DE10233694A1

DE10233694A1 - Vorrichtung zur Kupplung zweier Bauteile

Info

Publication number: DE10233694A1
Application number: DE2002133694
Authority: DE
Inventors: Jürgen HEILMANN; Uwe Kretzschmann; Herbert Schweizer; Benno Spors; Frank Stahl; Gerhard Stolz
Original assignee: Komet Praezisionswerkzeuge Robert Breuning GmbH
Current assignee: Komet Group GmbH
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur lösbaren Kupplung zweier Bauteile (10, 12) beispielsweise zweier Werkzeugteile. Das erste Bauteil (10) weist einen zylindrischen Passzapfen (14) sowie eine den Passzapfen an dessen Wurzel (28) begrenzende, radial überstehende Ringfläche (22) auf, während das zweite Bauteil (12) eine Aufnahmehülse (16) mit zylindrischer Innenfläche (32) aufweist. Weiter ist ein Spannmechanismus (20) vorgesehen, der beim Spannvorgang dafür sorgt, dass der Passzapfen (14) in die Aufnahmehülse (16) eingezogen wird und dabei die Ringfläche (22) und die Stirnfläche (24) gegeneinander gepresst werden. Um mit einfachen Mitteln eine exakte Zentrierung der Bauteile zu gewährleisten, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass der Passzapfen (14) im Bereich seiner Wurzel (28) eine von der zylindrischen Mantelfläche (26) zur Ringfläche (22) hin divergierende Außenkonuspartie (30) und die Aufnahmehülse (16) eine hierzu komplementäre, von der zylindrischen Innenfläche (32) zur Stirnfläche (24) hin divergierende Innenkonuspartie (34) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kupplung zweier Bauteile, insbesondere zweier Werkzeugteile, mit einem am ersten Bauteil angeordneten, eine zylindrische Mantelfläche aufweisenden Passzapfen und einer den Passzapfen an dessen Wurzel begrenzenden, radial überstehenden Ringfläche, mit einer am zweiten Bauteil angeordneten, eine zylindrische Innenfläche aufweisenden und durch eine Stirnfläche begrenzten Aufnahmehülse, und mit einem den Passzapfen in die Aufnahmehülse einziehenden und dabei die Ringfläche und die Stirnfläche gegeneinander pressenden Spannmechanismus.
Die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung ist vor allem zur lösbaren Kupplung von Werkzeugen mit einer Maschinenspindel (Schnittstelle) und zur Verbindung von Werkzeugteilen untereinander (Trennstelle) bestimmt. Unter "Werkzeugteile" sind insbesondere Bohrstangen, Verlängerungs- und Reduzierstücke, Verstellköpfe, Spindelvorsatzflansche und Maschinenspindeln zu verstehen.
Bei Kupplungen dieser Art erfolgt die Zentrierung durch die Zylinderpassung des Passzapfens in der Aufnahmehülse, während die Drehmitnahme überwiegend durch Reibung auf Grund der Planflächenverspannung zwischen der Ringfläche und der Stirnfläche erfolgt. Bei Zylinderpassungen tritt prinzipbedingt immer ein gewisses radiales Spiel zwischen Passzapfen und Aufnahmehülse auf. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden bereits eine Kegelzentrierung vorgeschlagen, bei der durch die elastische Ausbildung eines den Passzapfen ersetzenden Hohlkegelschafts zusätzlich eine Planflächenverspannung möglich ist. Die bei der Zylinderpassung möglichen, relativ ein fachen Spannmechanismen sind aber nicht ohne weiteres auf den Hohlkegelschaft übertragbar.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Kupplungsvorrichtung der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass trotz Verwendung der für den Einsatz einfacher Spannmechanismen vorteilhaften zylindrischen Passzapfen eine exakte Zentrierung möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Anspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zu Grunde, dass der Passzapfen im Bereich seiner Wurzel eine von der zylindrischen Mantelfläche zur Ringfläche hin divergierende Außenkonuspartie und die Aufnahmehülse eine hierzu komplementäre, von der zylindrischen Innenfläche zur Stirnfläche divergierende Innenkonuspartie aufweist. Um eine ausreichende Planflächenverspannung für die Drehmitnahme zu gewährleisten, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Innenkonuspartie unter der Einwirkung des Spannmechanismus elastisch aufweitbar ist. Die elastische Aufweitung wird vorteilhafterweise dadurch ermöglicht, dass die Aufnahmehülse eine zur Stirnfläche hin offene Ringnut aufweist, deren radial innere Flanke durch die Innenkonuspartie gebildet ist. Die Flanken der Ringnut sind dabei zweckmäßig achsparallel ausgerichtet.
Zur weiteren Verbesserung der Aufweitbarkeit der Innenkonuspartie ist es von Vorteil, wenn die radial innere Flanke der Ringnut über den Umfang verteilt angeordnete, zur Stirnfläche hin randoffene Durchbrüche aufweist. Diese Maßnahme wirkt zusätzlich schwingungsdämpfend und führt zu einer Re duzierung der Geräuschemmision beim Arbeitsvorgang. Grundsätzlich ist es dabei möglich, die Ringnut und/oder die radialen Durchbrüche zumindest teilweise mit einem vorzugsweise kompressiblen, elastomeren Bindemittel auszufüllen. Statt der radialen Durchbrüche ist es grundsätzlich auch möglich, die Ringnut zur Innenflanke hin in definierten Abständen zu erweitern, so dass sich weiche Biege- und Dehnzonen ergeben. Um dies zu erreichen, wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die radial innere Flanke der Ringnut mehrere über den Umfang verteilt angeordnete, durch Materialschwächungen begrenzte Biegezonen aufweist, wobei die Materialschwächungen zwischen den Biegezonen eine elastische Dehnung ermöglichen.
Der Konuswinkel des Innen- und des Außenkonus ist so bemessen, dass keine Selbsthemmung auftritt. Er sollte daher mindestens 8° betragen. Vorteilhafterweise weist die Innenkonuspartie der Aufnahmehülse einen steileren, also kleineren Konuswinkel als die Außenkonuspartie des Passzapfen auf. Die Konuswinkel sind dabei zweckmäßig so aufeinander abgestimmt, dass die Konusflächen im verspannten Zustand flächig gegeneinander anliegen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Passzapfen im Bereich zwischen der zylindrischen Mantelfläche und der Außenkonuspartie eine radial offene Ringnut auf, so dass im Übergangsbereich eine kleine Lücke verbleibt, mit der Herstellungstoleranzen ausgeglichen und mechanische Überbestimmungen beim Fügevorgang vermieden werden.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird vor allem erreicht, dass über die Länge des Passzapfens und der Aufnahmehülse eine Zweiteilung entsteht: Im zylindrischen Teil des Passzapfens und der Aufnahmehülse, der keine Zentrierungsfunktion aufweist, befindet sich der Spannmechanismus. Die konischen Partien sorgen ausschließlich für die Zentrierung, während die Planflächenverspannung unter der Einwirkung des Spannmechanismus die Drehmitnahme bewirkt. Die durch den Spannmechanismus eingebrachte Unsymmetrie bei der Planflächenverspannung wird kompensiert durch die elastisch aufweitbare Innenkonuspartie der Aufnahmehülse. Bei geeigneter Dimensionierung der Passzapfenpassung in der Passbohrung kommt es beim Spannvorgang zusätzlich zu einer Anlage zwischen der Bohrungswand und dem Passzapfen und damit zu einer Erhöhung der Biegesteifigkeit im Verbindungsbereich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Spannmechanismus einen in einer Querbohrung des Passzapfens verschiebbar angeordneten, an seinen Enden einen Innen- oder Außenkonus aufweisenden Klemmbolzen und zwei einander bezüglich der Passbohrung diametral gegenüber liegende, beim Spannvorgang unter gegenseitigem Anpressen der Werkzeugteile im Bereich der Ring- und Stirnflächen keilartig mit dem Klemmbolzen verspannbare, vorzugsweise als Halteschrauben ausgebildete Spannorgane auf. Damit wird erreicht, dass die Planflächenverspannung durch den Klemmbolzen und die Spannorgane erzeugt wird, während die Zentrierung und Aussteifung der Kupplung über die Konuspartien am Passzapfen und in der Aufnahmehülse erfolgt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Wiederholgenauigkeit beim Fügevorgang auf Grund der konischen Spielfreisetzung gegenüber der reinen Zylinderpassung um mindestens den Faktor drei verbessert wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine Seitenansicht zweier miteinander gekuppelter Werkzeugteile in Form eines Messdorns mit Adapterstück;
2 einen Längsschnitt durch die die Werkzeugteile nach 1;
3 einen Längsschnitt durch das Adapterstück nach 1 und 2;
4 der Messdorn nach 1 in schaubildlicher Darstellung;
5a und 5b zwei um 90° gegeneinander verdrehte Seitenansichten des Werkzeugs nach 4;
6 eine Draufsicht auf die Aufnahmehülse des Adapterstücks in schaubildlicher Darstellung;
7 einen Ausschnitt aus dem Verbindungsbereich der teilweise zusammengesteckten Werkzeugteile in geschnittener Darstellung.
Die in der Zeichnung dargestellte Verbindungsvorrichtung dient zur lösbaren Kupplung von Bauteilen 10, 12. Unter "Bauteile" sollen nachstehend vor allem Werkzeugteile verstanden werden, die entweder einen Passzapfen 14 oder eine Aufnahmehülse 16 enthalten. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das mit dem Passzapfen 14 bestückte Bauteil 10 ein Messdorn, während das mit der Aufnahmehülse 16 versehene Bauteil 12 ein Adapterstück mit einem Steilkegelschaft 18 für den Anschluss an eine Maschinenspindel ist.
Die Verbindungsvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem am ersten Bauteil 10 axial überstehenden Passzapfen 14, einer am zweiten Bauteil angeordneten Aufnahmehülse 16 und einem Spannmechanismus 20 zum Einziehen des Passzapfens 14 in die Aufnahmehülse 16 sowie zur Erzeugung einer Planflächenverspannung zwischen der den Passzapfen 14 begrenzenden Ringfläche 22 des ersten Bauteils 10 und der die Aufnahmehülse 16 begrenzenden Stirnfläche 24 des zweiten Bauteils 12. Der Passzapfen 14 weist eine im wesentlichen zylindrische Mantelfläche 26 auf, die im Be reich seiner Wurzel 28 in eine zur Ringfläche 22 hin divergierende Außenkonuspartie 30 übergeht. Andererseits weist die Aufnahmehülse 16 des zweiten Bauteils 12 eine als Passbohrung ausgebildete, im wesentlichen zylindrische Innenfläche 32 auf, die in eine zur Stirnfläche 24 hin divergierende Innenkonuspartie 34 übergeht. Weiter weist die Aufnahmehülse eine zur Stirnfläche 24 hin axial offene, als Einstich ausgebildete Ringnut 36 auf, deren radial innere Flanke 38 durch die Innenkonuspartie 34 gebildet ist. Wie insbesondere aus 3 zu ersehen ist, ist die Ringnut 36 konzentrisch zur Werkzeugachse 40 angeordnet und in Einstichrichtung achsparallel ausgerichtet. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, dass die Innenkonuspartie 34 beim Anpressen des Passzapfens 14 mit seiner Außenkonuspartie 30 unter der Einwirkung des Spannmechanismus 20 elastisch aufweitbar ist.
Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht kann dadurch erzielt werden, dass die radial innere Flanke 38 der Ringnut 36 mehrere über den Umfang verteilt angeordnete, durch Materialschwächungen 37 begrenzte Biegezonen 39 aufweist. Beim Spannvorgang werden die Biegezonen 39 in Richtung Ringnut 36 gebogen, wobei die Materialschwächungen 37 in Umfangsrichtung elastisch gedehnt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Konuswinkel der Innenkonuspartie 34 des zweiten Bauteils 12 ca. 10° und der Außenkonuspartie 30 des ersten Bauteils 10 ca. 11°. Dadurch wird erreicht, dass im verspannten Zustand nach Aufweitung der Innenkonuspartie 34 die beiden Konuspartien 30, 34 flächig gegeneinander anliegen. Die Ringnut 36 kann ganz oder teilweise mit einer elastomeren, vorzugsweise kompressiblen Masse ausgefüllt werden.
Die zylindrische Mantelfläche 26 ist von der Außenkonuspartie 30 durch eine radial offene Ringnut 42 getrennt. Die dadurch erzeugte Lücke sorgt dafür, dass beim Einspannvorgang keine Toleranzprobleme auftreten.
Der Spannmechanismus 20 enthält einen in einer Querbohrung 44 des Passzapfens 14 verschiebbar angeordneten Klemmbolzen 46, sowie zwei in Innengewinden 48, 50 des zweiten Bauteils 12 eingedrehte, einander diametral gegenüberliegende Halteschrauben 52, 54. Die Halteschraube 52 ist dabei als mit ihrem Kopf 56 am zweiten Bauteil 12 festgelegte Anschlagschraube ausgebildet, während die Halteschraube 54 eine Bewegungsschraube bildet. Der Klemmbolzen 46 greift mit seinem Außenkonus 58 in einen Innenkonus 60 der benachbarten Anschlagschraube 52 ein und weist an seinem dem Außenkonus 58 gegenüberliegenden Ende einen Innenkonus 62 zur Aufnahme eines an der Bewegungsschraube 54 angeformten Außenkonus 64 auf.
Bei der Herstellung der Verbindung muss dafür gesorgt werden, dass die beiden Bauteile 10,12 bezüglich der Verbindungsachse richtig zueinander orientiert sind. Die richtige Drehorientierung der Bauteile 10,12 wird durch exzentrisch angeordnete, achsparallel ausgerichtete, zueinander komplementäre Schlüsselelemente, beispielsweise durch Zapfen-Loch- oder durch Keil-Schlitz-Kombinationen 70,72 in den einander zugewandten Ringflächen 22,24 gewährleistet. Diese Art der Drehorientierung ist auch bei herkömmlichen Verbindungsvorrichtungen ohne den erfindungsgemäßen Zentrierkonus vorgesehen. Um zu verhindern, dass Werkzeuge mit herkömmlicher ABS-Kupplung (ABS^® = Marke der Firma Komet) mit den erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtungen kombiniert werden können, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die für die Drehorientierung vorgesehenen exzentrisch angeordneten, achsparallel ausgerichteten, zueinander komplementären Schlüsselelemente 70,72 in ihren Abmessungen so verändert, beispielsweise verlängert, verbreitert oder verkürzt werden, dass eine Fehlkombination ausgeschlossen ist. Ohne diese Maßnahme könnte es bei unsachgemäßem Gebrauch zu einer Beschädigung der Verbindungsvorrichtung kommen.
Zur Herstellung einer Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 10, 12 wird zunächst der Passzapfen 14 bei ausgedrehter Bewegungsschraube 54 lose in die Aufnahmehülse 16 des zweiten Bauteils 12 bis zum Anschlag der Ringfläche 22 gegen die Stirnfläche 24 eingeführt. Beim anschließenden Eindrehen der Bewegungsschraube 54 in das Innengewinde 50 kommt es zunächst zum Anschlag zwischen der Bewegungsschraube 54 und dem Klemmbolzen 46 im Bereich der einander zugewandten Konusflächen 62, 64. Im weiteren Verlauf des Spannvorgangs wird der Klemmbolzen 46 mit seinem Außenkonus 58 bis zum Anschlag gegen die Anschlagschraube 52 in den Innenkonus 60 eingeschoben. In diesem Zustand setzten der eigentliche Spannvorgang ein, bei welchem die durch die Halteschrauben 52, 54 eingeleiteten Spannkräfte über die konischen Anlageflächen den Passzapfen 14 in die Aufnahmehülse 16 einziehende Axialkräfte umgesetzt werden. Die Axialkräfte führen zunächst zu einer Aufweitung der Innenkonuspartie 34 der Aufnahmehülse 16 durch die Außenkonuspartie 30 des Passzapfens 14 bis die Ringfläche 22 des Passzapfens gegen die Stirnfläche 24 der Aufnahmehülse 16 anliegt. Beim weiteren Anziehen der Bewegungsschraube 54 kommt es schließlich zu einer Planflächenverspannung zwischen der Ringfläche 22 und der Stirnfläche 24 des ersten und des zweiten Bauteils 10, 12. Die Außenkonuspartie 30 und die Innenkonuspartie 34 sorgen für eine exakte Zentrierung der Bauteile 10, 12 und eliminieren das im Bereich der Zylinderpassung vorhandene Spiel und die im Spannmechanismus 20 vorhandene Unsymmetrie.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur lösbaren Kupplung zweier Bauteile 10, 12 beispielsweise zweier Werkzeugteile. Das erste Bauteil 10 weist einen zylindrischen Passzapfen 14 sowie eine den Passzapfen an dessen Wurzel 28 begrenzende, radial überstehende Ringfläche 22 auf, während das zweite Bauteil 12 eine Aufnahmehülse 16 mit zylindrischer Innenfläche 32 aufweist. Weiter ist ein Spannmechanismus 20 vorgesehen, der beim Spannvorgang dafür sorgt, dass der Passzapfen 14 in die Aufnahmehülse 16 eingezogen wird und dabei die Ringfläche 22 und die Stirnfläche 24 gegeneinander gepresst werden. Um mit einfachen Mitteln eine exakte Zentrierung der Bauteile zu gewährleisten, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass der Passzapfen 14 im Bereich seiner Wurzel 28 ein von der zylindrischen Mantelfläche 26 zur Ringfläche 22 hin divergierende Außenkonuspartie 30 und die Aufnahmehülse 16 eine hierzu komplementäre, von der zylindrischen Innenfläche 32 zur Stirnfläche 24 hin divergierende Innenkonuspartie 34 aufweist.

Claims

Vorrichtung zur Kupplung zweier Bauteile, insbesondere zweier Werkzeugteile, mit einem am ersten Bauteil (10) angeordneten, eine zylindrische Mantelfläche (26) aufweisenden Passzapfen (14) und einer den Passzapfen (14) an dessen Wurzel (28) begrenzenden, radial überstehenden Ringfläche (22), mit einer am zweiten Bauteil (12) angeordneten, eine zylindrische Innenfläche (32) aufweisenden, durch eine Stirnfläche (24) begrenzten Aufnahmehülse (16), und mit einem den Passzapfen (14) in die Aufnahmehülse (16) einziehenden und dabei die Ringfläche (22) und die Stirnfläche (24) gegeneinander pressenden Spannmechanismus (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Passzapfen (14) im Bereich seiner Wurzel (28) eine von der zylindrischen Mantelfläche (26) zur Ringfläche (22) hin divergierende Außenkonuspartie (30) und die Aufnahmehülse (16) eine hierzu komplementäre, von der zylindrischen Innenfläche (32) zur Stirnfläche (24) hin divergierende Innenkonuspartie (34) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkonuspartie (34) unter unmittelbarer oder mittelbarer Einwirkung des Spannmechanismus (20) elastisch aufweitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmehülse (16) eine zur Stirnfläche (24) hin axial offene Ringnut (36) aufweist, deren radial innere Flanke (38) durch die Innenkonuspartie (34) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (36) an ihren Flanken im wesentlichen achsparallel ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Flanke (38) der Ringnut (36) über den Umfang verteilt angeordnete, zur Stirnfläche (34) hin axial randoffene radiale Durchbrüche aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Flanke (38) der Ringnut (36) mehrere über den Umfang verteilt angeordnete, durch Materialschwächungen (37) begrenzte Biegezonen (39) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (36) zumindest teilweise mit einer vorzugsweise kompressiblen, elastischen Masse ausgefüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Durchbrüche zumindest teilweise mit einer vorzugsweise kompressiblen, elastischen Masse ausgefüllt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Masse mit den Innenflächen der Ringnut und/oder der Durchbrüche verklebt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkonuspartie (34) des zweiten Bauteils einen steileren Konuswinkel als die Außenkonuspartie (30) des ersten Bauteils aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel der Innenkonuspartie (34) und der Außenkonuspartie (30) so aufeinander abgestimmt sind, dass ihre Konusflächen im verspannten Zustand flächig gegeneinander anliegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Passzapfen (14) eine zwischen der zylindrischen Mantelfläche und der Außenkonuspartie angeordnete, radial offene Ringnut (42) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannmechanismus (20) einen in einer Querbohrung (44) des Passzapfens (14) verschiebbar angeordneten, an seinen Enden einen Innen- oder Außenkonus (58, 62) aufweisenden Klemmbolzen (46) und zwei einander bezüglichen der zylindrischen Innenfläche (32) der Aufnahmehülse (16) diametral gegenüberliegende, beim Spannvorgang unter Aufweiten der Innenkonuspartie (34) und unter gegenseitigem Anpressen der Bauteile (10, 12) im Bereich der Ringfläche (22) und der Stirnfläche (24) keilartig mit Klemmbolzen (46) verspannbare, vorzugsweise als Halteschrauben (52, 54) ausgebildete Spannorgane aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile an einander axial zugewandten Flächen mit exzentrisch angeordneten, achsparallel ausgerichteten, zueinander komplementären Schlüsselelementen (70,72) versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlüsselelemente eine Zapfen-Loch-Kombination (70,72) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlüsselelemente eine Keil-Schlitz-Kombination bilden.