Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur spannenden Aufnahme eines zu bearbeitenden und/oder zu messenden, sich dazu konzentrisch um die Rotationachse einer Maschine drehenden Werkstücks, bestehend aus einem eine konische Ringfläche aufweisenden Spannelement, einem Stützelement mit einer identisch konischen Fläche und einem die beiden Teile in axialer Richtung zueinander verschiebenden Spannglied, wobei das Spannelement mindestens einen in axialer Richtung verlaufenden Schlitz aufweist.

Zur Aufnahme von Werkstücken, die über eine zentrale Öffnung verfügen und sehr genau bearbeitet und/oder nach ihrer Bearbeitung überprüft werden müssen, sind sogenannte Spanndorne bekannt, die aus einem Stützelement und einem das Werkstück aufnehmenden Spannelement bestehen. Dabei weist das Stützelement eine konische Fläche auf und das Spannelement ist mit einer identischen, konischen Fläche versehen. Ferner besitzt das Spannelement mindestens einen in axialer Richtung verlaufenden Schlitz. Mittels eines Spanngliedes kann nun das Spannelement gegenüber dem Stützelement axial verschoben werden. Durch die Konizität führt dies zu einer Änderung des Durchmessers des Spannelementes und damit zu einem Festspannen des auf dem Spannelement befindlichen Werkstückes. Das Stützelement kann dabei entweder dornartig oder hülsenartig ausgebildet sein, so dass Werkstücke entweder von innen oder von außen gespannt werden können. Bei diesen bekannten Spannvorrichtungen wird es als nachteilig angesehen, dass die zum Spannen eines Werkstücks erforderliche Durchmesseränderung des Spannelementes aus dem ursprünglich kreisrunden Querschnitt des Spannelements einen vom Spannbereich und der Spannkraft abhängigen unrunden Querschnitt mit versetzen Zentrum entstehen lässt. Dies hat zufolge, dass dadurch die ursprünglich vollflächige Auflage des Spannelementes auf dem Stützelement verloren geht und eine nicht kontrollier- und nicht reproduzierbare Rundlaufabweichung entsteht. Darüber hinaus hat die axiale Verschiebung des Spannelementes auf bzw. in das Stützelement eine sehr hohe Gleitreibung zufolge, die zum einen zu einem hohen Verschleiß dieser Elemente und damit zur einer weiteren Beeinträchtigung der Rundlaufgenauigkeit führt und zum anderen, insbesondere bei kleinem Kegelwinkel, zur Überwindung der Haftreibung beim Entspannen des Werkstücks sehr aufwendige Maßnahmen erforderlich macht.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekannte Spannvorrichtung dahingehend zu verbessern, dass bei einer einfachen, preiswerten und erfindungsgemäßen Vorrichtung die Konzentrizität des Spannelementes weitestgehend und unabhängig vom Spannbereich und der Spannkraft erhalten bleibt bzw. reproduzierbar ist und die Reibkräfte stark reduziert werden, um auch den Verschleiß zu minimieren, und damit eine hochgenaue, praxisgerechte Spanneinrichtung mit wesentlich höherer Lebensdauer zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe bzw. zur Erlangung wenigstens einer der im vorhergehenden Absatz genannten Ziele wird gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung vorgeschlagen, dass auf der konischen Fläche des Spannelementes ein in gleicher Weise konischer und mit einer Vielzahl von Kugeln gleichen Durchmessers bestückter Kugelkäfig anliegt und das Spannelement über die Kugeln mit der den gleichen Konus aufweisenden Fläche des Stützelements kraftschlüssig verbunden ist. Vorzugsweise sind die Kugeln in axialen Reihen angeordnet. Im Spannelement können beidseitig der Kugelreihen zur Bildung biegeelastischer Übergänge zwischen den die Kugelreihen abstützenden Stege Ausnehmungen vorhanden sein. Die über den Außen- und/oder Innendurchmesser verteilten Ausnehmungen können untereinander gleich und mit gleichem Abstand zur gegenüberliegenden Fläche des Spannelements ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung wird erreicht, dass sich das Spannelement über die Kugelreihen gliederkettenähnlich am Stützelement abstützt, auch bei kleinen Kegelwinkeln, nahezu reibungsfrei und exakt konzentrisch auf das Stützelement zu und von ihm wieder leicht weg bewegen lässt, dass der Verschleiß, die Laufgenauigkeit sowie die Lebensdauer einer hochwertigen linearen Kugelführung entspricht, und dass durch die Ausgestaltung und Anordnung des Kugelkäfigs der Schlitz des Spannelementes in sinnvoller Weise abgedichtet werden kann.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Spannelement zweL in axialer Richtung verlaufende Schlitze auf, die in Umfangsrichtung gesehen um 180° versetzt sein können. Das Spannelement kann somit aus zwei gleich ausgebildete Spannelementschalen bestehen, die beispielsweise über gesonderte Klammerelemente miteinander verbunden sein können.

Soweit das Spannelement nur einen Schlitz aufweist, kann dem Schlitz diametral gegenüberliegend eine Verdrehsicherung für das Spannelement gegenüber dem Stützelement einbringbar sein. Bei dem Ausführungsbeispiel mit den zwei Spannelementschalen ist bevorzugt jeweils in jede Spannelementschale eine Verdrehsicherung gegenüber dem Stützelement einbringbar. Eine entsprechende Aussparung für die Verdrehsicherung liegt vorzugsweise in einer Symmetrieebene der Spannelementschale. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 offenbart. Die Erfindung sowie weitere Vorteile derselben werden nachfolgend anhand in einer Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Spannvorrichtung zur Aufnahme von Werkstücken mit einer Bohrung gemäß der Erfindung,

Figur 2 einen zur Achse parallel verlaufenden, jedoch um 90° versetzen Längsschnitt durch die Spannvorrichtung entsprechend Fig. 1 ,

Figur 3 einen Querschnitt durch die Spannvorrichtung entsprechend Figur 1 im mittleren Bereich des Spannelements,

Figur 4 eine perspektivische Darstellung eines längsgeschlitzten Kugelkäfigs,

Figur 5 einen Längsschnitt durch eine weitere Spannvorrichtung zur Aufnahme von Werkstücken mit einer Bohrung gemäß der Erfindung,

Figur 6 einen Querschnitt durch die Spannvorrichtung entsprechend Figur 5 im mittleren Bereich des Spannelements.

Die in den Figuren 1 und 2 der Zeichnung dargestellte Spannvorrichtung 1 besteht aus einem als Dorn ausgebildeten Stützelement 5, das eine konische Außenfläche 5a besitzt. Dabei weist der Konus einen Kegelwinkel von 1 ° bis 12°, vorzugsweise 6° (Neigungswinkel 3°), auf. Das dickere Ende des Stützelements 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig mit einem als Flansch ausgebildeten Anschlussteil 9 gefertigt, über welches das Stützelement 5 an einem entsprechend ausgebildeten Teil, beispielsweise der Spindel einer Drehmaschine, angeflanscht werden kann. In dem Anschlussteil 9 sind beispielsweise vier radiale Gewindebohrungen 9a eingearbeitet, die an sich bekannte Stellschrauben 10 aufnehmen können. Über diese Stellschrauben 10 kann das Anschlussteil 9 und damit das dornartige Stützelement 5 zur Rotationsachse der Maschine genau ausgerichtet werden. Auf der konisch verlaufenden Fläche 5a des Stützelements 5 ist ein mit einem Schlitz 7b versehener, ringfederähnlicher Kugelkäfig 7 gemäß der Figur 4 aufgesteckt, der eine konische, einer Kegelstumpfhülse entsprechende Form mit einem Kegelwinkel von vorzugsweise 6° besitzt. Der Kugelkäfig 7 kann sowohl aus einem metallischen Werkstoff als auch aus geeignetem Kunststoff, beispielsweise aus Teflon bestehen. In diesem Kugelkäfig 7 sind eine Vielzahl von Öffnungen 7c vorgesehen, die in mehreren umlaufenden Reihen über die gesamte Oberfläche des Kugelkäfigs 7 spiegelbildlich zueinander ausgerichtet verteilt angeordnet sind und die jeweils eine Kugel 6 aus gehärtetem Stahl, Hartmetall oder Keramik aufnehmen. Diese vorzugsweise als Präzisionskugeln ausgebildeten Kugeln 6 haben beispielweise einen Durchmesser von 1 ,0 bis 4,0 mm und werden sinnvollerweise mit Fett in die Öffnungen 7c des Kugelkäfigs 7 eingesetzt. Die Anzahl der Öffnungen 7c und damit die Anzahl der Kugeln 6 ist immer vom Spanndurchmesser der Spannvorrichtung 1 abhängig und liegt im gezeichneten Ausführungsbeispiel bei etwa 120.

Der Abstand zwischen den einzelnen Öffnungen 7c bzw. den Kugeln 6 sollte möglichst gering sein, um die Spannkraft auf eine möglichst große Anzahl von Kugeln 6 gleichmäßig zu verteilen und damit die Flächenpressung trotz hoher Spannkraft gering halten zu können. Der als geschlitzte ringfederähnliche Hülse ausgebildete Kugelkäfig 7 ist so dimensioniert, dass er sich mit einer entsprechenden Vorspannung an die konische Fläche 4a eines mit einem Schlitz 4b versehenen Spannelements 4 anlegt und den Schlitz 4b damit abdeckt. Längs des Schlitzes 4b und im gegenüberliegenden Bereich des Kugelkäfigs 7, in dem eine hier nicht dargestellte Verdrehsicherung des Spannelements 4 zum Stützelement 5 vorgesehen werden kann, sind keine Öffnungen 7c bzw. Kugeln 6 vorzusehen, um bei einer diametralen Anordnung der Schlitze 4b, 7b des Spannelementes 4 und des Kugelkäfigs 7 auch eine ausreichend große Abdeckung des Schlitzes 4b des Spannelementes 4 gewährleisten zu können und um so eine der Vorspannung und der Beschaffenheit, insbesondere der Rauheit, beider Flächen 4a, 7a entsprechende radiale Abdichtung zu erzielen.

Während die Fig. 1 die diametrale Anordnung der Schlitze 4b, 7b des Spannelementes 4 und des Kugelkäfigs 7 veranschaulicht, zeigt die Fig. 2 die axiale Anordnung der Kugelreihen 6a und zwei axiale Anschläge 12 für ein aufzunehmendes, hier aber nicht dargestelltes Werkstück. Die Figuren 1 und 2 zeigen ferner, dass das Spannelement 4 und der Kugelkäfig 7 vorteilhaft die gleiche Länge haben und gemeinsam von der als Schraube 3a mit einer Scheibe ausgebildeten Spanngliedes 3 axial auf den konisch ansteigenden Außendurchmesser des Stützelementes 5 geschoben werden können. An der gegenüberliegenden Stirnfläche des Spannelements 4 und des Kugelkäfigs 7 befindet sich ein gummielastischer Federring 11 , beispielsweise aus Vulkollan, der sich einerseits an einer Stirnfläche des Anschlussteils 9 und andererseits an den Stirnflächen des Spannelements 4 und des Kugelkäfig 7 abstützt und so auch die axiale Abdichtung in diesem Bereich übernimmt.

Das Spannelement 4 weist, wie Figur 3 zeigt, parallel zu den Kugelreihen 6a verlaufende Ausnehmungen 4c auf, so dass beidseitig der Kugelreihen 6a biegeelastische Übergänge 4d entstehen, die dafür sorgen, dass sich das Spannelement 4 über die verbleibenden Stege 4e und die Kugelreihen 6a gliederkettenähnlich am Stützelement 5 abstützt und sich so exakt konzentrisch zur Rotationsachse 2 aufweiten oder zusammendrücken lässt und die Spannkraft auf alle Kugeln 6 gleichmäßig verteilt wird.

Die Figur 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung im Längsschnitt. Das Stützelement 5 entspricht im Wesentlichen dem Stützelement 5 in Figur 1. Im Gegensatz zur Ausführung gemäß Figur 1 ist das Stützelement 5 jedoch mit einem Gewindeabschnitt 8 versehen, mit einer Passfedernut 5b ausgestattet und größer durchbohrt. Auch das Anschlussteil 9 entspricht im Wesentlichen dem als Flansch ausgebildeten Anschlussteil 9 in der Figur 1. Es kann aber auch als Dorn mit einem Steilkegelschaft, Morsekegelschaft oder dgl. ausgebildet sein. Zwischen dem Gewindeabschnitt 8 und dem Spannelement 4 befindet sich eine Zwischenscheibe 14 zum Entspannen eines hier nicht dargestellten Werkstücks. Dies geschieht dadurch, dass durch das Drehen eines auf dem Gewindeabschnitt 8 aufgeschraubten Gewinderings 3 die Zwischenscheibe 14 gegen die ihr zugewandten Stirnfläche des Spannelements 4 und damit gegen die Kraft der als Spannglied 3c eingesetzten Feder 15 drückt und das Spannelement so weit axial verschiebt, bis das Werkstück entspannt ist und entnommen werden kann. Nachfolgend kann in dieser Anordnung das nächste Werkstück auf das Spannelement 4 aufgesteckt und in umgekehrter Reihenfolge gespannt werden. Das heißt durch Drehen des Gewinderings 13 in die entgegengesetzte Richtung wird das Spannelement 4 und die Zwischenscheibe 14 mit der Vorspannkraft der als Spannelement 3c wirksamen Feder 15 so weit zurück gestellt, bis sich das auf den Kegel des Stützelements 5 auflaufende Spannelement 4 so weit aufgeweitet hat, dass das Werkstück bei axialer Anlage an den Anschlägen 12 wieder gespannt ist.

Durch den Einsatz der Feder 15 als Spannglied wird eine nahezu konstante, vom Bediener unabhängige sowie unbeeinflussbare Spannkraft erzielt und jegliche Überbeanspruchung des Spannelementes 4, wie sie beispielsweise beim Einsatz einer als Spannglied 3 eingesetzten Schraube 3a oder Mutter 3b bei fehlenden Werkstück entstehen kann, vermieden. Damit ist aber auch eine Überbelastung der Kugelkontaktflächen durch ein zu starkes Anziehen einer als Schraube 3a oder Mutter 3b ausgebildeten Spanngliedes 3 ausgeschlossen.

Die Zustellung des Gewinderings 13 zum Spannen und Entspannen des Werkstücks kann manuell wie auch maschinell erfolgen. Je nach der vorgesehenen Betätigungsart kann die äußere Mantelfläche des Gewinderings 13 mit Nuten, Bohrungen, einer Verzahnung, einem Reibbelag versehen oder als Reibfläche ausgebildet werden. Die beidseitig des Gewinderings 13 angeordneten Dichtelemente 16 sind so ausgelegt, dass sie den sich beim Spannen und Entspannen des Werkstücks ergebenden Versatz in axialer und tangentialer Richtung ausgleichen können und so für eine sichere Abdichtung der Vorrichtung in diesem Bereich sorgen.

Im Bereich der die Zwischenscheibe 14 durchdringenden Anschläge 12 sind Dichtungen 17 vorgesehen, die von der Zwischenscheibe 14 aufgenommen werden und auf den Anschlägen 12 gleiten. Um ein Herausfallen der Dichtungen 17 zu verhindern, können Spreizringe 18 in die Zwischenscheibe 14 eingesetzt werden.

Des Weiteren können auch hierbei nicht dargestellte Dichtscheiben 19 den beiderseitigen Stirnflächen des Spannelements 4 zugeordnet werden.

Die Figur 6 zeigt einen Schnitt durch die Spannvorrichtung im mittleren Bereich des Spannelements 4. Auch dieses Spannelement 4 weist parallel zu den Kugelreihen 6a verlaufende Ausnehmungen 4c auf, so dass auch hierbei beidseitig der Kugelreihen 6a biegeelastischer Übergänge 4d entstehen, die dafür sorgen, dass sich das Spannelement 4 über die verbleibenden Stege 4e und die Kugelreihen 6a gliederkettenähnlich am Stützelement 5 abstützt und damit die Spannkraft auf alle Kugeln 6 gleichmäßig verteilt wird. Der Kugelkäfig 7 unterscheidet sich vom Kugelkäfig 7 gemäß Figur 1 dadurch, dass er aus einem gummielastischen Material hergestellt ist und er einen Steg 7d aufweist, der sich formschlüssig an die beidseitigen Wandungen des etwas verbreiterten Schlitz 4b anlegt und ihn damit abdichtet. Dem Schlitz 4b gegenüber ist eine weitere Ausnehmung 4f in das Spannelement 4 eingearbeitet, in die eine am Stützelement 5 befestigte passfederähnliche Verdrehsicherung 20 eingepasst ist.

Auf Grund der guten Rundlauf-Reproduzierbarkeit eines sich derartig kettengliedähnlichen, auf dem Stützelement 5 abstützenden Spannelementes 4 ist es möglich die Rundlaufabweichung einer spielfrei gelagerten Messmaschinenspindel einschließlich der auch nur geringen fertigungsbedingten Rundlaufabweichung der Spanneinrichtung 1 messtechnisch zu erfassen und als Kompensationsgröße in die Messwertauswertung mit einzubeziehen. Je nach Bedarf kann das Spannelement 4 im Bereich der konischen Fläche 4a ausgespart sein, so dass nur bestimmte Abschnitte des Spannelementes 4 über die die Kugeln 6 abstützenden Stege 4e verfügen. Bedarfsweise können aber auch zwei oder mehrere Spannelemente 4 gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers einem Stützelement 5 zugeordnet werden, so dass entsprechend extrem lange Spanndorne bzw. Stufenspanndorne entstehen. Das Spannelement 4 kann wie aufgezeigt als Einzelteil fertigt, aber auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Je nach Ausgestaltung des Spannelements 4 und des Kugelkäfigs 7 ist es möglich, nicht nur Werkstücke mit zylindrischer Bohrung oder zylindrischen Zapfen bzw. Ansatz exakt spannen zu können, sondern in gleicher weise auch profilierte Naben und profilierter Zapfen exakt zu fixieren.

Bezugszeichenliste

1 Spannvorrichtung

2 Rotationsachse

3 Spannglied

3a Spannglied mit Schraube

3b Spannglied mit Mutter

3c Spannglied mit Feder

4 Spannelement

4a konische Fläche des Spannelements

4b Schlitz des Spannelements

4c Ausnehmungen am Umfang des Spannelements

4d biegeelastische Übergänge

4e zwischen den elastischen Übergängen verbleibende Stege

4f Ausnehmung für eine Verdrehsicherung

5 Stützelement

5a konische Fläche des Stützelements

5b Passfedernut

6 Kugeln

6a Kugelreihen

7 Kugelkäfig

7a konische Fläche des Kugelkäfigs

7b Schlitz des Kugelkäfigs

7c Öffnungen im Kugelkäfig

7d Steg zur Abdichtung des Spannelementen-Schlitzes

8 Gewindeabschnitt

9 Anschlussteil

9a Gewindebohrung

10 Stellschrauben

1 1 gummielastischer Federring

12 Anschlag Gewindering Zwischenscheibe Feder

Dichtelemente Dichtung

Spreizring Dichtscheibe Verdrehsicherung