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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Spannfutter einschließlich einer
Hülse,
eines Werkzeugaufnahmeteils als auch eines Kupplungsteils, wobei
der Werkzeugaufnahmeteil und der Kupplungsteil integrale Bestandteile
sind, so daß der
Werkzeugaufnahmeteil in dem Bereich des von dem Kupplungsteil abgewandten
Endes eine sich axial erstreckende Vertiefung hat, welche dafür vorgesehen
ist, ein Werkzeug aufzunehmen, und daß die Hülse aus einem separaten Element
besteht und daß der
Werkzeugaufnahmeteil in dem Bereich für die Vertiefung äußerlich konisch
(kegelförmig)
ist, und daß eine
innere Begrenzungswand in der Hülse
kegelförmig
ist.
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Stand der
Technik
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Es
gibt eine Vielzahl von Typen bekannter Spannfutter, die prinzipiell
auf unterschiedliche Weise funktionieren. Eine kurze Darstellung
einiger üblicher
Typen wird in dem speziellen Beschreibungsteil unten gegeben, wobei
diese mittels Figuren erläutert werden.
Ein dem Oberbegriff von Anspruch 1 entsprechendes Spannfutter ist
aus der US-A-4 021 051 bekannt. Als zusätzliche Beispiele des Standes
der Technik wird auf die Schweizerische Patentschrift 363 541 Bezug
genommen, wobei eine aus dieser Schrift zuvor bekannte Klemmhülse dafür vorgesehen
ist, bei der Herstellung von Kupplungen, Dichtungen und ähnlichem
verwendet zu werden. So ist es nicht eine Frage eines Spannfutters/Werkzeughalters.
Im allgemeinen ist der zu verbindende Schaft oder ähnliches
von einer Hülse
aus einem verformbaren Material, zum Beispiel Kunststoff, umgeben.
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Ziele und
Merkmale der Erfindung
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Ein
erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spannfutter der
in der Einleitung beschriebenen Art zu beschreiben, welches große Klemmkräfte erzeugt,
d.h. daß sie
ein genaues und stabiles Festklemmen des Werkzeugs bietet, und zwar
trotz der außergewöhnlich einfachen
Ausgestaltung.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist, daß das Spannfutter verhältnismäßig schmal
sein sollte, was eine gute Zugänglichkeit
während
der Bearbeitung sicherstellt.
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Ein
wiederum anderes Ziel der Erfindung ist, daß das Spannfutter kostengünstig herzustellen
sein sollte.
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Ein
noch zusätzliches
Ziel der Erfindung ist, daß das
Spannfutter benutzerfreundlich sein sollte, und zwar speziell in
Verbindung mit dem Werkzeugaustausch.
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Die
Ziele der vorliegenden Erfindung werden mittels eines Spannfutters
mit den in dem anschließenden
Anspruch 1 definierten Merkmalen realisiert. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden in den anhängenden
Ansprüchen
definiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Unten
wird eine Reihe von Beispielen des Standes der Technik als auch
eine Reihe von Ausführungsformen
des der vorliegenden Erfindung entsprechenden Spannfutters unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen
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die 1a–1e schematisch
einige bekannte Spannfutter-Typen zeigen,
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2 schematisch einen Querschnitt
durch eine erste Ausführungsform
des der vorliegenden Erfindung entsprechenden Spannfutters zeigt,
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3 schematisch einen Querschnitt
durch eine zweite Ausführungsform
des der vorliegenden Erfindung entsprechenden Spannfutters zeigt,
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4 die Ausführungsform
von 2 in Explosionsdarstellung
zeigt,
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5 schematisch einen Querschnitt
durch eine dritte Ausführungsform
des der vorliegenden Erfindung entsprechenden Spannfutters zeigt,
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6 schematisch einen Querschnitt
durch eine vierte Ausführungsform
des der vorliegenden Erfindung entsprechenden Spannfutters zeigt,
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7 die Ausführungsform
von 5 in Explosionsdarstellung
zeigt, und
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8 eine modifizierte Variante
der Ausführungsform
von 5 in Explosionsdarstellung
zeigt.
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Beschreibung
des Standes der Technik sowie von bevorzugten Ausführungsformen
des Spannfutters gemäß der vorliegenden
Erfindung
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In 1a wird ein Spannfutter
des "Weldon"-Typs gezeigt. Bei
diesem Spannfutter-Typ wird eine radiale Schraube verwendet, welche
das Werkzeug festklemmt, indem sie auf eine oder mehrere Ebenen
einwirkt, die an dem Schaft des Werkzeugs angeordnet sind. Dieser
Spannfutter-Typ ist von der Struktur her einfach, aber die Schraube
und deren Fixierpunkt sind hoher Belastung ausgesetzt und die Steifigkeit
des Spannfutters variiert in verschiedenen Belastungsrichtungen.
Der Schaft des Werkzeugs muß mit
einer geschliffenen Ebene ausgestattet sein, was die Herstellungskosten
des Werkzeugs erhöht und
gleichzeitig eine Schwächung
des Schaftes des Werkzeugs darstellt.
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In 1b wird ein Spannfutter
des „Signal-Kerben"-Typs gezeigt, wobei
Spannfutter dieses Typs von der Struktur her eine ganz ähnliche
Form haben wie die "Weldon"-Spannfutter, die
Ebene an dem Schaft des Werkzeugs aber so ausgerichtet ist, daß die Kraft,
welche die Schraube auf den Schaft des Werkzeugs ausübt, eine
Komponente hat, welche von dem freien Ende des Werkzeugs aus in
der axialen Richtung desselben gerichtet ist.
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In 1c wird eine Spannzange
gezeigt, welche ein mechanisches Spannfutter ist, welches eine Gewindehülse als
auch eine kegelförmige
lockere Hülse
umfaßt,
eine mit Gewinde versehene Pfostenmutter, welche mit der Gewindehülse zusammenwirkt,
die axial versetzt ist und ihrerseits die lockere kegelförmige Hülse versetzt,
was zu einem Festklemmen des Werkzeugs führt. Dieser Spannfutter-Typ
ist in radialer Richtung steif, jedoch ist die Klemmkraft, die man
erreichen kann, begrenzt, und das Spannfutter ist nicht besonders
schlank.
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In 1d wird ein hydraulisches
Spannfutter gezeigt, wobei dieser Spannfutter-Typ üblicherweise eine
Metallmembran umfaßt,
die den Schaft des Werkzeugs umgibt, wobei ein Hydraulikdruck auf
die Metallmembran aufgewendet wird und sie so gegen das Werkzeug
gepreßt
wird, was zu dessen Festklemmen führt. Dieser Spannfutter-Typ
kann relativ schlank hergestellt werden, er ist aber in radialer Richtung
verhältnismäßig schwach,
da die Membran üblicherweise
eine bestimmte Bewegung des Werkzeugs gestattet.
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In 1e wird ein Schrumpf-Spannfutter
gezeigt, welches auf dem Prinzip basiert, daß das Spannfutter durch Erwärmen geweitet
wird, wobei ein Festklemmen des Werkzeugs erreicht wird, wenn das
Spannfutter abkühlt.
Dieses Prinzip ergibt gute Festklemmkräfte, jedoch ist der Werkzeugwechsel zeitaufwendig,
da das Spannfutter erwärmt
und dann wieder zum Abkühlen
gebracht werden muß,
bevor man es benutzen kann.
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Die
in den 2 und 4 gezeigte Ausführungsform
des Spannfutters entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
Hülse 1,
einen Werkzeugaufnahmeteil 3 sowie einen Kupplungsteil 5, welcher
zum Beispiel als ein Teil eines Werkzeughalters des ISO-Cone, COROMANT
CAPTO®-Typs oder eines anderen
geeigneten Halters eingeschlossen sein kann, mittels dessen das
Spannfutter in einer Spindel festgeklemmt wird. Der Werkzeugaufnahmeteil 3 umfaßt eine
Vertiefung 7, ein Werkzeug 9, in diesem Fall einen
Bohrer, der in der Vertiefung aufgenommen ist. Diese Vertiefung 7 hat
bei der Ausführungsform
gemäß 2 eine relativ kurze axiale Ausdehnung,
d.h. die Vertiefung 7 erstreckt sich nur entlang eines
Teils der axialen Länge
des Werkzeugaufnahmeteils 3.
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Äußerlich
hat der Werkzeugaufnahmeteil 3 in dem Bereich der Vertiefung 7 eine
leicht kegelförmige Gestalt,
wobei der Kegelwinkel dem Konzept der vorliegenden Erfindung entsprechend,
in dem Intervall von 0, Werkzeugaufnahmeteil 3–15°, bevorzugt in dem Intervall
von 1–10° liegen sollte.
Allgemein läßt sich
sagen, daß der
Werkzeugaufnahmeteil 3 dünne Wände hat, was ein wichtiges Merkmal
ist, wenn man eine gute Funktion des der vorliegenden Erfindung entsprechenden
Spannfutters erzielen will.
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Die
Hülse 1 hat
eine innere Durchgangsbegrenzungswand 10, welche ebenfalls
leicht kegelförmig
ist und einen Kegelwinkel hat, der im Prinzip mit dem Kegelwinkel
des Werkzeugaufnahmeteils 3 übereinstimmt. Äußerlich
hat die Hülse 1 in
der gezeigten Ausführungsform
eine kreisförmige
zylindrische Form, was aber für
die Funktion des Spannfutters keine direkte Bedeutung hat, die Hülse muß aber so
geformt sein im Hinblick auf die Dicke und die Wahl des Materials,
auf dem es beruht und die Belastung, welche auftritt, wenn das Spannfutter
sich in der aktiven Position befindet, was unten im Detail beschrieben
wird. Es ist auch wichtig, daß die
Hülse 1 äußerlich
so geformt ist, daß sie
in einer festen Verbindungsposition eingeklemmt werden kann, wobei die
Hülse 1 und
der Werkzeugaufnahmeteil 3 axial in Bezug aufeinander,
siehe unten, für
die Montage und Demontage des Werkzeugs versetzt werden.
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Die
Ausführungsform
gemäß 3 unterscheidet sich von
der Ausführungsform
gemäß 2 durch die Tatsache, daß die Vertiefung 7' ein größeres Ausmaß in axialer
Richtung hat als die Vertiefung 7. Wie man in 3 sehen kann, erstreckt
sich die Vertiefung 7' in
den Kupplungsteil 5 hinein, was bedeutet, daß der Werkzeugaufnahmeteil 3' eine längere aktive
axiale Ausdehnung erhält.
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Im
Prinzip arbeiten die Ausführungsformen gemäß den 2 und 3 auf die gleiche Weise, wobei die Montage
eines Werkzeugs in dem Spannfutter nach den 2 und 3 so
vorgenommen wird, daß das
Werkzeug 9; 9' in
der Vertiefung 7; 7' in
dem Werkzeugaufnahmeteil 3; 3' plaziert wird. Dann wird die Hülse 1 nach
oben über
den äußeren kegelförmigen Werkzeugaufnahmeteil 3; 3' in der Richtung
von dessen freien Ende hinauf zu dem Kupplungsteil 5 versetzt,
wobei der dünnwandige
Werkzeugaufnahmeteil 3; 3' in diesem Zusammenhang etwas elastisch
verformt wird, während
eine auf das Werkzeug 9; 9' wirkende Klemmkraft ausgeübt wird.
Die konkrete Versetzung der Hülse 1 in
Bezug auf den Werkzeugaufnahmeteil 3; 3' kann auf verschiedene
Weise unter Verwendung geeigneter Ausrüstung erfolgen. Das Prinzip
sollte sein, daß die
Hülse 1 und
der Werkzeugaufnahmeteil 3; 3' einzeln in feste Positionen eingeklemmt
werden, und dann eine Kraft aufgewendet wird, welche eine gegenseitige
axiale relative Versetzung der Hülse 1 und
des Werkzeugaufnahmeteils 3; 3' verursacht. Das Festklemmen des
Werkzeugaufnahmeteils 3; 3' kann mittels der üblicherweise
in dem Kupplungsteil 5 vorkommenden Greifnut 11 erfolgen,
während
das Festklemmen der Hülse 1 mittels
Flansche oder mittels einer oder mehrerer Nuten an deren Außenseite
erfolgen kann, welche in eine oder mehrere entsprechende Nut oder
Nuten in der imaginären
Montagefixierung passen. Die für
das Aufbringen der in Rede stehenden relativen Versetzung der Hülse 1 und
des Werkzeugaufnahmeteils 3; 3' notwendigen Kraft kann zum Beispiel
auf hydraulische, pneumatische oder mechanische Weise (zum Beispiel
einem Hebelarm) erreicht werden.
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Für den Fall,
daß die
relative Versetzung es mit sich bringt, daß die Hülse 1 in der Richtung
auf den Kupplungsteil 5 hin versetzt wird, wird eine Klemmkraft
auf das Werkzeug 9; 9' in dem Werkzeugaufnahmeteil 3; 3' ausgeübt. Das
Prinzip der Erfindung ist, daß der
Kegelwinkel des Werkzeugaufnahmeteils 3; 3' und die innere
Begrenzungswand 10 der Hülse 1 so klein gehalten
werden, daß sie
selbsthindernd ist, d.h. die Hülse 1 durch
die Reibung an Ort und Stelle gehalten wird. Wie oben bereits herausgestellt,
sollte der Kegelwinkel in dem Intervall von 0,3–15°, und bevorzugt in dem Intervall
von 1–10° liegen.
Der Winkel, der innerhalb des Intervalls gewählt wird, hängt von der Reibung ab, die
sich in dem Kontakt zwischen den kegelförmigen Oberflächen ergibt,
wobei diese Reibung ihrerseits von der Natur der Oberflächen sowie
möglichen
Beschichtungen, welche verwendet werden können, abhängt.
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Bei
der in den 5 und 7 gezeigten Ausführungsform
des der vorliegenden Erfindung entsprechenden Spannfutters ist die
Hülse 1'' mit einem ersten Außengewinde 12'' an dem Ende der Hülse 1'' versehen, welches zu dem Kupplungsteil 5'' hin gewendet ist. Der Werkzeugaufnahmeteil 3'' ist bei der Ausführungsform
gemäß den 5 und 7 im Prinzip der gleiche wie der Werkzeugaufnahmeteil 3 in
der Ausführungsform
gemäß 2, wobei aber der Werkzeugaufnahmeteil 3'' gemäß 5 ein zweites Außengewinde 13'' nahe dem Kupplungsteil 5'' hat.
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Das
Spannfutter gemäß den 5 und 7 umfaßt auch eine Klemmhülse 14'' mit zwei Innengewinden 15'' und 16'',
welche dafür
vorgesehen sind, mit den Außengewinden 12'' beziehungsweise 13'' zusammenzuwirken. Die Innengewinde 15'' und 16'' verlaufen
in verschiedenen Richtungen, d.h. eines davon ist rechts herum gewunden
und das andere ist links herum gewunden, wobei das erste Außengewinde 12'' und das damit zusammenwirkende
Innengewinde 15'' natürlich in
der gleichen Richtung gewunden sind. Das gleiche gilt für das zweite
Außengewinde 13'' und das zweite Innengewinde 16''. Das bedeutet, daß wenn die
Klemmhülse 14'' in einer bestimmten Richtung gedreht
wird, die Hülse 1'' zu dem Kupplungsteil 5'' hin versetzt wird, und wenn die Klemmhülse 14'' in der entgegengesetzten Richtung gedreht
wird, die Hülse 1'' von dem Kupplungsteil 5'' weg versetzt wird. Somit liegt
auf der Hand, daß statt des
Versetzens der Hülse 1 mit
einer von außen
aufgewendeten Kraft, wie etwa bei den Ausführungsformen gemäß den 2 und 3, die Versetzung der Hülse 1'' bei der Ausführungsform gemäß den 5 und 7 mittels Drehung der Klemmhülse 14'' erreicht wird. Mit anderen Worten,
das Festklemmen des Werkzeugs 9'' funktioniert
entsprechend den Ausführungsformen
gemäß den 2 und 3, d.h. die Hülse 1'' wird
an dem Werkzeugaufnahmeteil 3'' aufgrund der
Tatsache an Ort und Stelle gehalten, daß der Kegelwinkel für den Werkzeugaufnahmeteil 3 und
die innere Begrenzungswand 10'' so
klein ist, daß er selbsthindernd
ist. Das Vorhandensein der Klemmhülse 14'' stellt
aber einen zusätzlichen
Vorteil dar, so daß die
Hülse 1'' nicht unabsichtlich versetzt werden kann,
wenn das Spannfutter sich in der aktiven Position befindet.
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Die
Ausführungsform
des der vorliegenden Erfindung entsprechenden Spannfutters, die
in den 6 und 8 gezeigt wird, gleicht ziemlich
der Ausführungsform
gemäß den 5 und 7, wobei der fundamentale Unterschied
in der Tatsache besteht, daß die Vertiefung 7''',
in welcher das Werk zeug 9''' aufgenommen wird, eine größere axiale
Ausdehnung hat, siehe 6,
als die Vertiefung 7'' gemäß 5 und das der Werkzeugaufnahmeteil 3''' über sich
axial erstreckende Schlitze 17''' verfügt.
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Die
Tatsache, daß der
Werkzeugaufnahmeteil 3''' in dem Bereich seines freien Endes
mit Schlitzen 17''' versehen wurde, stellt sicher,
daß der
Werkzeugaufnahmeteil 3''' als ganzes flexibler ist und daß dieser
Teil von der Struktur her betrachtet aus einer Reihe von Zungen
besteht, die man zum Widerlagern an dem Werkzeug 9''' bringen
kann, und zwar durch die Tatsache, daß die Hülse 1'' der
Klemmhülse 14'' auf dem Werkzeugaufnahmeteil 3''' auf
die Weise bewegt wird, die oben in Verbindung mit den 5 und 7 beschrieben wurde. Die Anordnung der
Schlitze 17''', d.h. die erhöhte Flexibilität des Werkzeugaufnahmeteils 3''' stellt
sicher, daß die
Dicke der Wand des Werkzeugaufnahmeteils 3''' erhöht werden
kann, d.h. der Werkzeugaufnahmeteil 3''' wird im allgemeinen
steifer, ohne daß das
auf das Werkzeug 9''' wirkende Klemmvermögen verringert
wird. Die erhöhte Flexibilität des Werkzeugaufnahmeteils 3''' stellt auch
sicher, daß man
sogar Werkzeuge verwenden kann, deren Schaftdurchmesser größere Toleranzweiten
haben, ohne daß man
die Spannfutterleistung verringert.
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Was
oben bezüglich
Größe und Auswahl
des Kegelwinkels gesagt wurde, trifft im allgemeinen für alle Werkzeugaufnahmeteile 3; 3'; 3''; 3''' und die inneren
Begrenzungswände 10; 10'' der oben beschriebenen Ausführungsformen
zu. Im allgemeinen ist auch bei allen Ausführungsformen der Werkzeugaufnahmeteil 3; 3'; 3''; 3''' relativ dünnwandig.
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Wie
bei der Wahl des Materials für
das der vorliegenden Erfindung entsprechende Spannfutter besteht
es bevorzugt aus Stahl, wobei aber auch andere Materialien möglich sind.
Für die
Hülse 1; 1'', welche den Werkzeugaufnahmeteil 3; 3'; 3''; 3''' zusammendrückt, kann
man zum Beispiel Metallmatrixmischungen oder andere Materialien
mit einem hohen Elastizitätsmodul
in Kombination mit einem geringen Gewicht verwenden. Dies deshalb,
um die Massekräfte
zu verringern, die auf den Werkzeugaufnahmeteil 3; 3'; 3''; 3''' bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten
wirken. In dem Abschnitt des Werkzeugaufnahmeteils 3; 3'; 3''; 3''', wo sich die
Vertiefung 7; 7'; 7''; 7''' befindet, d.h.
der äußere kegelförmige Abschnitt,
ist es wichtig, ein Material mit einem hohen Fließpunkt zu
haben. Der Kupplungsteil 5; 5'' sollte
aus einem harten Material bestehen.
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Die
Schäfte
der Werkzeuge 9; 9'; 9''; 9''', welche in
das der vorliegenden Erfindung entsprechende Spannfutter eingeklemmt
werden sollen, haben gewöhnlich
einen ISO-Toleranzgrad von 6, es können aber auch andere ISO-Toleranzgrade
verwendet werden, welche speziell die Ausführungsform gemäß den 6 und 8 betreffen. Die Ausführungsform des äußeren kegelförmigen Abschnitts
des Werkzeugaufnahmeteils 3; 3'; 3''; 3''' kann
auf den in Rede stehenden ISO-Toleranzgrad durch unterschiedliche Winkel,
Abmessungen und mögliche
Nuten darin eingestellt werden, um in der Lage zu sein, eine größere radiale
Verformung auszuhalten.
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Im
allgemeinen braucht auch für
das Spannfutter gemäß der vorliegenden
Erfindung kein Öl
verwendet zu werden, was mögliche
Probleme der Undichtigkeit für
den Verwender verringert.
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Mögliche Modifikationen
der Erfindung
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Die
in den 6 und 8 gezeigte Ausführungsform
hat einen Werkzeugaufnahmeteil 3''', welcher mit
Schlitzen 17''' versehen ist. Es ist aber innerhalb
des Erfindungsgedankens auch möglich,
zu berücksichtigen,
daß andere
oben beschriebene Ausführungsformen
axiale Schlitze in dem Werkzeugaufnahmeteil 3; 3'; 3'' haben.