DD262126A3

DD262126A3 - MAIN SPINDLE, PARTICULARLY A HIGH SPEED SPINDLE, FOR TOOLING MACHINES

Info

Publication number: DD262126A3
Application number: DD86298470A
Authority: DD
Inventors: Franz Scharnweber; Juergen Misselwitz
Original assignee: Werkzeugmaschinenbau Fz
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1988-11-23
Also published as: RU1832072C; CS639787A1; FR2608956B1; FR2608956A1; DE3727525A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hauptspindel, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitsfraesspindel, fuer Werkzeugmaschinen. Die Erfindung ist anwendbar bei Werkzeugmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel, wenn der Werkzeugwechsel unter Drehzahl erfolgen soll. Eine aus einer Rumpfspindel und einem Spindelkopf mit Werkzeug bestehende Hauptspindel wird erfinderisch so weiterentwickelt, dass das Gehaeuse des Spindelkopfes am Gehaeuse der Rumpfspindel spielfrei vorzentriert angeordnet ist, im Steilkegel der Rumpfspindel reibschluessige Mitnahmeringe und eine Umfangsnut mit Druckluftanschluss koaxial angeordnet sind sowie im Gehaeuse der Rumpfspindel die hydromechanische Spanneinrichtung, die dem Gehaeuse des Spindelkopfes zugeordnet ist, vorgesehen ist. Dadurch wird bewirkt, dass das Werkzeug mit Spindelkopf unter Drehzahl automatisch eingewechselt werden kann, wobei vor dem endgueltigen Formschluss Synchronlauf zwischen Werkzeug und Rumpfspindel erreicht wird. Fig. 1The invention relates to a main spindle, in particular a high-speed cutting spindle, for machine tools. The invention is applicable to machine tools with automatic tool change, if the tool change is to take place under speed. One consisting of a hull spindle and a spindle head with a tool main spindle is inventively further developed so that the housing of the spindle head on the housing of the hull spindle is precentered pre-centered, in the steep cone of the trunk spindle reibschluessige entrainment rings and a circumferential groove with compressed air connection are arranged coaxially and in the housing of the hull spindle hydromechanical tensioning device, which is assigned to the housing of the spindle head, is provided. This has the effect that the tool with spindle head can be loaded automatically under speed, whereby synchronous movement between the tool and the body spindle is achieved before the final positive engagement. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung ist anwendbar bei Werkzeugmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel, wenn der Werkzeugwechsel unter Drehzahl erfolgen soll. Eine besondere Eignung ist für Komplettbearbeitungsstationen gegeben. Durch optimale Abstimmung, von Bearbeitungsaufgabe, Werkzeug und Spindellagerung können Zerspanungsaufgaben zwischen Schruppen und Feinstbearbeitung realisiert werden.The invention is applicable to machine tools with automatic tool change, if the tool change is to take place under speed. A special suitability is given for complete processing stations. Through optimal coordination of machining task, tool and spindle bearing machining tasks between roughing and superfinishing can be realized.

Characteristic of the known state of the art

Eine Hauptspindel, bestehend aus einer Rumpfspindel und einem daran befestigten Spindelkopf mit Werkzeug, für Werkzeugmaschinen ist aus dem Schutzrecht DE 3312571A1 bekanntgeworden. Hier wird ein Werkzeug mit einem konischen Einsteckabschnitt, dessen Konusgrößer kleiner als diejenige einer konischen Aussparung der Rumpfspindel ist, durch die Verwendung eines Spindelkopfes im Sinne eines Adapters bezüglich der Konusgrößen anbringbar. Nachdem das Werkzeug mit dem Adapter-Spindelkopf am Gehäuse der Rumpfspindel befestigt worden ist, wird das Drehmoment durch vollzogenen Formschluß übertragen.A main spindle, consisting of a core spindle and an attached spindle head with tool, for machine tools has become known from the patent DE 3312571A1. Here, a tool with a tapered insertion portion whose cone size is smaller than that of a conical recess of the body spindle, attachable by the use of a spindle head in the sense of an adapter with respect to the cone sizes. After the tool with the adapter spindle head has been attached to the housing of the hull spindle, the torque is transmitted by completed positive engagement.

Der Mangel dieser Lösung ist die nur im Stillstand der Rumpfspindel mögliche Montier- bzw. Wechselbarkeit des Spindelkopfes mit Werkzeug an der Rumpfspindel, wodurch relativ große Werkzeugwechselzeiten benötigt werden. Das Schutzrecht DE 32 04789 A1 offenbart einen Werkzeugwechsler für ein Tiefbohrwerkzeug. Das Tiefbohrwerkzeug ist längeneinstellbar in einer Werkzeugaufnahme aufgenommen, die an ihrem Aufnahmeteil eine Nut aufweist, in die Spannelemente eingreifen.Diese sind schwenkbar in einem Werkzeugadapter vorgesehen, zu dem der Aufnahmeteil gehört. Sie werden in der Spannstellung durch federbelastete Teile gehalten und können über eine Schaltmuffe gegen die Kraft der Feder entriegelt werden. Die Schaltmuffe weist eine Umfangsnut auf, in die eine Schaltgabel eingreift, die von einer Kolbenstange eines am Spindelgehäuse außen befestigten Hydraulikzylinders betätigt wird. Dieser Mechanismus ist also eine Entriegelungsvorrichtung für die von Federkraft selbsttätig aufrecht erhaltene Werkzeugspannung. Ein Werkzeugwechsel unter Drehzahl ist auch hier nicht möglich.The lack of this solution is possible only when the hull spindle mounting or changeability of the spindle head with tools on the fuselage spindle, whereby relatively large tool change times are needed. The patent DE 32 04789 A1 discloses a tool changer for a deep hole drilling tool. The deep drilling tool is adjustable in length accommodated in a tool holder, which has a groove on its receiving part, engage in the clamping elements. These are pivotally provided in a tool adapter to which the receiving part belongs. They are held in the clamping position by spring-loaded parts and can be unlocked via a sliding sleeve against the force of the spring. The shift sleeve has a circumferential groove, in which engages a shift fork, which is actuated by a piston rod of a spindle attached to the outside of the hydraulic cylinder. This mechanism is thus an unlocking device for the spring tension automatically maintained tool clamping. A tool change below speed is not possible here.

Eine formschlüssige Kupplung zwischen einem Werkzeug und einer Hauptspindel einer Werkzeugmaschine wird in dem Schutzrecht DE 3333646 A1 beschrieben. Die Kupplungshälften, von denen je eine vom Werkzeug und von der Hauptspindel getragen wird, weisen komplementäre radiale Verzahnungen auf. Die Zähne können gerade oder spiralförmig ausgebildet sein, wobei jede Zwischenform und unterschiedliche radiale Richtungen der Zähne möglich sind. Bei der Paarung der Kupplungshälften, also des Werkzeuges und der Hauptspindel, müssen beide stillstehen, da sonst kein Formschluß erreichbar ist. Technische Mittel zur Erzielung einer Synchrondrehzahl von Werkzeug und Hauptspindel vor Herstellung des Formschlusses sind nicht angegeben, wodurch auch bei dieser Lösung der automatische Werkzeugwechsel nur im Stillstand der Hauptspindel möglich ist.A positive coupling between a tool and a main spindle of a machine tool is described in the patent DE 3333646 A1. The coupling halves, one of which is carried by the tool and the main spindle, have complementary radial gears. The teeth may be straight or spiral, with any intermediate shape and different radial directions of the teeth being possible. When pairing the coupling halves, so the tool and the main spindle, both must stand still, otherwise no positive engagement is reached. Technical means for achieving a synchronous speed of the tool and the main spindle before production of positive locking are not specified, whereby even with this solution, the automatic tool change is possible only when the main spindle.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist eine Erhöhung der technisch-ökonomischen Effektivität durch die Steigerung der Kapazität und damit der Produktivität an Bearbeitungsstationen mit der erfindungsgemäßen Hauptspindel.The object of the invention is to increase the technical-economic effectiveness by increasing the capacity and thus the productivity of processing stations with the main spindle according to the invention.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hauptspindel nach der Art des Oberbegriffes des 1. Patentanspruches erfinderisch so weiterzuentwickeln, daß der automatische Werkzeugwechsel unter Drehzahl möglich ist und dadurch die Werkzeugwechselzeit als Hilfszeit gesenkt wird.The invention has for its object to further develop a main spindle according to the preamble of the first claim so that the automatic tool change below speed is possible and thereby the tool change time is reduced as auxiliary time.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse des Spindelkopfes am Gehäuse der Rumpfspindel spielfrei vorzentriert angeordnet ist, im Steilkegel der Rumpfspindel reibschlüssige Mitnahmeringe und eine Umfangsnut mit Druckluftanschluß koaxial angeordnet sind sowie im Gehäuse der Rumpfspindel die hydromechanische Spanneinrichtung, die dem Gehäuse des Spindelkopfes zugeordnet ist, vorgesehen ist.This object is achieved in that the housing of the spindle head is arranged pre-centered on the housing of the hull spindle, frictional Mitnehmermeringe and a circumferential groove with compressed air connection are arranged coaxially in the steep cone of the hull spindle and in the housing of the hull spindle hydromechanical clamping device associated with the housing of the spindle head is, is provided.

Die Wirkungsweise ist folgende: Eine automatische Werkzeugwechseleinrichtung, die den Spindelkopf mit Werkzeug in einer peripheren Greiferringnut ergriffen hat, positioniert den Spindelkopf vor der Rumpfspindel und bewegt ihn auf sie zu. Durch beispielsweise eine Präzisionskugelbuchse zwischen den Gehäusen des Spindelkopfes und der Rumpfspindel wird der Spindelkopf auf einem Flansch des Gehäuses der Rumpfspindel spielfrei vorzentriert. Die Kopplung des Spindelkopfes mit der Rumpfspindel erfolgt über den Steilkegel des Werkzeuges und der Rumpfspindel. Dabei erfolgt die Mitnahme bis zur Synchrondrehzahl über reibschlüssige Mitnahmeringe im Steilkegel der Rumpfspindel. Gleichzeitig bilden die Mitnahmeringe die Stege für eine aerostatische Zentrierhilfe in Form einer Umfangsnut mit Druckluftanschluß. Dadurch wird im Zustand von Differenzdrehzahlen zwischen Werkzeug und Rumpfspindel ein Anlaufen verhindert. Nach Erreichen der Synchrondrehzahl zwischen Werkzeug und Rumpfspindel, ermittelt beispielsweise mittels Frequenzmarken am Werkzeug und der Rumpfspindel, erfolgen erstens die Spannung des Werkzeuges über Anzugsbolzen nach dem Prinzip einer hydraulisch betätigten Zangenspannung und zweitens die Gehäusespannung des Spindelkopfes über eine hydromechanische Spanneinrichtung, die eine definierte, feste Anlage garantiert. Die Drehmomentmitnahme erfolgt durch zwei Planverzahnungsringe am Werkzeug und der Rumpfspindel, wobei garantiert ist, daß die Verzahnung erst nach Erreichen der Synchrondrehzahl ineinandergreift. Das zusätzliche radial bewegliche Zentrierlager der Rumpfspindel verhindert ein Taumeln derselben bei hohen Drehzahlen. Zugleich werden durch diese elastische Gehäuseabstützung der Rumpfspindel Zwangskräfte vermieden, die sonst durch die Überbestimmung bei der Dreifachlagerung auftreten würden. Ein Schwingungssensor überwacht den Schwingungszustand der Rumpfspindel, insbesondere vor der formschlüssigen Kopplung.The mode of action is as follows: An automatic tool changing device, which has gripped the spindle head with tool in a peripheral gripper ring groove, positions the spindle head in front of the trunk spindle and moves it towards it. For example, by a precision ball bushing between the housings of the spindle head and the body spindle of the spindle head is pre-centered on a flange of the housing of the body spindle backlash. The spindle head is coupled to the trunk spindle via the steep taper of the tool and the trunk spindle. The entrainment takes place up to the synchronous speed via frictional entraining rings in the steep taper of the fuselage spindle. At the same time, the driving rings form the webs for an aerostatic centering aid in the form of a circumferential groove with compressed air connection. This prevents tarnishing in the state of differential speeds between the tool and the body spindle. After reaching the synchronous speed between the tool and hull spindle, determined for example by means of frequency marks on the tool and the body spindle, first the tension of the tool via tightening bolts on the principle of a hydraulically actuated gun tension and secondly the housing voltage of the spindle head via a hydromechanical clamping device, the defined, fixed Plant guaranteed. The torque is carried by two Planverzahnungsringe on the tool and the body spindle, which is guaranteed that the teeth mesh only after reaching the synchronous speed. The additional radially movable centering the hull spindle prevents wobbling them at high speeds. At the same time forced forces are avoided by this elastic housing support the hull spindle, which would otherwise occur through the over-determination in the triple storage. A vibration sensor monitors the vibration state of the hull spindle, in particular before the positive coupling.

embodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the accompanying drawings show

Figur 1: einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Hauptspindel im gekoppelten Zustand von Rumpfspindel undFigure 1: an axial section through a main spindle according to the invention in the coupled state of the body spindle and

Spindelkopf mit Werkzeug und Figur2: den Axialschnitt nach Figur 1 in einem Zwischenzustand beim Entkoppeln oder Koppeln von Rumpfspindel und Spindelkopf mit Werkzeug.Spindle head with tool and Figure 2: the axial section of Figure 1 in an intermediate state during decoupling or coupling of the body spindle and spindle head with tool.

Eine Rumpfspindel 1 wird durch die Führungslager 2 abgestützt. Für einen taumelfreien Lauf sorgt ein Zentrierlager 3, das radial eine elastische Abstützung 4 zur Vermeidung von Zwangskräften erhält. Im belastungsfreien Zustand ohne Spindelkopf ist diese Abstützung 4 als starr zu betrachten. Der Steilkegel 5 der Rumpfspindel 1 trägt Mitnehmeringe 6 und 7, die wiederum mit einer Umfangsnut 8 mit Druckluftanschluß 25 zur Ausbildung einer aerostatischen Zentrierung beitragen. Soll der Spindelkopf in die sich drehende Rumpfspindel 1 eingewechselt werden, so bringt der Greifer den Spindelkopf, eingreifend in die Greiferringnut 10, zum Zentrierbund 11 des Gehäuses 12 der Rumpfspindel 1 und drückt das Gehäuse 13 des Spindelkopfes spielfrei zentrierend über eine Präzisionskugelbuchse 14 in Richtung Rumpfspindel 1. Nachdem so eine genaue Zentrierung erfolgte, taucht der Steilkegel 15 des Werkzeuges 9 in den Steilkegel 5 der Rumpfspindel 1 ein. Das Festlager 16 gestattet eine sichere Rotation koaxial zum Zentrierbund 11, die über die Mitnahmeringe 6 und 7 eingeleitet wird. Die aus der Umfangsnut 8 ausströmende Luft reinigt erstens den Steilkegel 15 und übernimmt mit stärker werdender Paarung zweitens eine schonende Zentrierfunktion. Melden die Frequenzmarke 17 auf dem Werkzeug 9 und die Frequenzmarke 18 auf der Rumpfspindel 1 Synchronlauf, so schließen die Spannzangen 19 der mechanisch-hydraulischen Spanneinrichtung 20 durch Zurückfahren des Kolbens 21, der beaufschlagt wird durch die Zuleitung 22 über die Drehdurchführung 23, die auch die hydraulische Zuleitung 24 und den Druckluftanschluß 25 zur Umfangsnut 8 aufnimmt. Jetzt erfolgt.die Drehmitnahme erstens durch vollen Reibschluß der Steilkegel 15 und 5 und zweitens durch die Planverzahnungsringe 26 und 27. Zugleich mit der Kopplung der drehenden Teile greifen die Hebel 28 hinter den Gehäusebund 29 des Gehäuses 13 des Spindelkopfes und pressen ihn gegen die Planfläche 30 des Gehäuses 12 der Rumpfspindel 1. Betätigt und definiert angezogen wird der Hebel 28 über ein Gestänge 31, das mittels Kolben 32 betätigt wird. Über die Druckleitung 33 kann der Aripreßdruck gemäß Forderung reguliert werden. Der Antrieb der Rumpfspindel 1 erfolgt mittels Flachriemen 34, wobei der Spannzylinder 35 zugleich als Riemenscheibe ausgebildet ist. Gemäß einem Bearbeitungsspektrum gehören mehrere Spindelköpfe zu einem Bearbeitungssortiment, die in einem Spindelkopfspeicher analog dem Werkzeugspeicher untergebracht sind. Damit die Funktionen der Spindelköpfe auf Abruf präsent sein können, müssen sie komplett abgedichtet sein. Die Dichtungen 36 und 37 schützen die Festlagerung 16 vor eindringendem Prozeßschmiermittel. Ein Schwingungssensor 38 überwacht den Schwingungszustand der Rumpfspindel 1. Die spezifischen Vorteile dieser Lösung sind die Erhöhung der Werkzeugstandzeit auf Grund verbesserter Schwingfestigkeit der Hauptspindel mit gelagertem Werkzeug, die Verbesserung der Wechselgenauigkeit, die Möglichkeit der Voreinstellung von Werkzeug und Lagerung gemäß Bearbeitungsregime, die schonende Behandlung der Lagerung durch die Anpassung an das Werkzeug und die spezielle Zerspanungsaufgabe, die Verbesserung der Stabilität des Werkzeuges, die Erhöhung der Lebensdauer der Lagerung und die Verbesserung der Werkstückgenauigkeit. Da der Spindelkopf außerhalb der Hauptspindel .anforderungsgemäß genau eingestellt werden kann, beispielsweise durch Komplettauswuchtung des Spindelkopfes mit Werkzeug, und unter Drehzahl präzis einwechselbar ist, kann vor der Weiterarbeit auf Kontrollschnitt, Werkstückmessung und Schneidenkorrektur verzichtet werden. Die hohe Steifigkeit des Werkzeuges in der Ebene des Schneideneingriffes auf Grund des enorm geringen Kragarmes infolge der Lagerung des Werkzeugschaftes im Spindelkopf und die besondere Änpassungsmöglichkeit der Lagerung an das Werkzeug und die Bearbeitungsaüfgabe bedingen eine hohe Serienfertigungsgenauigkeit.A hull spindle 1 is supported by the guide bearings 2. For a taumelfreien running ensures a centering 3, which receives a resilient elastic support 4 to avoid forced forces. In the load-free state without spindle head this support 4 is considered to be rigid. The steep taper 5 of the body spindle 1 carries Mitnehmeringe 6 and 7, which in turn contribute to a circumferential groove 8 with compressed air connection 25 to form an aerostatic centering. If the spindle head is to be loaded into the rotating hull spindle 1, the gripper brings the spindle head, engaging in the gripper ring groove 10, to the centering collar 11 of the housing 12 of the hull spindle 1 and presses the housing 13 of the spindle head centering over a precision ball bushing 14 in the direction of the hull spindle 1. After such an accurate centering, the steep taper 15 of the tool 9 dives into the steep taper 5 of the hull spindle 1. The fixed bearing 16 allows a secure rotation coaxial with the centering collar 11, which is introduced via the driving rings 6 and 7. First, the air flowing out of the circumferential groove 8 cleans the steep taper 15 and, with a stronger pairing, secondly takes over a gentle centering function. Report the frequency mark 17 on the tool 9 and the frequency mark 18 on the body spindle 1 synchronous, so close the collets 19 of the mechanical-hydraulic tensioning device 20 by returning the piston 21, which is acted upon by the supply line 22 via the rotary leadthrough 23, which also hydraulic supply line 24 and the compressed air connection 25 to the circumferential groove 8 receives. The Drehitnahme firstly by full frictional engagement of the taper 15 and 5 and secondly by the Planverzahnungsringe 26 and 27. At the same time with the coupling of the rotating parts, the lever 28 engage behind the housing collar 29 of the housing 13 of the spindle head and press it against the plane surface 30th the housing 12 of the body spindle 1. Actuated and defined tightened the lever 28 via a linkage 31 which is actuated by means of pistons 32. Via the pressure line 33, the Aripreßdruck can be regulated according to demand. The drive of the body spindle 1 by means of flat belt 34, wherein the clamping cylinder 35 is also formed as a pulley. According to a machining spectrum, a plurality of spindle heads belong to a machining assortment, which are accommodated in a spindle head storage analogous to the tool storage. For the functions of the spindle heads to be present on demand, they must be completely sealed. The seals 36 and 37 protect the fixed bearing 16 from penetrating process lubricant. A vibration sensor 38 monitors the vibration state of the fuselage spindle 1. The specific advantages of this solution are the increase in tool life due to improved vibration resistance of the main spindle with stored tool, the improvement of the change accuracy, the possibility of presetting of tools and storage according to treatment regime, the gentle treatment of Storage by adapting to the tool and the special cutting task, improving the stability of the tool, increasing the life of the bearing and improving the workpiece accuracy. Since the spindle head outside of the main spindle .anforderungsgemäß can be accurately adjusted, for example, by complete balancing of the spindle head with tools, and precisely interchangeable under speed, can be dispensed before further work on control cut, workpiece measurement and cutting correction. The high rigidity of the tool in the plane of the cutting engagement due to the enormously small Kragarmes due to the storage of the tool shank in the spindle head and the special Änpassungsmöglichkeit the storage of the tool and the Bearbeitungsaüfgabe require high production accuracy.

Claims

1. Main spindle, in particular a high-speed milling spindle, for machine tools, comprising first a rotatably mounted in a housing and driven hull spindle with a taper for receiving a tool, a hydromechanical clamping device and an automatic Werkzeugspann- and -löseeinrichtung and secondly one on the housing of the hull spindle Tensionable spindle head with the rotatably mounted in a housing tool with steep taper, characterized in that the housing (13) of the spindle head on the housing (12) of the hull spindle (1) is pre-centered without play, in the steep taper (5) of the hull spindle (1) frictionally engaged Mitnahme rings (6; 7) and a circumferential groove (8) with compressed air connection (25) are arranged coaxially and in the housing (12) of the body spindle (1) the hydromechanical tensioning device (28,31,32,33), the housing (13) is assigned to the spindle head is provided.

2. Main spindle according to claim 1, characterized in that between the housings (12,13) of the spindle head and the body spindle (1) the precision ball bushing (14) is arranged.

3. Main spindle according to claim 1, characterized in that on the tool (9) and on the hull spindle (1) or on a rotating part with each a frequency mark (17,18) is mounted.

4. Main spindle according to claim ^, characterized in that on the trunk spindle (Your vibration sensor (38) is arranged