DE19528452A1 - Spindel zur Gaslagerung eines schnelldrehenden Werkzeugs - Google Patents

Description

Im Hauptpatent 44 42 384 ist eine Spindel zur aerostatischen Lagerung eines Offenend- Spinnrotors beschrieben. Es wurde nun gefunden, daß die Erfindung gemäß dem Hauptpatent nicht auf Offenend-Spinnrotore beschränkt ist. Vielmehr können auch andere schnelldrehende Werkzeuge zum Einsatz kommen. Beispiele derartiger Werkzeuge sind der Kopf eines Lack­ zerstäubers, die Tonne einer Zentrifuge und optische Werkzeuge, wie Prismen, Polygone und dergleichen. Statt Luft können zur Lagerung auch andere Gase eingesetzt werden. Die Lage­ rung kann statisch oder dynamisch sein.

Der Stand der Technik für den Anwendungsfall eines Spinnrotors ist im Hauptpatent aus­ führlich beschrieben.

Bei Lackzerstäubern z. B. ist, trotz oft im Einsatz befindlicher aerostatischer Lagerung, im­ mer noch ein starres Befestigen des Zerstäubers an der rotierenden Welle üblich, wodurch kleine Unwuchtsmassen oder ein geringer exzentrischer Sitz des Zerstäubers auf der Welle bereits zur Überlastung der aerostatischen Lagerung führen können. Da bei gleicher Baugröße die Belastbarkeit von Gaslagern gegenüber Wälzlagern um ein Vielfaches geringer ist, war ihr Einsatz, bisher oft nicht möglich. Außerdem führt eine ge­ ringfügige Überlastung der Gaslagerung bei hoher Drehzahl bereits zu einem irreparablen Totalausfall.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Gaslagerung für schnelldrehende Werkzeuge zu finden, die durch auftretende Kräfte wie Unwuchtkräfte nicht überlastet werden kann, so daß die mit der Überbelastung eintretende Zerstörung des Gaslagers ausgeschlossen wird. Es wurde gefunden, daß ein elastisches Bindeglied zwischen gasgelagerter Welle und Werkzeug ein Übertragen der Unwuchtkräfte, die vom Werkzeug ausgehen, auf die Welle verhindert. Dieses elastische Bindeglied ist ein in die Welle eingebrachter freischwingender Fortsatz, an dessen einem Ende sich das Werkzeug befindet. Beim Hochfahren auf Betriebs­ drehzahl des Werkzeugs muß die erste Eigenschwingung des Fortsatzes (Resonanz) durchfah­ ren werden. Die Schwingungsausschläge des Fortsatzes, sobald die Drehzahl sich der Eigen­ schwingungsfrequenz näherte, waren so groß, daß der Fortsatz oder das Gaslager beschädigt wurden. Durch ein Lager am werkzeugseitigen Ende des Fortsatzes, das als Gleit- oder Wälzla­ ger ausgebildet ist, können die Schwingungsausschläge auf das Spiel dieses Lagers begrenzt werden. Die Eigenschwingung des Fortsatzes kann somit durchfahren werden.

Nach dem Durchfahren der Eigenschwingung läuft das Werkzeug im überkritischen Schwin­ gungsbereich sehr ruhig und wird mit steigender Drehzahl durch die entstehenden Kreiselmo­ mente immer mehr stabilisiert, so daß das Lager am werkzeugseitigen Ende des Fortsatzes nicht mehr in Funktion tritt, da es mindestens das zweifache Lagerspiel der radialen Gaslagerung aufweist (Anspruch 1).

Wie im Hauptpatent liegt auch gemäß der vorliegenden Erfindung ein freischwingender Fortsatz vor. Bei manchen Anwendungsfällen ist es dabei notwendig, daß der Fortsatz eine Bohrung aufweist, durch die etwas durchgeführt werden kann (z. B.: Lack, Baumwollfasern, usw.).

Deshalb ist hier ein gewisser Mindestdurchmesser vorgegeben und das Freischwingen wird dadurch erzeugt, daß die Wandstärke des Fortsatzes zwischen Preßverbindung der Welle und Lager des Fortsatzes entsprechend dünn ausgestaltet wird (Anspruch 2).

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die lösbare Verbindung zwischen Fortsatz und Werk­ zeug, die ein einfaches Auswechseln des Werkzeugs erlaubt. Da die Verbindung im überkriti­ schen Schwingungsbereich liegt, werden keine hohen Genauigkeitsanforderungen gestellt und eine Gefahr durch Schmutz, der beim Zusammenfügen einen exzentrischen Sitz des Werkzeugs verursacht, ist nicht gegeben (Anspruch 3).

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gaslagerung anhand der Zeichnung (Fig. 1) näher beschrieben. Im Vergleich zum Hauptpatent unterscheidet sich diese Ausführung durch ein anderes Werkzeug und durch die unterschiedliche Ausgestaltung des freischwingenden Fortsatzes.

Hier ist eine Welle 5 aerostatisch in einem Gehäuse 8 in radialer Richtung gelagert. Die axiale Lagerung besteht aus einer Kombination zwischen Dauermagnet 12 und einseitig wirkenden aerostatischen Axiallager, das vom radialen Lagerspalt her mit Luft versorgt wird. Die Ausfüh­ rungsformen von aerostatischen Lagern sind nach dem Stand der Technik bekannt. Die hier eingesetzte aerostatische Lagerung zeichnet sich vor allem durch den niedrigen Luftverbrauch aus.

Die Welle wird an einem Ende über eine Luftturbine 9 angetrieben. In der Welle 5 befindet sich eine zentrische Bohrung, an deren Ende ein Fortsatz 2 durch eine Preßverbindung 6 befestigt ist.

Der Fortsatz ist in Form einer Rohrstange 2 ausgebildet, an deren Ende der Lackzerstäuber 1 durch eine Schraubverbindung angebracht ist. Die Wandstärke es Fortsatzes 13 ist zwischen der Preßverbindung 6 und dem Lager des Fortsatzes 4 äußerst dünn (0.08 mm) gestaltet, damit genügend Elastizität des freischwingenden Fortsatzes 2 gegeben ist, um die Eigenschwingung bereits im Drehzahlbereich zwischen 6000 und 8000 U/min durchfahren zu können. Zum werk­ zeugseitigen Ende 1 hin nimmt die Wandstärke des Fortsatzes 2 wieder stark zu, um die Lage­ rung und die lösbare Werkzeugaufnahme zu ermöglichen.

Das Lager am Ende des Fortsatzes 2, wo der Lackzerstäuber 1 angebracht ist, besitzt das zwanzigfache Lagerspiel 10 des aerostatisch radialen Lagers 11, das hier ein Spiel von 20 µm hat. Dieses Lager 4 ist hier als ein mit ölgetränktes Sinterbronzegleitlager ausgeführt. Ebenso kann ein Wälzlager mit genügend Lagerspiel eingesetzt werden. Um eine gute Dämpfung des Lagers beim Durchfahren der ersten Eigenschwingung zu erreichen ist das Gleitlager 4 auf O-Ringen 3 im Gehäuse aufgehängt.

Die Spindel ist für eine Betriebsdrehzahl von 80 000 U/min ausgelegt. Die erste Eigenschwin­ gung des Fortsatzes 2 wird bereits bei der Drehzahl 7000 U/min durchfahren. Danach läuft der Lackzerstäuber im überkritischen Schwingungsbereich, d. h. die Massenkräfte im Zerstäuber sind stets ausgeglichen und die Kräfte auf die aerostatische Lagerung sind selbst bei großen Unwuchtsmassen gering.

Claims (3)

1. Spindel zur Gaslagerung eines schnelldrehenden Werkzeugs, bestehend aus einer rotieren­ den Welle, die in einem Gehäuse in axialer und radialer Richtung gasgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) einen freischwingenden Fortsatz (2) aufweist, an dessen einem Ende das Werkzeug (1) angebracht ist und daß die Lagerung dieses Fortsatzes (2) am werkzeugseitigen Ende durch ein als Gleit- oder Wälzlager ausgebildetes Lager (4) erfolgt, wobei dieses Lager (4) mindestens das zweifache Lagerspiel (10) der radialen Gaslagerung (11) aufweist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) eine zentrische Bohrung (6) umfaßt, in welcher der Fortsatz (2) durch eine Preßverbindung befestigt ist und die Wandstärke des Fortsatzes (2) zum werkzeugseitigen Ende hin zunimmt.

3. Lagerung nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Fortsatz (2) der Welle und Werkzeug (1) eine lösbare Verbindung besteht, die das einfache Auswechseln des Werkzeugs ermöglicht.