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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Halterung einer motorisch angetriebenen Arbeitsspindel in einem Gehäuse einer Bearbeitungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In Werkzeugmaschinen mit motorisch angetriebenen Arbeitspindeln wirken bei Werkzeugkollisionen mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten kurzzeitig enorme Stoßkräfte auf die Arbeitsspindeln ein. Um bei Kollisionen einen Schutz der stoßempfindlichen Komponenten zu gewährleisten, werden spezielle Sicherungskonzepte zur Ermöglichung einer Auslenkung der Arbeitspindeln eingesetzt.
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Aus der
DE 10 2007 032 498 A1 ist eine Sicherungsvorrichtung für eine in einem Gehäuse angeordnete Motorspindel mit einem Außenring und einem innerhalb des Außenrings axial verschiebbar und kippbar angeordneten Innenring zur Aufnahme der Motorspindel bekannt. Der Innenring ist gegenüber dem Außenring in Axialrichtung durch mehrere über den Umfang verteilte Druckfedern vorgespannt. Durch die axial wirkenden Druckfedern wird der Innenring mit einer vorgegeben Vorspannkraft in eine Betriebs- bzw. Ausgangsstellung innerhalb des Außenrings gedrückt. Für eine zusätzliche Halterung des Innenrings in der Betriebsstellung sind an der Außenseite des Innenrings mehrere durch Federn beaufschlagte, radiale Sperrkörper zum Eingriff in entsprechende Vertiefungen des Außenrings vorgesehen. Erst bei Überschreiten einer Schwellenkraft werden die Sperrkörper gegen die Kraft der Federn eingedrückt, wodurch der Innenring ausrücken und sich entgegen der Kraft der axialen Druckfedern bewegen kann. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die Haltekraft jedoch ausschließlich durch Federn bewirkt, was sich nachteilig auf die Steifigkeit der Gesamtanordnung auswirken kann.
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Gegenstand der
DE 20 2005 009 344 U1 ist eine Spindeleinheit zur ein- und auswechselbaren Aufnahme von Werkzeugen, die einen Spindelkopf mit einem inneren Hohlraum und innerhalb des Hohlraums angeordneten magnetischen Haltemitteln zur Erzeugung einer vorbestimmten Haltekraft auf ein in dem Spindelkopf aufgenommenes Werkzeug enthält.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Halterung einer motorisch angetriebenen Arbeitsspindel in einem Gehäuse einer Bearbeitungsmaschine zu schaffen, die einen optimalen Kollisionsschutz durch Entkopplung der stoßempfindlichen Arbeitsspindel aus dem Kraftfluss einer Bearbeitungsmaschine bei gleichzeitig hoher Steifigkeit unter Betriebsbedingungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Einbau im Kraftfluss zwischen Werkzeugmaschine und einer z. B. als Motorspindel ausgeführten Arbeitsspindel konzipiert. Sie enthält einen mit der Arbeitsspindel fest verbindbaren Innenring und einen um den Innenring angeordneten Außenring, in dem der Innenring axial verschiebbar und kippbar angeordnet ist. Der Innenring ist gegenüber dem Außenring durch Vorspannelemente axial vorgespannt und wird durch diese in eine nicht ausgelenkte Betriebsstellung gedrückt. Durch eine als Magnetanordnung ausgebildete Halteeinrichtung mit mindestens einem in dem Innenring und/oder dem Außenring angeordneten Magnet wird der Innenring mit einer magnetischen Haftkraft in der Betriebsstellung gehalten. Die magnetische Haltekraft kann entsprechend einer vorgegeben Grenzhaltekraft bzw. eines Grenzhaltemoments ausgelegt sein, so dass sich der Innenring mit der Arbeitspindel bei der im Betrieb üblichen, gebrauchsgemäßen Belastung nicht gegenüber dem Außenring bewegt. Wenn jedoch die auf Motorspindel wirkende Kraft z. B. im Falle einer Kollision die durch die Magnetanordnung vorgegebene Haltekraft übersteigt, bewirkt die Magnetanordnung eine unmittelbare Trennung einer Anlage zwischen dem Außen- und Innenring, so dass die Antriebsspindel durch eine Bewegung des Innenrings ausweichen kann. Dabei ist nicht nur eine Axialverschiebung, sondern auch eine Kippbewegung der Arbeitsspindel bei lateral bzw. schräg zur Spindelachse angreifenden Kräften möglich.
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Wenn sich die Arbeitsspindel infolge einer Kollision aus der Betriebsstellung verschiebt, nimmt die magnetische Haltekraft mit zunehmendem Luftspalt rapide ab. Dann übernehmen die z. B. als Druckfedern ausgeführten Vorspannelemente die Abstützung und Führung der Arbeitsspindel. Eine Verschiebung des Innenrings gegenüber dem Außenring führt zu einer Erhöhung der Vorspannung durch die elastisch federnden Vorspannelemente, wodurch die kinetische Stoßenergie absorbiert wird. Durch die elastisch federnden Vorspannelemente wird die Arbeitsspindel nach einer eventuellen Kollision auch wieder selbsttätig in die Betriebs- oder Ausgangsstellung zurückgedrückt, so dass keine aufwändige Demontage und Nachjustierung erforderlich ist. Die als Schutzsystem für die Arbeitspindel wirkende Vorrichtung ist reversibel ausgelegt und übersteht auch mehrmalige Kollisionen im Lebenszyklus einer Maschine schadensfrei. Mit Hilfe der als Magnetanordnung ausgebildeten Halteeinrichtung sind hohe und genau dimensionierte Haltekräfte und -momente erreichbar. Bis zum Erreichen der maximalen Haltekraft weist das Gesamtsystem außerdem eine hohe Systemsteifigkeit auf.
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In einer besonders zweckmäßigen Ausführung enthält die Magnetanordnung mehrere ringsegmentförmige Magnete, die über den Umfang des Innenrings und/oder des Außenrings verteilt angeordnet sein können. Vorzugsweise sind sowohl am Innenring als auch am Außenring einander anziehende Magnete angebracht. Dadurch sind hohe Haltekräfte erreichbar.
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Die zwischen dem Innenring und dem Außenring wirkenden Magnete können axial zwischen stirnseitigen Anlageflächen, radial oder unter einen vorgegeben Winkel zur Mittelachse des Innen- bzw. Außenrings geneigt angeordnet sein. Es hat sich herausgestellt, dass durch eine geneigte Anordnung der Magnete eine Stabilisierung bei Kippmomenten erreichbar ist. Die Magnete können z. B. unter einen Winkel von 0 bis 45° zur Anlagefläche zwischen dem Außen- und Innenring angestellt sein.
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In einer energieautarken Ausführung sind die Magnete zweckmäßigerweise als Permanentmagnete ausgeführt. Zur gesteuerten Veränderung der Haftkraft können die Magnete aber auch als Elektromagnete ausgebildet sein. Die Magnete können sowohl in haftender (Haftkraft) als auch abstoßender (Schub- bzw. Druckkraft) Anordnung zwischen Innen- und Außenring zum Einsatz kommen. Abstoßende Magnetanordnungen können dabei auch grundsätzlich zur haftenden Anordnung als Druckelemente und Stoßdämpfer des Innenrings ausgeführt sein.
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Zur Verbesserung der Dämpfung und zur Vermeidung von Schwingungen können zwischen dem Innenring und dem Außenring zusätzliche Dämpfungselemente aus Schaumstoff, viskoelastischen Dämpfungsmatten oder anderen geeigneten Materialien angeordnet sein. Durch diese zusätzlichen Dämpfungselemente kann die kinetische Aufprallenergie im Falle einer Kollision absorbiert werden.
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Für die Zentrierung und Lastmomentaufnahme kann zwischen dem Innen- und Außenring auch eine Positioniereinrichtung mit z. B. im Außenring angeordneten Positionierstiften und entsprechenden Aufnahmebohrungen im Innenring vorgesehen sein.
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Eine Relativbewegung zwischen dem Innen- und Außenring kann durch einen Näherungsschalter oder andere Abstandssensoren erfasst und als Signal zur Abschaltung des Vorschubantriebs verwendet werden. Es können auch zusätzliche Beschleunigungssensoren zur Erfassung des Kontaktes zwischen Außen- und Innenring zur Beurteilung einer Kollision zum Einsatz gelangen.
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Die Vorspannelemente können zweckmäßigerweise als Druckfedern ausgeführt sein, durch die der Innenring mit einer Stirnfläche gegen eine ringförmige Auflagefläche des Außenrings gedrückt wird. Die Vorspannelemente können aber auch als gummielastische Druckkörper oder als hydraulische bzw. pneumatische Druckpolster und dgl. ausgeführt sein.
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Der Innenring kann als durchgehender Ring oder in Art einer Spannzange mit radial federnden Spannsegmenten ausgeführt sein. Auch die Form des Außenrings ist nicht beschränkt. Der Außenring kann eine beliebige Außenkontur zum Einbau in ein entsprechendes Gehäuse aufweisen oder kann direkt im Gehäuse oder einem anderen Bauteil einer Werkzeugmaschine integriert sein.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine Vorrichtung zur Halterung einer als Motorspindel ausgebildeten Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine in einem Längsschnitt;
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2 die Vorrichtung von 1 in einer Rückansicht;
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3 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-A von 1;
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4 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie B-B von 1;
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5 einen Innenring der in 1 gezeigten Vorrichtung in einer Perspektive;
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6 einen Deckel der in 1 gezeigten Vorrichtung in einer Perspektive;
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Halterung einer Arbeitsspindel und
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8 einen Außenring und einen Innenring der Vorrichtung von 7 in einer Perspektive.
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In den 1 und 2 ist eine Vorrichtung zur Halterung einer hier als Motorspindel ausgeführten Arbeitsspindel 1 in einem nicht dargestellten Gehäuse einer Werkzeugmaschine oder einer anderen Bearbeitungsmaschine gezeigt. Das Gehäuse kann z. B. Teil eines Vorschubschlittens, ein Maschinengestell oder ein sonstiges Teil einer Werkzeugmaschine sein. Die als Motorspindel ausgeführte Arbeitsspindel 1 enthält ein Spindelgehäuse 2, in dem eine mit einer Werkzeugaufnahme 3 versehene Spindel 4 über nicht dargestellte Lager um eine Mittelachse 5 drehbar gelagert ist. Die als Motorspindel ausgebildete Arbeitsspindel 1 weist in an sich bekannter Weise auch einen im Spindelgehäuse 3 angeordneten Antriebsmotor auf, wobei die Spindel 4 den Rotor des Antriebsmotors bildet. Die Arbeitsspindel 1 kann auch eine integrierte Spanneinrichtung mit Löseeinheit, eine interne Schmiermittelzuführung, eine Kühlung usw. aufweisen und bildet damit ein komplettes Antriebsaggregat, das vor allem an Fräs- oder Schleifmaschinen als Antriebseinheit für die Werkzeuge aber auch für angetriebene Werkzeugachsen an Drehmaschinen usw. eingesetzt wird.
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Wie besonders aus den 3 und 4 hervorgeht, enthält die Vorrichtung zur Halterung der Arbeitsspindel 1 Der Innenring 6 ist durch in 4 erkennbare Vorspannelemente 8 in Axialrichtung elastisch federnd gegen den Außenring 7 vorgespannt und wird durch eine im Folgenden noch näher erläuterte Magnetanordnung 9 mit einer definierten Haltekraft in einer Betriebsstellung innerhalb des Außenrings 7 gehalten. Der Innenring 6 kann z. B. über Schrauben oder andere Befestigungselemente fest mit einem Flansch 10 des Spindelgehäuses 2 verbunden sein. Der Außenring 7 ist z. B. innerhalb eines Fräskopfes einer Fräsmaschine oder in Gehäusen von Dreh-, Schleif- oder anderen Bearbeitungsmaschinen befestigbar. Durch den Innen- und Außenring 6 bzw. 7 wird eine Schnittstelle zwischen der Werkzeugmaschine und der Arbeitsspindel 1 geschaffen, die zum Schutz der Arbeitsspindel 1 vor Auffahrschäden dient.
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Beim gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der Innenring 6 an seiner Außenseite einen Radialflansch 11. der an seiner zum vorderen Ende der Spindel 3 weisenden vorderen Stirnseite eine zur Mittelachse des Innenrings 6 senkrechte Anlagefläche 12 zur Anlage an einer ringförmigen Auflagefläche 13 an einem inneren Absatz des Außenrings 7 aufweist. Über eine Abrundung 14 an der Außenseite des Ringflanschs 11 liegt der Innenring 6 außerdem an einer entsprechend abgerundeten Lagerfläche 15 des Außenrings 7 an. In der Anlagefläche 12 des Innenrings 6 sind mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete konische Bohrungen 16 zur Aufnahme von Positionierstiften 17 vorgesehen.
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Die in entsprechenden Axialbohrungen 18 im Außenring 7 befestigten Positionierstifte 17 weisen einen von der Auflagefläche 13 vorstehenden Kopf 19 zum Eingriff in die konischen Bohrungen 16 in der Anlagefläche 12 des Innenrings 6 auf. In dem Ringflansch 11 des Innenrings 6 sind induktive Abstandsensoren 20 zur Erfassung einer eventuellen Auslenkung des Innenrings 6 aus der Betriebsstellung angeordnet. Auf dem Außenring 7 ist ein mit einer ersten Dichtung 21 versehener Deckel 22 befestigt. Die erste Dichtung 21 weist eine Dichtlippe 23 zur Anlage an einem inneren Ringansatz 24 des Innenrings 6 auf. In dem Außenring 7 ist ferner eine zweite Dichtung 25 mit einer Dichtlippe 26 zur Anlage an der Außenseite des Innenrings 6 angeordnet.
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Wie aus 4 hervorgeht, ist der Deckel 22 mit dem Außenring 7 durch mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Schrauben 27 verbunden. Zur Ermöglichung einer Kippbewegung des Innenrings 6 gegenüber dem Außenring 7 verlaufen die Schrauben 27 mit einem entsprechenden radialen Spiel durch axiale Durchgangsbohrungen 28 im Ringflansch 11 des Innenrings 6. Die bei der gezeigten Ausführung als Schraubenfedern ausgebildeten Vorspannelemente 8 sind auf dem Schaft 29 der Schrauben 27 aufgesteckt und zwischen einer Distanzhülse 30 an der Schraube 27 und einer dem Deckel 22 zugewandten hinterem Stirnfläche 31 auf der der Anlagefläche 12 gegenüberliegenden Seite des Ringflanschs 11 eingespannt. Durch die als Schraubenfedern ausgebildeten Vorspannelemente 8 wird der Innenring 6 mit seiner Anlagefläche 12 gegen die Auflagefläche 13 des Außenrings 7 gedrückt. Zwischen dem Deckel 22 und der hinteren Stirnfläche 31 des Innenrings 6 sind in den Zwischenräumen zwischen den Schrauben 27 auch in 5 dargestellte ringsegmentförmige Dämpferelemente 32 aus Schaummaterial angeordnet. Die ringsegmentförmigen Dämpferelemente 32 sind gemäß 4 in eine innere Nut 33 des Deckels 22 eingelegt und liegen mit ihrer von der Nut 31 vorstehenden Endfläche 34 an der hinteren Stirnfläche 31 des Ringflanschs 11 an.
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Die Magnetanordnung 9 zur Halterung des Innenrings 6 in einer Betriebsstellung innerhalb des Außenrings 7 besteht bei der in 4 gezeigten Ausführung aus zusammenwirkenden Magneten 35 und 36, durch die der Innenring 6 mit seiner Anlagefläche 12 gegen die Auflagefläche 13 des Außenrings 7 gezogen und in dieser mit einer definierten Haltekraft gehalten wird. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere ringsegmentförmige und sich gegenseitig anziehende Magnete 35 bzw. 36 in entsprechenden Nuten 37 und 38 des Innenrings 6 bzw. Außenrings 7 über deren Umfang gleichmäßig verteilt einander gegenüberliegend angeordnet. Die am Innenring 6 vorgesehenen Magnete 35 sind in Nuten 37 an der abgerundeten Außenseite des Ringflanschs 11 unter einen Winkel gegenüber einer Mittelachse 39 des Innenrings geneigt angeordnet, während die im Außenring 7 vorgesehenen Magnete 36 zur Anlagefläche 12 an der vorderen Stirnseite gerichtet und in entsprechenden stirnseitigen Nuten 38 in der Auflagefläche 13 des Außenrings 7 untergebracht sind. Auch in 5 sind die in der Abrundung 14 an der Außenseite des Ringflanschs 11 angeordneten Nuten 37 zur Aufnahme der geneigt angeordneten Magnete 35 gezeigt. Durch die schräge Anordnung der Magnete 35 ist eine Stabilisierung bei Kippmomenten erreichbar.
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Bei der Ausführung von 4 sind zusammenwirkende Magnete 35 und 36 sowohl am Innenring 6 als auch am Außenring 7 vorgesehen. Zur Erzielung einer magnetischen Haltekraft können aber auch nur am Innenring oder nur am Außenring Magnete angebracht sein. Die Magnete 35 und 36 sind zweckmäßigerweise als Permanentmagnete ausgeführt, können aber auch Elektromagnete sein.
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In den 7 und 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Halterung einer Arbeitsspindel 1 mit einem Außenring 7 und einem innerhalb des Außenrings axial verschiebbar und kippbar angeordneten Innenring 6 zur Aufnahme der Arbeitsspindel 1 gezeigt. Auch bei dieser Ausführung weist der Innenring 7 an seiner Außenseite einen Radialflansch 11 auf, der an seiner zum vorderen Ende der Spindel 3 weisenden vorderen Stirnseite eine Anlagefläche 12 zur Anlage an einer entsprechenden Auflagefläche 13 an einem inneren Absatz des Außenrings 7 aufweist. Über eine Abrundung 14 an der Außenseite des Ringflanschs 11 liegt der Innenring 6 außerdem an einer entsprechend abgerundeten Lagerfläche 15 des Außenrings 7 an. Auch hier wird der Innenring 6 durch als Schraubenfedern ausgebildete Vorspannelemente 8 mit seiner stirnseitigen Anlagefläche 12 gegen die Auflagefläche 13 des Außenrings 7 gedrückt. Die Vorspannelemente 8 sind zwischen den Kopf einer in den Außenring 7 eingeschraubten Schraube 27 und einer hinteren Stirnfläche 31 des Ringflanschs 11 eingespannt. Wie aus 8 hervorgeht, sind die Schrauben 27 mit den als Schraubenfedern ausgebildeten Vorspannelementen in radialen Ausnehmungen 40 des Innenrings 6 untergebracht. Auch hier sind zusätzliche Dämpferelemente 32 zwischen dem Innenring 6 und dem Außenring 7 vorgesehen.
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Im Unterschied zu der Ausführung der 1 bis 6 ist bei dem Ausführungsbeispiel von 7 und 8 der Außenring 7 in Art einer Spannzange mit mehreren radial federnden Spannsegmenten 41 ausgeführt. Die nach hinten auskragenden Spannsegmente 41 sind radial federnd und in Richtung des Innenrings 6 vorgespannt. In radialen Nuten 42 an der Außenseite des Innenrings 6 sind Magnete 43 zur Halterung des Innenrings 6 in einer Betriebsstellung innerhalb des Außenrings 7 untergebracht. Die Dämpferelemente 32 sind zwischen der hinteren Stirnfläche 31 am Ringflansch 11 des Innenrings 6 und einem inneren Absatz 43 an den Spannsegmenten 41 angeordnet.
