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Dokumentenidentifikation DE69516039T2 14.12.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0687207
Titel ENTWURF-METHODE EINER SPANNZANGE ZUM OPTIMIEREN IHRER GREIFAKTION
Anmelder Power Tool Holders Inc., Wilmington, Del., US
Erfinder KANAAN, J., Roger, Easley, US
Vertreter Canzler & Bergmeier, Patentanwälte, 85055 Ingolstadt
DE-Aktenzeichen 69516039
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.01.1995
EP-Aktenzeichen 959079898
WO-Anmeldetag 04.01.1995
PCT-Aktenzeichen US9500160
WO-Veröffentlichungsnummer 9518690
WO-Veröffentlichungsdatum 13.07.1995
EP-Offenlegungsdatum 20.12.1995
EP date of grant 05.04.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2000
IPC-Hauptklasse B23B 31/20

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gestalten einer Spannpatrone eines Maschinenwerkzeugs der Art, welche in dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist. Insbesondere ist diese auf ein Verfahren zum Optimieren der Spannpatronenparameter gerichtet, um die Greifkraft zu maximieren.

[0002] Das US-Patent Nr. 2,346,706, Stoner, welches der Jacobs Manufacturing Company übertragen ist, beschreibt eine Spannpatrone mit einer Vielzahl von Greifelementen mit flachen Seiten. Die Greifelemente werden in relativer Position in gleichem Abstand angeordnet über eine gemeinsame Achse gehalten. Die Abstände zwischen den Greifelementen sind mit einem haftenden elastischen Material, wie Gummi oder einer Gummizusammensetzung, gefüllt. Die Greifelemente sind ferner quer perforiert. In diesem Fall füllt das elastische Gummimaterial nicht nur den Abstand zwischen benachbarten Greifelementen, sondern geht ferner durch die Perforationen in den Greifelementen, wodurch eine Vielzahl von in Längsrichtung in Abstand angeordneten kontinuierlichen ringförmigen Ringen gebildet werden, welche die Greifelemente in erwünschten relativen Positionen halten. Diese Spannpatrone war eine bedeutende Verbesserung gegenüber den herkömmlichen geteilten Stahlspannpatronen und ist heutzutage bei den Fachleuten auf diesem Gebiet weit anerkannt und im allgemeinen als Rubber-Flex®-Spannpatrone bekannt. Jedoch war es vor der vorliegenden Erfindung des Anmelders nicht bekannt, die Greifstärke der Rubber-Flex®-Spannpatrone durch Bestimmen von optimalen Gestaltungsparametern für die Greifblätter bzw. -backen zu optimieren. Obwohl eine Anzahl von Backen mit sich ändernder Dicke in den Spannpatronen verwendet wurden, wurde im allgemeinen nicht geglaubt, daß die Greifkraft durch Ableiten der optimalen Anzahl von Greifbacken für eine gegebene Anordnung, welche um den Innendurchmesser der Spannpatrone passen würden, während mindestens eine minimale Menge des elastischen. Materials zwischen den Greifbacken aufrechterhalten wird, maximiert werden könnte. Außerdem wurde generell nicht berücksichtigt, daß die Dicke der Greifbacken Einfluß auf die Greifkraft hat. Typischerweise wurde die Backendicke durch die Größe bzw. den Innendurchmesser der Spannpatrone vorgeschrieben. In anderen Worten wiesen Spannpatronen mit kleineren Durchmessern dünnere Backenblätter auf.

[0003] Das US-Patent Nr. 5,123,663, Mizoguchi, offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Minimalanzahl von Abschnitten für eine Metallspannpatrone durch Bestimmen des Bereichs eines Mittenwinkels (Theta), bei welchem das geometrische Trägheitsmoment für jeden Abschnitt bezüglich einer Linie, welche durch den Schwerpunkt des zu einer Radialrichtung der Spannpatrone senkrechten Abschnitts verläuft, konstant ist. Das Patent offenbart, daß der Winkelbereich Theta weniger als 30º beträgt, ungeachtet der Dicke des Abschnitts. Sobald der Mittenwinkel von etwa 30º erreicht ist, erhöht ein weiteres Erhöhen der Anzahl von Abschnitten lediglich die Anzahl von Herstellungsschritten und verringert die Zugfestigkeit eines Zylinderabschnitts der Spannpatrone.

[0004] In dem Dokument "Jacobs presents Rubber-Flex - the new generation of collet chucks for toolholding", welches dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht, werden Spannpatronen beschrieben, welche einen größeren Bereich aufweisen als irgendeine geteilte Stahlspannpatrone auf dem Markt. Das Jacobs-Rubber-Flex-Spannpatronensystem verwendet zwei Drittel weniger Spannpatronen als herkömmliche geteilte Stahlspannpatronensysteme. Es werden verschiedene Spannpatronenserien beschrieben, welche verschiedene Anzahlen von Stahleinsätzen in der Rubber-Flex- Spannpatrone aufweisen. Es wird gezeigt, daß es aufgrund der einzigartigen Bauweise der Jacob-Rubber-Flex- Spannpatrone einige Vorteile gibt, wie ein Verhindern, daß die Spannpatrone und das Werkzeug in dem Spannfutter während einem Wechseln von Werkzeugen steckenbleiben oder eine Beständigkeit gegen Wärme und alle gewöhnlich verwendeten Schneidflüssigkeiten. In diesem Dokument wird keine Information darüber gegeben, wie Rubber-Flex- Spannpatronen gestaltet werden, um ein verbessertes maximales Gesamtdrehmoment und einen breiteren Aufnahmefähigkeitsbereich der Spannpatrone zu erhalten. Es wird ferner keine Information über die Parameter gegeben, welche beim Gestalten einer derart verbesserten Spannpatrone berücksichtigt werden müssen.

GEGENSTÄNDE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

[0005] Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Gestalten einer Spannpatrone eines Maschinenwerkzeugs des Typs zu liefern, welcher unabhängige Greifbacken aufweist, welche in einer Gummizu sammensetzung ausgebildet sind, wodurch die Greifkraft der Spannpatrone maximiert wird.

[0006] Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Gestalten einer Spannpatrone mit einer optimierten Greifkraft zu liefern, welche kompatibel mit herkömmlichen Spannpatronengrößen und Anforderungen und austauschbar mit herkömmlichen Spalt- Stahlspannpatronen ist.

[0007] Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der idealen Greifbackendicke und Backenanzahl zu liefern, um die Greifkraft einer Spannpatronengestaltung zu optimieren.

[0008] Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gestaltungsoptimierungsverfahren zum Optimieren der Gestaltung einer Spannpatrone zu liefern, welches auf einem PC verwendet werden kann.

[0009] Und es ist ferner eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Vorhersagen eines Spannpatronen-Drehmoment-Gleitens zu liefern, welches zur Maximierung einer Spannpatronengestaltung nützlich ist.

[0010] Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Analyse eines Spannpatronen- Drehmoment-Gleitens zum Bestimmen der optimalen Eigenschaften bzw. Gestaltungsparameter für eine Spannpatrone mit spezifischen Abmessungen und Anforderungen zu liefern.

[0011] Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Analyse eines Spannpatronen- Drehmoment-Gleitens zum Bestimmen der optimalen Parameter für die Greifbacken in der Spannpatrone für eine Spannpatrone mit herkömmlichen Abmessungen und Anforderungen zu liefern.

[0012] Und es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Analyseverfahren zum Verbessern der Greifkraft der breiten Vielfalt und Größen von herkömmlichen Spannpatronen zu liefern.

[0013] Und es ist ferner eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Analyseverfahren zum Bestimmen des Maximalspannpatronendrehmoments für eine Spannpatronenanordnung mit vorbestimmten Gestaltungsparametern zu liefern, wobei das Verfahren für das Optimieren der Gestaltungsparameter der Spannpatrone nützlich ist.

[0014] Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Optimieren von Spannpatronengestaltungsparametern zu liefern, wobei das Verfahren für das Vorhersagen von optimalen Spannpatronenparametern nützlich ist, um die Greifkraft der Spannpatrone zu maximieren.

[0015] Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Gestalten einer Spannpatrone eines Maschinenwerkzeugs zu liefern, wobei mindestens eine der strukturellen Abmessungen bzw. Eigenschaften der Greifbacken der Spannpatrone optimiert wird, um die Greifkraft der Spannpatrone zu maximieren.

[0016] Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und sind teilweise aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch Anwendung der Erfindung erlernt werden. Die Gegenstände und Vorteile der Erfindung können mittels der Einrichtungen und Kombinationen realisiert und erreicht werden, welche insbesondere in den beigelegten Ansprüchen ausgeführt werden. Um die Gegenstände zu erreichen und in Übereinstimmung mit dem Zweck der Erfindung ist, wie hierin ausgeführt und umfassend beschrieben, ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Schritte eines Bestimmens der Radialkraft der Greifbacken auf eine Stange, welche durch die Spannpatrone hindurch verlaufend angeordnet ist, wobei die Radialkraft von einer auf die Spannpatrone ausgeübten Axialkraft abhängt, und eines Bestimmens des Drehmoments an der Stange, welches aus den Radialkräften der Greifbacken unmittelbar vor einem Biegezustand zwischen den Greifbacken und der Stange entwickelt wird. Das Verfahren erfordert ferner ein Bestimmen der Gesamt-Drehmomentkraft, welche zwischen den Greifbacken und der Stange bei einem Biegezustand für einen gegebenen Biegewinkel erzeugt wird. Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird der Biegewinkel geändert bis die Gesamt- Drehmomentkaft zwischen den Greifbacken und der Stange bei einem Biegezustand einen Maximalwert erreicht. Das Verfahren erfordert ferner ein Bestimmen des Gesamtdrehmoments an der Stange aus dem Drehmoment vor einem Biegen und der maximalen Gesamt-Drehmomentkraft bei einem Biegezustand.

[0017] Durch Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann eine optimale Gestaltung für eine gegebene Spannpatronenanordnung bestimmt werden durch Ändern der Parameter der Spannpatronengestaltung und durch Bestimmen des Gesamtdrehmoments an der Stange bis ein maximaler Drehmomentwert für eine gegebene Spannpatronenanordnung bestimmt ist.

[0018] Das vorliegende Verfahren kann verwendet werden beim Bestimmen der optimalen Gestaltung für alle bekannten Spannpatronenanordnungen, einschließlich der ER- und TG-Spannpatronenanordnungen.

[0019] Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verfahren den Schritt eines Änderns der Dicke der Greifbacken für eine gegebene Spannpatronenanordnung, um die Dicke von Greifbacken zu bestimmen, welche ein maximales Gesamtdrehmoment für eine gegebene Spannpatronenanordnung erzeugen. Ferner kann das Verfahren den Schritt eines Änderns der Anzahl von Spannpatronenbacken für eine gegebene Spannpatronenanordnung umfassen, um die Anzahl von Greifbacken zu bestimmen, welche ein maximales Gesamtdrehmoment für eine gegebene Spannpatronenanordnung erzeugen. Das Verfahren kann ferner den Schritt eines Änderns des Backenmaterials, beispielsweise von Stahl zu Kunststoff, umfassen, um das optimale Material für ein Maximieren der Greifkraft zu bestimmen.

[0020] In weiterer Übereinstimmung mit dem Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen der optimalen Gestaltung für eine gegebene Spannpatronen anordnung vorgesehen und umfaßt den Schritt eines Berechnens des Gesamtdrehmoments, welches an einer Stange erzeugt wird, welche durch die Spannpatrone einer gegebenen Spannpatronenanordnung mit vorbestimmten Gestaltungsparametern verläuft, wobei das Gesamtdrehmoment ein Drehmoment, welches unmittelbar vor einem Biegen erzeugt wird, welches zwischen den Greifbacken und der Stange auftritt, und die maximale Drehmomentkraft, welche zwischen den Greifbacken und der Stange infolge eines Biegens erzeugt wird, umfaßt. Dieses Verfahren erfordert ferner ein Ändern von mindestens einem Gestaltungsparameter der Spannpatrone und ein Neuberechnen des Gesamtdrehmoments bis das erzeugte Gesamtdrehmoment einen Maximalwert für die gegebene Spannpatronenanordnung erreicht.

[0021] In weiterer Übereinstimmung mit dem Zwecke der Erfindung ist ein Verfahren zum Optimieren von Spannpatronengestaltungsparametern für einen Typ von Spannpatronen vorgesehen, welcher eine Vielzahl von Greifbacken aufweist, welche um eine gemeinsame Achse herum in Abstand mit elastischem Material zwischen den Greifbacken angeordnet sind, wodurch eine Stange, welche durch die Spannpatrone hindurch verläuft, durch die Greifbacken sicher gehalten wird. Das Verfahren umfaßt eine Einrichtung zum variablen Eingeben von Gestaltungsparametern der Spannpatrone mit einer gegebenen Anordnung. Eine Einrichtung ist ferner vorgesehen zum Berechnen der Radialkraft der Spannpatronengreifbacken auf der Stange, wobei die Radialkraft von einer durch eine Spannpatronenhalterung und einen Spannpatronen-Gewindering auf die Spannpatrone ausgeübten Axialkraft abhängt. Eine Einrichtung ist ferner vorgesehen zum Berechnen des Drehmoments an der Stan ge, welches aus den Radialkräften der Greifbacken unmittelbar vor einem Biegen zwischen den Greifbacken und der Stange entwickelt wird. Das System umfaßt eine Einrichtung zum Berechnen des Drehmoments, welches infolge des Biegens zwischen den Greifbacken und der Stange an einem vorbestimmten Biegewinkel erzeugt wird. Eine Einrichtung ist vorgesehen zum Ändern des Biegewinkels in der Drehmomentberechnungseinrichtung bis das erzeugte Drehmoment einen Maximalwert erreicht. Das Verfahren erfordert ferner eine Einrichtung zum Summieren des maximalen Drehmoments bei einem Biegen und einem Drehmoment, welches unmittelbar vor einem Biegen entwickelt wird, um ein Gesamtdrehmoment auf der Stange zu geben, welches durch die Greifbacken für die eingegebenen Gestaltungsparameter der Spannpatrone entwickelt wird. In dieser Weise kann das auf der Stange entwickelte Gesamtdrehmoment durch Ändern von mindestens einem Gestaltungsparameter durch die Gestaltungsparameter-Eingabeeinrichtung maximiert werden, so daß ein optimaler Satz von Gestaltungsparametern bestimmt werden kann.

[0022] Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Computer mit der Radialkraftberechnungseinrichtung, der Drehmomentberechnungseinrichtung, der Momentberechnungseinrichtung, der Biegewinkel-Änderungseinrichtung und der Summiereinrichtung vorgesehen, welche jeweils Software umfassen, welche durch den Computer ausgeführt wird. Der Computer umfaßt vorzugsweise ein Verzeichnis von bekannten Gestaltungsparametern für verschiedene bekannte Spannpatronenanordnungen für die Verwendung durch die Software. Die Einrichtung für ein variables Eingeben der Gestaltungsparameter ist mit dem Computer koppelbar, so daß mindestens einer der Gestaltungsparameter der Spannpatrone geändert werden kann. Vorzugsweise umfaßt der Computer ferner ein Verzeichnis von bekannten Parametern für verschiedene Spannpatronen-Gewinderinggeometrien, wobei die Radialkraftberechnungseinrichtung die Spannpatronen- Gewinderingparameter verwendet, um die der Spannpatrone verliehene Axialkraft zu berechnen.

[0023] Die beigelegte Zeichnung, welche in der Beschreibung enthalten ist und einen Teil von dieser darstellt, zeigt die Ausführungsbeispiele der Erfindung und dient zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0024]

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spannpatrone, insbesondere einer Spannpatrone, welche gemäß dem Prozeß und dem Verfahren der Erfindung gebildet ist;

Fig. 2 ist eine teilweise Bauteilansicht der in Fig. 1 dargestellten Spannpatrone, welche insbesondere die Greifbacken der Spannpatrone darstellt;

Fig. 3 ist eine Vorderendansicht der in Fig. 2 dargestellten Spannpatrone;

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches die Reihenfolge von Schritten und Berechnungen gemäß dem Verfahren und dem Prozeß der Erfindung darstellt;

Fig. 5 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems, welche den Prozeß und das Verfahren von Fig. 4 beinhaltet;

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, welches die Schritte und Berechnungen gemäß dem Verfahren zum Berechnen des Drehmoments bei dem Biegezustand darstellt;

Fig. 7a und 7b sind schematische Darstellungen von Spannpatronengewindegeometrien, welche insbesondere die bei der Berechnung der Axialkraft verwendeten Analyseparameter darstellen;

Fig. 8a ist eine vereinfachte Bauteilansicht einer Greifbacke, welche mit der Spannpatronenhalterung zusammenarbeitet, um die Stange zu greifen, welche insbesondere den Biegezustand darstellt;

Fig. 8b ist ein Diagramm, welches die Kontaktbreite zwischen der Backe und der Stange darstellt;

Fig. 9 ist eine schematische Skizze, welche insbesondere die Analyseparameter zeigt, welche verwendet werden, um das Drehmoment unmittelbar vor dem Biegen zu berechnen;

Fig. 10 ist eine weitere schematische Skizze, welche das Konzept eines Rollwinkels und eines maximalen Roll winkels, welche beim Berechnen des Drehmoments bei dem Biegezustand verwendet werden, darstellt;

Fig. 11a ist eine genaue schematische Skizze, welche die Analysevariablen, welche bei der Berechnung des Drehmoments bei dem Biegezustand verwendet werden, darstellt; und

Fig. 11b ist Fig. 11a ähnlich und zeigt die Parameter, welche bei der Biegeanalyse bei elastischer Verformung verwendet werden.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0025] Nachfolgend werden die vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung genau beschrieben, von welchen ein oder mehrere Beispiele in der beiliegenden Zeichnung und in den Figuren dargestellt sind. Jedes Beispiel ist durch Erklärung der Erfindung, nicht durch Einschränkung der Erfindung vorgesehen. Tatsächlich ist es für die Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich, daß verschiedene Abwandlungen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom dem Umfang und dem Wesen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale oder Schritte, welche als Teil eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens der Erfindung dargestellt oder beschrieben werden, für ein anderes Ausführungsbeispiel verwendet werden, um ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zu erreichen. Daher ist beabsichtigt, daß die vorliegende Erfindung derartige Abwandlungen und Änderungen, welche innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche und deren Äquivalenten auftre ten, abdeckt. Die Numerierung der Komponenten in der Zeichnung ist in der gesamten Anmeldung konsistent, wobei die gleichen Komponenten die gleiche Nummer in jeder der Zeichnungen aufweisen.

[0026] Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen eine Spannpatrone des Typs, welcher in Fig. 1 bis 3 dargestellt ist. Die Spannpatrone 10 wird durch Eingriff mit der Kegelfläche der Spannpatronenhalterung und dem (nicht dargestellten) Spannpatronen-Gewindering betätigt. Für die Fachleute auf diesem Gebiet ist der Betrieb der Spannpatrone 10 mit einer Spannpatronenhalterung und einem Spannpatronen- Gewindering zu verstehen.

[0027] Die Spannpatrone 10 umfaßt das elastische Material 12 zum Halten einer Vielzahl von Greifbacken 16 in der gewünschten Beziehung in Abstand zueinander. Vorzugsweise verläuft das elastische Material 12 durch die Öffnungen 28 innerhalb der Greifbacken 16, so daß im wesentlichen konzentrische Ringe von elastischem Material 12 durch die Greifbacken 16 gebildet werden.

[0028] Die Spannpatrone 10 umfaßt eine Greifeinrichtung A für ein optimales Halten eines Maschinenwerkzeugs innerhalb der Spannpatrone 10. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Greifeinrichtung A eine Vielzahl von Greifbacken 16, welche durch das elastische Material 12 in der erwünschten Beziehung in Längen- und Winkelabstand um eine Längs-Mittelachse 18 herum durch die Spannpatrone 10 gehalten wird. Die Greifbacken weisen eine freiliegende Innenfläche 20 parallel zu der Mittel linienachse 18 auf, wodurch die Vielzahl von Backen 16 einen Innenradius 22 der Spannpatrone 10 definieren. Die Achse bzw. Stange des Maschinenwerkzeugs, welches von der Spannpatrone 10 gehalten wird, wird durch den Innenradius 22 der Spannpatrone 10 eingesetzt.

[0029] Die Greifbacken 16 umfassen ferner eine winklige freiliegende Außenfläche 24, wodurch die Vielzahl von Backen 16 eine Kegelaußenfläche 26 definieren. Die Kegelaußenfläche 26 stimmt mit der Kegelfläche der (nicht dargestellten) Spannpatronenhalterung überein.

[0030] Gemäß dem in diesem Abschnitt beschriebenen Verfahren und Prozeß der Erfindung hat der Anmelder bestimmt, daß die Greifkraft der vorliegenden Spannpatrone verglichen mit den herkömmlichen Spannpatronen durch Analysieren des Drehmoments, welches durch die Spannpatrone an dem Maschinenwerkzeug oder einer Teststange erzeugt wird, und durch Optimieren der Gestaltungsparameter der Greifbacken 16 bedeutend erhöht ist, so daß ein maximales Drehmoment für eine gegebene Spannpatronenanordnung erzeugt wird. Daher umfassen die Greifbacken 16 mindestens eine optimierte strukturelle Eigenschaft oder Abmessung, um die Greifkraft der Spannpatrone 10 zu maximieren. Die strukturellen Eigenschaften oder die Abmessung der Backen 16 kann beispielsweise die Dicke der Backe 16, die Anzahl von Backen 16 innerhalb der Spannpatrone 10 oder den Typ eines Materials, aus welchem die Backe 16 gebildet ist, umfassen. Beispielsweise weist eine Standard-ER25- Spannpatronenanordnung Spannpatronengeometrien auf der Grundlage von DIN-Normen, wie den Innenradius, den Außenradius, den Winkel der Kegelaußenfläche etc., auf. Sobald eine bestimmte Spannpatronenanordnung ausgewählt ist, so werden die Industrienormen und Anforderungen grundsätzlich durch die geeigneten technischen Normen vorgeschrieben. Jedoch haben die Anmelder bestimmt, daß durch Optimieren von bestimmten Gestaltungsparametern der Greifbacken der Spannpatrone die Greifkraft der Spannpatrone mit dieser besonderen Anordnung maximiert werden kann.

[0031] Der Anmelder hat ferner insbesondere bestimmt, daß ein Biegegrad zwischen den Greifbacken und dem Maschinenwerkzeug bzw. der Stange dahingehend erwünscht ist, daß dieser ein maximales Drehmoment liefert, welches zwischen den Spannpatronenbacken und der Stange erzeugt wird. Der Anmelder hat diesen erwünschten Zustand in seine Analyse beim Bestimmen der optimalen Gestaltungsparameter für die Greifbacken zum Maximieren des Gesamtdrehmoments zwischen der Spannpatrone und dem darin gehaltenen Werkzeug integriert.

[0032] Das Verfahren und System zum Realisieren des Verfahrens und des Systems gemäß der Erfindung wird generell in Form eines Flußdiagramms in Fig. 4 bis 6 dargestellt. Die in den Figuren angegebenen Analyseschritte werden nachfolgend genau erörtert. Die nachfolgend vorgesehene Tabelle 1 stellt eine Liste der Variablen und deren Bedeutung und den bei den Analyseschritten verwendeten Vorgabewert dar.

Tabelle 1: Variablen

[0033] Es ist selbstverständlich, daß die folgende Beschreibung der Analyseschritte gemäß dem Verfahren und dem Prozeß der vorliegenden Erfindung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens darstellt und nicht als Einschränkung davon bestimmt ist. Die in den Schritten berechneten Werte können in einer beliebigen Vorgehensweise berechnet oder vorausgesagt werden, welche alle in den Umfang und das Wesen dieser Erfindung fallen. Außerdem ist die Reihenfolge der dargestellten Analyseschritte nicht auf die erörterte Reihenfolge beschränkt, sondern kann eine beliebige wirksame Reihenfolge umfassen.

[0034] In Fig. 4 werden die verschiedenen Spannpatronenparameter- und Vorgabewerte in Schritt 69, einschließlich Spannpatronenhalterungs- und Spannpatronen- Gewinderingparameter, Backengestaltungsvariablen, materialzulässigen Beanspruchungen (stresses), Reibungskoeffizienten für Spannpatronen-Gewinderinge, -halterungen und Stangen, Teststangenparamter etc. eingegeben. In Schritt 71 wird die maximale Anzahl von Greifbacken für eine gegebene Spannpatronenanordnung und eine gegebene Backendicke bestimmt. Die maximale Anzahl von Backen wird unter Verwendung des Innenradius der Spannpatrone, der Backendicke und der Gummischichtdicke auf jeder Fläche der Backe wie folgt geschätzt:

Obwohl nicht insbesondere bei der Analyse verwendet, kann der Winkel des elastischen Materials 12 zwischen den Backen unter der Annahme eines einheitlichen gleichen Abstands zwischen den Backen und einer einheitlichen Schichtdicke von elastischem Material auf jeder Backenfläche gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden:

[0035] Wie oben erörtert ist die Spannpatrone 10 der (nicht in den Zeichnungen dargestellten) Spannpatronenhalterung und der Spannpatronen-Gewinderinge in Eingriff. Der Eingriff zwischen dem Spannpatrohen-Gewindering und der Spannpatronenhalterung verleiht der Spannpatrone eine Axialkraft. Als Ergebnis dieser Axialkraft wird eine Radialkraft zwischen jeder Backe 16 und der Teststange oder der Maschinenwerkzeugachse durch die Spannpatrone entwickelt. Die infolge des Anziehens des Spannpatronen- Gewinderings auf der Spannpatronenhalterung entwickelte Axialkraft bzw. der Druck sind abhängig von der Geometrie der Gewindeflächen des Spannpatronen-Gewinderings. Die Bezeichnung für diese Geometrie ist in Fig. 7a und 7b angegeben. Die Gewindegeometrieparameter können aus den technischen Normen, wie der DIN 6341(Juni 1959) (Bezeichnung TR) oder der ISO-Norm 68 für metrische Gewinde (Bezeichnung M) erhalten werden. Die aus den technischen Normen erhaltenen oder berechneten Werte für die Spannpatronen-Gewindering-Geometrieparameter werden vorzugsweise in einem Verzeichnis 68 für ein späteres Wiederauffinden und eine spätere Analyse gespeichert.

[0036] In Schritt 73 werden die Parameter für eine spezielle Spannpatronenanordnung vorzugsweise anhand der in dem Verzeichnis 66 (Fig. 3) gespeicherten Informationen definiert. Die Spannpatronengeometrieparameter beruhen auf DIN-Normen und werden grundsätzlich definiert, sobald eine spezielle Spannpatronenanordnung ausgewählt ist. Der Analytiker wird veranlaßt, eine spezielle Spannpatronengestaltung oder -anordnung auszuwählen, und das System oder Programm definiert anschließend die verschiedenen geometrischen Daten, welche für die Analyse benötigt werden. Beispielsweise ist Tabelle 2 nachfolgend als Beispiel von Spannpatronengeometrienormen vorgesehen, welche aus DIN 6499 für einen 8º-Kegel für eine ER11-, ER25-, ER32- und ER40-Spannpatronenanordnung erhalten werden.

Tabelle 2. Spannpatronengeometrienormen aus DIN 6499 (8-Grad-Kegel)

[0037] Die Axialkraftberechnung wird in Schritt 74 ausgeführt. Das auf den Spannpatronen-Gewindering auf der Spannpatronenhalterung aufgebrachte Gesamtdrehmoment ist gleich der Summe des Drehmoments, welches nötig ist, um einen Axialdruck auf die Spannpatrone zu entwickeln, und des Drehmoments, welches nötig ist, um die Spannpatronen- Drucklager-Reibung zu überwinden. Das auf den Spannpatronen-Gewindering aufgebrachte Drehmoment ist durch folgende Gleichung gegeben:

Wenn der Ausdruck in der Klammer definiert ist als:

so wird unter Verwendung des Verhältnisses tan λ das umgekehrte Verhältnis erhalten:

Derart kann der Ausdruck für das auf den Gewindering aufgebrachte Drehmoment geschrieben werden als:

anschließend nach der Axialkraft auf der gesamten Spannpatrone W aufgelöst werden um folgendes zu erhalten:

Es sei nun angenommen, daß lediglich die Backen eine Belastung aufnehmen, und daß jede Backe identisch ist und in einer idealen Position angeordnet ist, so daß jede Backe in derselben Weise und in derselben Menge belastet wird. Das heißt, die Axialkraft pro Backe ist:

Wjaw = W/jaws

[0038] Es ist selbstverständlich, daß die obigen Berechnungen ein Mittel zum Vorhersagen der auf die Spannpatrone aufgebrachten Axialkraft sind. Die Axialkraft kann tatsächlich vorbestimmt und in einem geeigneten Verzeichnis zum Wiederauffinden und zur Analyse gespeichert werden.

[0039] Die Radialkraftberechnung wird in Schritt 75 ausgeführt. Als Ergebnis der Axialkraft, welche sich infolge des Anziehens des Spannpatronen-Gewinderings entwickelt, entwickelt sich eine Normalkraft zwischen der Spannpatronenhalterungsfläche und jeder Greifbacke. Die Gesamtreibungskraft zwischen den Spannpatronenbacken und den Spannpatronenhalterungen ist das Produkt aus der Normalkraft und dem Reibungskoeffizienten zwischen den Backen und der Spannpatronenhalterung. Das heißt,

Das Summieren in der Axial- und Radialrichtung gibt die folgenden zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten:

Aus diesen zwei Gleichungen werden Ausdrücke für die Normalkraft zwischen der Spannpatronenhalterung und jeder Backe für die zwischen jeder Backe und der Stange übertragene Radialkraft und für die Axialkraft erhalten und gegeben durch:

[0040] In Schritt 76 wird das Drehmoment infolge der Coulombschen Reibungskraft pro Greifbacke für den Zustand keines Gleitens zwischen der Stange und den Greifbacken berechnet. Das Gleiten ist im wesentlichen der Zustand, in welchem die Greifbacken bis zu einem derartigen Grad "gerüttelt" wurden, daß diese grundsätzlich nicht länger eine Kraft auf die Teststange aufbringen, welche daher im wesentlichen frei drehbar innerhalb der Spannpatrone ist. Die zwischen den Backen und der Teststange übertragene Radialkraft weist damit einhergehende Reibungskräfte auf, welche sich an der Innenseitenfläche zwischen jeder Backe und der Stange entwickeln. Das Drehmoment infolge der Coulombschen Reibungskraft pro Backe wird wie folgt berechnet:

Das ohne Gleiten entwickelte Gesamtdrehmoment ist dieser Wert mal der Anzahl der Backen in der Spannpatrone, gemäß dem folgenden:

Das Drehmoment resultiert aus den Reibungskräften, welche zwischen der Stange und jeder Backenkante wirken. Die Reibungskraft wird auf der Grundlage des Coulombschen Reibungsgesetzes berechnet, welches unabhängig von dem Kontaktbereich ist. Derart haben in diesem Teil der Analyse die Dicke der Backe und die Eingriffslänge entlang der Innenfläche zwischen der Stange und den Backenkanten keinen Einfluß auf das Drehmoment, welches aus den Coulombschen Reibungskräften resultiert.

[0041] In Schritt 77 wird vorhergesagt, ob ein Gleiten zwischen der Teststange und den Backen auf der Grundlage der Geometrie der Backen auftritt. Das Gleiten tritt auf, wenn:

tanα&sub1; > fb

wobei

Es ist erwünscht, daß der Analytiker informiert wird, ob die Parameter für das Backenblatt, welches er ausgewählt hat, zu einem Gleiten zwischen den Backenblättern und der Teststange führt.

[0042] Wie in Fig. 8a dargestellt, wird die Backe an einem bestimmten Grad des Gleitens zwischen den Backen und der Stange "gebogen" bzw. "gerüttelt" und verliert den Kontakt mit der Stange und der Spannpatronenhalterung an bestimmten Punkten entlang der Länge der Backe. Bei dem Biegezustand wird die Kontaktfläche verringert. Ein Biegegrad zwischen den Backen und der Stange kann dahingehend erwünscht sein, daß das zwischen den Backen und der Stange entwickelte Drehmoment tatsächlich erhöht wird.

[0043] Um Unterschiede aufgrund der geometrischen Parameter der Backen, wie die Backendicke, bei der Drehmomentberechnung zu berücksichtigen, werden die Zustände "unmittelbar vor" dem. Biegen gemäß einer elastischen Kontaktanalyse (Hertzsche Kontaktanalyse) geprüft. Grundsätzlich wird die 'ENDTPUGND% wie ein langer Zylinder in Kontakt mit einer flachen Halbebene behandelt, welcher einer Kraftlinie P, wie in Fig. 8b dargestellt, unterworfen ist. Der Kontaktbereich zwischen dem Zylinder und der Ebene ist gleich dem Zweifachen der halben Kontaktbreite (2a) für die gesamte Zylinderlänge. Die halbe Kontaktbreite (a) wird gemäß folgendem berechnet:

α = 4PRb/πE*

wobei

Dieser Ansatz ist gültig, solange die Backendicke viel größer als das Zweifache der halben Kontaktbreite ist.

[0044] In Schritt 78 gemäß dem vorliegenden Verfahren wird das Drehmoment bei einem Zustand unmittelbar vor einem Biegen zwischen den Backen und der Stange berechnet. Wie in Fig. 9 dargestellt, verschiebt sich, unmittelbar bevor ein Biegen auftritt, die Wirkungslinie der Radialkraft zu der Außenecke jeder Backe. Da die Tiefe der Backe sich entlang der Eingriffslänge davon ändert, muß der Abstand bzw. die Höhe des Abschnitts berechnet werden. Die Eingriffslänge zwischen der Backe und der Spannpatronenhalterung wird auf die Stange übertragen und anschließend wird diese Länge in eine Anzahl von Abschnitten (Nseg) geteilt, welche auf einen Vorgabewert, wie 20, eingestellt werden kann. Anschließend wird, durch Summieren der Kräfte in der Radial- und Tangentialrichtung und durch Summieren der Drehmomente über die Mitte der Stange, das Drehmoment unmittelbar vor dem Biegen für jeden Abschnitt erhalten. Das Summieren dieser Werte für jeden Abschnitt gibt das Gesamtdrehmoment unmittelbar vor dem Biegen für jede Backe. Dieser Ansatz gibt die folgenden Gleichungen:

Das unmittelbar vor dem Biegen entwickelte Gesamtdrehmoment ist dieser Wert mal der Anzahl der Backen in der Spannpatrone gemäß dem folgenden:

[0045] Das Verfahren 70 umfaßt ferner den Schritt 79 zum Berechnen des Drehmoments bei dem Biegezustand zwischen den Backen und der Stange. Die Drehmomentberechnung bei der Biegezustandanalyse ist in Fig. 6 genau dargestellt. Da das Biegen sich nicht entlang der gesamten Länge jeder Backe erstrecken darf, wird die Backe in Schritt 100 in eine Anzahl von Segmenten Nseg entlang der Länge davon geteilt. Die Berechnungen laufen als Doppelschleifen ab. Für jede Zunahme der Stangendrehung oder des "Biegewinkels" wird die elastische Verformung für jeden Abschnitt der Backe sowie deren Radialreibungskraft berechnet.

[0046] In Schritt 101 wird der Biegewinkel für jede Backe bestimmt. Wie in Fig. 10 dargestellt, wird der Biegewinkel auf der Grundlage der halben Kontaktbreite, welche aus der Hertzschen Kontaktanalyse erhalten wird, berechnet. Der Biegewinkel ist der Winkel durch welchen eine Backe sich innerhalb des durch die halbe Kontaktbreite definierten Abstands drehen kann. Der Biegewinkel wird wie folgt berechnet.

Es sei angenommen, daß der Ausgangsbiegewinkel und die anschließende Zunahme des Biegewinkels gleich sind, in anderen Worten, der Biegewinkel wird bei jedem Durchgang um dessen Ausgangswert erhöht. Es ist selbstverständlich, daß es eine Grenze für den Biegewinkel gibt, über welche kein Drehmoment erzeugt wird.

[0047] Das Drehmoment bei der Biegezustandanalyse und bei Berechnungen wird nachfolgend genau beschrieben, jedoch ist das Drehmoment beim Biegen grundsätzlich für das Drehmoment, welches infolge der elastischen Verformung der Backen erzeugt wird, und das Drehmoment infolge der elastischen Radialkraft (Coulombsche Reibung) verantwortlich, sobald die Backenkante nachgegeben hat. Daher berücksichtigt die Analyse ferner eine plastische Verformung der Backen. Es ist selbstverständlich, daß der Typ von Material, aus welchem die Backen gebildet sind, daher Einfluß auf das Drehmoment bei der Biegeanalyse hat, da ein Nachgeben bzw. eine plastische Verformung ein Faktor der zulässigen Beanspruchung für den Typ von Material ist. Die Materialzusammensetzung der Backen ist daher ein Gestaltungsparameter der Backen, welche geändert werden können, um die Greifkraft der Spannpatrone zu optimieren.

[0048] Die folgende Analyse der Drehmomentberechnung bei dem Biegezustand ist in dem Flußdiagramm von Fig. 6 sequentiell dargestellt. Sobald die Backe in Schritt 100 in Abschnitte unterteilt wurde und der Biegewinkel in Schritt 101 wie oben beschrieben berechnet wurde, wird die Analyse für jeden Abschnitt durchgeführt. Obwohl die Berechnungen nachfolgend genau beschrieben werden, sind die Basisschritte wie folgt. In Schritt 103 wird der Ab schnitt Ni für ein vorheriges Nachgeben und Gleiten geprüft. Wenn etwas derartiges auftrat, wird dieser Abschnitt in Schritt 104 ignoriert, und der nächste Abschnitt wird analysiert, usw. Wenn kein Nachgeben oder Gleiten auftraten, wird das Drehmoment für den Abschnitt infolge der elastischen Verformung in Schritt 105 berechnet. Dieses Drehmoment wird für alle Abschnitte in Schritt 106 summiert. In Schritt 107 wird der Abschnitt für ein Ausgangsnachgeben geprüft. Wenn etwas derartiges nicht auftrat, so wird kein Drehmoment mehr erzeugt, und in Schritt 108 springt die Analyse zu dem nächsten Abschnitt. Wenn ein Nachgeben auftrat, so wird die Verkürzung der Backe in Schritt 109 neu berechnet, um eine plastische Verformung zu berücksichtigen. Anschließend wird in Schritt 110 das Gleiten bei dem Zustand der plastischen Verformung geprüft. Wenn ein Gleiten auftritt wird kein Drehmoment erzeugt, und die Analyse springt zu dem nächsten Abschnitt in Schritt 111. Wenn kein Gleiten auftritt, so wird das infolge der elastischen Radialkraft (Coulombsche Kraft) bei dem Nachgebe-Zustand erzeugte Drehmoment in Schritt 112 berechnet. Dieses Drehmoment wird für alle Abschnitte in Schritt 113 summiert. Der nächste Abschnitt wird in Schritt 117 analysiert.

[0049] In Schritt 114 wird das Gesamtdrehmoment bei dem Biegezustand für alle Backen aus der Summe der Schritte 113 und 106 berechnet. Wenn dieses Gesamtdrehmoment in Schritt 115 kein Maximalwert ist, so wird anschließend in Schritt 116 der Biegewinkel bei der Analyse erhöht, welche für diesen Abschnitt wiederholt wird. Das Gesamtdrehmoment bei dem Biegezustand ist kein Maximum, wenn es weniger als der vorherige Wert ist, wobei der vorherige Wert dafür der Maximalwert ist.

[0050] Die Berechnungen und Anweisungen zum Ausführen der soeben beschriebenen Schritte sind wie folgt:

- Initialisiere die Variablen IPASS = 0, IYLDi = 0 für alle Abschnitte

- Erhöhe den Stangendrehwinkel θ = θ + θΔ bei einem Ausgangswert von

und

und stelle IPASS = IPASS+1 ein

- Berechne die Länge jedes Abschnitts entlang der Backenlänge unter Annahme eines einheitlichen Abstands b = I/Nseg, wobei I die Eingriffslänge der Spannpatrone und der Spannpatronenhalterung ist.

- Berechne

Δt = 1/2·t - α - Rbθ

Prüfe zuerst für jeden Abschnitt i = 1, Nseg, um zu sehen, ob IYLDi kleiner als Null ist. Wenn dies der Fall ist, so ist dieser Backenabschnitt nicht in Kontakt mit der Stange, und gehe dann zu dem nächsten Abschnitt. Wenn dies größer oder gleich Null ist, dann Fortfahren. Stelle den Wiederholungszähler für ein Nachgeben des Abschnitts auf Null (m = 0) ein und führe folgende Berechnungen aus:

Durchschnitts-Außenradius der Spannpatrone für den i- ten Abschnitt

Backenbreite an dem i-ten Abschnitt

Berechne den Rollwinkel für den i-ten Abschnitt

Berechne den maximalen Drehwinkel für den i-ten Abschnitt

Wenn θθimax, dann gehe zum nächsten Abschnitt. Winkel zwischen AC-Linie und rechter Kante der Backe (vor dem Biegen) für i-ten Abschnitt

(α2)i = tan&supmin;¹(t/h)

Länge der AC-Linie für den i-ten Abschnitt vor dem Biegen

zi = Hi/cos(α&sub2;);

Winkel zwischen A'C-Linie und rechter Kante der Backe (nach dem Biegen) für i-ten Abschnitt

(α2n)i = (α&sub2;)i + θ

Länge der A'C-Linie für den i-ten Abschnitt nach dem Biegen

zi = hi/cos(α2n)i

Kürzung dieser diagonalen Linie für den i-ten Abschnitt, gemittelt über jede Backe ist

(δn)i = zi - (zn)i

Wenn (δn)i < 0, dann gehe zu dem nächsten Abschnitt. Aus der Stärke von Materialien ist die Verformung eines in Axialrichtung belasteten Elements (PL)/(EA). Daher ist die Kraft in Zusammenhang mit diesem Verkürzen und Wirken entlang der A'C-Linie

wobei

Gesamtradialkraft an der Backenecke für den i-ten Abschnitt

Lagerbeanspruchung für den i-ten Abschnitt

Prüfe ein Nachgeben des i-ten Abschnitts. Wenn

dann den Drehmomentarm von der Mitte der Stange zu der Kraft berechnen

Berechne das Drehmoment für den i-ten Abschnitt

(Mx)i = xi(Fzn)i

Häufe die Drehmomente für alle Abschnitte entlang der Backe an

MT = MT + (Mx)i

Zum nächsten Abschnitt gehen Wenn dies größer als oder gleich der zulässigen Lagerbeanspruchung ist, dann verringere die Verformungen und berechne die Kraft und die Lagerbeanspruchung neu.

Setze das Nachgebe-Flags IYLDi = IPASS, wobei IPASS die Durchgangszahl zum Erhöhen des Biegewinkels ist.

(δn) = (δn)l - m Δwbca = (δn)i - δ

Wenn die neue Verformung niedriger als Null ist, dann auf die Verformung der vorherigen Schätzung setzen.

Berechne die neue Kraft in Zusammenhang mit dem neuen Verkürzen

Berechne die neue Gesamtradialkraft an der Backenecke für den i-ten Abschnitt

Berechne die neue Lagerbeanspruchung

Prüfe ein Nachgeben des i-ten Abschnitts. Wenn

dann stelle den Wiederholungszählers auf m = m + 1 ein und nimm eine Rückschleifung vor, um die Verformungen, die Radialkraft und die Lagerbeanspruchung neu zu berechnen. Ein Maximum von 100 Wiederholungen wird eingestellt.

Wenn diese Lagerbeanspruchung niedriger als der zulässige Wert für die Lagerbeanspruchung ist, so wird die Größe des Nachgebens bestimmt.

Wenn dies das Ausgangsnachgeben ist

(zep)i = 0

dann berechne die maximale Länge der A'C-Linie. Bei diesem Zustand sind die Punkte O, A' und C kolinear, und die Linie A'C hat eine maximale Länge von

(zn)i = (zn)i - (δn)i + (δn)

Nun zuordnen

(zep)i = (zn)i

Nimm andernfalls den vorher berechneten Wert. Berechne die elastische Verkürzung der A'C-Linie

wobei ICD die für den Kontakt erforderliche Länge ist.

Wenn d' größer als Null ist, dann berechne die entsprechende Kraft infolge dieser elastischen Verkürzung.

Berechne nun das Drehmoment infolge der Coulombschen Reibungskraft für den i-ten Abschnitt

(Mx)i = Rbfb(Fzn)i

die Drehmomente anhäufen

MT = MT + (Mx)i

Gehe zum nächsten Abschnitt.

Wenn d' kleiner oder gleich Null ist, dann hat dieser Abschnitt den Kontakt mit der Stange verloren. Setze das Nachgebe-Flag auf einen negativen Wert.

IYLDi = -IYLDi

Gehe zum nächsten Abschnitt.

Berechne das Gesamtdrehmoment infolge des "Biegens" für alle Backen in der Spannpatrone.

Berechne das Gesamtdrehmoment

Erhöhe θ und wiederhole "Biege"-Berechnungen bis MTtotal ein Maximum erreicht.

[0051] Für jede Zunahme des Biegewinkels wird das Gesamtdrehmoment infolge des Biegens für alle Backen in der Spannpatrone berechnet. Wenn dieses Gesamtdrehmoment kein Maximalwert ist, so wird der Biegewinkel erhöht und die Biegeberechnungen neu ausgeführt bis das maximale Drehmoment beim Biegen bestimmt wird. Das Gesamtdrehmoment an der Stange ist die Summe des Drehmoments unmittelbar vor dem Biegen und dem Gesamtdrehmoment beim Biegen.

[0052] Die Greif kraft der Spannpatrone steht in direktem Zusammenhang mit dem Gesamtdrehmoment, welches an der Stange oder dem Werkzeug erzeugt wird, welches durch die Spannpatrone verläuft. Daher ist es selbstverständlich, daß durch Ändern der Gestaltungsparameter der Spannpatronenbacken und durch Berechnen des Gesamtdrehmoments für jede Parameteränderung ein optimaler Satz von Parametern bestimmt werden kann, um die Greifkraft der Spannpatrone zu maximieren. Beispielsweise stellt der nachfolgend vorgesehene Graph die Wirkung eines Änderns der Backendicke auf ein Gesamtdrehmoment, und daher auf die Greifkraft, für eine ER25-8-Spannpatronenanordnung durch Erhöhungsschritte von 0,01 Zoll dar. Es wurde angenommen, daß die Vorgabewerte aus Tabelle 1 akzeptiert werden können und daß das auf den Gewindering auf der Spannpatronenhalterung aufgebrachte Drehmoment 350 Zoll mal Pfund betrug. Es wurde ferner angenommen, daß höchstens lediglich 10 Backen bei der Gestaltung verwendet werden sollten und daß beide Extreme bei dem Stangen- oder Werkzeugachsendurchmesser berücksichtigt werden sollten. Wie der Graph zeigt, kommt es bei einer Zunahme der Backendicke zu einer Zunahme des Gesamtdrehmoments (einschließlich dem Biegen) bis hin zu einer Dicke von etwa 0,10 Zoll. Über dieser Dicke nimmt das Gesamtdrehmoment ab. Die Wirkung des Stangendurchmessers auf das Gesamtdrehmoment für eine gegebene Backendicke ist ferner angegeben. Daher ist es ohne weiteres selbstverständlich, wie das Analyseverfahren- und -system gemäß der vorliegenden Erfindung die Backendicke optimieren kann, um die Greifkraft der Spannpatrone zu maximieren.

[0053] Der nachfolgend vorgesehene Graph zeigt die Wirkung eines Änderns der Anzahl von Backen für eine ER25-8-Spannpatronenanordnung unter Annahme einer Backendicke von 0,07 Zoll. Wie der Graph zeigt, kommt es generell bei einer Zunahme der Anzahl der Backen zu einer Zunahme des Gesamtdrehmoments. Jedoch nahm zwischen 10 und 14 Backen das Gesamtdrehmoment lediglich um 9% zu. Ferner und in Abhängigkeit von dem Grad des elastischen Materials auf den Backenflächen kann die maximale Anzahl von Backen abnehmen, was der Graph bis 15 Backen darstellt.

[0054] Die obigen Graphen zeigen die Wirkung eines Änderns von lediglich einem Parameter, während Vorgabewerte oder konstante Werte für die anderen Backenparameter angenommen werden. Das Analyseverfahren kann ferner durchgeführt werden, um die optimale Kombination von Parametern, wie Dicke, Anzahl und Typenmaterial für die Backen mit einer gegebenen Anordnung zu bestimmen.

[0055] Das Analyseverfahren der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise in einem System 50 konfiguriert, welches generell in Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Eine Einrichtung 52 ist vorgesehen zum Ändern der Backenparameter, so daß die einzelnen Parameter optimiert werden. Eine Einrichtung 54 ist vorgesehen zum Berechnen der Radialkraft der Spannpatronenbacken auf der Stange, wie oben erklärt. Eine Einrichtung 56 ist vorgesehen zum Berechnen des Drehmoments, welches sich an der Stange unmittelbar vor dem Biegen zwischen der Backe und der Stange entwickelt, wie ebenfalls oben erklärt. Eine Einrichtung 58 ist vorgesehen zum Berechnen des maximalen Drehmoments bei dem Biegezustand und zum Berechnen des Gesamtdrehmoments, welches sich an der Stange 60 entwickelt. In einem bevor zugten Ausführungsbeispiel umfassen die verschiedenen Einrichtungen eine anwendbare Software 64 zum Ausführen der Berechnungen, wobei das System 50 ein Computer, generell 62, ist. Das System 50 umfaßt vorzugsweise ein Verzeichnis 66 von Parametern, welche für die breite Vielfalt von herkömmlichen Spannpatronenanordnungen bekannt sind, und ein Verzeichnis 68 für Spannpatronen- Gewindering-Geometrieparameter. Eine Schnittstelleneinrichtung, generell 52, ist vorgesehen, um es dem Analytiker zu ermöglichen, DIN-ASME-Normdaten zu erzeugen, Vorgabewerte zu definieren, Spannpatronenparameter einzugeben etc.

[0056] Wie oben beschrieben, umfaßt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Gestalten einer Spannpatrone eines Maschinenwerkzeugs mit einer Greifeinrichtung, um das Maschinenwerkzeug optimal zu halten. Die Greifeinrichtung umfaßt Backen mit mindestens einem optimierten Parameter, um die Greif kraft der Spannpatrone zu maximieren. Beispielsweise kann die Spannpatrone 10 die optimierte Anzahl von Backen 16, die optimierte Dicke der Backen 16 oder die optimierte Materialzusammensetzung der Backen 16 aufweisen.

[0057] Die nachfolgende Tabelle 3 ist eine Liste von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden erfindungsgemäßen Spannpatrone, welche gemäß der vorliegenden Analyse gestaltet ist. Für verschiedene Spannpatronenanordnungen (das heißt, TG50 und ER25) und Aufnahmefähigkeitsbereiche wurden eine bevorzugte optimale Anzahl und Dicke der Backenblätter bestimmt. Die Backenblätter bestehen aus 1070 kohlenstoffreichem Stahl. Zur Erleichte rung der Herstellung wurden die unterschiedlichen Dicken der Backenblätter auf kommerziell erhältliche Dicken beschränkt. Beispielsweise ist 1070 kohlenstoffreicher Stahl kommerziell in den Dicken 0,055, 0,075 und 0,100 Zoll, unter anderem, erhältlich. Daher wurden für jede der Anordnungen und Aufnahmefähigkeiten die kommerziell erhältlichen Dicken von 1070-Stahl analysiert, um zu bestimmen, welche Dicke optimal ist. Ferner wurde für jede der verschiedenen Dicken die optimale Anzahl von Backenblättern bestimmt, bis eine optimale Kombination von Blattanzahl und Blattdicke bestimmt wurde.

[0058] In der Industrie ist es erwünscht, eine Spannpatrone vorzusehen, welche über einen so breit wie möglichen Bereich wirksam ist, so daß die Anzahl der erforderlichen Spannpatronen beschränkt wird. Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren hilft dahingehend dieses Ziel zu erreichen, daß ein Definieren einer Spannpatrone berücksichtigt wird, welche eine hohe Greifkraft über einen weiteren Bereich selbst dann liefert, wenn die Kombination der Parameter nicht die beste für eine spezifische individuelle Aufnahmefähigkeit in dem Bereich der Spannpatrone ist. Beispielsweise umfaßt eine bevorzugte TG75- Spannpatrone, welche erfindungsgemäß mit einem Aufnahmefähigkeitsbereich von 17/32 bis 9/16 Zoll gestaltet wurde, 8 Backenblätter mit einer Dicke von 0,130 Zoll. Die Kombination von 8 Blättern und einer Dicke von 0,130 Zoll ist dahingehend optimal, daß dies die höchste Gesamtgreifkraft für eine einzelne Spannpatrone innerhalb des gegebenen Bereichs selbst für eine Spannpatrone mit einer Aufnahmefähigkeit von lediglich 9/16 Zoll liefert, wobei 7 Backenblätter mit einer Dicke von 0,130 Zoll ein etwas größeres Gesamtdrehmoment beim Biegen erzeugen. Jedoch ist die Greifkraft, welche durch die Spannpatrone mit 8 Blättern bei einer Aufnahmefähigkeit von 9/16 Zoll geliefert wird, lediglich etwas niedriger und ist geeigneter für eine Verwendung in der Industrie. Daher wurden die Parameter der Anzahl von Blättern und der Dicke von Blättern über den Bereich von 17/32 bis 9/16 Zoll optimiert.

[0059] In dieser Weise bietet das vorliegende Verfahren zur Gestaltung von Spannpatronen eines Maschinenwerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung einen bedeutenden Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Beispielsweise sind bei herkömmlichen Spalt-Stahlspannpatrone mit der TG75 Anordnung 17 Spannpatronen nötig, um den Bereich von 5/32 bis 5/8 Zoll abzudecken, wohingegen lediglich 8 Rubber-Flex-Spannpatronen, welche gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gestaltet werden, erforderlich wären. Daher berücksichtigt das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren der Greifkraft der Rubber- Flex-Spannpatrone ein genaues Definieren der Spannpatronen, welche für einen weiteren Bereich geeignet sind, wodurch die Anzahl von nötigen Spannpatronen und die Herstellungskosten bedeutend verringert werden. Die nachfolgende Tabelle 3 umfaßt die Kombinationen, welche optimiert wurden, um ein größeres Gesamtdrehmoment bei dem Biegezustand für die Spannpatrone über die angegebenen Bereiche zu liefern.

Tabelle 3

[0060] Bei gewöhnlicher Fachkenntnis ist zu ersehen, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können, ohne den Umfang der Ansprüche zu verlassen. Dementsprechend soll also die vorliegende Erfindung solche Änderungen und Abwandlungen mit einschließen, die in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Gestalten einer Spannpatrone (10) eines Maschinenwerkzeugs, welche dadurch betätigt wird, daß sich diese in Eingriff mit einer Eingriffsfläche einer Spannpatronenhalterung befindet, wobei

die Spannpatrone (10) eine gegebene Außendurchmesseranordnung und Innendurchmesseraufnahmefähigkeit aufweist, wobei

eine Vielzahl von Greifbacken (16) in einer erwünschten Beziehung in Längen- und Winkelabstand um eine Längs-Mittellinienachse (18) herum durch die annpatrone (10) gehalten wird, wobei

die Greifbacken (16) eine Innenfläche (20) aufweisen, welche zu der Mittellinienachse (18) parallel ist, wodurch die Vielzahl von Greifbacken (16) eine Öffnung durch die Spannpatrone (10) hindurch zum Aufnehmen eines Werkzeugschafts definiert, wobei die Öffnung die Aufnahmefähigkeit der Spannpatrone (10) definiert, wobei

die Greifbacken (16) eine Außenfläche (24) aufweisen, wodurch die Vielzahl von Greifbacken (16) eine Außenoberfläche (26) für den Eingriff der Spannpatronenhalterungs-Aufnahmefläche definieren, wobei die Außenfläche (24) eine Außendurchmesseranordnung der Spannpatrone (10) definiert, wobei

die Anzahl der Greifbacken (16) einen ersten veränderlichen Gestaltungsparameter der Spannpatrone (10) definiert, wobei

die Dicke der Greifbacken (16) einen zweiten veränderlichen Gestaltungsparameter der Spannpatrone (10) definiert;

wobei ein elastisches Material (12) zwischen den Greifbacken (16) zum Halten der Vielzahl von Greifbacken (16) in der erwünschten Beziehung in Abstand angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Typenmaterial der Greifbacken (16) einen dritten veränderlichen Gestaltungsparameter der Spannpatrone (10) definiert;

wobei ferner für eine gegebene Anordnung und Aufnahmefähigkeit der Spannpatrone (10) mindestens einer der veränderlichen Gestaltungsparameter für gegebene Werte der anderen veränderlichen Gestaltungsparameter ausgewählt wird, wobei

mindestens einer der anderen Gestaltungsparameter geändert wird, bis ein maximales Gesamtdrehmoment (Mttotal) zusammen mit den gegebenen Werten des anderen veränderlichen Parameters (bzw. der Parameter) (Tabelle 3) erreicht wird, so daß die Spannpatrone (10) bezüglich des mindestens einen Gestaltungsparameters das maximal mögliche Gesamtdrehmoment (Mttotal) an einer dadurch hindurch verlaufenden Stange erzeugt, wobei das maximale Gesamtdrehmoment (Mttotal) aus dem Drehmoment an der Stange, welches durch die Greifbacken (16) unmittelbar vor einem Biegezustand erzeugt wird, welcher zwischen den Greifbacken (16) und der Stange besteht, und einer Gesamt-Drehmomentkraft durch die Greifbacken (16), welche bei einem Biegezustand erzeugt wird, besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter einer Anzahl von Greifbacken (16) und einer Dicke von Greifbacken (16) zusammen mit einem gegebenen Material von Greifbacken (16) bezüglich des maximalen Gesamtdrehmoments (MTtotal) optimiert wurden, um einen breiten Aufnahmefähigkeitsbereich zu erhalten, wobei das Gesamtdrehmoment annehmbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für einen gegebenen Typ eines elastischen Materials und einen gegebenen Typ eines Backenmaterials die Anzahl und die Dicke der Backen (16) bestimmt werden durch:

Bestimmen der Radialkraft der Greifbacken (16) auf eine Stange, welche durch die Spannpatrone (10) hindurch verlaufend angeordnet ist, wobei die Radialkraft von einer auf die Spannpatrone (10) ausgeübten Axialkraft abhängt;

Bestimmen des Drehmoments an der Stange, welches aus den Radialkräften der Greifbacken (16) unmittelbar vor einem Biegezustand zwischen den Greifbacken (16) und der Stange entwickelt wird;

Bestimmen der Gesamt-Drehmomentkraft, welche zwischen den Greifbacken (16) und der durch die Spannpatrone (10) verlaufenden Stange bei einem Biegezustand für einen gegebenen Biegewinkel erzeugt wird;

Ändern des Biegewinkels, bis die Gesamt-Drehmomentkraft zwischen den Greifbacken (16) und der Stange bei einem Biegezustand einen Maximalwert erreicht; und

Bestimmen des Gesamtdrehmoments an der Stange durch Summieren des Drehmoments vor einem Biegen und der maximalen Gesamt-Drehmomentkraft bei einer Biegebedingung;

wodurch eine optimale Anzahl und Dicke der Greifbacken (16) für eine gegebene Anordnung und Aufnahmefähigkeit einer Spannpatrone (10) dadurch bestimmt werden, daß die Anzahl und die Dicke der Greifbacken (16) geändert werden, bis das Gesamtdrehmoment für eine Anzahl oder eine Dicke der Greifbacken (16) maximiert ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Greifbacken (16) dadurch bestimmt wird, daß eine Dicke der Greifbacken (16) für eine gegebene Anordnung und Aufnahmefähigkeit einer Spannpatrone (10) und eine gegebene Anzahl der Greifbacken (16) geändert wird, bis eine Dicke bestimmt ist, welche ein maximales Gesamtdrehmoment (Mttotal) für die Spannpatrone (10) erzeugt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Greifbacken (16) dadurch bestimmt wird, daß die Anzahl der Greifbacken (16) für eine gegebene Anordnung und Aufnahmefähigkeit einer Spannpatrone (10) und eine gegebene Dicke der Greifbacken (16) geändert wird, bis eine Anzahl bestimmt ist, welche ein maximales Gesamtdrehmoment (Mttotal) für die Spannpatrone (10) erzeugt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Typenmaterial der Greifbacken (16) dadurch bestimmt wird, daß das Typenmaterial für eine gegebene Anordnung und Aufnahmefähigkeit einer Spannpatrone und eine gegebene Anzahl und Dicke der Greifbacken (16) geändert wird, bis ein Typenmaterial bestimmt ist, welches ein maximales Gesamtdrehmoment (Mtotal) für die Spannpatrone (10) erzeugt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke, die Anzahl und das Typenmaterial der Greifbacken (16) dadurch bestimmt werden, daß Dicke, Anzahl und Typenmaterial geändert werden, bis eine Verbindung von Dicke, Anzahl und Typenmaterial bestimmt ist, welche ein maximales Gesamtdrehmoment für die Spannpatrone (10) erzeugt.

Zusammenfassung

Eine Vielzahl von Greifbacken (16) einer Spannpatrone (10) eines Maschinenwerkzeugs wird in einer erwünschten Beziehung in Längen- und Winkelabstand um eine Längs- Mittellnienachse (18) herum durch die Spannpatrone (10) gehalten. Die Greifbacken (16) weisen eine Innenfläche (20) auf, welche zu der Mittellinienachse (18) parallel ist, wodurch die Vielzahl von Greifbacken (16) eine Öffnung durch die Spannpatrone (10) hindurch zum Aufnehmen eines Werkzeugschafts definiert, wobei die Öffnung die Aufnahmefähigkeit der Spannpatrone (10) definiert. Die Greifbacken (16) weisen eine Außenfläche (24) auf, wodurch die Vielzahl von Greifbacken (16) eine Außenoberfläche (26) für den Eingriff der Spannpatronenhalterungs-Aufnahmefläche definieren, wobei die Außenfläche (24) eine Außendurchmesseranordnung der Spannpatrone (10) definiert. Die Anzahl der Greifbacken (16) definiert einen ersten veränderlichen Gestaltungsparameter der Spannpatrone (10), wobei die Dicke der Greifbacken (16) einen zweiten veränderlichen Gestaltungsparameter der Spannpatrone (10) definiert. Ein elastisches Material (12) ist zwischen den Greifbacken (16) zum Halten der Vielzahl von Greifbacken (16) in der erwünschten Beziehung in Abstand angeordnet. Das Typenmaterial der Greifbacken (16) definiert einen dritten veränderlichen Gestaltungsparameter der Spannpatrone (10). Ferner wird für eine gegebene Anordnung und Aufnahmefähigkeit der Spannpatrone (10) mindestens einer der veränderlichen Gestaltungsparameter für gegebene Werte der anderen veränderlichen Gestaltungsparameter ausgewählt. Mindestens einer der anderen Gestaltungsparameter wird geändert, bis ein maximales Gesamtdrehmoment (Mttotal) zusammen mit den gegebenen Werten des anderen veränderlichen Parameters (bzw. der Parameter) (Tabelle 3) erreicht wird, so daß die Spannpatrone (10) bezüglich des mindestens einen Gestaltungsparameters das maximal mögliche Gesamtdrehmoment (Mttotal) an einer dadurch hindurch verlaufenden Stange erzeugt, wobei das maximale Gesamtdrehmoment (Mttotal) aus dem Drehmoment an der Stange, welches durch die Greifbacken (16) unmittelbar vor einem Biegezustand erzeugt wird, welcher zwischen den Greifbacken (16) und der Stange besteht, und einer Gesamt- Drehmomentkraft durch die Greifbacken (16), welche bei einem Biegezustand erzeugt wird, besteht.

(Fig. 1)







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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