DE19528452C2 - Spindel zur Gaslagerung eines schnelldrehenden Werkzeugs - Google Patents

Description

Im deutschen Patent 44 42 384 ist eine Spindel zur aerostatischen Lagerung eines Offenend-Spinnrotors beschrieben. Es wurde nun gefunden, daß statt Offenend-Spinnrotore auch andere schnelldrehende Werkzeuge zum Einsatz kommen können. Beispiele derartiger Werkzeuge sind der Kopf eines Lackzerstäubers, die Tonne einer Zentrifuge und optische Werkzeuge, wie Prismen, Polygone und dergleichen. Statt Luft können zur Lagerung auch andere Gase eingesetzt werden. Die Lagerung kann statisch oder dynamisch sein.

Bei Lackzerstäubern ist beispielsweise trotz oft im Einsatz befindlicher aerostatischer Lagerungen immer noch ein starres Befestigen des Zerstäubers an der rotierenden Welle üblich, wodurch kleine Unwuchtmassen oder ein geringer exzentrischer Sitz des Zerstäubers auf der Welle bereits zur Oberlastung 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 geringfügige Überlastung der Gaslagerung bei hoher Drehzahl bereits zu einem irreparablen Totalausfall.

Aus der DE 27 11 065 A1 ist ein Fanglager für überkritisch laufende Rotoren bekannt, das den Rotor umgibt und aufgrund von radialen Rotorbewegungen zum Einsatz ein- bzw. ausgeschaltet wird.

Zwischen dem Fanglager und dem Rotor ist ein definierter Spalt vorgesehen, der mindestens so groß ist wie die maximale Amplitude des Rotors im Nennbetrieb. Rotore gemäß der DE 27 11 065 werden insbesondere im Turbinen- und Ver­ dichter-Sektor eingesetzt. Diese Rotore tragen keine schnelldrehenden Werkzeuge. Das dort vorgesehene Fanglager befindet sich zwischen den Endlagern des Rotors. Es sind mechanische Federelemente oder Dämpfungseinrichtungen vorgesehen, um das Fanglager im nicht mitrotierenden Gehäuse zu zentrieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gaslagerung für andere schnelldrehende Werkzeuge als Offenend-Spinnrotore zu schaffen, die durch auftretende Kräfte wie zum Beispiel Unwuchtkräfte nicht überlastet werden kann, so daß die mit der Überlastung eintretende Zerstörung des Gaslagers ausgeschlossen ist. 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 Betriebsdrehzahl des Werkzeugs muß die erste Eigenschwingung des Fortsatzes (Resonanz) durchfahren werden. Die Schwingungsausschläge des Fortsatzes waren, sobald die Drehzahl sich der Eigenschwingungsfrequenz näherte, so groß, daß der Fortsatz oder das Gaslager beschädigt wurden. Durch ein Lager am werkzeugseitigen Ende-des Fortsatzes, das als Gleit- oder Wälzlager 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 Schwingungsbereich sehr ruhig. Mit steigender Drehzahl wird das Werkzeug durch die entstehenden Kreiselmomente 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.

Bei manchen Anwendungsfällen ist es dabei notwendig, daß der schwingungsfreie Fortsatz eine Bohrung aufweist, durch die etwas durchgeführt werden kann (beispielsweise Lack, Baumwollfasern usw.). Damit ist hier ein gewisser Mindestdurchmesser vorgegeben. Das Freischwingen wird dadurch erzeugt, daß die Wandstärke des Fortsatzes zwischen Preßverbindung der Welle und Lager des Fortsatzes entsprechend dünn ausgestaltet wird.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die lösbare Verbindung zwischen Fortsatz und Werkzeug, die ein einfaches Auswechseln des Werkzeuges erlaubt. Da die Verbindung im überkritischen Schwingungsbereich liegt, werden keine hohen Genauigkeitsanforderungen gestellt. Es ist keine Gefahr durch Schmutz, der beim Zusammenfügen einen exzentrischen Sitz des Werkzeuges verursacht, gegeben.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gaslagerung am Beispiel eines Kopfes eines Lackzerstäubers anhand der Zeichnung (Fig. 1) näher beschrieben.

Die Welle 5 ist aerostatisch in einem Gehäuse 8 in radialer Richtung gelagert. Die axiale Lagerung besteht aus einer Kombination zwischen Dauermagnet 12 und einseitig wirkendem aerostatischen Axiallager, das vom radialen Lagerspalt her mit Luft versorgt wird. Die Ausführungsformen von aerostatischen Lagern sind aus 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 des 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 werkzeugseitigen Ende 1 hin nimmt die Wandstärke des Fortsatzes 2 wieder stark zu, um die Lagerung und die lösbare Werkzeugaufnahme zu ermöglichen.

Das Lager an Ende des Fortsatzes 2, an dem Lackzerstäuber 1 angebracht ist, besitzt das zwanzigfache Lagerspiel 10 des aerostatisch radialen Lagers 11, das hier ein Spiel vom 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 Eigenschwingung 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 Unwuchtmassen gering.

Claims (3)

1. Gaslagerung für schnelldrehende Werkzeuge, ausgenommen Offenend-Spinnrotore, bestehend aus einer rotierenden Welle, die in einem Gehäuse in axialer und radialer Richtung gasgelagert ist, wobei ein Hilfslager vorge­ sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (5) einen freischwingen­ den Fortsatz (2) aufweist, an dessen freiem Ende das Werkzeug (1) ange­ bracht ist, und daß nahe des werkzeugseitigen Endes das Hilfslager (4) angeordnet ist, wobei dieses Hilfslager als Gleit- oder Wälzlager ausge­ bildet ist und mindestens das zweifache Lagerspiel (10) der radialen Gas­ lagerung (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 Werkzeuges ermöglicht.