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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer mittels
eines axial wirkenden Federsystems belasteten Werkzeugspannvorrichtung und
einer entgegen der Spannbewegung des Federsystems einen Lösehub mechanisch
erzeugenden Werkzeuglösevorrichtung,
wobei die Werkzeugspannvorrichtung eine in der rotierenden Spindel
gelagerte, das Federsystem führende
Spannstange aufweist.
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Derartige,
meist mit einem eigenen elektromotorischen Antrieb ausgestattete
Werkzeugmaschinenspindeln sind aus der
DE 201 14 812 U1 bereits bekannt.
Wird zum Lösen
der Werkzeugspannvorrichtung eine mechanisch arbeitende Vorrichtung verwendet,
hat die Spindel keine zentrale durch die Spindelbohrung geführte Kühlmittelzuführeinrichtung für die direkte
Werkzeugkühlung.
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Andere
Werkzeugmaschinenspindeln haben eine nur für flüssige Kühlmittel geeignete Werkzeugkühlung in
Kombination mit großvolumigen
pneumatischen oder bauaufwendigen hydraulischen Lösevorrichtungen.
Eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer hydraulischen Lösevorrichtung
ist aus der
DE 295
20 427 U1 bekannt. Das Kühlmittel wird bei diesen Spindeln
axial durch alle in der Werkzeugmaschinenspindel integrierten Vorrichtungen
gefördert.
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Ferner
ist aus der
DE 101
01 095 A1 eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer elektromechanischen
Spann- und Lösevorrich tung
bekannt, bei der die Kühlmittel
führende
Spannstange über
ein elektromotorisch angetriebenes Schraubgetriebe bewegt wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine
Werkzeugmaschinenspindel zu entwickeln, in der über eine hohle Spannstange
dem Werkzeug flüssiges
oder gasförmiges Kühlmedium
dauerhaft oder abwechselnd zugeführt werden
kann.
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Diese
Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu
hat die Spannstange eine Durchgangsbohrung zur direkten Kühlung des
in der Werkzeugspannvorrichtung geklemmten Werkzeugs. Zwischen dem
freien, werkzeugfernen Ende der rotierenden Spannstange und einem
den Lösehub
der Werkzeuglösevorrichtung übertragenden
Stößel ist
eine Kühlgas
und Kühlflüssigkeit
abdichtende Gleitringdichtung angeordnet.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform.
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1:
Werkzeugmaschinenspindel im Längsschnitt;
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2:
Vergrößerung der
Gleitringdichtung und der Werkzeuglösevorrichtung nach 1 in
der Löseposition;
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3: 2 in
der Spannposition.
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Die 1 zeigt
eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer Werkzeugspannvorrichtung
(30), einer Werkzeuglösevorrichtung
(40) und einer Werkzeugkühlmittelzuführeinrichtung (70)
im Längsschnitt.
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Die
beispielsweise mit einem Elektromotor (12, 27)
ausgestattete Werkzeugmaschinenspindel umfasst nach 1 eine
in einem Spindelgehäuse (10)
vierfach wälzgelagerte
Spindel (20). Zwischen zwei Wälzlagerpaaren (13, 14)
ist auf der Spindel (20) der Rotor (27) des Elektromotors
gelagert. Der Stator (12) des Motors sitzt im wassergekühlten Mantel
(11) des Spindelgehäuses
(10).
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Die
Spindel (20) hat eine mehrfach gestufte Spindelbohrung
(21). Letztere endet am vorderen Spindelende (26)
in einem Werkzeugaufnahmekonus (25). Zwischen dem Bereich
des Werkzeugaufnahmekonus (25) und dem hinteren Ende der
Spindelbohrung (21) ist in der Spindel (20) die
Werkzeugspannvorrichtung (30) geführt.
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Die
Werkzeugspannvorrichtung (30) beinhaltet u.a. eine Spannstange
(31), die an ihrem vorderen Ende eine Spannzange (36)
trägt.
Auf der Spannstange (31) sitzt ein aus einer Tellerfedersäule (38) bestehendes
Federsystem, das sich spindelseitig im Bereich der Spindelmitte über eine
Stützscheibe
(23) an einem Absatz (22) der Spindelbohrung (21)
abstützt.
Spannstangenseitig liegt die Tellerfedersäule (38) an einem
an der Spannstange (31) fixierten Führungsaufsatz (37)
an. Das Federsystem (38) hat die Aufgabe, ein von der Spannzange
(36) umgriffenes Werkzeugende in den Werkzeugaufnahmekonus (25)
zu ziehen. Für
den Spannvorgang bewegt sich die Spannstange (31) unter
der Wirkung der Tellerfedersäule
(38) nach der Darstellung in den 1 bis 3 nach
rechts.
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Rückseitig
ist am Spindelgehäuse
(10) z.B. koaxial zur Spindel (20) ein Flanschgehäuse (71)
befestigt, das die Werkzeuglösevorrichtung
(40) trägt. Letztere
Vorrichtung (40) ist ein mechanisches Hubgetriebe mit einem
Exzenterantrieb. Die Werkzeuglösevorrichtung
(40) lagert in einem Getriebegehäuse (41) u.a. einen
Stößel (51),
einen Elektromotor (63) und ein Schneckengetriebe (65, 66).
In dem in der Zeichnungsebene geteilten, hier vierfach verschraubten,
zweiteiligen Getriebegehäuse
(41) befindet sich eine gestufte Bohrung (42),
die in einen Umlenkraum (88) des Flanschgehäuses (71)
mündet. Ihre
Mittellinie fällt
mit der Mittellinie (29) der Spindel (20) und
der Spannstange (31) zusammen. Zur Mitte des Getriebegehäuses (41)
hin, endet die Bohrung (42) in einem Exzenterraum (43).
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Der
Stößel (51)
ist aus einem zylindrischen Führungsabschnitt
(52) und einem Lagerbockabschnitt (53) zusammengesetzt.
Zumindest der Führungsabschnitt
(52) ist in der Bohrung (42) geführt und
mit einem Dichtring (45) gegenüber dem Umlenkraum (88)
abgedichtet. Der Lagerbockabschnitt (53) umfasst gabelartig
eine auf einer Achse (55) z.B. wälzgelagerte Druckrolle (56).
Zwischen dem Lagerbockabschnitt (53) und der Stufung der
Bohrung (42) ist eine Rückholfeder
(57) angeordnet. Auf die Druckrolle (56) wirkt
beim Lösevorgang
ein z.B. hier im Gegenuhrzeigersinn schwenkender Exzenter (62).
Der Exzenter (62), dessen Schwenkachse quer zur Mittellinie
(29) angeordnet ist, sitzt auf einer Exzenterwelle (61),
an der ein Schneckenrad (66) angeflanscht ist. Das Schneckenrad
(66) kämmt
mit einer auf der Welle des Elektromotors (63) sitzenden Schnecke
(65).
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Die 1 und 2 zeigen
die Werkzeuglösevorrichtung
(40) bei maximalem Lösehub.
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Im
Führungsabschnitt
(52) des Stößels (51) befindet
sich eine Kerbe (54), über
die Leckage in den mittels der Bohrung (44) z.B. ins Freie
entlüfteten Exzenterraum
(43) gelangen kann.
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Im
Flanschgehäuse
(71), das zugleich ein Kühlmittelzuführgehäuse ist, befindet sich zwischen dem
Stößel (51)
und dem freien Ende (32) der mit einer Durchgangsbohrung
(33) ausgestatteten Spannstange (31) eine Gleitringdichtung
(90). Das Kühlmittelzuführgehäuse (71)
und die Gleitdichtung (90) stellen eine Werkzeugkühlmittelzuführeinrichtung
(70) dar.
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Das
Kühlmittel-
bzw. Flanschgehäuse
(71) umgibt mit einem Spindelraum (72) das hintere
Ende der Spindel (20). Der Spindelraum (72) endet
zur Werkzeugkühlmittelzuführeinrichtung
(70) hin in einer Taille (76), deren – mit wenig
Spiel die Spannstange (31) umgebende – Bohrung eine berührungsfreie
Spaltdichtung darstellt. Im Spalt können in der Bohrung auch Fangrillen
eingearbeitet sein.
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Um
das hier nicht dargestellte, im Werkzeugaufnahmekonus (25)
fixierte Werkzeug, z.B. ein innengekühlter Spiralbohrer, zu kühlen, wird über die Werkzeugkühlmittelzufuhreinrichtung
(70) von außen ein
Kühlmedium
(1, 2) in die Durchgangsbohrung (33)
der rotierenden Spannstange (31) gefördert. Als Kühlmedium
(1, 2) kann wahlweise eine unter einem Druck von
7·10–4 Pa
stehende Kühlemulsion
(1) oder reguläre
Druckluft (2) verwendet werden.
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Am
freien Ende (32) der rotierenden Spannstange (31)
ist ein Gleitring (92) angeordnet. Der Gleitring (92)
hat dazu eine Bohrung (93), mit der er auf einer Hohlschraube
(95) sitzt. Die Hohlschraube (95) ist in ein Innengewinde
(34) der Durchgangsbohrung (31) eingeschraubt.
Zur Verdrehsicherung ist die Hohlschraube (95) beispielsweise
im Gewindesauslauf des Innengewindes (34) verklemmt. Ggf. ist
die Hohlschraube (95) zusätzlich im Innengewinde (34)
verklebt. Der Gleitring (92) ist gegenüber der Hohlschraube (95)
ebenfalls gegen Verdrehen gesichert. Dazu ist z.B. die Bohrung (93)
mit dem Schaft der Hohlschraube (95) über eine Kerbverzahnung (96)
oder gleichwirkende Sicherungen gekoppelt. Um ein Taumeln des Gleitringes
(92) zuzulassen, kontaktieren sich die Sicherungsteile
mit Spiel in balligen oder sphärisch
gekrümmten
Konturen.
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In
Axialrichtung ist zwischen der Kopfunterseite der Hohlschraube (95)
und dem Gleitring (92) ein die Taumelbewegung dämpfender
Elastomerring (97) eingelegt.
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Der
Gleitring (92) hat zur Eigenkühlung in seiner der Dichtfuge
(91) abgewandten Kontur radiale, z.B. viertelkreisflächige Kerben,
die Kühlflächen (94)
stehen lassen. Der Gleitring (92) ist beispielsweise aus
Keramik oder Hartmetall hergestellt. Ggf. besteht er nur im Bereich
der Dichtfuge (91) aus einem verschleiß- und temperaturfesten Werkstoff.
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Der
Gleitring (92) liegt axial an einer Gleitringbuchse (100)
an. Die Gleitringbuchse (100) ist in der gestuften Flanschbohrung
(73) gelagert und längsgeführt. Für die Längsführung befindet
sich in einer radialen Gewindebohrung (86) ein Gewindestift (87),
dessen zylindrisches Ende in eine Längsnut (112) der Gleitringbuchse
(100) verdrehsichernd eingreift.
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Die
Gleitringbuchse (100) besteht aus einem rohrförmigen,
mit Nuten und Bohrungen versehenen Körper, der im Bereich des Spannstangenendes
(32) sich flanschartig zur Ausbildung eines Innenflansches
(101) mit einer stirnseitigen Gleitfläche bis zu einer Stirnbohrung
(103) hin verengt. In ihrer im Wesentlichen zylindrischen
Außenkontur
hat sie zwei ganz oder bereichsweise umlaufende Ringnuten (105, 108).
Die dem Spannstangenende (32) nähere Ringnut (105)
hat an ihrer rechten Nutwandung (106) eine Vielzahl z.B.
axialer Bohrungen (107), die den Nutraum mit dem Umlenkraum
(88) verbinden. Diese Ringnut (105) liegt gegenüber einer
Kühlmediumzuführboh rung
(81). Beidseits dieser Ringnut (105) befinden
dich in separaten Nuten eingelassene Dichtringe (114, 115).
Der mittlere Dichtring (115) stellt die statische Hauptdichtung
der Gleitringdichtung (90) dar. Die Dichtung (114)
stabilisiert die Gleitringbuchse (100) in der Flanschbohrung
(73). Eine abdichtende Wirkung hat sie nicht.
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Die
im mittleren Bereich der Außenkontur
der Gleitringbuchse (100) gelegene Ringnut (108),
sie hat eine konstante Einstechtiefe, ist über einen z.B. aus mehreren
Bohrungsabschnitten zusammengesetzten Kanal (109) mit einer
zur Dichtfuge (90) hin orientierten Stirnnut (111)
verbunden. Die Stirnnut (111) hat einen Halbrundeinzelquerschnitt.
Sie ist zur Stirnbohrung (103) hin versetzt angeordnet.
Zur Führung
des Kanals (109) durch den Bereich der Ringnut (105)
ist dort die Ringnuteinstichtiefe bereichsweise verkleinert.
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Im
Kühlmittelzuführgehäuse (71)
ist in dem von der Ringnut (108) überdeckten Bereich der Flanschbohrung
(73) eine in den Ringnutraum mündende Schmiermittelzuführbohrung
(82) angeordnet. Zur Längsnut
(112) hin ist die Ringnut (108) mit einem Dichtring
(116) abgedichtet.
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Je
nach Bauart der Gleitringdichtung (90) können die
Schmiermittelnut (108) und die Kühlmittelnut (105)
ihre Position tauschen. Die Gleitringbuchse (100) ist z.B.
aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, die im Bereich der Dichtfuge
(90) mit einem verschleißfesten Überzug, z.B. einer Chromschicht,
versehen ist.
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In
der Hauptbohrung (102) der Gleitringbuchse (100)
ist eine Schraubenfeder (119) untergebracht, die zum einen
am Innenflansch (101) und zum anderen an einer am Bohrungsabsatz
(74) der Flanschbohrung (73) abgestützten Scheibe
(118) anliegt.
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Zwischen
der Scheibe (118) und der Taille (76) ist im Bereich
des Leckageraumes (75) auf der Spannstange (31)
ein Spritzring, z.B. ein Drillingsspritzring (35) angeordnet.
Sein Außendurchmesser ist
nur geringfügig
kleiner als der Innendurchmesser des Leckageraums (75).
Der Leckageraum (75) ist über eine Leckagebohrung (84)
mit der Umgebung oder einer Leckageabführung verbunden.
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In
die Flanschbohrung (73) führt z.B. zusätzlich radial
eine Druckluftzuführung
(83).
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Bei
einem Betrieb der Werkzeugmaschinenspindel befindet sich die Spannstange
(31) und die Werkzeuglösevorrichtung
(40) in einer Position, wie sie in 3 dargestellt
ist. Die Spannstange (31) ist durch das Spannen des Werkzeugs
um mehrere Millimeter in die Flanschbohrung (73) hineinverschoben. Der
Gleitring (92) hat sich auf das Getriebegehäuse (41)
zubewegt. Die Schraubenfeder (119) hat zum Ausgleich dieses
Hubs die Gleitringbuchse (100) nachgeführt, so dass sich der Gleitring
(92) und die Gleitringbuchse (100) in der axialen
Dichtfuge (91) berühren.
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Das über die
Zuführung
(81) einströmende Kühlmedium
(1, 2) gelangt über die Ringnut (105) und
die Bohrungen (107) in den Umlenkraum (88). Von
dort aus strömt
es durch die Hohlschraube (95) hindurch in die Durchgangsbohrung
(33) der Spannstange (31). Über eine Kupplung in der Spannzange (36)
gelangt das Kühlmedium
(1, 2) in die Kühlkanäle des Werkzeugs.
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Der
maximale Kühlmitteldruck
steht in der Flanschbohrung (73) zwischen der statischen
Hauptdichtung (115) und der zwischen dem Flanschgehäuse (71)
und dem Getriebegehäuse
(41) gelegenen Montagefuge an. Im Bereich der Dichtfuge
(91) ist der Druck daher an deren äußeren Rand höher als
an deren inneren Bohrungsrand. Folglich entsteht bei der Verwendung
von flüssigem
Kühlmittel
(1) kein durch Zentrifugalkraft unterstütztes druckabsenkendes hydrodynamisches
Ausschwimmen der Gleitringbuchse (100) am Gleitring (92).
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Bei
der Verwendung von gasförmigem
Kühlmittel
(2) kühlt
das Kühlmittel
(2) durch das Durchströmen
der Bohrungen (107) die Gleitringbuchse (100)
im Bereich der Dichtfuge (91). Dadurch wird ein großer Teil
der durch das Trockenlaufen der Gleitringsrichtung (90)
entstandenen Wärme
abgeführt. Dies
wird unterstützt
durch die rotierenden Kühlrippen
(94) am Gleitring (92).
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Beispielsweise
bei hohen Spindeldrehzahlen wird über die Schmiermittelzuführbohrung
(82) Schmiermittel (3), z.B. Öl oder Fett, in die Ringnut (108)
transportiert. Über
den Kanal (109) gelangt das Schmiermittel (3)
in geringer Dosis in die Stirnnut (111), von wo aus es
sich in der Dichtfuge (91) verteilt. Durch das Herabsetzen
des Reibwerts in der Dichtfuge (91) entsteht dort weniger
Reibungswärme.
Das Schmiermittel (3) wird beispielsweise aus einer Einmalschmierpatrone
an der Schmiermittelzuführung
(82) bereitgestellt. Eine Einmalschmierpatrone ist eine
z.B. fettgefüllte
Kartusche, deren Inhalt durch ein Gaspolster unter Druck steht.
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Zusätzlich kann über die
Druckluftzuführung (83)
in die Flanschbohrung (73) Druckluft (4) eingeblasen
werden, um dort vorhandene erwärmte
Luft in die Leckagebohrung (84) zu verdrängen.
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Bei
der Benutzung dieser zweiten Druckluftzuführung kann in der Schmiermittelzuführung (82) ein
Rückschlagventil
eingebaut werden, um ein Einblasen von Luft in die Schmiermittelkartusche
zu verhindern.
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Zum
Wechseln des Werkzeuges wird die Spindel (20) angehalten
und die Spannstange (31) über das Schwenken des Exzenters
(62) in die Löseposition
gebracht. Hierbei liegt der Stößel (51)
an der Hohlschraube (95) an, vgl. 1 und 2.
Nach dem Entfernen des Werkzeugs aus dem Werkzeugaufnahmekonus (25)
kann nach einem Weiterdrehen des Exzenters (62) der Stößel (51)
von der Hohlschraube (95) abgehoben werden, um die Kühlflüssigkeit
zum Reinigen der Spindelbohrung (21) in die Durchgangsbohrung
(33) der Spannstange (31) zu pumpen.
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Die
Spannstange (31) kann im Bereich des Flanschgehäuses (71)
in der Spindel (20) oder im Flanschgehäuse (71) zwischengelagert
sein. Auch kann sie dort aus separaten Spannstangenanschnitten – ggf. gelenkig – zusammengesetzt
sein. Als Kupplung oder Gelenk ist z.B. ein längssteifes Wellrohr denkbar.
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- 1
- Kühlflüssigkeit,
Kühlmedium,
Emulsion
- 2
- Kühlgas, Kühlmedium,
Luft, inertes Gas
- 3
- Schmiermittel
- 4
- Druckluft
- 10
- Spindelgehäuse
- 11
- Mantel
- 12
- Stator
- 13,
14
- Wälzlagerpaare
- 20
- Spindel
- 21
- Spindelbohrung
- 22
- Absatz
- 23
- Stützscheibe
- 25
- Werkzeugaufnahmekonus
- 26
- Spindelende,
vorn
- 27
- Rotor
- 29
- Mittellinie
der Spindel
- 30
- Werkzeugspannvorrichtung
- 31
- Spannstange
- 32
- Spannstangenende,
werkzeugfern
- 33
- Durchgangsbohrung,
zentral
- 34
- Innengewinde
- 35
- Spritzring
- 36
- Spannzange
- 37
- Führungsaufsatz
- 38
- Federsystem,
Tellerfedersäule
- 40
- Werkzeuglösevorrichtung
- 41
- Getriebegehäuse
- 42
- Bohrung,
gestuft
- 43
- Exzenterraum
- 44
- Entlüftungsbohrung
- 45
- Dichtring
- 51
- Stößel, Hubstößel
- 52
- Führungsabschnitt,
zylindrisch
- 53
- Lagerbockabschnitt
- 54
- Kerbe
- 55
- Achse
- 56
- Druckrolle
- 57
- Rückholfeder
- 61
- Exzenterwelle
- 62
- Exzenter
- 63
- Elektromotor,
z.B. mit Tachogenerator
-
- und
absolutem Winkelmeßsystem
- 65
- Schnecke,
Schneckengetriebe
- 66
- Schneckenrad,
Schneckengetriebe
- 70
- Werkzeugkühlmittelzuführeinrichtung
- 71
- Kühlmittelzuführgehäuse, Flanschgehäuse
- 72
- Spindelraum
- 73
- Flanschbohrung,
gestuft
- 74
- Bohrungsabsatz
- 75
- Leckageraum
- 76
- Taille
- 81
- Kühlmediumzuführbohrung
- 82
- Schmiermittelzuführbohrung
- 83
- Druckluftzuführung
- 84
- Leckagebohrung
- 86
- Gewindebohrung
- 87
- Gewindestift
- 88
- Umlenkraum
- 90
- Gleitringdichtung
- 91
- Dichtfuge
- 92
- Gleitring
- 93
- Zentralbohrung,
Bohrung
- 94
- Kühlflächen, Kühlrippen
- 95
- Hohlschraube
- 96
- Kerbverzahnung
- 97
- Elastomerring
- 100
- Gleitringbuchse
- 101
- Innenflansch
- 102
- Hauptbohrung
- 103
- Stirnbohrung
- 105
- Ringnut,
vorn
- 106
- Nutwandung,
vorn
- 107
- Bohrungen
- 108
- Ringnut,
Mitte
- 109
- Kanal
- 111
- Stirnnut
- 112
- Längsnut
- 114
- Dichtring,
vorn
- 115
- Dichtring,
statische Hauptdichtung
- 116
- Dichtring,
hinten
- 118
- Scheibe
- 119
- Schraubenfeder