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Die Erfindung betrifft eine Arbeitsspindel für eine Werkzeugmaschine.
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Aus der
DE 10 2009 031 404 B3 ist eine Vorrichtung zur Überwachung der Plananlage eines Werkzeugs oder Werkzeugträgers an einer Arbeitsspindel bekannt. Zu dieser Vorrichtung gehören Sensoren, die in Bohrungen angeordnet sind, die eine Plananlagefläche für das Werkzeug oder den Werkzeugträger durchsetzen. Die Plananlage wird von dem Sensor mittels elektromagnetischer Wellen erfasst.
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Die Druckschrift erwähnt außerdem die Überwachung der Werkzeugplananlage mittels Druckluft. Dazu wird ein Druckluftsystem verwendet, welches bei einem Werkzeugwechsel aktiviert wird. Eine korrekte Werkzeugspannung führt zu einem Druckaufbau im Hohlraumbereich des Werkzeugspanners, während eine fehlerhafte Werkzeugspannung keinen oder nur einen geringen Druckaufbau zulässt.
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Grundsätzlich haben sich Systeme zur Plananlagenmessung mittels Druckluft bewährt. Jedoch geraten solche System an ihre Grenzen, wenn gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit und Messgeschwindigkeit erreicht werden sollen. Eine hohe Messgenauigkeit lässt sich mit Andockstationen erreichen, die zur Vornahme der Plananlagemessung eine Druckluftzuführung an die Spindel heranfahren und mit dieser dicht koppeln. Eine hohe Messgeschwindigkeit lässt sich erzielen, indem der Spindel Druckluft direkt zugeführt wird. Hierbei sind jedoch Leckagen ebenso problematisch wie auftretender Verschleiß von Dichtungen.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Arbeitsspindel für eine Werkzeugmaschine zu schaffen, die ein einfaches und zuverlässiges System zur Plananlagenmessung beinhaltet.
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Diese Aufgabe wird mit der Arbeitsspindel nach Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Arbeitsspindel umfasst mindestens ein nicht drehend angeordneten Lagerteil und einen drehend angeordneten Spindelteil, die beide jeweils mindestens einen Druckluftkanal enthalten. Die Druckluftkanäle sind über einen Übergabespalt miteinander verbunden, der mindestens eine druckgesteuerte Dichtung zur gesteuerten Abdichtung zur Umgebung aufweist. Die Dichtung arbeitet vorzugsweise druckgesteuert. Bei fehlendem Druck dichtet die Dichtung nicht ab. Vielmehr hebt ein Dichtungselement, z.B. in Gestalt einer Lippendichtung von der zugeordneten Dichtungsfläche ab. In einer Alternative liegen sie vorspannungslos an. Dadurch kann der Spindelteil in der Dichtung solange berührungslos oder jedenfalls ohne schädliche Reibung laufen, wenn keine Plananlagemessung durchgeführt wird. Dichtungsverschleiß wird ebenso ausgeschlossen wie Spindelerwärmung durch Reibungswärme. Durch Ausschluss einer Erwärmung der Spindel infolge Reibung in der Dichtung wird ein erwärmungsbedingtes Wandern des Spindelnullpunkts vermieden, was eine erhöhte Bearbeitungsgenauigkeit ermöglicht.
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Wenn die Dichtungen auch bei Nichtaktivierung ganz leicht an der Dichtungsfläche anliegen (Spaltweite Null), kann die Spindel dennoch mit hoher Drehzahl laufen. Die entstehende Reibung ist wegen der fehlenden Vorspannung der Dichtung fast Null.
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Vorzugsweise weist die Dichtung zwei ringförmige Lippendichtungen auf, die mit der Dichtungsfläche im Ruhezustand einen kreisförmigen Spalt festlegen. Die Spaltweite dieses Spalts beträgt vorzugsweise wenige Zehntel Millimeter. Er ist dabei so groß bemessen, dass er bei allen Spindeldrehzahlen und Spindeltemperaturen einen berührungslosen Lauf derselben ermöglicht.
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Die Lippendichtung ist vorzugsweise an dem nicht drehenden Lagerteil ruhend angeordnet. Dadurch werden Fliehkräfte, die zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Spaltes führen könnten, ausgeschlossen. Es ist aber insbesondere bei niedrigen Spindeldrehzahlen und/oder geringen Spindeldurchmessern auch möglich, die Dichtung an dem drehenden Spindelteil anzuordnen.
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Die Lippendichtungen begrenzen zwischen einander vorzugsweise einen Ringraum, der über den ersten Druckkanal mit Druckluft beaufschlagbar ist. Die Druckluftbeaufschlagung erfolgt dabei vorzugsweise gesteuert und überwacht. Zur Steuerung kann der Druckluftkanal mit einer Druckquelle verbunden sein, die bei Drehung des Spindelteils inaktiv ist, d.h. keinen Druck liefert. Allerdings kann die Druckbeaufschlagung bereits kurz vor einem vollständigen Stopp einer Arbeitsspindel beginnen und auch erst kurz nach dem Anlauf einer Arbeitsspindel, oder während desselben, aufgehoben werden. Kurzzeitige Berührungen der Dichtungsfläche durch die Lippendichtung sind meist unbedenklich.
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Die Plananlagemessung kann auf Zeiten beschränkt sein, in denen die Arbeitsspindel nicht oder nur langsam dreht. Die Messung wird z.B. mit Druckluft durchgeführt. Durch Druckbeaufschlagung sind schwenkbewegliche Dichtlippen selbst elastisch verformt oder ihre Abstützung ist elastisch verformt, so dass die Dichtlippe mit einer Dichtkante an der Dichtfläche anliegt. Die Abdichtung kann fast oder vollständig leckagefrei sein. Die Plananlagemessung kann dann durchgeführt werden, indem eine Druckquelle aktiviert und dann der Druckluftzustrom mit einem Ventil verschlossen wird. Bleibt der Druck bestehen oder ist der eintretende Druckabfall gering, liegt eine korrekte Werkzeugspannung mit korrekter Plananlage vor. Der eintretende Druckabfall kann durch einen Druckschalter oder geeignete Drucksensoren erfasst und durch eine Auswerteeinrichtung mit einer gegebenen Druckschwelle oder einer Referenzkurve verglichen werden. Alternativ kann der Druck der Druckquelle dauerhaft aktiviert bleiben, das heißt es erfolgt kein Verschluss mit einem Ventil. In diesem Fall fließt fortwährend Luft durch eine von den Druckluftkanälen abzweigende Düse, wobei die Messung nach dem Bernoulli-Prinzip erfolgt. Verändert sich nämlich der Volumenstrom in der Düse, weil ein Druckabfall infolge einer nicht korrekten Werkzeugspannung auftritt, wird dies von einem Drucksensor an der Düse detektiert.
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Die Dichtung ist vorzugsweise in einem Spindeldeckel angeordnet. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch der Dichtung. Außerdem ermöglicht dieses Konzept einen einfachen Spindelaustausch, wie er gelegentlich zu Reparaturoder Wartungszwecken vorgenommen werden muss. Die Justage der Axialposition (Nullposition) bleibt beim Spindeltausch problemlos erhalten.
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Vorzugsweise weist der zweite Druckluftkanal ein Rückschlagventil auf, dessen Durchlassrichtung von der Dichtung weg gerichtet ist. Damit wird vermieden, dass Fremdstoffe wie Kühlmittel, Kühlschmiermittel oder dergleichen, aus der Werkzeugaufnahme in den Druckluftkanal und insbesondere in die Spindellagerung gerät. Dadurch erweist sich die Arbeitsspindel als besonders robust und auch dann als betriebssicher, wenn etwaige Dichtungen zur Abdichtung von Kühlschmiermittelkanälen nicht ganz dicht sind, die zu dem Werkzeug führen. Vorzugsweise ist das Ventil so orientiert, dass sein Ventilverschlussglied radial nach außen in Schließrichtung bewegt wird. Die bei Spindeldrehung auftretende Fliehkraft wirkt als Schließkraft auf das Ventil. Dadurch ist besonders hohe Sicherheit gegen das Eindringen von Kühlschmiermittel in die Spindellagerung gegeben.
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Der zweite Druckluftkanal kann zu einer Kegelfläche eines Futters, insbesondere aber zu mindestens einer und vorzugsweise mehreren Plananlageflächen desselben führen. Die Plananlageflächen sind vorzugsweise an kleinen erhabenen Vorsprüngen ausgebildet und dienen zur Festlegung einer Anlageebene für eine entsprechende Bezugsfläche des Werkzeughalters oder des Werkzeugs. Die hier angeordneten Öffnungen des Druckluftkanals werden bei korrekt anliegendem Werkzeug oder Werkzeugträger dicht verschlossen, so dass in dem Druckluftkanal ein entsprechender Prüfungsdruck aufgebaut und gehalten werden kann. Ist die Plananlage nicht gegeben, entstehen Leckagen, die einen Druckaufbau und die Druckhaltung in den Druckluftkanal verschlechtern oder verhindern.
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Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Arbeitsspindel ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen. Es zeigen:
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1 eine Werkzeugmaschine, mit Arbeitsspindel, in schematisierter Seitenansicht,
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2 eine Arbeitsspindel, in schematisierter längs geschnittener Darstellung,
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2a die Arbeitsspindel nach 2, in schematisierter ausschnittweiser Perspektivansicht,
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3 die Dichtungsanordnung der Spindel nach 2, in schematisierter vergrößerter Darstellung,
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4 und 5 die Dichtung der Dichtungsanordnung nach 3 ohne und mit Druckbeaufschlagung.
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In 1 ist eine Werkzeugmaschine 10 schematisch veranschaulicht, die mindestens eine Arbeitsspindel 11 und mindestens einen Werkstückaufspannplatz 12 zur Aufnahme eines Werkstücks 13 aufweist. Die räumliche Anordnung und Ausrichtung der Arbeitsspindel 11 und des Werkstückaufspannplatzes 12 können in der dargestellten Weise oder auch abweichend getroffen sein.
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Die Arbeitsspindel 11 dient der Aufnahme eines Werkzeugs 14, das direkt oder vermittels eines Werkzeughalters 15 von einem Futter 16 der Arbeitsspindel 11 aufgenommen ist. Die Arbeitsspindel 11 kann an der Werkzeugmaschine 10 ortsfest oder auch in einer oder mehreren Richtungen linear beweglich oder schwenkbeweglich angeordnet sein. Dessen ungeachtet weist sie einen nicht drehend angeordneten Lagerteil 17 und einen Spindelteil 18 auf, der in oder an dem Lagerteil 17 drehbar gelagert ist. Dazu sind Radiallager 19, 20 sowie ein Drucklager 21 oder gegebenenfalls auch eine andere Lageranordnung vorgesehen.
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Der Spindelteil 18 trägt an seinem dem Werkzeug 14 zugewandten Ende das Futter 16 oder bildet selbst ein solches. Das Futter 16 ist insbesondere zur Aufnahme von Werkzeugen oder Werkzeughaltern mit Hohlschaftkegeln 22 eingerichtet. Dazu weist das Futter 16 eine entsprechende konische Öffnung 23 auf.
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Der Spindelteil 18 weist eine Spannvorrichtung 24 auf, mittels derer der Hohlschaftkegel 22 in die Öffnung 23 hinein spannbar ist. Zu der Spannvorrichtung 24 kann eine entsprechende Spannstange 25 gehören, die in bekannter Weise ausgebildet sein kann, um mit einer Struktur des Hohlschaftkegels zu koppeln und diesen mit Zugkraft zu beaufschlagen. Zugleich kann die Spannstange 25 dazu dienen, Kühlmittel, Kühlschmiermittel oder sonstige Fluide, zu dem Werkzeughalter 15 und somit zu dem Werkzeug 14 zuzuführen.
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Das Werkzeug 14 oder der Werkzeughalter 15 weisen einen Bund 26 auf, der beispielsweise als Greifscheibe ausgebildet sein kann und an seiner der Arbeitsspindel 11 zugewandten Seite eine Plananlagefläche 27 aufweist. Das Futter 16 bietet eine entsprechende Stirnanlage, die insbesondere aus der perspektivischen Detailansicht 2a ersichtlich ist. Die Stirnanlage kann durch eine Ringfläche oder wie 2a andeutet durch einzelne an Vorsprüngen ausgebildete Plananlageflächen 28, 29, 30 ausgebildet sein, die in einer gemeinsamen Ebene liegen.
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Die erfindungsgemäße Arbeitsspindel weist einen ersten Druckluftkanal 31 auf, der sich durch den nicht drehenden Lagerteil erstreckt. Der erste Druckluftkanal führt zu einem Übergabespalt 32, dessen Aufbau insbesondere aus 3 hervorgeht. Der Übergabespalt 32 umgibt das Futter 16 oder den als Futter dienenden entsprechenden Abschnitt des Spindelteils 18. Mit dem Übergabespalt 32 kommuniziert ein zweiter Druckluftkanal 33, der zu Öffnungen 34, 35, 36 verzweigt, die die Anlageflächen 28, 29, 30 durchsetzen. Außerdem kann der zweite Druckluftkanal 33 zu einer oder mehreren Öffnungen 37, 38 verzweigen, die an der Konusfläche der Schaftaufnahme für den Hohlschaftkegel münden.
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In dem zweiten Druckluftkanal 33 kann, wie 3 andeutet, ein Rückschlagventil 39 angeordnet sein, das einen Luftstrom nur zu den Öffnungen 34 bis 38 hin, jedoch keinen Fluidstrom in rückwärtiger Richtung gestattet. Seinem Ventilverschlussglied, das z.B. eine Kugel ist, ist ein radial außen angeordneter Ventilsitz zugeordnet, so dass das Ventilverschlussglied bei Drehung des Spindelteils 17 durch Fliehkraft in Schließrichtung gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Zusätzlich kann eine nicht weiter veranschaulichte Schließfeder vorgesehen sein. Diese kann jedoch relativ schwach sein, so dass schon eine geringe Druckdifferenz zur Überwindung der Schließkraft derselben ausreicht. Durch diese Maßnahme kann die Plananlageprüfung durch Druckaufbau in dem Kanal 31 besonders feinfühlig ausgelegt werden.
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In dem Übergabespalt 32 ist eine Dichtungsanordnung 40 vorgesehen, die vorzugsweise zwei ringförmige Dichtungen 41, 42 umfasst. Die Dichtungen 41, 42 sind untereinander gleich ausgebildet. Die nachfolgende Beschreibung der Dichtung 41 gilt somit entsprechend für die Dichtung 42.
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Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, weist die Dichtung 41 einen Körper 43 auf, der an dem nicht drehenden Lagerteil 17 oder einem zu diesem gehörenden Lagerdeckel 17a angeordnet und gehalten ist. Der Körper 43 der ringförmigen Dichtung 41 besteht dabei vorzugsweise aus einem Elastomer. Außerdem gehört zu der Dichtung 41 eine ringförmige Dichtlippe 44, deren Dichtkante 45 mit einer zylindrischen gegenüberliegenden Dichtfläche 46 des Spindelteils 18 bzw. des Futters 16 einen Ringspalt 47 festlegt. Dieser Ringspalt 44 hat im Ruhezustand der Dichtung 41 normalerweise eine Spaltweite S von wenigen Zehntels Millimetern. Die Spaltweite S ist dabei vorzugsweise so groß bemessen, dass bei keiner Arbeitstemperatur des Spindelteils 18 oder Futters 16 und bei keiner Betriebsdrehzahl desselben eine Berührung zwischen der Dichtungskante 45 und der Dichtfläche 46 auftritt. Der Körper 43 kann durch einen Metallring 48 ausgesteift sein, der mit der Dichtlippe 44 vorzugsweise ein Polster 49 aus Elastomermaterial einschließt.
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Die Dichtlippe 44 und gegebenenfalls auch das Polster 49 sind wenigstens etwas flexibel. Die Flexibilität ist so bemessen, dass bei Beaufschlagung des von den Dichtungen 41, 42 eingeschlossenen Zwischenraums 50 mit Druckluft von mehreren Bar sich die Dichtlippe 44 mit der Dichtungskante 45 an die Dichtfläche 46 anlegt, wie es 5 zeigt.
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Der Druckluftkanal 31 ist an eine gesteuerte Druckquelle 51 angeschlossen, über die er gezielt mit Druckluft beaufschlagbar ist. Der Druckluftquelle 51 ist außerdem eine Überwachungseinrichtung 52 zugeordnet, die beispielsweise durch einen Drucksensor oder einen Druckschalter gebildet wird. Die Druckluftquelle 51 und die Überwachungseinrichtung 52 können mit der Maschinensteuerung oder einer gesonderten Steuerung oder Signalisierungseinrichtung verbunden sein.
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Die Werkzeugmaschine 10 und insbesondere die Arbeitsspindel 11 arbeiten wie folgt:
Wird ein Werkzeugwechsel vorgenommen, gibt die Spannvorrichtung 24 den Werkzeughalter 15 frei. Eine nicht weiter dargestellte Greifereinrichtung entfernt den Werkzeughalter 15 und setzt einen anderen Werkzeughalter in das Futter 16 ein. Zuvor kann der Druckluftkanal 31 kurzzeitig mit Druckluft beaufschlagt werden, um beispielsweise Späne, Fluidreste oder sonstige Fremdkörper, aus der Aufnahme für den Hohlschaftkegel 22 zu entfernen. Die Druckbeaufschlagung kann nun fortgesetzt oder unterbrochen werden. Spätestens jedoch, wenn der Werkzeughalter 15 in das Futter 16 eingesetzt ist, wird die Druckluftquelle 51 aktiviert, um einen Druck in dem Druckluftkanal 31 aufzubauen. Dies ist nur möglich, wenn die Öffnungen 37, 38 und insbesondere die Öffnungen 34, 35, 36 dicht verschlossen sind. Bei korrekter Plananlage des Bunds 26 an den Anlagenflächen 28, 29, 30 ist dies der Fall. Der sich ergebende Druckstau wirkt, wie 5 zeigt, auf die Dichtlippe und legt diese nun an die nicht drehende Dichtfläche 46 an. Es kann sich ein Druck aufbauen, der auch dann aufrechterhalten wird, wenn die Druckluftquelle 51 abschaltet und keine weitere Druckluft nachfördert.
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Die Überwachungseinrichtung 52 überwacht den Druck oder den zeitlichen Druckverlauf. Bleibt der Druck konstant, kann die Überwachungseinrichtung oder eine an diese angeschlossene Maschinensteuerung ein Freigabesignal erzeugen, das anzeigt, dass eine korrekte Plananlage des Werkzeughalters 15 an den entsprechenden Anlageflächen 28 bis 30 des Futters 16 gegeben ist. Es wird nun der Kanal 31 druckentlastet und der Betrieb der Arbeitsspindel 11 freigegeben. Sobald die Druckentlastung eingetreten ist, heben die Dichtlippen 44 wieder von der Dichtfläche 46 ab. Der Ringspalt 47 nimmt wieder seine ursprüngliche Spaltweite S an und der Spindelteil 18 kann mit beliebiger Drehzahl drehen, ohne dass an der Dichtlippe 44 Reibung entsteht.
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Das Rückschlagventil 39 bleibt nun während des Betriebs der Arbeitsspindel 11 geschlossen. Dies kann durch nicht veranschaulichte Federmittel sichergestellt werden. Zusätzlich kann bei entsprechender Orientierung des Rückschlagventils 39 die Fliehkraft schließend wirken. Von dem Druckluftkanal 33 eingeschlossene Druckluft kann die Schließwirkung unterstützen.
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Vorzugsweise ist jeder Öffnung 37, 38 jeweils ein Rückschlagventil zugeordnet. Dieses verhindert beim Werkzeugwechsel das Eindringen von Fluiden wie Kühlschmiermittel oder dergleichen in den Druckluftkanal 33. Insbesondere verhindern die Rückschlageventile 39 das Vordringen von Schmiermittel, Kühlschmiermittel sowie in diesen enthaltenen Feststoffe in den Übergabespalt 32 und das Vordringen zu den Lagern 19, 20, 21.
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Die erfindungsgemäße Arbeitsspindel 11 weist eine druckluftgestützte Plananlageprüfung für den Werkzeughalter 15 auf. Die Druckluft wird an einem Übergabespalt durch eine im Ruhezustand berührungslose Dichtungsanordnung 40 übergeben. Deren Dichtungen 41, 42 legen sich mit ihrer jeweiligen Dichtlippe 44 erst bei Druckbeaufschlagung an den Spindelteil 18 bzw. das Futter 16 an. Während des Betriebs der Arbeitsspindel 11, d.h. wenn sich der Spindelteil 18 dreht, ist die Dichtungsanordnung 40 berührungslos und somit reibungsfrei. Verschleiß und Wärmeerzeugung an der Arbeitsspindel 11 werden somit vermieden. Zur Dichtprüfung kann hingegen eine sehr feinfühlige Überwachung der Plananlage stattfinden. Die Leckrate der Dichtungsanordnung 40 kann um Größenordnungen kleiner sein als Leckraten, die bei nicht plan sitzendem Werkzeughalter 15 an den Anlageflächen 28, 29, 30 entstehen.
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Die Erfindung liefert eine sehr kostengünstige Option zur Plananlageprüfung, die auch die Funktion des Späneabblasens übernimmt. Die Erfindung lässt sich an bestehenden Arbeitsspindeln nachrüsten und arbeitet schnell, genau und zuverlässig. Es ist kein Eingriff in den inneren Aufbau der Arbeitsspindel
11 nötig. Bezugszeichen:
| 10 | Werkzeugmaschine |
| 11 | Arbeitsspindel |
| 12 | Werkstückaufspannplatz |
| 13 | Werkstück |
| 14 | Werkzeug |
| 15 | Werkzeugaufnahme |
| 16 | Futter |
| 17 | nichtdrehender Lagerteil der Arbeitsspindel |
| 17a | Lagerdeckel |
| 18 | Spindelteil |
| 19, 20 | Radiallager |
| 21 | Drucklager |
| 22 | Hohlschaftkegel |
| 23 | Öffnung |
| 24 | Spannvorrichtung |
| 25 | Spannstange |
| 26 | Bund |
| 27 | Plananlagefläche |
| 28, 29, 30 | Anlageflächen |
| 31 | erster Druckluftkanal |
| 32 | Übergabespalt |
| 33 | zweiter Druckluftkanal |
| 34, 35, 36 | Öffnungen in den ebenen Anlageflächen |
| 37, 38 | Öffnungen in der Konusfläche |
| 39 | Rückschlagventil |
| 40 | Dichtungsanordnung |
| 41, 42 | Dichtungen |
| 43 | Dichtungskörper |
| 44 | Dichtlippe |
| 45 | Dichtungskante |
| 46 | Dichtfläche |
| 47 | Ringspalt |
| S | Spaltweite |
| 49 | Polster |
| 50 | Zwischenraum |
| 51 | Druckluftquelle |
| 52 | Überwachungseinrichtung |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009031404 B3 [0002]
