DE20311391U1

DE20311391U1 - Vorrichtung zum lösbaren Verspannen zweier Bauteile

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Publication number: DE20311391U1
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Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2013-07-25

Description

Vorrichtung zum lösbaren Verspannen zweier Bauteile

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum lösbaren Verspannen zweier Bauteile insbesondere einer Werkzeugmaschine mit einer in dem ersten Bauteil von einer Planfläche aus normal zu dieser eingebrachten, einen zylindrischen Abschnitt aufweisenden Aufnahme, mit einem an dem anderen Bauteil angeformten und auf einer weiteren normalen Planfläche vorstehenden, an die Aufnahme angepassten und einen zylindrischen Abschnitt aufweisenden Schaft und mit einem Spannmechanismus, der eine quer durch die Aufnahme und den Schaft verlaufende, mit einer Spanneinheit zusammenwirkende Durchführung aufweist.

Eine derartige Vorrichtung zum lösbaren Verspannen zweier Bauteile ist insbesondere bei einer Werkzeugmaschine bekannt, wobei das erste Bauteil z.B.

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einen Aufnahmekörper und das zweite Bauteil ein in diesem lösbar festzulegendes Werkzeug darstellen. Mit der Spanneinheit, die quer durch die Durchführung im Bereich der Aufnahme durch den Aufnahmekörper und des in die Aufnahme geführten Zapfens des Werkzeugs eingeführt ist, wird das Werkzeug in die Aufnahme gezogen und in dem Aufnahmekörper fest verspannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, die eine stabile und genaue Verspannung bei einfacher Bedienung ergibt.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass ein in dem Schaft liegender Abschnitt der Durchführung als Kegelbohrung geformt ist, die mit einem Außenkegel der Spanneinheit zum Einziehen des Schaftes in die Aufnahme und zum In-Anlage-Bringen der beiden parallelen Planflächen zusammenwirkt, und dass ein Übergangsabschnitt des Schaftes zwischen der zugehörigen Planfläche und seinem zylindrischen Abschnitt kegelförmig sich verjüngend ausgebildet ist und mit einem Innenkegel in einem Übergangsbereich zwischen der Planfläche des ersten Bauteils und dessen zylindrischem Abschnitt zentrierend zusammenwirkt.

Mittels des so ausgebildeten Spannmechanismus wird das zweite Bauteil, beispielsweise ein Werkzeug, mit seinem Schaft mit relativ wenig Kraftaufwand stabil in die Aufnahme des ersten Bauteils, beispielsweise eines Aufnahmekörpers einer Werkzeugmaschine eingezogen, bis die normal zur Zapfen- bzw. Aufnahmeachse liegenden Planflächen des ersten und des zweiten Bauteils flächig aneinander liegen und sich dabei der Innenkegel des ersten Bauteils und

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der Außenkegel des zweiten Bauteils unter Zentrierung des zweiten Bauteils in der Aufnahme abstützen.

Eine zuverlässige Zentrierung des zweiten Bauteils in dem ersten Bauteil wird dadurch unterstützt, dass der Innenkegel eine zum lichten Raum der Aufnahme liegende umlaufende Seitenfläche eines Schenkels bildet, der aufnahmeseitig eine in die Planfläche unmittelbar eingebrachte oder mithilfe eines Einsatzes gebildete Ringnut begrenzt. Hierdurch kann sich der Innenkegel genau an den Außenkegel des Schaftes anpassen, wobei die Anlage der beiden Bauteile an ihren Planflächen zuverlässig gewährleistet wird.

Die Funktionsweise der stabilen Anlage an den Planflächen und sicheren Zentrierung wird weiterhin dadurch begünstigt, dass der Schenkel elastisch ist und der Kegelwinkel des Innenkegels bezüglich der Kegelachse bei nicht vollständig in die Aufnahme eingeschobenem Schaft geringer ist als der Kegelwinkel zwischen dem Übergangsbereich und der zur Kegelachse koaxialen Achse des Schaftes und dass im vollständig eingeschobenen Zustand des Schaftes, in dem die beiderseitigen Planflächen aneinanderliegen, die Kegelwinkel des Innenkegels und des Übergangsbereiches gleich sind und der Innenkegel und der Übergangsbereich flächig aneinander abgestützt sind.

Zu einer zuverlässigen Wirkungsweise der Verspannung tragen weiterhin die Maßnahmen bei, dass in die Ringnut elastisches Füllmaterial eingebracht ist.
Hierdurch wird auch vermieden, dass störende Teilchen in die Ringnut eindringen können.

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Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung bestehen darin, dass die Ringnut durch einen Einstich in der Planfläche des ersten Bauteils oder durch eine ringförmige Ausnehmung im Übergangsbereich zwischen der Planfläche und der Aufnahme und den in die Ausnehmung eingesetzten Einsatz gebildet ist, wobei das freie Ende des Schenkels von der Planfläche weggerichtet ist.

Zu einer stabilen Verspannung bei einfacher Bedienung tragen des Weiteren die Maßnahmen bei, dass die Durchführung beiderseits der Kegelbohrung einen zylindrischen Abschnitt aufweist, von denen der an die größere Öffnung der. Kegelbohrung angrenzende Abschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der an die kleinere Öffnung angrenzende Abschnitt und beide Abschnitte zueinander konzentrisch sind.

Hierbei wird eine sichere Funktion dadurch unterstützt, dass der Abschnitt geringeren Durchmessers einen in seinem Durchmesser daran angepassten Zapfen der Spanneinheit führend aufnimmt.

Für die Wirkungsweise und Bedienung ist dabei vorteilhaft, dass der Abschnitt größeren Durchmessers mit einem Innengewinde versehen ist, in das ein Außengewinde eines angepassten Gewindezapfens der Spanneinheit eingreift.

Die genannte Vorrichtung zum lösbaren Verbinden bzw. Verspannen der beiden Bauteile insbesondere bei Werkzeugmaschinen, beispielsweise für Präzisionszerspanungswerkzeuge zur Metallbearbeitung in einem Aufnahmekörper, ist sowohl für statische als auch für rotierende Werkzeuge geeignet. Die Werkzeugaufnahme eignet sich gleichermaßen zum Einbau direkt in eine Maschinenspindel wie in Aufnahmen mit genormten Schäften. Auch Werkzeugverlängerungen

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können auf die genannte Weise verspannt werden. Mit den genannten Maßnahmen lässt sich ein modulares Werkzeugsystem bereit stellen. Durch die kraftformschlüssige Verspannung und durch die gleichzeitig zur Anlage gebrachten zentrierenden Kegelflächen wird ein genauer Formschluss und somit eine hohe Rundlaufgenauigkeit erreicht. Für die axialen Verspannkräfte sorgt die vorteilhaft als Kegelschraube ausgebildete Spanneinheit, die zudem eine genaue Positionierung der Werkzeugschneide gewährleistet. Die genannten Maßnahmen ergeben eine genaue und schwingungsarme Bearbeitung. Die symmetrische Form der Werkzeugverbindung bringt auch Vorteile bei einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teil-Schnittdarstellung eines Verbindungsbereiches zweier Bauteile mit einem Spannmechanismus bei nicht vollständiger Verspannung,

Fig. 2 einen Aufbau nach Fig. 1 bei vollständiger Verspannung der beiden Bauteile und

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1 mit modifiziertem Zentrierabschnitt.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum lösbaren Verbinden bzw. Verspannen zweier Bauteile in Form eines Aufnahmekörpers 9 und eines Werkzeugs 1 einer Werk-

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zeugmaschine im gefügten aber noch unverspannten Zustand. Ein Schaft 12 des Werkzeugs 1 weist einen kegelförmigen Übergangsabschnitt 2 in Form eines Kurzkegels auf, der über einen Radius 5 mit umlaufender Vertiefung in einen zylindrischen Abschnitt des Werkzeugschaftes 12 übergeht. In den zylindrischen Abschnitt des Werkzeugschaftes 12 ist in dessen Durchmesserbereich eine Kegelbohrung 16 eingebracht.

Der Aufnahmekörper 9 weist einen mit dem Übergangsbereich 2 zusammenwirkenden und an diesen zum Erzeugen eines sicheren Sitzes angepassten Innenkegel 3 auf, der in einen zylindrischen Abschnitt 6 übergeht und mit einem Freistich endet. Der lichte Raum im Bereich des Innenkegels und des zylindrisehen Abschnittes 6 bildet eine Aufnahme für den daran angepassten Werkzeugschaft 12. Der Aufnahmekörper 9 weist achsnormal zu der Aufnahme bzw. zu dem zylindrischen Abschnitt 6 eine Planfläche 11 auf, in die in geringem Abstand zu dem Innenkegel 3 eine sich vorliegend in axialer Richtung erstreckende Ringnut 4 eingestochen ist, welche zum lichten Raum der Aufnahme hin von einem Schenkel 3.1 begrenzt wird. Die Tiefe der Ringnut 4 entspricht im Wesentlichen der Länge des Innenkegels 3 und ist mit einem elastischen Füllstoff, beispielsweise einer gummiartigen Masse, vergossen. Die Ringnut 4 ermöglicht bei einer axialen Verspannung des Werkzeugschaftes 12 in der Aufnahme eine elastische Aufweitung des Innenkegels 3. Um eine höhere Elastizität zu erreichen, können im Bereich der Ringnut 4 parallel zu dem Innenkegel 3 mehrere Ausfräsungen eingebracht sein. Der kegelförmige Übergangsabschnitt 2 bzw. Kurzkegel des Werkzeugs 1 entspricht in seiner Länge in etwa der Einstechtiefe der axialen Ringnut 4.

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Der Kegelwinkel des Innenkegels 3 bezüglich der Kegelachse bzw. des zylindrischen Abschnittes 6 ist im nicht verspannten Zustand des Werkzeugs 1 geringer als der Kegelwinkel des Übergangsabschnittes 2 bezüglich der Kegelachse, so dass zu Beginn des Verspannvorganges über den Verspannweg zunächst im Wesentlichen nur eine ringlinienförmige Anlage zwischen Innenkegel 3 und Übergangsabschnitt 2 auftritt, wobei diese Ringlinie zu Beginn der Verspannung im freien Endbereich des Schenkels 3.1 liegt und sich der Kegelwinkel des Innenkegels 3 mit zunehmender Verspannung immer mehr an den Kegelwinkel des Übergangsabschnittes 2 angleicht. Im vollkommen verspannten Zustand, in dem eine zur Planfläche 11 des Aufnahmekörpers 9 und eine zu dieser parallele Planfläche 10 des Werkzeugs 1 aneinander liegen, ist der Kegelwinkel des Innenkegels 3 an den Kegelwinkel des Übergangsabschnittes 2 angepasst, so dass sich der Innenkegel 3 und der Übergangsabschnitt 2 flächig aneinander abstützen und eine sichere Zentrierung unter stabiler Abstützung erreicht ist. Nach Lösen des Werkzeugs 1 aus dem Aufnahmekörper 9 nimmt der Kegelwinkel des Innenkegels 3 in Folge der Elastizität der Schenkel 3.1 wieder den ursprünglichen geringeren Kegelwinkel ein, wie der Vergleich der Fig. 1 und 2 erkennen lässt. Mit diesen Maßnahmen wird stets eine sichere Anlage der beiden Planflächen 10, 11 bei exakter Zentrierung und Anlage des Innenkegels 3 und des Übergangsabschnittes 2 gewährleistet.

Der Verspannvorgang erfolgt durch Einsetzen der Spanneinheit in Form einer Kegelschraube 7 in eine quer zur Achse der Aufnahme und des Werkzeugschaftes verlaufende Durchführung, die die in dem Werkzeugschaft 12 verlaufende Kegelbohrung 16 und seitlich koaxial zu dieser beiderseits anschließend einen zylindrischen Abschnitt 15 geringeren Durchmessers einerseits und einen Gewindeabschnitt 8 aufweisenden zylindrischen Abschnitt größeren Durchmessers

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andererseits aufweist. In die Durchführung wird von außen durch den Abschnitt größeren Durchmessers mit dem Innengewinde 8 eine Spanneinheit 7 in Form einer Kegelschraube eingeführt, die ein mit dem Innengewinde 8 zusammenwirkendes Außengewinde 7a, einen mit der Kegelbohrung 16 zusammenwirkenden Außenkegel 7c sowie einen an den Abschnitt geringeren Durchmessers angepassten und in diesem geführten Zapfen 7d aufweist. Zum Einschrauben der Kegelschraube 6 und Verspannen ist in der Kegelschraube 7 auf deren stirnseitiger Außenseite des Abschnittes größeren Durchmessers ein Innensechskant 7b eingebracht.

Das Innengewinde 8 ist in den Abschnitt größeren Durchmessers von der

Außenseite des Aufnahmekörpers 9 ausgehend bis zur Aufnahme eingebracht. Der Abschnitt größeren Durchmessers in Form der Gewindebohrung und der Abschnitt geringeren Durchmessers in Form einer Zylinderbohrung 15 liegen konzentrisch zueinander bezüglich derselben Achse. Das Innengewinde 8 und die Zylinderbohrung 15 dienen der Lagerung der Kegelschraube 7. Das Außengewinde 7a der Kegelschraube 7 ist mittels des Innensechskantes 7b in das Innengewinde 8 des Aufnahmekörpers 9 etwa bis zur Hälfte der Gewindelänge des Innengewindes 8 bis zum einseitigen Kontakt zwischen dem Außenkegel 7c der Kegelschraube 7 und der Innenfläche der Kegelbohrung 16 des Werkzeugschaftes 12 eindrehbar. Der zylindrische Zapfen 7d der Kegelschraube 7 ragt dann zur Hälfte in die Zylinderbohrung 15 des Aufnahmekörpers 9. Gleichzeitig legt sich der Übergangsabschnitt 2 des Werkzeugschaftes 12 an den Innenkegel 3 des Aufnahmekörpers 9 an. Zwischen der Planfläche 10 des Werkzeuges 1 und der Planfläche 11 des Aufnahmekörpers 9 sowie zwischen der Kegelschraube 7 und der Kegelbohrung 16 besteht bei nicht vollständig eingezogenem Werkzeug ein Spalt, um einen Kraft-Formschluss zu gewährleisten. Die Breite

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des Spalts ist so abgestimmt, dass der Abstand zwischen den Planflächen 10, 11 geringer ist als ein in Spannrichtung liegender Versatz 13-14 der Kegelschraube 7 zur Kegelbohrung 16, so dass eine sichere Verspannung mit den aneinander liegenden Planflächen 10, 11 gewährleistet wird.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bildet sich beim vollständigen Einschrauben der Kegelschraube 7 mittels des Innensechskants 7b zwischen der Kegelbohrung 16 des Werkzeugschaftes 12 und dem Außenkegel 7c der Kegelschraube 7 ein vollständiger Formschluss. Durch die Keilwirkung und die dabei entstehende Axialkraft weitet sich der Innenkegel 3 des Aufnahmekörpers 9 in Folge des sich in axialer Richtung bewegenden Kurzkegels bzw. Übergangsabschnitts 2 und der Elastizität des Schenkels 3.1 auf. Als Folge der Aufweitung kommen die Planflächen 10, 11 des Werkzeugs 1 und des Aufnahmekörpers 9 kraftschlüssig in Anlage. Bei der Materialauswahl ist darauf zu achten, dass bei dem Werkzeugschaft 12 an sämtlichen Kontaktflächen eine hohe verschleißfeste Oberflächenhärte (z.B. 60 HRC) erreicht wird. Das Gleiche gilt auch für den Aufnahmekörper 9. Kernstück des Spannsystems ist die Kegelschraube 7, für die ein elastisches Material verwendet werden soll, um bei den auftretenden Kräften eine Zerstörung zu vermeiden. Zu empfehlen ist, den Mantelflächen der Kegelschraube 7 z.B. durch induktives Randschichthärten oder Beschichten eine höhere Oberflächenfestigkeit zu verleihen. Die Kegelschraube 7 erfüllt drei Funktionen, nämlich Einleitung der axialen Verspannkräfte, Aufnahme des Restdrehmoments und genaue Positionierung des Werkzeuges. Durch Veränderung der Kegelwinkel von Übergangsabschnitt 2 und Innenkegel 3 einerseits sowie von Außenkegel 7c und Kegelbohrung 16 andererseits können die Verspannkräfte entsprechend beeinflusst werden.

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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 der Bereich des Innenkegels 3 an dem Aufnahmekörper 9 anders, nämlich zweiteilig ausgebildet. Im Bereich des Übergangs zwischen der Planfläche 11 und der Aufnahme weist der Aufnahmekörper 9
eine Stufenbohrung 18 auf, in die ein separater Einsatz 17 eingesetzt ist. Am Umfang des Einsatzes 17 sind mehrere gleichmäßig verteilte, parallel zur Mantelfläche des Innenkegels 3 einseitig nach außen offene Taschen 19 eingefräst. Die Taschen 19 werden mit einem elastischen Füllmittel, insbesondere einer gummiartigen Masse ausgefüllt, wodurch die Elastizität des Innenkegels 3 unterstützt wird. Der Schenkel 3.1 des Innenkegels 3 weist hierbei mit seinem freien Ende in Einführrichtung des Werkzeugschaftes 12. Der Einsatz 17 kann durch Löten, Schweißen, Schrumpfen oder ähnliche geeignete Verbindung mit dem Aufnahmekörper 9 verbunden werden. Die Aufweitbarkeit des Innenkegels 3, der mit dem Schenkel 3.1 des Einsatzes 17 gebildet wird, wird entgegen Fig. 1 und 2 so verändert, dass beim Fügen des Übergangsabschnittes bzw. Kurzkegels 2 des Werkzeuges 1 in den Innenkegel 3 des Einsatzes 17 in dem Aufnahmekörper 9 die umlaufende Kontaktlinie vor dem Spannvorgang in Richtung zylindrischer Bohrung 6 liegt.

Claims

1. Vorrichtung zum lösbaren Verspannen zweier Bauteile (1, 9) insbesondere einer Werkzeugmaschine mit einer in dem ersten Bauteil (9) von einer Planfläche (11) aus normal zu dieser eingebrachten, einen zylindrischen Abschnitt (6) aufweisenden Aufnahme, mit einem an dem anderen Bauteil (1) angeformten und auf einer weiteren normalen Planfläche (10) vorstehenden, an die Aufnahme angepassten und einen zylindrischen Abschnitt aufweisenden Schaft (12) und mit einem Spannmechanismus, der eine quer durch die Aufnahme und den Schaft (12) verlaufende, mit einer Spanneinheit (7) zusammenwirkende Durchführung aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass ein in dem Schaft (12) liegender Abschnitt der Durchführung als Kegelbohrung (16) geformt ist, die mit einem Außenkegel (7c) der Spanneinheit (7) zum Einziehen des Schaftes (12) in die Aufnahme und zum In- Anlage-Bringen der beiden parallelen Planflächen (10, 11) zusammenwirkt, und
dass ein Übergangsabschnitt (2) des Schaftes (12) zwischen der zugehörigen Planfläche (10) und seinem zylindrischen Abschnitt kegelförmig sich verjüngend ausgebildet ist und mit einem Innenkegel (3) in einem Übergangsbereich zwischen der Planfläche (11) des ersten Bauteils (9) und dessen zylindrischem Abschnitt (6) zentrierend zusammenwirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkegel (3) eine zum lichten Raum der Aufnahme liegende umlaufende Seitenfläche eines Schenkels (3.1) bildet, der aufnahmeseitig eine in die Planfläche (11) unmittelbar eingebrachte oder mithilfe eines Einsatzes (17) gebildete Ringnut (4) begrenzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Schenkel (3.1) elastisch ist und der Kegelwinkel des Innenkegels (3) bezüglich der Kegelachse bei nicht vollständig in die Aufnahme eingeschobenem Schaft (12) geringer ist als der Kegelwinkel zwischen dem Übergangsbereich (2) und der zur Kegelachse koaxialen Achse des Schaftes (12) und
dass im vollständig eingeschobenen Zustand des Schaftes (12), in dem die beiderseitigen Planflächen (10, 11) aneinanderliegen, die Kegelwinkel des Innenkegels (3) und des Übergangsbereiches (2) gleich sind und der Innenkegel (3) und der Übergangsbereich (2) flächig aneinander abgestützt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ringnut (4) elastisches Füllmaterial eingebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (4) durch einen Einstich in der Planfläche (11) des ersten Bauteils (9) oder durch eine ringförmige Ausnehmung im Übergangsbereich zwischen der Planfläche (11) und der Aufnahme und den in die Ausnehmung eingesetzten Einsatz (17) gebildet ist, wobei das freie Ende des Schenkels (3.1) von der Planfläche (11) weggerichtet ist.

6. Vorrichtung nacfi einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung beiderseits der Kegelbohrung (16) einen zylindrischen Abschnitt aufweist, von denen der an die größere Öffnung der Kegelbohrung (16) angrenzende Abschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der an die kleinere Öffnung angrenzende Abschnitt und beide Abschnitte zueinander konzentrisch sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt geringeren Durchmessers einen in seinem Durchmesser daran angepassten Zapfen (7d) der Spanneinheit (7) führend aufnimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt größeren Durchmessers mit einem Innengewinde (8) versehen ist, in das ein Außengewinde (7a) eines angepassten Gewindezapfens der Spanneinheit (7) eingreift.