DE4025752C1 - Chuck for machine tool - has short threaded cylindrical block to fit into recess at back of jaw - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannfutter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Spannfutter bestehen in aller Regel aus einem Grundkörper und an diesem beweglichen Spannelementen, die linear und bezüglich des Grundkörpers radial bewegt werden, um sich dem Zentrum, also der Symmetrieachse des Spannfutters und damit dem zu spannenden Werkstück zu nähern bzw. sich davon zu entfernen.

Obwohl prinzipiell viele Möglichkeiten zur Bewirkung der Linearbewegung der Spannelemente zur Verfügung stehen, ist eine verbreitete Lösung der Linearantrieb mittels einer Gewindelspindel und zugehöriger Mutter, mit deren Hilfe beispielsweise auch bei einer Planscheibe die Spannelemente radial verstellt werden (vgl. z. B. DE-PS′en 7 42 288 und 74 508).

Der Nachteil einer solchen Verstellung der Spannelemente über eine antreibende Gewindespindel und eine in das Spannelement integrierte, nicht drehende Mutter liegt darin, daß zunächst einmal die Leitung des Kraftflusses über mehrfache Umlenkungen erfolgt und dabei auch über die antreibende Spindel. Da der Querschnitt dieser Spindel aus konstruktiven Gründen möglichst kleingehalten werden soll und die Spann- und Fliehkräfte, die über die Spindel geleitet werden, in den Lagerungen der Spindel im Grundkörper aufgenommen werden müssen, werden die maximal verkraftbaren Spann- und Fliehkräfte durch die Steifigkeit und damit die Dimensionierung des Spindelquerschnittes und der Spindellagerung begrenzt. Dies führt entweder zu einer ungenügenden Steifigkeit des Spannfutters oder zu einer entsprechenden großen und schweren Konstruktion.

Darüber hinaus ist die bei der Planscheibe verwendete Spindelverstellung für die Übertragung auf eine flexible Spanneinrichtung nicht geeignet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine radiale Verstellung der Spannelemente eines gattungsgemäßen Spannfutters zu schaffen, bei der unter Beachtung kurzer Wege für die Leitung des Kraftflusses eine formschlüssige Verbindung zumindest zwischen einem Teil der Spannelemente und dem Grundkörper gegeben ist und ein Einsatz des Spannfutters im Hinblick auf automatischen Betrieb, hohe Positionsgenauigkeit und Einbau einer Sensorik möglich ist

Diese Aufgabe ist in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Da zumindest ein Teil des Spannelements selbst drehbar angetrieben wird und bei seiner Drehung das Spannelement radial im Innengewinde des Grundkörpers verfahren wird, ist einerseits eine formschlüssige Verbindung zum Grundkörper und andererseits ein kurzer Kraftfluß, nämlich direkt vom Spannelement über die Berührungsfläche zum Grundkörper in diesen erreicht. Unabhängig davon, wie das Spannelement bzw. zumindest ein Teil davon in Drehung versetzt wird, erfolgt der Kraftfluß der Spann- und Fliehkräfte nicht über dieses antreibende Element.

Zweckmäßige Ausgestaltungen bzw. Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Gewindeverbindung zwischen Spannelement und Grundkörper wird in aller Regel selbsthemmend ausgebildet sein, um eine selbsttätige radiale Verstellung des Spannelementes zu vermeiden.

Das Spannelement bzw. zumindest ein Teil davon kann mit einer Vielnutwelle in Drehung versetzt werden, die in einer entsprechend profilierten Ausnehmung innerhalb des Spannelements läuft. Wenn diese entsprechende Ausnehmung die Spannbacke nicht vollständig durchdringt, ist es möglich, den Angriffspunkt des Spannelementes am Werkstück innerhalb der Gewindeabstützung des Spannelementes am Grundkörper, also auf der Achse der Vielnutwelle beispielsweise, anzuordnen. Selbstverständlich ist dann ein Längenausgleich der Vielnutwelle notwendig, die jedoch am hinteren, freien Ende der Vielnutwelle vorgenommen werden kann, während das vordere Ende im Spannelement festliegt. Bei einer durchgehenden Ausnehmung dagegen kann die Vielnutwelle an festen Punkten des Grundkörpers gelagert werden, beispielsweise am äußeren Rand und auf der anderen Seite in der Nähe der Mittelachse des Spannfutters. Ein aufwendiger Längenausgleich ist nicht notwendig, jedoch muß nun unbedingt eine Vielnutwelle vorgesehen sein, um das mittels Drehung sich entlang des Grundkörpers und damit auch entlang der Vielnutwelle verschiebende Spannelement an jeder Axialposition der Vielnutwelle drehend antreiben zu können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Drehen des gesamten Spannelementes, welches an dem Werkstück angreift, vermieden werden, indem das Spannelement aus der eigentlichen, nicht drehenden Spannbacke und einer Hohlschraube besteht, die axial formschlüssig und drehbar in der Spannbacke gelagert ist und von der Vielnutwelle angetrieben wird. Diese Hohlschraube besitzt auch das Außengewinde, welches im entsprechenden radial gerichteten Innengewinde des Grundkörpers verschraubt wird und dadurch die Linearbewegung erzeugt. Die Hohlschraube überträgt jedoch wegen ihrer drehbaren Lagerung in der Spannbacke lediglich die Linearbewegung, nicht jedoch die Drehbewegung auf die Spannbacke, so daß die nicht drehende Spannbacke in radialer Richtung in Längsführungen geführt werden kann, die sehr geringe Toleranzen besitzen, so daß eine hohe Steifigkeit und Positioniergenauigkeit der Spannbacke gegeben ist. Durch Veränderung der Gewindesteigung kann weiterhin erreicht werden, daß die von der antreibenden Welle aufzunehmenden Kräfte noch sehr gering sind, während bereits aufgrund der geringen Gewindesteigung zwischen Spannelement (Hohlschraube) und Grundkörper eine hohe Anpreßkraft der Spannbacke am Werkstück gegeben ist.

Auch in diesem Fall kann die antreibende Vielnutwelle die Hohlschraube vollständig durchdringen. In diesem Fall wird vorteilhafterweise auch die Spannbacke in einer entsprechenden, etwas größeren Durchgangsbohrung von der Vielnutwelle durchdrungen, da sich zur Verbesserung des Kraftflusses Spannbacke und Hohlschraube möglichst auf der gleichen radialen Linie befinden sollten.

Auf diese Art und Weise kann eine äußerst einfache und dennoch sichere Lagerung der Hohlschraube in der Spannbacke erzielt werden, indem die Hohlschraube so in einer entsprechenden Aussparung der Spannbacke sitzt, daß sie auf ihren beiden Stirnseiten - abgesehen von etwas Spiel - an der Spannbacke anliegt, also von dieser auf der radial innen liegenden als auch auf der radial außen liegenden Stirnseite umschlossen wird. Da sowohl die Hohlschraube als auch die Spannbacke dabei von der Vielnutwelle durchdrungen werden, ist eine einfache formschlüssige Verbindung zwischen Spannbacke und Hohlschrauben in deren Achsrichtung gegeben. Selbstverständlich muß die Hohlschraube dabei seitlich geringfügig über die Spannbacke hinausragen, um dort im Eingriff mit dem Innengewinde des Grundkörpers zu stehen. Ansonsten kann sich die Hohlschraube jedoch vollständig innerhalb der Spannbacke befinden.

Die Längsführung der nicht drehenden Spannbacke in den radial am Grundkörper ausgebildeten Führungen bietet weiterhin die Möglichkeit, Momente durch die Spannbacke aufzunehmen.

Der Drehantrieb der antreibenden Welle, also beispielsweise der Vielnutwelle, geschieht vorteilhafterweise über einen Schrittmotor, über dessen Ansteuerung unter Berücksichtigung der Gewindesteigung zwischen Spannelement und Grundkörper die radiale Position des Spannelements jederzeit klar ist.

Da die Schrittmotoren entsprechend klein und leicht als Zukaufteil zur Verfügung stehen, kann die antreibende Welle jedes Spannelementes jeweils mit einem separaten Schrittmotor ausgestattet werden, so daß die Spannelemente unabhängig voneinander radial bezüglich des Grundkörpers verstellt werden können.

Da bei gleichbleibendem Spiel im Gewinde zwischen der Hohlschraube des Spannelementes und dem Grundkörper die Führungsgenauigkeit in radialer Richtung um so größer wird, je größer der Durchmesser des Gewindes ist, empfiehlt es sich, die Hohlschraube mit einem relativ großen Durchmesser auszuführen, jedoch die axiale Länge der Hohlschraube gering zu halten. Dadurch ist zusätzlich - bei weitgehender Aufnahme der Hohlschraube in der Spannbacke - eine relativ große Breite der Spannbacke erzielbar, was der Führungsgenauigkeit und Steifigkeit der Backe zugute kommt und andererseits aufgrund der geringen axialen Länge der Hohlschraube eine relativ geringe Dicke der Spannbacke - in radialer Richtung des Spannfutters gesehen - ermöglicht, so daß das Eigengewicht der Spannbacke und damit die Fliehkräfte in Grenzen bleiben.

Die Hohlschraube kann zur Montage und Demontage entweder seitlich oder von der Rückseite her in die entsprechende Aussparung der Spannbacke aufgenommen werden. Um die Hebelwirkung auf die Spannbacke bei Beaufschlagung durch das Werkstück geringzuhalten, sollte der Angriffspunkt der Spannbacke am Werkstück möglichst nahe einerseits an den Kraft aufnehmenden Längsführungen der Spannbacke im Grundkörper und andererseits an dem Gewinde, welches das Spannelement, also die Hohlschraube, mit dem Grundkörper verbindet, gewählt werden.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden beispielhaft anhand der schematischen Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

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

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

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

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

Fig. 5 eine Einzeldarstellung einer Spannbacke des Futters,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Die Stirnseite der Zwischenkeile 10, die in Richtung des Werkstückes weist, verläuft schräg zur Symmetrieachse, und auf dieser Stirnfläche sind wiederum - jeder Spannbacke zugeordnet - vier Axialkeile 11 angeordnet, deren dem Werkstück zugewandte Stirnseiten 75 rechtwinklig zur Symmetrieachse 99 des Spannfutters stehen. Da diese Axialkeile 11 mit den nach innen gewandten Seiten axial beweglich, aber radial fest mit dem Grundkörper 2 über die Kontaktfläche 76 verbunden sind, bewirkt jedes Betätigen der Zugstange 34 eine Radialbewegung der Zwischenkeile 10 und in der Folge hiervon wiederum eine Axialbewegung der Axialkeile 11.

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

Wie Fig. 6 zeigt, handelt es sich dabei um zwei nebeneinander in axialer Richtung liegende Kolben 26, die in die hintere Stirnseite der Spannbacke 1 eingeschoben werden können und dadurch im Inneren der Spannbacke 1 einen Arbeitsdruck erzeugen. Die Axialbewegung der Kolben 26 wird durch die Axialbewegung jeweils eines Axialkeiles 11 bewirkt, der mit seiner nach vorne gerichteten Stirnseite auf die hinteren Stirnflächen der beiden Kolben 26 drückt. Die Kolben 26 sind zusammen mit den Spannbacken radial verschiebbar, so daß die hintere Stirnfläche der Kolben 26 radial an der vorderen Stirnfläche 75 des Axialkeiles 11 entlanggleiten kann.

In Fig. 1 ist ferner ein Federstahlband 61 zu erkennen, welches mit seinem einen Ende an den Kolben 26 und mit dem anderen Ende mit dem Grundkörper 2 des Spannfutters verbunden ist und zwischen diesen beiden Befestigungspunkten eine in radialer Richtung liegende Schleife bildet, die in einer radialen Nut 78 in der Rückseite des Axialkeiles 11 liegt. An diesem Federstahlband 61 sind hydraulische Leitungen 73 und elektrische Leitungen 80 befestigt, die vom Futtergrundkörper 2 zu dem Kolben 26, also der druckerzeugenden Einheit, an der Spannbacke 1 führen.

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

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

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

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

Der Verstellmechanismus für die Spannbacken 1 ist in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt:

Die Spannbacke 1 ist radial verfahrbar und weist zu diesem Zweck beidseitig vorstehende Führungsnasen 81 auf, die in entsprechenden Nuten 82 des Grundkörpers 2 geführt sind. Die Führungsnasen 81 liegen dabei an den zum Werkstück zu- und von dem Werkstück abgewandten Seiten an den Wänden der Nut 82 möglichst spielfrei an, so daß die Spannbacke 1 die am freien Ende durch das Werkstück eingebrachten Kräfte momentensteif aufzunehmen vermag. Zwischen dem äußeren Rand des Spannfutters und dem äußeren Rand der Spannbacke 1 ist dabei die in Fig. 1 und 2 sichtbare Teleskopabdeckung 30 montiert, die beim Verfahren der Spannbacke 1 in Richtung auf die Symmetrieachse 99 des Spannfutters die ansonsten freiliegenden Führungen, also die Nut 82, abdeckt.

Jede der Spannbacken 1 wird durch einen zugeordneten separaten Schrittmotor 62 (siehe Fig. 2) unabhängig von den anderen Spannbacken angesteuert und in radialer Richtung verfahren. Dadurch ist auch ein unsymmetrisches Einspannen eines Werkstückes bzw. das zentrische Einspannen eines unsymmetrischen Werkstückes möglich. Zu diesem Zweck ist in einer Aussparung 28 an der Spannbacke 1 gegen die Symmetrieachse 99 zugewandt eine Hohlschraube 4 angeordnet, die auf ihrer zylindrischen Außenfläche mit einem Gewinde 3 versehen ist. Beide - also Spannbacke 1 und Hohlschraube 4 - zusammen bilden das Spannelement 13.

Diese Hohlschraube 4 ist mit einer Stirnseite frei drehbar in der radialen Innenseite der Spannbacke 1 gelagert und besitzt eine zentrische Bohrung, die mit einem Keilwellenprofil versehen ist und mit einer etwas größeren Durchgangsbohrung 27 in der Spannbacke 1 fluchtet. Eine Keil- bzw. Vielnutwelle 5 erstreckt sich durch die Durchgangsbohrung 27 der Spannbacke 1 und durch die hierzu passende innere Keilwellenverzahnung der Hohlschraube 4 vom Außenrand des Spannfutters radial bis in die Nähe der Symmetriachse 99 des Spannfutters.

Wird nun die Keilwelle 5 in Drehung versetzt, so steht diese mit der inneren Keilverzahnung der Hohlschraube 4 im Eingriff, welche durch die Drehbewegung über ihr Außengewinde 3 entlang einem entsprechenden Innengewinde 6 im Grundkörper 2 (siehe Fig. 3) in radialer Richtung des Spannfutters verschraubt wird. Da die Hohlschraube 4 mit der Spannbacke 1 frei drehend, aber axial nicht lösbar verbunden ist, wird hierdurch auch die Spannbacke 1 radial verfahren.

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

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

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

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

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

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

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

Anschließend wird die Spannbewegung selbst nicht von der Spannbacke 1 als Ganzes durchgeführt, sondern von der an ihr angebrachten Spannplatte 20. Diese wird durch die freien Enden von drei als Stempel zur Druckbeaufschlagung dienenden, beweglichen Zungen 17, 18, 19 von ihrer Rückseite her beaufschlagt, welche wiederum durch Arbeitskolben 14, 15, die innerhalb der Spannbacke 1 gelagert sind und durch den von den Kolben 26 erzeugten Druck aktiviert werden, beaufschlagt werden.

In der Ansicht der Fig. 2 und als Detaildarstellung in Fig. 5 ist die Spannplatte 20 in Richtung der Symmetrieachse 99 des Spannfutters dargestellt. Die dem (nicht dargestellten) Werkstück zugewandte Vorderseite 65 der Spannplatte 20 ist eben, während die Rückseite entsprechend der Krafteinleitung durch die Zungen 17, 18 und 19 angepaßt ist: Im Bereich der Krafteinleitung durch diese Zungen 17, 18, 19 weist die Spannplatte 20 einen wesentlichen dickeren Querschnitt auf, während zwischen den Krafteinleitungsbereichen bzw. -flächen 72 der Querschnitt gering gehalten wurde, um eine ausreichende Elastizität der Spannplatte 20 zur Anpassung an die Außenkontur des zu spannenden Werkstückes zu ermöglichen. Die hier dargestellte Spannplatte 20 mit ebener Vorderseite 65 ist zum Spannen von Körpern mit relativ großem Außendurchmesser und im Spannbereich geringem Krümmungsradius vorgesehen. Bei kleinen Werkstücken mit großem Krümmungsradius kann die Vorderseite 65 konkav ausgebildet sein, jedoch mit etwas größerem Krümmungsradius, so daß bei radialem Verstellen der Spannbacke 1 die Spannplatte 20 immer zuerst mit dem mittleren Bereich das Werkstück berührt.

In der Ansicht der Fig. 2 und 5 ist zu erkennen, daß die Vorderseite 66 der mittleren Zunge 17 eben ausgebildet ist, und analog hierzu in diesem Bereich auch die die Krafteinleitungsfläche 72 bildende Rückseite der Spannplatte 20. Beide sind durch einen in Fig. 5 nur angedeuteten Stecker 21 lose und leicht lösbar miteinander verbunden, wie auch in Fig. 1 zu erkennen.

In Blickrichtung der Symmetrieachse 99 des Spannfutters, also den Darstellungen der Fig. 2 und 5, gesehen, sind dagegen die Vorderseiten 67 der äußeren Zungen 18, 19 konvex ballig ausgebildet, und analog hierzu ist die Rückseite der Spannplatte 20 in diesem Bereich - d. h. an den Krafteinleitungsflächen 72 - konkav ballig. Dadurch ist eine Schrägstellung der Spannplatte 20 zu der in Fig. 5 strichpunktiert eingezeichneten Symmetrielinie der Spannbacke 1 möglich, wie sie auftritt, wenn die Spannfläche des Werkstückes in diesem Bereich schräg zu dieser Symmetrielinie steht. Da die äußeren Zungen 18 und 19 mit annähernd der gleichen Kraft beaufschlagt werden, ist bei schräger Werkstückoberfläche eine der beiden Zungen 18, 19 weiter in Richtung auf den Werkstückmittelpunkt vorgeschoben als die andere der äußeren Zungen, wobei sich jedoch aufgrund der balligen Vorderseiten 67 immer die gleiche Größe einer Kontaktfläche und damit die gleiche Flächenspannung zwischen den Vorderseiten 67 der äußeren Zungen 18 und 19 und den entsprechenden Bereichen der Rückseite der Spannplatte 20 ergibt.

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

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

Fig. 4 zeigt ebenso wie Fig. 1 die Verschraubung der beiden äußeren Zungen 18 und 19 mittels Schrauben 100 an der Spannbacke 1, wobei diese Verschraubung auf der vom Werkstück abgewandten Seite der Keilwelle 5 liegt.

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

In Fig. 1 und 7 ist ferner eine Verjüngung 57 im Querschnitt der mittleren Zunge 17 dargestellt, welche eine erhöhte Elastizität der Zunge in diesem Bereich ergibt und damit die Funktion eines mechanisch ausgebildeten Biegegelenkes erfüllt.

Ebenso wie in den Fig. 2 und 5 die Balligkeit der Vorderseiten des inneren Arbeitskolbens 14 sowie der äußeren Zungen 18 und 19 zu erkennen ist, zeigt die Ansicht der Fig. 1, also quer zur Symmetrieachse 99, eine Krümmung der Vorderseite der mittleren Zunge 17. Hieran angepaßt ist eine konkav ballige Rückseite der Spannplatte 20 im Bereich des Kontaktes mit der Vorderseite der mittleren Zunge 17. Fig. 1 zeigt auch den Stecker 21, der aus der Rückseite der Spannplatte 20 hervorragt und in eine entsprechende Bohrung 84 in der mittleren Zunge 17 gedrückt werden kann. Die Bohrung 84 weitet sich nach außen kegelförmig auf und nach Überwindung einer Engstelle vergrößert sich auch der Querschnitt zum Inneren der mittleren Zunge 17.

Der Stecker 21 ist in Längsrichtung von seinem freien Ende her eingeschnitten, wobei das freie Ende annähernd kugelförmig ausgebildet ist. Beim Einschieben des freien Endes des Steckers 21 in die Öffnung 84 (Fig. 7) in der mittleren Zunge 17 wird durch das Zusammendrücken des geschlitzten Steckers 21 die Engstelle in der Öffnung 84 überwunden und durch das anschließende Aufspreizen aufgrund der Materialelastizität des Steckers 21 dieser samt Spannplatte 20 auch entgegen der Schwerkraft an der mittleren Zunge 17 gehalten. Dies ist ausreichend, da bei Beaufschlagung der Spannplatte 20 mit der Spannkraft diese gegen die konvex ballige Fläche der Zunge 17 gedrückt wird, was durch die Fliehkräfte noch erhöht wird. Durch die einfache Ausbildung der Steckverbindung zwischen der Spannplatte 20 und der mittleren Zunge 17 ist ein einfaches und automatisches Wechseln der Spannplatte 20 möglich, welche Anpassung an die zu spannenden Werkstückkonturen gewechselt werden kann.

In Fig. 1 und ebenso in Fig. 2 ist ferner ein Längsanschlag 22 im Spannfutter gezeichnet, um eine definierte Axiallage eines automatisch einzusetzenden Werkstückes zu ermöglichen.

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

Der Längsanschlag 22 besteht aus einem hohlen, drehsymmetrischen Teil, welches sich mit einer Schulter 52 an der dem Werkstück zuweisenden Stirnseite 51 des Grundkörpers 2 in der Nähe der Symmetrieachse 99 des Spannfutters abstützt (Fig. 7). Ein Abheben von dieser Stirnfläche 51 wird dadurch verhindert, daß der Längsanschlag 22 in den Grundkörper 2 hineinragt, dessen hierfür vorgesehene zentrische Ausnehmung 50 eine ringförmig umlaufende Ausnehmung 45 besitzt, die sich in Richtung auf das Werkstück schräg nach innen verjüngt. In diese ringförmige Ausnehmung 45 des Grundkörpers 2 ragen entsprechend geformte, schräg nach außen laufende Enden 91 hinein, die am hinteren Ende des Längsanschlages 22 ausgebildet sind und eine von der hinteren Stirnseite her offene, kegelstumpfförmige Ausnehmung besitzen, in welcher ein kegelstumpfförmiges Spreizteil 25 liegt. Nach dem Zurückschieben des Spreizteiles 25 federn die Enden 91 des Längsanschlages 22 so weit nach innen, daß der Längsanschlag ohne weiteres aus dem Grundkörper 2 entnommen bzw. in diesen eingesetzt werden kann. Durch eine zentrale, abgestufte Durchgangsöffnung des Längsanschlages 22 wird von der vorderen Stirnseite, also vom Werkstück her, eine Schraube 24 durch den Längsanschlag 22 geschoben und mit dem Spreizteil 25 verschraubt, entgegen der Kraft einer Schraubenfeder 55, die den Kopf der Schraube 24 von dem Längsanschlag 22 abzudrücken versucht.

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

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

In die vordere Stirnfläche des Längsanschlages 22 ist zusätzlich ein Abdeck- bzw. Einschraubteil 23 fest eingepaßt. Dadurch wird ein unbeabsichtigtes Entfernen der Schraube 24 vermieden und diese bleibt dennoch zugänglich, da das Einschraubteil 23 eine innere, durchgehende Öffnung besitzt, die etwas kleiner als der Schraubenkopf ist, um diesen zu sichern. Das Einschraubteil 23 - dessen vordere, zum Werkstück weisende Stirnfläche natürlich nicht über die Stirnfläche des Längsanschlages 22 hervorragen darf - besitzt in der durchgehenden Öffnung ein Innengewinde. In dieses kann ein nicht dargestellter Gewindestift passender Länge - geführt von einer Handhabungseinheit oder einem Bediener - bis zur Anlage, z. B. an einer Schulter, eingeschraubt werden. Der Gewindestift drückt dabei die Schraube 24 soweit gegen die Kraft der Feder 55 zurück, daß das daran befestigte Spreizteil 25 aus dem Bereich des Längsanschlages 22 gerät und dessen Enden 91 nach innen zurückfedern können. Der Längsanschlag 22 ist dann zu entnehmen. Ein Referenzteil mit gleichem Wirkmechanismus kann ebenso eingebracht werden.

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

Somit besteht das beschriebene Spannfutter aus einzeln verstellbaren Spannbacken, die sich jeweils einschließlich ihres Antriebes bei der Bearbeitung des ebenfalls drehenden Werkstückes drehen und nach der Zustellbewegung und einer bestimmten Anlage am Werkstück durch Betätigung der Zugstange 34 gespannt werden, so daß unabhängig von den hierfür notwendigen radialen Spannwegen die gleichen Spannkräfte von allen Backen 1 in das Werkstück eingebracht werden.

Claims (10)

1. Spannfutter für Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehmaschinen, mit einem Grundkörper und mit radial bezüglich des Grundkörpers beweglichen Spannelementen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Spannelemente (13) zu deren Radialverstellung im Grundkörper (2) drehbar antreibbar ist und ein Außengewinde (3) aufweist, welches in einem radial ausgerichteten Innengewinde (6) des Grundkörpers (2) läuft.

2. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindeverbindung zwischen den Spannelementen (13) und dem Grundkörper (2) selbsthemmend ausgelegt ist.

3. Spannfutter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb für die Radialverstellung der Spannelemente (13) mittels einer drehantreibbaren Welle geschieht.

4. Spannfutter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spannelement (13) aus einer Spannbacke (1) und einer Hohlschraube (4) besteht, welche axial formschlüssig und drehbar in der Spannbacke (1) gelagert ist, wobei die Hohlschraube (4) das im Innengewinde (6) des Grundkörpers (2) laufende Außengewinde (3) sowie eine bezüglich des Grundkörpes (2) radial gerichtete Ausnehmung mit Vielnutprofilierung zum Eingriff mit der als Vielnutwelle (5) ausgebildeten drehantreibbaren Welle besitzt und die Spannbacke (1) in radial am Grundkörper (2) ausgebildeten Führungen (82) drehfest und weitgehend spielfrei geführt wird.

5. Spannfutter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung der Hohlschraube (4) eine Durchgangsöffnung ist und mit einer etwas größeren Durchgangsbohrung (27) der Spannbacke (1) fluchtet, so daß die Vielnutwelle (5) beide durchdringt, aber nur mit der Hohlschraube (4) im Eingriff steht und einerseits in der Nähe der Symmetrieachse (99) des Spannfutters und andererseits an dessen Peripherie gelagert ist.

6. Spannfutter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb der Vielnutwelle (5) über einen elektrischen Schrittmotor (62) geschieht.

7. Spannfutter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Drehantrieb jeder Vielnutwelle (5) ein eigener Schrittmotor (62) vorhanden ist.

8. Spannfutter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Hohlschraube (4) wesentlich größer ist als ihre axiale Länge.

9. Spannfutter nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlschraube (4) in der Spannbacke (1) gelagert ist, indem sie so in einer Aussparung (28) der Spannbacke (1) sitzt, daß sie auf beiden Stirnseiten von der Spannbacke (1) umschlossen ist.

10. Spannfutter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hohlschraube (4) vollständig innerhalb der Spannbacke (1) befindet.