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Die Erfindung betrifft eine Leit- und Zugspindeldrehmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei der bekannten Leit- und Zugspindeldrehmaschine ist ein erster Servomotor vorgesehen, welcher über einen Riementrieb oder ein Getriebe mit der Arbeits- bzw. Hauptspindel verbunden ist. Ein zweiter Servomotor ist über ein weiteres Getriebe mit der Leit- und Zugspindel verbunden. Der erste und der zweite Servomotor sind über eine Steuerung derart gekoppelt, dass sie in einem vorgegebenen Drehzahlverhältnis zueinander betrieben werden können. - Bei herkömmlichen Leit- und Zugspindeldrehmaschinen wird die Hauptspindel üblicherweise mit einer Spindeldrehzahl von höchstens 3.000 Umdrehungen/Minute rotiert.
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Die
DE 699 17 486 T2 offenbart eine Leit- und Drehmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 43 11 431 A1 ist eine mit Kühlmittel gekühlte Motorspindel für eine Werkzeugmaschine bekannt.
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In jüngerer Zeit gibt es einen Bedarf zur Herstellung von Drehteilen aus Verbundwerkstoffen. Solche Drehteile lassen sich mit konventionellen Leit- und Zugspindeldrehmaschinen bisher nicht in einer ausreichenden Qualität herstellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Leit- und Zugspindeldrehmaschine angegeben werden, welche die Herstellung von Drehteilen aus Sonderwerkstoffen mit verbesserter Qualität ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
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Als Hauptspindel wird die Motorwelle des ersten Servomotors verwendet. Die Hauptspindel ist also nicht mehr über einen Riemenantrieb oder ein Getriebe mit der Motorwelle des ersten Servomotors verbunden. Das ermöglicht einen Betrieb der Hauptspindel mit einer hohen Drehzahl von mehr als 6.000 Umdrehungen/Minute. Eine solche Drehzahl ermöglicht eine drastische Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit. Damit gelingt es überraschenderweise, insbesondere auch Drehteile aus Sonderwerkstoffen, beispielsweise Verbundwerkstoffen, in einer hervorragenden Qualität in Einzelstücken oder Kleinserien herzustellen. Es ist zu diesem Zweck insbesondere nicht die Verwendung einer kostenaufwendigen und umständlich zu programmierenden CNC-Drehmaschine erforderlich.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Motorwelle in einem Motorgehäuse mittels erster und zweiter Kugellager drehbar gehalten. Die ersten Kugellager sind auf einer Seite eines Rotors zwischen einem in Richtung des Maschinenbetts sich erstreckenden Anschlussende zum Anschließen eines Spannwerkzeugs und dem Rotor vorgesehen. Zumindest ein zweites Kugellager ist auf einer anderen Seite des Rotors vorgesehen. Die andere Seite liegt der einen Seite gegenüber. - Die ersten Kugellager sind erfindungsgemäß in einer ersten Kühleinrichtung aufgenommen. Das zumindest eine zweite Kugellager ist erfindungsgemäß in einer zweiten Kühleinrichtung aufgenommen. - Das Vorsehen der Kühleinrichtungen ermöglicht es, die Kugellager auch bei hohen Spindeldrehzahlen in einem vorgegebenen Temperaturbereich zu halten. Damit kann einem unerwünschten Spiel der Hauptspindel relativ zum Motorgehäuse entgegengewirkt werden. Ein Radial- und/oder Axialspiel kann damit in einem Bereich von weniger als 2 µm, insbesondere weniger als 1 µm, gehalten werden.
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Die erste Kühleinrichtung umfasst zur Aufnahme der ersten Kugellager ein erste Kühlkanäle umfassendes erstes Bauteil, welches vorteilhafterweise mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt ist. In ähnlicher Weise umfasst die zweite Kühleinrichtung zur Aufnahme des zumindest einen zweiten Kugellagers ein zweite Kühlkanäle umfassendes zweites Bauteil, welches vorteilhafterweise mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt ist. Die Verwendung eines additiven Herstellungsverfahrens ermöglicht die Herstellung von Bauteilen, welche sowohl eine ausreichende Festigkeit gegen die von den Kugellagern übertragenen Radial- und Axialkräfte als auch Kühlkanäle zum Durchführen eines Kühlfluids aufweisen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ein mit der ersten und/oder zweiten Kühleinrichtung verbundener Wärmetauscher zum Kühlen eines die erste und/oder zweite Kühleinrichtung durchströmenden Kühlfluids vorgesehen. Bei dem Kühlfluid kann es sich um Wasser, Öl oder dgl. handeln. Die vom Kühlfluid aus den Kühleinrichtungen abgeführte Wärme kann im Wärmetauscher beispielsweise auf Luft übertragen werden. Dazu kann der Wärmetauscher ein Gebläse aufweisen.
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Der Wärmetauscher kann insbesondere in einem aus Seitenwänden sowie einer Vorder- und einer Rückwand gebildeten Gehäuse aufgenommen sein. Ein solches Gehäuse ist Bestandteil herkömmlicher Leit- und Zugspindeldrehmaschinen. Es erstreckt sich in einem Bereich unterhalb des Maschinenbetts. Die vorgeschlagene Integration des Wärmetauschers in das Gehäuse ermöglicht eine besonders kompakte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Leit- und Zugspindeldrehmaschine.
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Die ersten Kugellager umfassen zweckmäßigerweise axial gegeneinander verspannte Radiallager, vorzugsweise Schrägkugellager. Bei dem zumindest einen zweiten Kugellager kann es sich um ein Axiallager handeln. Selbstverständlich ist es möglich, auch im Bereich des zumindest einen zweiten Kugellagers Radiallager vorzusehen. Die vorgeschlagene Lagerung gewährleistet eine Einhaltung eines maximalen Radial- und/oder Axialspiels der Hauptspindel von weniger als 2 µm, vorzugsweise weniger als 1 µm. Das gilt insbesondere auch bei einem Antrieb der Hauptspindel mit einer Spindeldrehzahl von 6.000 Umdrehungen/Minute oder mehr.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die ersten und/oder zweiten Kugellager aus einer Keramik hergestellt. Eine Keramik weist eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit auf. Selbst bei hohen Temperaturen weist eine Keramik eine geringe Wärmedehnung auf. Überdies ist eine Keramik leicht. Bei der Verwendung von aus einer Keramik hergestellten Kugellagern sind die auf die Kugeln wirkenden Radialkräfte geringer. Die Kugeln der Kugellager werden beim Betrieb mit einer geringeren Kraft gegen deren Außenschale gezwungen. Es kann damit ein unerwünschtes Spiel zwischen den Kugeln und der Innenschale der Kugellager vermieden werden.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erste Kühleinrichtung eine erste Temperaturmesseinrichtung zur Messung einer ersten Temperatur. Die zweite Kühleinrichtung kann eine zweite Temperaturmesseinrichtung zur Messung einer zweiten Temperatur der zweiten Kugellager umfassen. Die Temperaturmesseinrichtungen umfassen zweckmäßigerweise Thermoelemente, welche an den ersten und/oder zweiten Bauteilen angebracht sind. Das Vorsehen der Temperaturmesseinrichtungen ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Steuerung oder Regelung der Temperatur der Kugellager.
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Vorteilhafterweise ist eine mit der ersten und/oder zweiten Temperaturmesseinrichtung verbundene Regelung zum Regeln der ersten und/oder zweiten Temperatur vorgesehen. Die Regelung ist zweckmäßigerweise mit einer Pumpe zum Fördern des Kühlfluids und/oder einem Gebläse zum Kühlen des Kühlfluids gekoppelt. Infolgedessen ist es mit der Regelung möglich, eine Temperatur der ersten und/oder zweiten Kugellager in einem vorgegebenen Temperaturbereich zu halten.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seiten- und Teilquerschnittsansicht einer Leit- und Zugspindeldrehmaschine.
- 2 eine Teilschnittansicht durch den ersten Servomotor gemäß 1, und
- 3 eine weitere Teilschnittansicht durch die Motorwelle des ersten Servomotors.
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Bei der in 1 gezeigten Leit- und Zugspindeldrehmaschine ist auf einem Maschinenbett 1 ein Werkzeugschlitten vorgesehen, welcher hier nicht gezeigt ist. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein erster Servomotor mit einer ersten Motorwelle 3 bezeichnet. Ein zweiter Servomotor 4 dient dem wahlweisen Antrieb einer Leitspindel 5 sowie einer Zugspindel 6.
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Der hier nicht gezeigte Hauptschlitten umfasst einen herkömmlichen Hauptschlitten, welcher einen mittels eines Handrads in einer parallel zur Achse der Hauptspindel bzw. der Motorwelle 3 verlaufenden z-Richtung manuell hin- und her bewegbar ist. Auf dem Hauptschlitten ist in einer senkrecht zur z-Richtung verlaufenden x-Richtung ein mittels eines weiteren Handrads manuell hin- und her bewegbarer Planschlitten aufgenommen. Auf dem Planschlitten kann schließlich noch ein Oberschlitten aufgenommen sein, welcher drehbar ist. Der Hauptschlitten und/oder der Planschlitten können wahlweise mit der Leit- und/oder Zugspindel gekoppelt werden.
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Beim ersten Servomotor 2 bildet die Motorwelle 3 die Hauptspindel. Die Motorwelle 3 bzw. die Hauptspindel ist an ihrer dem Maschinenbett 1 zugewandten einen Seite mit einem Anschlussende 7 zum Anschließen eines Spannwerkzeugs, beispielsweise eines Spannfutters oder dgl., versehen. Der erste Servomotor ist hergerichtet zum Antrieb der Motorwelle 3 mit einer Drehzahl von mehr als 6.000 Umdrehungen/Minute. Die Motorwelle 3 bzw. die Hauptspindel kann insbesondere mit einer Drehzahl von bis zu 8.500 Umdrehungen/Minuten betrieben werden.
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Die Motorwelle 3 ist in einem Motorgehäuse 8 mittels erster Kugellager 9 und mittels zumindest eines zweiten Kugellagers 10 drehbar gehalten. Die ersten Kugellager 9 sind in einem Abschnitt zwischen dem Anschlussende 7 und einem auf der Motorwelle 3 montierten Rotor 11 angebracht. Mit den Bezugszeichen 12 ist ein mit Motorgehäuse 8 fest verbundener Stator bezeichnet. Auf einer der einen Seite gegenüber liegenden anderen Seite des Rotors 11 ist das zumindest eine zweite Kugellager 10 vorgesehen.
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In einem sich unterhalb des Maschinenbetts 1 erstreckenden Gehäuse 13 ist ein mit dem Bezugszeichen 14 bezeichneter Wärmetauscher aufgenommen. Der Wärmetauscher 14 ist über einen Kühlmittelzulauf 15 sowie einen Kühlmittelrücklauf 16 mit dem ersten Servomotor 2 verbunden.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, können die ersten Kugellager 9 mehrere gegeneinander axial verspannte Schräglager aufweisen. Die ersten Kugellager 9 sind innerhalb eines Motorgehäuses 8 in einem ersten Bauteil 17 aufgenommen.
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Bei dem zumindest einen zweiten Kugellager 10 kann es sich um Axiallager handeln. Das zweite Kugellager 10 ist innerhalb des Motorgehäuses 8 in einem zweiten Bauteil 18 aufgenommen.
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3 zeigt insbesondere die ersten Kugellager 9 sowie das erste Bauteil 17. Das erste Bauteil 17 umfasst einen Anschluss für den Kühlmittelzulauf 15, einen weiteren Anschluss für den Kühlmittelrücklauf 16 sowie zumindest einen ersten Kühlkanal 19, welcher von einem Kühlfluid durchströmt wird.
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Ein hier nicht näher gezeigtes zweites Bauteil 18 ist in ähnlicher Weise wie das erste Bauteil 17 gestaltet.
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Mit dem Bezugszeichen 20 ist ein Thermoelement bezeichnet, welches vorzugsweise mit einer Regelung verbunden ist. Die Regelung ist in der 1 mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet. In ähnlicher Weise kann das zweite Bauteil 10 mit einem weiteren Thermoelement (hier nicht gezeigt) versehen sein, welches ebenfalls mit der Regelung 21 verbunden sein kann. - Anstelle der Regelung 21 kann auch eine Steuerung verwendet werden.
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Obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, kann ein, vorzugsweise separater, weiterer Kühlkreislauf zum Kühlen des Motorgehäuses vorgesehen sein. Der weitere Kühlkreislauf kann ebenfalls mit dem Wärmetauscher 14 gekoppelt sein.
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Die Funktion der vorgeschlagenen Leit- und Zugspindeldrehmaschine ist folgende:
- Die Motorwelle 3 bzw. Hauptspindel wird mittels der ersten Kugellager 9 und des zumindest einen zweiten Kugellagers 10 quasi spielfrei im Motorgehäuse 8 gehalten. Bei einem Betrieb der Motorwelle 3 bei hohen Drehzahlen, insbesondere bei Drehzahlen von mehr als 6.000 Umdrehungen/Minute, kann es wegen Radialkräften und einer Erhöhung der Temperatur insbesondere im Bereich der Kugellager 9, 10 zur Ausbildung eines unerwünschten Spiels zwischen der Motorwelle 3 und dem Motorgehäuse 8 kommen. Um insbesondere dem durch eine Temperaturerhöhung bedingten Spiel entgegen zu wirken, wird eine Temperatur der ersten Kugellager 9 und des zumindest eines zweiten Kugellagers 10 mittels zumindest eines Thermoelements 20 gemessen. Die Messwerte werden laufend an die Regelung 21 übertragen. Sofern die Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wird Kühlfluid durch die Bauteile 17, 18 gepumpt. Mittels der Regelung 21 wird eine Menge des durch die Bauteile 17, 18 geförderten Kühlfluids so geregelt, dass die Kugellager 9, 10 auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden. Infolgedessen wird ein durch eine unerwünschte Temperaturerhöhung der Kugellager 9, 10 bedingtes Spiel der Motorwelle 3 vermieden.
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Es kann selbstverständlich auch sein, dass die erste und die zweite Kühleinrichtung jeweils einen separaten Kühlkreislauf und eine separate Regelung aufweisen. Damit gelingt es, die Temperatur im Bereich der ersten und zweiten Kühleinrichtung noch genauer zu regeln. Abgesehen davon kann das Motorgehäuse mit einer weiteren separaten Kühleinrichtung gekühlt werden.
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Zur Verminderung eines durch Radialkräfte bedingten Spiels der Motorwelle können als Kugellager 9, 10 keramische Kugellager verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Leit- und Zugspindeldrehmaschine ermöglicht einen Betrieb der Hauptspindel mit hohen Drehzahlen von bis zu 8.500 Umdrehungen/Minute. Damit gelingt es, Sonderwerkstoffe, insbesondere Kompositwerkstoffe u. dgl., als Einzelstücke oder in Kleinserien herzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschinenbett
- 2
- erster Servomotor
- 3
- Motorwelle
- 4
- zweiter Servomotor
- 5
- Leitspindel
- 6
- Zugspindel
- 7
- Anschlussende
- 8
- Motorgehäuse
- 9
- erste Kugellager
- 10
- zweites Kugellager
- 11
- Rotor
- 12
- Stator
- 13
- Gehäuse
- 14
- Wärmetauscher
- 15
- Kühlmittelzulauf
- 16
- Kühlmittelrücklauf
- 17
- erstes Bauteil
- 18
- zweites Bauteil
- 19
- Kühlkanal
- 20
- Thermoelement
- 21
- Regelung
