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Spannzange und Spannvorrichtung für einen Langdrehautomaten - Dokument DE102005024840B3
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005024840B3 18.01.2007
Titel Spannzange und Spannvorrichtung für einen Langdrehautomaten
Anmelder SZM Spannwerkzeuge GmbH, 98544 Zella-Mehlis, DE
Vertreter engel patentanwaltskanzlei, 98527 Suhl
DE-Anmeldedatum 27.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005024840
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.01.2007
IPC-Hauptklasse B23B 31/20(2006.01)A, F, I, 20060523, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23B 13/02(2006.01)A, L, I, 20060523, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Spannzange (01) für eine Spannvorrichtung eines Langdrehautomaten mit einem abschnittsweise kegelstumpfförmigen Grundkörper, der innen eine Spannfläche (05) und außen eine kegelstumpfförmige Fläche (11) aufweist. Der Grundkörper ist durch radial und axial durchgehende Schlitze (04) in mindestens drei Spannbacken (03) unterteilt, wobei in diesen Schlitzen (04) zur Verbindung der Spannbacken (03) elastische Verbindungsteile (13) angeordnet sind. Die Spannzange wird in einer Spannvorrichtung eines Langdrehautomaten eingesetzt, die weiterhin eine Spannhülse (21), eine Haltemutter (23), und eine Führungsbuchse (29) umfasst, die beabstandet von der Spannzange (01) angeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Spannzange sowie eine Spannvorrichtung eines Langdrehautomaten, die von einer solchen Spannzange Gebrauch macht. Die Spannzange dient der Befestigung und dem Vorschub von stangenförmigen Werkstücken während der Bearbeitung.

Spannzangen zum Einspannen von Werkstücken in Werkzeugmaschinen sind im Stand der Technik bereits seit vielen Jahren bekannt.

Spannzangen und Spannzangenaufnahmen sind Verschleißteile. Nach dem Stand der Technik werden zur Werkstückspannung vorrangig Spannzangen verwendet, die nach DIN 6343 angefertigt sind. Gemäß dieser Norm handelt es sich bei solchen Spannzangen um eine Hülse, die außen an einem Ende kegelig ist und innen eine zylindrische Bohrung eines für die jeweilige Spannzange festgelegten Nenndurchmessers hat. Die Hülse ist beginnend von der kegelförmigen Seite mehrfach radial eingeschlitzt. Dadurch sind Spannbacken ausgebildet, die am anderen Ende der Hülse in einem gemeinsamen Ring zusammenlaufen. Eine Spannzangenaufnahme hat einen zur Spannzange passenden Innenkegel. Das Spannen erfolgt durch axiales Verschieben eines Druckrohrs, wodurch die Spannzange in den Innenkegel der Spannzangenaufnahme gedrückt wird. Dadurch, dass die Spannzange geschlitzt, ist werden die Spannbacken am geschlitzten Ende zusammen gedrückt, um das Werkstück kraftschlüssig festzuhalten. Der Spannbereich einer solchen Spannzange ist sehr gering (ca. 0,5 mm). Dies resultiert aus der winkligen Verlagerung der Spannbacken, die nur unter Biegebeanspruchung des harten Spannbackenmaterials möglich ist. Dadurch müssen für verschiedene Durchmesser Spannzangen mit entsprechenden Abmessungen vorgehalten werden. Ein Nachteil dieser Spannzangen ist es, dass die kraftschlüssige Spannung nur auf einem linienförmigen Umfangsstück erfolgt, da der Innendurchmesser der Spannzange am ringseitigen Ende der Spannbacken nicht verändert werden kann. Deshalb ist die Übertragung des Drehmomentes auf das Werkstück bei höheren Drehzahlen nicht immer gewährleistet. Das Werkstück beginnt dann in der Spannzange zu rutschen. Allerdings bieten die normgerechten Spannzangen den Vorteil, dass radiale Kräfte gut aufgenommen werden können, die bei der Bearbeitung des Werkstücks eingeleitet werden.

Für den Einsatz bei Drehmaschinen für kurze Werkstücke sind Mehrsegment-Spannköpfe bekannt, welche die DIN gemäßen Spannzangen ersetzen. Diese stellen den Kraftschluss zwischen Spannkopf und Werkstück über die gesamte Länge des Spannkopfes her, da der Spannkopf entlang seiner gesamten Länge Schlitze besitzt, die einzelne Spannbacken ausbilden. Diese Segmente lassen sich beim Spannen im Ganzen in radialer Richtung verschieben, wodurch eine Spannung des Werkstückes auf der gesamten Umfangsfläche erzielt wird.

Aus der DE 100 57 977 A1 ist ein Spannfutter für Werkzeugmaschinen bekannt. Eine teilbare Spannzange besteht hier aus einem Spannrohr und einem Spannkopf. Der Spannkopf ist durch axial und radial durchgehende Trennschlitze in mehrere Spannbacken unterteilt, die durch elastische Verbindungselemente miteinander vereinigt sind. Da der Spannkopf einem höheren Verschleiß unterliegt, als das Spannrohr, werden solche Spannzangen zweiteilig gefertigt.

Die Spannung des Werkstückes erfolgt durch eine axiale Verschiebung der Spannzange im Spannfutter. Eine Spannung des Werkstückes erfolgt hier achsparallel über die gesamte Länge der Spannzange. Allerdings greift für die axiale Verschiebung der Spannzange ein Zugrohr an dieser an, worüber Zugkräfte auf die Spannzange ausgeübt werden. Konstruktionsbedingt sind daher die bekannten Spannzangen nicht für den Einsatz in Langdrehautomaten geeignet, da dort keine Möglichkeit für den Einbau eines Zugrohrs besteht.

Aufgrund der hohen Anforderungen an Rundlaufgenauigkeit, Drehmomentübertragung und Übertragung der Vorschubkräfte in axialer Richtung ging die Fachwelt bisher davon aus, dass die genannten Mehrsegment-Spannköpfe in Langdrehautomaten nicht eingesetzt werden können.

Aus der DE 29 03 915 A1 ist die Verwendung einer Führungsbuchse in Langdrehautomaten bekannt, die sich durch einstellbare Vorspannung mittels Federdruck automatisch an sich während der Verarbeitung einer Materialstange verändernde Durchmesser anpassen kann. Es werden drei Spannsegmente mit Gummipuffern verbunden.

Aus der DE 43 15 612 C2 ist eine Spannzange zum Einspannen von Rundmaterial an Drehmaschinen bekannt. Die Spannzange weist drei Spannbacken auf. Axial verlaufende, die Spannzange radial durchsetzende Schlitze teilen die Spannzange in drei Spannbacken. Die Schlitze erstrecken sich von einem Überwurfring ausgehend in axialer Richtung etwa über zwei Drittel der Gesamtlänge der Spannzange.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung für Langdrehautomaten bereitzustellen, die ein stangenförmiges Werkstück mit extrem hoher Rundlaufgenauigkeit, erhöhter Spannkraft in axialer Richtung und guter Drehmomentübertragung im Langdrehautomaten einspannt. Ein Teilaspekt der Erfindung besteht dabei darin; eine Spannzange für die Verwendung an Langdrehautomaten anzupassen, wobei gleichzeitig eine preiswerte Herstellung dieser Spannzange ermöglicht werden soll.

In Abkehr von dem oben genannten, in der Fachwelt seit langem verwurzelten Vorurteil wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1 und 5 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, dass im Vergleich zu den bisher in Langdrehautomaten eingesetzten Spannzangen nach DIN 6343 eine wesentliche Verbesserung der Übertragung der axialen Kräfte erreicht wird. Durch die Verwendung von wenigen, vorzugsweise drei Spannbacken werden Vibrationen des Werkstückes bei hohen Drehzahlen erheblich verringert.

Eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung umfasst eine Spannzange, die aus mindestens drei Spannbacken besteht, welche durch ein elastisches Material so miteinander verbunden werden, dass im Inneren der Spannzange eine Spannfläche gebildet wird, welche der Oberfläche des einzuspannenden Werkstücks entspricht. Die Verbindung mit dem elastischen Material ist so ausgeführt, dass eine Bewegung der Spannbacken im Wesentlichen nur in radialer Richtung möglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elastische Material Gummi. Die Verbindung der Spannbacken mit dem Gummi erfolgt z.B. durch Vulkanisieren. Weitere Materialen und Verbindungstechniken sind denkbar.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spannfläche eine Zylindermantelfläche, während der Querschnitt des stabförmigen Werkstückes eine Kreisfläche bildet. In weiteren Ausführungsformen kann die Spannfläche der Spannzange auch für die Aufnahme von anderen Profilen, wie beispielsweise Sechskant- oder Vierkantprofilen ausgebildet sein. Der Fachmann kann die Spannfläche an den Querschnitt des zu bearbeitenden Werkstückes anpassen, indem er die Form der Spannbacken entsprechend wählt.

Die äußere Form der Spannzange ist kegelstumpfförmig mit einer koaxial zur Spannachse verlaufenden Längsachse (im Folgenden als Kegelfläche bezeichnet) ausgebildet, wobei sich am Fußende des Kegelstumpfes ein Überwurfring anschließt, dessen Außendurchmesser nur wenig größer, als der Innendurchmesser der Spannzange ist. Der Überwurfring ist segmentweise einstückig an der Spannbacke angeformt. Er dient zur Führung einer Überwurfmutter, mit der die Spannzange in einer Spannhülse befestigt wird.

Die Außenfläche der Spannzange korrespondiert mit der Innenfläche einer Spannhülse oder Spannzangenaufnahme, die zur Wahrung der Kompatibilität mit vorhandenen Langdrehautomaten die Maßvorgaben der DIN 6343 hinsichtlich dieser Flächen berücksichtigen kann.

Die Kegelfläche der Spannzange bzw. die Außenflächen der Spannbacken bleiben beim Spannvorgang komplett in Berührung mit den Kegelflächen der Spannhülse. Es kann somit beim Spannvorgang keine Verkippung einzelner Spannbacken erfolgen. Das Werkstück wird durch die achsparallele Verschiebung der Spannbacken ebenfalls achsparallel in der Spannvorrichtung eingespannt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine Vorderansicht einer Spannzange;

2 eine Schnittansicht der Spannzange entlang der Linie A-A in 1;

3 eine vergrößerte Darstellung von Spannrillen der Spannzange gemäß 2;

4 eine schematische Längsschnittsdarstellung eines Langdrehautomaten mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung.

In 1 ist eine Spannzange 01 in Vorderansicht dargestellt, während 2 eine Schnittansicht der Spannzange entlang der Schnittlinie A-A in 1 zeigt. Die Spannzange 01 umfasst einen Grundkörper, der in dieser Ausführungsform in drei Spannbacken 03 unterteilt ist. Die Spannbacken sind so angeordnet, dass die durch sie gebildeten Innenflächen 05 des Grundkörpers über die gesamte Längserstreckung einen Kreisquerschnitt umschließen, also achsparallel verlaufen. Bei abgewandelten Ausführungsformen können auch mehrere Spannbacken zur Anwendung kommen.

Die Spannbacken 03 sind durch zueinander parallel verlaufende Radialschlitze 04 voneinander getrennt und beabstandet, gleichzeitig aber durch in diese Schlitze eingebrachte Gummiverbindungsteile 13 miteinander dauerhaft verbunden. Die Gummiverbindungsteile 13 werden z.B. mithilfe eines Vulkanisierungsprozesses an den zu den Schlitzen gewandten Flanken der Spannbacken befestigt. Die Verbindungsteile 13 sind elastisch, um eine radiale Verschiebung der einzelnen Spannbacken 03 zu gestatten.

Die Spannzange 01 besitzt eine kegelstumpfförmige Außenfläche 11, welche durch die Außenflächen der Spannbacken 03 gebildet wird. Jede Spannbacke weist somit im Längsschnitt einen keilförmigen Hauptabschnitt auf.

Ein ebenfalls in Segmente aufgeteilter Überwurfring 07 schließt sich an den Fuß 09 der kegelstumpfförmigen Außenfläche 11 an. Der Außendurchmesser des Überwurfrings 07 ist kleiner als der Durchmesser des Kegelstumpfes am Fuß 09, so dass eine Anschlagfläche am Fuß zur Verfügung steht, um in Längsrichtung der Spannzange Verschiebekräfte einzuleiten.

Zu einer Verbesserung der Aufnahme axialer Schubkräfte können quer zu Längsachse 15 mehrere Spannrillen 17 auf den Innenflächen 05 der Spannbacken 03 angebracht sein.

3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2, in welchem die Ausführung der Spannrillen 17 als Nuten dargestellt ist. Der Fachmann kennt die Ausgestaltung solcher Spannrillen und wird weitere Möglichkeiten für deren Formgebung erkennen.

In 4 ist eine prinzipielle Längsschnittdarstellung eines Langdrehautomaten mit einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung gezeigt, die von der oben beschriebenen Spannzange Gebrauch macht. Ein erster Teil der Spannvorrichtung ist in an sich bekannter Weise an einer Spindel 19 des Langdrehautomaten angeordnet. Die Spannvorrichtung umfasst in unmittelbarer Verbindung mit der Spindel 19 eine Spannhülse 21, die Spannzange 01 und eine Haltemutter 23. Mit Hilfe der Haltemutter 23, welche am Überwurfring 07 geführt wird, ist die Spannzange 01 mit der Spannhülse 21 an der Spindel 19 befestigt.

Ein Druckrohr 25 wird zum Spannen eines stangenförmigen Werkstückes 27 in Richtung des auf dem Druckrohr 25 dargestellten Pfeils axial verschoben. Dieses bewegt die Spannhülse 21 in axialer Richtung. Die Kegelinnenfläche 28 der Spannhülse 21 und die Außenfläche 11 der Spannzange 01 laufen keilförmig aufeinander auf, so dass die Spannbacken in radialer Richtung nach innen gepresst werden. Dabei bleiben die Kegelinnenfläche 28 der Spannhülse 21 und die Außenfläche 11 der Spannzange flächig in Berührung. Die Spannung des Werkstückes 27 erfolgt über die gesamte Länge der axialen Erstreckung der Spannzange 01.

Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Spannvorrichtungen für Langdrehautomaten kommt es beim axialen Verschieben der Spannzange nicht zu einer Verkippung der Spannbacken gegenüber der Längsachse. Die Berührung zwischen den Außenflächen der Spannbacken und der Kegelinnenfläche der Spannhülse bleibt daher unter allen Bedingungen flächig und nicht linienförmig. Die einleitbaren Kräfte sind höher. Vorteilhaft macht sich das auch während der Bearbeitung des eingespannten Werkstücks bemerkbar, wenn beispielsweise beim Bohren von axialen Löchern erhöhte Axialkräfte aufgebracht werden. Dadurch wird die Spannzange weiter in die Spannhülse gepresst, wodurch sich die Spannkraft automatisch erhöht. Gleichzeitig werden aber durch die flächige Anlage der Spannbacken am Werkstück zu hohe Linienkräfte vermieden, die zu einer Beschädigung der Werkstückoberfläche führen könnten.

Es wird auch darauf hingewiesen, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf die bisher übliche Druckfeder zwischen Druckrohr und Spannzange verzichtet werden kann. Die nötigen Kräfte für das Aufspreizen der Spannbacken werden direkt durch die elastischen Verbindungsteile zwischen den Spannbacken bereitgestellt. Sobald über das Druckrohr keine Druckkraft mehr auf die Spannzange mehr ausgeübt wird, kommt es daher zum Lösen der Einspannung durch selbsttätiges Auf weiten der Spannzange.

Bei der Bearbeitung des Werkstücks 27 wird dieses mit Hilfe des Schlittens 33 in axialer Richtung bewegt. Diese Axialkräfte muss die Spannzange 01 zusätzlich zur Übertragung des Drehmomentes der in Pfeilrichtung (Drehpfeil) angetriebenen Spindel 19 aufnehmen können, ohne dass das Werkstück 27 in der Spannzange 01 verrutscht, so dass die Spannkräfte entsprechend hoch auszulegen sind.

Da aufgrund der durchgängigen Radialschlitze 04 die einzelnen Spannbacken 03 zueinander beweglich sind, wobei diese Beweglichkeit durch die Gummiverbindungsteile 13 und die ausgeübte Spannkraft beschränkt wird, könnte es bei Einwirkung größerer Radialkräfte auf das Werkstück zu einer Verkippung des Werkstücks aus der Drehachse heraus kommen. Dies steht der geforderten Präzision bei der Bearbeitung entgegen.

Um trotz des Einsatzes der in Spannbacken unterteilten Spannzange eine hohe Rundlaufgenauigkeit sicherzustellen und auch größere Radialkräfte aufnehmen zu können, umfasst die Spannvorrichtung eine Führungsbuchse 29, in der das Werkstück 27 drehbar gelagert ist und wo es in radialer Richtung zusätzlich abgestützt wird. Die Bearbeitung des Werkstücks 27 mit einem Werkzeug 31 erfolgt grundsätzlich in unmittelbarer Nähe der Führungsbuchse 29, vorzugsweise auf der von der Spannzange 01 abgewandten Seite. Die hohen radialen Kräfte bei der Bearbeitung des Werkstückes 27 werden damit weitgehend von dieser Führungsbuchse 29 aufgenommen.

01
Spannzange
03
Spannbacke
04
Radialschlitze
05
Innenfläche der Spannbacke
07
Überwurfring
09
Fuß des Kegelstumpfes
11
Außenfläche
13
Gummiverbindungsteile
15
Längsachse
17
Spannrillen
19
Spindel
21
Spannhülse
23
Haltemutter
25
Druckrohr
27
Werkstück
28
Kegelinnenfläche der Spannhülse
29
Führungsbuchse
31
Werkzeug
33
Schlitten


Anspruch[de]
Spannzange (01) für eine Spannvorrichtung eines Langdrehautomaten mit einem abschnittsweise kegelstumpfförmigen Grundkörper, der innen eine Spannfläche (05) und außen eine kegelstumpfförmige Fläche (11) aufweist, wobei der Grundkörper durch radial und axial durchgehende Schlitze (04) in mindestens drei Spannbacken (03) unterteilt ist, wobei in diesen Schlitzen (04) zur Verbindung der Spannbacken (03) elastische Verbindungsteile (13) angeordnet sind, wobei sich die Schlitze (04) in radialer und axialer Richtung auch durch einen Überwurfring (07) erstrecken, der am Fuß (09) des kegelstumpfförmigen Abschnitts des Grundkörpers in Segmenten ausgebildet ist, wobei diese Segmente des Überwurfrings (07) einstückig an die Spannbacken (03) angeformt sind, und wobei der Überwurfring (07) einen kleineren Außendurchmesser als der Fuß (09) des kegelstumpfförmigen Abschnitts des Grundkörpers besitzt. Spannzange (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Spannfläche (05) eine Zylindermantelfläche ist. Spannzange (01) Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Verbindungsteile (13) aus Gummi bestehen, welches an die Spannbacken (03) anvulkanisiert ist. Spannzange (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Spannflächen (05) der Spannbacken (03) Profilierungen (17) eingearbeitet sind. Spannvorrichtung eines Langdrehautomaten, umfassend:

– eine Spannzange (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4;

– eine Spannhülse (21), die an einer Spindel (19) des Langdrehautomaten befestigt ist und zumindest abschnittsweise eine Kegelinnenfläche (28) besitzt;

– eine Haltemutter (23), welche in ein an der Spindel (19) angeordnetes Gewinde eingreift und den Überwurfring (07) der Spannzange (01) umfasst, um die Spannzange (01) in der Spannhülse (21) zu fixieren, wobei die Außenfläche (11) der Spannzange (01) und die Kegelinnenfläche (28) der Spannhülse (21) keilförmig gegeneinander laufen;

– eine Führungsbuchse (29), die beabstandet von der Spannzange (01) angeordnet ist und in welcher ein in die Spannzange eingespanntes Werkstück (27) während der Bearbeitung drehbar gelagert ist, wobei die Führungsbuchse (29) in unmittelbarer Nähe eines am Werkstück (27) angreifenden Werkzeugs (31) positioniert ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Spindel (19) ein axial verschiebbares Druckrohr (25) angeordnet ist, welches am nach innen gerichteten Ende der Spannhülse (21) angreift um diese zum Spannen der Spannzange (01) axial zu verschieben. Spannvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (19) auf einem in Achsrichtung verfahrbaren Schlitten (33) befestigt ist. Spannvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Druckrohr (25) und der Spannzange (01) kein in axialer Richtung wirkendes Federelement angeordnet ist.






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