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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Werkstückspindel mit integriertem
Antrieb für
eine Rotation und eine Axialbewegung, insbesondere zur Verwendung
in Werkzeugmaschinen zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken.
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Werkzeugmaschinen
mit Werkstückspindeln zur
Bearbeitung von Werkstücken
mit geometrisch unbestimmter Schneide sind aus dem Stand der Technik
in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise zur
Durchführung
eines Schleifvorgangs kann neben einer rotatorischen Bewegung auch
eine axiale Bewegung des Werkstücks relativ
zum Werkzeug (Oszillation) notwendig sein. Üblicherweise wird eine derartige
Oszillationsbewegung mit Hilfe einer Maschinenachse erzeugt, die entweder
das Werkstück
oder das Werkzeug axial bewegt. Die bei der Axialbewegung bewegte
Masse an Bauteilen der Werkzeugmaschine ist jedoch verhältnismäßig hoch.
Hierdurch kann eine Anregung der Maschinenstruktur aufgrund der
großen
Trägheitskräfte auftreten.
Daher ist eine realisierbare Oszillationsfrequenz der Werkzeugmaschine
begrenzt. Ferner ist auch der Energieverbrauch für die Oszillationsbewegung
der großen
Masse und eine Belastung der Maschinenstruktur unverhältnismäßig hoch. Hierdurch
resultieren Reparatur- und Stillstandszeiten der Werkzeugmaschine,
welche jedoch unerwünscht
sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Werkstückspindel
für eine
Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass insbesondere für
eine Oszillationsbewegung nur eine sehr geringe Masse bewegt werden
muss. Dadurch kann einerseits die Energieaufnahme der Werkstückspindel
für die
Oszillationsbewegung reduziert werden und weiter auch eine mögliche Oszillationsfrequenz
signifikant erhöht
werden. Ferner kann eine Verbesserung der Werkstückqualität bezüglich der Oberflächengüte erhalten
werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass ein Antrieb zum Antreiben einer Werkstückspindel,
z. B. mit einem Spannfutter, einen Rotationsantrieb und einen Oszillationsantrieb
umfasst. Der Rotationsantrieb und der Oszillationsantrieb sind dabei
in der Werkstückspindel
integriert und bewirken eine Rotations- und/oder Oszillationsbewegung
einer Werkstückaufnahme
mitsamt einem eingespannten Werkstück. Somit wird erfindungsgemäß ein rotatorischer
Antrieb mit einem axialen Antrieb gekoppelt. Da erfindungsgemäß nun nicht
mehr ein Werkstücktisch
o. ä. für eine Oszillationsbewegung
in axialer Richtung bewegt werden muss, können die bewegten Massen deutlich
reduziert werden. Hierdurch sind sehr hochfrequente Oszillationsbewegungen
möglich.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungender Erfindung.
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Um
eine möglichst
geringe Teileanzahl aufzuweisen, sind der Rotationsantrieb und/oder
der Oszillationsantrieb als Direktantrieb ausgebildet. Dabei ist
zwischen dem Antrieb und der angetriebenen Werkstückaufnahme
kein Getriebe o. ä.
angeordnet.
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Weiter
bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Werkstückspindel ferner eine Steuereinrichtung,
welche ausgelegt ist, den Rotationsantrieb und den Oszillationsantrieb
unabhängig
voneinander anzutreiben. Dadurch ist es mit der erfindungsgemäßen Werkstückspindel
auch möglich,
dass lediglich ein Rotationsantrieb oder ein Oszillationsantrieb
ausgeführt
wird, wenn dies für
die Werkstückbearbeitung notwendig
ist. Die Steuereinrichtung kann dabei selbstverständlich auch
den Rotationsantrieb und den Oszillationsantrieb gemeinsam antreiben.
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Vorzugsweise
umfasst der Antrieb zwei feststehende Primärteile mit elektrischen Wicklungen,
einen Permanentmagneten umfassenden ersten Sekundärteil, und
einen Permanentmagneten umfassenden zweiten Sekundärteil. Der
erste Sekundärteil ist
mit der Werkstückaufnahme
verbunden und der zweite Sekundärteil
ist ebenfalls mit der Werkstückaufnahme
verbunden. Dabei stellt der erste Sekundärteil in Wirkverbindung mit
dem ersten Primärteil eine
Rotation der Werkstückaufnahme
bereit und der zweite Sekundärteil
stellt in Wirkverbindung mit dem zweiten Primärteil eine Axialbewegung (Oszillationsbewegung)
der Werkstückaufnahme
bereit. Da sowohl der erste Sekundärteil als auch der zweite Sekundärteil mit
der Werkstückaufnahme
verbunden ist, bewegen sich die beiden Sekundärteile bei einer Bewegung der
Werkstückaufnahme
mit dieser mit.
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Besonders
bevorzugt ist zwischen dem ersten Sekundärteil und dem feststehenden
ersten Primärteil
und/oder zwischen dem zweiten Sekundärteil und dem feststehenden
zweiten Primärteil
eine hydrostatische Radiallagerung angeordnet. Dies hat insbesondere
den Vorteil, dass die hydrostatische Radiallagerung eine hohe Dämpfung bereitstellt.
Die Radiallagerung wird dabei durch die Anzugskräfte des Rotationsantriebs vorgespannt
und zentriert.
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Besonders
bevorzugt umfasst die Werkstückaufnahme
eine Mittenspannung, so dass ein in die Werkstückaufnahme eingespanntes Werkstück von beiden
Axialseiten her bearbeitet werden kann. Die Bearbeitung kann dabei
vorzugsweise gleichzeitig vorgenommen werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine die Primärteile tragende
Lagerglocke mit einer zylinderförmigen Grundfläche und
einem von der Grundfläche
in Radialrichtung nach außen
vorstehenden, ringförmigen Flanschbereich
ausgebildet. Der Flanschbereich ist dabei vorzugsweise außermittig
an der zylinderförmigen
Grundfläche
angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist
der erste Sekundärteil
mit der Werkstückaufnahme
an einem ersten Endbereich der Werkstückaufnahme verbunden und der
zweite Sekundärteil
ist mit der Werkstückaufnahme
an einem zweiten Endbereich der Werkstückaufnahme verbunden. Hierdurch
kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden.
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Vorzugsweise
sind an der Lagerglocke Lagertaschen für eine Lagerung des ersten
und zweiten Sekundärteils
angeordnet. Dadurch kann insbesondere ein in Axialrichtung notwendiger
Bauraum reduziert werden.
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Die
erfindungsgemäße Werkstückspindel wird
besonders bevorzugt in einer Schleifmaschine, welche insbesondere
zur Feinbearbeitung von Bauteilen aus der Kraftstoff-Einspritztechnik
dient, verwendet. Bei derartigen Bauteilen sind insbesondere sehr
enge Form- und Ladetoleranzen, beispielsweise bei Einspritzdüsen o. ä., einzuhalten.
Auch weisen die Bauteile häufig
nur eine geringe Auskraglänge auf,
so dass die Werkstückaufnahme
zum Halten des Werkstücks
besonders kleinbauend sein sollte.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird eine Werkstückspindel
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Ansicht einer Werkstückspindel für eine Werkzeugmaschine gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung im Schnitt.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 1 eine Werkstückspindel 1 für eine Werkzeugmaschine
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben. 1 zeigt dabei
lediglich eine Werkstückaufnahme 2 mitsamt
einem integrierten Antrieb 3 für eine Rotationsbewegung und/oder
eine Axialbewegung der Werkstückaufnahme 2.
Weitere Teile der Werkzeugmaschine sind aus Gründen einer verbesserten Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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Wie
in 1 gezeigt, ist die Werkstückaufnahme 2 im Wesentlichen
hohlzylindrisch aufgebaut und kann ein nicht gezeigtes Werkstück in ihrem
Inneren einspannen. Die Werkstückaufnahme 2 dieses Ausführungsbeispiels
kann dabei eine Mittenspannung des Werkstücks realisieren, so dass das
Werkstück
zu beiden Seiten der Werkstückaufnahme 2 nach
außen
in Axialrichtung X-X vorsteht und auch von beiden Seiten gleichzeitig
bearbeitet werden kann. Selbstverständlich kann die Werkstückaufnahme 2 ein
Werkstück
auch derart einspannen, dass das Werkstück nur zu einer Seite aus der
Werkstückaufnahme 2 vorsteht.
In 1 bezeichnet dabei das Bezugszeichen 2a einen
ersten Endbereich der Werkstückaufnahme 2 und
das Bezugszeichen 2b einen zweiten Endbereich der Werkstückaufnahme 2. Der
Antrieb 3 ist dabei in der Werkstückaufnahme 2 integriert
und ist unmittelbar benachbart zur Werkstückaufnahme 2 angeordnet.
Der Antrieb 3 umfasst dabei zwei feststehende Primärteile,
nämlich
einen ersten Primärteil
P1 und einen zweiten Primärteil
P2, welche eine Vielzahl von Wicklungen umfassen (nicht dargestellt),
einen ersten Sekundärteil 5 und
einen zweiten Sekundärteil 6.
Der erste Sekundärteil 5 ist über ein
erstes Verbindungsstück 7 mit
dem ersten Ende 2a der Werkstückaufnahme 2 verbunden.
Das Verbindungsstück 7 ist
hierbei eine Hülse.
Der zweite Sekundärteil 6 ist über ein
zweites Verbindungsstück 8 (Ring)
mit der Werkstückaufnahme 2 an
dem zweiten Ende 2b verbunden. Es sei hierbei angemerkt, dass
das erste und zweite Sekundärteil 5, 6 auch
direkt mit der Werkstückaufnahme 2 verbunden
sein kann.
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Zwischen
einer Lagerglocke 4 und dem ersten und zweiten Sekundärteil 5, 6 ist
jeweils in Radialrichtung der Werkstückaufnahme 2 ein hydrostatisches
Radiallager 9 angeordnet. Genauer ist zwischen der Lagerglocke 4 und
dem ersten Sekundärteil 5 ein
erster Lagerbereich 9a und zwischen der Lagerglocke 4 und
dem zweiten Sekundärteil 6 ein zweiter
Lagerbereich 9b angeordnet. Das hydrostatische Radiallager 9 stellt
dabei insbesondere eine hohe Dämpfung
bereit. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Lagerglocke 4 aus
einem hohlzylinderförmigen Grundbereich 4a und
einem radialen Flanschbereich 4b gebildet. Der radiale
Flanschbereich 4b ist dabei außermittig des Grundbereichs 4a angeordnet.
Die Lagerglocke 4 ist über
den Flanschbereich 4b an einem Gehäuse 10 mit den Primärteilen
P1, P2 fixiert und wird dadurch fest in seiner Position gehalten.
Der erste Sekundärteil 5 und
der zweite Sekundärteil 6 sind über das
hydrostatische Radiallager an der Lagerglocke 4, insbesondere
am Außenwandbereich des
Grundbereichs 4a, gelagert.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist der Antrieb 3 als
Direktantrieb vorgesehen, wobei der erste Sekundärteil 5 in Wirkverbindung
mit dem Primärteil
P1 den Rotationsantrieb, und der zweite Sekundärteil 6 in Wirkverbindung
mit dem Primärteil
P2 den Oszillationsantrieb bereitstellt. Da der erste Sekundärteil 5 und
der zweite Sekundärteil 6 über die
Verbindungsstücke 7 und 8 und
die Werkstückaufnahme 2 miteinander
verbunden sind, rotieren und oszillieren beide Sekundärteile gemeinsam,
wenn ein entsprechender Stromfluss durch die Wicklungen am Primärteil P1 bzw.
P2 ausgeführt
wird. Von daher muss zwischen den axialen seitlichen Enden des ersten
und zweiten Sekundärteils 5 und 6 zu
einem Gehäuse 10 jeweils noch
ein entsprechender Spalt S vorhanden sein, um die Axialbewegung
der Sekundärteile
gemeinsam mit der Werkstückaufnahme 2 zu
ermöglichen.
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Die
Werkzeugmaschine 1 kann ferner eine nicht gezeigte Steuerung
umfassen, welche durch entsprechendes Bestromen des Primärteils P1
bzw. P2 jeweils nur eine Rotationsbewegung oder eine Axialbewegung
der Werkstückaufnahme 2 erzeugt. Dies
kann je nach Anwendungsfall beispielsweise über ein Bedienteil o. ä. von einem
Bediener der Maschine ausgewählt
werden. Selbstverständlich
kann die Steuerung auch ein Überlagern
der Rotations- und Axialbewegung bereitstellen.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Werkstückspindel
ist dabei wie folgt. Ein Werkstück
wird radial in die Werkstückaufnahme 2 an
seiner Außenkontur
in einem mittleren Bereich gespannt. Dadurch kann eine Bearbeitung
an beiden Axialseiten erfolgen. Je nach Bearbeitungsfall wird die
Werkstückaufnahme
mitsamt dem eingespannten Werkstück
durch den Antrieb 3 in Rotationsrichtung und/oder in Axialrichtung
X-X bewegt. Die erfindungsgemäße Werkstückspindel
kommt insbesondere in Werkzeugmaschinen zur Feinbearbeitung von
metallischen Werkstücken
mit einer geometrisch unbestimmten Schneide zum Einsatz. Bei der
erfindungsgemäßen Werkstückspindel
wird dabei nur die Werkstückaufnahme 2,
der erste und zweite Sekundärteil 5, 6 sowie
das erste und zweite Verbindungsstück 7, 8 bewegt.
Hierdurch kann eine sehr kleine bewegte Masse erhalten werden, so
dass eine sehr hohe Oszillationsfrequenz möglich ist. Ferner kann dadurch
ein Energieeintrag in die Werkstückspindel
signifikant reduziert werden. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Aufbau mit
einem Direktantrieb unmittelbar an der Werkstückaufnahme 2 eine
besonders kompakte Bauweise bereitstellen. Insbesondere wird die
erfindungsgemäße Werkstückspindel
bei Schleifmaschinen zur Feinbearbeitung von Bauteilen für die Kraftstoff-Einspritztechnik
verwendet.