DE102018001943B4

DE102018001943B4 - Präzisionsbearbeitungsmaschine mit Durchflussmengenregler für hydrostatische Lagertaschen

Info

Publication number: DE102018001943B4
Application number: DE102018001943.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fritz; Christian Maier
Original assignee: Kern Microtechnik GmbH
Current assignee: Kern Microtechnik GmbH
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2038-03-13
Also published as: DE102018001943A1

Abstract

Präzisionsbearbeitungsmaschine mit wenigstens einer hydrostatischen Lagertasche, auf der ein Schlitten mit einem Bearbeitungswerkzeug gelagert ist, wobei die wenigstens eine hydrostatische Lagertasche über eine Leitung mit einer Pumpe verbunden ist, die Druckflüssigkeit zuführt, die auf der hydrostatischen Lagertasche einen Mikrospalt hervorruft,dadurch gekennzeichnet,dass in die Leitung ein Durchflussmengenregler eingeschaltet ist, der ein Gehäuse (2) mit einer Bohrung (4) mit einer Einlassöffnung (10) für eine mit einem Pumpendruck zugeführte Flüssigkeit und mit einer mit der wenigstens einen Lagertasche in Verbindung stehenden Auslassöffnung (13) für die Druckflüssigkeit mit verringertem Druck aufweist,dass eine Hülse (3) dicht an der Innenwand der Bohrung (4) anliegend in das Gehäuse (2) eingesetzt ist,dass die Hülse (3) eine elastische Umfangswand (5) und eine Bodenwand (6) enthält, wobei die Bodenwand (6) der Hülse (3) dicker ist als die Umfangswand (5),dass die Hülse (3) außen in der Umfangswand wenigstens einen Strömungskanal (8) enthält, der an einem Ende einen zum Inneren der Hülse hin offenen Einlass (9) und am anderen Ende einen zur Unterseite des Bodens hin offenen Auslass enthält, der mit der Auslassöffnung (13) des Gehäuses (2) in Verbindung steht,dass die Bodenwand (6) der Hülse (3) am Rand eine umlaufende Nut (11) enthält, in die der Auslass des Strömungskanals (8) einmündet,dass die umlaufende Nut (11) mit zur Mitte des Bodens verlaufenden radialen Nuten (12) verbunden ist,dass der Boden (6) der Hülse (3) am Boden (7) der Bohrung (4) des Gehäuses (2) anliegt, unddass ein Auslasskanal (13) durch den Boden des Gehäuses (2) mit der Mitte des Bodens (6) der Hülse (3) fluchtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Präzisionsbearbeitungsmaschine mit wenigstens einer hydrostatischen Lagertasche, auf der ein Schlitten mit einem Bearbeitungswerkzeug gelagert ist, wobei die wenigstens eine hydrostatische Lagertasche über eine Leitung mit einer Pumpe verbunden ist, die Druckflüssigkeit zuführt, die auf der hydrostatischen Lagertasche einen Mikrospalt hervorruft.
Hydrostatische Lagerungen treten beispielsweise bei Werkzeugmaschinen auf, bei denen die verschiedenen Schlitten auf sogenannten Hydrostatiktaschen gelagert sind. Wenn die Belastung der Hydrostatiktaschen zunimmt, verringert sich ihre Spalthöhe, wodurch Verlagerungen der Schlitten auftreten können. Dies ist insbesondere bei Präzisionsbearbeitungsmaschinen, wie Präzisionsfräsmaschinen und Präzisionsbohrmaschinen, äußerst unerwünscht, da dies die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigen würde.
Die DE 21 20 827 A offenbart eine Vorrichtung zum Konstanthalten eines Flüssigkeitsstromes in einer Leitung. Diese Vorrichtung befindet sich in Wasserleitungen beispielsweise von Wohnhäusern, wo Druckschwankungen infolge verschiedener Wohnungshöhe und verschiedener Abstände im Leitungsnetz auftreten können, und haben die Aufgabe, die Strömung in der Leitung trotzdem konstant zu halten. Es geht darum, bei veränderlichem Wasserdruck den Wasserstrom weitgehend konstant zu halten, d.h. bei hohem Wasserdruck die Strömungsmenge zu drosseln und bei niedrigem Wasserdruck die Strömungsmenge zu vergrößern. Die DE 10 2008 019 371 A1 befasst sich mit einer fluidstatischen Führung von Werkzeugmaschinenschlitten, wobei die Führungselemente als Vieldüsenlager, insbesondere als Luftlager, ausgebildet sind. Dabei besteht das Problem, die Gestaltung der Luftzuführung in der Führungsfläche so auszugestalten, dass eine laminare Strömung erzielt werden kann, was jedoch fertigungstechnisch schwierig ist. Die Druckschrift befasst sich mit der besonderen Herstellung von Düsenbohrungen in den Führungselementen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Präzisionsbearbeitungsmaschine mit wenigstens einer hydrostatischen Lagertasche mit Mikrospalte anzugeben, bei der einer Spalthöhenänderungen und damit einer Verlagerung der beispielsweise auf Schlitten gelagerten Teile so entgegengewirkt wird, dass eine Änderung der Spalthöhe aufgrund einer Druckänderung in der Hydrostatiktasche weitestgehend vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung sieht vor, dass die Präzisionsbearbeitungsmaschine einen Durchflussmengenregler mit einem Gehäuse mit einer Bohrung aufweist, das an einem Ende eine Einlassöffnung für ein Druckfluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, hat, das von einer Fluidquelle zugeführt wird, und das an dem anderen Ende eine Auslassöffnung für das Druckfluid aufweist, das mit verringertem Druck, dem sogenannten Taschendruck, mindestens einer Lagertasche zugeführt wird. In das Gehäuse ist eine Hülse dicht an dessen Innenwand anliegend eingepasst, die eine elastische Umfangswand und eine im wesentlichen starre Bodenwand enthält. Da die Umfangswand und die Bodenwand zweckmäßigerweise einstückig aus demselben Material hergestellt sind, wird dies dadurch erreicht, dass die elastische Umfangswand dünner ist als die starre Bodenwand.
Weiter sieht die Erfindung vor, dass die Hülse außen in der Umfangswand einen nach außen hin offenen Strömungskanal bzw. eine Wendelnut enthält, der bzw. die im Bereich der Einlassöffnung des Druckfluids einen zum Inneren der Hülse offenen Einlass und am bodenseitigen Ende einen zur Unterseite des Bodens hin offenen Auslass enthält. Hierzu sieht die Erfindung vor, dass an der Unterseite des Bodens an dessen Rand ein umlaufender Bereich weg geschnitten ist, in den der Strömungskanal einmündet, und dass mit dem durch die Innenwand des Gehäuses begrenzten Ringraum radiale Nuten in der Unterseite des Bodens verbunden sind. Diese vorzugsweise kreuzförmig verlaufenden Nuten treffen sich in der Mitte des Bodens, der mit seinen übrigen Flächen dicht am Boden der Bohrung des Gehäuses anliegt. Bei dieser Ausbildung fließt das aus dem Strömungskanal austretende Druckfluid in den äußeren Ringraum und von dort durch die radialen Nuten zur Mitte des Bodens, in die der Auslasskanal des Gehäuses einmündet. Der Auslasskanal des Gehäuses ist über eine Leitung mit einer zugehörigen Lagertasche (oder mit mehreren Lagertaschen) verbunden.
Der Strömungskanal hat in der dünnwandigen und hierdurch elastischen zylindrischen Hülse einen sehr kleinen, Kapillar-ähnlichen Querschnitt, der für die durchfließende Fluidströmung einen Widerstand bildet, so dass der am Einlass der Hülse herrschende Pumpendruck stetig bis zu dem Auslass des Strömungskanals abnimmt. Das Druckfluid tritt mit dem Taschendruck aus dem Gehäuse aus.
Bei diesem Vorgang herrscht im Inneren der Hülse der Pumpendruck, mit dem das Fluid in das Gehäuse eingeführt wird. Mit diesem Pumpendruck wird die Hülse an die zylindrische Innenwand der Bohrung des Gehäuses angedrückt.
Wenn aufgrund einer Belastungsänderung der Taschendruck ansteigt, steigt auch der Druck in dem Strömungskanal. Da insbesondere der Boden des Strömungskanals elastisch ist, erhöht sich hierdurch der Querschnitt des Strömungskanals, der durch den im Innenraum der Hülse herrschenden Druck zusammen gepresst wird. Durch die Aufweitung des Strömungskanals infolge eines erhöhten Taschendrucks und damit erhöhten Innendrucks in dem Strömungskanal reduziert sich der Strömungswiderstand, so dass eine Zunahme des Flüssigkeitsstromes durch den Strömungskanal erfolgt, so dass der in die hydrostatische Lagertasche fließende Fluidstrom vergrößert und damit die ursprüngliche Spalthöhe beibehalten oder wieder hergestellt wird. Dies bedeutet, dass die Spalthöhe der Lagertaschen stabilisiert ist, so dass praktisch keine störenden Verlagerungen auftreten, die die Bearbeitungsgenauigkeit der zugehörigen Werkzeugmaschine beeinträchtigen könnte.
Der umgekehrte Effekt tritt ein, wenn die Belastung der Lagertaschen abnimmt, wodurch dann bei verringertem Druck in der Lagertasche und damit in der Wendelnut deren freier Querschnitt abnimmt und der fließende Fluidstrom entsprechend verkleinert wird.
Der Strömungskanal kann z.B. geradlinig, schrauben- oder mäanderförmig am Außenumfang der Hülse verlaufen und sich dabei insgesamt um einen Teil des Umfangs oder aber ein oder mehrmals um den gesamten Umfang der Hülse erstrecken. Der Strömungskanal hat bevorzugt die Querschnittsform eines flachen Kreisabschnitts, wobei aber auch z.B. ein anders gekrümmter oder rechteckiger oder stufenförmiger Verlauf der Nutwand möglich ist. Die Größe des Gehäuses des Durchflussmengenreglers, seiner Hülse und die Abmessungen und der Verlauf des Strömungskanals hängen von dem jeweiligen Anwendungsfall und dessen Anforderungen ab.
Als geeignete Materialien der Hülse kommen Metalle wie beispielsweise Titan, Neusilber oder Edelstahl sowie Metall-ähnliche Kunststoffe wie PEEK, PI (Vespel ®) in Betracht.
Der Druckflussmengenregler ist einfach herzustellen, da er neben dem mit zwei Bohrungen versehenen starren Gehäuse praktisch nur ein weiteres Bauteil enthält, nämlich die mit den Nuten versehene Hülse. Dieses Bauteil kann auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, beispielsweise durch 3-achsiges Fräsen. Somit ist der erfindungsgemäße Durchflussmengenregler mit sehr geringen Fertigungstoleranzen und geringen Kosten herstellbar.
In einer Ausführungsform hat die Hülse eine Höhe von ca. 13 mm bei einem Durchmesser von ca. 10 mm. Die Wandstärke ihrer Umfangswand beträgt dann, wenn sie aus PEEK, PI hergestellt ist, etwa 0,9 mm, während die Wandstärke in Falle von Titan etwa 0,3 bis 0,5 mm beträgt. Die Nut hat eine Tiefe von 27 µm und eine Breite von 4,3 mm. Mit diesen Abmessungen ist der Durchflussmengenregler für kleine Förderströme und damit für hydrostatische Lagertaschen mit Mikrospalten bestens geeignet, wobei der Spalthöhenregler aufgrund seiner kleinen Baugröße nahe bei den Lagertaschen angeordnet werden kann. Die Mikrospalten können eine Spalthöhe von 3 bis 10 µm haben.
Als Druckflüssigkeit kann außer Öl, Ethanol oder Petroleum auch Wasser verwendet werden, wozu der erfindungsgemäße Regler bestens geeignet ist. Als Druckmedium kommt bei anderen Anwendungen als bei Präzisionsbearbeitungsmaschinen auch Gas in Betracht.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen auf weitgehend schematische Weise:

1 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform des Spalthöhenreglers;
2 einen Schnitt A-A durch den Spalthöhenregler der 1;
3 eine Seitenansicht der Hülse des Spalthöhenreglers und
4 eine Ansicht der Hülse von unten.

Der in den Figuren dargestellte Durchflussmengenregler 1 besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, einem starren Gehäuse 2 und einer Hülse 3. Das starre Gehäuse 2 enthält eine kreiszylindrische Bohrung 4, in die die ebenfalls kreiszylindrische Hülse 3 so eingepasst ist, dass sie mit ihrer Umfangswand 5 an der Innenwand der Bohrung 4 und mit ihrer Bodenwand 6 am Boden 7 der Bohrung 4 anliegt.
In der Außenseite der Umfangswand 5 ist ein Strömungskanal in Form einer Wendelnut 8 ausgebildet, die querschnittlich eine flache Bogenform hat. Am oberen Ende der Wendelnut 8 läuft das Medium über eine äußere ringförmige Fase 9 in die Wendelnut 8 ein. Anstelle der Fase kann eine Bohrung durch die Wand der Hülse 3 führen, die den Innenraum der Hülse 3 in der Nähe des Einlaufs 10 der Pumpenseite des Gehäuses 2 mit der Wendelnut 8 verbindet. Durch diese Bohrung 9 strömt das von einer nicht dargestellten Pumpe zugeführte Druckfluid mit Pumpendruck in die Wendelnut 8.
Die Umfangswand 5 der Hülse 3 ist so dünn, dass sie elastisch ist, so dass die Querschnittsfläche der Wendelnut 8 in Abhängigkeit von dem im Inneren der Hülse 3 herrschenden Pumpendruck und dem in der Wendelnut 8 herrschenden Druck veränderlich ist. Der Pumpendruck ist stets größer als der in der Wendelnut herrschende Druck, so dass der Nutboden der Wendelnut 8 zur Innenwand der Bohrung 4 hin mehr oder weniger durchgebogen ist.
Der Boden 6 der Hülse 3 ist erheblich dicker als die Umfangswand 5 und damit im wesentlichen starr.
Die Wendelnut 8 mündet im Bereich des Bodens 6 in einen außen am Boden 6 umlaufenden Ringkanal (bzw. Ringnut) 11, der mit zur Mitte des Bodens führenden radialen Nuten 12 in Verbindung steht. Durch diesen Ringkanal 11 und die vier sich kreuzenden radialen Nuten 12 fließt das Druckfluid mit durch den Widerstand der Wendelnut 8 verringertem Taschendruck durch einen mit der Mitte des Bodens 6 fluchtenden Auslasskanal 13 aus dem Gehäuse 1 aus und von dort in die zugehörige Lagertasche.
Wenn die Belastung der Lagertasche steigt, erhöht sich der Taschendruck und damit auch der Innendruck in der Wendelnut 8. Dies führt dazu, dass sich der Querschnitt der Wendelnut 8 vergrößert, so dass ein größerer Förderstrom des Druckfluids (bei unverändertem Pumpendruck) in die Lagertasche fließt, so dass die Spalthöhe stabilisiert ist.

Claims

Präzisionsbearbeitungsmaschine mit wenigstens einer hydrostatischen Lagertasche, auf der ein Schlitten mit einem Bearbeitungswerkzeug gelagert ist, wobei die wenigstens eine hydrostatische Lagertasche über eine Leitung mit einer Pumpe verbunden ist, die Druckflüssigkeit zuführt, die auf der hydrostatischen Lagertasche einen Mikrospalt hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leitung ein Durchflussmengenregler eingeschaltet ist, der ein Gehäuse (2) mit einer Bohrung (4) mit einer Einlassöffnung (10) für eine mit einem Pumpendruck zugeführte Flüssigkeit und mit einer mit der wenigstens einen Lagertasche in Verbindung stehenden Auslassöffnung (13) für die Druckflüssigkeit mit verringertem Druck aufweist, dass eine Hülse (3) dicht an der Innenwand der Bohrung (4) anliegend in das Gehäuse (2) eingesetzt ist, dass die Hülse (3) eine elastische Umfangswand (5) und eine Bodenwand (6) enthält, wobei die Bodenwand (6) der Hülse (3) dicker ist als die Umfangswand (5), dass die Hülse (3) außen in der Umfangswand wenigstens einen Strömungskanal (8) enthält, der an einem Ende einen zum Inneren der Hülse hin offenen Einlass (9) und am anderen Ende einen zur Unterseite des Bodens hin offenen Auslass enthält, der mit der Auslassöffnung (13) des Gehäuses (2) in Verbindung steht, dass die Bodenwand (6) der Hülse (3) am Rand eine umlaufende Nut (11) enthält, in die der Auslass des Strömungskanals (8) einmündet, dass die umlaufende Nut (11) mit zur Mitte des Bodens verlaufenden radialen Nuten (12) verbunden ist, dass der Boden (6) der Hülse (3) am Boden (7) der Bohrung (4) des Gehäuses (2) anliegt, und dass ein Auslasskanal (13) durch den Boden des Gehäuses (2) mit der Mitte des Bodens (6) der Hülse (3) fluchtet.
Präzisionsbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (4) eine kreiszylindrische Innenwand aufweist.
Präzisionsbearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (3) aus Metall oder einem Kunststoff besteht.
Präzisionsbearbeitungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff PEEK, PI verwendet wird.
Präzisionsbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (8) die Querschnittsform eines flachen Kreisabschnitts hat.
Präzisionsbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse 10 bis 50 mm hoch ist.
Präzisionsbearbeitungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse 10 bis 20 mm hoch ist.
Präzisionsbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser ist.