DE3632677A1 - Umlaufender hohlspannzylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen umlaufenden Hohlspannzylinder zur Betätigung der Spannzeuge auf Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Bei derartigen umlaufenden Hohlspannzylindern, die den Spann- und Lösehub und die Kraft für kraftbetätigte Spannzeuge auf Arbeits­ spindeln von Werkzeugmaschinen zu erzeugen haben, besteht das Problem der Zuleitung und Ableitung des Druckmediums zu den auf beiden Seiten des Kolbens befindlichen Zylinderkammern des Hohlspannzylinders unter Berücksichtigung der Tatsache der dreh­ baren Lagerung des Zylinders mit einem hohlwellenartigen Abschnitt in einem feststehenden Gehäuse, in dessen Druckanschlüssen die von der Druckmedienquelle kommenden Zuleitungen münden. Da bei den heutigen Anforderungen an derartige umlaufende Hohlspannzylinder sowohl bezüglich großer Drehzahlbereiche mit teilweise sehr hohen Drehzahlen, großer durchgehender Bohrung und großem Druckverstell­ bereich mit teilweise hohen Druckmediendrücken berührende Dichtungen für das Druckmedium im Übergangsbereich von feststehendem Gehause und hohlwellenartigem Abschnitt des Zylinders unbrauchbar sind, wird bei den bekannten Hohlspannzylindern mit Spaltdichtungen gearbeitet, bei denen die Dichtspalte sich axial erstreckende Ringspalte zwischen dem feststehenden Gehäuse und dem hohlwellen­ artigen Abschnitt des Hohlzylinders sind.

Bei dieser Ausgestaltung aber geht das nicht völlig auszuschließende Lagerspiel und geht die Laufgenauigkeit in die Bemessung des axialen Ringspaltes mit ein. Auch bei den Fertigungsgenauigkeiten für die Erzeugung hoch genauer Durchmesser stößt man, will man den Kostenaufwand in halbwegs erträglichen Grenzen halten, bald an natürliche Grenzen, so daß auch bei höchsten Qualitätsansprüchen kleinere Spalthöhen als etwa 2/100 mm praktisch nicht sinnvoll zu erreichen sind, wobei auch von der Funktion her noch daran gedacht werden muß, daß bereichsweise Ungleichförmigkeiten in der Wärme­ dehnung der relativ zueinander drehenden und den Spalt definierenden Teile zu berücksichtigen sind, da ja ein Fressen der Teile sicher vermieden werden muß. Bei derartigen Spalthöhen kann sinnvoll nur mit einer Hydraulikflüssigkeit als Druckmedium gearbeitet werden, da für ein gasförmiges Druckmedium, insbesondere Druckluft, bei derartigen Spaltgrößen die Leckverluste viel zu hoch wären und allein hieraus sogar ein Zusammenbrechen des Druckluftnetzes zu befürchten wäre.

Die hier bislang somit zum Einsatz kommenden Hydraulikflüssigkeiten haben jedoch eine relativ große Viskosität, was dazu führt, daß die dem Leckstrom proportionale Verlustleistung, die die Größe der Druck­ medienversorgung bestimmt, zum größten Teil in Wärme umgewandelt wird, was bei hohen Drehzahlen oft zu einem beträchtlichen Aufheizen der betroffenen Teile führt. Die hier entstehende Wärme ist dabei nicht nur schädlich für die Dauerbelastbarkeit der Dichtungen, sondern beeinflußt auch die Arbeitsgenauigkeit der Maschine insgesamt negativ. Die konstruktiven Beeinflussungsmöglichkeiten sind dabei denkbar gering. Die Größe des Leckstromes eines Dichtspaltes kann bei vorgegebener Viskosität des Druckmediums nur durch die Spalthöhe und Spaltlänge beeinflußt werden. Mit zunehmender Spaltlänge aber wächst wieder die Viskosereibung im Dichtspalt und steigert sich damit wieder die Wärmeentwicklung. Die Verringerung der Spalthöhe in der Größen­ ordnung von einigen Hunderstel Millimetern führt alsbald zu nicht mehr beherrschbaren Fertigungsgenauigkeiten und hat einen hohen Fertigungsaufwand zur Folge und bewirkt schließlich die genannte Freßgefahr und den damit verbundenen schlagartigen Ausfall des Hohlspannzylinders. In der Praxis bemüht man sich bei der Auslegung von Spalthöhe und Länge dabei um eine Optimierung in dem Sinn, daß die Summe der in den Dichtspalten auftretenden Verlustleistungen in allen Betriebszuständen möglichst gering ist. Dies führt im Ergebnis immer noch zu Leckströmen, die im Hinblick auf ihre geschilderten Auswirkungen zu groß sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, einen umlaufenden Hohlspannzylinder der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der durch denkbar geringe Leckverluste funktionssicher und hoch dauerbelastbar arbeiten kann und dabei einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1. Die radiale Anordnung der ringförmigen Dichtspalten hat den außerordentlichen Vorteil, daß hier Lager­ ungenauigkeiten und Laufungenauigkeiten praktisch ohne Einfluß auf die Spalthöhe bleiben und daß ferner die erforderliche Plan­ feinbearbeitung der zusammenwirkenden Flächen der Dichtringe und der Planscheiben herstellungstechnisch in sehr einfacher Weise hochgenau beispielsweise durch Schleifen und Läppen erreicht werden kann, so daß mit relativ geringem Kostenaufwand ohne weiteres Spaltdichtungen mit einer Spaltgröße in der Größenordnung von 2 bis 3 µm zu erreichen sind. Zwar sind bei derart kleinen Dicht­ spalten Hydraulikflüssigkeiten als Druckmedium aufgrund ihrer Viskosität und der resultierenden Erwärmungsgefahr wenig geeignet, doch kann in außerordentlich vorteilhafter Weise nunmehr bei derart kleinen Dichtspalten mit einem gasförmigen Druckmedium, insbesondere also Druckluft gearbeitet werden. Hier ist die Viskosität so gering, daß praktisch auch in derart kleinen Dichtspalten nur vernachlässig­ bar kleine Reibkräfte auftreten, so daß somit im Ergebnis auch praktisch keine berücksichtigenswerte Erwärmung mehr stattfindet. So, wie sich bislang die negativen Auswirkungen addierten, addieren sich somit nunmehr die positiven Fakten, da die Spalthöhe ferti­ gungstechnisch auf einfache Weise sehr klein gehalten werden kann, die Leckverluste von daher selbst bei gasförmigen Druck­ medien denkbar gering sind, Lagerspiel und Laufungenauigkeiten keinen Einfluß mehr auf die Bemessung der Spaltgröße haben und schließlich auch die Risiken einer Erwärmung und der insbesondere hieraus resultierenden Freßgefahr vermieden sind.

Im Ergebnis ist somit ein derartiger umlaufender Hohlspannzylinder in sehr großen Drehzahlbereichen einschließlich sehr hoher Dreh­ zahlen und in großen Druckbereichen einschließlich großer Druck­ mediendrücke funktionssicher bei äußerst geringen Leckverlusten bezüglich des Druckmediums auch im Dauerbetrieb zu betreiben.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Sie tragen jeweils zur Geringhaltung der Leckverluste und/oder zur Geringhaltung des fertigungstechnischen Aufwandes bei der Herstellung der die Dicht­ spalte bildenden Teile bei.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Hohlspannzylinder werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen teilweise schematisierten Längsschnitt durch einen umlaufenden Hohlspannzylinder gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen teilweise schematisierten Längsschnitt durch einen weiteren Hohlspannzylinder gemäß der Erfindung,

Fig. 3 einen teilweise schematisierten Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Hohlspannzylinders gemäß der Erfindung.

In dem mit seiner Stirnfläche an der Arbeitsspindel befestigbaren Zylinder 1 des Hohlspannzylinders ist ein Kolben 2 axial beweglich geführt. In dessen Kolbenstange 3 wird ein Verbindungsrohr einge­ schraubt, das der Kraftübertragung auf die Spannzeuge dient. Der Zylinder 1 des umlaufenden Hohlspannzylinders ist mit einem rückwartigen, hohlwellenartigen Abschnitt 4 drehbar mittels Lagern 5 in einem feststehenden Gehäuse 6 drehbar gelagert. Das Gehäuse 6 hat zwei Druckmedienanschlüsse 7 und 8 zur Zuführung bzw. Ableitung des Druckmediums zu den auf der Vorderseite und Rückseite des Kolbens 2 im Zylinder 1 befindlichen Kammern.

Um nun im Übergangsbereich zwischen dem feststehenden Gehäuse 6 und dem hohlwellenartigen Abschnitt 4 des Zylinders 1 trotz der Drehbewegung des Zylinders das Druckmedium möglichst verlustfrei übertragen zu können, sind die im einzelnen nachfolgend beschrie­ benen Spaltdichtungen vorgesehen. Diese beinhalten zunächst mehrere Planscheiben 9, zwischen denen Distanzringe 10 angeordnet sind, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Planscheiben 9 und die Distanzringe 10 axial zwischen den Lagern 5 so verspannt sind, daß sie im Gehäuse 6 festgelegt und damit gegen ein Verdrehen gesichert sind.

Im Sinne der Bildung von sich radial erstreckenden Dichtspalten sind im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zwischen zwei Planscheiben 9 Dichtringe 12 angeordnet, die an dem hohlwellen­ artigen Abschnitt 4 abgestützt sind und mit diesem umlaufen. Die Druckmedienzuleitung zu den Kammern des Zylinders 1 beinhaltet radiale Durchlaßkanäle 13 in den Distanzringen 10 sowie radiale Durchlaßkanäle 14 in den Dichtringen 12. Die Distanzringe 10 und die Dichtringe 12 liegen dabei über einem ringförmigen axialen Abstandsraum 15 zuverlässig berührungsfrei zueinander.

Die Dichtringe 12 ihrerseits sind, und zwar auf beiden Seiten der radialen Durchlässe 14, über elastische Dichtringe 16 elastisch an dem hohlwellenartigen Abschnitt 4 des Zylinders abgestützt, haben zu diesem also ein deutliches radiales Spiel. Die elastischen Dicht­ ringe 16 gewährleisten besonders gute Laufeigenschaften der Dicht­ ringe 12 und dienen zugleich der statischen Abdichtung gegenüber dem Druckmedium. Die Größe der Dichtspalte 11 zwischen den zusammen­ wirkenden Flächen der Dichtringe 12 und der Planscheiben 9 wird sehr klein gehalten und beträgt beispielsweise nur 2 bis 3 µm. Die funktionsbedingte genaue Planbearbeitung der Dichtringe 12, der Distanzringe 10 und der Planscheiben 9 kann in denkbar einfacher Weise durch Schleifen und Läppen erreicht werden. Zweckmäßigerweise werden die Dicht- und Distanzringe paarweise bearbeitet. Dann werden beispielsweise nach dem paarweisen Läppen die Dichtringe um ein sehr geringfügiges Maß dünner als die Distanzringe gefertigt, und zwar um einen Verformungsfaktor dünner, um die beim axialen Verspannen der Distanzringe 10 mit den Planscheiben 9 entstehenden Verformungen auszugleichen.

Der durch die Dichtspalte 11 dieser Spaltdichtungen dringende Leck­ strom ist von daher äußerst gering. Man kann mit einem Druckmedium sehr geringer Viskosität, insbesondere Druckluft, arbeiten. Es kommt dann hinzu, daß selbst in diesen sehr kleinen Dichtspalten 11 nur vernachlässigbar kleine Reibkräfte entstehen und damit praktisch auch keine Erwärmung auftritt.

Zur Betätigung des Kolbens 2 in Zug- bzw. Druckrichtung wird jeweils der Druckmediumanschluß 7 bzw. 8 mit Druck beaufschlagt. Beispiels­ weise vom Druckmediumanschluß 7 fließt das Druckmedium über die radialen Durchlaßkanäle 13 im Distanzring 10 und die radialen Durch­ laßkanäle 14 im Dichtring 12 in einen im hohlwellenartigen Abschnitt 4 des Zylinders 1 vorgesehenen Kanal 17 und von dort über eine Kanal­ leitung im Zylinder in die entsprechende Zylinderkammer auf der einen Seite des Kolbens 2. Die Verbindung zwischen dem anderen Druck­ mediumanschluß 8 und der von ihm gespeisten anderen Zylinderkammer ist vergleichbar aufgebaut und beinhaltet neben den radialen Durchlaßkanälen 13 und 14 in den entsprechenden Distanz- und Dichtringen 10, 12 einen Kanal 18 im hohlwellenartigen Abschnitt 4 des Zylinders 1 sowie von dort ausgehend eine weitere kanal­ ähnliche Zuleitung zur Zylinderkammer.

Im Hinblick auf die Abstützung der Dichtringe 12 mittels der elastischen Dichtringe 16 kann es zweckmäßig sein, zur Erzielung einer völlig zuverlässigen Mitnahme der Dichtringe 12 durch den hohlwellenartigen Abschnitt 4 des Zylinders 1 hier in Fig. 1 angedeutete Mitnahmestifte 19 zwischen diesen betroffenen Teilen anzuordnen.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die Möglich­ keit auf, in kinematischer Umkehrung der Anordnung nach Fig. 1 die Planscheiben und die axial damit verspannten Distanzringe am hohlwellenartigen Abschnitt 4 des Zylinders 1 festzusetzen, sie also mit diesem umlaufen zu lassen. Hierzu sind die Planscheiben 9 a und die Distanzringe 10 a zwischen den Innenringen der Lager 5 axial verspannt. Die wiederum über den axialen Ringraum 15 abständig zu den Distanzringen 10 a liegenden Dicht­ ringen 12 a sind dann über elastische Dichtringe 16 a elastisch und unter Berücksichtigung eines entsprechenden Radialspieles am feststehenden Gehäuse 6 abgestützt, wobei die Feststellung in diesem Fall über Blockierstifte 19 a gesichert wird. Die Dicht­ spalten 11 a sind wiederum zwischen den zusammenwirkenden Flächen der jetzt feststehenden Dichtringe 12 a und der jetzt umlaufenden Planscheiben 9 a definiert.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 geht wieder vom kinematischen Prinzip des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 aus. Es sind hier somit wieder die Planscheiben 9 und die Distanzringe 10 axial zwischen den Außenringen der Lager 5 verspannt, so daß sie im fest­ stehenden Gehäuse 6 festgelegt sind.

Der Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 1 besteht darin, daß die Dichtringe 12 b zweigeteilt ausgebildet sind und zwischen den beiden Teilstücken der Dichtringe 12 b eine Feder 20 ange­ ordnet ist, durch die die beiden Teilstücke der Dichtringe 12 b jeweils nach außen in Richtung auf die zugehörige Planscheibe 9 gedrückt werden. Die geteilten Dichtringe 12 b definieren in ihrer Teilungsebene zwischen sich wieder die radialen Durchlaßkanäle 14. Die beiden Teilstücke der Dichtringe 12 b sind wiederum über die elastischen Ringe 16 elastisch mit entsprechendem Radialspiel am hohlwellenartigen Abschnitt 4 des Zylinders 1 abgestützt. In der praktischen Ausführung ist darauf zu achten, daß jeder der Dicht­ ringe 12 b weitgehend druckentlastet ist, was man in üblicher Weise dadurch erreichen kann, daß man jeweils die Kontaktfläche zwischen der Planscheibe 9 und dem entsprechenden Teilstück des Dicht­ ringes 12 b so klein wie möglich hält. Bei dieser Ausgestaltung der Spaltdichtung wird infolge der eingeschalteten Federn 20 mit so kleinem Dichtspalt gearbeitet, daß die Dichtung als praktisch leckstromfrei zu bezeichnen ist. Es wird jedoch in diesem Fall durch die auf die Dichtringe 12 b wirkenden Feder- und Druckkräfte eine diesen Kräften proportionale Reibungswärme erzeugt, die aber in der Praxis geringgehalten werden kann.

Claims (7)

1. Umlaufender Hohlspannzylinder zur Betätigung der Spannzeuge auf Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen, mit einem umlau­ fenden Zylinder, der mit einem hohlwellenartigen Abschnitt in einem feststehenden Gehäuse drehbar gelagert ist, und mit einer Druckmedienzuführung von dem Gehäuse zu den Zylinder­ kammern, die im Übergangsbereich vom feststehenden Gehäuse zu dem hohlwellenartigen Abschnitt Spaltdichtungen mit ring­ förmigen Dichtspalten zwischen den relativ zueinander drehenden Teilen aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spaltdichtungen radial verlaufende, ringförmige Dichtspalte (11, 11 a) aufweisen, die zwischen den einander zugewandten, fein bearbeiteten Flächen von einerseits Planscheiben (9, 9 a) und andererseits zwischen ihnen angeordneten Dichtringen (12, 12 a, 12 b) mit radialen Durchlaßkanälen (14) gebildet sind.

2. Umlaufender Hohlspannzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Planscheiben (9, 9 a) untereinander mittels radiale Durchlaßkanäle (13) aufweisender Distinzringe (10, 10 a) verspannt sind, zu denen die Dichtringe (12, 12 a, 12 b) radial abständig liegen und im Verhältnis zu denen die Dichtringe (12, 12 a) um einen Verformungsfaktor gering­ fügig schmaler gehalten sind.

3. Umlaufender Hohlzylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (12, 12 a, 12 b) an dem sie tragenden Teil (4 bzw. 6) mittels auf beiden Seiten der radialen Durchlaßkanäle (14) vorgesehener elastischer Dicht­ ringe (16, 16 a) abgedichtet abgestützt sind.

4. Umlaufender Hohlspannzylinder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Planscheiben (9) und die Distanzringe (10) an dem fest­ stehenden Gehäuse (6) festgelegt sind, während die Dicht­ ringe (12, 12 b) an dem hohlwellenartigen Abschnitt (4) des Zylinders (1) abgestützt sind.

5. Umlaufender Hohlspannzylinder nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plan­ scheiben (9 a) und die Distanzringe (10 a) auf dem hohlwellen­ artigen Abschnitt (4) des Zylinders (1) festgelegt sind, während die Dichtringe (12 a) an dem feststehenden Gehäuse (6) abgestützt sind.

6. Umlaufender Hohlspannzylinder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei Planscheiben (9) angeordneten Dichtringe (12 b) zweigeteilt ausgebildet sind und die beiden Teilstücke durch eine zwischengesetzte Feder (20) in Richtung auf die Plan­ scheiben (9) zu unter Druck gesetzt sind.

7. Umlaufender Hohlspannzylinder nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (12, 12 a, 12 b) je nach ihrer Anordnung am fest­ stehenden Gehäuse (6) oder auf dem umlaufenden hohlwellen­ artigen Abschnitt (4) mit dem betroffenen Teil entweder durch Mitnahmestifte (19) oder Blockierstifte (19 a) verbunden sind.