DEVICE FOR JOINING AN EXCHANGEABLE TOOL HEAD WITH A TOOL SPINDLE

Abstract: 1. A connection system for connecting an interchangeable tool head to a spindle of a numerically controlled machine, comprising a projection concentric to the spindle axis and projecting into a matingly shaped bore, a plurality of wedge members supported in said projection for movements in radial directions with respect to the spindle axis, and actuating means for displacing the wedge members between a clamping position and a release position, with the wedge members in their clamping position having inclined surfaces engage correspondingly inclined recesses in the boring wall in order to draw an annular face adjacent to the projection against an annular face adjacent to the bore, and with the wedge members in their release position being removed from the recesses in the boring wall by radially inwards movement in order to allow for withdrawal of the projection from the bore for a tool change, characterized in that said actuating means comprise cam means (24; 124) connecting the wedge members (16, 116) to a reciprocated actuating rod (26) concentric to the spindle axis, and in that the cam means (24; 124) comprise cam projections (32; 132) associated to the actuating rod (26) or the wedge members and positively driven by means of matingly shaped cam grooves (34; 134) of the other of said wedge members (16; 116) and the actuating rod in order to enable displacement of the wedge members (16; 116) in opposite radial directions.

Description: BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verbinden eines auswechselbaren Werkzeugkopfes mit der Spindel einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, mit einem zur Spindelachse konzentrischen Zapfen, der in eine entsprechend dimensionierte Bohrung greift und in dem mehrere Keilstücke in zur Spindelachse radialer Richtung verschiebbar gelagert sind, und einer Betätigungseinrichtung zum Verstellen der Keilstücke zwischen einer Spannstellung, in der sie mit abgeschrägten Flächen in entsprechend abgeschrägte Vertiefungen der Bohrungswand greifen, um eine am Zapfen angrenzende ringförmige Stirnfläche gegen eine an der Bohrung angrenzende ringförmige Stirnfläche zu ziehen, und eine Freigabestellung, in der die Keilstücke radial nach innen aus den Vertiefungen in der Bohrungswand herausbewegt sind, um den Zapfen zum Werkzeugwechsel aus der Bohrung abziehen zu können. Bei einer von der Anmelderin entwickelten Einrichtung dieser Gattung besteht die Betätigungseinrichtung aus einem Gewindebolzen, der mit gegensinnigem Gewinde in Gewindebohrungen der beiden Keilstücke eingeschraubt ist. Zum Drehen des Gewindebolzens und damit zum radialen Verstellen der beiden Keilstücke sind seitliche Durchbrüche vorgesehen, durch die der Gewindebolzen von einem manuell oder maschinell betätigten Schlüssel erfasst werden kann. Eine Verstellung der Keilstücke von der Seite aus ist manchmal nachteilig. Die Spannkräfte dürfen wegen der Gewindeverbindung zwischen Gewindebolzen und Keilstücken nicht zu gross gemacht werden. Ferner ist eine Kühlmittel zuführung durch den Gewindebolzen hindurch zum Werkzeug nicht möglich. Aus tz für Metallbearbeitung", 1984, Heft 3/84, S. 26 (System liIDIA) ist eine Einrichtung zum Verbinden eines auswechselbaren Werkzeugkopfes mit der Spindel einer Werkzeugmaschine bekannt, bei der in schrägen Bohrungen verschiebbare Spannstifte in ihrer ausgefahrenen Stellung in Vertiefungen des Werkzeugkopfes greifen und dadurch den Werkzeugkopf gegen die Spindel ziehen, während sie in ihrer eingefahrenen Stellung den Werkzeugkopf freigeben. Zum radialen Ausfahren der Spannstifte ist eine zentrale Betätigungsstange vorgesehen, die über einen konischen Kopfabschnitt an den Spannstiften angreift, während die Spannstifte durch die entsprechend geformten Vertiefungen des Werkzeugkopfes radial einwärts bewegt werden, wenn der Werkzeugkopf zum Werkzeugwechsel abgezogen wird. Die Verwendung von Spannstiften dürfte ebenfalls keine zu grossen Spannkräfte zulassen. Das Abziehen des Werkzeugkopfes dürfte relativ grosse Kräfte erfordern, wenn sich die Spannstifte z.B. aufgrund von Werkzeugspänen verklemmt haben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs angegebenen Gattung so auszubilden, dass sie sich zentral betätigen lässt und trotz hoher Spannkräfte bequem gelöst werden kann. Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Betätigungseinrichtung eine Nockeneinrichtung umfasst, über die die Keilstücke mit einer zur Spindelachse konzentrischen, hin- und herbewegbaren Betätigungsstange verbunden sind, und dass die Nockeneinrichtung Nockenansätze aufweist, die der Betätigungsstange oder den Keilstücken zugeordnet sind und in entsprechend ausgebildete Nockennuten der Keilstücke bzw. der Be tätigungsstange zwangsgeführt sind, um die Keilstücke in beiden radialen Richtungen verstellen zu können. Aufgrund dieser Ausbildung sind die Keilstücke durch die erfindungsgemäss vorgesehene Nockeneinrichtung in beiden radialen Verstellrichtungen zwangsgeführt. Die beiden Keilstücke werden daher von der Betätigungsstange nicht nur in Spannrichtung, sondern auch in der Freigaberichtung verstellt, so dass sich die < eilstücke beim Abziehen des Werkzeugkopfes bereits in ihrer Freigabestellung befinden. Trotz Aufbringen hoher Spannkräfte, was aufgrund der erfindungsgemäss ausgebildnten Nockeneinrichtung ohne weiteres möglich ist, lässt sich somit der Werkzeugkopf in besonders bequemer und einfacher Weise von der Spindel abziehen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäss ausgebildeten Einrichtung besteht darin, dass sie bei Werkzeugköpfen mit Standardabmessungen eingesetzt werden kann, so dass sie in Verbindung mit herkömmlichen Werkzeughandhabungsund Greifsystemen sowie mit herkömmlichen Magazinen verwendet werden kann. Nicht einmal eine besondere Spindelanpassung ist erforderlich, wenn die erfindun#s- gemäss ausgebildete Einrichtung zwischen einem an der Spindel befestigten Vorsatzflanschteil und dem Werkzeugkopf vorgesehen ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäss ausgebildeten Einrichtung besteht darin, dass sie mit Hilfe von zentralen Bohrungen in einfacher Weise eine Kühimittelzufüh- rung zum Werkzeug ermöglicht. Darüber hinaus zeichnet sich die Erfindung durch konstruktive Einfachheit, hohe Funktionssicherheit und leichte Bedienbarkeit aus. Anhand der Zeichnungen werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt: Figur 1 einen Längsschnitt durch eire erfindungs gemäss ausgebildete Einrichtung zum Ver binden eines Werkzeugkopfes mit einer Werkzeugspindel; Figur 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Figur 1; Figur 3 eine Detailansicht einer in Figur 1 gezeigten Einzelheit in vergrössertem Massstab; Figur 4 einen der Figur 1 entsprechenden Längs schnitt durch ein anderes Ausführungs beispiel der Erfindung; Figur 5 einen der Figur 1 entsprechenden Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in Figur 1 zu sehen, ist an einer drehbar gelagerten Spindel 2 einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine (nicht gezeigt) ein Werkzeugkopf 4 mittels einer Verbindungseinrichtung 6 auswechselbar angebracht. Der Werkzeugkopf 4 ist beispielsweise eine Bohrstange, kann jedoch auch ein anderes umlaufendes Werkzeug sein. Die Verbindungseinrichtung 6 umfasst einen am hinteren Ende des Werkzeugkopfes 4 angebrachten Flansch 8, von dem ein zur Spindelachse konzentrischer zylindrischer Zapfen 10 abgeht. Der Zapfen 10 ist in eine korrespondierend ausgebildete Bohrung 12 der Spindel 2 eingepasst. In einem radialen Durchbruch 14 des Zapfens 10 sind zwei diametral einander gegenüberliegende Keilstücke 16 radial verschieblich gelagert. Die Keilstücke 16 sind zwischen einer radial äusseren Spannstellung und einer radial inneren Freigabestellung verstellbar. In Figur 1 befinden sich die Keilstücke 16 in ihrer Spannstellung, in der sie mit ihren radial äusseren Enden in je eine Vertiefung 18 in der Wand der Bohrung 12 greifen. Hierbei werden sie mit abgeschrägten Flächen 20 gegen abgeschrägte Flächen 22 der Vertiefungen 18 angedrückt, so dass sie auf den Zapfen 10 Spannkräfte ausüben, die den Zapfen 10 in die Bohrung 12 hineinzuziehen suchen. Hierdurch werden die einander zugewandten, in radialen Ebenen liegenden Stirnflächen 21,23 des Flansches 8 und der Spindel 2 gegeneinander gedrückt. Zum radialen Verstellen der Keilstücke 16 ist eine Nockeneinrichtung 24 vorgesehen, die über eine zentral angeordnete, durch einen Kraftantrieb hin- und herbewegbare Betätigungsstange 26 betätigt wird. Die Nockeneinrichtung 24 umfasst einen in Verlängerung und koaxial zu der Betätigungsstange 26 angeordneten Anker 28, an dem ein Nockenteil 30 angeformt ist. Das Nockenteil 30 ist radial innerhalb der Keilstücke 16 in einer Ausnehmung 29 des Zapfens 10 angeordnet (siehe auch Figur 2) und ist auf gegenüberliegenden Seiten mit zwei zur Spindelachse schräg verlaufenden Nockenansätzen 32 versehen,die in Nockennuten 34 der beiden Keilstücke 16 geführt sind. Wie aus Figur 2 ersichtlich, haben die Nockenansätze 32 und die Nockennut 34 einen ungefähr T-förmigen Querschnitt, so dass die beiden Keilstücke 16 von dem Nockenteil 30 in entgegengesetzten Bewegungsrichtungen verstellt werden können. Figur 3 zeigt, dass die Nockenansätze 32 und die Nockennuten 34 jeweils einen Bereich 36 grösserer Steigung und einen Bereich 38 kleinerer Steigung besitzen. Die Bereiche 36 grösserer Steigung sorgen für einen beschleunigten Radialhub der Keilstücke 16, während die Bereiche 38 kleinerer Steigung für die Erzeugung der entsprechend grossen Spannkräfte benutzt werden. An dem dem Werkzeugkopf 4 zugewandten Ende des Nockenteils 30 befindet sich ein #ührungszapfen 40, der in einer zentriScnenKWhXmutte > Ws4ierkzeugkopfes 4 abgedichtet geführt ist. Der am anderen Ende des Nockenteils 30 angeformte Anker 28 ist mit der Betätigungsstange 26 über eine selbsttätig betätigbare Kupplung 44 verbunden. Da die Ausgestaltung der Kupplung 44 herkömmlicher Art sein kann, wird sie nicht im einzelnen beschrieben. Es sei lediglich erwähnt, dass die Kupplung 44 bei einer Verschiebung der Betätigungsstange 26 nach links (in Figur 1) selbsttätig ausgerückt wird, so dass der Anker 28 von der Betätigungsstange 26 freikommt, während bei einer Rückstellbewegung der Betätigungsstange 26 nach rechts (in Figur 1J die Kupplung 44 selbsttätig eingerückt wird, um den Anker 28 mit der Betätigungsstange 26 zu verbinden. Am freien Ende des Zapfens 10 ist ein Hülsenteil 46 eingeschraubt, an dessen freiem Ende ein Abstützring 48 befestigt ist. Der Abstützring 48 dient zum Abstützen einer Schraubendruckfeder 50, die das Nockenteil 30 und somit die Keilstücke 16 in ihre Freigabestellung vorspannt. Durch die Betätigungsstange 26, den Anker 28, das Nockenteil 30 und den Führungszapfen 40 erstreckt sich ein Kühlmittelkanal 52, der sich in die Kühlmittelbohrung 42 des Werkzeugkopfes 4 öffnet, so dass das Werkzeug (nicht gezeigt) in einfacher weise mit Kühlmittel versorgt werden kann. Die Funktionsweise der beschriebenen Verbindungseln- richtung ist wie folgt: In der in Figur 1 gezeigten Spannstellung wird die Betätigungsstange 26 - beispielsweise von einer.ieder tellerpaket (nicht gezeigt) - nach rechts gezoqen Diese axialen Kräfte werden über die Kupplung 24 u- ae Aller 28 auf das Nockenteil 30 übertragen, das diese Kräfte über die Nockenansätze 32 und die Nockennuten 34 auf die Keilstücke 16 überträgt. Die hierdurch erzeugten radial auswärts gerichteten Spannkräfte drucken die Keilstücke 16 mit ihren abgeschrägten Flächen 20 gegen die abgeschrägten Flächen 22 der Vertiefunen 8 wodurch die Stirnflächen 21,23 des Werkzeugkopfes 4 und der Spindel 2 gegeneinandergezogen werden. Da der Zapfen 10 zylindrisch ausgebildet ist, stehen im Bereich der Stirnflächen 21,23 vergleichsweise grosse Andruckflächen zur Verfügung, was eine entsprechend grosse Länge des z.B. als Bohrstange ausgebildeten Werkzeugkopfes 4 erlaubt. Prinzipiell könnte der Zapfen 10 aber auch kegelförmig ausgebildet sein, so dass er in der üblichen kegeligen Aufnahme der Spindel 2 aufgenommen werden könnte. Um nun den Werkzeugkopf 4 auszuwechseln, führt die Betätigungsstange 26 - z.B. unter der Steuerung eines Hydraulikmotors (nicht gezeigt) - einen Arbeitshub nach links aus. Hierdurch werden der Anker 28 und das Nockenteil 30 um einen entsprechenden Betrag nach links verschoben, wodurch die Keilstücke 16 von der Nockeneinrichtung 24 radial nach innen ge zogen werden, bis sie die Vertiefungen 18 des Zapfens 10 vollständig verlassen haben. Gleichzeitig wird die Kupplung 44 ausgerückt, so dass der Anker 28 von der Betätigungsstange 26 freikommt. Der Werkzeugkopf 4 einschliesslich der Nockeneinrichtung 24, des Ankers 28, des Hülsenteils 46, des Abstützrings 48 und der Feder 50 können nun mit relativ geringem Kraftaufwand von der Spindel 2 abgezogen werden. Der Werkzeugkopf 4 kann nun mit Hilfe eines herkömmlichen Handhabungs- und Greifersystems zu einem Werkzeugmagazin bewegt und dort gegen einen anderen Werkzeugkopf 4 ausgetauscht werden. Während dieser Handhabung drückt die Feder 50 das Nockenteil 30 und damit die Keilstücke 16 in ihre Freigabestellung, so dass die Keilstücke 16 nicht verlorengehen können. Wenn der neue Werkzeugkopf 4 mit seinem Zapfen 10 in die Bohrung 12 eingesetzt ist, wird die Betätigungsstange 16 nach rechts (in Figur 1) bewegt, wodurch die Kupplung 44 eingerückt und die Keilstücke 16 radial ausgefahren werden. Wegen der unterschiedlich geneigten Bereiche 36,38 der Nockenansätze 32 und Nockennuten 34 (Figur 3) erfolgt die radial auswärts gerichtete Bewegung der Keilstücke 16 zunächst rasch und am Ende des Bewegungsbereiches langsamer, wobei jedoch in diesem Endbereich der Bewegung entsprechend grosse Spannkräfte erzeugt werden. Die Verbindungseinrichtung 6 befindet sich dann wieder in ihrer Spannstellung, in der sie den Werkzeugkopf 4 mit der Spindel 2 sicher verbindet. Eine etwas abgewandelte Ausführungsform der in Figur 1 gezeigten Verbindungseinrichtung ist in Figur 4 dargestellt. In Figur 4 sind der Figur 1 entsprechende Einzelteile mit den gleichen Bezugsziffern, jedoch um 100 erhöht, bezeichnet. Wie aus Figur 4 ersichtlich, ist der prinzipielle Aufbau der Verbindungseinrichtung 106 mit der Nockeneinrichtung 124 einschliesslich des Ankers 128 der gleiche wie bei der Ausführungsform nach Figur 1. Der wesentliche Unterschied der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform gegenüber der nach Figur 1 besteht darin, dass in Figur 4 der Zapfen 110 nicht am Werkzeugkopf, sondern an einem gesonderten Vorsatzflanschteil 160 angebracht ist, das mittels Schrauben 162 an der Spindel 102 befestigt ist. Die den Zapfen 110 aufnehmende Bohrung 112 ist in diesem Fall am Werkzeugkopf 104 gebildet. Hierdurch wird es möglich, dass die Spindel 102 nicht an die erfindungsgemäss ausgebildete Verbindungseinrichtung 106 angepasst werden muss, sondern dass sie, wie gezeigt, mit der herkömmlichen kegeligen Aufnahme 164 versehen bleiben kann. Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform nach Figur 4 besteht darin, dass bei Abziehen des Werkzeugkopfes 104 in der Freigabestellung der Verbindungseinrichtung 106 das Vorsatzflanschteil 160 einschliesslich der Nockeneinrichtung 124, des Ankers 128 und der anderen zugehörigen Teile an der Spindel 102 verbleiben. In diesem Fall braucht daher keine selbsttätig lösbare Kupplung zwischen dem Anker 128 und der Betätigungsstange vorgesehen werden. Auch ist eine Feder 150 nicht unbedingt notwendig, da bei abgezogenem Werkzeugkopf 104 die Keilstücke 116 über den maschinenseitig vorgesehenen Antrieb (nicht gezeigt) in ihrer radial eingezogenen Freigabestellung gehalten werden können. Im übrigen ist die Funktionsweise die gleiche wie bei dem Aus führungsbeispiel nach Figur 1. Bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 18a der Bohrungswand an Verschleissteilen 60 gebildet, die in der Bohrungswand auswechselbar angebracht sind. ¯Jedes Verschleissteil 60 weist einen Gewindeschaft 62 und einen Kopfabschnitt 64 auf. Der Gewindeschaft 62 ist in eine radial verlaufende Gewindebohrung 66 der Bohrungswand eingeschraubt, während der konisch ausgebildete Kopfabschnitt 64 an einer entsprechend konisch ausgebildeten Anlagefläche 68 angrenzend an der Gewindebohrung 66 anliegt. Jedes Verschleissteil 60 ist mit einer von aussen zugänglichen Schlüsselaufnahme 70 versehen. Hierdurch lassen sich die Verschleissteile 60 in die Gewindebohrungen 66 einschrauben, bis ihre Kopfabschnitte 64 an den konischen Anlageflächen 68 anliegen. Die Verschleissteile 60 sind somit radial und axial bezüglich der Bohrung 12a festgelegt. Die Verschleissteile sind auf ihrer dem Innenraum der Boh runo 12a zugewandten Ende mit der Vertiefung 18a versehen, en der abgeschrägte Fläche 22a im vorliegenden Ausführungs beispiel konisch ausgebildet ist. Ebenfalls konisch ausgebildet ist die abgeschrägte Fläche 20a der Keilstücke 16a. Die Verwendung gesonderter Verschleissteile hat den Vorteil, dass bei Abnutzung der abgeschrägten Flächen 22a die Verschleissteile gegen neue Verschleissteile ausgewechselt werden können.

Claims: 1. A connection system for connecting an interchangeable tool head to a spindle (2; 102) of a numerically controlled tooling machine, comprising a projection (10; 110) concentric to the spindle axis and projecting into a matingly shaped bore (12; 112), said projection (10) or said bore (112) being integral with the tool head and the other (110; 12) of these elements being adapted to be coupled to said spindle (102) or is integral with said spindle (2), a plurality of wedge members (16; 116) supported in said projection (10; 110) for movements in radial directions with respect to the spindle axis, and actuating means for displacing the wedge members between a clamping position and a release position, with the wedge members having inclined surfaces (20; 120) which when the wedge members are in their clamping positions engage correspondingly inclined recesses (18, 20; 118, 122) in the boring wall in order to draw an annular face (21; 121) adjacent to the projection against an annular face (23; 123) adjacent to the bore, and with wedge members in their release positions having been removed from the recesses in the boring wall by radially inwards movements in order to allow for withdrawal of the projection from the bore for a tool change, said actuating means comprising cam means (24; 124) connecting the wedge members (16; 116) to an anchor member (28; 128) concentric to the spindle axis, which anchor member is adapted to be coupled to an actuating rod (26) coaxially arranged and reciprocable in the spindle, the cam means (24; 124) comprising cam projections (32; 132) associated to the anchor member (28; 128) and positively driven by means of matingly shaped cam grooves (34; 134) of the wedge members (16; 116) in order to enable displacement of the wedge members (16; 116) in opposite radial directions, said cam projections (32; 132) being provided on a cam member (30; 130) integral with the anchor member (28; 128), said anchor member (28) being provided with a central projecting guide member (40) sealingly and slidingly received in a cooling fluid bore (42) formed in said projection (10; 110), and said anchor member (28) including its guide member (40) being provided with a continuous cooling fluid bore (52). 2. The connection system of claim 1 or claim 2, characterized in that said cam grooves (34; 134) and cam projections (32; 132) are of a T-shaped cross-section. 3. The connection system of claim 1 or claim 2, characterized in that said cam grooves (34; 134) and cam projections (32; 132) each comprise a section of relatively great inclination (36) to allow for rapid radial advance, and a section of relatively small inclination (38) for generating the clamping forces. 4. The connection system of claim 1, 2 or 3, characterized in that said projection (10) and the wedge members (16) are provided on the tool head (4) and said bore (12) is provided in the spindle (2), and in that said anchor member (28) which is disposed in the tool head is connected to the actuating rod (26) by an automatically releasable coupling (44) such that when changing the tool head (4) the wedge members (16), the cam means (24) and the anchor member (28) are withdrawn from the bore (12) together with said projection (10). 5. The connection system of claim 4, characterized in that the wedge members (16) are biased into their release positions by resilient means (50) engaging said anchor member (28). 6. The connection system of claim 1, 2 or 3, characterized in that said projection (110) and the wedge members (116) are provided at a separate flange member (16) fixed to the spindle (102), and said bore (112) is provided in the tool head (104) such that when changing the tool head (104) the wedge members (116), the cam means (124) and the anchor member (128) remain on said separate flange member (116) and accordingly on the spindle (102). 7. The connection system of any of the preceding claims, characterized in that the recesses (18a) of the bore wall are provided in replaceable wear members (60), which are radially and axially fixed on the bore wall. 8. The connection system of claim 7, characterized in that each of the wear members (60) comprises a threaded shaft (62) adapted to threadingly engage the bore wall, and a head portion (64) in abutting engagement with an abutment surface (68) of the bore wall. 9. The connection system of any of the preceding claims, characterized in that the inclined surfaces of wedge members (16a) and recesses (18a) are comprised of conical surfaces (20a, 22a).

Inventors: HORSCH, WILFRIED
Applicants: GTE VALENITE CORPORATION
Application year: 1985
Main classification: B23Q3
IPC codes: B23B31