CH667227A5

CH667227A5 - Kugelspannzange bzw. -spanndorn.

Info

Publication number: CH667227A5
Application number: CH4323/85A
Authority: CH
Inventors: Juergen Braitmaier; Bodo Hammeley
Original assignee: Daimler Benz Ag
Priority date: 1984-11-22
Filing date: 1985-10-07
Publication date: 1988-09-30
Also published as: JPS61127908A; JPH033803B2; DE3442585C1; US4720114A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Kugelspannzange bzw. -spanndorn nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der US-PS 2 040 601 als bekannt hervorgeht.

Die bekannte Kugelspannzange dient zum zentrischen Spannen von Ventilschäften von Gaswechselventilen, wie sie in Brennkraftmaschinen verwendet werden; und zwar sind in einem gewissen axialen Abstand zwei Kugelspannzangen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Der Vorteil von Kugelspannzangen liegt darin, dass bei genauer Zentriereigenschaft der Spannzange auch grössere Durchmessertoleranzen des aufzunehmenden Werkstückes zugelassen werden können. Nachdem Kugeln sich mit sehr grosser Formgenauigkeit und sehr geringer Durchmessertoleranz herstellen lassen, können mit Kugelspannzangen auch hohe Zentriergenauigkeiten erzielt werden. Nachteilig an den Kugelspannzangen ist, dass wegen der Punktberührung nur relativ kleine Spannkräfte aufgebracht werden können, was jedoch bei bestimmten Anwendungsfällen zulässig sein mag. Nachteilig an den bekannten Kugelspannzangen ist ferner, dass nur kleine Drehmomente übertragen werden können, weil sich trotz einer gewissen Verspannung der Spannkugeln zwischen den Kegelflächen und dem Werkstück ein «Kugellagereffekt» einstellt; es kommt zu einem Abwälzen der Kugeln zwischen dem zu spannenden Werkstück und der Kegelfläche. Zwar weist die bekannte Kugelspannzange einen Führungskäfig für die Spannkugeln auf, der in Drehrichtung fixiert ist und somit diesen Wälzvorgang behindert, jedoch kann trotzdem noch ein gewisser Abwälzeffekt eintreten, nämlich dann, wenn die Spannkugeln sich innerhalb des Käfigs verdrehen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsmässig zugrunde gelegten Kugelspannzangen bzw. -spanndorne dahingehend zu verbessern, dass auch ohne Käfig für die Spannkugeln der zu beobachtende «Kugellagereffekt» mit Sicherheit vermieden und auch grössere Drehmomente mit den Kugelspannzangen bzw. -spanndornen übertragen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank der paarweisen Zusammenkupplung von jeweils immer zwei Spannkugeln zu einer starren hanteiförmigen Einheit wird ein Abwälzen der Kugeln in Umfangsrichtung mit Sicherheit vermieden. Ausserdem wird durch diese Anordnung und gegenseitige Verbindung der Spannkugeln deren Anzahl erhöht, wodurch auch die Spannkraft gesteigert wird. Die Zentriergenauigkeit wird nicht durch die Genauigkeit der gegenseitigen Fixierung zweier Kugeln zu einem Kugelpaar be-einflusst. Bei einer stabartigen Verbindung zweier Kugeln durch einen Verbindungsstift kann dieser ohne weiteres exzentrisch zum Kugelmittelpunkt verlaufen. Auch der gegenseitige Kugelabstand innerhalb eines Kugelpaares ist unkritisch.

Zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen:

Figur 1 einen achssenkrechten Schnitt durch einen Ku-gelspanndorn nach der Erfindung,

Figur 2 eine axiale Ansicht auf den Kugelspanndorn nach Figur 1,

Figur 3a, b zwei verschiedene Varianten eines Kugel-spanndornes mit zwei Kränzen von Spannkugeln, mit denen auch Stufenbohrungen gespannt werden können (Figur 3a) und

Figur 4 eine weitere Variante eines Kugelspanndornes mit zwei Kränzen von Spannkugeln.

Der in den Figuren gezeigte Kugelspanndorn ist in einen Messteilkopf 1 integriert, auf dessen Oberseite zentrisch ein Werkstück 2 zu Messzwecken genau gespannt werden soll. In den Teilkopf ist ein Zentrierzapfen 3 mit sehr geringem Spiel eingearbeitet, der axialverschiebbar darin gelagert ist.

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Der Zentrierzapfen bestimmt im wesentlichen die Zentrumslage der aufzunehmenden Werkstücke. Zentrisch an den Zentrierzapfen 3 ist oben ein kegeliger Spannkörper 8 mit einer Kegelfäche 6 angebracht. Die Kegelfläche lässt sich mit sehr hoher Genauigkeit zentrisch zu der zylindrischen Fläche des Zentrierzapfens herstellen. Dadurch kommt auch der Kegelfläche 6 eine sehr gute Zentriergenauigkeit zu.

Die Oberseite des Teilkopfes 1 weist eine achssenkrechte umlaufende Fläche auf, von der der radial innenliegende Teil eine Anlagefläche 4 für die Spannkugeln 7 bildet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel geht diese Anlagefläche stufenlos in die entsprechende Anlagefläche 5 für das Werkstück 2 über. Die Kugelanlagefläche 4 sichert eine einheitliche Axialposition sämtlicher Spannkugeln. Um den kugelförmigen Spannkörper 8 herum ist ein Kranz von Spannkugeln 7 angeordnet, die durch Zurückziehen des Zentrierzapfens 3 bzw. des Spannkörpers 8 radial nach aussen gespreizt werden können. Dadurch legen sie sich an die Innenseite einer Aufnahmebohrung des Werkstückes 2 an und spannen dieses zentrisch fest. Nachdem die Kugeln mit sehr hoher Formgenauigkeit und geringer Durchmessertoleranz hergestellt werden können, sind mit einem solchen Kugelspanndorn hohe Zentriergenauigkeiten beim Spannen erzielbar.

Um auch relativ grosse Dehmomente von dem Teilkopf 1 auf das Werkstück übertragen zu können — der Zentrierzapfen 3 ist in Drehrichtung spielfrei in dem drehbaren Teilkopf 1 fixiert —, sind von den Spannkugeln 7 immer zwei Spannkugeln paarweise zu einem starr verbundenen Kugelpaar vereinigt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Spannkugeln 7 hohlgebohrt und paarweise mit einem Verbindungsstift miteinander verbunden. Der Verbindungsstift kann eingepresst oder eingeklebt sein. Anstelle einer Verbindung durch einen Verbindungsstift ist auch eine gegenseitige Verschweissung zweier Spannkugeln mittels einer Hochenergiestrahlschweissung im Bereich der Kontaktstelle möglich. Der gegenseitige Abstand der beiden Kugeln innerhalb eines Kugelpaares ist für die Zentriergenauigkeit der Spannzange bzw. des Spanndornes ohne grosse Bedeutung; die innerhalb einer Spannzange bzw. eines Spanndornes verwendeten Kugelpaare können ohne weiteres unterschiedliche Mittenabstände aufweisen. Dadurch nehmen die einzelnen Kugeln lediglich unterschiedliche Umfangslagen ein, was jedoch für die Zentriergenauigkeit belanglos ist. Damit die Kugelpaare in Umfangsrichtung möglichst kurz bauen, ist es jedoch zweckmässig, wenn die paarweise vereinigten Spannkugeln möglichst dicht beieinander liegen, sich also mit ihren Kugeloberflächen gegenseitig berühren. Dies ist vor allen Dingen bei Verwendung sehr grosser Spannkugeln wichtig; es müssen mindestens sechs Spannkugeln, also drei Kugelpaare am Umfang des Spannkörpers 8 Platz haben.

Um den Satz von Kugelpaaren einer Spannzange bzw. eines Spanndornes zu einer leicht handhabbaren Einheit zusammenfassen zu können, sind die beim dargestellten Ausführungsbeispiel verwendeten Verbindungsstifte als ein Röhrchen ausgebildet. Dadurch können die Kugelpaare 9 auf einen federelastischen offenen Drahtring 11 aufgefädelt werden, so dass eine zwar geschlossene jedoch im Durchmesser aufweitbare Schlaufe entsteht. Der zusammengehörige Satz von Kugelpaaren wird dadurch zusammengehalten, was vor allen Dingen bei der Bevorratung unterschiedlicher Sätze von Kugelpaaren mit unterschiedlichen Kugeldurchmessern wichtig ist. Auch lässt sich der Austausch derartiger Kugelpaare erleichtern, wenn ein solcher Satz einheitlich über einen Spannkörper hinweggestreift werden kann. Dadurch kann eine Kugelspannzange bzw. ein Kugelspanndorn leicht auf veränderte Spanndurchmesser umgerüstet werden. Und zwar braucht lediglich ein im Durchmesser veränderter Satz von Kugelpaaren aufgelegt zu werden, um einen geän667 227

derten Spannbereich zu bekommen. Mit ein und demselben Satz von Kugelpaaren ist ein stufenloser Spannbereich möglich, der dem Durchmesserunterschied der Kegelfläche 6 am Spannkörper 8 an der grossen gegenüber der kleinen Stelle der Kegelfläche entspricht.

Anstelle eines offenen federelastischen Drahtringes kann auch eine Gummischnur durch die röhrchenförmigen Verbindungsstifte 10 hindurchgezogen werden; sie muss an einer Stelle verknotet oder anderweitig zu einer endlosen Schlaufe verbunden werden. Auch ist die Verwendung einer losen unelastischen Schnur oder einer kleinen Kette denkbar. Der Kugelsatz muss so weit aufweitbar sein, dass er sich über den grossen Kegeldurchmesser des Spannkörpers 8 hinwegheben lässt. Um einen möglichst grossen Durchmesserbereich von möglichen Spanndurchmessern unterbrechungsfrei überspannen zu können, müssen ausser einer vollständigen Ausnützung der gesamten axialen Länge des kegelförmigen Spannkörpers 8 auch noch — wie gesagt — unterschiedliche Sätze von Kegelpaaren bereitgehalten werden. Und zwar können die Kugelpaare im Durchmesser relativ grob gestaffelt sein, nämlich entsprechend der Radiendifferenz der Ke-gelfläche 6 am grossen gegenüber dem kleinen Durchmesser. Zweckmässigerweise wird man eine geringfügige Überdek-kung der unterschiedlichen Spannbereiche, also eine Staffelung entsprechend einer etwas geringeren Durchmesserdifferenz der Kugeln wählen. Bei vollständiger Ausnützung dieser Möglichkeiten der Spannbereichserweiterung lässt sich mit ein und demselben Spannkörper ein Durchmesserbereich von 1:3 überbrücken, wobei der kleinste Spanndurchmesser dem grössten Kegeldurchmesser am Spannkörper 8 entspricht. Zweckmässigerweise wird man auf vorrätige Kugeln aus der Kugellagerfabrikation zurückgreifen, die dort — wie gesagt — mit hoher Formgenauigkeit und geringer Durchmessertoleranz massenweise und billig hergestellt werden. Die Bohrung kann in die gehärteten Stahlkugeln durch Funkenerosion angebracht werden.

Zur Sicherung einer gleichmässigen Umfangslage der Kugelpaare ist es zweckmässig, wenn zwischen den einzelnen Kugelpaaren distanzhaltende Zwischenstücke zwischengeschaltet sind. Beispielsweise kann dies durch kleine auf den Drahtring 11 aufgefädelte Schraubenfedern oder Schlauchstückchen geschehen. Eine geringfügige ungleichmässige Anordnung der Kugelpaare in Umfangsrichtung ist für eine gute Zentriergenauigkeit unkritisch. Bei Verwendung von kleineren Spannkugeln können auch mehr als drei Kugelpaare innerhalb eines Satzes von Spannkugeln vorgesehen sein, beispielsweise vier oder fünf Kugelpaare. Bei der hohen Durchmesserübereinstimmung der Spannkugeln und der Fertigungsgenauigkeit der Kegelfläche an den Spannkörpern tragen sämtliche Kugeln eines Satzes mehr oder weniger gleichmässig mit. Es sollten so viel zusätzliche Kugelpaare in einen Satz von Spannkugeln mit eingefügt werden, dass der Umfang möglichst vollständig mit Kugelpaaren besetzt ist, so dass die dazwischen bestehenden Lücken möglichst klein sind. Dadurch lassen sich distanzhaltende Zwischenstücke weitgehend vermeiden.

Selbstverständlich lassen sich nach dem Vorbild des dargestellten Ausführungsbeispieles auch Kugelspannzangen darstellen, bei denen der Spannkörper eine Hohlkegelfläche aufweist und die achssenkrechte Anlagefläche 4 für die Kugeln hülsenförmig umkreist. Der die Anlagefläche 4 tragende Anlagekörper muss aussen sehr genau zylindrisch bearbeitet sein und sehr genau in Radialrichtung den hülsenförmigen Spannkörper zentrieren, der ebenfalls in Drehrichtung gegenüber dem Anlagekörper fixiert ist. Diese gegenseitige Führung sowie die Herstellungsgenauigkeit der Kegelfäche an dem hülsenförmigen Spannkörper bestimmen im wesentlichen die Zentriergenauigkeit der solcherart gebildeten

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Spannzange. Eine solche Spannzange ist zum zentrischen Spannen von zylindrischen Werkstücken geeignet. Bei Verwendung von drei Kugelpaaren können auch dreieckige prismatische Werkstücke gespannt werden. Bei der Verwendung von vier Kugelpaaren können quadratische prismatische Werkstücke gespannt werden usw.

Bei den Ausfuhrungsbeispielen nach den Figuren 3a, b und 4 sind zwei Kränze von Spannkugeln vorgesehen, mit denen auch ohne achssenkrechte Werkstückanlagefläche an einem Teilkopf oder dergleichen das Werkstück 2 bzw. 2' genau achssenkrecht zu einem Spanndorn gespannt werden kann. Den beiden Kränzen von Kugelpaaren 9 bzw. 9' sind jeweils eine Kegelfäche 6 bzw. 6' und eine achssenkrechte Anlagefläche 4 bzw. 4' zugeordnet, die den zugehörigen Kugelkranz zwischen sich einschliessen. Die beiden Kegelflächen 6 und 6' und die beiden Anlageflächen 4 und 4' sind untereinander spiegelbildlich angeordnet und den Kugelkränzen auch spiegelbildlich zugeordnet. Bei beiden Ausführungsbeispielen nach Figur 3a, b sind die Kegelflächen axial aussenliegend an zwei unterschiedlichen beweglichen Spannkörpern 8 bzw. 8' angebracht, wobei bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der linke Spannkörper 8 an einer Zentrierhülse 3' und der rechte Spannkörper 8' an einem darin verlaufenden Zentrierzapfen 3 angebracht ist. Die beiden axial innenliegenden achssenkrechten Anlageflächen 4 und 4' sind an einem einheitlichen Anlagekörper 12" angebracht, der axial schwimmend auf dem Zentrierzapfen 3 gelagert ist. Durch axiales Verschieben der Zentrierhülse 3' auf dem Zentrierzapfen 3 mittels der Spannmutter 13 können die Kegelflächen 6 und 6' den Anlageflächen 4 und 4' angenähert und die Spannkugeln radial nach aussen gedrückt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3a sind in dem rechts dargestellten Kugelkranz grössere Spannkugeln als in dem links dargestellten Kugelkranz verwendet, so dass das Werkstück 2' auch an einer gestuften Bohrung genau zentrisch und achssenkrecht gespannt werden kann. Kleinere Durchmesserunterschiede in einer gestuften Bohrung lassen sich auch ohne weiteres ohne Verwendung unterschiedlicher Kugeldurchmesser rechts und links in dem Spanndorn überbrücken, indem die Kegelfläche 6' im Bereich des grösseren Bohrungsdurchmessers am Werkstück 2' stärker an die zugehörige Anlagefläche 4' angenähert wird, als im Bereich des kleineren Bohrungsdurchmessers. In der unteren Bildhälfte von Figur 3, nämlich in Figur 3b, ist die Spannung eines Werkstückes 2 mit einheitlich durchgehender Werkstückbohrung unter Verwendung gleicher Kugelkränze gezeigt.

Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Kegel- und Anlageflächen 6 und 4 bzw. 6' und 4' gerade seitenvertauscht gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3a, b, nämlich es liegen dort die achssenkrechten Anlageflächen 4 und 4' axial aussen an Schraubenkopf-ähnlichen Anlagekörpern 12 und 12' der Zentrierbuchse 3' bzw. des Zentrierzapfens 3. Die beiden Kegelfachen 6 und 6' sind axial in der Mitte angebracht an einem einheitlichen axial schwimmend auf dem Zentrierzapfen 3 gelagerten Spannkörper 8". Die Wirkungsweise dieses Spanndornes ist im übrigen gleich, wie die des Spanndornes nach Figur 3a, b; auch bei diesem Spanndorn können Spannkugeln mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden, um Werkstücke mit gestufter Bohrung spannen zu können. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass bei beiden Ausführungsbeispielen nach Figur 3a, b und Figur 4 in gewissen Grenzen gestufte Bohrungen mit gleichen Kugelkränzen rechts und links und auch ungestufte Bohrungen mit unterschiedlichen Kugelkränzen ohne weiteres sauber gespannt werden können. In gleicher Weise können auch Werkstücke mit leicht konischer Bohrung genau zentrisch und achssenkrecht gespannt werden.

Die Vorteile der Erfindung liegen in einer sehr genauen selbständigen Zentrierung von Werkstücken bei deren Spannung, wobei ein Zentrierfehler von weniger als 2 um erreichbar ist; ferner ist eine kraftschlüssige Drehmitnahme des gespannten Werkstückes bei relativ hohem Drehmoment möglich. Bei ein und demselben Spannkörper ist bei Verwendung von Kugelspannsätzen unterschiedlicher Durchmesser ein Spannbereich d bis D von theoretisch 1:3, praktisch jedoch mindestens wie 1:2 möglich. Die erfindungsgemässen Kugelspannzangen bzw. -spanndorne lassen sich sehr rasch auf veränderte Spannbereiche umrüsten.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Kugelspannzange bzw. -spanndorn mit mehreren im Spannbereich gleichmässig verteilt angeordneten Spannkugeln, die an einem eine einheitliche Axialposition der Spannkugeln definierenden Anlagekörper anliegen, ferner mit einem gegenüber dem Anlagekörper axialverschiebbaren, die Spannkugeln mit einer einheitlichen Konus- oder Kegelfläche berührenden und bei Axialverschiebung die Spannkugeln radial verschiebenden Spannkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannkugeln (7) paarweise starr miteinander verbunden sind und wenigstens drei solche Kugelpaare (9) gleichmässig am Umfang verteilt sind.

2. Kugelspannzange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (7) durchbohrt und paarweise mit einem Verbindungsstift (10) verbunden sind.

3. Kugelspannzange nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsstift (10) ein Röhrchen ist.

4. Kugelspannzange nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsstift (10) in die Kugelbohrung eingeklebt ist.

5. Kugelspannzange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verbundenen Kugeln (7) sich gegenseitig mit ihren Oberflächen berühren.

6. Kugelspannzange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln paarweise verschweisst sind.

7. Kugelspannzange nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass distanzhaltende Zwischenstücke zwischen den Kugelpaaren vorgesehen sind.

8. Kugelspannzange nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine die einheitliche Axialposition der Spannkugeln (7) sichernde Anlagefläche (4) in Form einer vorzugsweise achssenkrechten umlaufenden Schulter gebildet ist.

9. Kugelspannzange nach einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelpaare (9) durch Schnüre, Drähte (11) oder Ketten untereinander zu einer geschlossenen Schlaufe verbunden sind.

10. Kugelspannzange nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch rohrförmige Verbindungsstifte (10) verbundenen Kugelpaare (9) auf einen federelastischen offenen Drahtring (11) aufgefädelt sind.

11. Kugelspannzange nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung als Ku-gelspanndorn die achssenkrecht angeordnete Anlagefläche (4) der Spannkugeln (7) zugleich auch die Anlagefläche (5) für das zu spannende Werkstück (2) bildet.

12. Kugelspannzange nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in axialem Abstand zwei Kränze von Spannkugelpaaren (9,9') vorgesehen sind, denen jeweils eine Konus- oder Kegelfläche (6, 6') und jeweils eine achssenkrechte Anlagefläche (4,4') zugeordnet ist, wobei die beiden Konus- oder Kegelflächen (6, 6') und die beiden Anlageflächen (4,4') untereinander spiegelbildlich angeordnet und den Spannkugelpaaren (9, 9') zugeordnet und wobei die beiden zwischen den Kugelkränzen befindlichen Konus- bzw. Kegelflächen (6,6') oder die beiden Anlageflächen (4,4') an einem einheitlichen axial schwimmend angeordneten Körper (8", 12") ausgebildet sind.