Spannvorrichtung zur Verbindung von Werkzeugkopf und Werkzeug¬ halter an Werkzeugmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zur Verbindung ei¬ nes Werkzeugkopfes mit einem Werkzeughalter an Werkzeugmaschi¬ nen, mit einem wechselbaren Werkzeugkopf, der mit einer zylin¬ drischen oder zumindest teilweise kegeligen Aufnahmebohrung versehen ist, die mit einem entsprechenden Aufnahmezapfen zu¬ sammenwirkt, wobei der Werkzeughalter und der Werkzeugkopf über eine um ihre Längsachse drehbare Spannwelle spannbar sind.

Eine derartige Spannvorrichtung ist beispielsweise in der DE 38 37 007 C2 beschrieben. Die dortige Spannwelle betätigt Spannelemente, die beim Spannen von innen nach außen in Ausneh¬ mungen des Werkzeugträgers bewegt werden, wodurch Werkzeugkopf und Werkzeugträger miteinander kraft- und formschlüssig verrie¬ gelbar sind. Um möglichst kurze Spannwege erzielen zu können, ist die Spannwelle mit spiralig verlaufenden Führungen für die Spannelemente ausgebildet, wobei die Steigung der Führungen in Richtung des zunehmenden Radius von der Drehachse der Spann ^¬ welle abnimmt und die Führungen über einen Drehwinkel von 20 bis 160° laufen. Bei einer entsprechenden Drehung der Spann¬ welle ist der Werkzeugkopf vollständig gespannt oder gelöst. Vorzugsweise laufen die Führungen über einen Drehwinkel von 90°. Als mögliche Verdrehsicherung werden beispielsweise O-Ringe für die Spannwelle angegeben, die jedoch vielfach nicht ausreichend sind.

Als selbsthemmende Spannsysteme sind nach dem Stand der Technik im übrigen Kniehebelspanner oder Exzenter- und Kurvenspanner bekannt. Ein Kniehebelspanner besteht aus zwei abgeknickten Spannhebeln und erreicht in der sogenannten Totpunktlage die größte Spannkraft. In dieser Stellung ist der Kniehebel selbst-

hemmend. Beim Exzenterspanner wird die Spannkraft über einen Exzenterbolzen erzeugt, wovon sich Kurvenspanner nur dadurch unterscheiden, daß sie eine in der Spannrichtung wirkende Spannkurve aufweisen. Den Kniehebel- und den Exzenter- oder Kurvenspannern ist gemeinsam, daß diese nur in einem kleinen Winkelbereich bzw. über einen kleinen Weg Spannkräfte aufbrin¬ gen können. Soweit Exzenter- oder Kurvenspanner verwendet wer¬ den, ist jedoch auch hier die Gefahr des Lockerns des Spannzu¬ standes gegeben, zumindest in einem Teilwinkelbereich.

Für große Winkelbereiche, über welche die Spannwelle oder ein entsprechendes Spannelement zum Spannen oder Lösen des Werk¬ zeugkopfes bewegt werden muß, ist das Probelm der Selbsthemmung bisher noch nicht gelöst.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eingangs genannte Spannvorrichtung dahingehend zu verbessern, daß diese bei allen Spannwinkeln, insbesondere jedoch bei Spannwinkeln über 30" selbsthemmend den Spannzustand aufrechterhält. Die hierzu verwendeten Mittel sollen konstruktiv einfach, sowohl beim manuellen als auch beim automatischen Spannen einsetzbar und weitgehendst schmutzunempfindlich sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst. Die Neuerung dieser Spannvorrichtung be¬ steht darin, daß die Spannwelle im gespannten Zustand über eine richtungsgeschaltete Kupplung (als Rücklaufsperre) in der zum Lösen notwendigen Drehrichtung gesperrt ist und daß die Kupp¬ lung zum Lösen des Werkzeugkopfes aus dem gespannten Zustand durch ein bewegbares Maschinenelement entriegelbar ist.

Unter richtungsgeschalteten Kupplungen, die auch als Freiläufe bezeichnet werden, sind alle Bauformen zu verstehen, die eine Relativdrehung in einer Richtung gestatten, während die andere Drehrichtung gesperrt ist. Im einfachsten Fall können solche Kupplungen Klinkenfreiläufe, wie Sperräder oder Ratschen sein, vorzugsweise handelt es sich jedoch um Klemmkörperfreilaufe.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kupp¬ lung ein radialer Klemmkörperfreilauf, bei dem die Spannwelle als Treibkopf mit sich in einer Drehrichtung verjüngenden Ein¬ schnitten ausgebildet ist, wobei die Spannwelle radial außen von der Bohrung, in der sie gelagert ist, umschlossen ist und daß jeder der Einschnitte an seinem verjüngten Ende eine Durch¬ brechung aufweist, an der das Maschinenelement so ausrichtbar ist, daß der oder die Klemmkörper unter Aufhebung der Sperrwir¬ kung in den breiteren Teil des Einschnittes getrieben werden. In dieser Stellung ist die Kraftübertragung zwischen der Spann¬ welle und der Umgebungsbohrung unterbrochen, d.h. ein Lösen der Spannwelle ist möglich. Andererseits ist das Lösen der Spann¬ welle auch auf den Zustand- beschränkt, in dem die Sperrwirkung von außen durch das eingeführte Maschinenelement aufgehoben ist, d.h., ein unbeabsichtigtes Lösen des eingespannten Werk¬ zeugkopfes während der Werkstückbearbeitung ist ausgeschlossen, da die Kupplung als Rücklaufsperre arbeitet. Diese konkrete Weiterbildung des Erfindungsgedankens hat den Vorteil einer einfachen Bauweise, die zudem noch schmutzunempfindlich ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befinden sich an einem stirnseitigen Ende der Spannwelle eine oder mehrere sternförmige Ausnehmungen, die bis in den Bereich der Ein¬ schnitte reichen, wobei in diese Ausnehmungen ein Steckschlüs¬ sel einsteckbar oder lösbar eingesteckt ist. Vorzugsweise sind drei in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Ein¬ schnitte und eine diese teilweise überlagernde Dreieck-stern¬ förmige Ausnehmung vorgesehen.

Zur besseren Zentrierung des Steckschlüssels kann vorzugsweise die Ausnehmung im Bereich der Längsachse der Spannwelle eine die sternförmigen Randbereiche überragende koaxiale Zentrier¬ bohrung aufweisen, in die ein entsprechend ausgestalteter Zen ^¬ trierstift einführbar oder lösbar eingeführt ist, der als Teil des Steckschlüssels den der Ausnehmung im übrigen entsprechen ^¬ den sternförmigen Vorsprung überragt.

Der Steckschlüssel kann entweder gegen Federspannung axial ver¬ schiebbar gegenüber der Spannwelle angeordnet sein, d.h., die als Maschinenelement dienenden Vorsprünge greifen nur dann in den Bereich der Einschnitte, wenn der Steckschlüssel gegen Fe¬ derkraft betätigt wird. Der Steckschlüssel ist mit Spiel für eine Drehung von vorzugsweise 5° bis 20° gegenüber der Spann¬ welle angeordnet. Dies bedeutet, daß zur Verschiebung der Klemmkörper zusätzlich eine Drehbewegung erforderlich ist, so daß ein unbeabsichtigtes Lösen der Sperrwirkung der Kupplung sicher vermieden wird.

Vorzugsweise werden als Klemmkörper Rollen oder Kugeln verwen¬ det, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Durchbrechung als Rollen- oder Kugelsitz ausgebildet ist.

Weitere Ausführungsformen und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Spannvorrichtung mit

Darstellung der Lage der radial angeordneten Spannwelle im Werkzeug,

Fig. 2 und 3 ^' jeweilige Teilquerschnittsansichten entlang der

Linie II - II bzw. III - III nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine Spannvorrichtung mit einem Exzenterspannbolzen,

Fig. 5 eine Teilansicht des freien Endes einer Spann¬ welle,

Fig. 6 eine stirnseitige Ansicht der Ausführung nach

Fig. 5,

Fig. 7 die Seitenansicht eines Steckschlüssels,

Fig. 8 eine stirnseitige Ansicht des Steckschlüssels nach Fig. 7 und

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Kupplung im gespannten Zustand,

Fig. 10 und 11 jeweils verschiedene Ansichten einer alternati¬ ven Ausführungsform der Kupplung.

Die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen von Spann¬ vorrichtungen gehören ausnahmslos zum Stand der Technik. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 wird der Werkzeugkopf 11 einem Werkzeughalter 10 zugeführt, wozu er einen zylindrischen oder konischen Aufnahmezapfen 13 besitzt, der in eine entspre¬ chend geformte Aufnahmebohrung 15 des Werkzeughalters 10 einge¬ führt werden kann. Hierbei kommen im gespannten Zustand der ringförmige Anlagebund 14 des Werkzeugkopfes 11 und die ring¬ förmige Gegenfläche 16 des Werkzeughalters 10 zur Anlage. Der Werkzeugkopf 11 trägt im vorliegenden Fall eine Wendeschneid¬ platte 12 als Werkzeug.

Als Spannvorrichtung dient eine in Richtung des Doppelpfei¬ les 27 hin und her bewegbare spannbare Spannwelle 17, deren Mantel eine spiralartige Spannbahn 18 und eine spiralartige Führung 19 für das Abdrückelement 21 aufweist. Die entsprechen¬ den Führungen sind in Fig. 2 und 3 dargestellt, wobei es sich im Prinzip um Spiralen oder Kurven mathematisch zweiter oder höherer Ordnung handelt. Nach dem Spannprinzip wird durch die starke Steigung der Spannbahnen am Anfang der Spannweg der Spannelemente bei kurzer Spannbewegung relativ groß, während in einem nachfolgenden, wesentlich flacheren Teil der Spannbahn die erforderlichen hohen Spannkräfte aufgebracht werden. In entsprechender Umkehrung gilt dies für die mit dem Abdrückele¬ ment 21 in Wechselwirkung stehende Führungsspirale 19.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wirkt die Spannwelle 17 auf Spann¬ kugeln 20, die beim Spannen des Werkzeugkopfes 11 in eine ent¬ sprechend ausgebildete Bohrung 25 im Aufnahmezapfen 13 gedrückt werden. Diese Bohrung 25 besitzt wenigstens eine abgeschrägte Seitenfläche 26, um die Spannbewegung möglichst reibungsarm durchführen zu können. Die Spannwelle 17 selbst ist in einer radialen Bohrung 22 des Werkzeughalters 10 einerseits und einer weiteren radialen Bohrung 23 gelagert. Das Spannen bzw. Ab¬ drücken kann durch Verdrehung der Spannwelle um etwa 90° be¬ wirkt werden.

Selbstverständlich sind nach der vorliegenden Erfindung auch solche Ausführungsformen erfaßt, bei der beispielsweise der Werkzeughalter einen Aufnahmezapfen und der Werkzeugkopf eine Aufnahmebohrung besitzt. Im Querschnitt können die Bohrungen kreisförmig, oval oder sonstige Polygonprofile ausgebildet sein.

Wie in Fig. 4 angedeutet, kann jedoch auch die Spannwelle im Querschnitt ein Polygonprofil 24 aufweisen, wobei die Spann¬ welle eine transversale Durchbrechung 29 des Spannzapfens mit einer entsprechend ausgebildeten Spannfläche 30 durchragt. Durch Drehung der Spannwelle mit dem Polygonprofil 24 im Be¬ reich der Durchbrechung 29 kann der in Fig. 4 gespannte Zustand erreicht werden.

Die erfindungsgemäße als lösbare Rücklaufsperre dienende Spann¬ vorrichtung ist in den Fig. 5 bis 9 dargestellt. Die Ausbildung der Spannwelle 17 kann entsprechend -der Fig. 1 bis 4 sein, wo¬ bei die Spannwelle jedoch im hinteren in Fig. 5 dargestellten Teil im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein soll. Die in einer entsprechenden Aufnahme 31 des Werkzeughalters 10 gela¬ gerte Spannwelle 17 besitzt einen ringförmigen Anlagebund 32, der drei Einschnitte 33 aufweist, in denen Rollen 34 gelagert sind. Die Einschnitte 33 sind derart in der

Spannwelle 17 eingebettet, daß sie aus einem verjüngenden Teil bestehen, an dem sich eine Durchbrechung 36 befindet und einem breiteren Ende, in dem die größere Rolle 34 klemmungsfrei ohne Überstand liegen kann. Die Durchbrechung 36 ist gleichzeitig als Führung 37 für die kleinere Kugel 35 ausgebildet. Die Durchbrechung 36 steht in Verbindung mit einer dreieckig¬ sternförmigen axialen Ausnehmung 38, und zwar derart, daß durch Einschieben und Drehen des in Fig. 7 dargestellten Maschinenelementes (Spannschlüssel 39) die Kugeln 35 aus ihrer Lage 37 gedrückt werden, wobei sie die benachbarten Rollen 34 in den größeren Teil der Einschnitte 33 bewegen, so daß die Sperrstellung aufgehoben wird. Der Spannschlüssel 39 besteht aus einem hinteren Schaftteil 40, das ggf. in Form eines Sechskantprofils 41 enden kann. Aus dem Schaftteil 40 ragt stirnseitig ein sternförmiger Vorsprung 42 hervor, dessen drei aus Fig. 8 ersichtlichen Arme jeweils zueinander einen Winkel von 120° bilden. Zentral wird der Vorsprung noch durch einen Zentrierzapfen 43 überragt, dem ggf. eine entsprechende Aufnahmebohrung der Spannwelle angepaßt ist.

Eine Ausführungsvariante ist Fig. 10 und 11 zu entnehmen. Bei dieser Ausführungsform werden jeweils auf einem Ringkörper 52 in Dreieckform angeordnete Backen 47 verwendet, die in entspre ^¬ chende Ausnehmungen 48 eingreifen. Die Rollen 49 liegen in je ^¬ weils einem davon abgetrennten Teil und können durch Drehung der Backen 47 in der durch den Pfeil 50 kenntlich gemachten Richtung festgesetzt werden. Die Drehung des Ringes kann über einen Innensechskanteingriff 51, der axial zugänglich ist, durchgeführt werden. Im übrigen gilt konstruktiv zu der Spann ^¬ welle das oben Ausgeführte.

Der Spannvorgang bei einer Spannvorrichtung gemäß Fig. 1 bis 3 läuft wie bisher durch Drehen der Spannwelle ab, wozu im ein ^¬ zelnen auf die DE 38 37 007 C2 verwiesen wird. Die Spannwelle nach Fig. 4 ist ebenfalls von dem ungespannten Zustand in den

in Fig. 4 dargestellten Zustand durch eine 180'-Drehung zu be¬ wegen. Bei den jeweiligen Spannbewegungen - meist Rechtsdrehun¬ gen - wird die Freilaufeigenschaft der richtungsgeschalteten Kupplung ausgenutzt, d.h., die Kupplung nach Fig. 5 bis 9 be¬ findet sich im gespannten Zustand entsprechend der Darstellung nach Fig. 9. Bei Drehung in Richtung des Pfeiles 44 wird jede der Rollen 34 in ihren Sitz zwischen 32 und 33 gepreßt, wobei die Kugeln 35 jeweils frei in den Führungen liegen. Die Kupp¬ lung befindet sich (siehe Fig. 9) im Sperrzustand. Wird nun das Maschinenbauelement - der Steckschlüssel 39 - mit seinen Vorsprüngen 42 und 43 in die Auεnehmung 38 eingeführt und in Richtung des Pfeiles 45 gedreht und wird hierbei das jeweils zwischen dem sternförmigen- Vorsprung 42 und der Kugeln 35 be¬ stehende Spiel aufgehoben, so werden die Kugeln 35 jeweils aus ihrer Lage 37 geschoben, was ebenfalls zu einer Verschiebung der Rollen 34 in den erweiterten Teil der Einschnitte 33 führt. Durch diese Drehung des Steckschlüssels 39 wird somit die Sperrwirkung der Kupplung aufgehoben, so daß auch die Spann ^¬ welle durch Drehen gelöst werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist bei Werkzeugspannvorrichtungen überall dort anwendbar, wo eine drehbare Spannwelle im Spannzu ^¬ stand festgesetzt werden soll.