DE10348801B3

DE10348801B3 - Spindelanordnung für ein radial zustellbares, rotierendes Werkzeug

Info

Publication number: DE10348801B3
Application number: DE2003148801
Authority: DE
Inventors: Jürgen Walz
Original assignee: EMAG Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: EMAG Holding GmbH
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2023-10-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spindelanordnung für ein radial zustellbares, rotierendes Werkzeug 30, insbesondere Bohrwerkzeug, mit einer in einem Spindelgehäuse 1 drehbar gelagerten Hauptspindel 2, in welcher eine Exzenterbuchse 8 auf einer Werkzeugaufnahme 15 drehbar angelagert ist, mit zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Antriebsmotoren 3 und 10 für die Hauptspindel 2 und die Exzenterbuchse 8, wobei durch Veränderung der Drehzahl der Exzenterbuchse 8 gegenüber der Hauptspindel die Zustellbewegung des Werkzeugs 30 veränderbar ist. Erfindungsgemäß ist die Hauptspindel 2 über eine Drehsperre 17 mit der Werkzeugaufnahme 15 verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spindelanordnung für ein radial zustellbares, rotierendes Werkzeug, insbesondere Bohrwerkzeug, mit einer in einem Spindelgehäuse drehbar gelagerten Hauptspindel, in welcher eine Exzenterbuchse mit einer Werkzeugaufnahme drehbar angeordnet ist, mit zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Antriebsmotoren für die Hauptspindel und die Exzenterbuchse, wobei durch Veränderung der Drehzahl der Exzenterbuchse gegenüber der der Hauptspindel die Zustellbewegung des Werkzeugs veränderbar ist.

Als Stand der Technik ist bereits ein radial zustellbares, rotierendes Bohrwerkzeug bekannt ( DE 197 12 238 C2 ). Hierbei ist das Bohrwerkzeug an einem Exzenterabschnitt befestigt, welcher in einem ebenfalls exzentrischen Wellenteil der Aussenspindel gelagert ist. Die Zustellbewegung des Werkzeugs erfolgt aufgrund der Drehzahldifferenz zwischen einer Betätigungswelle und der Spindel. Es sind zwei Antriebe vorhanden, welche unabhängig voneinander ansteuerbar sind, so dass durch Relativverdrehung der Zustellspindel mit Bezug zur Außenspindel eine Bewegung des Werkzeugs in Zustellrichtung bewirkt wird.

Ein Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, dass während der Relativbewegung verhältnismäßig große Massen beschleunigt werden müssen. Außerdem wird durch die Drehbewegung des Exzenterabschnittes relativ zur Außenspindel der Freiwinkel, das heißt der Winkel zwischen der Werkzeug-Freifläche und der Schnittebene, verändert. Diese Veränderung hängt dabei direkt vom Verhältnis der Exzentrizität zum Flugkreisdurchmesser ab.

Besonders bei der Bearbeitung kleiner Bohrungen, beispielsweise mit 20 mm Durch messer, kann sich der Freiwinkel dabei um mehrere Grade ändern. Da dieser Freiwinkel seinerseits die Schnittkraft und die Standzeit des betreffenden Werkzeugs beeinflusst, sind derartige Veränderungen nachteilig und unerwünscht.

Ähnlich wie die vorgenannte Konstruktion ist ein Werkzeugkopf ausgebildet, welcher um eine Rotationsachse drehbar ist ( DE 100 21723 A1 ). Hier ist ein in einer Mitnahmehülse gelagerter Werkzeugkopf mit radialer Schneidenzustellung im Einsatz, dessen Funktionsprinzip dem vorgenannten Stand der Technik ähnelt. Entsprechend weist diese bekannte Konstruktion auch die gleichen Nachteile auf, nämlich dass zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der exzentrischen Mitnahmehülse und dem Bundkörper verhältnismäßig große Massen zu beschleunigen sind, wobei sich bei der Drehbewegung der Mitnahmehülse gleichfalls der Freiwinkel verändert.

Zum Stand der Technik zählt weiterhin eine exzentrisch gelagerte Werkzeugspindel (US PS 6 565 298 B2). Diese Werkzeugspindel ist in einer ebenfalls exzentrischen Hohlspindel gelagert und mit dieser über ein mechanisches Getriebe verbunden. Die geometrische Anordnung und das Übersetzungsverhältnis des Getriebes sind dabei so gewählt, dass sich der vorerwähnte Freiwinkel während der Zustellbewegungen nicht verändert. Auch bei dieser bekannten Konstruktion ergibt sich der Nachteil der Bewegung verhältnismäßig großer Massen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Spindelanordnung zu schaffen, bei welcher große Trägheitsmassen reduziert sind, um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hauptspindel über eine Drehsperre mit der Werkzeugaufnahme verbunden ist. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht also darin, die Massen und Trägheitsmomente der für die Zustellbewegung zu bewegenden Teile durch Verbindung der Werkzeugaufnahme mit der Hauptspindel über eine Drehsperre zu verringern.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Werkzeugaufnahme in der dünnwandig ausgebildeten Exzenterbuchse gelagert. Hierbei weist die Hauptspindel an der dem Antriebsmotor für die Exzenterbuchse abgekehrten Seite eine glockenförmige Erweiterung auf, welche die Exzenterbuchse und die Werkzeugaufnahme umschließt.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist die glockenförmige Erweiterung der Hauptspindel über die vorgenannte Drehsperre mit der Werkzeugaufnahme verbunden. An der Außenseite dieser glockenförmigen Erweiterung ist ein Gleitnocken angeordnet, welcher mit einer Führungsnut in einem mit der Werkzeugaufnahme fest verbundenen Hebel in Wirkverbindung steht.
Auch die glockenförmige Exzenterbuchse kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als glockenförmige Erweiterung ausgebildet sein. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Wälzlager zwischen der Hauptspindel und dem Spindelgehäuse, der Hauptspindel und der Exzenterbuchse sowie der Exzenterbuchse und der Werkzeugaufnahme anzuordnen. Nach einem anderen Merkmal der Erfindung können Direktantriebsmotoren der Hauptspindel und der Exzenterbuchse vorgesehen sein.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausführung kann an die glockenförmige Erweiterung der Hauptspindel eine Hohlwelle anschließen, an welcher der Rotor des Antriebsmotors für die Hauptspindel gelagert ist. Die glockenförmige Erweiterung der Exzenterbuchse ihrerseits ist über eine Antriebswelle mit einem Rotor für den Antriebsmotor der Exzenterbuchse verbunden. Hierbei kann die Antriebswelle mindestens eine Einschnürung aufweisen. Vorteilhafterweise ist die Erfindung gekennzeichnet durch eine erste Einschnürung im Bereich der glockenförmigen Erweiterung der Exzenterbuchse und durch eine weitere Einschnürung im Bereich des Rotors.
Zu Unrundbearbeitung von Werkstücken kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Drehzahl der Exzenterbuchse gegenüber der der Hauptspindel veränderbar sein. Darüber hinaus kann die Antriebswelle mit einer Kupplung, insbesondere einer Balgkupplung, ausgestattet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt einer Spindelanordnung
2 eine schematische Draufsicht auf die Spindelanordnung von der Werkzeugseite her gesehen.
Gemäß 1 ist in einem Spindelgehäuse 1 eine hohl ausgeführte Hauptspindel 2 drehbar gelagert. Hierbei ist diese Hauptspindel 2 in vorteilhafter Gestaltung der Erfindung mit einem Direktantrieb, nämlich einem Antriebsmotor 3 verbunden. Der Antriebsmotor weist einen aus Magneten zusammengesetzten Rotor 6 auf. Der Stator 5 des Antriebsmotors 3 mit elektrischen Wicklungen ist mit dem Spindelgehäuse 1 fest verbunden. Stator 5 und Rotor 6 bilden zusammen den Ringmotor 3. Bei Erregung der Wicklungen des Stators 5 wird der Rotor 6 und damit die Hauptspindel 2 angetrieben. Der Rotor 6 ist auf einer Hohlwelle 26 der Hauptspindel 2 gelagert.
Im Anschluss an die Hohlwelle 26 weist die Hauptspindel 2 eine glockenförmige Erweiterung 22 auf. Diese glockenförmige Erweiterung ist über Wälzlager 23 und 24 drehbar in dem Spindelgehäuse 1 angeordnet.
In der glockenförmigen Erweiterung 22 der Hauptspindel 2 ist eine Exzenterbuchse 8 über Wälzlager 28 und 29 angeordnet. Diese Exzenterbuchse 8 ist ebenfalls hohl ausgeführt und weist eine dünnwandig ausgebildete glockenförmige Erweiterung auf. Im Inneren dieser glockenförmigen Erweiterung lagert die Exzenterbuchse 8 über Wälzlager 31 und 32 eine Werkzeugaufnahme 15 mit einem schematisch dargestellten Werkzeug 30.
Die Hauptspindel 2 und Werkzeugaufnahme 15 sind über eine Drehsperre 17 miteinander verbunden. Hierbei ist an der Außenseite der glockenförmigen Erweiterung 22 der Hauptspindel 2 ein Gleitnocken 19 angeordnet, welcher mit einer Führungsnut 20 in einem mit der Werkzeugaufnahme 15 fest verbundenen Hebel 25 in Wirkverbindung steht. Der Gleitnocken 19 und die Führungsnut 20 übertragen Antriebsmomente der Hauptspindel 2 auf die Werkzeugaufnahme 15. Sie verhindern Drehbewegungen dieser beiden Maschinenelemente relativ zueinander, lassen jedoch eine Bewegung der Werkzeugaufnahme 15 in radialer Richtung zu.
Die dünnwandige glockenförmige Erweiterung der Exzenterbuchse 8 geht in eine dreh steife Antriebswelle 9 über, welche mit einem Antriebsmotor 10 verbunden ist. Dieser Antriebsmotor 10 für die Exzenterbuchse 8 ist ähnlich wie beim Hauptspindelantrieb ebenfalls als Ringmotor ausgeführt. Es ist ein Rotor 11 vorgesehen, welcher mit der Antriebswelle 9 in Verbindung steht, sowie ein Stator 12, welcher mit dem Spindelgehäuse 1 fest verbunden ist.
Die Antriebswelle 9 ist in radialer Richtung elastisch, um Zustellbewegungen zu ermöglichen. Hierzu können Einschnürungen 27, 27' vorgesehen sein, beispielsweise eine erste Einschnürung 27 im Endbereich der glockenförmigen Erweiterung der Exzenterbuchse 8 und eine zweite Einschnürung 27' im Bereich des Rotors 11. Bei größeren Zustellbewegungen können statt der Einschnürungen zum Beispiel Balgkupplungen eingesetzt werden.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Spindelanordnung von der Werkzeugseite her gesehen. Hier ist erkennbar, dass die Drehsperre 17 fest mit der Werkzeugaufnahme 15 verbunden ist. An ihrem äußeren Ende befindet sich die Führungsnut 20, worin der Gleitnocken 19, welcher an der Stirnseite der glockenförmigen Erweiterung 22 der Hauptspindel 2 angeordnet ist, die Drehbewegungen überträgt und gleichzeitig radiale Zustellbewegungen ermöglicht.
Ein Vorteil der vorgenannten Anordnung besteht darin, dass mit der dünnwandigen Exzenterbuchse 8 und der Antriebswelle 9 vergleichsweise geringe Trägheitsmomente vorliegen. Damit sind hochfrequente Zustellbewegungen möglich, welche beispielsweise zur Bearbeitung unrunder Bohrungen erforderlich sind.
Zum Ausführen einer Zustellbewegung ist lediglich die Exzenterbuchse 8 gegenüber der Hauptspindel 2 zu verdrehen: die Drehsperre 17 überträgt hierbei die Drehbewegungen. Durch diese Verbindung zwischen der Hauptspindel 2 und der Werkzeugaufnahme 15 hängt die Veränderung des Freiwinkels nicht mehr vom Flugkreisdurchmesser sondern stattdessen von der Länge des Hebels 25 der Drehsperre 17 ab. Aufgrund des günstige ren Verhältnisses reduziert sich die Veränderung auf Bruchteile eines Grades. Hierbei ist die Veränderung dadurch auch bei der Bearbeitung kleinerer Bohrungen vorteilhafterweise vernachlässigbar gering.
Bei synchronem Antrieb der Hauptspindel 2 und der Exzenterbuchse 8 bleibt die Lage des Werkzeugs 30 relativ zur Hauptspindel 2 unverändert. Sobald die Drehzahlen über die Antriebsmotoren 3 und 10 differieren, erfolgt eine Zustellbewegung des Werkzeugs 30.
Zur Ausführung dieser Zustellbewegung ist – wie vorstehend ausgeführt – lediglich die Drehzahl der dünnwandigen Exzenterbuchse 8 relativ zur Hauptspindel 2 zu verändern. Dazu werden vorteilhafterweise vergleichsweise niedrige Beschleunigungskräfte benötigt.
Die erfindungsgemäße Spindelanordnung ist für Werkzeuge zur Innen- oder Außenbearbeitung geeignet.

Claims

Spindelanordnung für ein radial zustellbares, rotierendes Werkzeug (30), insbesondere Bohrwerkzeug, mit einer in einem Spindelgehäuse (1) drehbar gelagerten Hauptspindel (2), in welcher eine Exzenterbuchse (8) mit einer Werkzeugaufnahme (15) drehbar angeordnet ist, mit zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Antriebsmotoren (3; 10) für die Hauptspindel (2) und die Exzenterbuchse (8), wobei durch Veränderung der Drehzahl der Exzenterbuchse (8) gegenüber der der Hauptspindel (2) die Zustellbewegung des Werkzeugs (30) veränderbar ist, dadurch kennzeichnet, dass die Hauptspindel (2) über eine Drehsperre (17) mit der Werkzeugaufnahme (15) verbunden ist.
Spindelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahme (15) in der dünnwandig ausgebildeten Exzenterbuchse (8) gelagert ist.
Spindelanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspindel (2) an der dem Antriebsmotor (10) für die Exzenterbuchse (8) abgekehrten Seite eine glockenförmige Erweiterung (22) aufweist, welche die Exzenterbuchse (8) und die Werkzeugaufnahme (15) umschließt.
Spindelanordnung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die glockenförmige Erweiterung (22) der Hauptspindel (2) über die Drehsperre (17) mit der Werkzeugaufnahme (15) verbunden ist.
Spindelanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite der glockenförmigen Erweiterung (22) ein Gleitnocken (19) angeordnet ist, welcher mit einer Führungsnut (20) in einem mit der Werkzeugaufnahme (15) fest verbundenen Hebel (25) in Wirkverbindung steht.
Spindelanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnwandige Exzenterbuchse (8) als glockenförmige Erweiterung ausgebildet ist.
Spindelanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wälzlager (23, 24; 28, 29; 31, 32) zwischen der Hauptspindel (2) und dem Spindelgehäuse (1), der Hauptspindel (2) und der Exzenterbuchse (8) sowie der Exzenterbuchse (8) und der Werkzeugaufnahme (15).
Spindelanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehende Ansprüche, gekennzeichnet durch Direktantriebsmotoren (3; 10) der Hauptspindel (2) und der Exzenterbuchse (8).
Spindelanordnung nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die glockenförmige Erweiterung (22) der Hauptspindel (2) eine Hohlwelle (26) anschließt, an welcher der Rotor (6) des Antriebsmotors (3) für die Hauptspindel (2) gelagert ist.
Spindelanordnung nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die glockenförmige Erweiterung der Exzenterbuchse (8) über eine Antriebswelle (9) mit einem Rotor (11) für den Antriebsmotor (10) der Exzenterbuchse (8) verbunden ist.
Spindelanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (9) mindestens eine Einschnürung (27) aufweist.
Spindelanordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine erste Einschnürung (27) im Endbereich der glockenförmigen Erweiterung der Exzenterbuchse (8) und durch eine zweite Einschnürung im Bereich des Rotors (12).
Spindelanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Exzenterbuchse (8) gegenüber der der Hauptspindel (2) zur Unrundbearbeitung von Werkstücken veränderbar ist.
Spindelanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (9) mit mindestens einer Kupplung, insbesondere Balgkupplung, ausgestattet ist.