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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Wärmeeintrags
einer Spindel einer Werkzeugmaschine in eine Werkzeugaufnahme, eine
Werkzeugaufnahme für
eine Spindel einer Werkzeugmaschine sowie eine Werkzeugmaschine.
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Stand der Technik
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Eine
Werkzeugmaschine zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, z. B. Hochgeschwindigkeitsfräsen umfasst
regelmäßig eine
sogenannte Motorspindel, die eine sich drehende Spindelwelle und
ein Wellengehäuse
besitzt, in welchem die Spindelwelle gelagert ist. Bei den enormen
Umrechnungsgeschwindigkeiten der Spindelwelle, z. B. beim Hochgeschwindigkeitsfräsen erwärmt sich
die Spindelwelle und auch das Wellengehäuse der Spindel beträchtlich.
Daher ist das stehende Wellengehäuse
einer Spindel für
Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit einer Kühlung ausgestattet.
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Eine
Kühlung
der drehenden Spindelwelle ist technisch aufwändig, weil sowohl die engen
Platzverhältnisse
im Innenraum der Spindel und die hohen Umdrehungen von z. B. bis
45.000 Umdrehungen pro Minute einer ausreichenden Kühlmedium- Versorgung entgegenwirken.
Dadurch lässt
sich nicht verhindern, dass ein Wärmeeintrag auf die Spindelwelle erfolgt,
womit letztlich über
eine Werkzeug-Spanneinrichtung der Werkzeugspindel und weitere Anlagebereiche
auch eine Erwärmung
einer Werkzeugaufnahme mit dem darin eingesetzten Werkzeug stattfindet.
Die Folge dieses Wärmeeintrags
ist, dass sich die Werkzeugaufnahme und das Werkzeug längen, was
sich nachteilig im Bearbeitungsprozess auf eine Exaktheit von zu
bearbeitenden Oberflächen auswirken
kann.
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Um
derartige Nachteile soweit wie möglich zu
reduzieren, wird eine Längenausdehnung
der Spindelwelle durch Temperaturerfassung über Sensoren ermittelt und
im Bearbeitungsablauf berücksichtigt.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmeeintrag einer Spindel in
eine Werkzeugaufnahme weiter reduzieren zu können.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1, 9, 13 sowie 14
gelöst.
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In
den abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung geht zunächst
von einem Verfahren zur Verringerung des Wärmeeintrags einer Spindel einer
Werkzeugmaschine in eine Werkzeugaufnahme aus. Der Kerngedanke der
Erfindung liegt nun darin, dass Luft von einer Frontseite der Spindel bzw.
der Werkzeugaufnahme angesaugt und im Bereich der Spindel abgeleitet
wird. Durch diese Vorgehensweise kann Luft, die deutlich kühler ist,
als die Spindelwelle zur Spindelwelle transportiert werden, um diese
und gegebenenfalls weitere Elemente zu kühlen. Damit wird ein Wärmeeintrag
in eine Werkzeugaufnahme vermieden.
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Vorzugsweise
wird die Luft im Innenraum der Spindel abgeleitet. Damit besteht
zugleich die Möglichkeit
ein Spannsystem der Spindel durch die vorbeiströmende Luft mitzukühlen, womit
ein Wärmeabfluss
die Werkzeugaufnahme überdies
herabsetzbar ist. Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde,
dass ein Wärmeeintrag
in die Werkzeugaufnahme besonders effektiv vermindert werden kann, wenn
die mit der Werkzeugaufnahme direkt in körperlichem Kontakt stehenden
Teile der Spindel, beispielsweise die Spindelwelle mit z. B. einer
Innenhohlkegelaufnahme und einem Spindelspannsystem, das in ein
Verbindungsstück
der Werkzeugaufnahme hineinragt, durch vorbeiströmende von außen abgesaugte
Luft gekühlt
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die
Luft durch die Werkzeugaufnahme angesaugt. Es ist jedoch auch denkbar Luft
entlang der Werkzeugaufnahme-Außenfläche anzusaugen.
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Gegebenenfalls
werden beide Maßnahmen kombiniert,
so dass ein Luftstrom durch die Werkzeugaufnahme als auch entlang
ihrer Außenseite
geführt
ist.
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Vorzugsweise
wird Umgebungsluft angesaugt. Diese steht unproblematisch und regelmäßig auch
im akzeptabeln Temperaturbereich zur Verfügung. Gegebenenfalls durchläuft die
angesaugte Luft eine Filtereinheit, die z. B. an der Werkzeugaufnahme
sitzt.
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In
einer überdies
bevorzugten Ausgestaltung wird Luft über eine Ansaugeinrichtung
angesaugt, die dazu an der Werkzeugmaschine bereitgestellte Druckluft
nutzt. Normalerweise ist an einer Werkzeugmaschine immer in ausreichendem
Maße Druckluft
vorhanden. Beispielsweise wird Druckluft verwendet, um Werkzeugaufnahmenschnittstellen bei
einem Wechsel auszublasen.
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Eine
solche Druckluftversorgung kann in einer Einheit, die den Venturieffekt
nutzt, dazu eingesetzt werden, einen Unterdruck zu erzeugen, um
damit von der Seite der Werkzeugaufnahme, insbesondere Umgebungsluft
anzusaugen.
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Bei
einer Werkzeugaufnahme für
eine Spindel einer Werkzeugmaschine liegt der wesentliche Aspekt
der Erfindung darin, dass Verbindungsmittel an der Werkzeugaufnahme
vorgesehen sind, über welche
Luft angesaugt und im Bereich der Spindel abgeleitet werden kann,
wenn die Werkzeugaufnahme in der Spindel eingesetzt ist. Die Verbindungsmittel
können
beispielsweise eine oder mehrere Bohrungen in der Werkzeugaufnahme
umfassen. Dadurch lässt
sich ein Durchgang zum Inneren der Spindelwelle schaffen. Auf diese
Weise kann Luft durch die Werkzeugaufnahme ins Spindelinnere gesaugt
werden.
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Ebenfalls
denkbar sind Verbindungsmittel in Form von Schlitzen im Anlagebereich
der Werkzeugaufnahme. Beispielsweise sind Schlitze in einer Plananlage
oder dem Spannkonus der Werkzeugaufnahme ausgebildet, so dass an
der Außenseite
der Werkzeugaufnahme angesaugte Luft ins Spindelinnere vorbeiströmen kann.
Bei einer solchen Ausgestaltung bilden die Schlitze im Anlagebereich
der Werkzeugaufnahme zusammen mit einer Wandung eines Aufnahmebereichs
der Spindelwelle, also im eingesteckten Zustand, Strömungskanäle für angesaugte
Luft.
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Durch
das Ansaugen von Luft über
die Werkzeugaufnahme lässt
sich ein Wärmeeintrag
aus einer erwärmten
Spindel reduzieren, womit es erst gar nicht zu einer bzw. einer
nennenswerten Erwärmung der
Werkzeugaufnahme kommt. In modernen Spindelsystemen wird die Längung der
Spindelwelle durch Erwärmung
zwar berücksichtigt,
die Längung der
Werkzeugaufnahme hingegen bleibt unkompensiert. Eine Kompensation
ist auch vergleichsweise schwer möglich, da Rahmenbedingungen
für die Kompensation,
beispielsweise die genaue Werkzeugaufnahmentemperatur nicht zur
Verfügung
stehen.
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Die
Nachteile einer Längung
der Werkzeugaufnahme sind insbesondere dann gravierend, wenn die
Werkzeugaufnahme mit einem Messtaster ausgestattet ist, der "hochpräzise" Messungen während insbesondere
eines Produktionsganges vornehmen soll. Ein nicht abgeschlossener
Wärmefluss
von der Spindel in die Werkzeugaufnahme kann schon während der
Messung zu erheblichen Fehlern führen. Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise
kann eine Erwärmung
der Werkzeugaufnahme in einem tolerierbaren Bereich gehalten werden.
Damit lassen sich insbesondere im Zusammenhang mit Messtastern erhebliche
Genauigkeitsverbesserungen erzielen.
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Doch
auch bei der Bearbeitung von Werkstücken kann die Genauigkeit erhöht werden,
dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn hochpräzise Oberflächen zu
erzeugen sind, die z. B. eine "Spiegelqualität" aufweisen.
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Vorzugsweise
wird eine Werkzeugmaschine mit einer Ansaugvorrichtung zum Ansaugen
von Luft über
eine Werkzeugaufnahme ausgestattet.
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Zeichnungen
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend
unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert. Es
zeigen
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1 in
einer schematischen, geschnittenen Seitenansicht eine Spindel mit
Werkzeugaufnahme, Werkzeug sowie ein Werkstück mit Werkstückauflage
und
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer Werkzeugaufnahme eingesetzt in eine angedeutet dargestellte
Spindelwelle in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Spindel 1 dargestellt, die ein Wellengehäuse 2,
eine darin drehgelagerte Spindelwelle 3 sowie eine Spanneinrichtung 4 für eine Werkzeugaufnahme 5 umfasst.
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Das
Spindelgehäuse 2 steht
fest und wird gekühlt,
um eine Erwärmung
der Spindel während insbesondere
hoher Drehzahlen der Spindelwelle 3 zu begrenzen. Bei herkömmlichen
Systemen ist dennoch eine Erwärmung
eines Aufnahmebereichs 6 der Spindelwelle 3 für die Werkzeugaufnahme 5,
was letztlich zu einer Miterwärmung
der Werkzeugaufnahme 5 führt, in einem nicht unbeträchtlichen
Ausmaß der
Fall.
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Im
vorliegenden Fall ist der Aufnahmebereich 6 der Spindelwelle 3 als
Hohlkegel bzw. Innenkonus ausgestaltet, in den über die Spanneinrichtung 4 ein
dazu passender Konus der Werkzeugaufnahme 5 eingezogen
wird, bis eine Plananlage 8 sowie die Außenseite
des Konus 7 am Aufnahmebereich 6 der Spindelwelle 3 anliegen.
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Damit
besteht ein enger körperlicher
Kontakt der Werkzeugaufnahme 5 mit der Spindelwelle 3, was
einen Wärmeeintrag
einer erhitzten Spindelwelle 3 in die Werkzeugaufnahme 5 begünstigen
würde.
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Um
einen Wärmeeintrag
in die Werkzeugaufnahme 5 im Vergleich zu einer herkömmlichen
Ausführungsform
deutlich herabzusetzen, sind in die Werkzeugaufnahme 5 Durchgänge 9,
z. B. Bohrungen eingebracht, die eine Verbindung von der Außenseite 10 der
Werkzeugaufnahme ins Innere 11 der Werkzeugaufnahme und
somit über
die Spanneinrichtung 4 in den Innenraum der Spindel 3 schaffen.
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Denkbar
sind beispielsweise am Umfang angeordnete Bohrungen, die in der
Draufsicht sternförmig
zum Innenraum 11 der Werkzeugaufnahme 5 führen.
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Durch
die Durchgänge 9 kann
bei einem in einem Innenraum 12 der Spindelwelle 3 herrschenden
Unterdruck Luft von einem Außenraum 10 angesaugt
werden, wodurch die Luft durch die Durchgänge 9 an der Spanneinrichtung 4 vorbei
in das Spindelinnere 11 strömt. Dadurch wird sowohl die
Spanneinrichtung 4 als auch die Spindelwelle 3 abgekühlt, womit
ein Wärmeeintrag
in die Werkzeugaufnahme 5 im Vergleich zu einer Ausführungsform
ohne "Luftansaugung" deutlich verringert
werden kann.
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Dadurch
findet eine Erwärmung
der Werkzeugaufnahme 5, die mit einer unerwünschten
Längung
der Werkzeugaufnahme 5 verbunden ist, in einem deutlich
kleineren Ausmaß statt.
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Damit
verändert
sich eine Längenposition
eines Werkzeugs 13, das sich in der Werkzeugaufnahme 5 befindet,
in einem lediglich unerheblichen Bereich, so dass eine regelmäßig geforderte
Oberflächenqualität eines
Werkstücks 14 bei
einer Bearbeitung durch das Werkzeug 13 eingehalten werden kann.
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Dies
ist insbesondere vor dem Hintergrund von Bedeutung, dass mit dem
Werkzeug 13 Oberflächen
am Werkstück 14 bei
bestimmten Bearbeitungsaufgaben herzustellen sind, die eine "Spiegeloberflächenqualität" aufweisen sollten.
Bei solchen Oberflächen
spielen bereits Abweichungen in der Oberfläche von 1 μm eine Rolle.
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Mit
Hilfe der Luftansaugung durch die Werkzeugaufnahme 5, die
in 1 durch das gepunktete Pfeilfeld 15 symbolisiert
ist, kann eine Wärmeausdehnung
der Werkzeugaufnahme 5 soweit kontrolliert werden, dass
sich Anforderungen an die Positionsgenauigkeit auch für Oberflächenbearbeitung höchster Qualität einhalten
lassen.
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Aus 1 ist
ersichtlich, dass Luft gemäß dem symbolisierten
Pfeilfeld 15 durch die Durchgänge 9 ins Innere 11 der
Werkzeugaufnahme 5 strömt und
dann auf einer Außenseite 16 der
Spanneinrichtung 4 als auch in einem zentralen Durchgangsbereich 17 der
Spanneinrichtung 4 ins Spindelinnere 12 strömt.
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Um
eine "Beströmung" der Werkzeugaufnahme 5 noch
weiter zu verbessern, kann eine Werkzeugaufnahme 18 gemäß 2 vorgesehen
werden, die zusätzlich
zu Durchgängen 9 am
Konus 7 als auch an der Plananlage 8 Schlitze 19, 20, 21 in
Anlagebereichen 19a, 20a, 21a zu einer
Spindelaufnahme 22 aufweist, durch welche Luft bei einer
Ansaugung über
den Innenraum 12 der Spindelwelle 3 zusätzlich in
den Innenraum 12 einströmen
kann.
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Durch
die Schlitze 19, 20, 21 wird ein körperlicher
Kontakt zur Spindelwellenaufnahme 22 reduziert, so dass
dadurch bereits ein Wärmeeintrag
in die Werkzeugaufnahme 18 herabgesetzt ist. Durch eingesaugte
Luft wird die Spindelwellenaufnahme 22 auch in ihrem unmittelbar
vordersten Bereich gekühlt,
womit einer Erwärmung
der Werkzeugaufnahme 18 effektiv entgegengewirkt werden
kann.
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Gegebenenfalls
ist eine Werkzeugaufnahme lediglich mit Schlitzen 19, 20, 21 ohne
die Durchgänge 9 ausgestattet.
Das kann vom Anwendungsfall abhängig
gemacht werden.
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Letztlich
soll eine Längung
der Werkzeugaufnahme 18 durch eine unerwünschte Erwärmung verhindert
werden. Eine Werkzeugaufnahme 5, 18 kann nicht
nur für
Bearbeitungswerkzeuge 13 zur Anwendung kommen, sondern
auch z. B. für
einen Messtaster, bei welchem ebenfalls eine genaue Einhaltung einer
einmal bestimmten Längenposition
von größter Bedeutung
ist. Durch eine Vermeidung einer Längung der Werkzeugaufnahme
können
damit Messergebnisse mit deutlich größerer Genauigkeit erzielt werden.
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- 1
- Spindel
- 2
- Wellengehäuse
- 3
- Spindelwelle
- 4
- Spanneinrichtung
- 5
- Werkzeugaufnahme
- 6
- Aufnahmebereich
- 7
- Konus
- 8
- Plananlage
- 9
- Durchgang
- 10
- Außenraum
- 11
- Innenraum
- 12
- Innenraum
- 13
- Werkzeug
- 14
- Werkstück
- 15
- Pfeilfeld
- 16
- Außenseite
- 17
- zentraler
Durchgangsbereich
- 18
- Werkzeugaufnahme
- 19
- Schlitz
- 19a
- Anlagebereich
- 20
- Schlitz
- 20a
- Anlagebereich
- 21
- Schlitz
- 21a
- Anlagebereich
- 22
- Spindelwellenaufnahme