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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Kugelgewindetrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft ferner eine Anordnung mit einem Kugelgewindetrieb und eine Drehmaschine mit einer solchen Kühlvorrichtung.
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Eine solche Kühlvorrichtung ist aus der
EP 1 647 740 A1 bekannt. Sie besteht aus einem hülsenartigen Gehäuse, welches den Kugelgewindetrieb umgibt. Innerhalb des Gehäuses ist ein spiralförmiger Kühlkanal vorgesehen. Ein flüssiges Kühlmittel wird im Kühlkanal spiralförmig von einem Ende des Kugelgewindetriebs zu dessen anderen Ende bewegt. Dabei erwärmt sich das Kühlmittel. Infolgedessen wird das eine Ende des Kugelgewindetriebs besser gekühlt als das andere Ende. Abgesehen davon wird eine Fläche zwischen zwei benachbarten Spiralwendeln schlechter gekühlt als eine unmittelbar im Kontakt mit dem Kühlkanal befindliche weitere Fläche.
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Die
DE 10 2017 202 699 A1 offenbart einen Kugelgewindetrieb mit einer Doppelmutter-Kühlung. Die Doppelmutter-Kühlung ist hinsichtlich ihrer Geometrie spezifisch auf eine Spindel des Kugelgewindetriebs angepasst. Sie ist nicht universell.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Kühlvorrichtung für einen Kugelgewindetrieb angegeben werden, welche einfach aufgebaut ist und eine verbesserte Kühlung eines Kugelgewindetriebs ermöglicht. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll die Kühlvorrichtung möglichst universell einsetzbar sein. Abgesehen davon sollen eine Anordnung mit einer Kühlvorrichtung und eine Drehmaschine mit einem Kugelgewindetrieb mit verbesserter Kühlung angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 15 und 16 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
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Nach Maßgabe der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gehäuse-Innenwand gegen die Umhüllungswand durch Stützen abgestützt ist, welche sich von der Gehäuse-Innenwand zur Umhüllungswand erstrecken.
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Der Begriff „Stützen“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein zu verstehen. Es handelt sich um voneinander beabstandete Stützelemente, welche die Gehäuse-Innenwand mit der Umhüllungswand verbinden bzw. die Gehäuse-Innenwand gegen die Umhüllungswand abstützen. Die Stützen erstrecken sich von der Gehäuse-Innenwand zur Umhüllungswand. Eine Erstreckungsrichtung kann radial oder auch schräg bezüglich der zylindrischen Außenfläche sein. In einem Schnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung können die Stützen unterschiedliche Formen aufweisen. Die Stützen können rund, vorzugsweise kreisrund oder elliptisch, eckig oder langgestreckt sein. Sie können auch eine Querschnittsfläche aufweisen, welche z. B. nach Art eines Tragflügelprofils, stromlinienförmig ausgebildet ist.
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Unter dem Begriff „Kugelgewindetrieb“ wird allgemein ein Linearantrieb mit Wälzkörpern verstanden, z. B. auch Rollen- oder Planetenrollengewindetriebe.
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Wegen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Abstützung der Gehäuse-Innenwand durch voneinander beabstandete Stützen ergibt sich im Hohlraum in Abkehr vom Stand der Technik eine völlig andere Strömungsführung für ein darin strömendes Kühlfluid: Das Kühlfluid ist nicht mehr an den langen Weg eines beispielsweise spiralförmig verlaufenden Kühlkanals gebunden. Es kann erfindungsgemäß deutlich schneller von einem Kühleinlass zu einem Kühlauslass strömen. Eine an die zylindrische Außenfläche anliegende weitere Außenfläche eines Kugelgewindetriebs kann damit verbessert und gleichmäßiger gekühlt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zumindest die Gehäuse-Innenwand, die Stützen und die Umhüllungswand mittels eines additiven Verfahrens in einem Stück hergestellt. Beispielsweise kann die Kühlvorrichtung zumindest teilweise mit einem 3D-Drucker hergestellt werden, in welchem schichtweise Metallpulver mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls entlang vorgegebener Wege verschweißt wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung erstrecken sich die Stützen von der Gehäuse-Innenwand zur Umhüllungswand in einer nicht-radialen, schrägen Richtung bezüglich der zylindrischen Außenfläche. Die vorgeschlagene Schrägstellung der Stützen bewirkt eine verbesserte Scherfestigkeit der Gehäuse-Innenwand bezüglich der Umhüllungswand bei Beanspruchungen z. B. in der Umfangsrichtung oder in axialer Richtung. Solche Beanspruchungen können beispielsweise auftreten, wenn ein in der Gehäuse-Innenwand aufgenommener Kugelgewindetrieb schadhaft wird. Die vorgeschlagene Schrägstellung der Stützen trägt also zu verbesserten Notlaufeigenschaften eines in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aufgenommenen Kugelgewindetriebs bei.
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Die Stützen können bezüglich der zylindrischen Außenfläche jeweils in einer Axialebene schräg geneigt sein. Es kann insbesondere sein, dass sich bezüglich der zylindrischen Außenfläche ein erster Teil der Stützen in einer ersten Umfangsrichtung in eine erste schräge Richtung und ein zweiter Teil der Stützen in einer zweiten Umfangsrichtung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite schräge Richtung erstrecken. In diesem Fall bilden beispielsweise benachbarte Stützen in Umfangsrichtung die Form eines „V“ oder eines auf dem Kopf stehenden „V“. Es ergibt sich insgesamt eine fachwerkartige Struktur der Stützen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung kann es auch sein, dass sich bezüglich der zylindrischen Außenfläche ein erster Teil der Stützen in einer ersten Radialebene in eine erste schräge Richtung und ein zweiter Teil der Stützen in einer benachbarten zweiten Radialebene in eine der ersten Richtung entgegengesetzten zweite schräge Richtung erstrecken.
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Es ist auch möglich, dass die Stützen sich innerhalb einer Axialebene oder Radialebene in die erste und die zweite schräge Richtung erstrecken.
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Die Stützen können sich bezüglich einer Tangente auf einen sich durch einen Axialschnitt durch die zylindrische Außenfläche ergebenden Kreis in einem Winkel α von weniger als 90° und höchstens 45° von der Gehäuse-Innenwand zur Umhüllungswand erstrecken. Der Winkel α bezieht sich hier wiederum auf die „Erstreckungsrichtung“ der Stützen. Es hat sich gezeigt, dass die vorgeschlagenen Winkel α besonders effizient zur Erhöhung der Scherfestigkeit der Gehäuse-Innenwand gegenüber der Umgebungswand beitragen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der erste und der zweite Teil der Stützen sich jeweils mit demselben Winkel α von der Gehäuse-Innenwand zur Umhüllungswand erstrecken. Das vereinfacht die Herstellung.
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Die Gehäuse-Außenwand kann die Form eines Rohrabschnitts aufweisen. Die Umhüllungswand kann zumindest abschnittsweise nach Art eines weiteren Rohrabschnitts ausgebildet sein. In diesem Fall sind der Rohrabschnitt und der weitere Rohrabschnitt vorzugsweise koaxial angeordnet. Es ergibt sich für den Hohlraum die Form eines Ringspalts, in welchem die Stützen aufgenommen sind. In der vorgeschlagenen Ausgestaltung ist die Kühlvorrichtung zumindest abschnittsweise nach Art einer Hülse ausgebildet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung kann es auch sein, dass die Umhüllungswand von einer Gehäuse-Außenwand umgeben ist. Die Gehäuse-Außenwand kann so gestaltet sein, dass sie konstruktiv an eine Befestigung des Kugelgewindetriebs in einer Vorrichtung angepasst ist. Insbesondere zu diesem Zweck kann das Gehäuse zumindest eine plane Fläche aufweisen.
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In der Umhüllungswand und/oder in zumindest einer der Seitenwände kann ein erster Durchbruch zum Zuführen eines Kühlfluids und/oder ein zweiter Durchbruch zum Abführen eines Kühlfluids vorgesehen sein. Bei dem Kühlfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, beispielsweise Öl, Wasser, Emulsion aus Öl und Wasser oder andere geeignete Kühlflüssigkeiten.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung erstrecken sich die ersten und zweiten Durchbrüche zum Zu- und Abführen des Kühlfluids von der planen Fläche zum Hohlraum. D. h. in diesem Fall sind also die Anschlüsse zum Zuführen des Kühlfluids sowie zum Abführen des Kühlfluids an der planen Fläche vorgesehen.
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Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Anordnung aus einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem darin aufgenommenen Kugelgewindetrieb bzw. Linearantrieb mit Wälzkörpern vorgeschlagen.
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Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Drehmaschine mit einem mittels eines Kugelgewindetriebs bewegbaren Schlitten vorgeschlagen, wobei der Kugelgewindetrieb zumindest abschnittsweise in einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aufgenommen ist. Die vorgeschlagene Drehmaschine ermöglicht eine besonders exakte Fertigung von Teilen. Wegen der vorgeschlagenen verbesserten Kühlung des Kugelgewindetriebs kann ein unerwünschtes Spiel im Bereich des Kugelgewindetriebs minimiert werden. Damit kann eine Präzision in der Fertigung verbessert werden.
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Nach einer Ausgestaltung ist die plane Fläche des Gehäuses an einer Unterseite des Schlittens befestigt. Dabei können die ersten und zweiten Durchbrüche der Kühlvorrichtung mit im Schlitten vorgesehenen, korrespondierenden ersten und zweiten Kühlkanälen verbunden sein. Die vorgeschlagene Ausgestaltung ist besonders kompakt. Sie ermöglicht gleichzeitig die Kühlung des Schlittens und des daran angebrachten Kugelgewindetriebs.
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Bei dem Schlitten kann es sich insbesondere um einen in einer x-Richtung bewegbaren Planschlitten und/oder ein den Planschlitten aufnehmenden, in z-Richtung bewegbaren Bettschlitten handeln.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung der Kühlvorrichtung mit Kugelgewindetrieb,
- 2 eine perspektivische Ansicht gemäß 1, wobei die Kühlvorrichtung teilweise aufgebrochen ist,
- 3 eine perspektivische Darstellung der Kühlvorrichtung,
- 4 eine Schnittansicht gemäß 3,
- 5 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Darstellung der Kühlvorrichtung gemäß den 1 bis 4,
- 6 eine schematische Schnittansicht durch eine weitere Kühlvorrichtung,
- 7a bis e Schnittansichten durch Stützen,
- 8 eine Schnittansicht durch einen Planschlitten einer Drehmaschine,
- 9 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Kühlvorrichtung mit einem ersten Lager,
- 10 eine perspektivische Ansicht gemäß 9, wobei die Kühlvorrichtung teilweise aufgebrochen ist,
- 11 eine perspektivische Ansicht einer teilweise aufgebrochenen dritten Kühlvorrichtung,
- 12 eine perspektivische Ansicht einer vierten Kühlvorrichtung mit darin aufgenommenen dritten Lagern,
- 13 eine perspektivische Ansicht gemäß 12, wobei die dritte Kühlvorrichtung teilweise aufgebrochen ist,
- 14 eine perspektivische Ansicht einer teilweise aufgebrochenen fünften Kühlvorrichtung,
- 15 eine schematische Schnittansicht durch die Hauptspindel einer Drehmaschine.
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Die 1 bis 5 zeigt eine allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete erste Kühlvorrichtung. Die erste Kühlvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem sich ein zylindrischer Durchbruch 3 befindet. Im zylindrischen Durchbruch 3 ist, vorzugsweise formschlüssig, eine Kugelgewindemutter 30 eines Kugelgewindetriebs 4 aufgenommen. Mit dem Bezugszeichen 5 ist eine Spindel des Kugelgewindetriebs 4 bezeichnet.
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Der zylindrische Durchbruch 3 weist eine zylindrische Außenfläche 6 auf. Die zylindrische Außenfläche 6 begrenzt eine Gehäuse-Innenwand 7. Die Gehäuse-Innenwand 7 ist von einer Umhüllungswand 8 umgeben, so dass zwischen der Gehäuse-Innenwand 7 und der Umhüllungswand 8 ein Hohlraum 9 gebildet ist. Der Hohlraum 9 ist durch Seitenwände 10 begrenzt. Die Seitenwände 10 verlaufen hier etwa senkrecht zu einer Achse A (siehe 6) bezüglich der zylindrischen Außenfläche 6.
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Wie insbesondere aus 6 deutlich hervorgeht ist die Gehäuse-Innenwand 7 gegen die Umhüllungswand 8 durch Stützen 11 abgestützt. Die Gehäuse-Innenwand 7 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nach Art eines Rohrabschnitts ausgebildet. Die Umhüllungswand 8 ist hier zumindest abschnittsweise nach Art eines weiteren Rohrabschnitts ausgebildet. Die Rohrabschnitte sind bezüglich der Achse A koaxial angeordnet. Infolgedessen weist der Hohlraum 9 etwa die Form eines Ringspalts auf.
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Wie aus 6 hervorgeht, können sich radiale Stützen 11a von der Gehäuse-Innenwand 7 in radialer Richtung R zur Umhüllungswand 8 erstrecken. Nach einer weiteren Variante ist es aber auch möglich, dass sich schräge Stützen 11b bezüglich einer Tangente T auf einen sich durch einen Axialschnitt durch die zylindrische Außenfläche 6 ergebenden Kreis in einem schrägen Winkel erstrecken. Die entsprechende Schrägrichtung ist in 6 mit dem Bezugszeichen S bezeichnet. Ein Winkel α bezüglich der Tangente T beträgt zweckmäßigerweise weniger als 90° und mehr als 45°.
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Die Stützen 11 bzw. 11 a, 11b können in einem Schnitt senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung unterschiedliche Geometrien aufweisen. Wie aus den 7a bis 7e ersichtlich ist, können die Stützen 11 nach Art von Säulen mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Stützen 11 einen eckigen Querschnitt (siehe 7b, c und e) aufweisen oder länglich ausgebildet sind (siehe 7c und d).
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Die schrägen Stützen 11 b können - wie in 6 gezeigt ist - in einer den Radius enthaltenden Radialebene sich in eine erste schräge Richtung S und in eine zweite schräge Richtung S' erstrecken. Die schrägen Stützen 11b können sich auch in einer die Achse A enthaltenden Axialebene in einer ersten schrägen Richtung S und/oder in einer zweiten schrägen Richtung S' schräggestellt sein. Bezüglich der Anordnung und Schrägstellung sind alle Varianten denkbar.
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Wie insbesondere aus den 1 und 3 ersichtlich ist, weist das Gehäuse 2 an einer, hier kastenförmig ausgestalteten, Gehäuse-Außenwand 12 eine plane Fläche 12a auf. In der planen Fläche 12a sind erste 13 und zweite Durchbrüche 14 zum Zu- und Abführen eines Kühlfluids vorgesehen. Die Durchbrüche 13 und 14 verbinden die plane Fläche 12a mit dem Hohlraum 9.
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Wie insbesondere aus 5 hervorgeht, kann der Hohlraum 9 auch durch einen Steg 15 so unterteilt sein, dass das Kühlfluid in einer vorgegebenen Richtung im Hohlraum 9 vom ersten Durchbruch 13 zum zweiten Durchbruch 14 gezwungen wird.
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8 zeigt eine Schnittansicht durch eine Drehmaschine. Mit dem Bezugszeichen 16 ist ein x-Schlitten oder Planschlitten bezeichnet, welcher auf einem Bettschlitten 17 in einer mit dem Bezugszeichen X bezeichneten x-Richtung linear hin- und her bewegbar ist. Der Bettschlitten 17 ist in einer z-Richtung, welche parallel zur Achse einer (in 15 gezeigten) Hauptspindel 29 verläuft, bewegbar. Die x-Richtung verläuft in der horizontalen Ebene senkrecht zur z-Richtung. Mit dem Bezugszeichen 18 ist ein Servomotor bezeichnet, welcher antriebsmäßig mit der Spindel 5 verbunden ist. Die Kugelgewindemutter 30 des Kugelgewindetriebs 4 greift in die Spindel 5 ein. Das Gehäuse 2 der ersten Kühlvorrichtung 1 ist mit seiner planen Fläche 12a an eine korrespondierend ausgestaltete plane Gegenfläche an der Unterseite des x-Schlittens 16 montiert. Dabei öffnen sich die Durchbrüche 13 und 14 in korrespondierend angeordnete Kühlkanäle 19, welche innerhalb des x-Schlittens 16 vorgesehen sind. Durch die Kühlkanäle 19 können also derx-Schlitten 16 und die erste Kühlvorrichtung 1 gekühlt werden.
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9 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine zweite Kühlvorrichtung 20 mit einem darin aufgenommenen ersten Lager 21. Bei der zweiten Kühlvorrichtung bildet die Umhüllungswand 8 im Wesentlichen die Gehäuse-Außenwand. Von der Umhüllungswand 8 bzw. der Gehäuse Außenwand erstreckt sich ein Flansch 22. Von der zylindrischen Außenfläche 6 der Gehäuse-Innenwand 7 erstreckt sich radial nach innen eine radial umlaufende Schulter 23, an welcher das erste Lager 21 mit seiner äußeren Lagerschale 24 abgestützt ist (siehe 9). Bei der zweiten Kühlvorrichtung befinden sich die ersten 13 und zweiten Durchbrüche 14 in der einen Seitenwand 10, welche dem Flansch 22 benachbart ist.
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Wie aus 10 ersichtlich ist, sind die schrägen Stützen 11b in jeder Radialebene in dieselbe Richtung schräg gestellt, d. h. die schrägen Stützen 11b sind in jeder Radialebene parallel angeordnet. In der jeweils benachbarten Radialebene ist die Schrägstellung der schrägen Stützen 11b entgegengesetzt. Es ergibt sich damit eine besonders hohe Festigkeit der Gehäuse-Innenwand 7 bezüglich der Umhüllungswand 8 gegen eine in axiale Richtung wirkende Beanspruchung.
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11 zeigt eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht einer dritten Kühlvorrichtung. Hier sind die ersten 13 und zweiten Durchbrüche 14 an einer Seitenwand 10 vorgesehen, welcher kein Flansch benachbart ist.
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Die 12 und 13 zeigen eine vierte Kühlvorrichtung 26. Wie aus 12 ersichtlich ist, dient die vierte Kühlvorrichtung 26 der Aufnahme mehrerer zweiter Lager 27. Im Gegensatz zur zweiten Kühlvorrichtung 20 ist bei der vierten Kühlvorrichtung 26 an der zylindrischen Außenfläche 6 keine Schulter 23 vorgesehen. Die ersten 13 und zweiten Durchbrüche 14 öffnen sich hier zu der Seitenwand 10, welche sich entfernt vom Flansch 22 befindet. Im Übrigen ist die vierte Kühlvorrichtung 26 ähnlich zur zweiten Kühlvorrichtung ausgestaltet.
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14 zeigt eine perspektivische Ansicht einer teilweise aufgebrochenen fünften Kühlvorrichtung 28. Hier sind die ersten 13 und zweiten Durchbrüche 14 an derjenigen Seitenwand 10 vorgesehen, welche den Flansch 22 aufweist.
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15 zeigt eine schematische Schnittansicht durch die Lagerung einer Hauptspindel 29 einer Drehmaschine. Die Hauptspindel 29 ist mittels eines ersten Lagers 21 drehbar gehalten, welches in der zweiten Kühlvorrichtung 20 formschlüssig aufgenommen ist. Das erste Lager 21 bildet ein hinteres Lager der Spindellagerung. Die Hauptspindel 29 ist ferner mittels zweiter Lager 27 drehbar gehalten. Die zweiten Lager 27 sind formschlüssig in der vierten Kühlvorrichtung 26 aufgenommen.
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Mit der vorgeschlagenen Lagerung der Hauptspindel 29 gelingt es in hervorragender Weise, die ersten 21 und zweiten Lager 27 auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten. Damit kann die Hauptspindel 29 in einem sehr weiten Drehzahl- und Belastungsbereich spielfrei betrieben werden. Das ermöglicht eine hochpräzise Fertigung von Drehteilen.
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Abgesehen von der Lagerung der Hauptspindel 29 können mit der vorgeschlagenen Kühlvorrichtung allgemein Lager und/oder Kugelgewindetriebe, insbesondere bei einer Drehmaschine oder Fräsmaschine, gekühlt werden. Beispielsweise können die Lager einer weiteren Hauptspindel bei einer Fräsmaschine und/oder Kugelgewindetriebe einer Drehmaschine gekühlt werden. Darüber hinaus können Kugelgewindetriebe einer Maschine oder Anlage oder einer Werkzeugmaschine wie eine Fräsmaschine mit der vorgeschlagenen Kühlvorrichtung gekühlt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Kühlvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- zylindrischer Durchbruch
- 4
- Kugelgewindetrieb
- 5
- Spindel
- 6
- zylindrische Außenfläche
- 7
- Gehäuse-Innenwand
- 8
- Umhüllungswand
- 9
- Hohlraum
- 10
- Seitenwand
- 11
- Stütze
- 11a
- radiale Stütze
- 11b
- schräge Stütze
- 12
- Gehäuse-Außenwand
- 12a
- plane Fläche
- 13
- erster Durchbruch
- 14
- zweiter Durchbruch
- 15
- Steg
- 16
- x-Schlitten
- 17
- Bettschlitten
- 18
- Servomotor
- 19
- Kühlkanäle
- 20
- zweite Kühlvorrichtung
- 21
- erstes Lager
- 22
- Flansch
- 23
- Schulter
- 24
- äußere Lagerschale
- 25
- dritte Kühlvorrichtung
- 26
- vierte Kühlvorrichtung
- 27
- zweites Lager
- 28
- fünfte Kühlvorrichtung
- 29
- Hauptspindel
- 30
- Kugelgewindemutter
- A
- Achse
- R
- Radialrichtung
- S, S'
- Schrägrichtung
- T
- Tangente
- X
- x-Richtung
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1647740 A1 [0002]
- DE 102017202699 A1 [0003]
