DE102004048472B4

DE102004048472B4 - Spindel in gewichtsreduzierter Bauweise, Bettschlitten und Verfahren zum Herstellen eines Schlittens einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102004048472B4
Application number: DE200410048472
Authority: DE
Inventors: Siegfried Kuhn
Original assignee: Individual
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: DE102004048472A1

Abstract

Drehend antreibbare Spindel (3) in gewichtsreduzierter Bauweise, hergestellt unter Verwendung von faservestärkten Kunststoffen zum Einsatz in einer Werkzeugmaschine mit
a)' einem rohrförmigen Grundkörper (6), an dem ein Spindelkopf (7), wenigstens ein Lager (8a, ...), ein Zahnrad (14) und ein rückseitiger Aufnahmeflansch (9) für einen Spannzylinder jeweils aus massivem Stahl-Werkstoff befestigt sind, wobei
b) der rohrförmige Grundkörper (6) aus quasi-endlosen Fasern gewickelt hergestellt ist unter sich änderndem Faserwinkel zur Längsrichtung (10) durch Aufwickeln auf eine rohrförmige Wickelhülse (34) aus dünnwandigem Metall oder Metallschaum,
c) dabei die gleichen Fasern auf einem zum Grundkörper (6) hin kleiner werdenden Außenumfang des Spindelkopfes (7) aus Stahlwerkstoff aufgewickelt sind, und
d) auf dem Außenumfang des Spindelkopfes (7) ringförmig umlaufende Wickel-Nuten (11) vorhanden sind, in denen die verstärkenden Fasern in Umfangsrichtung liegen und in den entsprechenden Schichten der Verstärkungsfasern die Wickelrichtung der Fasern an den Stellen der Wickel-Nuten (11) von der Schrägrichtung in...

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine drehend antreibbare Spindel, einen Bettschlitten und eine Verfahren zum Herstellen eines Schlittens einer Werkzeugmaschine nach den Ansprüchen 1, 18 und 28.
II. Technischer Hintergrund
Eine Werkzeugmaschine bestimmt mittels der Genauigkeit und Herstellungskosten der darauf gefertigten Teile nicht unerheblich das Preis/Qualitäts-Verhältnis von den letztendlich am Markt angebotenen Endprodukten und damit die Wettbewerbsfähigkeit dieser Endprodukte.
Die Werkstücke sollen daher hochgenau und in möglichst kurzer Zeit auf Werkzeugmaschinen bearbeitet werden können.
Derartige Werkzeugmaschinen weisen in aller Regel ein Maschinen-Bett auf, an dem Komponenten beweglich befestigt sind:

– Eine oder auch zwei (z. B. Gegenspindel) Werkzeugspindel ist/sind rotierend antreibbar und darüber hinaus meist auch in der Drehlage positionierbar sowie gegebenenfalls auch in Axialrichtung beweglich und positionierbar am Bett angeordnet; die Spindel kann je nach Bauform der Werkzeugmaschine zur Aufnahme von Werkstücken oder von Werkzeugen mittels Spannmittel dienen.
– Ein oder mehrere Schlitten sind translatorisch bewegbar und positionierbar am Bett oder einem anderen tragenden Schlitten angeordnet.

Die Masse der beweglichen Komponenten wie Spindel oder Schlitten wirkt sich dabei auf das Bearbeitungsergebnis unmittelbar, und meist negativ, aus:

– Je größer die für eine Bewegung zu beschleunigenden und abzubremsenden Massen der bewegbaren Komponenten sind, umso stärker müssen die eingesetzten Antriebe dimensioniert sein, um diese Bewegungen in einer vorgegebenen bzw. möglichst geringen Zeit zu ermöglichen,
– je größer die zu bewegenden Massen sind, umso nachteiliger wirkt sich die Massenträgheit vor allem beim Abbremsen als die Positioniergenauigkeit und/oder Positionierzeit verschlechternder Faktor aus,
– allein der Energiebedarf für die Vorschub-, Zustell- und anderen Bewegungen der beweglichen Komponenten der Maschine und damit die Herstellkosten pro Werkstück sind umso höher, je größer die zu bewegenden Massen der Werkzeugmaschine sind; und
– sofern dynamische Schwingungen im Einsatz der Maschine auftreten, sind diese umso schwieriger in den Griff zu bekommen, je größer die mitschwingenden Massen sind.

Es besteht daher die generelle Forderung, Werkzeugmaschinen und vor allem deren bewegliche Komponenten so leicht wie möglich zu bauen, ohne dabei deren Stabilität, insbesondere Steifigkeit, und Dämpfungsverhalten, negativ zu beeinflussen bzw. nicht mehr gezielt beeinflussen zu können.
In diesem Sinne wurde in der Vergangenheit bereits versucht, bewegliche einzelne Komponenten einer Werkzeugmaschine in gewichtsreduzierender und energiesparender Bauweise herzustellen, beispielsweise Teile der Hauptspindel oder die gesamte Hauptspindel aus kohlefaserverstärktem Kunststoff herzustellen, gemäß DE-A-40 09 461 .
Da der der Gewichtsreduzierung entgegenstehende Faktor vor allem die Herstellungskosten der Werkzeugmaschine sind, handelte es sich dabei jedoch in aller Regel lediglich um Prototyp-Werkzeugmaschinen oder Spezialmaschinen, bei denen das Gewicht aufgrund besonderer Umstände so stark auf das Bearbeitungsergebnis wirkte, dass die Herstellkosten für die Maschine zweitrangig waren. Denn die bisherigen Herstellungsvarianten solcher gewichtsreduzierter Komponenten, insbesondere von kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteilen, waren aufgrund der hohen Materialpreise als auch des komplizierten Herstellungsverfahrens einerseits sehr teuer, und häufig nicht exakt reproduzierbar, so dass mit hohen Ausschussquoten gerechnet werden musste.
So zeigt die EP-A-1 112 806 eine Werkzeugmaschine, bei der Verstrebungen der dort als Support dienenden Spindelstützen aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden, wobei jedoch aufgrund der völlig anderen konzeptionellen Bauweise der Maschine deren Grundgestalt von den Supporten herkömmlicher karthesischer Werkzeugmaschinen abweicht.
Des weiteren ist aus der DE-U-299 24 242 das Füllen von Hohlräumen der Werkzeugmaschine mit Metallschaum bekannt.
In diesem Zusammenhang ist es aus der EP 1112806 , die den nächstreichenden Stand der Technik bzgl. Anspruch 18 darstellt, bereits bekannt, faserverstärkte Kunststoffe zum Herstellen von Teilen einer Werkzeugmaschine zu benutzen, die keine rotationssymmetrischen Teile sind, denn in dieser Schrift wird bereits vorgeschlagen, die Hebel eines Gelenksystems unter Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen herzustellen.
Des Weiteren ist es aus der DE 2946530 , die den nächstreichenden Stand der Technik zum Anspruch 1 darstellt, bereits ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Teil, nämlich das Mittelstück einer Antriebswelle, unter Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen herzustellen, indem dabei ebenfalls quasi endlose Verstärkungsfasern verwendet werden und ein Wickelkörper auf einer Kernhülse hergestellt wird, in dessen Enden hülsenförmige Metall-Anschlussstücke eingesetzt werden, die dadurch fest mit dem Wickelkörper verbunden werden, dass die quasi endlosen Fasern auf den konisch ansteigenden Außenumfang des metallenen Teiles aufgewickelt werden, indem zur besseren Verankerung der Fasern auch Profilierungen angeordnet sind.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der vor allem die beweglichen Komponenten in ihrem Gewicht reduziert sind, sowie ein Verfahren für eine solche Herstellungsweise zu Verfügung zu stellen.
b) Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 18 und 28 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die gewichtsreduzierte Bauweise bei allen beweglichen Teilen einer Werkzeugmaschine oberhalb eines sinnvollen Mindestgewichts, in der Regel von 10 kg, und damit insbesondere der einen oder mehreren Spindeln und gegebenenfalls des Reitstockes sowie von den Schlitten wenigstens des Z-Supportes wird das Gewicht reduziert, und dennoch der bauliche Mehraufwand und damit die Kostenzunahme im Rahmen gehalten.
Als Leichtbauwerkstoffe werden daher faserverstärkte Werkstoffe, insbesondere Kunststoffe, insbesondere kohlenfaserverstärkte Kunststoffe einerseits und/oder Schäume, insbesondere Metallschäume, insbesondere Aluminiumschaum andererseits, spezifisch eingesetzt.
Wenn zusätzlich zur Massenreduzierung an den beweglichen Teilen als elektrische Antriebe Linearmotoren, auch als rotatorische Antriebe, eingesetzt, was wegen deren bisher begrenzter Leistungsfähigkeit vor allem bei geringeren zu bewegenden Massen überhaupt möglich ist, können die typischen Vorteile von Linearmotoren wie hohe Positioniergenauigkeit und hohe Verfahrgeschwindigkeit als zusätzlicher Energieeffekt genutzt werden.
Durch die Verwendung von Kohlefasern, insbesondere quasi-endlosen, also sehr langen, Kohlefasern eingebettet in eine Matrix aus z. B. Epoxid-Harz oder Polyester-Harz oder Acryl-Harz wird durch den relativ niedrigen Preis von Epoxid-Harz der Materialpreis niedrig gehalten, und es kann auf bereits erprobte Fertigungsmethoden bei Kohlefasern zurückgegriffen werden.
Durch Verwendung von hochmoduligen Kohlenstofffasern mit einem E-Modul von 350 bis 400.000 Newton/mm² weisen die hergestellten Bauteile dennoch eine sehr hohe Steifigkeit in Relation zum aufgewendeten Materialpreis auf.
Im Inneren der so in gezieltem Aufbau hergestellten Komponenten vorhandene makroskopische Hohlräume, die nicht zur Erzielung der notwendigen Stabilität der Komponente notwenig sind, können definiert verfüllt werden zur Erzielung vor allem der gewünschten Dämpfung gegen Schwingungen, und dabei das Füllmaterial definiert ausgewählt werden aus Kunststoff, insbesondere Expoxid-Harz, einerseits und/oder Metallschaum andererseits, insbesondere bei kastenförmigen Elementen wie Schlitten.
Um die Verbindungen bzw. Antriebsmöglichkeiten der gewichtsreduzierten Bauteile nicht zusätzlich ändern zu müssen, werden die Anschlussteile, bei der Spindel vorzugsweise der Spindelkopf, die Lagersitze bzw. Lager und der rückseitige Aufnahmeflansch, konventionell aus massivem Metall, insbesondere aus Stahlwerkstoffen, hergestellt und mit dem in gewichtsreduzierter Bauweise produzierten z. B. Spindel-Grundkörper verbunden.
Bei runden, insbesondere rohrförmigen Komponenten wie einem Spindel-Grundkörper erfolgt die Herstellung aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), insbesondere Epoxid-Harz, in Wickeltechnik der quasi-endlosen Kohlefasern, die in Umfangsrichtung oder schräg hierzu auf einem rohrförmigen Grundkörper gewickelt werden, insbesondere gewickelt auf eine Formgebende innere Hülse aus dünnwandigem Metall oder Metallschaum.
Der Faserwinkel zur Längsrichtung des Grundkörpers kann sich dabei ändern, und ist in den einzelnen Lagen der Bewicklung in der Regel gegenläufig zueinander, um einen möglichst großen Kreuzungswinkel von 45° bis 90° der einzelnen Lagen zu bewirken.
An Stellen, in denen hülsenförmige Anschlussteile aus Metall, insbesondere Stahl, wie etwa der Spindelkopf aufgenommen werden, wird die Befestigung vorzugsweise nicht nur mittels Verkleben sondern auch mittels Einwickeln des Anschlussteiles mit den Kohlefasern des CFK-Teiles bewirkt.
Zu diesem Zweck ist die Kontaktfläche zwischen metallischen Anschlussteil und CFK-Teil möglichst groß ausgeführt, insbesondere als konische Außenfläche des metallenen Anschlussteiles, auf welches der rohrförmige CFK-Körper hin ausläuft.
Indem zusätzlich in dieser konischen Außenumfangsfläche des Metallteiles ringförmig umlaufende Nuten eingearbeitet sind und in den entsprechenden Schichten die Wickelrichtung der CFK-Fasern an diesen Stellen von der Schrägrichtung in eine Radialebene übergeht, liegen ein oder mehrere Lagen von Kohlefasern in den Nuten, bis diese mit den Kohlefasern und dem umgebenden Harz gefüllt sind, und bedingen zusätzlich zum Reibschluss bzw. Kraftschluss einen Formschluss, und damit eine besonders stabile Verbindung.
Damit die Außenecken dieser Wickelnuten beim Bewickeln mit Kohlenstofffasern die Fasern nicht beschädigen, sind die Kanten der Wickelnuten entgratet und weisen insbesondere eine Rundungsradius von mindestens 0,3 mm, insbesondere 0,6 mm, auf.
Um die Negativwirkungen einer Feuchtigkeitsaufnahme des Epoxid-Harzes zu vermeiden, ist die gesamte Außenfläche des CFK-Körpers, insbesondere deren Innenumfang, feuchtigkeitsfest beschichtet, insbesondere lackiert oder mit Metall beschichtet, insbesondere mit Metall bedampft oder mittels Lichtbogenspritzen, mit Metall beschichtet.
Als Lagersitz für die Wälzlager der Spindel wird dabei direkt der Außenumfang des CFK-Körpers gewählt, auf dem der Innenring des bzw. der Wälzlager direkt ohne Zwischenhülse aufgebracht ist. Die axiale Lagervorspannung wird dabei für alle vorhandenen Wälzlager einer Lagerungsstelle gemeinsam über nur eine einzige Stellmutter aufgebracht, insbesondere für alle Lager einer Spindel gemeinsam, wobei die Stellmutter vorzugsweise am einen Ende des Spindelgrundkörpers angeordnet ist und gegenüber einer Gewindehülse aus Metall verschraubbar ist. Zur gleichmäßigeren Druckverteilung ist dabei zwischen der Stellmutter und dem angrenzenden Wälzlager eine Abstandshülse, insbesondere aus Leichtmetall, etwa Aluminium, vorgesehen.
Auf der Seite des Spindelkopfes ist zur korrekten Einstellung der Lagervorspannung mindestens ein Distanzring aus Stahl oder Aluminium vorhanden. Gegebenenfalls wird die Einstellung erleichtert durch einen zweiten analogen Distanzring, der zwischen dem ersten Distanzring und einer entsprechenden Schulter des Spindelkopfes, meist radial zum ersten Distanzring versetzt, angeordnet ist.
Die für den Drehantrieb der Spindel erforderliche Außenverzahnung auf der Spindel besteht aus einem Zahnrad, welches ebenfalls konventionell aus massivem Metall, in der Regel Stahlwerkstoff, hergestellt und mit dem Spindelgrundkörper verbunden ist.
Aus Gründen der Wechselbarkeit des Zahnrades, welches ein Verschleißteil ist, wird eine lösbare Verbindung, insbesondere Verschrauben, gegenüber einer Zahnrad-Hülse aus massivem Metall, insbesondere Stahl, gewählt, wobei die Zahnradhülse nicht lösbar mit dem gewichtsreduzierten Spindel-Grundkörper verbunden, insbesondere verklebt, ist.
Dabei ist auf einer Außenumfangsfläche des Spindelgrundkörpers die Zahnrad-Hülse oder eine andere Metallhülse mit ihrem Innenumfang aufgeklebt, und in einer der beiden Kontaktflächen sind ringförmig umlaufend eine oder mehrere flache Kleber-Vertiefungen vorhanden, die insbesondere in Umfangsrichtung, aber auch in axialer Richtung, eine gleichbleibende Tiefe besitzen.
Nach dem Positionieren der beiden Teile zueinander kann diese Klebervertiefung definiert mit Kleber verfüllt werden, indem zwei diametral einander gegenüberliegende Bohrungen einerseits zum Einspritzen des Klebers und andererseits als Entlüftungsöffnung und Kontrollöffnung für das vollständige Verfüllen mit Kleber benutzt werden, die nach dem Verfüllen z. B. mit Gewindestiften dicht verschlossen werden können.
Vor dem Verkleben werden die Kontaktflächen, insbesondere auch der Außenumfang des in CFK-Bauweise hergestellten Spindelgrundkörpers, mittels Feindrehen egalisiert.
Eine notwendige Abdichtung zwischen dem Spindelgrundkörper und einer radial, insbesondere außen, anliegenden Hülse aus z. B. massivem Metall wird realisiert als Flach-Labyrinth-Dichtung, indem gedrehte Ringnuten im Innenumfang des massiven Metallteiles als Bestandteil des Labyrinthes hergestellt und scharfkantig belassen werden, ohne entsprechende formgebende Bearbeitungen an der gegenüberliegenden Außenumfangsfläche des CFK-Teiles durchzuführen.
Ebenso wie das Zahnrad zum Antrieb der Spindel wird auch der Aufnahmeflansch nicht direkt am CFK-Grundkörper befestigt, sondern lösbar an einer Flanschhülse aus Metall befestigt, insbesondere verschraubt, welche selbst nicht lösbar mit dem gewichtsreduzierten Spindelgrundkörper verbunden, insbesondere verklebt, ist. Die Herstellung der Verklebung erfolgt ebenfalls analog.
Dabei ist die Flanschhülse jedoch insbesondere zweiteilig ausgebildet mit einer Innenhülse und einer radial außen darauf verschraubten Außenhülse, wobei die Innenhülse eine konisch abfallende Außenumfangsfläche aufweist, die in den Spindelgrundkörper wie zuvor im Beispiel des Spindelkopfes beschrieben nicht nur eingeklebt sondern eingewickelt werden kann. In einem angrenzenden Axialbereich ist auf dem Außenumfang dieser Innenhülse das Außengewinde zum Verschrauben der Außenhülse aufgebracht.
Dagegen werden die in dem Gewicht zu reduzierenden Bettschlitten, die ja keine rotationssymmetrischen Teile, sondern plattenförmig oder kastenförmig gestaltete Teile sind, vollständig anders, wenn auch teilweise aus gleichen Materialien, hergestellt:
Der Bettschlitten, der in Längsrichtung direkt auf dem Maschinen-Bett verschiebbar ist, weist dabei eine L-förmige Basisstruktur auf, bestehend aus einer Z-Platte zum Auflegen auf dem Bett und einer hierzu im Winkel stehenden X-Platte zum Anordnen der X-Führungen für den darauf geführten X-Schlitten, wobei im Innenwinkel zwischen X-Platte und Z-Platte wenigstens eine, besser mehrere, ebenfalls plattenförmige Verstärkungsrippen vorgesehen sind.
Die Platten sind in Sandwichbauweise mit einer Außenschicht bzw. vollständigen Umhüllung wenigstens in einer Ebene, aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff, insbesondere Epoxid-Harz, hergestellt.
Der Zwischenraum zwischen den Schichten ist je nach Stabilitätsanforderungen entweder mit dem gleichen Harz verfüllt oder mit einer Gitterstruktur gefüllt.
Die Gitterstruktur kann eine eher makroskopische definierte Struktur wie etwa eine Wabenstruktur, aus Kunststoff oder Leichtmetall sein, deren Hohlräume insbe sondere ebenfalls wiederum mit einem Füllmaterial, insbesondere dem gleichen Harz wie die CFK-Schichten, ganz oder teilweise verfüllt sind. Die Gitterstruktur kann jedoch auch eine undefinierte, insbesondere mikroskopische Gitterstruktur wie etwa ein Schaum, insbesondere aus Kunststoff oder Metall, sein.
Die Basisstruktur besteht dabei entweder aus einzeln hergestellten Platten, wobei jedoch die Verbindung der Platten mittels der vor allem in den Außenschichten der Platten verlaufenden, über die Plattenränder überstehenden Kohlefasern erfolgt, oder als einstückig hergestelltes Bauteil, insbesondere durch zunächst aus miteinander verbundenen Einzelplatten hergestellten Kern, der das Innere des Sandwichs darstellt, und danach hergestellte Gesamt-Umhüllung diese Kernes mit der bzw. dem die Faserverstärkungen enthaltenen äußeren Schichten.
Die Basisstruktur bzw. deren Platten können zusätzlich und/oder stattdessen zweiteilig ausgebildet sein, mit einer ersten Platte in konventioneller Herstellungsweise aus massivem Metall, in oder an der die entsprechenden Führungen oder Führungsaufnahmen vorgesehen sind, und die insbesondere aus Aluminium besteht, und einer damit verbundenen, insbesondere formschlüssig verbundenen, zweiten Schicht in CFK-Bauweise, in insbesondere der vorstehend beschriebenen Sandwich-Bauweise.
Insbesondere die X-Führungen werden an der Basisstruktur nicht direkt an deren X-Platte befestigt, sondern an einer zwischen den X-Führungen und der X-Platte zwischengeordneten Verbindungsstruktur. Die Verbindungsstruktur ist dabei vorzugsweise eine dreidimensional verformte, insbesondere einstückige Platte mit regelmäßigen Einbuchtungen von beiden Seiten ihrer Hauptebene her, wobei die Platte in CFK-Bauweise erstellt ist, insbesondere wiederum nach einem Sandwich-Verfahren mit Deckschichten aus CFK und gegebenenfalls Verfüllung der Hohlräume mit einem Füllstoff, insbesondere Harz oder Schaum, insbesondere Metallschaum.
Die Verbindungsstruktur ist an ihren Schmalseiten geschlossen durch umlaufende, durchgehende Flächen, die insbesondere einstückiger Bestandteil der Platte sind. Die beiden parallel zu ihrer Hauptebene verlaufenden Außenflächen, in welchen die Einbuchtungen ausgebildet sind, werden verschlossen durch feste, dichte Auflage und Verbindung mit der durchgehenden, geschlossenen X-Platte der Basisstruktur einerseits und der ebenfalls durchgehend geschlossenen Führungsplatte 32, an der die X-Führungen befestigt bzw. in diese formschlüssig eingearbeitet sind andererseits.
Diese Führungsplatte kann aus relativ dünn dimensioniertem Metall konventioneller Bauweise, insbesondere massivem Aluminium, bestehen oder ebenfalls in CFK-Bauweise hergestellt sein.
Als Führungen an der Z-Platte gegenüber dem Maschinenbett werden vorzugsweise einzelne Führungsschuhe verwendet, wobei vorzugsweise nicht je zwei Führungsschuhe für jede der beiden Z-Führungsbahnen verwendet werden, sondern auf der von dem X-Schlitten oder dem auf dem Z-Schlitten befestigten anderen Funktionseinheit entfernten Führungsbahn nur ein Führungsschuh vorhanden sein muss, der in Z-Richtung betrachtet vorzugsweise zwischen den beiden Führungsschuhen der anderen Führungsbahn positioniert ist und mit diesen ein Dreieck bildet.
Analog sind anstelle von mehreren in Z-Richtung beabstandeten Verstärkungsrippen in der Aufsicht auf die Ebene der Z-Führung V-förmig oder Y-förmig ineinander übergehende Verstärkungsrippen vorgesehen, deren Verbindungspunkt bzw. gemeinsamer Ast sich in Richtung oder bis über den einzelnen Führungsschuh hinweg erstreckt.
Die Führungen bzw. Führungsschuhe sind dabei vorzugsweise nicht direkt an der Unterseite der Z-Platte befestigt, sondern als Metallteil in die Streben eines ebenfalls insbesondere dreieckigen Rahmens in CFK-Bauweise integriert, bei denen es sich vorzugsweise um Hohlstreben handelt, wobei der Rahmen insgesamt an der Unterseite der Z-Platte befestigt ist.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine Werkzeugmaschine in Gesamtdarstellung,
2: die teilweise fertig gestellte Spindel 3,
3: die fertig gestellte Spindel 3 im Längsschnitt,
4: den Bettschlitten in unterschiedlichen Ansichten,
5: eine Einzelteil-Darstellung des Bettschlittens, und
6: ein Einzelteil des Bettschlittens.
1 zeigt eine Werkzeugmaschine mit üblichem Aufbau, in diesem Fall eine Dreh-Fräsmaschine.
Dabei wird während der Bearbeitung das Werkstück vorzugsweise an einem seiner stirnseitigen Enden zwischen den Backen eines Futters gehalten, welches auf dem frei auskragenden Ende einer Spindel 3 sitzt, die drehend antreibbar in einem Spindel-Grundkörper 6 gelagert ist.
Das andere Ende des Werkstückes kann analog im Futter einer dagegen gerichteten Gegenspindel 4 gehalten sein, die in einem analogen, meist in Längsrichtung 10 verschiebbaren, Spindelstock 3' gelagert und angetrieben ist.
Es ist offensichtlich, dass von der Qualität der Lagerung und des Rundlaufes von Spindel 5 und Gegenspindel 6 in dem jeweiligen Spindelstock 3' die Qualität des Bearbeitungsergebnisses abhängt, und zusätzlich von dem dynamischen Verhalten und dem Gewicht dieser Spindeln einerseits das dynamische Verhalten der gesamten Werkzeugmaschine, insbesondere im Fall von vorhandenen Unwuchtigkeiten, als auch der Energiebedarf für das Antreiben, insbesondere Beschleunigen und Abbremsen, dieser Spindeln und ebenso der hierfür benötigte Zeitbedarf.
Spindelstock 3' sowie Reitstock 5, in dem die Gegenspindel 4 gelagert ist, sitzen wie allgemein bekannt auf dem Bett 1 der Werkzeugmaschine, auf welchem von der Drehmitte beabstandet auch ein oder mehrere Bettschlitten 26 verfahrbar gelagert sind, auf denen direkt oder über einen dazwischen angeordneten Querschlitten Werkzeugeinheiten, beispielsweise Fräser oder Drehwerkzeug-Revolver, zum Bearbeiten des Werkstückes angeordnet sind, für die analog das Gleiche gilt.
Die 2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße, gewichtsreduzierte Spindel 3 in unterschiedlichen Fertigungsstufen, nämlich in 2a ohne und in 3 mit den lösbar an der eigentlichen Spindel 3 befestigten Anbauteilen.
2a zeigt die fertig gestellte eigentliche Spindel, also einschließlich aller nicht mehr lösbar miteinander verbundenen Einzelteile.
Diese insgesamt rohrförmige, also hohle und rotationssymmetrische, an den Stirnseiten offene Spindel 3 besteht aus einem Spindel-Grundkörper 6 als Hauptteil, der gewichtsgünstig aus Kohlefaserverstärktem Kunststoff besteht, und mit dem am einen Ende ein flanschförmiger Spindelkopf 7 und am anderen Ende eine Zahnradhülse 15 sowie eine Flanschhülse 22, die aus Stabilitätsgründen jeweils aus einem Stahlwerkstoff bestehen und konventionell gefertigte, gedrehte Einzelteile sind, fest und unlösbar verbunden sind.
Der Grundkörper 6 besteht aus lagenweise in Umfangsrichtung gewickelten, quasi endlosen, Fasern 12, wobei es sich auch um eine einzige, durchgehende Faser 12 handeln kann, deren Wicklungsrichtung in der Seitenansicht betrachtet zur Erhöhung der Stabilität vorzugsweise sich von Lage zu Lage und/oder auch im axialen Verlauf etwas ändert.
Der so gewickelte Faserrohling wird anschließend mit dem stabilisierenden Kunststoff, insbesondere Epoxidharz, getränkt bzw. benetzt, so dass nach Aushärten bekanntermaßen ein sehr leichtes, stabiles Bauteil entsteht.
Das Wickeln der Fasern 12 erfolgt dabei auf eine Wickelhülse 34, die nach dem Fertigstellen des Grundkörpers 6 aus diesem herausgenommen und entfernt wird, oder als Bestandteil des Grundkörpers verbleibt, wie insbesondere in den 2 und 3 in der unteren Bildhälfte alternativ dargestellt.
Zumindest die freie Oberfläche des faserverstärkten Kunststoffteils ist durch eine Beschichtung 35 gegen Wasseraufnahme geschützt.
Um die stark belastete Verbindung zwischen dem gewickelten Grundkörper 6 und dem metallenen Spindelkopf 7 möglichst stabil auszubilden, weist der Spindelkopf 7, der mit seinem Flanschteil radial über den in Längsrichtung 10 abgestuften Außenumfang 6a des späteren Grundkörpers 6 deutlich hinausragt und dort über seinen Umfang verteilt Befestigungsbohrungen 7a und Passbohrungen 7b zur Befestigung des nicht dargestellten Spannfutters aufweist, an seiner dem Grundkörper 6 zugewandten Rückseite einen konisch sich verjüngenden, frei auslaufenden Außendurchmesser 36 im radialen Dickenbereich des späteren Grundkörpers 6 auf, dessen Schrägstellung zur Längsrichtung 10 zwischen 5° und 20° beträgt.
Der Innendurchmesser des Spindelkopfes 7 entspricht dabei etwa dem Innendurchmesser 6b des Grundkörpers 6, so dass für das Wickeln des Grundkörpers 6 der Spindelkopf 7 auf eine nicht dargestellte, später wieder entfernbare Wickelhülse aufgeschoben werden kann, oder – sofern eine im Grundkörper 6 verbleibende Wickelhülse 34 verwendet wird – diese Wickelhülse 34 zusammen mit dem Spindelkopf 7 auf einen nicht dargestellten Wickelkern aufgebracht werden und gegeneinander axial fixiert werden kann für das Wickeln des Grundkörpers 6.
Ebenso kann der Spindelkopf 7 auf dem Außenumfang der über Spindelkopf 7 und Grundkörper 6 durchgehenden, im Grundkörper 6 später verbleibenden, Wickelhülse sitzen.
Die vom Durchmesser her relativ zur Dicke des Grundkörpers 6 sehr dünnen Fasern 12, die insbesondere einen Durchmesser von maximal 1/50, besser nur 1/100, der Wandungsdicke des Grundkörpers 6 betragen, werden dabei lagenweise gewickelt unter Herstellung des abgestuften Außendurchmessers 6a, der vom vorderen, dem Spindelkopf 7 zugewandten, Ende 3a aus nach hinten stufenweise und unter Einbeziehung von konisch sich nach hinten verjüngenden Abschnitten, abgestuft ausgebildet wird.
Die einzelnen Lagen werden dabei – wie am besten in der Vergrößerung der 2c ersichtlich – am einen Ende des Grundkörpers 6 auf den konischen Außenumfang 6 des Spindelkopfes 7 aufgewickelt. In dieser konischen Fläche 36 befinden sich ringförmig umlaufend und axial beabstandet Wickelnuten 11, die einen vorzugsweise V-förmigen Querschnitt aufweisen, und deren Tiefe deutlich größer ist als der Durchmesser einer Faser 12, so dass im Querschnitt einer Nut die Querschnitte mehrerer Fasern 12 untergebracht und damit eingewickelt werden können, insbesondere die Querschnitte von mindestens drei, besser mindestens fünf, Fasern 12. Durch diesen zusätzlichen Formschluss zwischen den Fasern 12 des Grundkörpers 6 und dem metallenen Spindelkopf 7 wird die Stabilität dieser Verbindung verbessert und nachteilige Wirkungen des unterschiedlichen Dehnungsverhaltens von Metall und faserverstärktem Kunststoff aufgefangen.
Dabei hat es sich herausgestellt, dass die optimale Form der Wickelnuten 11 darin besteht, die eine Flanke der V-Form, die dem Spindelkopf 7 zugewandt ist, etwa lotrecht zur Längsrichtung auszubilden, die andere Flanke dagegen unter einem Winkel von 25 bis 40, insbesondere von etwa 30°, zur Längsrichtung 10, und die Kanten am Übergang zwischen den Wickelnuten 11 und der angrenzenden konischen Außenfläche 36 zu entgraten, um eine Beschädigung der Fasern 12 dadurch zu vermeiden.
Damit die gewickelten Fasern 12 nicht nur über einen Teil, sondern möglichst über den gesamten Umfang einer Wicklung bzw. mehrere Wicklungen vollständig in einer der Wickelnuten 11 liegen, wird die von der exakten Umfangsrichtung im mittleren Bereich des Grundkörpers 6 abweichende Wicklungsrichtung der Fasern 12 nahe dem Spindelkopf 7 hin immer mehr, zumindest in einem Teil der Lagen, der exakten Umfangsrichtung angenähert, die vor allem im Bereich der Wickelnuten 11 für die entsprechende Lage dann exakt erreicht wird.
Vor allem um nicht in allen Lagen am Axialende der Bewicklung eine Wicklungsrichtung exakt in Umfangsrichtung erzielen zu müssen, gehen die einzelnen Wickelnuten 11 vorzugsweise nicht direkt ineinander über und schließen nicht unmittelbar aneinander an, sondern es wird ein konischer Abschnitt des Außenumfanges 36 zwischen den einzelnen Wickelnuten 11 belassen, der wenigstens dem einfachen, insbesondere wenigstens dem doppelten der axialen Erstreckung einer Wickelnut entspricht.
Auf diese Art und Weise kann ein Spindelrohling bestehend aus Spindelkopf 7 und Spindel-Grundkörper 6 hergestellt werden, wie er in 2e perspektivisch dargestellt ist, bei dem z. B. bei einer Gesamtlänge von etwa 820 mm, einem Flanschaußendurchmesser des Spindelkopfes 7 von über 300 mm und einer Wandstärke des Grundkörpers 6 von etwa 10 mm der immer noch 31 kg schwere Spindelkopf einem nur zirka 8 kg schweren Spindel-Grundkörper 6 gegenübersteht, was in der Summe gegenüber einem konventionell gefertigten Spindel-Rohling jedoch bereits einer Gewichtsersparnis von mehr als 40% entspricht.
Um die axiale und radiale Strecke der Verbindung zwischen Spindelkopf 7 und Grundkörper 6 zu vergrößern, kann der in axialer Verlaufsrichtung von vorn nach hinten erste Abschnitt 6a0 des Grundkörper-Außenumfanges 6a analog, jedoch weniger stark geneigt als der Außenumfang 36 des Spindelkopfes 7 konisch ausgebildet sein.
2a zeigt ferner die anschließend auf das hintere, vom Spindelkopf 7 abgewandte, Ende 3b des Grundkörpers auf dessen beiden letzten Stufen des Außendurchmessers 6a aufzubringenden Hülsen 15 und 22, die aus Gründen der darauf einwirkenden Belastungen im Betrieb der Spindel, insbesondere der auftretenden Flächenpressungen, aus Metall bestehen sollten:
Auf dem vorletzten Außendurchmesser 6a4, einen zylindrischen Abschnitt, wird – nach konventionellem Egalisieren, insbesondere Überdrehen dieses Außenumfangs-Abschnittes 6a4 – die Zahnrad-Hülse 15 montiert, die auf ihrem Außenumfang ein Vielzahn-Profil 15' zum axialen, drehfesten späteren Aufschieben des Zahnrades 14 aufweist, mittels dessen Außenverzahnung später der Drehantrieb der gesamten Spindel 3 erfolgt.
Die Zahnrad-Hülse 15 ist dabei vorzugsweise so dick, dass ihr Vielzahnprofil am Außenumfang über den Außenumfang des in Längsrichtung 10 nach vorne anschließenden nächsten Außenumfangs-Abschnittes 6a3 des Grundkörpers 6 radial etwas vorsteht.
Die Zahnrad-Hülse 15 wird auf dem Außenumfangs-Abschnitt 6a4, gegen dessen Endschulter sie axial vorgeschoben wird, verklebt.
Um eine sichere und lückenlose Verklebung zu gewährleisten, weist die Hülse 15 an ihrem Innenumfang eine ringförmig umlaufende Nut, die so genannte Kleber-Vertiefung 16, auf, die sich über annähernd die gesamte axiale Länge der Zahnrad-Hülse 15 erstreckt bis auf die axialen Endbereiche zum Aufliegen auf dem Außenumfang 6a4 des Grundkörpers 6.
Ferner sind auf in Umfangsrichtung einander gegenüberliegenden und vorzugsweise auch in axialer Richtung einander entgegengesetzt angeordneten, also diametral gegenüberliegenden, Stellen Gewindebohrungen radial durch die Hülse 15 hindurch im Bereich der Klebervertiefung 16 eingebracht.
Nach dem Aufschieben der Zahnradhülse 15 in ihre Endposition wird durch die eine, die Einspritz-Öffnung 17a, der Kleber 18 eingepresst, und verteilt sich flächendeckend in der Klebervertiefung 16 sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung, bis er an der gegenüberliegenden Entlüftungsöffnung 17b wieder auszutreten beginnt.
Durch entsprechend radial flache Ausbildung der Klebervertiefung 16 in Relation zur Viskosität des Klebers 18 kann sichergestellt werden, dass nach Beginn des Austretens von Kleber 18 aus der Entlüftungsöffnung 17b die Klebervertiefung 16 vollständig mit Kleber 18 angefüllt ist.
Nunmehr können nacheinander Entlüftungs-Öffnung 17b und Einspritz-Öffnung 17a verschlossen werden, beispielsweise durch Einschrauben von Gewindestiften 19, die nicht über den Außenumfang der Hülse 15 nach außen vorstehen, was selbstverständlich vor dem Abbinden des Klebers 18 erfolgen muss. Auch das Entfernen von dabei austretenden Kleberresten ist selbstverständlich.
Nach Aushärten der Verklebung und damit fester Fixierung der Zahnrad-Hülse 15 wird auf gleiche Art und Weise nach hinten anschließend die Flansch-Hülse 22 auf dem letzten Außenumfangs-Abschnitt 6a5 montiert, deren Außenumfang wiederum kleiner ist als der Außenumfang der Zahnrad-Hülse 15. Auf dem Außenumfang der Flanschhülse 22 befindet sich – wenigstens über einen ausreichenden axialen Bereich – ein Außengewinde 22', auf dem später Anbauteile aufgeschraubt werden können.
Ebenso wie bei der Montage der Zahnrad-Hülse 15 kann auch in diesem Fall der entsprechende Außenumfangs-Abschnitt 6a5 des Grundkörpers 6, bei dem es sich in der Regel wiederum um einen zylindrischen Abschnitt handelt, vor dem Aufbringen der Hülse mechanisch egalisiert, insbesondere überdreht, werden.
Die radiale Materialabnahme beim Überdrehen ist dabei vorzugsweise so gering, dass lediglich die die Fasern 12 aufnehmende äußerste Harzschicht bearbeitet wird, jedoch nicht die Verstärkungs-Fasern 12 des Grundkörpers 6 beschädigt werden.
Auf dem so fertig gestellten Spindel-Rohling gemäß 2a können nunmehr die Anbauteile zum Endzustand gemäß 3a lösbar montiert werden, unter gleichzeitigem Einbau der Spindel 3 in den Spindelstock 3' gemäß 1:
Die Anbauteile bestehen dabei in der Regel allesamt aus Metall, jedoch teilweise aus Gewichtsgründen aus Leichtmetall oder einem Metall-Schaum.
Zunächst werden – jeweils vom hinteren Ende 3b der Spindel 3 her – zunächst ein Distanz-Ring 24a und gegebenenfalls zuvor ein weiterer Distanz-Ring 24b gegen die Rückseite des Spindelkopfes 7 geschoben, die den axialen Abstand zwischen den anschließend aufzuschiebenden vorderen Wälzlagern, nämlich dem Radiallager 8a und dem Schrägkugel-Lager 8b, die jeweils doppelt ausgeführt sind, gegenüber dem Spindelkopf 7 zu definieren.
Zu diesem Zweck liegt ein Distanz-Ring 24a zwischen dem hinteren Flanschende des Spindelkopfes 7 und dem Innenring des nächsten anschließenden Wälzlagers 8a, während der axial weiter nach vorn ragende weitere Labyrinth-Ring 24b zwischen einer weiter vorn liegenden Schulter des Spindelkopfes 7 und der nach vorn gerichteten Flanke des anderen Distanz-Ringes 24a geklemmt ist, um als Innen-Labyrinth-Ring eine Fixierung gegenüber der Spindel zu erreichen, die dann zusammen mit einem Außen-Labyrinth im Innenumfang des Spindelflansches des Spindelstockes eine Labyrinth-Dichtung 20 zu bilden.
Zu diesem Zweck ist der Distanz-Ring 24a und/oder der Distanz-Ring 24b auf eine exakte axiale Länge hergestellt, insbesondere plan feingedreht.
Das in axialer Richtung erste Wälzlager 8a, das Radiallager, ausgebildet als doppeltes Zylinder-Rollenlager, besitzt dabei einen konischen Innenumfang und eine solche axiale Erstreckung, dass es auf dem ersten, ebenfalls analog konischen Außenumfangs-Abschnitt 6a0 sitzt, so dass beim späteren Verpressen in axialer Richtung die axialen Erstreckungen der Distanz-Ringe 24a bzw. 24b wegen der konischen Sitzfläche auch die radiale Vorspannung dieses Lagers 8a auf den Grundkörper 6 bestimmt.
Das anschließende doppelt vorhandene Schrägkugellager 8b in O-Ausführung liegt mit seinem zylindrischen Innenring axial am Innenring des ersten Lagers 8a an. Beide Lager 8a, b werden – wie die anschließende rohrförmige Abstandshülse 25a, die sich über den axialen Mittelteil des Grundkörpers 6 hinweg erstreckt – auf den nicht mehr nachbehandelten Außenumfang 6a des Grundkörpers 6 aufgeschoben. Es bestimmt die Lage der Spindel in axialer Richtung und nimmt die Axialkräfte auf.
Das gleiche gilt für den anschließend vom hinteren Ende 3b her aufzuschiebenden weiteren Distanz-Ring 24c, der ebenfalls auf eine exakte axiale Länge vorgefertigt ist, und das anschließende hintere Lager 8c, in der Regel ein doppeltes Radiallager, welches einen konischen Innenumfang besitzt und auf dem analog konischen Außenumfangsabschnitt 6a2 des Grundkörpers 6 sitzt, im Gegensatz zu dem zweiten vorderen Lager 8b und der Abstandshülse 25a, die gemeinsam auf dem zylindrischen Außenumfangsabschnitt 6a1 des Grundkörpers 6 positioniert sind. Die radiale Vorspannung dieses Lagers 8b wird also u. a. durch die axiale Länge der Abstandshülse 25a und vor allem des auf Länge passgenau geschliffenen Distanzringes 24a bestimmt.
Nach dem Auffädeln dieser Teile – oder gar noch vor dem Aufbringen des hinteren Lagers 8b – wird die Spindel 3 mit ihrem hinteren Ende 3b voraus vom vorderen Ende des Spindelstocks 3' her in dessen Innenumfang eingeschoben, bis die Rückseite des Spindelkopfes 7 an der Frontfläche des Spindelstockes 3' anliegt und das Lager 8b mit der Außenschulter im Spindelstock.
Nunmehr kann von der Rückseite des Spindelstockes 3' her das Einbringen weiterer Anbauteile und Aufschieben auf den axial hinteren Teil des Außenumfanges 6a des Grundkörpers 6 der Spindel 3 erfolgen:
Zunächst wird – nach dem Lager 8c – eine weitere Abstandshülse 23 aufgeschoben, sowie anschließend das Zahnrad 14.
Die axiale Gesamtlänge der bisherigen aufgeschobenen Bauteile ist dabei so bemessen, dass sich die Lager 8a, b, c an den definierten Lagerpositionen im Spindelstock 3' befinden, und das Zahnrad 14 mit seiner Außenverzahnung ebenfalls an der vorgesehenen Axialposition, und gleichzeitig mit seinem Vielzahn-Profil auf dem Vielzahn-Profil 15' der Zahnrad-Hülse 15 drehfest, aber axial verschiebbar, sitzt. Dies wird vor allem durch die axiale Länge der zuvor aufgeschobenen Abstands-Hülse 23 festgelegt, die – wie insbesondere auch die Abstands-Hülse 25a – lose in axialer Richtung auf dem Grundkörper 6 verschiebbar ist.
Dabei ist die Abstandshülse 23 in der Regel aus einer Leichtmetalllegierung gefertigt, um eine über den Umfang und die radiale Dicke gleichmäßige Krafteinleitung in den an ihr anliegenden Innenring des Lagers 8c sicherzustellen.
Anschließend wird vom hinteren Ende 3b her eine Stellmutter 13 auf das Außengewinde 22' der Flansch-Hülse 22 aufgeschraubt und damit alle bisher hintereinander auf den Grundkörper 6 aufgeschobenen Anbauteile axial gegeneinander und damit letztendlich gegen die Rückseite des Spindelkopfes 7 verpresst.
Mittels der Einstellung der Stellmutter 13 wird also die axiale Vorspannung unter anderem sämtlicher Lager 8a, b, c festgelegt, deren axiale Vorspannungen bei dieser Form des Aufbaus der Anbauteile somit nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dabei wird die axiale Fixierung des Lagersystems unterstützt durch die radiale Pressung der Zylinder-Rollenlager 8a und 8c.
Dieser Nachteil ist jedoch hinnehmbar und kann durch exakte axiale Bemessung der Distanz-Ringe 24a bis c soweit kompensiert werden, dass die Vorteile der einfacheren Montage durch nur eine einzige, vor allem am zugänglichen, hinteren Endbereich der Spindel 3 zu montierende, Stellmutter 13 aufgehoben wird.
Nachdem somit vor allem die Lager der Spindel 3 fertig montiert und justiert und die Spindel 3 im Spindelstock 3' fixiert ist, wird zuletzt noch der hintere Aufnahmeflansch 9, der der Befestigung des nicht dargestellten Spannzylinders zum Betätigen des in den 2 ff ebenfalls nicht dargestellten Spannfutters dient, an der Spindel 3 befestigt:
Zu diesem Zweck wird ebenfalls auf das Außengewinde 22' der Flansch-Hülse 22 eine Haltemutter 38 aufgeschraubt, die jedoch die Stellmutter 13 nicht ganz er reicht, sondern einen axialen Abstand zu dieser einhält. In der Haltemutter 38 sind über den Umfang verteilt mehrere axiale Gewindebohrungen 39 eingearbeitet, die zur Rückseite hin offen sind.
Der ringförmige Aufnahme-Flansch 9 wird nunmehr auf das rückseitige Ende des Grundkörpers 6 aufgesetzt und liegt mit seinem Flansch an dessen rückseitiger Stirnfläche an, wobei er radial auf dem hinteren Ende des nicht mehr mit einem Außengewinde versehenen Außenumfanges der Flansch-Hülse 22 zentriert ist. Der Aufnahme-Flansch 9 verfügt an analogen Stellen ebenfalls über Gewindebohrungen 39', durch welche hindurch von der Rückseite des Aufnahmeflansches 9 her mittels Zugankern der Aufnahme-Flansch 9 gegen die Haltemutter 38 verschraubt und damit die Haltemutter 38 auf dem Außengewinde 22' in axialer Richtung verpresst werden kann, bis der Halte-Flansch 9 mit der gewünschten axialen Vorspannung am Grundkörper 6 anliegt.
Zu diesem Zweck kann die Flansch-Hülse 22 in axialer Richtung auch über das hintere Ende des Grundkörpers 6 geringfügig vorstehen, damit der Aufnahme-Flansch 9 nicht an der Stirnfläche des Grundkörpers 6, sondern anstatt dessen an der hinteren Stirnfläche des Aufnahme-Flansches 22 anliegt.
Ferner soll klargestellt werden, dass die gewichtssparende Konstruktion vor allem hinsichtlich des Grundkörpers 6 unabhängig davon ist, ob – wie vorstehend erläutert – alle Lager 8a bis c der Spindel 3 mittels nur einer einzigen Stellmutter 13 vorgespannt werden, oder mittels mehrerer, separater Stellmuttern, von denen sich eine dann im Bereich zwischen vorderen und hinteren Lagern befinden muss und dementsprechend dort eine aus Metall bestehende, am Außenumfang ein Gewinde tragende, Hülse auf dem entsprechenden Abschnitt des Außenumfanges des faserverstärkten Grundkörpers 6 aufgebracht werden müsste.
Damit ist die Montage der Spindel 3 im Spindelstock 3' – bis auf die Anordnung von Futter und Spann-Zylinder für das Futter, abgeschlossen.
Die 4 bis 6 zeigen den Aufbau eines Bettschlittens 26 in gewichtssparender Bauweise:
Dabei zeigen die 4a bis e den fertigen Bettschlitten in unterschiedlichen Ansichten, nämlich
4a: perspektivisch,
4b in Y-Richtung von hinten,
4c in Z-Richtung von der Seite,
4d in Z-Richtung von unten, und
4e in Y-Richtung von vorne.
Die 5a bis c stellen Schnittdarstellungen entsprechend der Linien A-A bzw. B-B bzw. C-C der 4c bzw. 4d dar.
Dabei besteht der Bettschlitten 26 aus mehreren plattenförmigen Elementen, die teilweise aus Metall, insbesondere Aluminium oder einem anderen Leichtmetall, konventionell hergestellt sein können oder als kohlefaserverstärkte(CFK-)Platten, die insbesondere in Sandwichbauweise hergestellt sind mit einer Außenschicht bzw. Umhüllung aus CFK und einem inneren Füllmaterial aus Harz und/oder einer Gitterstruktur, insbesondere einer Wabenstruktur oder einem Schaum, der aus Metall, insbesondere Aluminium, bestehen kann oder aus Kunststoff.
Dabei besteht der Bettschlitten 26 – wie am besten die 4a und 4c zeigen – aus einer L-förmigen Basisstruktur 30, indem zwei Platten, betrachtet in der Seitenansicht in Z-Richtung, L-förmig zueinander liegen und fest miteinander verbunden, insbesondere einstückig miteinander ausgebildet und in ihrem Innenwinkel über Verstärkungsrippen 29, insbesondere ebenfalls in Plattenform und insbesondere zusammen mit diesen einstückig ausgebildet, angeordnet sind.
Die so genannte X-Platte 28 verläuft dabei in X-Z-Richtung und ist so benannt wegen der in Richtung verlaufenden Führungen 33, die beabstandet auf ihr befestigt sind, während die in Y-Z-Richtung verlaufende Z-Platte 27 so benannt ist we gen der von ihr auf der Unterseite getragenen Führungsschuhe 31 zum Verfahren in Z-Richtung auf den auf dem Bett 1 vorhandenen Z-Führungen.
Dabei ist die Z-Platte 27 in der Aufsicht, also in X-Richtung betrachtet, dreieckig ausgebildet, wie am besten anhand der 4a und 4d ersichtlich, da sie auch lediglich drei Führungsschuhe 31a, b, c trägt, nämlich zwei Führungsschuhe 31a, b nahe an der X-Platte 28, die den einen Schenkel des Dreiecks bildet, und den dritten Führungsschuh 31c davon beabstandet am frei endenden dritten Eck der dreieckigen Platte 27.
Zum einen wird durch die nur drei Auflagestellen der X-Platte 27 auf den beiden Führungen des Bettes 1 eine definierte, nicht überbestimmte Auflage des Bettschlittens 26 auf dem Bett 1 erreicht.
Zum anderen ergibt die in der Aufsicht nur dreieckige gegenüber der bisherigen viereckigen Gestaltung des Bettschlittens 26 bereits eine Volumen- und damit auch Gewichtsersparnis des gesamten Bettschlittens 26.
Entsprechend der dreieckigen Grundform der X-Platte 27 sind – in der Aufsicht betrachtet – die plattenförmigen Verstärkungsrippen 29 ebenfalls schräg zur Y-Richtung verlaufend und von den Außenrändern der Z-Platte 27 zurückversetzt angeordnet, und treffen sich nahe dem freien äußeren Eck der Z-Platte 27.
Die der X-Platte 28 zugewandten Endkanten dieser Verstärkungsrippen 29 können sich von dort aus entweder in der Aufsicht, der X-Richtung, betrachtet oder auch in der Z-Richtung betrachtet oder beides, wiederum Y-förmig oder V-förmig verzweigen und an unterschiedlichen Auftreffstellen auf die X-Platte 28 treffen, was eine besonders stabile Verstrebung zwischen X-Platte 28 und Z-Platte 27 ergibt.
An der X-Platte 28 sind die Führungen 33, von denen in Z-Richtung beabstandet in der Regel zwei vorhanden sind, nicht direkt auf der Außenseite, also der von der Z-Platte 27 abgewandten Seite, befestigt, sondern auf einer Führungsplatte 32, die vorzugsweise wiederum in CFK-Bauweise hergestellt ist und in der die Führungen 33 eingegossen sein können. Die Führungsplatte 32 ist gegenüber der X-Platte 28 beabstandet mittels einer dazwischen angeordneten Verbindungsstruktur 40.
Die Verbindungsstruktur 40 – als Einzelteil dargestellt in den 6 – dient einerseits der möglichst stabilen Anbindung der Führungsplatte 32 und damit der X-Führungen 33 an die Basis-Struktur 30 und andererseits der Dämpfung jeder Art und Richtung von Schwingungen, um vor allem das Einbringen von Schwingungen vom Bett 1 der Maschine aus in die Werkzeugeinheit zu vermeiden.
Zu diesem Zweck besteht die Verbindungsstruktur 40 aus einem vielfach gebogenen, einstückigen oder aus mehreren Platten zusammengesetzten Plattenteil, welches durch die vielfache Kröpfung von beiden Seiten der Hauptebene gesehen regelmäßige Einbuchtungen 41 aufweist wie ein Eierkarton, und zusätzlich einen umlaufend geschlossenen Rand 40' aus dem gleichen Plattenmaterial.
Die einzelnen Einbuchtungen 41 sind pyramidenförmig oder tetraederförmig, so dass die gesamte Struktur auch aus einer einzigen Platte, insbesondere als Formteil gepresst, hergestellt werden kann zusammen mit dem umlaufenden Rand 40'.
Der Rand 40' steht dabei zur Hauptebene der Struktur 40 nicht lotrecht, sondern jeweils schräg, so dass sich quer zur Hauptebene betrachtet die Grundfläche der Struktur von der einen Hauptfläche zur anderen hin konisch erweitert.
Dabei dient die kleinere der beiden – durch die Einbuchtungen 41 etwa gitterförmigen – Grundflächen der Befestigung an der X-Platte 28, während die größere der beiden Flächen der Befestigung der X-Führungen 33, insbesondere mittels der Führungsplatte 32, dient, die auf diese Art und Weise weiter voneinander beabstandet werden können und eine größere Führungslänge besitzen können.
Auch die eine oder mehreren Platten dieser Verbindungsstruktur 40 sind wie vorbeschrieben vorzugsweise als CFK-Bauteil in Sandwichbauweise hergestellt.

1: Bett
2a, b: Schlitten
3: Spindel
3': Spindelstock
3a: vorderes Ende
3b: hinteres Ende
4: Gegenspindel
5: Reitstock
6: Spindel-Grundkörper
6a: Außenumfang
7: Spindelkopf
8: Lager
8': Lagersitz-Hülse
9: Aufnahme-Flansch
10: Längsrichtung
11: Wickel-Nut
11a: Kante
12: Faser
13: Stellmutter
14: Zahnrad
15: Zahnrad-Hülse
15': Vielzahn-Profil
16: Kleber-Vertiefung
17a: Einspritz-Öffnung
17b: Entlüftungs-Öffnung
18: Kleber
19: Gewindestift
20: Labyrinth-Dichtung
21: Zwischenring
22: Flansch-Hülse
22': Außengewinde
22a: Innenhülse
22b: Außenhülse
23: Abstands-Hülse
24a: Distanz-Ring
24b: Labyrinth-Ring
25a, b: Abstand-Hülse
26: Bettschlitten
27: Z-Platte
28: X-Platte
29: Versteifungsrippe
30: Basis-Struktur
31: Führungsschuh
32: Führungsplatte
33: X-Führung
34: Wickelhülse
35: Beschichtung
36: konischer Außenumfang
37: Kontaktfläche
38: Haltemutter
39: Gewindebohrung
40: Verbindungsstruktur
41: Einbuchtungen

Claims

Drehend antreibbare Spindel (3) in gewichtsreduzierter Bauweise, hergestellt unter Verwendung von faservestärkten Kunststoffen zum Einsatz in einer Werkzeugmaschine mit a)' einem rohrförmigen Grundkörper (6), an dem ein Spindelkopf (7), wenigstens ein Lager (8a, ...), ein Zahnrad (14) und ein rückseitiger Aufnahmeflansch (9) für einen Spannzylinder jeweils aus massivem Stahl-Werkstoff befestigt sind, wobei b) der rohrförmige Grundkörper (6) aus quasi-endlosen Fasern gewickelt hergestellt ist unter sich änderndem Faserwinkel zur Längsrichtung (10) durch Aufwickeln auf eine rohrförmige Wickelhülse (34) aus dünnwandigem Metall oder Metallschaum, c) dabei die gleichen Fasern auf einem zum Grundkörper (6) hin kleiner werdenden Außenumfang des Spindelkopfes (7) aus Stahlwerkstoff aufgewickelt sind, und d) auf dem Außenumfang des Spindelkopfes (7) ringförmig umlaufende Wickel-Nuten (11) vorhanden sind, in denen die verstärkenden Fasern in Umfangsrichtung liegen und in den entsprechenden Schichten der Verstärkungsfasern die Wickelrichtung der Fasern an den Stellen der Wickel-Nuten (11) von der Schrägrichtung in eine Radialebene übergeht, so dass ein oder mehrere Lagen von Fasern in den Wickel-Nuten (11) liegen und diese mit Fasern und dem umgebenden Harz gefüllt sind.
Spindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Innenumfang des Grundkörpers (6) eine Feuchtigkeitsfeste Beschichtung (35), insbesondere Lackierung oder Beschichtung mit Metall, aufweist.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (11a) der Wickel-Nuten (11) gebrochen und entgratet sind.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Lager (8a, b, ...) direkt auf dem Außenumfang des faserverstärkten Grundkörpers (6) befestigt ist.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die axiale Vorspannung des Lagers (8a, b, ...) nur eine Stell-Mutter (13), insbesondere am Ende des Grundkörpers (6) für alle Lager (8a, b) gemeinsam, vorhanden ist.
Spindel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stell-Mutter (13) und dem angrenzenden Zahnrad (14) eine Abstands-Hülse (23), insbesondere axial lose verschiebbar, zur gleichmäßigen Druckverteilung angeordnet ist.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Spindelkopf (7) und angrenzendem Lager (8a, b) wenigstens ein Distanz-Ring (24a) aus Metall mit einer definierten axialen Länge angeordnet ist.
Spindel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Labyrinth-Ring (24b) aus Metall zwischen dem ersten Distanz-Ring (24a) und einer Schulter des Spindelkopfes (7) angeordnet ist.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (14) drehfest, aber lösbar auf dem Außenumfang einer Zahnrad-Hülse (15) aus Metall befestigt ist, welche nicht lösbar mit dem Grundkörper (6) verbunden, insbesondere verklebt, ist.
Spindel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenumfang der Zahnrad-Hülse (15) eine ringförmig umlaufende Kleber-Vertiefung (16) vorhanden ist, die in Umfangsrichtung und insbesondere auch in axialer Richtung eine gleich bleibende Tiefe besitzt und eine Einspritz-Bohrung (17a) sowie eine Entlüftung-Bohrung (17b), an zwei möglichst weit voneinander entfernten Stellen der Kleber-Vertiefung (16) aufweist, die nach der Füllung mit Kleber (18) mit Gewindestiften (19) dicht verschlossen sind.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Labyrinth-Dichtung (20) zwischen dem Grundkörper (6) und einem radial anliegenden weiteren Bauteil, insbesondere einem Labyrinth-Ring (24b), ausgebildet ist durch scharfkantig belassene Ringnuten, insbesondere Helix-Nuten auf dem Außenumfang des Labyrinth-Ringes (24b).
Spindel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinth-Dichtung (20) zwischen Spindelkopf (7) und dem ersten Wälzlager (8a) der Spindel angeordnet ist.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeflansch (9) an einer Flansch-Hülse (22) aus Metall befestigt ist, welche nicht lösbar mit dem Grundkörper (6) verbunden, insbesondere verklebt, ist.
Spindel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenumfang der Flansch-Hülse (22), eine ringförmig umlaufende Kleber-Vertiefung (16) vorhanden ist, die in Umfangsrichtung und insbesondere auch in axialer Richtung eine gleich bleibende Tiefe besitzt und eine Einspritz-Bohrung (17a) sowie eine Entlüftung-Bohrung (17b) an zwei möglichst weit voneinander entfernten Stellen der Kleber-Vertiefung (16) aufweist, die nach der Füllung mit Kleber (18) mit Gewindestiften (19) dicht verschlossen sind.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen (37) auf dem Außenumfang des Grundkörpers (6) mittels Feindrehen egalisiert sind.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Flansch-Hülse (22) zweiteilig ausgebildet ist als Innen-Hülse (22a), deren Außen-Umfangsfläche, insbesondere konisch abfallende, Außen-Umfangsfläche in den Grundkörper (6) eingewickelt ist, sowie eine Außen-Hülse (22b), die auf einem Außen-Gewinde der Innen-Hülse (22a) verschraubt ist.
Spindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens einen vorderen (8a, ...) und dem wenigstens einen hinteren Lager (8c) auf dem Außenumfang (6a) des Grundkörpers (6) eine erste Abstands-Hülse (25a) angeordnet ist und ebenso zwischen dem Zahnrad (14) und dem angrenzenden Lager eine zweite Abstands-Hülse (23).
Bettschlitten (26) in gewichtsreduzierter Bauweise, hergestellt unter Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen zur Verwendung in einer Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Bettschlitten (26) in Z-Richtung betrachtet eine L-förmige Basis-Struktur (30) aufweist – mit einer in Z-Richtung verlaufenden Z-Platte (27), und – mit einer in X-Richtung verlaufenden X-Platte (28), – die über Verstärkungsrippen (29) im Innenwinkel verbunden sind, wobei – diese Basisstruktur (30) des Bettschlittens (26) aus faserverstärkten Platten aus Kunststoff hergestellt ist und Führungen (33 ...) trägt.
Bettschlitten nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur (30) des Bettschlittens (26) aus faserverstärkten Platten einstückig hergestellt ist und insbesondere aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht.
Bettschlitten nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Z-Platte (27) die Führungs-Schuhe (31), insbesondere drei Führungs-Schuhe (31a, b, c), angeordnet sind, insbesondere mittels eines unter der Z-Platte (27) angeordneten dreieckigen Rahmens aus Hohlstreben in CFK-Bauweise.
Bettschlitten nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungs-Rippen (29) in X-Richtung betrachtet Y-förmig oder die V-förmig verlaufen zu dem von der X-Platte (28) beanstandeten dritten Führungs-Schuh (31c).
Bettschlitten nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (27, 28) in Sandwich-Bauweise hergestellt sind mit einer Außenschicht beziehungsweise Umhüllung aus CFK und einem Füllmaterial aus Harz und/oder einer Gitter-Struktur, insbesondere einer Waben-Struktur oder einem Schaum, insbesondere Aluminium-Schaum.
Bettschlitten nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (27, 28), insbesondere die X-Platte (28), zweiteilig ausgebildet sind mit einer die Führungen enthaltenden Schicht in konventioneller Herstellungsweise aus massivem Metall, insbesondere Aluminium, und einer damit verbundenen, zweiten Schicht in CFK-Bauweise, insbesondere gemäß Anspruch 22.
Bettschlitten nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die X-Führungen (33) an der Basis-Struktur (30) mittels einer Verbindungsstruktur (40) befestigt sind, die eine mehrfach gekrümmte Platte (40') mit regelmäßigen Einbuchtungen (41, 41'), insbesondere Pyramidenförmigen oder Tetraeder-förmigen Einbuchtungen (41), von beiden Seiten her, umfasst.
Bettschlitten nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (40) in CFK-Bauweise erstellt ist, insbesondere die Platte (40') mit Deckschichten aus CFK und dazwischen verlaufenden Stegen aus CFK besteht.
Bettschlitten nach einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die X-Führungen (33) in einer Führungs-Platte (32) in CFK-Bauweise angeordnet, insbesondere formschlüssig angeordnet, sind.
Bettschlitten nach einem der vorhergehenden Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (40) randseitig von durchgehenden Platten verschlossen ist, während die zu den beiden Hauptebenen hin offenen Einbuchtungen durch die X-Platte (28) der Basis-Struktur (30) einerseits und die Führungs-Platte (32) der X-Führungen (33) andererseits abgedeckt sind.
Verfahren zum Herstellen eines Schlittens einer Werkzeugmaschine mit Führungen und/oder Führungsschuhen, die wenigstens teilweise aus Metall bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schlitten-Rohling aus Platten (27, 28, 32, 40' ...) einstückig oder mehrteilig zusammengesetzt wird, die jeweils für sich aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere in Sandwich-Bauweise und/oder Wicklungstechnik, hergestellt werden, wobei in Sandwich-Bauweise der Kern der Platten (27, 28 ...) einen hohen Anteil an Hohlräumen aufweist und eine Wabenstruktur oder Schaumstruktur, insbesondere aus Kunststoff oder Metall, besitzt und – die metallenen Führungen (33 ...) an den demgegenüber dünnen Platten (27, 28 ...) nicht direkt, sondern unter Zwischensetzen einer wiederum plattenförmigen Verbindungsstruktur (40) befestigt werden, die separat hergestellt eine wesentlich größere Dicke als die Dicke der Platten (27, 28 ...) besitzt und selbst aus plattenförmigen, schräg zur Hauptebene der Verbindungsstruktur (40) stehenden, Platten (40') besteht.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstruktur (40) eine mindestens fünffach oder besser mindesten zehnfach größere Dicke als die Dicke der Platten (27, 28 ...) besitzt.