DE102019203078A1 - Motor spindle with differently adjusted fiber-reinforced plastic materials and method for controlling a motor spindle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Motorspindel (11) zum Antreiben eines direkt geklemmten oder in einem Werkzeughalter (13) gehaltenen Werkzeugs (15), mit:- einer mittels einer Antriebseinheit (17) angetriebenen Spindelwelle (19),- einer Werkzeugschnittstelle (21) zum lösbaren drehfesten Koppeln des Werkzeughalters (13) mit der Spindelwelle (19),- einer Lagervorrichtung (23) zum drehbaren Lagern der Spindelwelle (19),- einem Gehäuse (25), indem die Spindelwelle (19), die Lagervorrichtung (23) und die Antriebseinheit (17) aufgenommen sind. Um eine verbesserte Motorspindel (11) bereitzustellen, weist diese zumindest zwei hinsichtlich einer Steifigkeit, einer Wärmeleiteigenschaft und/oder eines thermischen Ausdehnungskoeffizients unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien auf.The invention relates to a motor spindle (11) for driving a tool (15) clamped directly or held in a tool holder (13), with: - a spindle shaft (19) driven by means of a drive unit (17), - a tool interface (21) for releasable rotationally fixed coupling of the tool holder (13) to the spindle shaft (19), - a bearing device (23) for rotatably mounting the spindle shaft (19), - a housing (25) by the spindle shaft (19), the bearing device (23) and the Drive unit (17) are added. In order to provide an improved motor spindle (11), it has at least two fiber-reinforced plastic materials that are set differently in terms of stiffness, thermal conductivity and / or thermal expansion coefficient.
Description
Gebiet der ErfindungField of invention
Die Erfindung betrifft eine Motorspindel zum Antreiben eines Werkzeugs oder in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs, mit einer mittels einer Antriebseinheit angetriebenen Spindelwelle, einer Werkzeugschnittstelle zum lösbaren drehfesten Koppeln des Werkzeughalters mit der Spindelwelle, einer Lagervorrichtung zum drehbaren Lagern der Spindelwelle und einem Gehäuse, in dem die Spindelwelle, die Lagervorrichtung und die Antriebseinheit aufgenommen sind und ein Verfahren zum Regeln einer solchen Motorspindel.The invention relates to a motor spindle for driving a tool or a tool held in a tool holder, with a spindle shaft driven by means of a drive unit, a tool interface for the detachable non-rotatable coupling of the tool holder to the spindle shaft, a bearing device for the rotatable bearing of the spindle shaft and a housing in which the Spindle shaft, the bearing device and the drive unit are included and a method for regulating such a motor spindle.
Stand der TechnikState of the art
Motorspindeln zum Antreiben eines in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs sind bekannt. Diese werden üblicherweise zum Bearbeiten, insbesondere zerspanenden Bearbeiten von Werkstoffen verwendet. Für eine solche Bearbeitung sind vergleichsweise hohe Drehzahlen sowie häufige Beschleunigungs- und Bremsvorgänge erforderlich. Außerdem muss während der Bearbeitung eines Werkstücks auch das angetriebene Werkzeug gegebenenfalls mehrfach gewechselt werden. Dadurch treten an gattungsgemäßen Motorspindeln im Lauf eines Bearbeitungsvorgangs wechselnde thermische Belastungen und Schwingungsanregungen auf. Als Wärmequellen treten eine Abwärme der Antriebseinheit sowie Reibungsverluste der Lagervorrichtung zum Lagern der Spindelwelle als auch gegebenenfalls Prozesswärme am Werkzeug auf. Diese Wärme kann beispielsweise mittels Pressluft und/oder einer Wasserkühlung abgeführt werden. Aufgrund der hohen Drehzahlen treten dynamische Lasten wie beispielsweise Fliehkräfte, insbesondere an der Lagervorrichtung auf, die neben der thermischen Belastung ebenfalls zu Änderungen von Betriebsparametern der Motorspindel führen können. Es ist bekannt, für Motorspindeln ein faserverstärktes Kunststoffmaterial zu verwenden, das als solches im Grundsatz ebenfalls bekannt ist. Die
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Motorspindel zum Antreiben eines in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs bereitzustellen, insbesondere eine Standzeit der Motorspindel zu verbessern, einen Werkzeugwechsel zu erleichtern, eine Baugröße der Motorspindel zu verringern, eine Kühlung der Motorspindel zu verbessern und/oder höhere Drehzahlen zu ermöglichen.The object of the invention is to provide an improved motor spindle for driving a tool held in a tool holder, in particular to improve the service life of the motor spindle, to facilitate a tool change, to reduce the size of the motor spindle, to improve cooling of the motor spindle and / or higher speeds to enable.
Die Aufgabe ist bei einer Motorspindel zum Antreiben eines in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Motorspindel zumindest zwei hinsichtlich einer Steifigkeit, einer Wärmeleiteigenschaft und/oder eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien aufweist. Es wurde herausgefunden, dass faserverstärkte Kunststoffmaterialen aufgrund der Zusammensetzung aus dem Kunststoffmaterial und den Fasern hinsichtlich der Eigenschaften Elastizität und/oder Steifigkeit, Wärmeleiteigenschaften und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in einem vergleichsweise großen Bereich eingestellt werden kann. Insbesondere im Vergleich zu Stahl lassen sich so für die Motorspindel vorteilhafte Materialeigenschaften genau dort vorsehen, wo sie eine Leistungsfähigkeit der Motorspindel, insbesondere eine Standzeit, ein Beschleunigungs- und Bremsverhalten, ein Schwingungsverhalten und/oder eine Drehzahl positiv beeinflussen. Außerdem wurde herausgefunden, dass das unterschiedliche Einstellen der Kunststoffmaterialien auch in einem integral zusammenhängenden Bauteil möglich ist. Es ist also denkbar, ein integral zusammenhängendes Bauteil, wie beispielsweise die Spindelwelle der Motorspindel bereichsweise an technische Anforderungen anzupassen, insbesondere Elastizitäten, um so ein Schwingungsverhalten positiv zu beeinflussen. Das unterschiedliche Einstellen der faserverstärkten Kunststoffmaterialien kann auch durch eine Kombination von zwei Bauteilen erfolgen, beispielsweise in Form eines mit der Spindelwelle kombinierten Distanzringes und/oder ähnliches. Das Einstellen des faserverstärkten Kunststoffmaterials kann insbesondere durch eine Kombination von unterschiedlichen Lagen, eine Ausrichtung von Fasern und/oder die Wahl von Fasern erfolgen. Insbesondere ist es dadurch möglich einen Wärmeausdehnungskoeffizient von Null oder gegebenenfalls sogar kleiner Null einzustellen. Ferner wurde herausgefunden, dass diese spezifischen Eigenschaften auch zum Realisieren von auf Wärme reagierender Regelkreise verwendet werden kann. Unter einem faserverstärkten Kunststoffmaterial kann grundsätzlich ein Harz und/oder Substrat, insbesondere wärmeaushärtend, verstanden werden, mittels dem unterschiedliche Lagen von Fasern imprägniert und gehärtet sind. Insbesondere kann es sich bei den Fasern um Kohlenstofffasern handeln, also um ein sogenanntes CFK-Material. Durch diese vorteilhafte Kombination unterschiedlich eingestellter faserverstärkter Kunststoffmaterialien können Drehzahlen von über 30.000, vorzugsweise bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute erzielt werden, wobei im Sekundentakt Beschleunigungen und Abbremsungen möglich sind. Außerdem ergibt sich eine vergleichsweise kleinbauende Motorspindel, wobei etwaige bei der Bearbeitung des Werkstücks störende Konturen der Motorspindel selbst auf ein Minimum reduziert werden können. Die Reduzierung der Störkontur ergibt sich daraus, dass aufgrund des oder der vorteilhaften faserverstärkten Kunststoffmaterialien, insbesondere CFK-Materialien, insbesondere mit einem thermischen Wärmeausdehnungskoeffizient von Null, die Motorspindel, insbesondere ein Gehäuse der Motorspindel, an beliebiger Stelle festgehalten werden kann, ohne die Präzision der Maschine zu verschlechtern. Aus dem Stand der Technik bekannte Stahl-Motorspindeln werden möglichst nah am Werkzeug mit einer Manipulationseinrichtung verbunden, um thermisch bedingte Versätze, insbesondere axiale Versätze, am Werkzeug und damit Bearbeitungsfehler zu minimieren. Diese Manipulationsvorrichtung stellt zwangsläufig eine Störkontur für den Bearbeitungsprozess dar. Die erfindungsgemäße Motorspindel minimiert diese Störkontur, da Sie an einer beliebigen Stelle, gegebenenfalls auch an einem, dem Werkzeug gegenüberliegenden Ende mit der Manipulationsvorrichtung verbunden werden kann, ohne thermisch bedingte Bearbeitungsfehler zu erzeugen. Dies wird möglich, weil insbesondere durch den Einsatz eines faserverstärkten Kunststoffmaterials mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Null oder nahe Null, der Zusammenhang zwischen Temperatur- und Geometrieänderungen zumindest weitgehend aufgehoben wird. Eine erfindungsgemäße, neuartige Motorspindel kann also an der vom Werkzeug abgewandten Seite festgehalten werden, so dass eine Haltestruktur der Manipulationsvorrichtung erheblich weniger in einen Bearbeitungsraum hineinragt und daher bei der Bearbeitung weniger stört. Die neuartige Motorspindel kann demnach ohne Präzisionsverlust in einem beliebigen axialen Abstand zum Werkzeug an einer Manipulationsvorrichtung befestigt werden. Im Betrieb ergibt sich eine axiale Distanz zwischen der Bearbeitungsstelle beziehungsweise dem Werkzeug und der besagten Befestigungsstelle mit minimaler Störkontur von mehr als 20 %, insbesondere mehr als 50 %, insbesondere mehr als 80%, insbesondere einer Gesamtlänge des Gehäuses, der neuartigen Motorspindel. Außerdem ergibt sich ein vergleichsweise geringes Gewicht der Motorspindel selbst, sodass diese auch mittels einer automatisierten Manipulationsvorrichtung einfacher und präziser relativ zu dem Werkstück positioniert werden kann.In the case of a motor spindle for driving a tool held in a tool holder according to the preamble of claim 1, the object is achieved in that the motor spindle has at least two fiber-reinforced plastic materials that are set differently in terms of rigidity, heat conductivity and / or a coefficient of thermal expansion. It has been found that fiber-reinforced plastic materials can be adjusted in a comparatively large range in terms of the properties of elasticity and / or stiffness, thermal conductivity properties and the coefficient of thermal expansion due to the composition of the plastic material and the fibers. Particularly in comparison to steel, advantageous material properties can be provided for the motor spindle exactly where they affect the performance of the motor spindle, in particular a service life, an acceleration and braking behavior, a vibration behavior and / or a speed positively influence. In addition, it was found that the different setting of the plastic materials is also possible in an integrally connected component. It is therefore conceivable to adapt an integrally connected component, such as the spindle shaft of the motor spindle, to technical requirements in certain areas, in particular elasticities, in order to have a positive influence on the vibration behavior. The different setting of the fiber-reinforced plastic materials can also be done by a combination of two components, for example in the form of a spacer ring combined with the spindle shaft and / or the like. The setting of the fiber-reinforced plastic material can in particular take place through a combination of different layers, an alignment of fibers and / or the choice of fibers. In particular, it is thereby possible to set a coefficient of thermal expansion of zero or possibly even less than zero. It was also found that these specific properties can also be used to implement control loops that respond to heat. A fiber-reinforced plastic material can in principle be understood to mean a resin and / or substrate, in particular thermosetting, by means of which different layers of fibers are impregnated and cured. In particular, the fibers can be carbon fibers, that is to say a so-called CFRP material. This advantageous combination of differently adjusted fiber-reinforced plastic materials enables speeds of over 30,000, preferably up to 60,000 revolutions per minute to be achieved, with accelerations and decelerations being possible every second. In addition, the result is a comparatively small motor spindle, and any contours of the motor spindle which interfere with the machining of the workpiece can be reduced to a minimum. The reduction of the interfering contour results from the fact that, due to the advantageous fiber-reinforced plastic material (s), in particular CFRP materials, in particular with a thermal coefficient of thermal expansion of zero, the motor spindle, in particular a housing of the motor spindle, can be held at any point without the precision of the Machine to deteriorate. Steel motor spindles known from the prior art are connected to a manipulation device as close as possible to the tool in order to minimize thermally induced offsets, in particular axial offsets, on the tool and thus machining errors. This manipulation device inevitably represents an interfering contour for the machining process. The motor spindle according to the invention minimizes this interfering contour, since it can be connected to the manipulation device at any point, possibly also at an end opposite the tool, without producing thermal machining errors. This is possible because, in particular, by using a fiber-reinforced plastic material with a thermal expansion coefficient of zero or close to zero, the connection between temperature and geometry changes is at least largely eliminated. A novel motor spindle according to the invention can therefore be held on the side facing away from the tool, so that a holding structure of the manipulation device protrudes considerably less into a machining area and therefore interferes less during machining. The new motor spindle can therefore be attached to a manipulation device at any axial distance from the tool without loss of precision. During operation, there is an axial distance between the processing point or the tool and the said fastening point with a minimal interference contour of more than 20%, in particular more than 50%, in particular more than 80%, in particular a total length of the housing, of the novel motor spindle. In addition, the motor spindle itself has a comparatively low weight, so that it can also be positioned more easily and more precisely relative to the workpiece by means of an automated manipulation device.
Es können also sehr gut Prozesskräfte aufgenommen werden wobei eine hohe Bearbeitungsgüte hinsichtlich Lage, Formtoleranzen, Rundlaufgenauigkeit und einer geringen Verlagerung des Werkzeugs relativ zu einer gewünschten Position sowie eine hohe Steifigkeit bei einem großen Drehzahlbereich erzielt werden, die ein hohes Zeitspanvolumen bzw. eine hohe Produktivität ermöglichen.Process forces can therefore be absorbed very well, with a high machining quality in terms of position, shape tolerances, concentricity and low displacement of the tool relative to a desired position, as well as high rigidity with a large speed range, which enable a high metal removal rate and high productivity .
Die Präzision, als eines der wichtigsten Kriterien bei Motorspindeln kann deutlich verbessert werden. Vor allem ist die Wiederholgenauigkeit deutlich verbessert, sodass die erfindungsgemäße Motorspindel, insbesondere bei wechselnden Temperaturen, auf konstant gutem Niveau reproduzierbare Fräsergebnisse liefert. Im Vergleich zu Motorspindeln aus Stahl, die sich unter dem Einfluss von Wärme sehr stark ausdehnen, ist die Wiederholgenauigkeit enorm verbessert. Außerdem kann ein aus dem Stand der Technik bei Stahlmotorspindeln bekannter und betriebener Aufwand zum Erzeugen der Wiederholgenauigkeit durch das Vorsehen der unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien auf null, zumindest auf ein Minimum reduziert werden. Die vorteilhafte Ausgestaltung ist bereits strukturell in den unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien vorgegeben, insbesondere eventuell erforderliche Softwaretechnische Regelkreise sind nicht erforderlich oder können auf ein Minimum reduziert werden. Vielmehr ist es sogar möglich mittels der strukturell vorgegebenen Hardware in Form der faserverstärkten Kunststoffmaterialien Regelkreise direkt in die Motorspindel zu integrieren. Das bedeutet, dass beispielsweise ein Laminataufbau der Motorspindel so ausgelegt ist, dass diese sich nicht mehr in axialer Richtung ausdehnt. Es kann insbesondere ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von Null in den faserverstärkten Kunststoffmaterialien vorgesehen sein. Dadurch ist es möglich, quasi auf alle Kompensationssysteme zu verzichten, sodass die Motorspindel nicht nur kostengünstiger herstellbar, sondern auch gleichzeitig präziser ist. Durch das schnelle Beschleunigen der Motorspindel als Ganzes sowie das Hochfahren und Herunterfahren ergeben sich besonders kurze Taktzeiten. Zusammen mit den gegebenenfalls erreichbaren höheren Drehzahlen bei gleicher Präzision ist also ein höherer Materialabtrag pro Zeit, also ein höheres Zeitspanvolumen möglich. Dies wird durch eine höhere Steifigkeit der Motorspindel bei einem gleichzeitig verringerten Gewicht erreicht. Insbesondere weisen die faserverstärkten Kunststoffmaterialien, insbesondere CFK-Materialien, im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Stahl eine bis zu 100-fach bessere Dämpfungseigenschaft auf, wodurch sich deutlich höhere dynamische Steifigkeiten ergeben. Insbesondere können kritische Frequenzen in einen nicht störenden Bereich verschoben werden. Dies ermöglicht auch eine starre Lagerung der aus dem faserverstärkten Kunststoffmaterial fertigbaren bzw. gefertigten Motorspindel. Auf ein gegebenenfalls sonst erforderliches Loslager, das zum Ausgleich von thermischen Dehnungen im Stand der Technik bekannt ist, kann verzichtet werden. Auf einen gegebenenfalls erforderlichen Schiebesitz innerhalb der Motorspindel kann also verzichtet werden. Die Motorspindel ist also Schiebesitzfrei bzw. Loslagerfrei mittels einer Lagervorrichtung gelagert. Darüber hinaus ist es bekannt, durch die unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien zumindest bereichsweise die Motorspindel so anzupassen, dass diese sich aufgrund von Fliehkräften und/oder Temperatureinflüssen an Anforderungen der Lagervorrichtungen anpasst. Insbesondere kann eine durch Fliehkraft bedingte Aufweitung so angepasst werden, dass dadurch ein Presssitz von auf die Spindelwelle aufgepressten Wälzlagern, insbesondere Kugellagern, auch bei hohen Drehzahlen eine ausreichende Haltekraft aufweist. Ein Durchrutschen von Lagerinnenringen aufgrund einer Fliehkraft bedingten Aufweitung kann so sicher verhindert werden. Es wird also ein nicht erwünschtes Abheben der Lagerung von der Spindelwelle bei hohen Drehzahlen verhindert. Es ist also in allen Betriebszuständen, ob Stillstand oder maximale Drehzahl eine ausreichende Flächenpressung zwischen den Lagern bzw. Lagerinnenringen und der Spindelwelle gegeben. Im Vergleich zu einer Lagerung auf Stahlwellen kann also ein Verlorengehen der Flächenpressung durch eine Fliehkraftaufweitung verhindert werden. Dies ermöglicht ein direktes Aufsetzen von Lagern auf die Spindelwelle, wobei auf eine radial zwischen der Lagerung und der Spindelwelle angeordnete Hülse aus Stahl verzichtet werden kann. Die Lagervorrichtung ist also radial zwischenhülsenlos ausgebildet. Außerdem kann durch die unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien eine insgesamt sehr leicht bauende und hochfeste Motorspindel bereitgestellt werden. Dadurch können Drehzahlen von bis zu 30.000 vorzugsweise bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute erzielt werden, wobei ein Beschleunigen und Abbremsen im Sekundentakt möglich ist. Diese Drehzahlen sind beispielsweise mit lebensdauerfettgeschmierten Lagern und einem Lagerbohrungsdurchmesser von 40 mm in starrer Anstellung realisierbar. Für andere Lagerauslegungen ergeben sich andere Drehzahlbereiche, die jeweils im Vergleich zu bekannten Konzepten ohne Qualitätsverluste deutlich höhere Drehzahlen ermöglichen. Für eine Dynamik und Energieeffizienz einer die Motorspindel aufweisenden Zerspanungsmaschine bringt dies entscheidende Vorteile.The precision, as one of the most important criteria for motor spindles, can be significantly improved. Above all, the repeatability is significantly improved, so that the motor spindle according to the invention, in particular with changing temperatures, delivers reproducible milling results at a consistently good level. In comparison to motor spindles made of steel, which expand very strongly under the influence of heat, the repeatability is enormously improved. In addition, an effort known and carried out from the prior art in steel motor spindles for generating the repeat accuracy can be reduced to zero, at least to a minimum, by providing the differently adjusted fiber-reinforced plastic materials. The advantageous embodiment is already structurally specified in the differently adjusted fiber-reinforced plastic materials, in particular any software control circuits that may be required are not required or can be reduced to a minimum. Rather, it is even possible using the structurally specified hardware in the form of fiber-reinforced Plastic materials to integrate control loops directly into the motor spindle. This means that, for example, a laminate structure of the motor spindle is designed in such a way that it no longer expands in the axial direction. In particular, a coefficient of thermal expansion of zero can be provided in the fiber-reinforced plastic materials. This makes it possible to dispense with virtually all compensation systems, so that the motor spindle can not only be manufactured more cheaply, but is also more precise at the same time. The rapid acceleration of the motor spindle as a whole, as well as the start-up and shut-down, result in particularly short cycle times. Together with the possibly achievable higher speeds with the same precision, a higher material removal per time, that is a higher metal removal rate, is possible. This is achieved by a higher rigidity of the motor spindle with a reduced weight at the same time. In particular, the fiber-reinforced plastic materials, in particular CFRP materials, have up to 100 times better damping properties compared to conventional materials such as steel, which results in significantly higher dynamic stiffnesses. In particular, critical frequencies can be shifted into a non-disruptive area. This also enables a rigid mounting of the motor spindle which can be manufactured or manufactured from the fiber-reinforced plastic material. A floating bearing, which may otherwise be required and which is known in the prior art to compensate for thermal expansions, can be dispensed with. A possibly required sliding fit inside the motor spindle can therefore be dispensed with. The motor spindle is therefore mounted without a sliding seat or loose bearing by means of a bearing device. In addition, it is known to use the differently adjusted fiber-reinforced plastic materials to adapt the motor spindle at least in certain areas so that it adapts to the requirements of the bearing devices due to centrifugal forces and / or temperature influences. In particular, an expansion caused by centrifugal force can be adapted in such a way that a press fit of roller bearings pressed onto the spindle shaft, in particular ball bearings, has a sufficient holding force even at high speeds. Slipping through of the inner bearing rings due to an expansion caused by centrifugal force can thus be reliably prevented. An undesired lifting of the bearing from the spindle shaft at high speeds is thus prevented. In all operating conditions, whether standstill or maximum speed, there is sufficient surface pressure between the bearings or bearing inner rings and the spindle shaft. In comparison to a bearing on steel shafts, a loss of surface pressure can be prevented by an expansion of the centrifugal force. This enables bearings to be placed directly on the spindle shaft, it being possible to dispense with a steel sleeve arranged radially between the bearing and the spindle shaft. The bearing device is thus formed radially without an intermediate sleeve. In addition, the differently adjusted fiber-reinforced plastic materials can provide a very lightweight and high-strength motor spindle. As a result, speeds of up to 30,000, preferably up to 60,000 revolutions per minute can be achieved, with acceleration and deceleration being possible every second. These speeds can be achieved, for example, with bearings that are lubricated for life and a bearing bore diameter of 40 mm in a rigid position. For other bearing designs, there are other speed ranges which, compared to known concepts, enable significantly higher speeds without any loss of quality. This has decisive advantages for the dynamics and energy efficiency of a cutting machine having the motor spindle.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein erstes der faserverstärkten Kunststoffmaterialien zwischen der Lagervorrichtung und einer Kühlvorrichtung angeordnet ist. Dieses erste der faserverstärkten Kunststoffmaterialien weist eine richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit auf, die in einer Richtung zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung erhöht ist. Unter der Richtung zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung kann insbesondere eine gedachte direkte Verbindung zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung verstanden werden. Es kann jedoch auch ein gekrümmter oder anderweitig gestalteter Wärmeleitpfad zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung darunter verstanden werden. In einer in einem Winkel zu der Richtung verlaufenden weiteren Richtung weist das erste faserverstärkten Kunststoffmaterial eine vergleichsweise geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Dadurch kann ein Wärmefluss von der Lagervorrichtung hin zur Kühlvorrichtung verbessert und damit eine gewünschte Temperierung der Lagervorrichtung erzielt werden.In a preferred embodiment it is provided that a first of the fiber-reinforced plastic materials is arranged between the storage device and a cooling device. This first of the fiber-reinforced plastic materials has a direction-dependent thermal conductivity that is increased in one direction between the storage device and the cooling device. The direction between the storage device and the cooling device can in particular be understood as an imaginary direct connection between the storage device and the cooling device. However, it can also be understood to mean a curved or otherwise configured heat conduction path between the bearing device and the cooling device. In a further direction running at an angle to the direction, the first fiber-reinforced plastic material has a comparatively lower thermal conductivity. As a result, a heat flow from the storage device to the cooling device can be improved and a desired temperature control of the storage device can thus be achieved.
Alternativ oder zusätzlich ist es in diesem Zusammenhang möglich, dass das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial ausgerichtete Wärmeleitfasern aufweist. Es wurde herausgefunden, dass mittels der ohnehin bei faserverstärkten Kunststoffmaterialien erforderlichen Fasern eine richtungsgebundene Wärmleitfähigkeit eingestellt werden kann. Dies kann zu Werten von einem Vielfachen von herkömmlichen Werkstoffen wie Stahl, insbesondere bis zu einem 30-fachen ausgebaut werden. Insbesondere Karbonfasern auf einer Pechbasis mit hoher Wärmeleitfähigkeit von 100-600 W/mK, insbesondere 300 bis 600 W/mK, wurden als besonders geeignet aufgefunden. Das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial weist also insbesondere Pechfasern auf.Alternatively or additionally, it is possible in this context for the first fiber-reinforced plastic material to have aligned heat-conducting fibers. It has been found that a directional thermal conductivity can be set by means of the fibers, which are required in any case for fiber-reinforced plastic materials. This can be expanded to values a multiple of conventional materials such as steel, in particular up to a factor of 30. In particular, carbon fibers based on pitch with a high thermal conductivity of 100-600 W / mK, in particular 300 to 600 W / mK, have been found to be particularly suitable. The first fiber-reinforced plastic material therefore has, in particular, pitch fibers.
Alternativ oder zusätzlich ist es ferner denkbar, dass die Wärmeleitfasern im Wesentlichen zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung verlaufen. Dadurch ist es möglich, dass jede einzelne der Wärmeleitfasern einen Teilwärmeleitpfad bildet, die sich zu einem Wärmeleitpfad aufsummieren, der von der Lagervorrichtung hin zu der Kühlvorrichtung verläuft. Alternatively or additionally, it is also conceivable that the heat conducting fibers run essentially between the bearing device and the cooling device. This makes it possible for each individual one of the heat-conducting fibers to form a partial heat-conducting path, which add up to form a heat-conducting path that runs from the bearing device to the cooling device.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass ein Lagerschild der Lagervorrichtung das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial aufweist. Vorzugsweise weist also das Lagerschild der Lagervorrichtung die ausgerichteten Wärmleitfasern und damit den vorteilhaften Wärmeleitpfad auf. Das Lagerschild kann in einem direkten wärmeübertragenden Anlagekontakt zu Lageraußenringen von Lagern der Lagervorrichtung angeordnet sein. Damit kann also in den Lagern entstehende Wärme, insbesondere Reibungswärme, direkt von dem jeweiligen Lageraußenring auf das Lagerschild und von dort über die ausgerichteten Wärmeleitfasern auf die Kühlvorrichtung übertragen werden. Die Kühlvorrichtung kann dazu ebenfalls in einem wärmeübertragenden Anlagekontakt mit einer den Lageraußenringen gegenüber liegenden Seite des Lagerschilds stehen. Insbesondere ist es denkbar, dass die radial außen liegende Seite des Lagerschildes benachbart zu einem ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, führenden Fluidpfad der Kühlvorrichtung angeordnet ist. Dadurch kann in die dem Außenring des jeweiligen Lagers entstehende Wärme direkt über das Lagerschild, also insbesondere die ausgerichteten Wärmeleitfasern, auf das wärmeführende Fluid, insbesondere das Wasser, übertragen werden. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Kühlung der Lagervorrichtung.It is preferably provided that a bearing plate of the bearing device has the first fiber-reinforced plastic material. The end shield of the bearing device therefore preferably has the aligned heat-conducting fibers and thus the advantageous heat-conducting path. The end shield can be arranged in direct, heat-transferring contact with bearing outer rings of bearings of the bearing device. In this way, heat generated in the bearings, in particular frictional heat, can be transferred directly from the respective bearing outer ring to the end shield and from there to the cooling device via the aligned heat-conducting fibers. For this purpose, the cooling device can likewise be in heat-transferring contact contact with a side of the end shield opposite the outer bearing rings. In particular, it is conceivable that the radially outer side of the end shield is arranged adjacent to a fluid path of the cooling device that carries a cooling medium, for example water. As a result, the heat generated in the outer ring of the respective bearing can be transferred to the heat-carrying fluid, in particular the water, directly via the end shield, ie in particular the aligned heat-conducting fibers. This results in particularly good cooling of the storage device.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung, weist eine Distanzhülse der Lagervorrichtung das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial auf. Die Distanzhülse kann zur Beabstandung in einem wärmeübertragenden Anlagekontakt mit Lagerinnenringen von zwei Lagern der Lagervorrichtung stehen. Vorzugsweise sind die Lagerinnenringe loslagerfrei und/oder radial zwischenhülsenlos direkt auf der Motorspindel, insbesondere dort mittels eines Presssitzes fixiert. Durch den wärmeübertragenden Anlagekontakt kann entstehende Reibungswärme auf die Distanzhülse übertragen und von dieser weitergeleitet werden. Insbesondere kann dazu die Distanzhülse mit einem Wärmeübertragungsmedium, insbesondere Pressluft beaufschlagt werden. Mittels der Pressluft kann also die mittels der Distanzhülse aufgenommene Wärme weitergeleitet und schließlich abtransportiert werden. Insbesondere weist eine Oberfläche der Distanzhülse eine Begrenzung eines das Wärmeleitmedium, bzw. die Pressluftführenden Fluidpfads auf. Durch die direkte Benetzung kann also die Wärme noch besser abgeleitet werden. Dadurch können auch die Lagerinnenringe der Lagervorrichtung sehr gut temperiert bzw. gekühlt werden.In a further possible embodiment, a spacer sleeve of the bearing device has the first fiber-reinforced plastic material. For spacing purposes, the spacer sleeve can be in heat-transferring contact contact with bearing inner rings of two bearings of the bearing device. The inner bearing rings are preferably fixed directly on the motor spindle, without loose bearings and / or radially without intermediate sleeves, in particular there by means of a press fit. Due to the heat-transferring contact contact, the frictional heat that occurs can be transferred to and from the spacer sleeve. In particular, a heat transfer medium, in particular compressed air, can be applied to the spacer sleeve for this purpose. The heat absorbed by means of the spacer sleeve can therefore be passed on by means of the compressed air and finally transported away. In particular, a surface of the spacer sleeve has a delimitation of a fluid path guiding the heat-conducting medium or the compressed air. The direct wetting means that the heat can be dissipated even better. As a result, the inner bearing rings of the bearing device can also be temperature-controlled or cooled very well.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wärmeleitfasern an einer Oberfläche des ersten faserverstärkten Kunststoffmaterials angeschnitten sind oder zumindest zu dieser Oberfläche hin verlaufen. Unter zu der Oberfläche hin verlaufenden, kann verstanden werden, dass die Fasern kurz unter der Oberfläche enden. Im Falle des direkten Anschneidens, kann es jedoch auch sein, dass diese aus der Oberfläche herausragen bzw. an dieser direkt frei liegen. Dadurch kann ein besonders guter Wärmetransport bzw. Übergang von der Oberfläche in das Wärmeleitmedium und/oder mittels des vorab beschriebenen Wärmeübertragenden Anlagekontakts stattfinden.It is particularly preferably provided that the heat conducting fibers are cut on a surface of the first fiber-reinforced plastic material or at least run towards this surface. By running towards the surface, it can be understood that the fibers end just below the surface. In the case of direct incision, however, it can also be that these protrude from the surface or are directly exposed on it. As a result, particularly good heat transport or transition from the surface to the heat-conducting medium and / or by means of the heat-transferring contact contact described above can take place.
Gemäß einer weiteren zusätzlichen oder alternativen Ausführung kann die Distanzhülse eine Einbuchtung aufweisen, in der die Wärmeleitfasern enden, wobei die Einbuchtung zum Abtransport von Wärme mit einem Wärmeleitmedium beaufschlagbar ist. Es ist denkbar, die Distanzhülse so zu fertigen, dass die Wärmeleitfasern in einer Längsrichtung der Motorspindel, insbesondere in einer Längsrichtung der Spindelwelle verlaufen. Dadurch verlaufen diese im Grundsatz von einem ersten inneren Lagerring zu einem zweiten inneren Lagerring, wobei die Distanzhülse an beiden Enden in einem wärmeübertragenden Anlagekontakt mit den Innenringen steht und gleichzeitig diese beabstandet, insbesondere dabei eine axiale Lagervorspannkraft überträgt. Mittels der Einbuchtung, die beispielsweise durch einen Materialabtrag herstellbar ist, können die Wärmeleitfasern auf einfache Art und Weise freigelegt werden. Dadurch kann also in der Distanzhülse beidseitig ein Wärmetransport von dem jeweiligen Lagerinnenring hin zu einem mittleren Bereich der Distanzhülse erfolgen. Der Wärmetransport erfolgt also von den beiden Enden der Distanzhülse hin zu einer Mitte der Distanzhülse, die die Einbuchtung aufweist. Um die Wärme endgültig abzutransportieren, kann die Einbuchtung mit dem Wärmeleitmedium, insbesondere Presslust, beaufschlagt werden. Vorteilhaft kann diese Konstruktion auch bei bereits üblichen Kühlvorrichtungen eingesetzt werden, bei denen ebenfalls zwischen zwei Lagern Pressluft eingebracht wird. Zusammenfassend müssen die vorteilhaften Wärmeleitfasern bzw. das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial mit der richtungsabhängig eingestellten Wärmeleitfähigkeit nicht an der gesamten Motorspindel vorgesehen werden. Vielmehr können die Vorteile bereits dadurch erzielt werden, dass das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial gezielt an dem Lagerschild und/oder der Lagerhülse vorgesehen ist, wobei an der übrigen Motorspindel ein als solches bekanntes übliches faserverstärktes Kunststoffmaterial verwendet wird, insbesondere ein CFK-Material.According to a further additional or alternative embodiment, the spacer sleeve can have an indentation in which the heat-conducting fibers end, the indentation being able to be acted upon with a heat-conducting medium in order to carry away heat. It is conceivable to manufacture the spacer sleeve in such a way that the heat conducting fibers run in a longitudinal direction of the motor spindle, in particular in a longitudinal direction of the spindle shaft. As a result, they basically run from a first inner bearing ring to a second inner bearing ring, the spacer sleeve being in heat-transferring contact with the inner rings at both ends and at the same time spacing them apart, in particular transmitting an axial bearing preload force. By means of the indentation, which can be produced, for example, by removing material, the heat-conducting fibers can be exposed in a simple manner. As a result, heat can be transported on both sides in the spacer sleeve from the respective inner bearing ring to a central region of the spacer sleeve. The heat is transported from the two ends of the spacer sleeve to a center of the spacer sleeve which has the indentation. In order to finally transport the heat away, the indentation can be acted upon by the heat-conducting medium, in particular pressure. This construction can also advantageously be used in the case of cooling devices that are already customary, in which compressed air is also introduced between two bearings. In summary, the advantageous heat-conducting fibers or the first fiber-reinforced plastic material with the thermal conductivity set depending on the direction do not have to be provided on the entire motor spindle. Rather, the advantages can already be achieved in that the first fiber-reinforced plastic material is specifically provided on the end shield and / or the bearing sleeve, with a conventional fiber-reinforced plastic material known as such being used on the rest of the motor spindle, in particular a CFRP material.
Bei einem ebenfalls möglichen Ausführungsbeispiel ist ein zweites der faserverstärkten Kunststoffmaterialien an der Werkzeugschnittstelle und/oder ein fünftes der faserverstärkten Kunststoffmaterialien an der Lagervorrichtung angeordnet, die jeweils, insbesondere individuell angepasst, in einer Längsrichtung der Motorspindel eine vergleichsweise höhere Steifigkeit aufweisen als in einer Umfangsrichtung der Motorspindel. Die Werkzeugschnittstelle ist üblicherweise so ausgelegt, dass die Motorspindel den Werkzeughalter im zusammengefügten Zustand umfänglich umgreift. Dadurch entsteht eine Selbsthemmung, die beim Werkzeugwechsel, also beim Herausnehmen des Werkzeughalters aus der Spindelwelle überwunden werden muss. Durch die in Umfangsrichtung herabgesetzte Steifigkeit kann eine bei der Selbsthemmung auftretende Flächenpressung und damit die Auswerfkraft, die zum Auswerfen des Werkzeughalters erforderlich ist, verringert werden. Eine gewünschte Zentrierung des Werkzeughalters während der Kopplung, also während des Betriebs der Motorspindel ist dadurch nicht beeinträchtigt. Im umgekehrten Fall, also bei den Lagern, die radial außerhalb der Spindelwelle sitzen, kann eine Fliehkraft bedingte Aufweitung der Spindelwelle vergrößert werden, insbesondere genauso gewählt werden, dass eine Flächenpressung zwischen auf die Spindelwelle aufgesetzten Lagern der Lagervorrichtung und der Spindelwelle trotz Fliehkraft bedingter Aufweitung der Lager bzw. Innenringen der Lager möglichst konstant bleibt, zumindest drehzahlbedingt so korrigiert wird, dass ein Abheben der Lager von der Spindelwelle sicher vermieden werden kann. In diesem Fall ist es also möglich, das zweite faserverstärkte Kunststoffmaterial mit dem fünften faserverstärkten Kunststoffmaterial in nur einem Bauteil zu kombinieren. Mit nur einem integralen Bauteil, das zwei unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien aufweist, können also die vorab beschriebenen zwei Vorteile, also das erleichterte Auswerfen des Werkzeughalters und das Verhindern des Abhebens der Innenringe der Lager der Lagervorrichtung erzielt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die gesamte Spindelwelle so auszulegen, dass diese im Übrigen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Null oder zumindest nahezu Null hat, sodass ein dritter Vorteil, nämlich eine temperaturunabhängige Präzision bzw. relative Lage des Werkzeugs zu dem Werkstück erzielt werden kann. In diesem Fall können also durch die unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien der vorzugsweise integral ausgeführten Spindelwelle gleich drei Vorteile erzielt werden. Alternativ kann dazu auch zumindest eines der faserverstärkten Kunststoffmaterial für die beschriebenen unterschiedlichen Aufgaben an zwei Stellen des integralen Bauteils vorgesehen sein. In a likewise possible embodiment, a second of the fiber-reinforced plastic materials is arranged at the tool interface and / or a fifth of the fiber-reinforced plastic materials is arranged on the bearing device, each of which, in particular individually adapted, has a comparatively higher rigidity in a longitudinal direction of the motor spindle than in a circumferential direction of the motor spindle . The tool interface is usually designed so that the motor spindle encompasses the circumference of the tool holder in the assembled state. This creates a self-locking that must be overcome when changing tools, i.e. when removing the tool holder from the spindle shaft. As a result of the rigidity being reduced in the circumferential direction, a surface pressure that occurs during self-locking and thus the ejection force that is required to eject the tool holder can be reduced. A desired centering of the tool holder during coupling, that is, during operation of the motor spindle, is not impaired. In the opposite case, i.e. in the case of the bearings that are located radially outside the spindle shaft, a centrifugal force-related expansion of the spindle shaft can be increased, in particular it can be selected so that a surface pressure between the bearings of the bearing device placed on the spindle shaft and the spindle shaft despite centrifugal force-related expansion of the Bearing or inner rings of the bearing remains as constant as possible, is corrected at least as a result of the speed in such a way that lifting of the bearing from the spindle shaft can be reliably avoided. In this case it is therefore possible to combine the second fiber-reinforced plastic material with the fifth fiber-reinforced plastic material in just one component. With only one integral component, which has two differently adjusted fiber-reinforced plastic materials, the two advantages described above, i.e. easier ejection of the tool holder and preventing the inner rings of the bearing of the bearing device from lifting off, can be achieved. In addition, it is possible to design the entire spindle shaft so that it also has a thermal expansion coefficient of zero or at least almost zero, so that a third advantage, namely a temperature-independent precision or relative position of the tool to the workpiece, can be achieved. In this case, the differently adjusted fiber-reinforced plastic materials of the preferably integral spindle shaft can achieve three advantages. Alternatively, at least one of the fiber-reinforced plastic material can also be provided for the different tasks described at two points of the integral component.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein mit dem Werkzeughalter zusammenwirkender Wellenkonus der Spindelwelle das zweite faserverstärkte Kunststoffmaterial
Bei einer darüber hinaus möglichen Alternative ist es denkbar, dass die Spindelwelle eine mit dem Werkzeughalter zusammenwirkende Plananlage aufweist, wobei die Plananlage und der Wellenkonus als Doppelpassung für den Werkzeughalter wirken, wobei eine Spannkraft zum Einspannen des Werkzeughalters sich im Verhältnis
Eine zusätzliche Ausführungsmöglichkeit sieht vor, dass ein Spannrohr der Werkzeugschnittstelle ein drittes der faserverstärkten Kunststoffmaterialien aufweist, wobei das dritte faserverstärkte Kunststoffmaterial eine vergleichsweise hohe innere Dämpfung aufweist. Beim Betrieb der Motorspindel werden von dem Werkzeug ausgehend Schwingung anregende Vibrationen bzw. pulsierende Kräfte übertragen. Diese wirken im gespannten Zustand der Werkzeugschnittstelle auch auf das Spannrohr. Durch die vergleichsweise hohe innere Dämpfung können longitudinale und/oder radiale Schwingungen des Spannrohrs auf ein Minimum reduziert werden. Insbesondere können entsprechende Resonanzfrequenzen erhöht werden, vorzugsweise in einen unkritischen Bereich verschoben werden. Dieser Effekt tritt durch die Kombination der unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien auf, wobei die vergleichsweise hohe innere Dämpfung lediglich an den besonders schwingungsanfälligen Bauteilen vorgesehen werden muss. Die vergleichsweise hohe innere Dämpfung kann jedoch auch bereichsweise an anderen Stellen der Motorspindel vorgesehen sein, die besonders schwingungsanfällig sind.An additional embodiment provides that a clamping tube of the tool interface has a third of the fiber-reinforced plastic materials, the third fiber-reinforced plastic material having a comparatively high internal damping. When operating the motor spindle are based on the tool Vibration stimulating vibrations or pulsating forces. When the tool interface is clamped, these also act on the clamping tube. Due to the comparatively high internal damping, the longitudinal and / or radial vibrations of the clamping tube can be reduced to a minimum. In particular, corresponding resonance frequencies can be increased, preferably shifted into a non-critical range. This effect occurs through the combination of the differently adjusted fiber-reinforced plastic materials, with the comparatively high internal damping only having to be provided on the components that are particularly susceptible to vibration. The comparatively high internal damping can, however, also be provided in areas at other points on the motor spindle that are particularly susceptible to vibration.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist so ausgelegt, dass ein viertes der faserverstärkten Kunststoffmaterialien einen von einem weiteren Bauteil der Motorspindel abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder ein Zwischenring der Lagervorrichtung das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial aufweist. Insbesondere weist der Zwischenring einen Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Null oder zumindest nahe Null. Dadurch ergibt sich eine unterschiedliche thermische Ausdehnung der Spindelwelle und des darauf aufgesetzten Zwischenrings. Dies ermöglicht eine temperaturabhängige Beabstandung von zwei Wälzlagern, insbesondere Kugellagern, insbesondere von zwei Lagerinnenringen der zwei Kugellager der Antriebseinheit
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial und/oder der Zwischenring zwischen zwei Lagern der Lagervorrichtung angeordnet ist, wobei über diese eine axiale Vorspannkraft auf die Lager übertragbar ist und von den Lagern ein Wärmestrom in den Zwischenring einleitbar ist, wobei eine Temperaturerhöhung des Zwischenrings eine Reduktion der axialen Vorspannkraft bewirkt. Dadurch ist ein Regelkreis gebildet, wobei die axiale Vorspannkraft die Regelgröße des Regelkreises darstellt. Als Messglied dienen die Lager selbst, die indirekt über die erhöhte Reibung und den dadurch erhöhten Wärmestrom die axiale Vorspannkraft aufnehmen bzw. messen. Als Regler und gleichzeitig als Stellglied dient der Zwischenring. Durch den negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verringert dieser bei einer Temperaturerhöhung die axiale Vorspannkraft. Als Störgröße wirkt in diesem Regelkreis insbesondere die Drehzahl und damit die kinematische Verlagerung, die die axiale Vorspannkraft erhöht. Weitere Störgrößen können auch Längenänderung von Distanzhülsen, Welle oder anderen Teilen sein, die im Kraftfluss der Lager sind. Den Störgrößen wird also durch die Verwendung der verstärkten Kunststoffmaterialien entgegengewirkt, was gleichzeitig zu einer gewünschten Temperaturreduzierung an den Lagern führt.Alternatively or additionally, it is possible that the fourth fiber-reinforced plastic material and / or the intermediate ring is arranged between two bearings of the bearing device, whereby an axial preload force can be transmitted to the bearings via these and a heat flow can be introduced into the intermediate ring from the bearings, whereby a An increase in temperature of the intermediate ring causes a reduction in the axial preload force. As a result, a control loop is formed, the axial preload force representing the control variable of the control loop. The bearings themselves serve as measuring elements, which indirectly absorb or measure the axial preload force via the increased friction and the resulting increased heat flow. The intermediate ring serves as a controller and as an actuator at the same time. Due to the negative thermal expansion coefficient, this reduces the axial preload force when the temperature rises. The speed and thus the kinematic displacement, which increases the axial pre-tensioning force, acts as a disturbance variable in this control loop. Other disturbance variables can also be changes in the length of spacer sleeves, shafts or other parts that are in the force flow of the bearings. The disturbance variables are counteracted by the use of reinforced plastic materials, which at the same time leads to a desired temperature reduction at the bearings.
Es ist also alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Motorspindel einen Regelkreis zum Regeln der axialen Vorspannkraft aufweist, wobei das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial mit der axialen Vorspannkraft beaufschlagt ist und in Kombination mit dem weiteren Bauteil ein Messglied und/oder Stellglied des Regelkreises bildet. Der Regelkreis ist integraler Bestandteil der Bauteile der Motorspindel, was eine insgesamt einfacher aufgebaute und betreibbare Motorspindel ermöglicht.It is therefore alternatively or additionally possible that the motor spindle has a control circuit for regulating the axial preload force, the fourth fiber-reinforced plastic material being acted upon by the axial preload force and, in combination with the further component, forms a measuring element and / or actuator of the control circuit. The control loop is an integral part of the components of the motor spindle, which enables a motor spindle that is more simply constructed and operable.
Die Aufgabe ist außerdem durch ein Verfahren zum Regeln einer Lagervorrichtung gelöst, insbesondere einer Lagervorrichtung einer vorab beschriebenen Motorspindel zum Antreiben eines direkt geklemmten oder in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs. Zunächst erfolgt ein Erzeugen eines bei einem Betrieb anfallenden Wärmestroms in einer Lagervorrichtung der Motorspindel. Dann wird der Wärmestrom in einen Zwischenring der Lagervorrichtung eingeleitet. Mittels einer durch den eingeleiteten Wärmestrom erzeugten Temperaturerhöhung erfolgt eine Verkürzung des Zwischenrings. Außerdem erfolgt ein Reduzieren einer axialen Vorspannkraft der Lagervorrichtung mittels des Verkürzens des Zwischenrings. Durch das Verfahren kann eine negative Rückkopplung und damit ein Regelkreis zum Einstellen der axialen Vorspannkraft dargestellt werden. Dies kann wie vorab beschrieben durch die Kombination von zwei unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien erfolgen. Eine kinematische Verlagerung von Wälzkörpern und/oder Lagerringen von Lagern der Lagervorrichtung bewirkt eine Erhöhung der axialen Vorspannkraft. Dadurch erhöht sich der Wärmestrom und es erfolgt eine Temperaturerhöhung des Zwischenrings. Dieser reagiert auf die Temperaturerhöhung durch eine Verkleinerung seiner axialen Länge, insbesondere relativ zu einer entsprechenden axialen Länge der Spindelwelle, auf der dieser aufgebracht ist. Dadurch verkürzt sich ein Abstand zwischen den Innenringen der Lager der Lagervorrichtung, wodurch sich die axiale Vorspannkraft erniedrigt. Die Erniedrigung der axialen Vorspannkraft durch das Zusammenziehen des Zwischenrings kann die kinematische Verlagerung zwar nicht verhindern, schafft jedoch einen Freiraum, den das entsprechende Lager beziehungsweise die Wälzkörper dabei einnehmen kann/können, wobei dadurch vorteilhaft einer sonst erzwungenen Verspannung und damit einhergehenden Erhöhung der Lagerreibung entgegengewirkt werden kann. Der so realisierte Regelkreis kann als Proportionalregler aufgefasst werden, wobei zwar eine Regelabweichung verbleibt, jedoch im Vergleich zum nicht geregelten Zustand deutlich geringere Temperaturen und/oder eine deutlich geringere Erhöhung der axialen Vorspannkraft trotz sehr hoher Drehzahlen bis zu 30.000, insbesondere 30.000 bis 60.000, insbesondere ungefähr 60.000 Umdrehungen pro Minute möglich sind. Durch die Regelung kann auf einen Schiebesitz verzichtet und alle Lager starr angestellt werden. Mit einem Lagerbohrungsdurchmesser von 40mm und lebensdauerfettgeschmierten Lagern in starrer Anstellung können beispielsweise Drehzahlen von 40.000 U/min und mehr erreicht werden. Außerdem kann ein Zeitverhalten des so realisierten Reglers beeinflusst werden durch ein Beaufschlagen des Zwischenrings mit einem Kühlmedium. Es erfolgt also optional ein Kühlen des Zwischenrings. Umso besser die Kühlung des Zwischenrings erfolgt, umso kürzer ist ein Zeitverhalten des als Messstrecke auffassbaren Wärmestroms von den Lagern in den Zwischenringen. Besonders vorteilhaft kann die Lagervorrichtung dadurch loslagerfrei und radial zwischenhülsenlos ausgelegt werden.The object is also achieved by a method for regulating a storage device, in particular a storage device of a motor spindle described above for driving a tool that is directly clamped or held in a tool holder. First, a heat flow that occurs during operation is generated in a bearing device of the motor spindle. The heat flow is then introduced into an intermediate ring of the bearing device. The intermediate ring is shortened by means of a temperature increase generated by the introduced heat flow. In addition, an axial preload force of the bearing device is reduced by shortening the Intermediate ring. A negative feedback and thus a control loop for setting the axial preload force can be represented by the method. As previously described, this can be done by combining two differently adjusted fiber-reinforced plastic materials. A kinematic displacement of rolling elements and / or bearing rings of bearings of the bearing device causes an increase in the axial preload force. This increases the heat flow and the temperature of the intermediate ring increases. This reacts to the temperature increase by reducing its axial length, in particular relative to a corresponding axial length of the spindle shaft on which it is applied. This shortens a distance between the inner rings of the bearings of the bearing device, as a result of which the axial preload force is reduced. The lowering of the axial preload force caused by the contraction of the intermediate ring cannot prevent the kinematic displacement, but creates a free space that the corresponding bearing or the rolling elements can occupy, whereby this advantageously counteracts an otherwise forced tension and the associated increase in bearing friction can be. The control loop implemented in this way can be viewed as a proportional controller, with a control deviation remaining, however, compared to the non-controlled state, significantly lower temperatures and / or a significantly lower increase in the axial preload force despite very high speeds of up to 30,000, in particular 30,000 to 60,000, in particular about 60,000 revolutions per minute are possible. The regulation means that a sliding seat can be dispensed with and all bearings can be adjusted rigidly. With a bearing bore diameter of 40mm and bearings that are grease-lubricated for life in a rigid position, speeds of 40,000 rpm and more can be achieved, for example. In addition, the time behavior of the controller implemented in this way can be influenced by applying a cooling medium to the intermediate ring. The intermediate ring is therefore optionally cooled. The better the cooling of the intermediate ring, the shorter the time behavior of the heat flow from the bearings in the intermediate rings, which can be understood as a measuring section. As a result, the bearing device can be designed particularly advantageously without loose bearings and radially without intermediate sleeves.
Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically sensible manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and by details from the figures, further embodiment variants of the invention being shown. Further advantages emerge from the subclaims and the following description of a preferred exemplary embodiment.
FigurenlisteFigure list
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Längsschnittansicht einer teilweise dargestellten Motorspindel; -
2 eine Detailansicht einer teilweise dargestellten Motorspindel analog der in1 dargestellten, im Unterschied mit in eine Spindelwelle integrierten Anbauteilen; -
3 eine Detailansicht einer Lagervorrichtung und einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Lagervorrichtung der in1 gezeigten Motorspindel; -
4 unterschiedliche Detailansichten einer teilweise dargestellten Werkzeugschnittstelle der in1 gezeigten Motorspindel; -
5 eine Prinzipdarstellung einer Lagervorrichtung einer Motorspindel analog der vorab gezeigten Motorspindeln zur Verdeutlichung einer drehzahlabhängigen Regelung einer axialen Vorspannung der Lagervorrichtung; und -
6 eine Längsschnittansicht einer teilweise dargestellten Motorspindel gemäß Stand der Technik.
-
1 a longitudinal sectional view of a partially shown motor spindle; -
2 a detailed view of a partially shown motor spindle analogous to that in1 shown, in contrast with attachments integrated into a spindle shaft; -
3 a detailed view of a storage device and a cooling device for cooling the storage device of FIG1 shown motor spindle; -
4th different detailed views of a partially shown tool interface of the in1 shown motor spindle; -
5 a schematic representation of a bearing device of a motor spindle analogous to the previously shown motor spindles to illustrate a speed-dependent control of an axial preload of the bearing device; and -
6th a longitudinal sectional view of a partially shown motor spindle according to the prior art.
Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDescription of preferred exemplary embodiments
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.Before the invention is described in detail, it should be pointed out that it is not restricted to the respective components of the device and the respective method steps, since these components and methods can vary. The terms used here are only intended to describe particular embodiments and are not used in a restrictive manner. If the singular or indefinite article is used in the description or in the claims, this also refers to the majority of these elements, unless the overall context clearly indicates otherwise.
Der Hauptunterschied zu den im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Motorspindeln
Die Spindelwelle
Der Wasserfluidpfad, die Kühlhülse
Zur Vorspannung der Lagervorrichtung
Die Motorspindel
Wie in
Die in
Wie in
Die Distanzhülse
Durch die optional vorgesehene Einbuchtung
Wie außerdem in
Als weitere optionale Besonderheit weist das Lagerschild
Die Werkzeugspannvorrichtung
In
Im entgegengesetzten Fall, also beim Einspannen des Werkzeughalters
Das Spannrohr
Um die axiale Vorspannkraft
Vorteilhaft weist der jeweilige Zwischenring
Die in
Konkret wird zunächst durch den Betrieb der Motorspindel
Wie in
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Spindelwelle
Die Erfindung ist nicht auf die einzelnen Ausführungsbeispiele begrenzt. Vielmehr können die einzelnen Ausführungsbeispiele zu neuen Ausführungen kombiniert werden. Insbesondere können beispielsweise in einem Bauteil die Vorteile der vorab beschriebenen Kühlung und Regelung miteinander kombiniert werden.The invention is not limited to the individual exemplary embodiments. Rather, the individual exemplary embodiments can be combined to form new designs. In particular, the advantages of the cooling and regulation described above can be combined with one another in one component, for example.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
- 1111
- MotorspindelMotor spindle
- 1313
- WerkzeughalterTool holder
- 1515th
- WerkzeugTool
- 1717th
- AntriebseinheitDrive unit
- 1919th
- SpindelwelleSpindle shaft
- 2121st
- WerkzeugschnittstelleTool interface
- 2323
- LagervorrichtungStorage device
- 2525th
- Gehäusecasing
- 2727
- erstes faserverstärktes Kunststoffmaterialfirst fiber-reinforced plastic material
- 2929
- KühlvorrichtungCooling device
- 3131
- WärmeleitfaserThermal fiber
- 3333
- LagerschildBearing shield
- 3535
- DistanzhülseSpacer sleeve
- 3737
- Oberflächesurface
- 3939
- Einbuchtungindentation
- 4141
- erstes Wärmeleitmediumfirst heat transfer medium
- 4343
- zweites Wärmeleitmediumsecond heat transfer medium
- 4545
- zweites faserverstärktes Kunststoffmaterialsecond fiber-reinforced plastic material
- 4747
- WellenkonusShaft cone
- 4949
- PlananlagePlan system
- 5151
- DoppelpassungDouble fit
- 5353
- SpannrohrClamping tube
- 5555
- drittes faserverstärktes Kunststoffmaterialthird fiber reinforced plastic material
- 5757
- ZwischenringIntermediate ring
- 5959
- viertes faserverstärktes Kunststoffmaterialfourth fiber-reinforced plastic material
- 6161
- erstes Lagerfirst camp
- 6363
- zweites Lagersecond camp
- 6565
- drittes Lagerthird camp
- 6767
- viertes Lagerfourth camp
- 6969
- VorspannkraftPreload
- 7171
- Stufestep
- 7373
- fünftes faserverstärktes Kunststoffmaterialfifth fiber-reinforced plastic material
- 7575
- AuswerfvorrichtungEjector
- 7777
- Halterholder
- 7979
- KühlhülseCooling sleeve
- 8181
- äußerer Zwischenringouter intermediate ring
- 8383
- hinterer Deckelrear lid
- 8585
- hintere Spannkapperear clamping cap
- 8787
- LagerinnenringBearing inner ring
- 8989
- LageraußenringBearing outer ring
- 9191
- MagneteMagnets
- 9393
- EisenblechungIron sheeting
- 9595
- HülseSleeve
- 9797
- RotorträgerRotor arm
- 9999
- TemperatursensorTemperature sensor
- 101101
- SchleuderscheibeSling disc
- 103103
- vorderer Deckelfront lid
- 105105
- Federfeather
- 107107
- SchiebesitzSliding seat
- 109109
- O-RingO-ring
- 111111
- WälzkörperRolling elements
- 113113
- Statorstator
- 115115
- WerkzeugspannvorrichtungTool clamping device
- 117117
- erster Pfeilfirst arrow
- 119119
- zweiter Pfeilsecond arrow
- 121121
- dritter Pfeilthird arrow
- 123123
- AuswerfkraftEjection force
- 125125
- GegenkraftCounterforce
- 127127
- SpannkraftResilience
- 129129
- KonuskraftConical force
- 131131
- AnschlagkraftImpact force
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 3069848 A1 [0002]EP 3069848 A1 [0002]
- DE 19726341 A1 [0002]DE 19726341 A1 [0002]
- DE 4009461 A1 [0002]DE 4009461 A1 [0002]
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CH (1) | CH715948A2 (en) |
DE (1) | DE102019203078A1 (en) |
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- 2020-03-06 CH CH00266/20A patent/CH715948A2/en unknown
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CH715948A2 (en) | 2020-09-15 |
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