DE4025765C1 - Chuck body for lathe - has base jaw and adjustable clamping jaw with common drive - Google Patents

Description

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

Dabei kann es sich auch um Spannfutter handeln, deren Betätigung - wie allgemein bekannt - durch eine axial bewegliche Zugstange der Werkzeugmaschine bewirkt wird. Es ist prinzipiell bekannt, bei Spanfutter die Zustellbewegung an das zu spannende Werkstück und die Spannbewegung der Spannelemente funktional zu trennen. So zeigt beispielsweise das Drehfutter EG-ES der Firma Röhm (Röhm: "Taschenbuch für Spannzeuge", Ausgabe 1973, Kapitel B, Seite B 39) ein Drehfutter, bei dem die Spannelemente aus Grundbacken und den eigentlichen Spannbacken bestehen. Mittels einer Gewindespindel wird dabei bei jedem einzelnen Spannelement zwecks Zustellung die Spannbacke radial bezüglich der Grundbacke verstellt. Beim Spannen wird in bekannter Weise der spiralverzahnte Ring, der mit allen Grundbacken kämmt, gedreht, und dadurch werden alle drei Grundbacken gleichmäßig radial verstellt und mit den Grundbacken die auf ihnen befestigten eigentlichen Spannbacken.

Eine ähnliche Konstruktion zeigt auch die DE-OS 32 33 917, bei der zusätzlich die an den Spannelementen im Betrieb der Maschine auftretenden Fliehkräfte durch parallele, axial bewegliche Ausgleichsgewichte kompensiert werden.

Naturgemäß soll bei einem Spannfutter der Einsatzbereich möglichst groß sein und somit der Spannbereich ebenfalls möglichst groß gehalten werden. Demgegenüber soll der bei der Spannung vollzogene Spannhub aus sicherheitstechnischen Gründen möglichst gering gehalten werden. Bei den bekannten Konstruktionen bedeutet dies, daß die eigentlichen Spannbacken bezüglich ihrer Grundbacken über einen weiten Bereich, den zu maximierenden Spannbereich, verstellbar sein müssen. Bereits dies führt - gerade in den Extremstellungen des Spannbereiches - zu einem ungünstigen Kraftfluß vom Werkstück über die Spannbacke, die Verstellspindel, die Grundbacke und die Spiralplatte in den Grundkörper.

Weiterhin werden beim Stand der Technik bei der Zustellung und damit Einstellung des Spannfutters auf ein neues Werkstück an jedem Spannelement die Spannbacken jeweils einzeln gegenüber ihren Grundbacken verstellt, was aufgrund der manuellen Vorgehensweise nicht nur viel Zeit kostet, sondern auch keine allzu große Positioniergenauigkeit ermöglicht, da hierfür die Zustellung an allen vorhandenen Backen jeweils exakt gleich vorgenommen werden müßte.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem gattungsgemäßen Spannfutter eine solche Trennung von Zustell- und Spannbewegung zu schaffen, die eine hohe Positioniergenauigkeit ermöglicht, formschlüssig arbeitet, stufenlos verstellbar und außerordentlich steif ist und darüber hinaus eine automatische Zustellung sowie eine aktive Werkstückpositionierung begünstigt.

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

Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die gemeinsame Bewegung von Grundbacke und Spannbacke bei der Zustellung können diese so zueinander angeordnet werden, daß der Kraftfluß von der Spannbacke in die Grundbacke optimal läuft. Beim Spannen selbst wird von der Spannbacke ein geringfügiger Spannhub vollzogen, während die Grundbacke in ihrer Position bezüglich des Grundkörpers des Spannfutters unverändert bleibt. Die Positioniergenauigkeit, die durch unerwünschtes Spiel zwischen den einzelnen Komponenten gemindert wird, kann deshalb nur in geringerem Maß als bei den bekannten Konstruktionen auftreten, da beim Spannen nur eine Relativbewegung zwischen Spannbacke und Grundbacke erfolgt und nur dort Setzerscheinungen auftreten können, während bei den bekannten Konstruktionen diese sowohl zwischen Spannbacke und Grundbacke als auch zwischen Grundbacke und Spiralplatte auftreten können.

Die Antriebe für die einzelnen Spannelemente können dabei sowohl mechanisch als auch elektrisch gekoppelt werden. Die mechanische Kopplung ist dann sinnvoll, wenn eine immer gleichmäßige Zustellbewegung aller Spannelemente eines Spannfutters gewünscht wird, also beispielsweise bereits genau vorbearbeitete Werkstücke aufgenommen werden sollen.

Sind dagegen auch unbearbeitete Werkstücke vom Spannfutter aufzunehmen, so empfiehlt sich eine elektrische Kopplung, wobei jedem Spannelement ein einzelner Motor als Antrieb zugeordnet ist, diese Motoren jedoch elektrisch gekoppelt sind, wobei die Korrelation zwischen den einzelnen Antrieben nicht unbedingt auf eine gleichmäßige Verstellung ausgerichtet sein muß, sondern Verstellungen in festen Verhältnissen zueinander etc. möglich sind, bedingt durch den jeweiligen Anwendungsfall.

Bei einem Verstellantrieb der einzelnen Spannelemente mittels Elektromotoren empfiehlt sich der Einsatz von Schrittmotoren, da hierdurch bei automatischer Verstellung ohne zusätzliche Meßsysteme jederzeit die Position der Grundbacken bekannt ist und zusätzlich sehr leicht eine gewünschte Korrelation zwischen den Zustellbewegungen der einzelnen Grundbacken durch entsprechende Steuerung der einzelnen Schrittmotoren möglich ist.

Vorteilhafterweise wird es sich bei der eigentlichen Spannbacke lediglich um eine relativ klein dimensionierte Spannplatte handeln, was eine Massenreduzierung des gesamten Spannelementes bedeutet und bei dem nur geringen durchzuführenden Spannhub eine einfache Konstruktion hinsichtlich der Bewegungsmöglichkeit der Spannplatte gegenüber der Grundbacke ermöglicht.

Die Spannplatte kann gegenüber der Grundbacke mittels eines in der Grundbacke gelagerten Arbeitskolbens beaufschlagt und bei entsprechend flexibler Befestigung bewegt werden, wobei der Arbeitskolben durch ein Druckmedium beaufschlagt wird, welches sich in dem Druckraum innerhalb der Grundbacke befindet. Zur Minimierung der Dichtungsprobleme dieses Hydraulikmediums innerhalb der Grundbacke wird nicht Hydrauliköl, sondern ein pastöses Medium verwendet, was außer einer besseren Abdichtung zusätzlich bei Verwendung mehrerer Arbeitskolben innerhalb einer Grundbacke eine gleichmäßige Krafteinleitung in die Arbeitskolben und damit in unterschiedliche Stellen der Spannplatte ermöglicht.

Das Hydraulikmedium innerhalb der Grundbacke wird seinerseits wiederum durch andere Kolben unter Druck gesetzt, welche ebenfalls in der Grundbacke geführt werden. Obwohl diese Kolben durch viele bekannte Möglichkeiten, nämlich Zuführung eines weiteren Hydraulikmediums etc. beaufschlagt werden können, empfiehlt sich bei Einsatz eines solchen Spannfutters an einer Werkzeugmaschine, welche mit einer Zugstange zum Bewirken des Spannvorganges ausgerüstet ist, eine Bewegung dieser Kolben durch die Bewegung der Zugstange zu bewirken. Selbstverständlich können auch hier pro Spannelement mehr als ein Kolben vorhanden sein, wobei die Kolben vorzugsweise parallel wirken.

Bei Betätigung mittels der Zugstange der Werkzeugmaschine sind die Kolben in den Grundbacken so anzuordnen, daß ihre Wirkrichtung parallel zur Bewegungsrichtung der Zugstange liegt.

Dann ist es möglich, die Axialbewegung der Zugstange in eine Axialbewegung der Kolben der Grundbacken umzusetzen, wobei deren Wirkrichtungen zwar parallel, jedoch gegenläufig sind. Zusätzlich muß berücksichtigt werden, daß dies unabhängig von der radialen Lage der Grundbacke und damit der zu beaufschlagenden Kolben möglich sein muß.

Dies ist dadurch möglich, daß die Zugstange in an sich bekannter Weise über Keilhaken eine reine Radialbewegung eines keilförmigen Teils bewirkt. Wenn dieses keilförmige Teil auf der den Spannelementen zugewandten Stirnseite schräg ausgebildet ist und auf dieser schrägen Stirnfläche eine Relativbewegung zwischen dem keilförmigen Teil und einem Axialkeil möglich ist, so ergibt sich durch die Axialbewegung der Zugstange und die daraus folgende Radialbewegung des keilförmigen Teils eine reine Axialbewegung des Axialkeils. Besitzt dieser eine zur Symmetrieachse des Spannfutters senkrecht stehende Stirnseite in Richtung auf die Spannelemente, so kann er mit seiner Axialbewegung die Kolben der Grundbacken in jeder Radiallage der Grundbacken beaufschlagen.

Aus der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß ein Kraftmeßsystem zwischen Grundbacke und Spannbacke angeordnet werden kann, während dies bei den bekannten Systemen zwischen der Spiralplatte und der Grundbacke erfolgen müßte.

Weiterhin kann in vorteilhafter Weise beim erfindungsgemäßen Spannfutter als Spannplatte eine flexible Spannplatte eingesetzt werden, also ein Element, welches sich unterschiedlichen Konturen der zu spannenden Werkstücke in gewissen Grenzen anpaßt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein solches Kraftmeßsystem bei einer - vor allem manuellen und automatischen - Zustellung der Spannelemente gegen das Werkstück ebenfalls wirksam ist und dadurch bei der Zustellung eine definierte Vorspannung erzielt werden kann. Erst nach Erreichen eines Schwellenwertes der Anpreßkraft bzw. des Druckes am Werkstück bei der Zustellung wird diese beendet. Durch die Überwachung dieser Voraussetzung für alle vorhandenen Spannbacken eröffnet sich die Möglichkeit der Feinpositionierung eines nur grob eingelegten Werkstücks als Ergebnis des Zustellvorganges.

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 eines Spannelementes 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 Grundbacken 1 unter einem Winkel von jeweils 90° zueinander und können über sehr große radiale Distanzen verfahren werden, wie Teleskopabdeckungen 30 erkennen lassen.

Jede der Grundbacken 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 Grundbacke 1 stillsteht und an jeder Grundbacke 1 als Spannbacke 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 Werkstücks 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 desSpannfutters) 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 Zwischenstücks 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 Keilhaken 9 verschraubt ist. Dieser kegelstumpfförmige Keilhaken 9 besitzt in an sich bekannter Weise entlang von vier symmetrisch über seinen 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 abgeschrägten 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 Werkstücks weist, verläuft schräg zur Symmetrieachse, und auf dieser Stirnfläche sind wiederum - jeder Grundbacke zugordnet - 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 Grundbacke 1, an deren Rückseite in 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 Grundbacke 1 eingeschoben werden können und dadurch im Inneren der Grundbacke 1 einen Arbeitsdruck erzeugen. Die Axialbewegung der Kolben 26 wird durch die Axialbewegung jeweils eines Axialkeils 11 bewirkt, der mit seiner nach vorn gerichteten Stirnseite auf die hinteren Strinflächen der beiden Kolben 26 drückt. Die Kolben 26 sind zusammen mit den Grundbacken 1 radial verschiebbar, so daß die hintere Stirnfläche der Kolben 26 radial an der vorderen Stirnfläche 75 des Axialkeils 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 Axialkeils 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 Grundbacke 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 angeben, 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 Grundbacke 1 den Druck erzeugt, während die Dehnmeßstreifen 79 auf dem kleineren Durchmesser befestigt sind. Damit wird eine Beschädigung der Dehnmeßstreifen 79 durch die Grundbacke 1 bei relativer Bewegung der Kolben 26 zur Grundbacke 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 an der Grundbacke 1 durchführt, wie im folgenden gezeigt wird. Zusätzlich - und gänzlich unabhängig von der Spannbewegung - kann die Grundbacke 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 Bestimmfunktion der Grundbacke 1 ermöglicht.

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

Die Grundbacke 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 Grundbacke 1 die am freien Ende durch das Werkstück eingebrachten Kräfte momentensteif aufzunehmen vermag. Zwischen dem äußeren Rand des Spannfutters und dem äußeren Rand der Grundbacke 1 ist dabei die in Fig. 1 und 2 sichtbare Teleskopabdeckung 30 montiert, die beim Verfahren der Grundbacke 1 in Richtung auf die Symmetrieachse 99 des Spannfutters die ansonsten freiliegenden Führungen, also die Nuten 82, abdeckt.

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

Diese Hohlschraube 4 ist mit einer Stirnseite frei drehbar in der radialen Innenseite der Grundbacke 1 gelagert und besitzt eine zentrische Bohrung, die mit einem Keilwellenprofil versehen ist und mit einer etwas größeren Durchgangsbohrung in der Grundbacke 1 fluchtet. Eine Keilwelle 5 erstreckt sich durch die Durchgangsbohrung der Grundbacke 1 und die hierzu passende innere Keilwellenverzahnung der Hohlschraube 4 vom Außenrand des Spannfutters radial bis in die Nähe der Symmetrieachse 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 ihre Außenverzahnung entlang einer entsprechenden Innenverzahnung im Grundkörper 2 (siehe Fig. 3) in radialer Richtung des Spannfutters verschraubt wird. Da die Hohlschraube 4 mit der Grundbacke 1 frei drehend, aber axial nicht lösbar verbunden ist, wird hierdurch auch die Grundbacke 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 Grundbacke 1 von einem separaten Schrittmotor 62 angetrieben, wobei Grundbacke 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 Zahnradantriebes für die Keilwelle 5 dargestellt.

Diese Art der Radialverstellung der Grundbacke 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 Grundbacke 1, die ein Innengewinde besitzt, in welcher 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 Backe 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 Grundbacke 1 eingeführt. Von dort verläuft der Kraftfluß weiter in die Hohlschraube 4, die sich unmittelbar an der Grundbacke 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 gegebenenfalls bis zum Anschlag am Werkstück eine definierte Bestimmkraft aufbringen müssen, die eine ausreichende Anlage der Backe am Werkstück zum Ausdruck bringen, so daß die Verstellbewegung hierauf beendet wird.

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

Die Grundbacke 1 wird nun so weit 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 Grundbacke 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 Grundbacke 1 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 Grundbacke 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 wesentlich 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 Werkstücks zu ermöglichen. Die hier dargestellte Spannplatte 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 Grundbacke 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 Berich 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 Grundbacke 1 möglich, wie sie auftritt, wenn die Spannfläche des Werkstücks 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 Flächenpressung zwischen den Vorderseiten 67 der äußeren Zungen 18 und 19 und den entsprechenden Berichen 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 Grundbacke 1 geführt und liegt ebenso wie der innenliegende Arbeitskolben 14 im gleichen Druckraum, wird also durch den von den Kolben 26 an der hinteren Stirnseite der Grundbacke 1 erzeugten Arbeitsdruck beaufschlagt. Das Verhältnis zwischen den durch die äußeren Zungen 18 und 19 und den durch die mittlere Zunge 17 aufgebrachten Kräften 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 außenliegende 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 Grundbacke 1, wobei diese Verschraubung auf der vom Werkstück abgewandten 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 Backe und der das Drehmoment aufnehmenden Nut 82 möglichst gering zu halten. In Fig. 4 sind ferner die Wippe 16 sowie die Auflageflächen 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 Grundbacke 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 Biegegelenks erfüllt.

Ebenso wie in den Fig. 2 und 5 die Balligkeit dert 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 auch automatisches Wechseln der Spannplatten 20 möglich, welche in 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 Werkstücks 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 Grundbacken 1 dienen. Eine solche Null-Lage-Bestimmung ist von Zeit zu Zeit notwendig, wenn an den einzelnen Grundbacken 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 Spreizteils 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 Spreizteils 25 von der Schraube 24 verhindert.

In die vordere Stirnfläche des Längsanschlages 22 ist zusätzlich ein Abdeckteil 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 so weit 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 Grundbacken 1 wird diejenige radiale Lage bezeichnet, bei der beim radialen Verfahren der Grundbacken 1 nach innen die Spannplatte 20 mit einer solchen Kraft am Referenzteil anliegt, daß hierdurch über die Zungen 17, 18, 19 und die Arbeitskolben 14 und 15 in dem dahinterliegenden Druckraum in der Grundbacke 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 Grundbacke 1 erreicht, also nicht nur der Verstellvorgang, sondern auch der Bestimmvorgang der Backe bezüglich des Werkstücks durchgeführt, woran sich - bei Stillstand der Grundbacke 1 - die Spannbewegung anschließt, die lediglich in einer Radialbewegung der Zungen 17, 18, 19 zusammen mit der Spannplatte 20 besteht.

Somit besteht das beschriebene Spannfutter aus einzeln verstellbaren Grundbacken mit Spannplatten, die sich jeweils einschließlich ihres Antriebes bei der Bearbeitung des ebenfalls drehenden Werkstücks 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 in das Werkstück eingebracht werden.

Claims (11)

1. Spannfutter für Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehmaschinen, mit einem Grundkörper und radial hierzu beweglichen Spannelementen, die jeweils aus Grundbacke und Spannbacke bestehen, wobei die Lage der Spannbacke relativ zur Grundbacke verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zustellung an das zu spannende Werkstück die Grundbacke (1) zusammen mit der Spannbacke innerhalb des relativ großen Spannbereiches radial bezüglich des Grundkörpers (2) mittels eines Antriebes verfahrbar ist und daß beim Spannen die Spannbacke bezüglich der Grundbacke (1) um einen relativ kleinen Spannhub beweglich ist, während die Lage der Grundbacke (1) gegenüber dem Grundkörper (2) unverändert bleibt.

2. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe für die Grundbacken (1) aller Spannelemente (13) des Spannfutters gekoppelt sind.

3. Spannfutter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung der Antriebe der Grundbacken (1) mechanisch erfolgt, so daß alle Grundbacken (1) gemeinsam und um den gleichen Zustellweg verfahren werden können.

4. Spannfutter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung der Antriebe der Grundbacken (1) elektrisch erfolgt, so daß die einzelnen Spannelemente (13) zeitlich und örtlich korreliert zugestellt werden können.

5. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Spannbacke um eine Spannplatte (20) handelt.

6. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacke gegenüber der Grundbacke (1) mittels wenigstens eines in der Grundbacke gelagerten Arbeitskolbens (14; 15) bewegt wird, wobei der Arbeitskolben (14; 15) durch das in einem Druckraum der Grundbacke (1) enthaltene und druckbeaufschlagbare Hydraulikmedium beaufschlagbar ist.

7. Spannfutter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydraulikmedium im Druckraum der Grundbacke (1) durch wenigstens einen Kolben (26) beaufschlagbar ist, der ebenfalls in der Grundbacke (1) geführt wird.

8. Spannfutter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Kolbens (26) durch die Axialbewegung einer an der Werkzeugmaschine zur Spannfutterbetätigung vorgesehenen Zugstange (34) bewirkt wird.

9. Spannfutter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (26) parallel zur Symmetrieachse (99) des Spannfutters bewegbar ist.

10. Spannfutter nach den Ansprüchen 8 und 9, wobei die axial bewegliche Zugstange in bekannter Weise über Keilhaken (9) eine radiale Bewegung wenigstens eines Zwischenkeils (10) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der schrägen Stirnfläche der Zwischenkeile (10) ein Axialkeil (11) abläuft und dadurch ausschließlich axial bewegt wird und mit seiner werkstückseitigen Stirnseite (75) den Kolben (26) der Grundbacke (1) beaufschlagt.

11. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannfutter vier Spannelemente (13) aufweist, die um 90° versetzt zueinander am Grundkörper (2) angeordnet sind.