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Dokumentenidentifikation DE19924487B4 29.11.2007
Titel Werkzeughalter - Spannvorrichtung für eine Spindel
Anmelder Toshiba Kikai K.K., Tokyo, JP
Erfinder Date, Takao, Shizuoka, JP;
Kai, Yoshiaki, Numazu, Shizuoka, JP;
Endo, Katsuhito, Fuji, Shizuoka, JP
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Anmeldedatum 28.05.1999
DE-Aktenzeichen 19924487
Offenlegungstag 09.12.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
Free division/divided out on the grounds of lack of unity 19964560.4
IPC-Hauptklasse B23B 31/11(2006.01)A, F, I, 20070215, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23B 31/117(2006.01)A, L, I, 20070215, B, H, DE   B23B 19/02(2006.01)A, L, I, 20070215, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeughalter-Spannvorrichtung für Eine Spindel einer Werkzeugmaschine, und insbesondere eine Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel derjenigen Art, die durch eine Schraubbewegung befestigt wird, sowie eine Spindelvorrichtung mit einer derartigen Werkzeughalter-Spannvorrichtung.

Stand der Technik

Als eine Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel für eine Hochgeschwindigkeitsdrehung wurde in der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs nr. 10-76413 (1998) eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der Faktoren, welche die Balance beeinträchtigen, ausgeschaltet werden, um die Vergrößerung der Trägheitskraft bei der Rotation einer Spindel zu unterdrücken.

Diese Vorrichtung ist von derjenigen Art, die mittels einer Schraubbewegung befestigt wird, bei der eine Spindel eine konische Bohrung, die in einem distalen Endteil derselben ausgebildet ist, und ein Werkzeughalter einen Schaftabschnitt aufweist, der für die Einführung in und das Herausziehen aus der konischen Bohrung angepaßt ist, und durch welche der Schaftabschnitt mittels der Befestigung durch Einschrauben gespannt wird. Die Schraubbefestigungs-Werkzeughalter-Spannvorrichtung weist ein Spannschraubenelement, das einen Gewindeabschnitt aufweist, der in einer zentralen Durchgangsöffnung oder einem hohlen Abschnitt der Spindel vorgesehen ist, die/der mit der konischen Bohrung in Verbindung steht, und der dafür angepaßt ist, in eine Gewindebohrung eingeschraubt zu werden, die axial in dem Schaftabschnitt des Werkzeughalters ausgebildet ist, und der den Werkzeughalter durch Befestigen des Schaftabschnitts mittels des Gewindeabschnitts befestigt, und einen Antriebswellenkörper (als ein Zugstangenelement) auf, der in der zentralen Durchgangsöffnung vorgesehen ist und axial bewegbar ist, so daß er mit dem Spannschraubenelement für eine Antriebsverbindung mit diesem in Eingriff bringbar ist, um dadurch das Spannschraubenelement in eine Drehung anzutreiben. Wenn sich die Spindel dreht, wird das Antriebswellenelement von dem Spannschraubenelement getrennt, so daß Faktoren der Spindel, die gegen die Balance wirken, ausgeschlossen werden, und die Spindel ein verringertes Gewicht aufweist.

Bei einer derartigen Schraubbefestigungs-Werkzeughalter-Spannvorrichtung ist es, weil das Spannschraubenelement in eine Spindel eingearbeitet ist, und es nicht zugelassen wird, daß sich dieses axial bewegt, wenn das Spannschraubenelement in eine Drehung für eine Anbringung oder ein Abnehmen eines Werkzeughalters angetrieben wird, erforderlich, eine axiale Relativposition zwischen einer Spindelvorrichtung und dem Werkzeughalter gemäß einer Schraubensteigung zu verändern.

Deshalb ist bei der Verwendung einer automatischen Werkzeugwechselvorrichtung zum Bewirken eines automatischen Werkzeugwechsels eine gleichzeitige Steuerung zwischen dem Spannschraubenelement, das zu drehen ist, und der Spindelvorrichtung, die in Verbindung damit axial zu bewegen ist, erforderlich.

Jedoch ist das Spannschraubenelement, um von einem Antriebswellenkörper trennbar zu sein, der als ein Körper eines Drehantriebs dient, um das Spannschraubenelement zu drehen, mit diesem durch eine entsprechende passende Ausbildung beispielsweise zwischen einer polygonalen Säule und einer polygonalen Öffnung verbunden, und das Ausmaß einer Drehung des Drehantriebskörpers stimmt nicht immer mit demjenigen des Spannschraubenelements überein, so daß das Drehausmaß des Drehantriebskörpers für die Steuerung nicht auf ein Drehausmaß des Spannschraubenelements gestützt werden kann. Es ist somit für ein Drehausmaß des Spannschraubenelements und das Ausmaß einer axialen Bewegung der Spindelvorrichtung schwierig, daß diese für eine gleichzeitige Steuerung zwischen diesen einander zugeordnet werden, mit dem Ergebnis, daß eine derartige Schraubbefestigungs-Werkzeughalter-Spannvorrichtung bei Verwendung einer automatischen Werkzeugwechselvorrichtung nicht benutzt werden kann.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Gesichtspunkte erarbeitet.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schraubbefestigungs-Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel zu schaffen, die leicht mit der Verwendung einer automatischen Werkzeugwechselvorrichtung kombiniert werden kann, und die derart verbessert ist, daß Fremdobjekte in einem Paßbereich zwischen einer konischen Bohrung einer Spindel und einem Schaftabschnitt eines Werkzeughalters auf wirksame Art und Weise entfernt werden können, und daß die Spindel, die bei hoher Geschwindigkeit gedreht werden soll, wirksam gekühlt werden kann. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spindelvorrichtung zu schaffen, die eine derartige Schraubbefestigungs-Werkzeughalter-Spannvorrichtung aufweist.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel zum Spannen eines Schaftabschnitts eines Werkzeughalters, der in eine Spindel auf eine entnehmbar passende Art bezüglich einer konischen Bohrung, die an einem distalen Endabschnitt der Spindel ausgebildet ist, einzubringen ist, mittels einer Schraubbefestigung, geschaffen, wobei die Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel folgendes aufweist: ein Spannschraubenelement, das drehbar und axial bewegbar in einer mittleren Durchgangsöffnung der Spindel vorgesehen ist, die mit der konischen Bohrung in Verbindung steht, wobei das Spannschraubenelement einen Gewindeabschnitt aufweist, der in eine Gewindeöffnung einzuschrauben ist, die axial in dem Schaftabschnitt des Werkzeughalters ausgebildet ist, wobei das Spannschraubenelement dafür angepaßt ist, den Werkzeughalter durch Befestigen des Schaftabschnitts mittels des Gewindeabschnitts zu befestigen; und einen Antriebswellenkörper, der drehbar und axial bewegbar in der mittleren Durchgangsöffnung der Spindel vorgesehen ist, wobei der Antriebswellenkörper dafür angepaßt ist, durch axiale Bewegung desselben mit dem Spannschraubenelement für eine Antriebsverbindung mit diesem zum Antreiben des Spannschraubenelements in eine Drehung in Eingriff gebracht zu werden.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist das Spannschraubenelement dafür angepaßt, sich axial um eine Gewindesteigung eines Schraubeingriffs mit dem Werkzeughalter zu bewegen, wenn es sich dreht, und die Vorrichtung kann leicht mit der Verwendung einer automatischen Werkzeugwechselvorrichtung kombiniert werden, ohne daß eine gleichzeitige Steuerung zwischen einem Drehausmaß des Spannschraubenelements und einem axialen Bewegungsausmaß der Spindel erforderlich ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel ferner ein Axialrollenlagerelement auf, das an einer Stelle angeordnet ist, an der das Spannschraubenelement zu einer gestuften Endfläche in der mittleren Durchgangsöffnung der Spindel gerichtet ist.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird, da das Axialrollenlagerelement zwischen dem Spannschraubenelement und der gestuften Endfläche in der mittleren Durchgangsöffnung der Spindel eingebaut ist, eine Verhinderung einer Belegung zwischen der Spindel und dem Spannschraubenelement erreicht, deren Flächen einander in einer Axialrichtung gegenüberliegen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel ferner eine Luftzuführöffnung, die in dem Antriebswellenkörper zum Zuführen von Luft von einer proximalen Endseite des Antriebswellenkörpers zu einer distalen Endseite desselben ausgebildet ist; und eine Luftablaßöffnung auf, die durch einen Kernabschnitt des Spannschraubenelements, zum Aufnehmen von Luft, die durch die Luftzuführöffnung zugeführt wird, ausgebildet ist.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung bläst aus der Luftzuführöffnung zu der konischen Bohrung abgelassene Luft, da Luft von der Luftzuführöffnung zu der Luftablaßöffnung, die durch den Kernabschnitt des Spannschraubenelements vorgesehen ist, zugeführt wird, Fremdmaterialien von den Bereichen zwischen der konischen Bohrung und dem Schaftabschnitt des Werkzeughalters aus und verhindert ihre Ansammlung und Ablagerung, so daß ein automatischer Werkzeugwechsel auf sichere Art und Weise durchgeführt werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel ferner eine Luftzuführöffnung auf, die in dem Antriebswellenkörper zum Zuführen von Luft von einer proximalen Endseite des Antriebswellenkörpers zu einer distalen Endseite desselben ausgebildet ist; wobei der Antriebswellenkörper alternierend Wellenabschnitte mit großem Durchmesser, die im Durchmesser geringfügig kleiner sind als die mittlere Durchgangsöffnung der Spindel, und Wellenabschnitte mit kleinem Durchmesser aufweist, die im Durchmesser kleiner sind als die Wellenabschnitte mit großem Durchmesser.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird, da die Wellenabschnitte mit großem Durchmesser und die Wellenabschnitte mit kleinem Durchmesser alternierend an dem Antriebswellenkörper vorgesehen sind, die Kühlluftbahn, die zwischen dem Außenumfang des Antriebswellenkörpers und dem Innenumfang der mittleren Durchgangsöffnung vorgesehen ist, hinsichtlich ihres Querschnittsbereichs verändert, so daß abgelassene Luft von dem distalen Endabschnitt der Luftzuführöffnung in die zentrale Durchgangsöffnung turbulente Strömungen aufweist, welche durch den Zwischenraum zwischen dem Außenumfang des Antriebswellenkörpers und dem Innenumfang der mittleren Durchgangsöffnung strömen, und die Spindel wirksam von der mittleren Durchgangsöffnung her gekühlt werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel ferner eine Luftzuführöffnung, die in dem Antriebswellenkörper zum Zuführen von Luft von einer proximalen Endseite des Antriebswellenkörpers zu einer distalen Endseite desselben ausgebildet ist; und eine Spiralnut auf, die in einem Außenumfang des Antriebswellenkörpers zum Ablassen von Luft von der mittleren Durchgangsöffnung der Spindel durch Drehung des Antriebswellenkörpers in der Art einer Schraubenpumpe ausgebildet ist.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung bewirkt, da die Spiralnut in dem Außenumfang des Antriebswellenkörpers ausgebildet ist, die Drehung des Antriebswellenkörpers, daß Luft in der mittleren Durchgangsöffnung der Spindel in der Art einer Schraubenpumpe abgelassen wird, und die Temperatur der Luft in der Durchgangsöffnung fällt, so daß die Spindel wirksam von innen gekühlt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel ferner eine Luftzuführöffnung, die in dem Antriebswellenkörper zum Zuführen von Luft von einer proximalen Endseite des Antriebswellenkörpers zu einer distalen Endseite desselben ausgebildet ist; und eine Luftablaßöffnung auf, die radial in dem Antriebswellenkörper ausgebildet ist, wobei die Luftablaßöffnung direkt mit der Luftzuführöffnung in Verbindung steht und sich in einen Außenumfang des Antriebswellenkörpers öffnet.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kühlen Luftströme, da sich die Luftzuführöffnung durch zugeordnete Abschnitte des Antriebswellenkörpers erstreckt, und sich die Luftablaßöffnung in den Außenumfang des Antriebswellenkörpers öffnet, wirksam lokale Bereiche der Spindel, die eine relativ hohe Temperatur aufweisen, wie beispielsweise an einem Lagerelement und einem Rotor, so daß die Spindel eine gleichmäßige Temperatur aufweisen kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel ferner einen Kühlmechanismus auf, der in den Antriebswellenkörper eingearbeitet ist.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird, da der Kühlmechanismus in den Antriebswellenkörper eingearbeitet ist, die Spindel wirksam von innen gekühlt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Kühlmechanismus eine Kühlöl-Zirkulationsbahn zum Strömen von Kühlöl dorthindurch zum Kühlen des Antriebswellenkörpers auf.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird der Antriebswellenkörper mit Kühlöl gekühlt, das durch die Kühlöl-Zirkulationsbahn strömt, die in dem Antriebswellenkörper ausgebildet ist, so daß die Spindel wirksam von innen gekühlt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der Kühlmechanismus ein thermoelektrisches Element auf, das an dem Antriebswellenkörper angebracht ist.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird die Spindel wirksam von innen durch das thermoelektrische Element, das an dem Antriebswellenkörper angebracht ist, gekühlt.

Ferner betrifft zur Lösung der obengenannten Aufgaben ein weiterer Aspekt der Erfindung eine Spindelvorrichtung für Werkzeugmaschinen, die folgendes aufweist: ein Spindelelement, das axial ausgehöhlt ist; einen ersten Antrieb zum Antreiben des Spindelelements in eine Drehung; einen Werkzeughalter; ein Spannschraubenelement, das zum Spannen des Werkzeughalters an das Spindelelement axial in dem Spindelelement bewegbar und drehbar ist; ein Zugstangenelement, das in dem Spindelelement axial bewegbar und zum Drehen des Spannschraubenelements drehbar ist; und einen zweiten Antrieb zum Antreiben des Spannschraubenelements in eine Drehung.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist das Spannschraubenelement axial wie ein Zugstangenelement beweglich, und wahlweise mit dem ersten und dem zweiten Antrieb ohne der Notwendigkeit, eine Schraubensteigung in Betracht zu ziehen, verbindbar.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Zugstangenelement einen darin ausgebildeten Kühlkreislauf auf.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann das Zugstangenelement wirksam von innen gekühlt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Zugstangenelement ein daran angebrachtes thermoelektrisches Element auf.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann das Spindelelement wirksam von innen gekühlt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die genannten und weitere Aufgaben und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt einer Spindelvorrichtung mit einer Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

2A bis 2F Teilschnitte zur Darstellung der Klemmwirkungen der Werkzeughalter-Spannvorrichtung gemäß 1;

3 einen Längsschnitt einer Spindelvorrichtung mit einer Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

4 einen Längsschnitt eines wesentlichen Teils einer Spindelvorrichtung mit einer Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und

5 einen Längsschnitt eines wesentlichen Teils einer Spindelvorrichtung mit einer Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Ähnliche Elemente sind durch ähnliche Referenzzeichen gekennzeichnet.

(Erste Ausführungsform)

1 zeigt eine Spindelvorrichtung mit einer eingearbeiteten Werkzeughalter-Spannvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Die Spindelvorrichtung weist ein hohles oder röhrenförmiges Spindelelement (nachfolgend einfach als "Spindel" bezeichnet) 1 auf, das koaxial ausgehöhlt ist, so daß eine zylindrische Kammer 19 geschaffen wird (nachfolgend teilweise als "mittlere Durchgangsöffnung" bezeichnet), die radial nach innen gestuft oder verengt ist, so daß ein verringerter Durchmesser in der Nähe des distalen Endes (dem linken Ende gemäß der Figur) ausgebildet wird, wo sie auseinandergeht, so daß eine konische Bohrung 9 gebildet wird. Die Spindel 1 ist mit einem Paar von Lagerelementen 3 gelagert, die am linken und am rechten Ende eines Spindellagerkörpers 5 eingebaut sind, der mit Kühlbahnen ausgebildet ist und in einer Kühl- und Schutzhülse oder einem äußeren Gehäuse 7 befestigt ist.

Die Spindel 1 ist somit bezüglich des Lagerkörpers 5 drehbar. Die konische Bohrung 9, die in einem distalen Endabschnitt der Spindel 1 ausgebildet ist, ist derart geformt, daß sie konform einen konischen Schaftabschnitt S eines Werkzeughalters T (vgl. 2A bis 2F) aufnimmt, der entfernbar in die konische Bohrung 9 eingepaßt ist und daran gespannt oder befestigt ist, und zwar auf eine Art und Weise, die nachfolgend beschrieben wird.

Ein eingebauter Motor 11 zum Antreiben der Spindel ist in das äußere Gehäuse 7 eingebaut. Der eingebaute Motor 11 besteht aus einem Rotor 13, der mit der Spindel 1 befestigt ist, und einem Stator 17, der mit dem äußeren Gehäuse 7 befestigt ist, und zwar über eine Kühlhülse 15, was insgesamt dem Antrieb der Spindel 1 für eine Hochgeschwindigkeitsdrehung dient.

Die mittlere Durchgangsöffnung 19 der Spindel 1 steht koaxial mit der konischen Bohrung 9 in Verbindung. In der mittleren Durchgangsöffnung 19 ist ein Spannschraubenelement 23 über eine Hülse 21 drehbar und axial beweglich angeordnet. Das Spannschraubenelement 23 weist einen Gewindeabschnitt 25 an seinem distalen Ende auf, und der Gewindeabschnitt 25 wird in eine Gewindebohrung H eingeschraubt, die axial in dem Schaftabschnitt S des Werkzeughalters T ausgebildet ist. Wenn ein Flanschabschnitt 21a an einem Ende der Hülse 21 gegen einen Flanschabschnitt 23a anstößt, wird die axiale Bewegung des Spannschraubenelements 23 in Richtung der konischen Bohrung 9 eingeschränkt, so daß der Werkzeughalter T an die Spindel 1 durch Befestigen des Schaftabschnitts S über den Gewindeabschnitt 25 befestigt wird.

Ein Abschnitt 27 (erster vorstehender Abschnitt oder ausgesparter Abschnitt) in Form einer Hexagonalsäule (einer Mutter) zum Drehen des Spannschraubenelements 23 mittels des Antriebswellenkörpers 29 ist an dem proximalen Ende des Spannschraubenelements 23 vorgesehen.

Der Antriebswellenkörper 29 ist in die mittlere Durchgangsöffnung 19 von einem proximalen Ende der Spindel 1 drehbar und axial bewegbar eingeführt. Eine Sechseck-Hülse 31 (zweiter vorstehender Abschnitt oder ausgesparter Abschnitt), welche den Hexagonal-Säulenabschnitt 27 aufnimmt, ist an dem distalen Endabschnitt des Antriebswellenkörpers 29 ausgebildet. Wenn sich der Antriebswellenkörper 29 nach vorne in der Axialrichtung bezüglich der Spindel 1 bewegt, wird der Hexagonal-Säulenabschnitt 27 in die Hexagonalbuchse 31 eingeführt, und der Antriebswellenkörper 29 wird angetrieben, so daß er mit dem Spannschraubenelement 23 auf eine Art und Weise verbunden wird, daß eine Übertragung von Drehkraft ermöglicht wird.

Eine Fluiddruck-Zylindervorrichtung 33 zum axialen Bewegen des Antriebswellenkörpers 29 ist an einem proximalen Ende des Antriebswellenkörpers 29 vorgesehen. Die Fluiddruck-Zylindervorrichtung 33 weist eine Zylinderröhre 37, die mit einem Basiselement 35 befestigt ist, das mit dem äußeren Gehäuse 7 integral ist, Endstücke 39 und 41 an beiden Enden, eine innere Hülse 43, ein hülsenförmiges Kolbenelement 47, das mit dem Antriebswellenkörper 29 über ein Lagerelement 45 verbunden ist, und eine Druckfeder 49 auf, welche das Kolbenelement 47 nachgiebig nach hinten vorspannt. Wenn ein Fluiddruck von einer Öffnung 51 zu einer Zylinderkammer 53 zugeführt wird, bewegt die Fluiddruck-Zylindervorrichtung 33 den Antriebswellenkörper 29 gegen eine nachgiebige Kraft der zusammengedrückten Feder 49 nach vorne.

Ein Motor 55 zum Drehen des Antriebswellenkörpers ist an das Kolbenelement 47 angebracht, und eine Drehwelle 57 des Motors 55 ist mit dem Antriebswellenkörper 2a über eine Wellenverbindung 59 verbunden.

Eine Luftzuführöffnung 61, die sich axial in den Kernabschnitt erstreckt und an seinem distalen Ende mit der Hexagonalbuchse 31 in Verbindung steht, ist in dem Antriebswellenkörper 29 ausgebildet. Das proximale Ende der Luftzuführöffnung 61 steht mit einer Luftzuführbahn 67 in Verbindung, die in dem Kolbenelement 47 ausgebildet ist, und zwar über eine Öffnung 63 und eine Umfangsnut 65, die in dem Antriebswellenkörper 29 ausgebildet ist, und Luft wird von einer Luftzuführleitung 69, die mit der Luftzuführbahn 67 verbunden ist, zugeführt.

Eine Spiralnut 71 ist an einem Außenumfang des Antriebswellenkörpers 29 ausgebildet. Die Drehung des Antriebswellenkörpers 29 läßt Luft von der mittleren Durchgangsöffnung 19 in die Spindel 1 durch die Spiralnut 71 in der Art einer Schraubenpumpe ab.

Luftablaßöffnungen 73, die sich radial in dem Antriebswellenkörper 29 erstrecken und direkt mit der Luftzuführöffnung 61 in Verbindung stehen und sich in den Außenumfang des Antriebswellenkörpers öffnen, sind an besonderen Stellen in dem Antriebswellenkörper 29 ausgebildet, und zwar an Stellen, die Stellen entsprechen, an denen die Spindel 1 eine hohe Temperatur aufweist, beispielsweise diejenigen Abschnitte, an denen das Lagerelement 3 und der Rotor 13 angeordnet sind.

Zusätzlich ist eine Luftablaßöffnung 75 axial derart ausgebildet, daß sie sich durch einen Kernabschnitt des Spannschraubenelements 23 und des Hexagonal-Säulenabschnitts 27 erstreckt. Wenn der Hexagonal-Säulenabschnitt 27 der Spannschraube 23 in die Hexagonalbuchse 31 des Antriebswellenkörpers 29 eingepaßt ist, steht die Luftablaßöffnung 75 in Verbindung mit der Luftzuführöffnung 61 oder ist mit dieser verbunden, und Luft wird von der Luftzuführöffnung 61 zugeführt.

Nachfolgend wird die Spannwirkung der Werkzeughalter-Spannvorrichtung unter Bezugnahme auf die 2A bis 2F beschrieben.

  • (1) Wie in 2A gezeigt ist, wird der Werkzeughalter T durch eine automatische Werkzeugsteuerung oder einen (nicht gezeigten) automatischen Werkzeugwechsler (automatic tool exchange controller, ATC) zu der axialen Mittellinie der Spindel 1 gebracht.
  • (2) Nachfolgend wird der Werkzeughalter T durch den ATC an die Seite der Spindel 1 gebracht. Im Ergebnis wird, wie in 2B gezeigt ist, der Schaftabschnitt S des Werkzeughalters T derart eingeführt, daß er in die konische Bohrung 9 der Spindel 1 eingepaßt wird, und demzufolge wird das Spannschraubenelement 23 durch die distale Endfläche des Schaftabschnitts S derart verschoben, daß das Spannschraubenelement 23 axial bezüglich der Spindel in Richtung einer Zurückziehrichtung (nach rechts in der Figur) versetzt wird.
  • (3) Nachfolgend bewegt, wenn ein Fluiddruck zu der Zylinderkammer 53 der Fluiddruck-Zylindervorrichtung 33 zugeführt wird, das Kolbenelement 47 den Antriebswellenkörper 29 nach vorne gegen die nachgiebige Kraft der zusammengedrückten Feder 49. Im Ergebnis stößt, wie in 2C gezeigt ist, das distale Ende des Antriebswellenkörpers 29 an den Hexagonal-Säulenabschnitt 27 des Spannschraubenelements 23 an, und der Antriebswellenkörper 29 wird durch den Motor 55 gedreht, so daß, wie in 2D gezeigt ist, der Hexagonal-Säulenabschnitt 27 des Spannschraubenelements 23 in die Hexagonalbuchse 31 des Antriebswellenkörpers 29 eingepaßt wird, und der Antriebswellenkörper 29 mit dem Spannschraubenelement 23 verbunden wird.

    Hierbei wird, da die Voranbewegungskraft des Antriebswellenkörpers 29 derart eingestellt wird, daß sie kleiner ist als die Werkzeughalter-Einführkraft mittels des ATC, auch wenn das distale Ende des Antriebswellenkörpers 29 gegen den Hexagonal-Säulenabschnitt 27 des Spannschraubenelements 23 anstößt, der Werkzeughalter T nicht aus der konischen Bohrung 9 herausgezogen.

    Wenn der Antriebswellenkörper 29 mit dem Spannschraubenelement 23, wie oben erwähnt, verbunden ist, steht die Luftzuführöffnung 61 des Antriebswellenkörpers 29 derart in Verbindung, daß sie mit der Luftablaßöffnung 75 des Spannschraubenelements 23 verbunden ist, und Luft wird von der Luftzuführöffnung 61 zu der Luftablaßöffnung 75 zugeführt. Die zu der Luftablaßöffnung 75 zugeführte Luft wird von dem distalen Ende des Spannschraubenelements 23 in die konische Bohrung 9 abgelassen. Im Ergebnis wird ein Abblasen von Fremdteilchen, die an der konischen Bohrung 9 und dem Schaftabschnitt S des Werkzeughalters T haften, ausgeschaltet, und es wird verhindert, daß Fremdteilchen an der konischen Bohrung 9 und dem Schaftabschnitt S des Werkzeughalters T haften.
  • (4) Wenn der Antriebswellenkörper 29 durch den Motor 55 gedreht wird, dreht sich ebenso das Spannschraubenelement 23, und der Gewindeabschnitt 25 des Spannschraubenelements 23 wird in die Gewindeöffnung H des Schaftabschnitts S des Werkzeughalters T eingeschraubt, so daß sich das Spannschraubenelement 23 durch die Gewindesteigungen in einer Vorwärtsrichtung (nach links in der Figur) bewegt. Wie in 2E gezeigt ist, stößt der Flanschabschnitt 23a des Spannschraubenelements 23 gegen den Flanschabschnitt 21a der Buchse 21 durch die Drehung des Spannschraubenelements 23 an, und das Spannschraubenelement 23 wird weiter gedreht, so daß der Schaftabschnitt S des Werkzeughalters T durch eine Schraubkraft stark in die konische Bohrung 9 gezogen wird, und die Befestigung des Werkzeughalters T vollendet wird.
  • (5) Die Vollendung der Befestigung des Werkzeughalters T beendet die Drehung des Antriebswellenkörpers 29 mittels des Motors 55, und der Fluiddruck in der Zylinderkammer 53 der Fluiddruck-Zylindervorrichtung 33 wird gelöst, so daß das Kolbenelement 47 den Antriebswellenkörper 29 gegen die nachgiebige Kraft der zusammengedrückten Feder 59 zurückbewegt. Im Ergebnis wird der Antriebswellenkörper 29 von dem Spannschraubenelement 23 getrennt. Wenn der ATC zu seiner Ausgangsstellung zurückgeführt wird, ist das Spannen des Werkzeughalters T beendet.

    Hierbei wird der Werkzeughalter T gelöst, indem die Schritte des Spannvorgangs in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden.

    Die Spindel 1 wird in einem Zustand, in dem der Antriebswellenkörper 29 von dem Spannschraubenelement 23 gelöst ist, bei hoher Geschwindigkeit gedreht. Wenn die Spindel bei hoher Geschwindigkeit gedreht wird, strömt die Luft, die zu der Luftzuführöffnung 61 zugeführt wird, über die Hexagonalbuchse 31 in die mittlere Durchgangsöffnung 19 und strömt durch einen Zwischenraum zwischen dem Innenumfang der mittleren Durchgangsöffnung 19 und dem Außenumfang des Antriebswellenkörpers 29 in Richtung der axialen Zurückziehrichtung, so daß die Spindel 1 von ihrer Innenseite her gekühlt wird. Darüber hinaus wird ein Teil der zu der Luftzuführöffnung 61 zugeführten Luft direkt in Richtung der Spindel durch die Ablaßöffnungen 73 abgelassen, und Abschnitte der Spindel 1, an denen die Temperatur hoch ist, wie beispielsweise Abschnitte, an denen sich das Lagerelement 3 und der Rotor 13 befinden, werden teilweise gekühlt. Im Ergebnis wird die Temperatur der Spindel 1 in der Radialrichtung und der Axialrichtung gleichmäßig.

    Zusätzlich läßt, wenn der Antriebswellenkörper 29 durch den Motor 55 getrennt von der Spindel 1 gedreht wird, die Spiralnut 71 Luft von der mittleren Durchgangsöffnung 19 in die Spindel 1 in der Art einer Schraubenpumpe gelangen. Im Ergebnis fällt die Lufttemperatur in der mittleren Durchgangsöffnung 19, und die Spindel wird von ihrer Innenseite her gekühlt. Im allgemeinen ist es, da die Spindel von ihrer Außenseite durch das äußere Gehäuse 7 gekühlt wird, wirksam, einen Temperaturgradienten der Spindel 1 in der Radialrichtung zu verringern, um die Spindel 1 von ihrer Innenseite zu kühlen.

(Zweite Ausführungsform)

3 zeigt die Spindelvorrichtung mit der eingearbeiteten Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wurden die gleichen Referenznummern denjenigen Abschnitten in 3 gegeben, die denjenigen in 1 entsprechen, und deren Beschreibung ist weggelassen.

Bei dieser Ausführungsform ist ein Lagergehäuse 77 in der mittleren Durchgangsöffnung 19 derart vorgesehen, daß ein axiales Verschieben ermöglicht wird, und das Spannschraubenelement 23 ist durch ein Radialkugellager 79 drehbar von dem Lagergehäuse 77 gelagert, und ein Axialrollenlager 81 ist in einem Abschnitt des Lagergehäuses 77 angeordnet, in dem das Spannschraubenelement 23 zu einer gestuften Endfläche 19a in der mittleren Durchgangsöffnung 19 der Spindel 1 gerichtet ist. In diesem Fall bewegt sich das Spannschraubenelement 23 sowie das Lagergehäuse 77 axial in der mittleren Durchgangsöffnung 19.

Der Antriebswellenkörper 29 weist Wellenabschnitte 29a mit großem Durchmesser auf, deren Durchmesser ein wenig kleiner ist als derjenige der mittleren Durchgangsöffnung 19 der Spindel 1, sowie Wellenabschnitte 29b mit kleinem Durchmesser, deren Durchmesser kleiner ist als derjenige der Wellenabschnitte 29a mit großem Durchmesser, so daß diese alternierend angeordnet sind.

Bei dieser Ausführungsform wird, wenn der Gewindeabschnitt 25 des Spannschraubenelements 23 mit der Gewindeöffnung H des Werkzeughalters T in Eingriff gebracht wird, so daß das Spannschraubenelement 23 den Werkzeughalter T befestigt, eine Schubkraft zwischen der Spindel 1 und dem Spannschraubenelement 23 erzeugt, und diese wird durch das Axialrollenlager 81 aufgenommen, und das Spannschraubenelement 23 dreht sich bezüglich der Spindel durch das Axialrollenlager 81 mit geringem Widerstand.

Im Ergebnis wird eine Belegung von entgegengesetzten Schubkräften an den Flächen des Spannschraubenelements 23 und der Spindel 1 zum Zeitpunkt des Spannens verhindert.

Zusätzlich wird bei dieser Ausführungsform, da der Antriebswellenkörper 29 Wellenabschnitte 29a mit großem Durchmesser und alternierend Wellenabschnitte 29b mit kleinem Durchmesser aufweist, eine Querschnittsfläche einer Kühlluftbahn, die zwischen dem Außenumfang des Antriebswellenkörpers 29 und dem Innenumfang der mittleren Durchgangsöffnung 19 vorgesehen ist, verändert, und es tritt Turbulenz in der Luft auf, die von dem distalen Ende der Luftzuführöffnung 61 in die mittlere Durchgangsöffnung 19 abgelassen wird und durch den Zwischenraum zwischen dem Außenumfang des Antriebswellenkörpers 29 und dem Innenumfang der mittleren Durchgangsöffnung 19 strömt. Im Ergebnis wird die Spindel 1 von der mittleren Durchgangsöffnung 19 wirksam gekühlt.

(Dritte Ausführungsform)

4 zeigt einen Hauptabschnitt der Spindelvorrichtung mit der darin eingearbeiteten Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wurden die gleichen Referenznummern denjenigen Teilen in 4 gegeben, welche den gleichen in 1 entsprechen, und deren Beschreibung ist weggelassen.

Bei dieser Ausführungsform sind Kühlöl-Zirkulationsbahnen 83, 85 und 87 in dem Antriebswellenkörper 29 ausgebildet.

Kühlöl wird von einer Kühlöl-Zuführbahn 89 zugeführt, die in dem Kolbenelement 47 ausgebildet ist, und zwar zu der Kühlöl-Zirkulationsbahn 83 über eine Umfangsnut 91 und eine Öffnung 93, und das Kühlöl, das zu der Kühlöl-Zirkulationsbahn 83 zugeführt wird, strömt in die Kühlöl-Zirkulationsbahnen 83, 85 und 87 in dem Antriebswellenkörper 29 nachfolgend derart, daß es über eine Öffnung 95 und eine Umfangsnut 97 in eine Kühlöl-Ablaßbahn 99 strömt, die in dem Kolbenelement 47 ausgebildet ist.

Im Ergebnis wird der Antriebswellenkörper 29 bei einer geringen Temperatur derart gehalten, daß er als eine Kühlstange dient, und die Spindel 1 von ihrer Innenseite her kühlt, und ein Temperaturgradient in der Spindel 1 in der Radialrichtung wird klein.

(Vierte Ausführungsform)

5 zeigt einen Hauptabschnitt der Spindelvorrichtung mit der darin eingearbeiteten Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wurden die gleichen Referenznummern denjenigen Teilen in 5 gegeben, die den gleichen in 1 entsprechen, und deren Beschreibung ist weggelassen.

Bei dieser Ausführungsform ist ein thermoelektrisches Element 101, wie z.B. ein Peltier-Effekt-Element an den Außenumfang des Antriebswellenkörpers 29 angebracht. Was das thermoelektrische Element 101 betrifft, ist seine Außenfläche eine endothermische Fläche (eine Fläche mit niedriger Temperatur), und sie kühlt die Spindel 1 von deren Innenseite her. Im Ergebnis wird der Temperaturgradient der Spindel 1 in der Radialrichtung verringert.


Anspruch[de]
Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel (1) zum Spannen eines Schaftabschnitts (S) eines Werkzeughalters (T), der in eine Spindel auf eine entnehmbar passende Art bezüglich einer konischen Bohrung (9), die an einem distalen Endabschnitt der Spindel (1) ausgebildet ist, einzubringen ist, mittels einer Schraubbefestigung, wobei die Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel (1) folgendes aufweist:

ein Spannschraubenelement (23), das drehbar und axial bewegbar in einer mittleren Durchgangsöffnung (19) der Spindel (1) vorgesehen ist, die mit der konischen Bohrung (9) in Verbindung steht, wobei das Spannschraubenelement (23) einen Gewindeabschnitt (25) in dem distalen Endabschnitt davon, der in den Schaftabschnitt (S) des Werkzeughalters (T) einzuschrauben ist, und einen ersten vorstehenden Abschnitt oder ausgesparten Abschnitt (27) in dem proximalen Endabschnitt davon aufweist, wobei das Spannschraubenelement dafür angepasst ist, den Werkzeughalter (T) durch Befestigen des Schaftabschnitts (S) mittels des Gewindeabschnitts (25) zu befestigen; und

einen Antriebswellenkörper (29), der drehbar und axial bewegbar in der mittleren Durchgangsöffnung (19) der Spindel (1) vorgesehen ist, wobei der Antriebswellenkörper einen zweiten vorstehenden Abschnitt oder ausgesparten Abschnitt (31) in dem distalen Endabschnitt davon aufweist, um mit dem ersten vorstehenden Abschnitt oder ausgesparten Abschnitt (27) des Spannschraubenelements (23) für eine Antriebsverbindung mit diesem zum Antreiben des Spannschraubenelements (23) in eine Drehung in Eingriff gebracht zu werden.
Werkzeughalter-Spannvorrichtung für eine Spindel nach Anspruch 1, ferner mit einem Axialrollenlagerelement (81), das an einer Stelle angeordnet ist, an der das Spannschraubenelement (23) zu einer gestuften Endfläche in der mittleren Durchgangsöffnung (19) der Spindel (1) gerichtet ist.






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