DE102016212896B4

DE102016212896B4 - Werkzeugspindel

Info

Publication number: DE102016212896B4
Application number: DE102016212896.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus Maier; Sascha Tschiggfrei; Karlheinz Jansen
Original assignee: WTO Vermoegensverwaltung GmbH
Current assignee: WTO Vermoegensverwaltung GmbH
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: WO2018011079A3; WO2018011079A2; DE102016212896A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugspindel mit einer Welle, wobei an einem freien Ende der Welle eine Werkzeugaufnahme angeordnet ist, mit einer Achse, wobei ein freies Ende der Achse zur Aufnahme in einer Spindelhalterung vorgesehen ist, und mit einer Turbine, wobei die Turbine mit der Welle verbunden ist, bei der die Welle wenigstens einen Hohlwellenabschnitt aufweist, der die Achse abschnittsweise umgibt und bei der wenigstens ein Drehlager zwischen dem Hohlwellenabschnitt der Welle und der Achse angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugspindel mit einer Welle, wobei an einem freien Ende der Welle eine Werkzeugaufnahme angeordnet ist, mit einer Achse, wobei ein freies Ende der Achse zur Aufnahme in einer Spindelhalterung oder in einem Adapter vorgesehen ist, und mit einer Turbine, wobei die Turbine mit der Welle verbunden ist.
Eine Werkzeugspindel mit druckluftangetriebener Turbine ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 9211972 U1 bekannt.
Eine Werkzeugspindel mit Turbine, bei der die Turbine mit Kühlflüssigkeit angetrieben wird, ist aus der Offenlegungsschrift US 2013/0195576 A1 bekannt.
Eine Werkzeugspindel mit Turbine ist beispielsweise aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 2015/036840 A2 bekannt. Die Turbine ist dort unmittelbar anschließend an die Werkzeugaufnahme an der Welle vorgesehen. Die Lagerung der Welle erfolgt innerhalb eines Gehäusehohlraums des Spindelgehäuses. Die Turbine wird mit Kühlflüssigkeit betrieben. Um das unmittelbar hinter der Turbine angeordnete Lager zu schützen, ist eine Schleuder vorgesehen, die von der Turbine abgelenktes Wasser radial nach außen in einen ringförmigen Fluidkanal ablenkt.
Aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 2014/138481 A2 ist eine weitere Werkzeugspindel mit einer Turbine bekannt. Die Werkzeugspindel weist ein Turbinengehäuse auf. Um die Lager der Welle problemlos wechseln zu können, ist das Turbinengehäuse mit einem vorderen und einem hinteren Deckel versehen. Nach dem Entfernen der Deckel sind die Lager in einfacher Weise zugänglich. Das Antriebsfluid durchströmt die Lager. Problematisch kann sein, dass die Lager bedingt durch die Durchströmung mit dem Antriebsfluid schnell verschleißen.
Aus der internationalen Offenlegungsschrift WO 2016/042539 A1 ist eine weitere Werkzeugspindel bekannt, die mittels einer Turbine angetrieben wird. Ein Antriebsfluid wird durch Schlitze in einem Spindelgehäuse zu der Turbine geleitet. Die Turbine ist anschließend an die Werkzeugaufnahme an der Welle angeordnet. Von der Turbine abgeleitetes Wasser tritt über einen Stirndeckel mit zahlreichen Austrittsöffnungen in Richtung auf das Werkstück aus.
Mit der Erfindung soll bei einer Werkzeugspindel, mit einer Turbine, die mit einer Welle verbunden ist, der Schutz eines Drehlagers der Welle vor dem Antriebsfluid der Turbine verbessert werden.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Werkzeugspindel mit einer Welle, wobei an einem freien Ende der Welle eine Werkzeugaufnahme angeordnet ist, mit einer Achse, wobei ein freies Ende der Achse zur Aufnahme in einer Spindelhalterung oder in einem Adapter vorgesehen ist, und mit einer Turbine, wobei die Turbine mit der Welle verbunden ist, vorgesehen, bei der die Welle wenigstens einen Hohlwellenabschnitt aufweist, der die Achse abschnittsweise umgibt, und bei der wenigstens ein Drehlager zwischen dem Hohlwellenabschnitt der Welle und der Achse angeordnet ist.
Indem die Welle wenigstens einen Hohlwellenabschnitt aufweist und wenigstens ein Drehlager zwischen dem Hohlwellenabschnitt der Welle und der Achse angeordnet ist, können die Lager geschützt angeordnet werden. Dies ist gerade deshalb von Bedeutung, da die Turbine üblicherweise mit Kühlflüssigkeit angetrieben wird. Das Anordnen des wenigstens einen Drehlagers innerhalb des Hohlwellenabschnitts der Welle erleichtert die Abdichtung des Drehlagers gegen das Kühlwasserfluid erheblich. Darüber hinaus wird ein flexibler Aufbau erzielt, da die Anordnung der Turbine an verschiedenen Positionen auf der Welle erfolgen kann. Dies deshalb, da das wenigstens eine Drehlager innerhalb des Hohlwellenabschnitts angeordnet ist und infolgedessen auf die Anordnung der Drehlager nur eingeschränkt Rücksicht genommen werden muss. Generell können alle Typen von Lagern und Lageranordnungen eingesetzt werden, die für die Drehzahlen geeignet sind und die auftretenden radialen und axialen Kräfte aufnehmen können. Die Werkzeugaufnahme kann zum unmittelbaren oder mittelbaren Aufnehmen eines Werkzeugs vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann die Werkzeugaufnahme auch zum Aufnehmen eines sogenannten Werkzeugwechselsystems ausgebildet sein.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Turbine auf einer Außenseite des Hohlwellenabschnitts angeordnet.
Auf diese Weise kann in Längsrichtung der Werkzeugspindel gesehen ein sehr kompakter Aufbau erzielt werden. Die Anordnung der Turbine auf der Außenseite des Hohlwellenabschnitts ermöglicht es auch, die Lage der Turbine in Längsrichtung gesehen unterschiedlich zu wählen. Dadurch kann die Werkzeugspindel auf unterschiedliche Anwendungszwecke abgestimmt werden. Da innerhalb des Hohlwellenabschnitts das wenigstens eine Drehlager angeordnet ist, kann die Turbine bei einer Anordnung auf der Außenseite des Hohlwellenabschnitts einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweisen und dadurch ein hohes Drehmoment an der Welle erzeugen.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Turbine als Freistrahlturbine ausgebildet.
Freistrahlturbinen weisen einen guten Wirkungsgrad auf und sind darüber hinaus wenig verschleißanfällig. Der Aufbau der Werkzeugspindel vereinfacht sich durch die Wahl einer Freistrahlturbine, da zur Beaufschlagung der Freistrahlturbine mit dem Antriebsfluid lediglich mindestens eine, auf die Turbine gerichtete Düse vorhanden sein muss. Die Turbine kann beispielsweise ähnlich einer Pelton-Turbine aufgebaut werden.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Achse einen Flansch auf, der in Längsrichtung der Achse gesehen vor der Turbine endet, und in radialer Richtung außerhalb der Turbine ist lediglich wenigstens ein Düsenhalter mit wenigstens einer Düse für ein Antriebsfluid angeordnet, wobei der wenigstens eine Düsenhalter die Turbine lediglich über einen Teil des Umfangs der Turbine umgibt.
Auf diese Weise wird der Abfluss des Antriebsfluids von der Turbine praktisch nicht behindert und eine geringe Reibung durch abfließendes Wasser und dadurch ein guter Wirkungsgrad können erzielt werden. Beispielsweise umgibt der Düsenhalter oder umgeben mehrere Düsenhalter die Turbine lediglich über weniger als die Hälfte des Umfangs der Turbine. Der Flansch kann eine beliebige Form haben und weist insbesondere eine an eine Form einer Spindelhalterung angepasste Außengeometrie auf. Insbesondere ist der Flansch ringförmig. Die Achse kann auch einteilig mit dem Flansch ausgebildet sein.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Turbine in einer Weise ausgebildet, dass das Antriebsfluid in axialer Richtung gesehen eine Vorderseite der Turbinenschaufeln anströmt und die Turbinenschaufeln dann auf der gegenüberliegenden Rückseite wieder verlässt.
Solche im Wesentlichen axial durchströmte Turbinen erlauben dadurch eine sehr kompakte Anordnung und sind auch für größere Durchflussmengen an Antriebsfluid geeignet. Speziell für den Fall des Antriebs einer Werkzeugspindel lässt sich eine sehr kurze Baulänge, weniger Bauelemente und auch eine Strömungsrichtung von den Drehlagern weg und in Richtung der Schneidwerkzeuge realisieren. Da die Turbinenschaufeln im Wesentlichen in axialer Richtung durchströmt werden, tritt wesentlich weniger Antriebsfluid in radialer Richtung aus als beispielsweise bei einer Pelton-Turbine. Eine radiale Abdeckung des Turbinenrads kann dadurch gegebenenfalls weggelassen werden. Auch der Wirkungsgrad einer solchen Turbine ist sehr groß und es lassen sich für den Betrieb einer Werkzeugspindel gut geeignete Drehzahlbereiche erzielen. Ein solcher Aufbau ähnelt dem Aufbau einer Turgo-Turbine.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Achse einen, insbesondere ringförmigen, Flansch auf, der in Längsrichtung der Achse gesehen vor dem Turbinenrad endet und in oder an dessen, dem Turbinenrad zugewandten Oberfläche wenigstens eine Düse für ein Antriebsfluid angeordnet ist.
Durch die axiale Anströmung der Turbine muss die Düse nicht mehr radial außerhalb des Turbinenrades angeordnet sein. Vielmehr kann eine platzsparende Anordnung der Düse oder der Düsen auf einer Stirnseite des Turbinenrads vorgenommen werden.
In Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei Drehlager zwischen dem Hohlwellenabschnitt und dem Schaft angeordnet, wobei ein erstes Drehlager in Längsrichtung der Achse näher an der Spindelhalterung und ein zweites Drehlager näher an der Werkzeugaufnahme angeordnet ist.
Auf diese Weise kann eine stabile Lagerung erzielt werden und vom Werkzeug und der Turbine in die Welle eingeleitete Kräfte können gleichmäßig zwischen den Lagern verteilt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Turbine mittig zwischen den beiden Drehlagern angeordnet.
Auf diese Weise kann eine im Wesentlichen symmetrische Lagerbelastung in Bezug auf die von der Turbine eingeleiteten Kräfte erzielt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Turbine in Längsrichtung der Achse gesehen näher an dem ersten Drehlager oder radial außerhalb des ersten Drehlagers angeordnet.
Das erste Drehlager ist näher an der Spindelhalterung angeordnet und indem somit auch die Turbine in Längsrichtung der Achse gesehen in Richtung auf die Spindelhalterung verschoben ist, kann ein sehr schlanker Aufbau der Welle im Bereich des freien Endes mit der Werkzeugaufnahme erzielt werden. Speziell ergibt sich unmittelbar anschließend an die Werkzeugaufnahme eine kleine Störkontur, so dass die Werkzeugspindel in sehr vorteilhafter Weise auf Drehzentren eingesetzt werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Turbine in Längsrichtung der Achse gesehen näher an dem zweiten Drehlager oder radial außerhalb des zweiten Drehlagers angeordnet.
Das zweite Drehlager ist in Längsrichtung der Achse gesehen näher an der Werkzeugaufnahme angeordnet. Eine Verschiebung der Turbine in Richtung auf die Werkzeugaufnahme ermöglicht einen sehr kompakten und in Längsrichtung kurzen Aufbau der Werkzeugspindel. Dadurch kann die Werkzeugspindel auch in Maschinen eingesetzt werden, in denen nur wenig Platz zur Verfügung steht, beispielsweise in einem Drehzentrum mit stark begrenztem Arbeitsraum. Indem die Turbine in Richtung auf die Werkzeugaufnahme verschoben ist, weist die Turbine auch einen größeren Abstand vom ersten Drehlager auf. Die Abdichtung des ersten Drehlagers gegen das Antriebsfluid ist dadurch deutlich vereinfacht. Das zweite Drehlager ist ja in dem Hohlwellenabschnitt der Welle näher an der Werkzeugaufnahme angeordnet als das erste Drehlager. Die Abdichtung des zweiten Drehlagers ist daher in Bezug auf das Antriebsfluid unproblematisch.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Achse einen Flansch auf, wobei ein Sensor an dem Flansch angeordnet ist und wobei der Sensor zum Erfassen von Betriebsparametern der Werkzeugspindel vorgesehen ist.
Das Vorsehen eines Flansches an der Achse erlaubt eine Montage des Sensors in unterschiedlichsten Stellungen. Dadurch kann auch für unterschiedlichste Sensoren eine optimale Montageposition gefunden werden. Speziell weist die erfindungsgemäße Werkzeugspindel kein Spindelgehäuse auf, da die Welle im Bereich ihres Hohlwellenabschnitts gelagert ist. Die Anordnung eines Sensors kann daher unbeeinflusst von einer Gehäuseform erfolgen. Eine Blickrichtung oder Erfassungsrichtung des Sensors kann sowohl axial als auch radial sein. Beispielsweise kann der Sensor in axialer Richtung vor oder hinter Markierungen auf der Welle oder radial innerhalb oder außerhalb von Markierungen auf der Welle angeordnet sein. Selbstverständlich ist auch eine Blickrichtung oder Erfassungsrichtung schräg zur Welle möglich.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor zum Erfassen von Betriebsparametern der Welle ausgebildet.
Beispielsweise kann eine Drehzahl der Welle erfasst werden. Da die Lagerung der Welle auf der Innenseite des Hohlwellenabschnitts erfolgt, ist die Außenseite des Hohlwellenabschnitts zugänglich, zumindest optisch mechanisch oder zum Erfassen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern zugänglich, um die erforderlichen Messwerte zu erfassen.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein auf der Seite der Spindelhalterung liegendes Ende des Hohlwellenabschnitts mit wenigstens einer Markierung versehen und der Sensor wirkt mit der Markierung zusammen.
Auf diese Weise kann ein kompakter Aufbau erreicht werden und, um Betriebsparameter der Welle zu erfassen, ist keine Durchgangsöffnung im Gehäuse erforderlich. Vielmehr liegt das auf der Seite der Spindelhalterung liegende Ende des Hohlwellenabschnitts über seinen Umfang gesehen zumindest abschnittsweise frei und kann problemlos mittels eines Sensors beaufschlagt werden. Als Markierungen können unterschiedlichste Markierungen vorgesehen sein. Beispielsweise können Zähne, Einkerbungen oder Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, die dann beispielsweise optisch erkennbar sind. Als Markierungen können beispielsweise auch Magnete oder magnetisierte Zonen vorgesehen sein, die dann beispielsweise mittels eines Hall-Sensors erkannt werden können. Darüber hinaus sind auch reflektierende Markierungen, beispielsweise mittels Reflexfolie, möglich, die dann mittels eines optischen Sensors erkannt werden können.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Achse an ihrem auf der Seite der Werkzeugaufnahme liegenden Ende eine konzentrische Ausnehmung auf und eine Hülse der Welle ist innerhalb der Ausnehmung angeordnet.
Auf diese Weise kann ein in Längsrichtung kompakter Aufbau erzielt werden und Funktionsteile der Welle können zumindest abschnittsweise in der konzentrischen Ausnehmung der Achse aufgenommen werden.
In Weiterbildung der Erfindung bildet die Hülse einen Abschnitt der Werkzeugaufnahme.
Die Werkzeugaufnahme und ein gegebenenfalls darin abschnittsweise angeordnetes Werkzeug können sich dadurch noch in die Ausnehmung der Achse hineinerstrecken, um einen in Längsrichtung besonders kompakten Aufbau zu erzielen.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Achse einen ringförmigen Flansch auf und es ist eine Abdeckhaube vorgesehen, wobei die Abdeckhaube die Turbine wenigstens abschnittsweise umgibt und an dem ringförmigen Flansch der Achse befestigt ist.
Eine solche Abdeckhaube wird in funktionaler Hinsicht für die Funktion der Turbine zwar nicht benötigt, vielmehr erhöht das Vorsehen einer Abdeckhaube, die die Turbine wenigstens abschnittsweise ringförmig umgibt, sogar den Reibungswiderstand des von der Turbine abfließenden Wassers. Dennoch kann es erforderlich sein, beispielsweise um herumspritzendes Antriebsfluid weitgehend zu vermeiden, eine Abdeckhaube vorzusehen. Vor allem aber ist eine Abdeckhaube zum mechanischen Schutz der Turbine sowie weiterer Bestandteile der Werkzeugspindel sinnvoll und gegebenenfalls erforderlich. Gegebenenfalls kann die Abdeckhaube so ausgestaltet sein, dass sie von der Turbine abfließendes Antriebsfluid in Richtung auf ein gerade bearbeitetes Werkstück leitet.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Abdeckhaube radial außerhalb der Turbine mit einer Vielzahl von Austrittsschlitzen versehen.
Auf diese Weise lässt sich ein mechanischer Schutz der Turbine sowie weiterer Bestandteile der Werkzeugspindel erreichen und gleichzeitig ist ein geringer Reibungswiderstand des von der Turbine abfließenden Antriebsfluids gewährleistet. Der Wirkungsgrad der Turbine bleibt dadurch hoch.
In Weiterbildung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um einen Luftstrom ausgehend von der Achse durch einen Dichtspalt zwischen dem Hohlwellenabschnitt der Welle und der Achse zu leiten.
An Bearbeitungsmaschinen, die mit Werkzeugspindeln arbeiten, steht in der Regel Druckluft zur Verfügung. Die Druckluft kann dann als sogenannte Sperrluft verwendet werden, um das wenigstens eine Drehlager vor dem Eindringen von Antriebsfluid zu schützen. Hierzu muss die Sperrluft von der Achse ausgehend durch einen Dichtspalt zwischen dem Hohlwellenabschnitt der Welle und der Achse geleitet werden. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, dass Antriebsfluid in den Bereich des wenigstens einen Drehlagers gelangt. Die Sperrluft kann beispielsweise über eine Bohrung in der Achse in Richtung auf den Dichtspalt zwischen dem Hohlwellenabschnitt der Welle und der Achse geleitet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen, in den Zeichnungen dargestellten und in der Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise miteinander kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine Darstellung der Werkzeugspindel der 1 ohne Abdeckhaube von schräg oben,
3 eine weitere Darstellung der Werkzeugspindel der 2 aus einer anderen Blickrichtung,
4 eine Vorderansicht der Werkzeugspindel der 3,
5 eine Explosionsansicht der Werkzeugspindel der 1,
6 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer zweiten Ausführungsform,
7 eine Darstellung der Werkzeugspindel der 6 ohne Abdeckhaube,
8 eine weitere Darstellung der Werkzeugspindel der 7 aus einer anderen Blickrichtung,
9 eine Vorderansicht der Werkzeugspindel der 8,
10 eine erfindungsgemäße Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung von schräg vorne,
11 eine Vorderansicht der Werkzeugspindel der 10,
12 eine Schnittansicht der Werkzeugspindel der 10,
13 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
14 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
15 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
16 eine schematische Darstellung der Werkzeugspindel der 15 im eingebauten Zustand in einem Drehzentrum,
17 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
18 die Werkzeugspindel der 17 im eingebauten Zustand in einem Drehzentrum in einer ersten Bearbeitungsposition,
19 die Werkzeugspindel der 17 im eingebauten Zustand in einem Drehzentrum in einer zweiten Bearbeitungsposition,
20 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
21 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
22 die Werkzeugspindel der 21 von schräg hinten,
23 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
24 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
25 die Einzelheit Z der 24 in einem ersten Zustand,
26 die Einzelheit Z der 24 in einem zweiten Zustand,
27 eine erfindungsgemäße Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Ansicht von schräg oben bei abgenommener Abdeckhaube,
28 eine Schnittansicht der Werkzeugspindel der 27,
29 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
30 die Werkzeugspindel der 29 von schräg vorne,
31 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
32 eine Ansicht der Werkzeugspindel der 31 von schräg vorne,
33 eine Ansicht der Werkzeugspindel der 31 von vorne,
34 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
35 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
36 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
37 eine Ansicht auf die Schnittebene F-F in 36,
38 eine Darstellung der Werkzeugspindel der 36 ohne Abdeckhaube von schräg oben,
39 eine Darstellung der Werkzeugspindel der 36 ohne Abdeckhaube und ohne Turbinenrad von schräg oben,
40 die Werkzeugspindel der 39 aus einer anderen Blickrichtung,
41 die Werkzeugspindel der 39 in einer Vorderansicht,
42 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
43 die Einzelheit Y der 42 in vergrößerter Darstellung,
44 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform,
45 eine Vorderansicht der Werkzeugspindel der 44 und
46 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel gemäß einer weiteren Ausführungsform.

1 zeigt eine Schnittansicht einer Werkzeugspindel 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Werkzeugspindel 10 weist eine Welle 12 auf, wobei an einem freien Ende der Welle 12, das in 1 links angeordnet ist, eine Werkzeugaufnahme 14 angeordnet ist. In der Werkzeugaufnahme 14 ist ein Werkzeug 16, hier ein Fräser, angeordnet.
Die Werkzeugspindel 10 weist weiter eine Achse 18 auf, deren freies Ende, das in der 1 rechts liegt, zur Aufnahme in einer nicht dargestellten Spindelhalterung vorgesehen ist. Die Welle 12 ist drehbar auf der Achse 18 gelagert. Hierzu sind zwei Drehlager 20, 22 vorgesehen. Die Drehlager 20, 22 sind innerhalb eines Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 angeordnet. Die Drehlager 20, 22 sind infolgedessen zwischen einem Außenumfang der Achse 18 und einem Innenumfang des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 angeordnet.
Auf der Welle 12 ist eine Turbine 26 angeordnet. Die Turbine 26 ist als sogenannte Freistrahlturbine ausgebildet und ist mittels eines Turbinenrings realisiert, der auf dem Außenumfang des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 angeordnet ist. Um die Turbine 26 und damit die Welle 12 in Drehung zu versetzen, ist wenigstens eine Düse 28 vorgesehen, die Antriebsfluid auf die Schaufeln der Turbine 26 leitet. Das Antriebsfluid wird über das freie Ende der Achse 18 in die Werkzeugspindel 10 eingeleitet. Das Antriebsfluid tritt am freien Ende der Achse 18 in diese ein und wird dann durch Querbohrungen in Fluidleitungen innerhalb des Flansches 34 geleitet. Ausgehend vom Flansch 34 gelangt das Antriebsfluid dann in die Düsenhalter 42 und zu den Düsen 28. Das Antriebsfluid gelangt dann letztendlich zu der Düse 28, tritt in Richtung auf die Schaufeln der Turbine 26 aus und verlässt dann die Werkzeugspindel 10 durch eine Abdeckhaube 30 hindurch. Die Abdeckhaube 30 weist hierzu auf ihrem Umfang zahlreiche Schlitze auf, die in der Darstellung der 1 nicht zu erkennen sind.
Es ist bereits in der Darstellung der 1 zu erkennen, dass die Werkzeugspindel 10 in Längsrichtung der Spindel gesehen einen sehr kompakten Aufbau aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Turbine 26 auf dem Außenumfang des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 angeordnet ist. Die Turbine 26 kann dadurch radial außerhalb der Drehlager 20, 22 angeordnet werden und muss nicht, wie dies bei konventionellen Werkzeugspindeln in der Regel der Fall ist, in axialer Richtung versetzt zu den Drehlagern 20, 22 angeordnet werden. Bei der Ausführungsform der 1 ist die Turbine 26 zwischen den beiden Drehlagern 20, 22 angeordnet. Dadurch können durch die Turbine bzw. durch das auf die Turbinenschaufeln auftreffende Antriebsfluid in die Welle 12 eingeleitete Kräfte gleichmäßig auf die beiden Drehlager 20, 22 verteilt werden.
Darüber hinaus sind die beiden Drehlager 20, 22 geschützt innerhalb des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 angeordnet. Die Turbine 26 ist hingegen auf dem Außenumfang des Hohlwellenabschnitts 24 angeordnet. Dadurch ergibt sich bereits prinzipiell ein Aufbau, der die Drehlager 20, 22 weitgehend vor dem Eindringen von Antriebsfluid schützt.
Das erste Drehlager 20 ist am freien Ende des Hohlwellenabschnitts 24 angeordnet und beim Betrieb der Turbine 26 könnte daher durchaus Antriebsfluid in den Bereich des ersten Drehlagers 20 gelangen. Um dies möglichst weitgehend zu verhindern, ist auf dem Außenumfang des Hohlwellenabschnitts 24 anschließend an die Turbine 26 eine Schleuder 32 vorgesehen, die von der Turbine 26 aus in Richtung auf das erste Drehlager 20 strömendes Antriebsfluid radial nach außen ablenkt. Zu diesem Zweck ist die Schleuder 32 in Form eines umlaufenden Rings mit einer im Querschnitt viertelkreisförmigen Auskehlung ausgebildet. Während des Betriebs dreht sich die Schleuder 32 zusammen mit der Welle 12 und leitet dadurch das Antriebsfluid radial nach außen und durch die nicht dargestellten Schlitze der Abdeckhaube 30 nach außen.
Um das erste Drehlager 20 zusätzlich noch vor eindringendem Antriebsfluid zu schützen, ist in einer Richtung auf das erste Drehlager 20 zu nachfolgend auf die Schleuder 32 eine Labyrinthdichtung zwischen einem Ringflansch 34 auf der Achse 18 und dem freien Ende des Hohlwellenabschnitts 24 angeordnet. Mittels der Labyrinthdichtung und der Schleuder 32 kann im Wesentlichen vollständig vermieden werden, dass Antriebsfluid in den Bereich des ersten Drehlagers 20 gelangt. Dadurch kann das erste Drehlager 20 eine hohe Standzeit erreichen.
Auf das Ende des Hohlwellenabschnitts 24, das in 1 rechts liegt, ist eine Überwurfmutter 25 aufgeschraubt. Die Überwurfmutter 25 hält das erste Drehlager 20 in Position und ist gegen den Flansch 34 mittels eines Wellendichtrings 29 abgedichtet. Die Überwurfmutter 25 rotiert zusammen mit der Welle 12. Zwischen einer in 1 rechts liegenden Oberseite der Überwurfmutter 25 und einer sich in radialer Richtung erstreckenden Ringfläche des Flansches 34 ist ein sich in radialer Richtung erstreckender Spalt 27 gebildet, der sich in einer Richtung vom Wellendichtring 29 nach außen hin erweitert. Im Betrieb dreht sich die Überwurfmutter 25 zusammen mit der Welle und in dem Spalt 27 befindliches Fluid wird aufgrund der Zentrifugalkräfte wieder herausgeschleudert. Eventuell in den Spalt 27 eingedrungenes Fluid kann beim Betrieb der Werkzeugspindel 10 infolgedessen nicht in den Bereich des ersten Drehlagers 20 gelangen.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann anstelle einer Überwurfmutter 25 ein Gewindering vorgesehen sein, der dann die Funktion übernimmt, das erste Drehlager 20 und mittelbar auch das zweite Drehlager 22 in Position zu halten, siehe z.B. 15. Hierzu ist dann das hintere Ende des Hohlwellenabschnitts 24 mit einem Innengewinde versehen, in das der Gewindering mit seinem Außengewinde eingeschraubt wird. Der Gewindering kann beispielsweise auch einen flachen Flansch aufweisen, der dann das hintere Ende des Hohlwellenabschnitts abdeckt. Die Funktionen der Ausbildung einer Spaltdichtung mittels des Spalts 27 sowie die Aufnahme des Wellendichtrings 29 kann dann in anderer Weise gelöst werden.
Der Entfall einer Überwurfmutter 25 und die Sicherung der Drehlager 20, 22 mittels eines Gewinderings ermöglicht es auch, die Turbine 26 extrem weit in Richtung auf das in 1 rechte Ende des Hohlwellenabschnitts 24 zu verschieben. Dadurch kann die Baulänge der Spindel 10 deutlich verkürzt werden. Die Turbine kann beispielsweise einstückig mit dem Hohlwellenabschnitt 24 ausgeführt werden. Es ist selbstverständlich auch unverändert möglich, die Turbine 26 in Form eines Turbinenrings auszubilden, der auf den Hohlwellenabschnitt 24 aufgeschoben und in geeigneter Weise drehfest mit mit dem Hohlwellenabschnitt 24 verbunden ist.
Das zweite Drehlager 22 ist in dem Hohlwellenabschnitt 24 auf der Seite der Werkzeugaufnahme 14 angeordnet. Durch diese Anordnung ist das zweite Drehlager 22 bereits sehr gut gegen eintretendes Antriebsfluid geschützt.
Das in 1 links liegende Ende der Achse 18, das also auf der Seite der Werkzeugaufnahme 14 liegt, ist mit einer konzentrischen Ausnehmung 36 versehen. In diese konzentrische Ausnehmung 36 der Achse 18 ragt eine Hülse 38 hinein, die drehfest mit der Welle 12 verbunden ist. Die Hülse 38 weist ein geschlossenes Ende auf, das auf der Seite des freien Endes der Achse 18 liegt, in 1 also rechts. Die Hülse 38 stellt eine Verlängerung eines Hohlraums der Werkzeugaufnahme 14 dar. Ein Schaft 40 des Werkzeugs 16 kann sich durch die Werkzeugaufnahme 14 hindurch bis in den Bereich der Hülse 38 und damit auch bis in den Bereich der Ausnehmung 36 der Achse 18 erstrecken. In Längsrichtung der Werkzeugspindel 10 gesehen wird dadurch ein sehr kompakter Aufbau erzielt. Dies deshalb, da sich der Schaft 40 des Werkzeugs 16 in die Ausnehmung 36 der Achse 18 hineinerstrecken kann. Die Hülse 38 ist in radialer Richtung in einem geringen Abstand von der Innenwand der Ausnehmung 36 angeordnet, so dass sich die Hülse zusammen mit der Welle 12 innerhalb der Ausnehmung 36 der feststehenden Achse 18 frei drehen kann.
Die Darstellung der 2 zeigt eine Ansicht der Werkzeugspindel 10 der 1 von schräg vorne, wobei die Abdeckhaube 30 abgenommen wurde und auch das Werkzeug 16 aus der Werkzeugaufnahme 14 entfernt wurde. Zu erkennen ist die Welle 12 und der Hohlwellenabschnitt 24, auf dem die Turbine 26 angeordnet ist. Die Turbine 26 ist als Ring ausgebildet, der auf den Hohlwellenabschnitt 24 aufgeschoben ist und über seinen Umfang gleichmäßig voneinander beabstandete Turbinenschaufeln 40 aufweist. Die Turbine 26 ist als Freistrahlturbine, ähnlich einer Pelton-Turbine, ausgebildet. Wie in 2 zu erkennen ist, ist die Düse 28 auf die Turbinenschaufeln 40 gerichtet. Sobald Antriebsfluid aus der Düse 28 austritt und auf die Turbinenschaufeln 40 trifft, wird sich die Turbine 26 und mit ihr die Welle 12 in Drehung versetzen, in der Darstellung der 2 gegen den Uhrzeigersinn. Die Turbinenschaufeln 40 müssen nicht notwendigerweise gleichmäßig voneinander beabstandet sein. Eine ungleichmäßige Beabstandung der Turbinenschaufeln kann Vorteile bringen, beispielsweise um Schwingungsprobleme zu vermeiden.
Nachdem das Antriebsfluid auf die Turbinenschaufeln 40 aufgetroffen ist und dort Arbeit verrichtet hat, wird es durch die Turbinenschaufeln 40 radial nach außen abgelenkt. Eine solche Bewegung des Antriebsfluids radial nach außen wird bei der Werkzeugspindel 10 lediglich in geringem Maß durch Düsenhalter 42 verhindert, die die Turbine 26 über einen Teil ihres Umfangs umgeben. Die Düsenhalter 42 dienen zur Anordnung der Düsen 28. Insgesamt sind drei Düsenhalter 42 vorgesehen, die über den Umfang der Turbine gesehen die Düsen 28 um einen Winkel von jeweils 120° voneinander beabstandet anordnen. Der Umfang der Turbine 26 wird durch die Düsenhalter 42 aber lediglich zu einem sehr geringen Teil abgedeckt. Bei der Ausführungsform der Turbine gemäß den 1 bis 4, siehe speziell 4, beträgt die Abdeckung des Umfangs der Turbine 26 durch die Düsenhalter 42 weniger als ein Drittel. Das von den Turbinenschaufeln 40 abfließende Antriebsfluid wird somit nicht oder nur unwesentlich behindert, so dass auch nur ein geringer Reibungswiderstand auftritt und die Turbine 26 einen sehr guten Wirkungsgrad hat. Eine andere Anordnung der Düsen 28 als um 120° beanstandet kann sinnvoll sein.
Die Düsenhalter 42 sind jeweils als Ringabschnitte ausgebildet und weisen jeweils eine schräg verlaufende Seitenbegrenzung 44 auf. Die schräge Seitenbegrenzung 44 ist in Drehrichtung der Turbine 26 gerichtet und dafür vorgesehen, von den Turbinenschaufeln 40 abgeleitetes Antriebsfluid in Richtung auf die Werkzeugaufnahme 14 zu abzulenken, also in einer Richtung von dem ersten Drehlager 20 weg. Auch hierdurch wird verhindert, dass Antriebsfluid in den Bereich des ersten Drehlagers 20 gelangt.
In der Darstellung der 2 ist die Schleuder 32 lediglich andeutungsweise zu erkennen.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist der Flansch 34 auf der Achse 18 angeordnet und weist einen scheibenförmigen Teil und einen auf dem scheibenförmigen Teil umlaufenden Kragen auf. Auf der Stirnseite dieses Kragens sind die Düsenhalter 42 angeordnet.
Die Darstellung der 3 zeigt die Werkzeugspindel 10 der 2 aus einer anderen Blickrichtung. Zu erkennen ist, dass die den schrägen Seitenbegrenzungen 44 der Düsenhalter 42 gegenüberliegenden Seitenbegrenzungen 46 parallel zur Längsachse der Werkzeugspindel 10 verlaufen. Im Betrieb der Werkzeugspindel 10 liegen diese Seitenbegrenzungen 46 im Strömungsschatten der Düsenhalter 42 und können somit nicht zur Ablenkung des Antriebsfluids in Richtung auf die Werkzeugaufnahme 14 beitragen.
Die Darstellung der 4 zeigt eine Vorderansicht der Werkzeugspindel 10 der 2 und 3. Wie zu erkennen ist, sind die drei Düsenhalter 42 gleichmäßig um jeweils 120° voneinander beabstandet. Die Düsen 28 in den Düsenhaltern 42 sind jeweils schräg in der beabsichtigten Drehrichtung der Turbine 26 ausgerichtet. Eine Drehrichtung der Turbine 26 im Betrieb ist infolgedessen in 4 gegen den Uhrzeigersinn.
Die Darstellung der 5 zeigt eine Explosionsansicht der Werkzeugspindel 10 der 1, wobei der Übersichtlichkeit halber lediglich einer der Düsenhalter 42 dargestellt ist. Es ist dabei festzustellen, dass die Werkzeugspindel 10 und speziell die Turbine 26 der Werkzeugspindel 10 ohne weiteres auch nur mittels einer einzigen Düse 28 beaufschlagt werden kann. Mehrere Düsenhalter 42 können vorgesehen werden, sind aber nicht unbedingt erforderlich.
In der Darstellung der 5 ist die Abdeckhaube 30 zu erkennen. Die Abdeckhaube 30 ist in einer Variante dargestellt, in der sie keine radialen Schlitze aufweist. Von den Turbinenschaufeln der Turbine 26 radial nach außen abgelenktes Wasser wird dadurch von der Abdeckhaube 30 gesammelt und dann letztendlich durch einen Ringspalt 48 ausgegeben, der zwischen einer Durchgangsöffnung 50 der Abdeckhaube 30 und der Welle 12 gebildet ist, siehe 1. Das Antriebsfluid, das von der Turbine 26 abgelenkt wird, wird dadurch in Richtung auf das Werkzeug 16 und somit in Richtung auf den Bearbeitungsbereich des Werkzeugs 16 umgelenkt. Dies hat den Vorteil, dass der Bearbeitungsbereich und das Werkzeug selbst dadurch gekühlt werden können, hat aber den Nachteil, dass der Reibungswiderstand des von der Turbine 26 abfließenden Antriebsfluids erhöht und damit der Wirkungsgrad der Turbine 26 verschlechtert wird.
Die Darstellung der 6 zeigt eine Werkzeugspindel 60 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zu der bereits anhand der 1 bis 5 erläuterten Werkzeugspindel 10 beschrieben.
Die Werkzeugspindel 60 ist mit einem Düsenhalterring 62 versehen, siehe auch 7, der mit insgesamt drei Düsen 28 versehen ist. Der Düsenhalterring 62 ist mit der Stirnseite des Flansches 34 verbunden, der wiederum auf der Achse 18 befestigt ist. Der Düsenhalterring 62 erstreckt sich, siehe 6, in radialer Richtung bis kurz vor den Außenumfang des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 und bildet mit dem Hohlwellenabschnitt 24 eine Labyrinthdichtung aus, um zu verhindern, dass Antriebsfluid in den Bereich des ersten Drehlagers 20 gelangt. Aufgrund des Düsenhalterrings 62 ist bei der Ausführungsform der Werkzeugspindel 60 der 6 bis 9 die Schleuder 32 entfallen.
Die Ausbildung des Düsenhalterrings 62 ist auch gut in den Ansichten der 7 bis 9 zu erkennen. Die Düsen 28 sind jeweils in Vorsprüngen 64 des Düsenhalterrings 62 angeordnet, die sich in Längsrichtung der Werkzeugspindel 60 in Richtung auf die Werkzeugaufnahme 14 zu erstrecken. Insgesamt sind drei Vorsprünge 64 vorgesehen, siehe 9, die um jeweils 120° gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind. Der Düsenhalterring 62 ist so ausgebildet, dass sich lediglich die Vorsprünge 64 in den Bereich des Umfangs der Turbine 26 erstrecken. Zwischen den Vorsprüngen 64 liegt der Umfang der Turbine 26 hingegen frei. Von den Turbinenschaufeln der Turbine 26 abgeleitetes Wasser kann somit im Wesentlichen ungehindert radial nach außen abfließen. Die Vorsprünge 64 überdecken lediglich einen kleinen Teil des Umfangs der Turbine 26, bei der in den 6 bis 9 dargestellten Ausführungsform ist dies deutlich weniger als ein Drittel des Umfangs der Turbine 26. Die Vorsprünge 64 weisen jeweils eine schräge Seitenbegrenzung und eine parallel zur Längsachse verlaufende Seitenbegrenzung auf, um, wie bereits anhand der Düsenhalter 42 erläutert wurde, von der Turbine 26 abgeleitetes Antriebsfluid in Längsrichtung der Werkzeugspindel 60 in Richtung auf die Werkzeugaufnahme 14 zu abzuleiten.
Die Darstellung der 10 zeigt eine erfindungsgemäße Werkzeugspindel 70 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zwischen der Werkzeugspindel 60 der 6 bis 9 und der Werkzeugspindel 70 der 10 bis 12 erläutert.
Die Werkzeugspindel 70 ist mit einem Sensor 72 versehen, der an dem Flansch 34 befestigt ist. Der Flansch 34 ist wiederum an der Achse 18 befestigt.
Der Sensor 72 ist lediglich schematisch dargestellt und ist beispielsweise als Hall-Sensor ausgebildet. Der Sensor 72 kann dadurch für eine Erfassung der Drehzahl der Welle 12 eingesetzt werden. Der Sensor 72 ist hierzu, siehe 12, im Bereich des hinteren Endes 74 des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 angeordnet. Auf dieses hintere Stirnende 74 des Hohlwellenabschnitts 24 ist die Mutter 25 aufgeschraubt. Eine radial außenliegende Umfangsfläche der Mutter 25 liegt im Sichtbereich des Sensors 72. Diese Außenfläche der Mutter 25 kann mit geeigneten Markierungen versehen sein, um mit dem Sensor 72 zusammen zu wirken, so dass dieser einen Drehwinkel des Hohlwellenabschnitts 24 über der Zeit und damit eine Momentangeschwindigkeit der Welle 12 erfassen kann. Der Sensor kann beispielsweise auch als Hallsensor ausgebildet sein, um eine Drehzahl der Welle über ein sich änderndes Magnetfeld zu erfassen. Die Mutter 25 kann in diesem Fall mit einem oder mehreren Magneten oder unterschiedlich magnetischen Zonen versehen werden.
Besonders vorteilhaft bei der Werkzeugspindel 70 ist dabei, dass der Sensor 72 in sehr einfacher Weise an dem Flansch 34 befestigt werden kann. Je nach gewünschter Anwendung kann die Position des Sensors 72 oder auch die Anordnung von Markierungen auf dem Hohlwellenabschnitt 24 der Welle 12 verändert werden. Dies kann sehr vorteilhaft sein, wenn unterschiedliche Sensoren, beispielsweise optische Sensoren, magnetische Sensoren oder auch Drucksensoren, eingesetzt werden sollen. Speziell ist für die Anordnung des Sensors 72 keine Durchgangsöffnung in einem Gehäuse vorzusehen und die Anordnung des Sensors 72 kann auch im Wesentlichen unabhängig von der Gestaltung des Flansches 34 vorgenommen werden.
13 zeigt eine Werkzeugspindel 80 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Werkzeugspindel 80 unterscheidet sich von der in den 1 bis 5 dargestellten Werkzeugspindel 10 vor allem dadurch, dass die Turbine 26 radial außerhalb des zweiten Drehlagers 22 angeordnet ist. Die Turbine 26 wurde somit auf dem Hohlwellenabschnitt 24 so weit wie möglich in Richtung auf die Werkzeugaufnahme 14 verschoben und ist nun an dem werkzeugaufnahmeseitigen Ende des Hohlwellenabschnitts 24 angeordnet. Dadurch hat die Turbine 26 von dem ersten Drehlager 20 einen maximalen Abstand, so dass die Abdichtung des ersten Drehlagers 20 gegenüber dem Antriebsfluid vergleichsweise problemlos bewirkt werden kann. Um eine solche Abdichtung zu bewirken, ist zum einen wieder eine Schleuder 32 auf dem Hohlwellenabschnitt 24 vorgesehen und zwischen der Schleuder 32 und dem ersten Drehlager 20 ist dann noch eine Labyrinthdichtung zwischen dem Düsenhalterring 62 und dem Hohlwellenabschnitt 24 ausgebildet. Diese Labyrinthdichtung wird durch eine Hülse 82 realisiert, die an ihrem werkzeugaufnahmeseitigen Ende die Schleuder 32 aufweist und anschließend an die Schleuder und in Richtung auf das spindelhalterseitige Ende des Hohlwellenabschnitts 24 zu mehrere umlaufende Nuten aufweist. Diese Nuten wirken mit der Innenseite des Düsenhalterrings 62 zusammen, um eine Labyrinthdichtung zu bilden.
Die Darstellung der 14 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 90 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei der Werkzeugspindel 90 ist die Turbine 26 exakt in der Mitte zwischen dem ersten Drehlager 20 und dem zweiten Drehlager 22 auf dem Außenumfang des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 angeordnet. Über die Turbine 26 in die Welle 12 eingeleitete Kräfte und Momente können dadurch symmetrisch auf die beiden Drehlager 20, 22 verteilt werden.
Die Darstellung der 15 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Werkzeugspindel 100 ist in Längsrichtung gesehen extrem kurz ausgebildet. Dies wird dadurch erreicht, dass die beiden Drehlager 20, 22 unmittelbar angrenzend aneinander auf der Achse 18 angeordnet werden. Dadurch kann der Hohlwellenabschnitt 24 der Welle 12 sehr kurz ausgebildet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist auch die Turbine 26 einstückig mit dem Hohlwellenabschnitt 24 und damit der Welle 12 ausgebildet. Dadurch kann auch in radialer Richtung ein sehr kompakter Aufbau erreicht werden. In das hintere Ende des Hohlwellenabschnitts 24 ist ein Gewindering 23 eingeschraubt, der an die Stelle der Mutter 25, siehe 1, tritt und die Drehlager 20, 22 in ihrer Position hält.
Zu dem in Längsrichtung kompakten Aufbau trägt auch die bereits erläuterte Ausnehmung 36 in der Stirnseite der Achse 18 bei. Wie erläutert wurde, ragt in diese Ausnehmung die Hülse 38 hinein, in der der Schaft des Werkzeugs 16 aufgenommen werden kann. Die Werkzeugspindel 100 ist dadurch für Anwendungsfälle geeignet, in denen ein Einsatz in sehr beengten Maschinenarbeitsräumen gefordert ist.
Die 16 zeigt die Werkzeugspindel 100 in einer Spindelhalterung 102 eines Drehzentrums. Es ist zu erkennen, dass die sehr kurze Ausführung der Werkzeugspindel 100 eine kleine Störkontur radial außerhalb der Spindelhalterung 102 verursacht.
Die Darstellung der 17 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 110 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die Werkzeugspindel 110 ist durch einen äußerst schlanken, langen Aufbau gekennzeichnet. Mittels eines solchen, sehr langen und schlanken Aufbaus kann sehr nah an Werkstückkonturen oder Maschinenspindeln gearbeitet werden.
Um diesen schlanken und langen Aufbau zu erzielen, ist der Hohlwellenabschnitt 24 der Welle 12 vergleichsweise lang ausgeführt. Die beiden Drehlager 20, 22 sind unmittelbar nebeneinander angeordnet und es ist daher ein weiteres Stützlager 111 erforderlich um die durch die lange Ausbildung der Welle 12 größeren Kräfte abfangen und in die Achse 18 einleiten zu können.
Die Turbine 26 ist einstückig am spindelhalterseitigen Ende des Hohlwellenabschnitts 24 vorgesehen.
Ausgehend vom Hohlwellenabschnitt 24 verjüngt sich die Welle 12 kegelstumpfförmig, um dann in die Werkzeugaufnahme 14 überzugehen. Die Welle 12 ragt bei der dargestellten Ausführungsform soweit über das Ende der Achse 18 hinaus, dass der Schaft des Werkzeugs 16 vollständig innerhalb einer konzentrischen Ausnehmung der Welle 12 aufgenommen werden kann.
Die Darstellungen der 18 und 19 zeigen beispielhafte Anordnungen der Werkzeugspindel 110 an dem Spindelhalter 102. Es ist zu erkennen, dass aufgrund des sehr langen und schlanken Aufbaus der Werkzeugspindel 110 sehr nahe an auch ungünstigen Konturen eines Werkstücks 112, siehe 18, oder 114, siehe 19, gearbeitet werden kann.
20 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 120 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Aufbau der Werkzeugspindel 120 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Werkzeugspindel 10 der 1. Über einen Bypass 122 wird Antriebsfluid aus dem Flansch 34 abgeleitet und in eine Düse 124 geleitet, die außerhalb des Flansches 34 und außerhalb der Abdeckhaube 30 angeordnet ist und mit der Antriebsfluid, mit anderen Worten Kühlmittel, auf den Schnittbereich des Werkzeugs 16 geleitet wird. Der Bypass 122 wird mittels einer einfachen Bohrung im Flansch 34 realisiert. Auf die Bohrung wird dann ein Halter für die Düse 124 aufgesetzt.
Die Schnittansicht der 21 zeigt eine erfindungsgemäße Werkzeugspindel 130 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Werkzeugspindel 130 entspricht in ihrem Aufbau im Wesentlichen der Werkzeugspindel 60 der 6. Die Achse 18 ist an ihrem, in 21 rechten Ende aber mit einem Adapter oder Schaft 132 versehen, der als Maschinenaufnahme vorgesehen ist. Der Schaft 132 ist somit an die Spindelhalterung einer Maschine angepasst. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Schaft 132 als sogenannter VDI-Schaft nach DIN 69880 ausgebildet. Anstelle des Schafts 132 können auch anders gestaltete Schäfte eingesetzt werden, beispielsweise Steilkegel, HSK, Coromant Capto oder dergleichen. Selbstverständlich sind auch maschinenspezifisch ausgebildete Adapter oder Schäfte möglich. Die Darstellung der 21 lässt erkennen, dass der Schaft 132 hülsenförmig ausgebildet ist und in sehr einfacher Weise auf das freie Ende der Achse 18 aufgeschoben wird. Auf der Achse 18 wird der Schaft 132 dann mittels einer Schraube 134 befestigt. Die Zuleitung des Antriebsfluids erfolgt in diesem Fall dann über eine separate Anschlussöffnung 136 im Flansch 34. Anders geartete Befestigungen eines Schafts sind selbstverständlich möglich, die dann beispielsweise auch den Eintritt von Antriebsfluid in die Achse 18 ermöglichen.
22 zeigt eine Ansicht der Werkzeugspindel 130 von schräg hinten. Zu erkennen ist die Ausbildung des Schafts 132 mit Halterillen 138.
Die Darstellung der 23 zeigt eine Schnittansicht einer Werkzeugspindel 140 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Werkzeugspindel 140 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Werkzeugspindel 10 der 1 auf. Lediglich Antriebsfluid wird nicht über die Achse 18, sondern über eine separate Zuleitung 142 zugeführt. Die separate Zuleitung 142 ist an den Bypass 122 im Flansch 34 angeschlossen.
Die Darstellung der 24 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Werkzeugspindel 150 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die anhand der 15 beschriebene Werkzeugspindel 100 auf. Bei dieser sehr kurzen Ausführung der Werkzeugspindel 150 ist die Turbine 26 vergleichsweise nahe an dem ersten Drehlager 20 angeordnet. Infolgedessen ist eine zuverlässige Abdichtung des ersten Drehlagers 20 gegenüber dem Antriebsfluid erforderlich. Dies wird über einen Wellendichtring 152 bewirkt, der in radialer Richtung gesehen zwischen einem Kragen des Flanschs 34 und einem Gewindering 153 am hinteren Ende des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 angeordnet ist. Der Gewindering 153 ist in das hintere Ende des Hohlwellenabschnitts 24 eingeschraubt und hält die Drehlager 20, 22 in ihrer Position. Der Aufbau und die Funktion des Wellendichtrings 152 sind in den 25 und 26 zu erkennen, die die Einzelheit Z aus 24 in zwei unterschiedlichen Positionen des Wellendichtrings 152 zeigen.
25 zeigt dabei die Einzelheit Z bei ruhender Welle 12. Der Wellendichtring 152 weist eine Dichtlippe 154 auf, die im Ruhezustand auf einer ringförmigen Dichtfläche des Flansches 34 aufliegt. Die Dichtlippe 154 weist dabei einen etwa L-förmigen Querschnitt auf und liegt mit dem freien Ende eines der Schenkel auf der Dichtfläche auf. Tritt nun Antriebsfluid in den Bereich des Wellendichtrings 152 ein, so verhindert die Dichtlippe 154 zuverlässig, dass das Antriebsfluid dann in den Bereich des ersten und des zweiten Drehlagers 20, 22 gelangt. Der andere Schenkel der Dichtlippe 154 ist mit einem Grundkörper des Dichtrings 152 verbunden, der wiederum drehfest mit dem Hohlwellenabschnitt 24 verbunden ist.
In 26 ist die Situation dargestellt, wenn die Turbine 26 mit Antriebsfluid beaufschlagt wird und sich der Wellendichtring 152 infolgedessen zusammen mit der Welle 12 dreht. Auch die Dichtlippe 154 wird dadurch gedreht. Auf die Dichtlippe 154 wirken infolgedessen Fliehkräfte, in der Darstellung der 25 also nach oben. Dies führt bei ausreichender Drehzahl der Welle 12 dazu, dass die Dichtlippe 154 von der Dichtfläche des Flansches 34 abhebt. Dadurch wird eine Reibung zwischen der Dichtlippe 154 und der Dichtfläche des Flansches 34 vermieden. Dadurch kann auch ein Verschleiß des Wellendichtrings 152 und speziell der Dichtlippe 154 weitgehend vermieden werden. Durch geometrisch geeignete Gestaltung der Kontur der Dichtlippe 154 und durch geeignete Gestaltung der Massenverteilung der Dichtlippe 154 kann das Abhebeverhalten der Dichtlippe 154 optimal auf den Arbeitspunkt der Werkzeugspindel 150 abgestimmt werden.
27 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 160 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform ist der Flansch 34 in einem ersten Abschnitt als Quadratscheibe und in einem zweiten Abschnitt als Kreisscheibe ausgebildet und die Düsenhalter 42 sind auf den zweiten Abschnitt des Flansches 34 aufgesetzt. In Längsrichtung gesehen ragen somit lediglich die Düsenhalter 42 über den Flansch 34 hinaus. Infolgedessen ist das erste Drehlager 20 neben dem Flansch 34 angeordnet und radial außerhalb des ersten Drehlagers 20 sind lediglich das freie Ende des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 und die Düsenhalter 42 angeordnet. Der Flansch 34 weist eine zentrale Bohrung auf, in der das freie Ende der Achse 18 aufgenommen ist. Das in 27 rechte Ende des Flansches 34 bildet somit einen Adapter oder Schaft, der zur Aufnahme in einer Spindelhalterung vorgesehen ist.
28 zeigt die Werkzeugspindel 160 in einer Ansicht von schräg vorne bei abgenommener Abdeckhaube.
Die Darstellung der 29 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 170 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ausbildung der Werkzeugspindel 170 entspricht im Wesentlichen der Ausbildung der Werkzeugspindel 60 der 6. Die Werkzeugspindel 170 weist eine Abdeckhaube 172 auf, die mit zahlreichen, sich in radialer Richtung erstreckenden Auslassöffnungen 174 versehen ist, siehe auch 30. Die Auslassöffnungen 174 weisen jeweils einen sehr kleinen Durchmesser auf, so dass durch die Auslassöffnungen 174 zwar Antriebsfluid austreten kann, umgekehrt aber keine Verschmutzungen oder Späne in den Bereich der Turbine eindringen können. Verschmutzungen oder Späne könnten die Turbine beschädigen und/oder blockieren.
Von einem Außenumfang der Abdeckhaube 172 aus erstreckt sich ein Filterring 176 radial nach innen bis in den Bereich der Turbine 26 und bis kurz vor den Hohlwellenabschnitt 24 der Welle 12. Mittels des Filterrings wird von der Turbine 26 abgeleitetes Wasser fein verteilt und abgebremst, so dass es mit nur noch geringem Impuls die Werkzeugspindel 170 verlässt. Eine solche Ausbildung der Abdeckhaube 172 kann erforderlich sein, wenn durch Wasserstrahlen mit großem Impuls Beschädigungen eines Werkstücks oder einer Bearbeitungsmaschine befürchtet werden müssen. Nachteilig ist an der Gestaltung der Abdeckhaube 172, dass der Reibungswiderstand des von der Turbine 26 abgeleiteten Antriebsfluids erhöht und dadurch der Wirkungsgrad der Turbine 26 verschlechtert wird.
Die Darstellung der 31 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 180 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Aufbau der Werkzeugspindel 180 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Werkzeugspindel 60 der 6. Die Werkzeugspindel 180 weist aber eine anders gestaltete Abdeckhaube 182 auf. Die Abdeckhaube 182 ist mit parallel zur Längsrichtung verlaufenden Schlitzen 184 versehen, die einen Austritt des von der Turbine 26 abgeleiteten Antriebsfluids in radialer Richtung nach außen ermöglichen. Insbesondere verhindern die Schlitze 184, dass sich das Antriebsfluid nach Art eines ringförmigen Kanals in der Abdeckhaube 182 sammelt und dadurch den Wirkungsgrad der Turbine 26 verschlechtert.
Eine Berandung einer Durchgangsöffnung 186 der Abdeckhaube 184 ist als Dichtring ausgebildet und bildet mit dem Außenumfang des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 eine berührungslose Spaltdichtung. Dadurch wird verhindert, dass von der Turbine 26 abgeleitetes Antriebsfluid in axialer Richtung, also in Richtung auf die Werkzeugaufnahme 14 zu, aus der Werkzeugspindel 180 austritt.
Die Darstellung der 32 zeigt die Werkzeugspindel 180 von schräg vorne.
33 zeigt die Werkzeugspindel 180 in einer Vorderansicht.
34 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 190 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau der Werkzeugspindel 190 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Werkzeugspindel 130 der 21. Zusätzlich sind bei der Werkzeugspindel 190 Mittel vorgesehen, um Sperrluft in den Bereich des ersten Drehlagers 20 zu leiten. Die Sperrluft, mit anderen Worten Druckluft, wird über eine Druckluftzuleitung 192 in den Bereich der Werkzeugspindel 190 geleitet und gelangt über eine Sperrluftbohrung in einen Druckluftkanal im Flansch 34. Eine Bohrung 194 verläuft durch die Achse 18 und leitet die Druckluft in den Bereich des ersten Drehlagers 20. Die Druckluft tritt aus der Bohrung durch die Achse 18 aus und verteilt sich ringförmig um den Umfang der Achse 18 und strömt dann an der spindelhalterungsseitigen Seite des ersten Drehlagers 20 vorbei radial nach außen. Speziell strömt die Luft durch den Spalt 27 zwischen der Mutter 25 und dem Flansch 34 nach außen. Durch die Gestaltung des Spalts 27 ist auch im Stillstand der Welle 12 eine hundertprozentige Abdichtung der Drehlager 20, 22 gegen eindringendes Fluid möglich. Die Druckluft strömt dadurch an dem hinteren, spindelhalterungsseitigen Ende des Hohlwellenabschnitts 24 der Welle 12 vorbei. Speziell strömt die Druckluft durch einen Ringspalt zwischen dem in 34 hinteren Ende des Hohlwellenabschnitts 24, das durch die Mutter 25 gebildet ist, und der gegenüberliegenden Ringfläche des Flansches 34. Die ausströmende Druckluft verhindert dadurch, dass Antriebsfluid in den Bereich des ersten Drehlagers 20 gelangt. Wird in solcher Weise Sperrluft über die Druckluftzuleitung 192 zugeführt, kann die Dichtwirkung vor den Drehlagern 20, 22 wesentlich verbessert werden. In der Regel kann auf eine berührende Dichtung verzichtet werden und es reicht eine reine Labyrinthdichtung aus. Ein solcher Aufbau ist beim Einsatz der Werkzeugspindel 190 auf Revolverdrehmaschinen besonders vorteilhaft, da die Werkzeugspindel 190 immer im Arbeitsraum der Maschine verbleibt und auch dann abgedichtet werden muss, wenn die Welle 12 der Werkzeugspindel 190 nicht rotiert. Die Zufuhr der Sperrluft über die Druckluftzuleitung 192 kann dann über eine maschinenseitige Schnittstelle oder einen separaten Anschluss erfolgen. Alternativ kann die Sperrluft über eine Bohrung 196 zugeführt werden, wenn beispielsweise ein Werkzeugrevolver eine entsprechende Schnittstelle aufweist.
Die Darstellung der 35 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Aufbau der Werkzeugspindel 200 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Werkzeugspindel 60 der 6.
Über die Achse 18 in die Werkzeugspindel 200 eingeleitetes Antriebsfluid für die Turbine 26 wird aber über einen Bypass 202 in axialer Richtung weiter entlang der Achse 18 geführt und gelangt über eine Gleitringdrehdichtung 204 in die Hülse 38 der Welle 12 und damit letztendlich in den Bereich der Werkzeugaufnahme 14 und in den Bereich des Werkzeugs 16, um hier durch das Werkzeug 16 hindurch über Kühlkanäle direkt an die Werkzeugschneide zu gelangen, um dort zu kühlen und Späne abzutransportieren, oder am Schaft des Werkzeugs vorbei durch Schlitze oder Bohrungen in der Spannzange auf die Bearbeitungsstelle am Werkstück zu spritzen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Fluidaustritt der Turbine weit entfernt ist vom Werkzeug 16, siehe z.B. 17. Zwischen der feststehenden Achse 18 und der sich zusammen mit der Welle 12 drehenden Hülse 38 ist dadurch ein Übergang des Antriebsfluids, das hier als Kühlflüssigkeit genutzt wird, möglich und die Gleitringdichtung 204 sorgt für eine Abdichtung dieser Verbindung.
Die Darstellung der 36 zeigt eine Schnittansicht einer Werkzeugspindel 210 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau der Werkzeugspindel 210 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Werkzeugspindel 10 der 1, wobei eine andere Turbinenbauform verwendet wurde, die nachfolgend erläutert wird.
Auf dem Hohlwellenabschnitt 24 der Welle 12 ist ein Turbinenrad 212 angeordnet, das ähnlich zu einer sogenannten Turgo-Turbine ausgebildet ist. Die Turbinenschaufeln des Turbinenrads sind lediglich in einer Richtung gekrümmt, siehe 38, und bilden dadurch jeweils eine einzige konkave Oberfläche. Das Turbinenrad 212 wird von dem Antriebsfluid daher im Wesentlichen in axialer Richtung durchströmt, in der Darstellung der 36 also von rechts nach links. Selbstverständlich wird das Antriebsfluid dabei in der vorgesehenen Drehrichtung auf die Schaufeln geleitet. Kennzeichen einer Turgo-Turbine ist aber im Unterschied zu einer Pelton-Turbine, dass das Antriebsfluid auf einer in 36 rechts liegenden Vorderseite des Turbinenrads 212 in dieses eintritt und das Turbinenrad dann auf einer gegenüberliegenden Rückseite, in 36 links, wieder verlässt. Selbstverständlich tritt dabei auch ein Teil des Antriebsfluids in radialer Richtung aus, die vorherrschende Durchströmungsrichtung des Turbinenrads 212 ist aber in axialer Richtung.
Auf der Achse 18 ist ein Flansch 214 angeordnet, der an seiner, dem Turbinenrad 212 zugewandten Oberfläche drei Düsenvertiefungen 216 aufweist, siehe 37. Diese Düsenvertiefungen 216 sind jeweils keilartig ausgebildet und weisen jeweils eine Düsenöffnung 218 auf, durch die ein Antriebsfluid in Richtung auf das Turbinenrad 212 austreten kann. Wie der Schnittansicht auf die Schnittebene F-F in 37 zu entnehmen ist, sind die Düsenöffnungen 218 am Ende von Düsenkanälen 224 angeordnet, die schräg auf die Turbinenschaufeln des Turbinenrads 212 gerichtet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Düsenkanäle 224 in einem Winkel von etwa 20° zu einer Mittelebene des Turbinenrads 212 ausgerichtet. Aus den Düsenöffnungen 218 austretende Antriebsfluidstrahlen, insbesondere Wasserstrahlen, treffen infolgedessen unter einem Winkel von etwa 20° auf die Turbinenschaufeln des Turbinenrads 212 auf. In der Ansicht der 37 ist zu erkennen, dass die Turbinenschaufeln jeweils eine konkav gekrümmte Schaufelfläche 220 aufweisen. Auf diese konkave Schaufelfläche 220 treffen die Antriebsfluidstrahlen auf und bewegen dadurch das Turbinenrad 212, in der Darstellung der 37 also von unten nach oben. Das Antriebsfluid wird dann im Wesentlichen in axialer Richtung vom Turbinenrad 212 abgeleitet, in der Darstellung der 36 und der 37 also nach links.
Das Antriebsfluid wird infolgedessen von dem ersten Drehlager 20 weg in Richtung auf das Werkzeug 16 geleitet. Dies erleichtert zum einen die Abdichtung des Drehlagers 20 erheblich, zum anderen wird das Antriebsfluid gleichzeitig in Richtung auf das Werkzeug 16 und damit in Richtung auf ein gerade bearbeitetes Werkstück geleitet.
Das Antriebsfluid wird über einen Anschluss 222 in den Flansch 214 eingeleitet und innerhalb des Flansches über Querkanäle und Zuleitungen, siehe 36 und 37, auf insgesamt drei Düsenkanäle 224 mit Düsenöffnungen 218 am Ende verteilt.
In der Darstellung der 36 ist die Mutter 25 zu erkennen, die auf das hintere Ende des Hohlwellenabschnitts 24 aufgeschraubt ist und die unter anderem dafür vorgesehen ist, die Drehlager 20, 22 in ihrer dargestellten Position zu halten. Es ist zu erkennen, dass die Mutter 25 in axialer Richtung an einer Seite des Turbinenrades 212 anstößt. Die Mutter 25 kann dadurch gleichzeitig dazu verwendet werden, das Turbinenrad 212 in Position zu halten. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Mutter 25 und das Turbinenrad 212 einstückig auszuführen. In einem solchen Fall könnten die weiteren Funktionen der Mutter 25, beispielsweise das Ausbilden einer Spaltdichtung zwischen dem Flansch 214 und der Mutter 25, der Aufnahme eines Wellendichtrings zur Abdichtung gegenüber der Achse, gegebenenfalls das Ausbilden einer berührungslosen Dichtung sowie das Aufnehmen von Markierungen für einen gegebenenfalls vorgesehenen Sensor auf andere Weise verwirklicht werden.
Die Darstellung der 38 zeigt die Werkzeugspindel 210 der 36 ohne Abdeckhaube 30 von schräg oben. Zu erkennen ist das Turbinenrad 212 mit zahlreichen Turbinenschaufeln, die jeweils eine konkave Schaufelfläche 220 aufweisen. Ebenfalls zu erkennen sind zwei von drei Düsenvertiefungen 216, wobei die Düsenvertiefungen 216 teilweise durch das Turbinenrad 212 verdeckt sind.
Die Darstellungen der 39 und 40 zeigen die Werkzeugspindel 210 der 38 ohne das Turbinenrad 212 aus zwei verschiedenen Blickrichtungen. In den Ansichten der 39 und 40 sind nun die Düsenvertiefungen 216 besser zu erkennen. Die Düsenvertiefungen 216 sind jeweils als keilartige Vertiefungen in einer Vorderfläche des Flansches 214 ausgebildet, wobei diese Vorderfläche dem Turbinenrad 212, siehe 38, zugewandt ist. Die Keilform wird bei den Düsenvertiefungen 216 gewählt, um die aus den Düsenöffnungen 218 austretenden Antriebsfluidstrahlen auf ihrem Weg zu den Schaufelflächen 220 des Turbinenrads 212 nicht zu behindern. Die Düsenvertiefungen 216 können ersichtlich aber auch eine andere Form aufweisen, solange nicht die Antriebsfluidstrahlen aus den Düsenöffnungen 218 behindert oder gar unterbrochen werden.
Anhand der Darstellungen der 39 und 40 ist zu erkennen, dass der Flansch 214 äußerst kompakt aufgebaut werden kann und dadurch eine sehr kurze Baulänge der Werkzeugspindel 210 in axialer Richtung ermöglicht.
Die Darstellung der 41 zeigt die Werkzeugspindel 210 der 39 und 40 in einer Ansicht von vorne. Gestrichelt eingezeichnet sind in dieser Ansicht noch die Zuleitungen innerhalb des Flansches 214 und die Düsenkanäle 224, die zu den jeweiligen Düsenöffnungen 218 führen. Die Düsenkanäle 224, siehe auch 37, bestimmen die Richtung der Antriebsfluidstrahlen, die aus den Düsenöffnungen 218 austreten. Jede der Düsenöffnungen 218 ist in einer Düsenvertiefung 216 angeordnet. In der Darstellung der 41 ist zu erkennen, dass die Antriebsfluidstrahlen eine tangentiale Komponente zum in 41 nicht dargestellten Turbinenrad 212 aufweisen. Insgesamt sind drei Düsenvertiefungen 216 mit jeweils einer Düsenöffnung 218 vorgesehen, wobei die Düsenöffnungen 218 um 120° in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Im Rahmen der Erfindung können durchaus mehr oder weniger Düsenöffnungen 218 vorgesehen sein.
42 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 230 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Turbine 212 ist prinzipiell gleich aufgebaut wie die Turbine 212 der Werkzeugspindel 210 in den 36 bis 38. Allerdings ist die Turbine 212 einstückig mit dem Hohlwellenabschnitt 24 verbunden und bildet das hintere, in 42 rechts liegende Ende des Hohlwellenabschnitts 24. Die Turbine 212 wird in axialer Richtung in gleicher Weise angeströmt wie die Turbine 212 der Werkzeugspindel 210 der 36 bis 41. In das hintere Ende des Hohlwellenabschnitts ist ein Gewindering 232 eingeschraubt, der die beiden Drehlager 20, 22 in ihrer Position innerhalb des Hohlwellenabschnitts 24 hält. Eine Abdeckhaube 34 ist mit dem Flansch 214 verbunden und leitet aus der Turbine 212 austretendes Wasser in Richtung auf das Werkzeug und damit den Schneidebereich 16.
Die Darstellung der 43 zeigt die Einzelheit Y in 42 vergrößert. Zu erkennen ist ein sich in axialer Richtung zwischen dem Flansch 214 und dem Gewindering 232 bzw. der Turbine 212 erstreckender Spalt 236. Dieser Spalt 236 bildet eine Spaltdichtung zwischen Turbine 212 und Flansch 214 bzw. zwischen dem Gewindering 232 und dem Flansch 214. Zu erkennen ist in 43 auch einer der Düsenkanäle 224.
Die Schnittansicht der 44 zeigt eine Werkzeugspindel 240 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
45 zeigt eine Vorderansicht der Werkzeugspindel 240, wobei die Schnittebene der 44 angedeutet ist.
Di Werkzeugspindel 240 weist eine Abdeckhaube 242 auf, die aus der Turbine 212 ausströmendes Wasser abführt. Die Abdeckhaube 242 wird an dem Flansch 214 befestigt und weist mehrere, sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckende Kanäle 244 auf, die an der Turbine 212 beginnen und in Richtung auf das Werkzeug 16 führen. Die Abdeckhaube 242 und die Kanäle 244 enden etwa auf Höhe des zweiten Drehlagers 22. Insgesamt sind in Umfangsrichtung der Abdeckhaube 242 einunddreißig Kanäle 244 vorgesehen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die Anzahl der Kanäle 244 ist aber im Wesentlichen beliebig und wird an den vorgesehenen Anwendungsfall angepasst. Die Kanäle 244 sind zwischen einer umlaufenden Innenwand 246 und einer umlaufenden Außenwand 248 der Abdeckhaube 242 ausgebildet und jeweils durch Trennstege 250 voneinander getrennt. Die Innenwand 246 liegt nicht auf dem Hohlwellenabschnitt 24 auf sondern weist einen geringfügigen, in 44 nicht erkennbaren Abstand von dem Hohlwellenabschnitt 24 auf.
Die Haube 242 deckt die Turbine 212 in radialer Richtung ab und umgibt den Hohlwellenabschnitt in Form eines geschlossenen Rings über einen Teil der Länge des Hohlwellenabschnitts 24. Die Kanäle 244 führen das Fluid in Richtung der Werkzeugaufnahme und damit des Werkzeugs 16. Ein Vorteil, den die Abdeckung der Welle im Bereich des Hohlwellenabschnitts 24 bereitstellt, ist, dass das Antriebsfluid, das die Turbine 212 durchströmt, keinen Kontakt mit dem Hohlwellenabschnitt 24 bzw. der Welle hat, jedenfalls über eine vergleichsweise große Länge des Hohlwellenabschnitts 24. Damit kann das die Turbine 212 durchströmende Antriebsfluid auch keine Bremswirkung auf den Hohlwellenabschnitt 24 ausüben. Der Fluidstrom in den Kanälen 244 beruhigt sich dadurch vergleichsweise schnell und kann gezielter in Richtung der Werkzeugaufnahme abgeleitet werden. Dies deshalb, da das Antriebsfluid in den Kanälen 244 nicht durch den Hohlwellenabschnitt 24 in Rotation versetzt wird und dadurch zielgerichtet ausströmen kann. Wie ausgeführt wurde, ist die Anzahl der Kanäle 244 beliebig und im Extremfall kann auch nur ein einziger, ringförmiger Kanal 244 innerhalb der Abdeckhaube 242 vorgesehen sein. Die Kanäle 244 können darüber hinaus in axialer, radialer und Drehrichtung um die Achse 18 speziell z.B. in Anlehnung an eine Lavaldüsenkontur ausgebildet werden.
Die Schnittansicht der 46 zeigt eine Werkzeugspindel 260 gemäß einer weiter Ausführungsform der Erfindung. Die Werkzeugspindel 260 ist annähernd identisch zur Werkzeugspindel 240 der 44 und 45 ausgebildet, lediglich die Abdeckhaube 242 ist durch eine mit der Turbine 212 rotierende Abdeckhaube 262 ersetzt. Die Abdeckhaube 262 ist auf den Außendurchmesser der Turbine 212 aufgesetzt und ist in Form eines Rohrabschnitts ausgebildet. Die Abdeckhaube 262 rotiert zusammen mit der Turbine 212 und leitet den Fluidstrahl, der aus der - axial angeströmten - Turbine 212 austritt. Die Abdeckhaube 262 weist in axialer Richtung lediglich etwa die doppelte Länge der Turbine 212 auf. Die Abdeckhaube 262 kann eine an dem Turbinenrad der Turbine 212 selbst vorgesehene Umfangsbegrenzung ersetzen. Indem die Abdeckhaube 262 auf die Turbine 212 aufgesetzt wird, erlaubt sie, die Turbine mit einer einfach herzustellenden Geometrie durch eine einfache Fräsbearbeitung herzustellen.

Claims

Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) mit einer Welle (12), wobei an einem freien Ende der Welle (12) eine Werkzeugaufnahme (14) angeordnet ist, mit einer Achse (18), wobei ein freies Ende der Achse (18) zur Aufnahme in einer Spindelhalterung (102) oder in einem Adapter vorgesehen ist, und mit einer Turbine (26), wobei die Turbine (26) mit der Welle (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (12) wenigstens einen Hohlwellenabschnitt (24) aufweist, der die Achse (18) abschnittsweise umgibt und dass wenigstens ein Drehlager (20, 22) zwischen dem Hohlwellenabschnitt (24) der Welle (12) und der Achse (18) angeordnet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (26) auf einer Außenseite des Hohlwellenabschnitts (24) angeordnet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (26) als Freistrahlturbine ausgebildet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (18) einen Flansch (34) aufweist, der in Längsrichtung der Achse (18) gesehen vor der Turbine (26) endet und in radialer Richtung außerhalb der Turbine (26) lediglich wenigstens ein Düsenhalter (42) mit wenigstens einer Düse (28) für ein Antriebsfluid angeordnet ist, wobei der wenigstens eine Düsenhalter (42) die Turbine (26) lediglich über einen Teil des Umfangs der Turbine (26) umgibt.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine in einer Weise ausgebildet ist, dass ein Antriebsfluid in axialer Richtung gesehen eine Vorderseite der Turbinenschaufeln anströmt und die Turbinenschaufeln dann auf der gegenüberliegenden Rückseite wieder verlässt.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (18) einen Flansch (214) aufweist, der in Längsrichtung der Achse (18) gesehen vor dem Turbinenrad (212) endet und in oder an dessen, dem Turbinenrad (212) zugewandten Oberfläche wenigstens eine Düse (218) für das Antriebsfluid angeordnet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Drehlager (20, 22) zwischen dem Hohlwellenabschnitt (24) und der Achse (18) angeordnet sind, wobei das erste Drehlager (20) in Längsrichtung der Achse (18) näher an der Spindelhalterung (102) und das zweite Drehlager (22) näher an der Werkzeugaufnahme (14) angeordnet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (26) mittig zwischen den beiden Drehlagern (20, 22) angeordnet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (26) in Längsrichtung der Achse (18) gesehen näher an dem ersten Drehlager (20) oder radial außerhalb des ersten Drehlagers (20) angeordnet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (26) in Längsrichtung der Achse (18) gesehen näher an dem zweiten Drehlager (22) oder radial außerhalb des zweiten Drehlagers (22) angeordnet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (18) einen Flansch (34) aufweist, wobei ein Sensor (72) an dem Flansch (34) angeordnet ist und wobei der Sensor (72) zum Erfassen von Betriebsparametern der Werkzeugspindel vorgesehen ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (72) zum Erfassen von Betriebsparametern der Welle (12) ausgebildet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf der Seite der Spindelhalterung liegendes Ende des Hohlwellenabschnitts (24) der Welle (12) mit wenigstens einer Markierung versehen ist, und dass der Sensor (72) mit der Markierung zusammenwirkt.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (18) an ihrem auf der Seite der Werkzeugaufnahme (14) liegenden Ende eine konzentrische Ausnehmung (36) aufweist und dass eine Hülse (38) der Welle (12) innerhalb der Ausnehmung (36) angeordnet ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (38) einen Abschnitt der Werkzeugaufnahme (14) bildet.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (18) einen Flansch (34) aufweist, und dass eine Abdeckhaube (30; 172; 182) vorgesehen ist, wobei die Abdeckhaube (30; 172; 182) die Turbine (26) wenigstens abschnittsweise umgibt und an dem Flansch (34) der Achse (18) befestigt ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckhaube (182) radial außerhalb der Turbine (26) mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen versehen ist.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung als Austrittsschlitze (184) ausgebildet sind.
Werkzeugspindel (10; 60: 70; 80; 90; 100: 110; 120; 130; 140; 150; 160; 170; 180; 190; 200; 210; 230; 240; 260) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um einen Luftstrom ausgehend von der Achse (18) durch einen Dichtspalt zwischen dem Hohlwellenabschnitt (24) der Welle (12) und der Achse (18) zu leiten.