug- oder werkstückseitigen Ende eine zur Rotationsachse (2) koaxiale Aufnahme (10, 10', 10", 39) besitzt und der zum Spannen des Werkzeugs (4, 38) oder Werkstücks ein Druckkammersystem aufweist, das durch Druckbeaufschlagung mit einem Druckmedium eine Verformung der Aufnahme (10, 10', 10", 39) bewirkt. Zur Erzielung höherer Rundlaufgenauigkeiten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Druckkammersystem mindestens eine Druckkammer (12; 60; 60') umfasst, die lediglich in Teilbereichen in einem derart geringen Abstand zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) angeordnet ist, dass bei Druckbeaufschlagung der mindestens einen Druckkammer (12; 60; 60') der Bereich zwischen der mindestens einen Druckkammer (12; 60; 60') und der Aufnahme (10; 39) eine Deformationszone (17; 41 ) ausbildet, die sich radial in Richtung zur Aufnahme (10; 39) hin verformt.

Description

Spannvorrichtung für rotierende Werkzeuge oder Werkstücke
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für ein um eine Rotationsachse drehbares Werkzeug oder Werkstück gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gattungsgemäße Spannvorrichtungen dienen der Befestigung von Werkzeugen oder Werkstücken an Werkzeugspindeln. Sie sind somit Teil von Werkzeugmaschinen, mit denen beispielsweise eine spanende Bearbeitung des Werkstücks durch Drehen, Fräsen, Bohren oder Schleifen erreicht wird. Dabei kann entweder das Werkzeug bei feststehendem Werkstück eine Rotationsbewegung ausführen oder umgekehrt. Durch die Entwicklung hin zu immer höheren Drehzahlen der Werkzeugspindeln und damit der Bearbeitungswerkzeuge eignen sich derartige Werkzeugmaschinen neben der normalen Zerspanung insbesondere für die Mikro- und Ultrapräzisionszerspanung, da bei hohen Drehzahlen trotz kleiner Werkzeugköpfe eine hohe Schnittgeschwindigkeit und Maschinenleistung gegeben ist. In Kombination mit hochauflösenden Wegmesssystemen lassen sich so beispielsweise Formen für den Mikrospritzguss, das Heißprägen oder galvanische Vervielfältigungsmethoden sowie Masken für Siebdruck, aber auch komplexere Strukturen wie z. B. Mikroturbinen oder Mikrofluidkanäle mit einer Maßgenauigkeit von 10~5 m erzielen. Ein Trend hin zur Herstellung immer feinerer Mikrostrukturen ist unverkennbar.
Bei der Erfüllung derart hoher Anforderungen an die Präzision spielt der Rundlauf des Bearbeitungswerkzeugs beziehungsweise des Werkstücks eine entscheidende Rolle. Neben der Steifheit, thermischen Stabilität und Rundlaufgenauigkeit der Spindel sowie der Werkzeuggenauigkeit ist die Einspanngenauigkeit mit der ein Werkzeug oder Werkstück in der Aufnahme der Spindel befestigt ist von ausschlaggebender Bedeutung für dessen Rundlauf. Die Aufnahme muss gewährleisten, dass das Bearbeitungswerkzeug oder Werkstück zentrisch und koaxial zur Rotationsachse eingespannt ist. Bekannte Aufnahmen besitzen hierzu Spannzangen, Backenfutter, hydraulische oder thermische Futter.
Ungenauigkeiten bei der Einspannung des Bearbeitungswerkzeuges oder Werkstücks führen zu Abweichungen der Spanungskenngrößen wie Freiwinkel, Spanwinkel und effektivem Werkzeugdurchmesser vom Soll. Die Folge sind eine Beeinträchtigung des Arbeitsergebnisses und der Maschinenleistung sowie ein erhöhter Werkzeugverschleiß. Die Abweichung des effektiven Werkzeugdurchmessers vom tatsächlichen Werkzeugdurchmesser lässt sich zwar nach dem Einspannen durch Vermessen und Korrigieren eliminieren. Dies erfordert jedoch zusätzlich ein Messsystem und ist entsprechend zeit- und kostenaufwändig, so dass die Wirtschaftlichkeit leidet.
Darüber hinaus rufen Fehleinspannungen eine Unwucht hervor, die sich insbesondere in Verbindung mit hohen Drehzahlen negativ auf die Präzision der Werkstückbearbeitung auswirkt und den Werkzeugverschleiß erhöht. Zwar kann durch Wuchtung des Spannsystems bei eingespanntem Werkzeug oder Werkstück Abhilfe geschaffen werden, dieser Vorgang ist jedoch nach jedem Werkzeugwechsel zu wiederholen mit dem entsprechenden Arbeitsaufwand. Bei mehrschneidigen Werkzeugen können Spannfehler Ursache für eine asymmetrische Beanspruchung der Schneiden sein, auch hier mit der Folge übermäßigen Verschleißes und dadurch bedingte geringe Werkzeugstandzeiten und häufige Werkzeugwechsel.
Stand der Technik
Aus der DE 200 23 140 U1 ist ein Dehnspannwerkzeug einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine bekannt. Das Dehnspannwerkzeug umfasst einen mit der Spindel drehfest verbundenen Grundkörper, der in der Rotationsachse der Spindel eine zylindrische Öffnung besitzt. In diese Öffnung ist eine Dehnbüchse eingesetzt, deren Geometrie bezüglich der Öffnung derart ist, dass Anfang und Ende der Dehnbüchse umfangseitig dicht mit der Innenwandung der axialen Öffnung abschließen. Der dazwischen liegende Bereich besitzt eine geringere Wandstärke, so dass dadurch ein die Hülse umgebender Ringraum entsteht. Der Ringraum ist mit einem Druckmedium beaufschlagbar, was in der Folge zu einer Verformung der Dehnhülse radial nach Innen führt und damit ein allseitiges großflächiges Einspannen des Werkzeugschaftes im Grundkörper bewirkt.
Ein ähnliches Dehnspannwerkzeug stellt das in der DE 296 14 727 U1 offenbarte Spannfutter dar. Das Spannfutter besteht im Wesentlichen aus einem hohlzyiindrischen Spannteil mit einer axialen Aufnahmebohrung für den Schaft des Bearbeitungswerkzeuges. Das Spannteil weist im Bereich der Aufnahmebohrung eine diese umgebende Ringkammer auf, die stirnseitig jeweils dicht verschlossen ist. Die Ringkammer ist mit einem Druckmittel gefüllt und über einen ebenfalls mit Druckmittel befüllten Kanal mit einem Stellglied zur Druckerzeugung verbunden. Durch Verstellen des Stellglieds ist in der Ringkammer ein Druck initiierbar, der zu einer radialen Wölbung des Innenumfangs der Aufnahmebohrung zur Rotationsachse hin führt. Gleichzeitig wölbt sich der Außenumfang des Spannteils radial nach außen, so dass auf diese Weise ein weiteres Bearbeitungswerkzeug am Futterkörper befestigt werden kann.
Beide Spannvorrichtungen zeichnen sich durch einen die Aufnahmebohrung allseitig und großflächig umgebenden Ringraum aus, dessen der Aufnahmebohrung zugewandte Trennwand zur Fixierung des Werkzeugschafts durch Druckbeaufschlagung radial zum Werkzeugschaft hin verformt wird. Der damit einhergehende statisch unbestimmte Lastzustand in der Aufnahmebohrung setzt hohe Drücke zur Erzeugung einer ausreichenden Spannkraft voraus. Zudem ist die Herstellung eines Ringraumes verhältnismäßig aufwändig, da sich dieser aus mindestens zwei Bauteilen zusammensetzt, die über Fügeprozesse miteinander verbunden werden. Hinzu kommt, dass die dünne Wand des Ringraums zur Aufnahme hin herstellungsbedingt stets Ungleichmäßigkeiten aufweist, die einer zentrischen Spannung hinderlich sind.
Aus der DE 199 26 152 A1 ist ebenfalls ein Spannfutter für eine Werkzeugspindel bekannt, das sich allerdings grundsätzlich von den vorbeschriebenen Vorrichtungen unterscheidet. Das in der DE 199 26 152 A1 offenbarte Spannfutter ist an der werkzeugseitigen Stirnseite eines Werkzeughalters befestigt, der wiederum über einen Steilkegel mit der Spindel einer Werkzeugmaschine verbunden ist. Das Spannfutter besitzt eine zentrische Bohrung zur Aufnahme des Werkzeugschafts. Die Aufnahmebohrung ist von einer Vielzahl achsparallel um die Aufnahmebohrung herum angeordneter Radialschlitze umgeben. Die Radialschlitze zeichnen sich durch eine radiale Haupterstreckungsrichtung aus, wodurch in Umfangsrichtung wirkende Spreizflächen gebildet werden. Mit der Beaufschlagung der Druckkammern mit einem Druckmedium geht eine tangential gerichtete Spreizung der Druckkammern einher und damit eine Umfangsweitung des Spannfutters und damit gleichzeitig eine den Presssitz aufhebende Durchmesservergrößerung der Aufnahmebohrung, die ein Einstecken oder Entnehmen des Werkzeugs ermöglicht. Durch elastische Rückverformung nach Druckentlastung der Druckkammern wird ein Einspannen des Werkzeugschaftes in der Aufnahmebohrung und damit im Spannfutter erreicht.
Auch hier entsteht durch die Einnahme des Presssitzes über den gesamten Umfang und die Länge der Aufnahmebohrung ein statisch unbestimmter Einspannzustand mit den bereits beschriebenen Nachteilen. Darüber hinaus sind sehr hohe Drücke notwendig um das Spannfutter über seinen gesamten Querschnitt derart zu dehnen, dass die Aufnahmebohrung eine radiale Aufweitung erfährt.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Spannvorrichtung anzugeben mit gegenüber bekannten Vorrichtungen höheren Spanngenauigkeit.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Wesen der Erfindung besteht darin die Einspannung des Schaft eines Bearbeitungswerkzeugs oder Werkstücks zu dessen Befestigung an einer Werkzeugspindel nicht über dessen gesamten Umfang, sondern nur bereichsweise zu erreichen. Obwohl man meinen müsste, dass bei der sich dadurch ergebenden vergleichsweise kleineren Spannfläche eine schlechtere Einspannung die Folge ist, ist im Zuge der Erfindung überraschenderweise herausgefunden worden, dass auf diese Weise ein Ausrichten des Werkzeuges oder Werkstücks in der Rotationsachse mit höchster Präzision erfolgt. Gegenüber bekannten Spannsystemen zeichnet sich die Erfindung somit durch eine höhere Spanngenauigkeit aus, wobei die vergleichsweise kleiner Spannfläche zum Erhalt einer ausreichenden Spannkraft vollkommen genügt.
In der Folge werden die vorhandenen Sollzerspanungskenngrößen exakt eingehalten, was sich unmittelbar positiv auf die Qualität des Arbeitsergebnisses auswirkt. Die sich infolge der hohen Spanngenauigkeit einstellende sehr gute Rundlaufgenauigkeit ermöglicht die Verwirklichung bisher nicht für möglich gehaltener Drehzahlen und zwar ohne weitere Wuchtung. Dieser Drehzahlzuwachs kann in höhere Maschinenleistungen umgesetzt oder für eine weitere Miniaturisierung der Werkzeuge genutzt werden. Ein weiterer Vorteil der hohen Spann- und Rundlaufgenauigkeit ergibt sich aus der damit verbundenen verschleißarmen Betriebsart erfindungsgemäßer Vorrichtungen mit langen Werkzeugstandzeiten und geringen Werkzeugkosten. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Einspannen des Werkzeugschaftes eine selbsttätige Zentrierung desselben in der Rotationsachse erfolgt. Neben der damit einhergehenden Arbeitserleichterung beim Einspannen führt dies zu einer sehr hohen Wiederholgenauigkeit. Bedienungs- und systembedingte Spannfehler werden Dank der Erfindung minimiert und es ist sichergestellt, dass auch nach einem Werkzeugwechsel mit gleichbleibend hoher Präzision die Bearbeitung eines Werkstücks fortgesetzt werden kann.
Da gemäß der Erfindung die Aufnahme beim Einspannen des Werkzeugs nur über einen Teilbereich verformt zu werden braucht, wird die erforderliche Spannkraft schon bei verhältnismäßig geringem Druck in den Druckkammern erreicht.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Ausbildung der Druckkammern. Im Gegensatz zu einem die Aufnahme umgebenden Ringraum als Druckkammer führt die erfindungsgemäße Anordnung mehrerer achsparalleler Druckkammern entlang der Aufnahme oder radial oder tangential zur Aufnahme verlaufender Druckkammern zu keiner nennenswerten konstruktiven Schwächung des Querschnitts der Spannvorrichtung. Eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung besitzt somit eine höhere Steifheit gegenüber bekannten Vorrichtungen und ermöglicht dadurch einen besseren Rundlauf. Die sich aus der erfindungsgemäßen Konstruktion ergebenden Stabilitätsreserven können zudem für eine weitere Reduzierung der Abmessungen der Spannvorrichtung genutzt werden mit dem Vorteil, äußerst kompakte Bearbeitungsmaschinen zu erhalten, mit denen auch bis dato für unzugänglich gehaltene Stellen an Werkstücken bearbeitet werden können. Dies ist insbesondere im Hinblick auf das Herstellen von hochpräzisen Mikrostrukturen von großer Bedeutung.
Als vorteilhaft im Hinblick auf die Spanngenauigkeit erweist sich zudem, wenn der die koaxiale Aufnahme besitzende Grundkörper der Spannvorrichtung monolithisch ausgebildet ist. Dabei ist als Grundkörper der Teil der Spannvorrichtung zu verstehen, der einerseits kraftübertragende Kopplungsflächen zum Rotationsantrieb aufweist und andererseits Kopplungsflächen zum Einspannung des Werkzeugs oder Werkstücks. Das schließt nicht aus, dass ein solcher Grundkörper zur Ausbildung der Druckkammern um weitere Teile ergänzt sein kann. Ein solcher Grundkörper ist in einer Aufspannung herstellbar, so dass Ungenauigkeiten der Kopplungsflächen infolge mehrfachen Aufspannens des Grundkörpers oder nachträglichen Einsetzens von Werkzeughalteteilen in den Grundkörper, die die Werkzeugaufnahme bilden, vermieden werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen Figur 1 eine Ansicht auf das werkzeugseitige Ende einer Werkzeugspindel,
die Figuren 2 und 3 perspektivische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung,
Figur 4 eine Längsansicht einer erfindungsgemäße Spannvorrichtung,
Figur 5 einen Längsschnitt durch die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung entlang der Linie V-V,
Figur 6 einen Querschnitt durch die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung entlang der Linie Vl-Vl,
Figur 7 einen Querschnitt durch die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung entlang der Linie VII-VII in größerem Maßstab,
die Figuren 8 a bis h Querschnitte weiterer Ausführungsformen der
Erfindung mit unterschiedlicher Querschnittsgeometrie der Druckkammern,
die Figuren 9 und 10 Längsschnitte durch weitere Ausführungsformen der Erfindung mit unterschiedlicher Längsgeometrie der Druckkammern,
Figur 11 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung mit alternativer Druckerzeugung in den Druckkammern,
die Figuren 12 a und b einen Längs- und Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung mit einem alternativen Druckkammersystem,
ie Figuren 13 a und b einen Längs- und Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung als Spanndorn,
die Figuren 14 und 15 einen Querschnitt und Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit zweiteiligem Grundkörper,
Figur 16 einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Druckkammer und einer Aufnahme mit zwei Bezugsflächen,
Figur 17 einen Querschnitt einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Druckkammern und einer Aufnahme mit einer Bezugsfläche,
die Figuren 18 und 19 einen Querschnitt und Längsschnitt durch weitere
Ausführungsformen der Erfindung mit radial zur Aufnahme ausgerichteten Druckkammern,
die Figuren 20 und 21 einen Querschnitt und Längsschnitt durch eine Variante der in den Figuren 18 und 19 dargestellten Vorrichtung mit unabhängiger Druckbeaufschlagung der einzelnen Druckkammern,
Figur 22 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung mit tangential zur Aufnahme angeordneten Druckkammern und
Figur 23 eine Schrägansicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit unabhängiger Druckbeaufschlagung der einzelnen Druckkammern.
Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit
Figur 1 zeigt die Erfindung im Überblick. Man sieht das werkzeugseitige Ende einer Arbeitsspindel 1 , die im Betrieb um die Rotationsachse 2 dreht und an der eine Spannvorrichtung 3 mit ihrer lotrecht zur Rotationsachse 2 verlaufenden Spannfläche drehfest befestigt ist. Am spindelfernen Ende der Spannvorrichtung 3 sieht man in der Rotationsachse 2 ein Bearbeitungswerkzeug 4 in Form eines Fräsers.
Der nähere Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 3 ergibt sich aus den Figuren 2 bis 7. Die Spannvorrichtung 3 besitzt als wesentlichen Bestandteil einen monolithischen Grundkörper 5 mit stufenzylindrischer Gestalt, dessen Außendurchmesser vom werkzeugfernen Ende zum werkzeugnahen Ende stufenweise abnimmt. Dadurch ergibt sich ein erster Längsabschnitt 6 mit großem Durchmesser, dessen freies axiales Ende die Spannfläche zur Arbeitsspindel 1 hin bildet und an den sich ein mittlerer Längsabschnitt 7 geringeren Durchmessers und ein weiterer Längsabschnitt 8 mit kleinem Durchmesser anschließt. Der Längsabschnitt 6 besitzt im umfangsnahen Bereich drei über den Umfang gleichmäßig verteilte achsparallele Bohrungen 9, die zur Aufnahme nicht dargestellter Befestigungsschrauben zur drehfesten Fixierung des Grundkörpers 5 an der Arbeitsspindel 1 dienen.
In der Längsachse des Grundkörpers 5, die mit der Rotationsachse 2 zusammenfällt, erstreckt sich ausgehend vom Abschnitt 8 des werkzeugnahen Endes des Grundkörpers 5 eine Aufnahme 10 in Form einer Sacklochbohrung, die bis in den Abschnitt 6 reicht. In die Aufnahme 10 ist das Bearbeitungswerkzeug 4 mit seinem Schaft 11 mit Passungsspiel einsetzbar. Die Wandung der Aufnahme 10 stellt somit die das Bearbeitungswerkzeug 4 ausrichtende und zugleich kraftübertragende Fläche zum Schaft 11 des Bearbeitungswerkzeugs 4 dar. Ein solcher Grundkörper 5 lässt sich in nur einer Aufspannung herstellen, so dass die Spannfläche des Grundkörpers 5 zur Arbeitsspindel 1 und die Aufnahme 10 exakt lotrecht zueinander ausgerichtet sind.
Die Aufnahme 10 ist in engem radialem Abstand von drei dazu achsparalleleπ, rohrförmigen Druckkammern 12 umgeben, die mit einheitlichem Umfangsabstand auf einem gemeinsamen Umfangskreis angeordnet sind. Die Druckkammern 12 werden von Sacklochbohrungen gebildet, die sich ausgehend vom werkzeugfernen Ende bis annähernd zum werkzeugnahen Ende des Grundkörpers 5 erstrecken.
Das eingangsseitige Ende einer jeden Druckkammer 12 wird von einem Gewindeabschnitt 13 gebildet, dessen Durchmesser etwas größer ist als der Querschnitt der übrigen Druckkammer 12. Der Gewindeabschnitt 13 ist zur Aufnahme einer Dichtscheibe 14 bestimmt, die mittels einer Dichtschraube 15 ein druckdichtes Verschließen der Druckkammer 12 ermöglicht. Die Druckkammern 12 und Aufnahme 10 überlappen über annähernd die gesamte Länge der Aufnahme 10, wobei der Überlappungsbereich den Einspannbereich 16 für das Werkzeug 4 definiert (siehe Figur 5).
Im Querschnitt bildet der Grundkörper 5 infolge der erfindungsgemäßen Anordnung der Druckkammern 12 zur Aufnahme 10 schmale, dünnwandige Trennstege mit geringer Festigkeit, die bei Druckbeaufschlagung als Deformationszonen 17 wirken (siehe Figur 7). Durch die Kreisform der Druckkammern 12 und Aufnahme 10 besitzen die Deformationszonen 17 einen doppelt konkaven Querschnitt und erstrecken sich streifenförmig über den gesamten Spannbereich 16 achsparallel zur Rotationsachse 2. Andere Querschnitte der Deformationszonen 17 ergeben sich durch Variation der Querschnitte der Druckkammern 12 was später unter Figur 8 näher ausgeführt ist.
In den Längsabschnitt 6 des Grundkörpers 5 ist zudem ein radial verlaufender Stichkanal 18 eingeformt, der sich ausgehend vom Außenumfang des Grundkörpers 5 in ausreichendem axialen Abstand zur Aufnahme 10 über die Rotationsachse 2 hinweg bis zur Druckkammer 12 erstreckt und diese schneidet. Dabei kommt es auch zu einer Überschneidung mit den beiden übrigen Druckkammern 12, so dass alle Druckkammern 12 über den Stichkanal 18 ein kommunizierendes System bilden, das vollständig mit einem Druckmedium, vorzugsweise mit Hydrauliköl gefüllt ist.
Der Stichkanal 18 in Form einer Stufenbohrung besitzt eingangsseitig den größten Durchmesser und wird dort von einem Gewindeabschnitt 19 gebildet, an den sich radial nach innen ein Dichtabschnitt 20 anschließt (siehe Figur 3). Die Stufenbohrung dient zur Aufnahme einer Abdicht- und Druckerzeugungseinrichtung 21 , die sich im Einzelnen aus einem Dichtungsstück 22, einem Druckstück 23 und einem Druckbolzen 24 zusammensetzt. Das Dichtungsstück 22 ist bestimmungsgemäß im Dichtabschnitt 20 angeordnet und dichtet mit seinem Ringflansch gegenüber dem Gewindeabschnitt 19 ab. Zu diesem Zweck ist das Druckstück 23 in den Gewindeabschnitt 19 einschraubbar bis es den Ringflansch des Dichtungsstücks 22 gegen eine entsprechende Ringfläche am Grundkörper 5 presst. In das mit einem Innengewinde versehenen Druckstück 23 lässt sich der Druckbolzen 24 einschrauben, dessen radial innenliegendes Ende kolbenförmig ausgebildet ist und im Dichtungsstück 22 durch eine Schraubbewegung axial im Stichkanal 18 bewegt werden kann.
Zum Einspannen eines Bearbeitungswerkzeuges 4 in der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 3 wird das Werkzeug 4 mit seinem Schaft 11 bei drucklos gestellten Druckkammern 12 axial in die Aufnahme 10 bis zu deren Grund eingesetzt. Anschließend wird durch Einschrauben des Druckbolzens 24 eine Kolbenbewegung im Dichtungsstück 22 in Richtung der Rotationsachse 2 ausgeführt, die aufgrund der damit einhergehenden Volumenverringerung im Stichkanal 18 zu einer gleichmäßigen Druckerzeugung in den Druckkammern 12 führt. Der Druckaufbau erfolgt gleichmäßig über die gesamte Innenfläche der Druckkammern 12. Aufgrund der geringen Materialstärke im Bereich der Deformationszonen 17 bewirkt der Druck eine elastische Verformung der Deformationszonen 17 in radialer Richtung hin zur Rotationsachse 2 bei ansonsten unverändertem Querschnitt des Grundkörpers 5. Auf diese Weise erzeugt jede Deformationszone 17 eine linienförmige Klemmkraft entlang des Werkzeugschaftes 11 in einem gegenseitigen Winkelabstand von 120°. Der sich dabei einstellende statisch bestimmte Spannzustand ermöglicht eine mit hoher Präzision selbstzentrierende Einspannung des Werkzeugschaftes 11 im Grundkörper 5 und führt so zu einer extrem hohen Rundlaufgenauigkeit.
Die Figuren 8 a bis 8 h zeigen verschiedene Querschnitts- und Anordnungsvarianten der Druckkammern 12, wobei unterschiedliche Varianten in Anzahl und Anordnung der Druckkammern 12 selbstverständlich kombinierbar sind.
Die in Figur 8 a dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen lediglich durch eine Erhöhung der Anzahl an Druckkammern 12. Man sieht vier Druckkammern 12, die in symmetrischer Anordnung die Aufnahme 10 umgeben und auf diese Weise vier Deformationszonen 17 bilden. Dadurch ergibt sich ein einfach statisch unbestimmter Spannzustand, der eine sehr hohe Spanngenauigkeit bei etwas höherer Einspannkraft ermöglicht.
Die Ausführungsform gemäß Figur 8 b zeigt Druckkammern 12 mit einer von der Kreisform abweichenden Querschnittsform. Die Druckkammern 12 besitzen einen ovalen Querschnitt, wobei die Hauptachse der Längserstreckungsrichtung tangential zur Aufnahme 10 verläuft. Dadurch entstehen verhältnismäßig große tangential verlaufende Druckflächen 25, welche bereits bei wenig Druck zu einer Verformung der Deformationszonen 17 mit hoher, radial wirkender Einspannkraft führen. Die Anzahl der Druckkammern 12 beträgt bei dem in Figur 8 b ausgestellten Ausführungsbeispiel fünf, wobei auch eine geringere oder höhere Anzahl denkbar ist.
Eine Abwandlung der in Figur 8 b dargestellten Ausführungsform ist in Figur 8 c zu sehen. Die dort dargestellten Druckkammern 12 besitzen einen gekrümmt ovalen Querschnitt, wobei die Krümmung der Hauptachse des Ovals entgegen der Krümmung der Aufnahme 10 verläuft. Auf diese Weise wird bei verhältnismäßig geringem Druck eine annähernd linienförmige Deformationszone 17 erzeugt. Die in Figur 8 d gezeigte Ausführungsform der Erfindung zeigt dagegen eine alternative ovale Querschnittsform, bei der die Hauptachse des Ovals den gleichen Krümmungssinn wie die Aufnahme 10 besitzt. Dadurch findet eine Einspannung des Werkzeugschafts 1 1 über einen größeren Umfangsbereich statt, wodurch sich eine streifenförmige Deformationszone 17 mit größerer Kontaktfläche und demzufolge höheren Einspannkräften einstellt.
Die in Figur 8 e dargestellte Ausführungsform der Erfindung besitzt Druckkammern 12 mit dreieckförmigem Querschnitt, wobei die Basis der Druckkammer 12 der Aufnahme 10 zugewandt ist. Auf diese Weise entstehen auch hier große tangentiale Druckflächen 25, die eine hohe Einspannkraft bei bereits geringem Druckaufbau in den Druckkammern 12 bewirken.
Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 8 f besitzt Druckkammern 12 mit halbkreisförmigem Querschnitt, was gegenüber den Druckkammern 12 der in den Figuren 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsform zu einem geringern Kammervolumen führt.
Die in Figur 8 g dargestellten Druckkammern 12 einer wiederum anderen Ausführungsform der Erfindung besitzen rechteckförmiger Querschnitt, dessen Längserstreckungsrichtung tangential zur Aufnahme 10 verläuft. Auch hier entstehen große tangentiale ausgerichtete Druckflächen 25 mit den bereits beschriebenen Vorteilen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 8 h beschrieben, deren Druckkammern 12 schlitzförmig ausgebildet sind und zumindest in ihrem mittleren Bereich der Krümmung der Aufnahme 10 folgen. Jeder Druckkammer 12 ist eine Versorgungsbohrung 26 zugeordnet, die gegenüber der Druckkammer 12 radial nach außen versetzt und über einen Versorgungssteg 27 an die Druckkammer 12 angeschlossen ist. Derart komplexe Querschnitte werden vorteilhaft durch Erodieren hergestellt.
Wie aus Figur 9 ersichtlich liegen im Rahmen der Erfindung auch Ausführungsformen mit Druckkammern 12, deren Querschnitt in Längsrichtung veränderlich ist. Eine in diesem Sinne bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besitzt Druckkammern 12, die sowohl am Anfang als auch am Ende des Einspannbereichs 16 einen größeren Querschnitt aufweisen als in dem Bereich dazwischen. Daraus ergibt sich eine im Anfangsbereich 28 und Endbereich 29 geringere Dicke der Deformationszone 17, so dass dort eine elastische Verformung leichter und schneller eintritt als im übrigen Bereich. In der Folge führt dies zu erhöhten Einspannkräften am Anfang 28 und Ende 29 des Einspannbereichs 16 und damit zu einem statisch bestimmten Einspannzustand, nicht nur im Querschnitt, sondern auch in Längsrichtung der Aufnahme 10. Auf diese Weise sind extrem hohe Einspanngenauigkeiten möglich mit einem entsprechend präzisen Rundlauf.
Die in Figur 10 dargestellte Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Variante mit den Grundkörper 5 vollständig durchdringender Aufnahme 10. Dadurch ist es möglich die Erfindung auch in Verbindung mit Stangenautomaten anzuwenden. Figur 10 zeigt zudem, dass sich auch die Druckkammern 12 über den gesamten Grundkörper 5 erstrecken können. Dies ist beispielsweise bei Querschnittsformen der Druckkammern 12 der Fall, die durch Erodieren hergestellt und anschließend beidseitig druckdicht verschlossen werden.
In Figur 11 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit einem alternativen System zur Druckerzeugung dargestellt. Während bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 bis 7 die Funktionen Druckerzeugung und Druckversorgung im Stichkanal 18 kombiniert verwirklicht sind, sieht die Ausführungsform gemäß Figur 11 eine Trennung dieser Funktionen vor. Dazu ist im Abschnitt 6 des Grundkörpers 5 ein radialer Stichkanal 30 eingebracht, der zwei Druckkammern 12 tangential schneidet, die dritte Druckkammer 12 durchsetzt und im umfangsnahen Bereich des Grundkörpers 5 endet. Durch eine Gewindebohrung im Anfangsbereich ist ein Verschließen des Stichkanals 30, beispielsweise analog dem Verschluss der Aufnahme 10 mittels Dichtscheibe 14 und Dichtschraube 15 möglich. Der Stichkanal 30 dient zur gleichmäßigen Versorgung aller Druckkammern 12 mit einem Druckmittel.
In der gleichen Radialebene erstreckt sich ein tangentialer Stichkanal 31 vom Rand des Grundkörpers 5 bis zum Ende des Stichkanals 30, mit dem er sich schneidet. Dadurch entsteht ein kommunizierendes System zwischen Stichkanal 30, Stichkanal 31 und Druckkammern 12. Der Anfang des Stichkanals 31 ist zur Aufnahme einer Abdicht- und Druckerzeugungseinrichtung 21 bestimmt, wie sie bereits unter den Figuren 1 bis 6 beschrieben ist, so dass das dort gesagte gilt. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht einen größeren Verstellweg für den Kolben der Abdicht- und Druckerzeugungseinrichtung 21 , die daher vorteilhaft Verwendung bei Einspannungen mit größerer elastischer Verformung findet. Die Figuren 12 a und b betreffen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Druckkammern 12 über einen zur Achse 2 rotationssymmetrischen Hohlraum 32 miteinander verbunden sind. Der Hohlraum 32 ist von der Stirnseite 33 des Grundkörpers 5 eingeformt mit einer axialen Tiefe, die zur Überschneidung mit dem inneren Ende der Druckkammern 12 führt. In dem der Stirnseite 33 zugewandten Bereich ist der Hohlraum 32 zur Aufnahme eines Deckels 34 mit größerem Durchmesser ausgedreht, der mittels in die Gewindebohrungen 35 eingreifender Schrauben gegen die durch die Abstufung entstehenden Ringfläche 36 gespannt ist und so einen druckfesten Verschluss bildet.
Zur Druckerzeugung in den Druckkammern 12 führt ein radialer Stichkanal 37 vom Außenumfang des Abschnitts 6 des Grundkörpers 5 bis zum Hohlraum 32. Die bereits unter den Figuren 1 bis 7 beschriebene Abdicht- und Druckerzeugungseinrichtung schließt den Stichkanal 37 nach außen hin ab.
Die Figuren 13 a und b machen deutlich, dass eine Umsetzung der Erfindung auch an einem Spanndorn möglich ist, auf den ein Bearbeitungswerkzeug oder Werkstück mit einem hohlzylindrischen Schaft 38 gesteckt wird. Eine dementsprechende Ausführungsform der Erfindung besitzt einen Grundkörper 5, dessen werkzeugnaher Längsabschnitt 8 mit seiner Umfangsfläche 39 die Aufnahme für die Innenwandung 40 des Werkzeugschaftes 38 bildet. Von der werkzeugfernen Stirnseite des Grundkörpers 5 sind 3 Druckkammern 12 mit einheitlichem Umfangsabstand und auf einem Umfangskreis liegend achsparallel zur Rotationsachse 2 derart eingeformt, dass die Druckkammern 12 im werkzeugnahen Längsabschnitt 8 mit nur geringem Abstand zur Umfangsfläche 39 verlaufen. Auf diese Weise bildet der Grundkörper 5 im Bereich zwischen den Druckkammern 12 und der Umfangsfläche 39 wiederum schmale, dünnwandige Deformationszonen 41 , die sich bei Druckbeaufschlagung der Druckkammern 12 elastisch radial nach außen verformen und dabei den Werkzeugschaft 38 spannen.
Die Fig. 14 und 15 zeigen eine im Hinblick auf die Herstellungsgenauigkeit der Druckkammern 12 vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Diese besitzt einen Grundkörper 5' mit einem Längsabschnitt 6' mit großem Durchmesser zur Ausbildung einer Spannfläche zur Kopplung an die Werkzeugspindel 1. An den Längsabschnitt 6' schließt sich einstückig ein koaxialer dünnwandiger Aufnahmezylinder 45 mit integrierter Aufnahme 10 für den Werkzeugschaft 11 an. Die zylindrische Außenmantelfläche des Aufnahmezylinders 45 ist bis auf dessen Anfangs- und Endbereich an drei mit einheitlichem Winkelabstand von 120° angeordneten Umfangsteilabschnitten plan geschliffen. Dadurch entstehen im Außenmantel der Aufnahmezylinders 45 in Längsrichtung verlaufende, streifenförmige Planflächen 47. Im Bereich der Planflächen 47 ergeben sich folglich Materialausdünnungen zur Aufnahme 10, die bei Druckbeaufschlagung radial zur Rotationsachse 2 verformt werden.
Zur Vervollständigung der Druckkammern 12 wird eine zylindrische Passhülse 46 auf den Aufnahmezylinder 45 aufgeschoben und mit diesem druckdicht verklebt, verschweißt oder verlötet. Die Planflächen 47 des Aufnahmezylinders 45 und der Innenumfang der Passhülse 46 bilden somit in der Grenzfläche zwischen diesen Bauteilen die Druckkammern 12 aus.
Zur Druckbeaufschlagung der Druckkammern 12 sind ein oder mehrere axiale Kanäle 48 vorgesehen, von denen jeder mit einer Druckerzeugungseinrichtung 49 versehen ist. Alternativ hierzu ist es auch möglich nur eine Druckerzeugungseinrichtung 49 vorzusehen und alle Druckkammern 12 zu einem gemeinsamen Druckkammersystem miteinander zu verbinden. Über feine in Längsrichtung verlaufende Schlitzkanäle 44, die die Druckkammern 12 mit den Kanälen 48 verbinden, wird der Druck aus den Kanälen 48 in die Druckkammern 12 übertragen. Die axialen Kanäle 48 können dabei den Längsabschnitt 6' vollständig durchdringen, wobei die dadurch entstehenden Öffnungen an der Stirnseite des Längsabschnitt 6' im Bereich des Aufnahmezylinders 45 im Zuge des Aufschiebens der Passhülse 46 infolge deren Wandstärke verschlossen werden.
Die Vorteile dieser Ausführungsform der Erfindung liegen neben der bereits erwähnten hohen Herstellungsgenauigkeit in der durch diese Herstellungsweise extrem kompakten Baugröße. So sind dank der Erfindung Spindelsysteme möglich, die sich auch zur Bearbeitung nur schwer zugänglicher Bereiche eines Werkstücks eignen. Zudem zeichnet sich diese Ausführungsform der Erfindung durch eine Geometrie der Druckkammern 12 aus, die infolge der stetigen Übergänge in den Planflächen 47 Spannungsspitzen im Material reduziert und damit die Haltbarkeit der Spannvorrichtung insgesamt erhöht. Diese Vorteile werden bei gleichzeitig hoher Rundlaufgenauigkeit erreicht, wozu die monolithische Bausweise des Grundkörpers 5' beiträgt.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 16 dargestellt. Der dort gezeigte Grundkörper 5 entspricht weitgehend den bereits zuvor beschriebenen, wobei sich Unterschiede hauptsächlich durch die im Abschnitt 7 angeordnete Aufnahme 10' ergeben, deren Querschnitt von der Kreisform abweicht. Der Querschnitt der Aufnahme 10' setzt sich im wesentlichen aus einem halbkreisförmigen Umfangsabschnitt 50 und den beiden Bezugsflächen 51 und 52 zusammen, die sich vorzugsweise in einem Winkel von 45° schneiden. Daraus ergibt sich ein zur Symmetrieebene 53 spiegelbildlicher Querschnitt der Aufnahme 10'.
In geringem radialem Abstand zur Aufnahme 10' sieht man eine Druckkammer 12, die mit dem halbkreisförmigen Umfangsabschnitt 50 der Aufnahme 10' die Deformationszone 17 bildet. Die Druckbeaufschlagung der Druckkammer 12 kann entsprechend den bereits bei anderen Ausführungsformen beschriebenen Möglichkeiten erfolgen.
Bei Druckbeaufschlagung der Druckkammer 12 erfolgt eine Verformung der Deformationszone 17 in Richtung des eingesteckten Werkzeugschafts, wobei dieser gegen die Bezugsflächen 51 und 52 gepresst wird. Da die Bezugsflächen 51 und 52 unter Bildung einer in der Symmetrieebene 53 liegenden Schnittgeraden einen Winkel einschließen, kommt es zu einer Zentrierung des Werkzeugschafts in der Symmetrieebene 53. Zusammen mit der präzisen Anordnung der Bezugsflächen 51 und 52 in einem exakten Abstand zur Rotationsachse 2 ergibt sich die wunschgemäße Einspannung des Werkzeugschaftes in Sollposition.
Eine davon abgewandelte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 17 offenbart. Die dort dargestellte Aufnahme 10" besitzt wiederum einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt mit einem U-förmigen Umfangsabschnitt 54, dessen Schenkelenden durch die Bezugsfläche 55 verbunden sind. Dadurch ergibt sich wiederum eine tangentiale Anordnung der Bezugsfläche 55 und eine zur Symmetrieebene 56 spiegelbildliche Ausführung der Aufnahme 10".
Beidseits der Symmetrieebene 56 sieht man jeweils eine Druckkammer 12, die mit dem U-förmigen Umfangsabschnitt 54 der Aufnahme 10" jeweils eine Deformationszone 17 ausbildet. Durch Druckbeaufschlagung der Druckkammern 12 bei eingestecktem Werkzeugschaft erfolgt somit eine Zentrierung des Werkzeugschafts in der Symmetrieebene 56 durch die beiden Druckkammern 12. Die exakte Ausrichtung des Werkzeugschafts in der Rotationsachse 2 wird durch eine exakte Anordnung der Bezugsfläche 55 innerhalb des Grundkörpers 5 in vorbestimmtem radialem Abstand zur Rotationsachse 2 erreicht. Die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf Druckkammern 12 mit achsparalleler Ausrichtung bezüglich der Aufnahme 10. Demgegenüber unterscheiden sich Ausführungsformen der Erfindung gemäß den Fig. 18 bis 21 durch Druckkammern 60, die sich ausgehend von der Umfangsfläche des Abschnitts 7 des Grundkörpers 5 in radialer Richtung zur Aufnahme 10 hin erstrecken und in kurzem Abstand vor der Aufnahme 10 enden. Dadurch entstehen zwischen dem Grund einer jeden Druckkammer 60 und dem Umfang der Aufnahme 10 jeweils eine Deformationszone 17 mit in etwa punktförmiger oder ovaler Ausdehnung.
Die in den Figuren 18 und 19 gezeigten Druckkammern 60 besitzen im Umfangsbereich des Grundkörpers 5 jeweils einen druckfesten Verschluss 61 , wie er bereits im Zusammenhang mit vorangegangenen Ausführungsformen beschrieben ist.
Die Anordnung der Druckkammern 60 erfolgt vorzugsweise in zwei bezüglich der Rotationsachse 2 in axialem Abstand zueinander angeordneten und senkrecht zur Rotationsachse 2 verlaufenden Spannebenen 62 und 63, von denen die Spannebene 63 mit der Schnittebene XIIX zusammenfällt und somit der Darstellung in Fig. 18 entspricht. Man sieht, dass die drei Druckkammern 60 in einem einheitlichen Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet sind. Der Verlauf der Spannebenen 62 und 63 innerhalb des Grundkörpers 5 ist dabei so gewählt, dass sich die Deformationszonen 17 im Anfangsund Endbereich der Aufnahme 10 ergeben. Zusätzliche Spannebenen, beispielsweise im Mittelbereich der Aufnahme 10, liegen im Rahmen der Erfindung und können zur Steigerung der Klemmkraft dienen.
Zur Druckbeaufschlagung der Druckkammern 60 dient, wie insbesondere aus Fig. 19 ersichtlich, ein axialer Stichkanal 64, der die in beiden Spannebenen 62 und 63 aufeinanderfolgenden Druckkammern 60 schneidet oder durchdringt. Eingangsseitig ist der Stichkanal 64 mit einer Druckerzeugungseinrichtung 65 versehen, die bereits im ersten Ausführungsbeispiel unter den Fig. 2 und 3 beschrieben worden ist. Auf diese Weise werden immer zwei in axialer Richtung hintereinander liegende und zu einer Gruppe zusammengefasste Druckkammern 60 gleichzeitig und unabhängig von anderen zu Zweiergruppen zusammengefassten Druckkammern 60 beaufschlagt.
Alternativ ist es auch möglich, dass alle Druckkammern 60 ein korrespondierendes Druckkammersystem bilden analog der in den Fig. 12a und b dargestellten Ausführungsform. Dabei können die Stichkanäle 61 in einen koaxialen Hohlraum münden, an den ein zur Druckerzeugung bestimmter radialer Stichkanal angeschlossen ist.
Eine weitere Abwandlung der Erfindung zeigen die Figuren 20 und 21. Diese unterscheidet sich von der unter den Figuren 18 und 19 beschriebenen lediglich dadurch, dass die einzelnen radialen Druckkammern 60 nicht untereinander verbunden sind, also kein kommunizierendes Kammersystem ausbilden. Statt dessen besitzt jede radiale Druckkammer 60 im umfangsnahen Bereich eine eigene Druckerzeugungseinrichtung 65 zur unabhängigen Druckerzeugung in den einzelnen Druckkammern 60, sowohl in der Spannebene 62 als auch 63 analog der unter Figur 23 beschriebenen Ausführungsform.
Die Vorteile einer solchen gruppenweise oder individuellen Druckbeaufschlagung zeigen sich beim Ausrichten eines Bearbeitungswerkzeuges 4 oder Werkstücks in der Rotationsachse 2. Bei dieser Art der Einspannung ergibt sich ein größtmöglicher Spielraum zum Ausrichten des Bearbeitungswerkzeugs 4 in der Aufnahme 10. Beispielsweise kann das Bearbeitungswerkzeug 4 in radialer Richtung ausgerichtet und/oder gleichzeitig dessen Taumelwinkel zur Sicherstellung des Planlaufs eingestellt werden.
Eine andere Variante der Erfindung ist in Fig. 22 dargestellt. Der Unterschied zur vorbeschriebenen Ausführungsform besteht darin, dass die Druckkammern 60' nicht radial zur Aufnahme 10 ausgerichtet sind, sondern unter Bildung von Deformationszonen 17 in geringem Abstand an der Aufnahme 10 vorbei führen. Die Druckkammern 60' sind somit tangential zur Aufnahme 10 angeordnet. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform dem unter den Fig. 18, 19 beziehungsweise den Fig. 20, 21 Gesagten, insbesondere im Hinblick auf die Anzahl der Druckkammern, deren Anordnung in Spannebenen sowie der unterschiedlichen Möglichkeiten zur Druckerzeugung in den Druckkammern 60'.
Der Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung liegt unter anderem darin, dass die Deformationszonen 17 in ihrer Ausdehnung im wesentlichen auf einen Punkt reduziert sind, wodurch sich sehr hohe Einspanngenauigkeiten erzielen lassen.
Ebenso umfasst die Erfindung Variationen der Druckkammern 60 in der Anzahl, wobei es analog den Ausführungsbeispielen der Fig. 16 und 17 möglich ist, eine radiale oder tangentiale Druckkammer 60, 60' in Verbindung mit zwei Bezugsflächen oder zwei Druckkammern 60, 60' in Verbindung mit einer Bezugsfläche oder auch mehr als drei Druckkammern 60, 60' vorzusehen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 23 dargestellt. Diese Ausführungsform besitzt ein System zur Druckerzeugung für jede einzelne Druckkammer 12. Fig. 23 zeigt dieses System in Verbindung mit axial ausgerichteten Druckkammern 12. Die Umsetzung dieses Gedankens in Verbindung mit radialen Druckkammern 60 ist unter den Figuren 20 und 21 bereits beschrieben. Ein Übertrag auf Ausführungsformen mit tangentialen Druckkammern 60' ist ebenso möglich.
In Fig. 23 sieht man zunächst einen Grundkörper 5 mit axialen Druckkammern 12 und einer Aufnahme 10 im Bereich der Rotationsachse 2, was im wesentlichen der in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform entspricht und daher das dort Gesagte gilt. Darüber hinaus besitzt der Grundkörper 5 radiale Stichkanäle 65, die sich jeweils vom Außenumfang des Abschnitts 6 bis zu einer der Druckkammern 12 erstrecken. Die Stichkanäle 65 entsprechen ansonsten den in den Fig. 2 und 3 beschriebenen Kanälen 18. Insbesondere weist jeder Stichkanal 65 die in den Fig. 2 und 3 beschriebene Druckerzeugungseinrichtung, bestehend aus Dichtungsstück 22, Druckstück 23 und Druckbolzen 24 auf.
Dadurch ist es möglich, die Druckkammern 12 mittels der Druckbolzen 24 einzeln und unabhängig voneinander mit individuellem Druck anzusteuern. Auf diese Weise kann ein achsparalleles, radiales Verschieben des Werkzeugs 4 bezüglich der Aufnahme 10 zum Ausgleich von Spannfehlern oder Werkzeugungenauigkeiten ausgeführt werden.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die innerhalb einzelner Ausführungsformen offenbarten Merkmalskombinationen beschränkt ist, sondern dass im Rahmen der Erfindung auch Kombinationen einzelner Merkmale oder Merkmalsgruppen unterschiedlicher Ausführungsformen untereinander liegen. So kann beispielsweise der in Figuren 13 a und b gezeigte Spanndorn selbstverständlich auch mit einem Druckverteilersystem wie unter den Figuren 12 a und b beschrieben kombiniert werden oder die Druckkammern 12, 60, 60' können Querschnitte wie in den Figuren 8 a bis h offenbart besitzen oder in ihrer Anzahl variieren. Auch ist es möglich die Art und Weise der Druckerzeugung und Druckverteilung in den Druckkammern 12, 60, 60' von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes zu übertragen ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche:
1. Spannvorrichtung für ein um eine Rotationsachse (2) drehbares Werkzeug (4, 38) oder Werkstück, mit einem koaxial zur Rotationsachse (2) angeordneten Grundkörper (5, 5'), der am Werkzeug- oder werkstückseitigen Ende eine zur Rotationsachse (2) koaxiale Aufnahme (10, 10', 10", 39) besitzt und der zum Spannen des Werkzeugs (4, 38) oder Werkstücks ein Druckkammersystem aufweist, das durch Druckbeaufschlagung mit einem Druckmedium eine Verformung der Aufnahme (10, 10', 10", 39) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckkammersystem mindestens eine Druckkammer (12; 60; 60') umfasst, die lediglich in Teilbereichen in einem derart geringen Abstand zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) angeordnet ist, dass bei Druckbeaufschlagung der mindestens einen Druckkammer (12; 60; 60') der Bereich zwischen der mindestens einen Druckkammer (12; 60; 60') und der Aufnahme (10; 39) eine Deformationszone (17; 41) ausbildet, die sich radial in Richtung zur Aufnahme (10; 39) hin verformt.
2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (10') zwei zur Rotationsachse (2) parallele und sich im Winkel schneidende Bezugsflächen (51 , 52) besitzt und das Druckkammersystem eine Druckkammer (12; 60; 60') aufweist, deren Deformationszone (17; 41) beim Spannen mit den beiden Bezugsflächen (51 , 52) zusammenwirkt.
3. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (10") eine zur Rotationsachse (2) parallele Bezugsfläche (55) besitzt und das Druckkammersystem zwei Druckkammern (12; 60; 60') aufweist, deren Deformationszonen (17; 41) beim Spannen mit der Bezugsfläche (55) zusammenwirken.
4. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Druckkammersystem mindestens drei Druckkammern (12; 60; 60') aufweist, deren Deformationszonen (17; 41) beim Spannen zusammenwirken.
5. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (12) oder Druckkammern (12) achsparallel zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) angeordnet sind, so dass sich jede Deformationszone (17; 41) linien- oder streifenförmig entlang der Aufnahme (10; 39) erstreckt.
6. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammern (12) in Längsrichtung einen veränderlichen Querschnitt aufweisen, wobei die dem Anfang und dem Ende der Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) zugeordneten Bereiche (28, 29) der Druckkammern (12) einen größeren Querschnitt besitzen gegenüber den Bereichen dazwischen.
7. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Druckkammern (12; 60; 60') eine Längserstreckungsrichtung und eine Quererstreckungsrichtung besitzt, wobei die Längserstreckungsrichtung mindestens so groß ist wie die Quererstreckungsrichtung und die Längserstreckungsrichtung tangential zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) ausgerichtet ist.
8. Spannvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse der Längserstreckungsrichtung gekrümmt ist.
9. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Druckkammern (12; 60; 60') kreis-, halbkreis-, dreieck- oder rechteckförmig ist.
10. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammern (12; 60; 60') von Druckschlitzen gebildet sind, deren Querschnitt tangential zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) angeordnet ist und die jeweils über einen parallelen Versorgungskanal (26) mit einem Druckmedium beaufschlagbar sind.
11. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammern (12) den Grundkörper (5) in Längsrichtung durchdringen und stirnseitig jeweils druckdicht verschlossen sind.
12. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (60) oder Druckkammern (60) radial zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) angeordnet sind und zur Bildung von Deformationszonen (17; 41 ) in geringem Abstand zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) enden.
13. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (601) oder Druckkammern (60') tangential zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) und zur Bildung von Deformationszonen (17; 41) mit radialem Abstand zur Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) angeordnet sind.
14. Spannvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammern (60; 60') zumindest in zwei zur Rotationsachse (2) lotrechten Spannebenen (62, 63) angeordnet sind, die vorzugsweise am Anfang und Ende der Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) verlaufen.
15. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckkammersystem einen Stichkanal (18) oder einen rotationssymmetrischen Hohlraum (32) umfasst, der die Druckkammern (12; 60; 60') schneidet.
16. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 15, gekennzeichnet durch ein Stellorgan (21) zur Druckerzeugung, mit einem Kolben (24), der in einem an das Druckkammersystem angeschlossenen zylindrischen Hohlraum (18) verschieblich ist.
17. Spannvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Hohlraum (18) von einem Stichkanal gebildet ist.
18. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Druckkammer (12; 60; 60') oder Gruppen von Druckkammern (12; 60; 60') jeweils ein Stellorgan (21) zur Druckerzeugung (12; 12'; 12") zugeordnet ist, mit dem einzelne Druckkammern (12; 60; 60') oder Gruppen von Druckkammern (12; 60; 60') unabhängig von anderen mit Druck beaufschlagbar sind.
19. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) den Grundkörper (5) in axialer Richtung vollständig durchdringt.
20. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (10; 10'; 10"; 39) von einer zylindrischen Öffnung in der Längsachse des Grundkörpers (5) gebildet ist.
21. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (39) vom Außenumfang eines zylindrischen Abschnitts (8) des Grundkörpers (5) gebildet ist.
22. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (5) monolithisch ist.
23. Spannvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die monolithische Ausbildung des Grundkörpers (5) die Aufnahme (10, 38) und die Druckkammern (12, 60, 60') umfasst.
24. Spannvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die monolithische Ausbildung des Grundkörpers (5T) die Aufnahme (10, 38) umfasst und die Druckkammern (12; 60; 60') durch Kombination des Grundkörpers (5') mit mindestens einem weiteren Teil (46) hergestellt sind.
25. Spannvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (5') einen die Aufnahme (10) umschließenden Aufnahmezylinder (45) besitzt, auf den eine Hülse (46) aufgeschoben ist und die Druckkammern (12, 60, 60') in der Grenzfläche zwischen Aufnahmezylinder (45) und Hülse (46) angeordnet sind.
26. Spannvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmezylinder (45) am Außenumfang Planflächen (47) besitzt, die mit dem Innenumfang der Hülse (46) die Druckkammern (12, 60, 60') bilden.
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