DE19615382A1 - Motor einer Maschine (Werkzeugmaschine) mit einer Kühlung mittels Heatpipe und einer mechanischpneumatischen Spannvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreuzschlitteneinheit mit einer darin beweglichen Pinole und einer Motorspindel welche in der Pinole befestigt ist. Derartige Motorspindeln werden in Werkzeugmaschinen eingesetzt. In diesem Falle wird eine Bohr- und Fräsmaschine ausführlich beschrieben. Dieselben Einrichtungen können auch Bestandteil einer Dreh- oder Schleifmaschine sein oder einer anderen für die Materialbearbeitung üblichen Maschine.

Motorspindeln werden zumeist in Schleifmaschinen, Fräsmaschinen, Drehmaschinen und Bearbeitungszentren eingesetzt. Wobei Bearbeitungszentren gegenüber reinen Fräsmaschinen den Prozeß des Werkzeugwechsels und des Werkstückwechsels automatisiert haben. Bearbeitungszentren wechseln die für die jeweilige Bearbeitung erforderlichen Werkzeuge programmgesteuert aus einem Werkzeugspeicher direkt oder mittels einer Wechseleinrichtung in die Spindel. Drehmaschinen nutzen eine Spannvorrichtung in der Spindel für das Spannen des Werkstückes.

Um das Werkzeug mit ausreichender Kraft in der Spindel spannen zu können, ist ein Spann- Lösemechanismus üblich, welcher über Tellerfedern dauerhaft spannt und mittels Hydraulikkolben die Spannung aufhebt. Diese Hydraulikanlagen sind verhältnismäßig teuer, stellen bei Ölverlust ein Umweltproblem dar und sind nicht schnell und nicht sicher genug.

Erfindungsgemäß wird hierzu ein Spann-Lösemechanismus vorgeschlagen, welcher einerseits ohne teure Hydraulikanlagen arbeitet, aber andererseits genügend Sicherheit und Schnelligkeit bietet um in einem automatischen Ablauf rechtzeitig das Werkzeug lösen oder zu spannen zu können. Bei der nachstehenden Erfindung könnte Druckluft zum Einsatz kommen, welche in jedem für solche Bearbeitungsmaschinen in Frage kommenden Betrieb, durch Druckluftversorgungsanlagen ohnehin vorhanden ist.

Hierbei besteht aber das Problem, daß diese Druckluftversorgung häufig nicht den, für die Lösebewegung des Werkzeuges notwendigen, Druckluftdruck zur Verfügung stellt. Dies kann aber bei einem automatischen Wechselvorgang mit sehr schnellen Bewegungsabläufen zu Störungen und Abschalten der Maschine führen wenn Zeitlimiten für die Spann- Lösebewegungen nicht eingehalten werden.

Es bedurfte dieser Erfindung um eine mechanisch zwangsgesteuerte Öffnungsbewegung der Spannvorrichtung zu schaffen, welche pneumatisch unterstützt wird.

Die pneumatische Öffnungsbewegung der Spannorrichtung ist unabhängig von der Mechanik funktionsfähig wenn, beispielweise beim Werkzeugwechsel von der Hand des Maschinenbedieners etwas mehr Wartezeit bis zum vollständigen Lösen des Werkzeuges zur Verfügung steht.

So wird es allgemein als zumutbar empfunden wenn der Bediener bis zum vollständigen Lösen des Werkzeuges 3-4 Sekunden warten muß. Im automatischen Ablauf wird dank der Erfindung mittels unten beschriebenem Ablaufes eine Lösezeit von ca. 0,3 Sekunden und eine Öffnungszeit von ca. 0,4 Sekunden erreicht.

Im Werkzeugmaschinenbau sind entweder die oben genannten hydraulisch betätigten Spann­ vorrichtungen oder die mechanisch betätigten Lösungen üblich. Erstere sind wie schon gesagt sehr teuer und letztere üben große Reaktionskräfte auf die Werkzeugmaschinenbauteile wie z. B. die Führungen aus. Als eines der Beispiele für mechanisch betätigte Spann­ vorrichtungen gilt die europäische Patentschrift EP 0280738 und die DE 4 32 00 190. Hier wird der Werkzeugspanner über einen großen Winkel-Hebel, welcher sich beim Wechselvorgang an dem Gestellbauteil abstützt und dabei gleichzeitig auf den Spanner drückt, die Spannvorrichtung löst. Die Reaktionskräfte können hierbei mehr als 10 000 N betragen und zusätzlich stoßartig in die Präzisonsführung gelangen, was die Dauergenauigkeit der Maschine beeinträchtigen kann.

Die Genauigkeit und die Lebensdauer der Motorspindel wird auch durch zu große thermische Belastung der Frässpindellagerung, hervorgerufen durch die Verlustwärme des Rotors, herabgesetzt.

Der Stator des Motorbausatzes kann auf sehr einfache und bekannte Weise mittels eines Wassermantels, welcher die Stator-Kupferwicklung umhüllt, gekühlt werden.

Der Rotor konnte wegen seiner üblichen hohen Drehgeschwindigkeit, die bis zu 100 000 l/min und mehr gehen kann, mittels Wasser- oder Ölumlauf kaum gekühlt werden, da geeignete Dreheinführungen für den Dauereinsatz nicht zur Verfügung standen. Derartige Dreheinführungen sind erforderlich, wenn das Kühlmedium vom stehenden Anschluß mittels eines hochfesten Dichtungssatzes an die drehende Frässpindel mit dem darauf befestigten Rotor verbunden werden muß und nach dem Durchfluß durch die Frässpindel wieder über einen weiteren Dichtungssatz zurück zum stehenden Anschluß gerührt werden muß. Insbesondere bereitet die Leckage und die damit verbundene Umweltbelastung sehr große Schwierigkeiten. Aus diesem Grund befassen sich eine ganze Reihe von Anmeldungen mit einer im Detail ausgefeilten Kühlfluidführung oder gar einer Luftkühlung.

Beispielhaft wären hier zu nennen EP 0094680, EP 0381009 A2, EP 0415138 A2, EP 0440096 A1 und die WO 94/23485. Mann versucht hier mehr oder weniger die Ausbreitung der Verlustwärme im Stator und Rotor durch Isolation und Wärmeabfuhr zu verhindern. Bei hohen Leistungen steigt bekanntlich auch die hinlänglich beschriebene Verlustwärme stark an. Wenn man diese Verlustwärme nicht sehr schnell aus der Motorspindel entfernt, steigt die Rotor- und Wicklungstemperatur sehr schnell auf unzulässige Werte an. Man ist dann gezwungen den Antrieb während des Betriebes sofort stillzustetzen, da die Wicklung in diesem Fall durchzubrennen droht. Die teilweise vorgeschlagene Kühlung mit Umgebungsluft kann besonders in wärmeren Regionen der Erde nicht funktionieren, weil der Unterschied zwischen zulässiger Wicklungstemperatur und Umgebungsluft so niedrig ist, daß die Wärmeabfuhr zu gering wird.

Ziel der Erfindung ist es auch die Verlustwärme sehr schnell vom heißen Rotor mittels sogenannter "Heatpipes" (Hitzefuhrungsrohre) an das vordere und hintere Ende der Spindel zu transportieren, wo sie mittels Lüfter, Luftwärmetauscher über gekühlte Umgebungsluft leicht abgeführt werden kann.

Die Heat-Pipes sind aus der Computerindustrie bekannt und dienen dem schnellen Wärmetransport, ohne dafür irgendwelche Energie zu benötigen, was bei einer drehenden Frässpindel sehr kompliziert wäre. Die Heat-Pipe ist eine speziell behandelte evakuierte Röhre für die Wärmeaufnahme an einer warmen Stelle und die Abgabe an einer einige Grad kälteren Stelle. Auf die Arbeitsweise und die Vorteile dieser bekannten Heatpipes geht z. B. die internationale Anmeldung WO 83/03945 der Hughes Aircraft näher ein. Die Firma ISOTERIX Ltd. in GB liefert diese Heatpipes in vielen gebräuchlichen Größen. Die Heatpipe transportiert sehr schnell die Wärme im Bereich der heißen Partie des Rotors an das kühlere vordere bzw. hintere Ende der Frässpindel. Von hier läßt sich die Wärme mittels gekühlter Luft leicht abführen.

Der vorbehandelten, gekühlten Luft läßt sich programmgesteuert in einem bestimmten Intervall ein Fett- oder Ölgemisch beifügen, so daß die Problematik der Schmierung mit der gleichen Anlage gelöst werden kann. Durch die erfindungsgemäße Aufbereitung der Kühlluft mittels Filter-Wasserabscheider-Kombination und nachgeschaltetem Trockner kann die Kühlluft über den Kühler-Wärmetauscher weit unter Raumtemperatur gekühlt werden.

Ein Öler stellt nicht nur das Schmieröl für die Lagerung 7a, b dar, sondern verhindert auch wirksam die Rostbildung im Inneren der Motorspindel.

Wenn der Stator auf die gleiche Weise mit dem gleichen Kühlmedium wie der Rotor gekühlt werden kann, ist dies besonders einfach und kostengünstig, da die gesamte Motorspindel über einen Kühlmittelkreislauf vorsorgt wird.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen in Ausführungsbeispielen dargestellt und nach folgend beschrieben.

Fig. 1 Schnitt durch den Kreuzschlitten einer Werkzeugmaschine mit zentraler Pinole und einer Motorspindel,

Fig. 2 Längschnitt durch die Motorspindel 30 mit der Versorgungsanlage für Kühlluft,

Fig. 3 Längschnitt im Detail mit dem Einbau der Heatpipe und der Anströmung durch Kühlluft,

Fig. 4 ist eine vereinfachte Darstellung einer Phase des Spann-Lösevorganges,

Fig. 5 ist eine vereinfachte Darstellung einer Phase des Spann-Lösevorganges und der Y-Bewegung in die Wechselstellung mit dem Werkzeugspeicher 4,

Fig. 6 ist eine vereinfachte Darstellung einer Phase des Spann-Lösevorganges und der Y-Bewegung aus der Wechselstellung mit dem Werkzeugspeicher 4,

Fig. 7 zeigt das Werkzeugwechseln von Hand mittels Schalter 15.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer Werkzeugmaschine mit einem Maschinenständer 10, einer daran befindlichen Vorschubspindel 9 und einem Antriebsmotor 32 für die Y-Bewegung des Kreuzschlittens 5 dieser Maschine.

In dem Kreuzschlitten 5 befindet sich verschieblich gelagert eine Pinole 3, welche über eine Vorschubspindel 8 und dem Antriebsmotor 33 für die Z-Bewegung der Pinole sorgt. Ferner ist der Mehrfachschalter 18, befestigt am Ständer 10 gezeigt, welcher über das Ventil 14 mittels der Kolben-Zylinderanordnung 23a, 23b die Spanneinheit 13b des Werkzeuges 6 betätigt. Die Kühlung des Stators 1a erfolgt in Fig. 1 mittels einer Kühlflüssigkeit. Dieses bekannte Verfahren kann nur den Stator, aber in vielen Fällen nicht den Rotor kühlen.

In Fig. 2 ist detailliert die Motorspindel 30 mit der Versorgungsanlage für Kühlluft zu sehen. Die Frässpindel 2 ist hier beispielhaft mit den Heat-Pipes 20a, 20b, 20c, 20d durchzogen. Hierdurch kann die Verlustwärme aus dem Bereich des Rotors 1b zum vorderen Teil der Spindel 2 mit dem luftgekühlten Teil der Heatpipe 20c und zur hinteren Heatpipe 20d und zum hinteren Lüfterrad 38 transportiert werden. Der luftgekühlte Teil 20c und das Lüfterrad 38 sorgen durch ihre Turbinenrad ähnliche Ausbildung für eine ausreichende Luftzirkulation welche das an Anschluß 21 zugeführte Kühlfluid weiter aus der Motorspindel transportieren. Das Kühlfluid in diesem Falle vorzugsweise gekühlte Umgebungsluft wird durch einen Lüfter 24, eine Filter-Wasserabscheider- Kombination 25, einen Trockner 26, einen Kühler-Wärmetauscher 27 und einen Öler 28 aufbereitet. Der Öler 28 wird über ein programmgesteuertes Ventil 29 über den Versorgungsbehälter 31 mit einer genau dosierten Schmierölmenge versorgt. Eine große Temperaturdifferenz verstärkt wiederum naturgemäß die Kühlwirkung.

Der Stator 1a wird erfindungsgemäß ebenfalls mit einer Heatpipe 36a, welche ähnlich einer Schraubenfeder um den Statormantel 22 gewickelt und mit einer wärmeleitenden Fixiermasse 37 auf ihm befestigt ist, gekühlt. Wenn man die Heatpipe 36b direkt in die Statorbleche oder in die Wicklung einbettet und beidseitig aus dem Blechpaket hervortreten läßt und von Kühlfluid umströmen läßt, kann zusätzlich Wärme aus dem Entstehungsort transportiert werden. Durch den hiermit erreichten schnellen Wärmetransport und die einfache Schmierung ist eine Temperatur- und Lagestabilität der Frässpindel 2 und der Lagerung 7a, 7b gewährleistet.

Die Lebensdauer auch bei hartem Dauereinsatz der Motorspindel ist somit sichergestellt. Eine nicht dargestellte Temperaturüberwachungseinrichtung mit einen Regelkreis stellt eine nahezu konstante Temperatur der Spindel sicher. Die gezeichneten Pfeile symbolisieren die Kühlfluidströmung durch die Motorspindel.

Fig. 3 verdeutlicht noch einmal die Anbringung der Heatpipe 20b. Grundsätzlich können alle Heatpipes mittels einer wärmeleitenden Fixiermasse auf Epoxydharzbasis 37 an dem zu kühlenden Bauteil befestigt werden. Hierdurch wird verhindert, daß die sehr gute Wärmeleiteigenschaft der Heatpipe durch schlechten Wärmeübergang behindert wird.

Fig. 4 erklärt stilisiert die erste Phase des Spann-Lösevorganges wenn die Frässpindel 2 sich nach oben in Y-Richtung zum Werkzeugspeicher 4 bewegt. Damit die Rolle 11 leichter in die Kurve 12 findet, sind am Kurveneintritt die Kurvenabschnitte 12e und 12f vorgesehen.

Fig. 5 zeigt die Phase wenn die Frässpindel 2 über den Nocken 17a welcher an dem Kreuzschlitten 5 befestigt ist und welcher der Einfachheit wegen weggelassen wurde, auf den Schalter 18a trifft. Der Schalter 18a im Mehrfachschalter 18 schaltet das Ventil 14 über ein entsprechendes Programm so um, daß die Kolben-Zylinder-Anordnung 23a, b mit Druck beaufschlagt wird und sich nach links zu bewegen beginnt.

Fig. 6 zeigt wie die Rolle 11 bei der Y-Bewegung der Frässpindel nach oben über die Kurvenabschnitte 12a, b, c die Lösebewegung unterstützt, falls die Druckluft einmal für die schnelle Lösebewegung nicht ausreicht. Hierbei wird die Stellung, wie durchaus üblich, mittels berührungslosen Schaltern 19a und 19b überwacht. Auf diese Schalter kann vorzugsweise auch dank der Zwangsführung durch die Kurvenabschnitte 12 a, b, c und d ver­ zichtet werden. Durch den Kurvenabschnitt 12a ist sichergestellt, daß das Werkzeug für den nachfolgenden automatischen Wechsel durch den Werkzeugspeicher 4 vollständig gelöst ist, was bei Betätigung mittels Hydraulik oder Pneumatik nicht sicher wäre.

Die gezeigte Momentaufnahme zeigt das, mittels der Druckstange 13a und einer bekannten Spann­ vorrichtung 13b, gelöste Werkzeug 6. Fährt nun die Frässpindel wieder nach unten (Y-Richtung) so schaltet der Schalter 18b über ein Programm das Ventil 14 wieder um, so daß die Kolben-Zylinder- Anordnung 23a, b sich sofort wieder nach links in die Ausgangsstellung bewegt. Geht dieser Vorgang wiederum nicht schnell genug, so wird er durch den Kurvenabschnitt 12d in seiner Bewegung unterstützt. Die Kurvenabschnitte 12a und 12d sind in ihrem Verlauf konkav dies ermöglicht, daß die Rolle 11 mehr Spiel, als ihrem eigentlichen Rollendurchmesser entspricht, hat. Aus diesem Grund kann zuerst die Kraft des Druckfluids wirken. Die Stoßdämpfer 16 Fig. 1 sorgen zusätzlich für einen geräuscharmen Ablauf der Bewegungen.

Fig. 7 zeigt nun wie das Werkzeug in beliebiger Y-Stellung der Frässpindel von Hand entnommen werden kann, wenn der Schalter 15, verbunden mit einer Sicherheitseinrichtung, die verhindert, daß die Frässpindel 2 unbeabsichtigt anlaufen kann, betätigt wird. Das Ventil 14 schaltet hierdurch um und die Spannvorrichtung 13b wird über die Kolben-Zylinder­ anordnung 23 a, b und die Druckstange 13a wieder geöffnet. Nachdem der Bediener das Werkzeug 6 aus der Frässpindel 2 entnommen hat und den Schalter 15 losläßt, bewegt sich das Ventil 14 und damit die Kolben-Zylinder-Anordnung 23 a, b und die Spannvorrichtung 13b wieder in die Ausgangsstellung zurück. Damit diese Bewegungen möglichst geräuscharm und material­ schonend ablaufen, werden für die beiden Endlagen des Kolbens 13a Stoßdämpfer 16 eingesetzt.

Anhand der in den Fig. 1 bis Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiele lassen sich die Vorteile der Erfindung klar erkennen. Weitere Ausgestaltungen sowie Kombinationen aus den einzelnen Figuren sind möglich.

Bezugszeichenliste

1 Motor
1a Stator 1
1b Rotor
2 Frässpindel
3 Pinole
4 Werkzeugspeicher 4
5 Kreuzschlitten
6 Werkzeug
7a Lagerung
7b Lagerung
8 Vorschubspindel
9 Vorschubspindel
10 Ständer
11 Rolle
12a Kurvenabschnitt
12b Kurvenabschnitt
12c Kurvenabschnitt
12d Kurvenabschnitt
12e Kurvenabschnitt
12f Kurvenabschnitt
13a Druckstange
13b Spannvorrichtung
14 Ventil
15 Schalter
16 Stoßdämpfer
17a Nocken
17b Nocken
18 Mehrfachschalter
18a Schalter
18b Schalter
19a berührungsloser Schalter
19b berührungsloser Schalter
20 Spindel
20a Heatpipe
20b Heatpipe
20c luftgekühlter Teil Heatpipe
20d Heatpipe
21 Anschluß
22 Statorträger
23a Kolben
23b Zylinder
24 Lüfter
25 Filter-Wasserabscheiderkombination
26 Trockner
27 Kühler-Wärmetauscher
28 Öler
29 Ventil
30 Motorspindel
31 Versorgungsbehälter
32 Antriebsmotor
33 Antriebsmotor
34 Lagerflansch hinten
35 Lagerflansch vorn
36 Heatpipe
37 wärmeleitende Fixatormasse
38 Lüfter
39a Durchbruch
39b Durchbruch
40a Durchbruch
40b Durchbruch
41a Durchbruch
41b Durchbruch

Claims (10)

1. Motorspindel (30) als Teil einer Werkzeugmaschine mit automatischem Werkstück- oder Werkzeugwechsel dadurch gekennzeichnet, daß die Motorspindel (30) mit der Frässpindel (2), Stator (1a) und der Statorträger (22) mit Heatpipes (20a, 20b, 20c, 20d, 36a, 36b) durchzogen sind, wodurch die Verlustwärme aus dem Bereich des Rotors (1b) und des Stators (1a) zum vorderen Teil der Spindel 2 mit dem luftgekühlten Teil der Heatpipe (20c) und zum hinteren Lüfterrad (38), sowie über den Statorträger (22) aus Motorspindel nach hinten über die Durchbrüche (39a, b), (40a, b) und (41a, b) transportiert werden.

2. Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid durch einen Lüfter (24), eine Filter-Wasserabscheider-Kombination (25), einen Trockner (26), einen Kühler- Wärmetauscher (27) und einen Öler (28) aufbereitet und der Öler (28) über ein programmgesteuertes Ventil (29) über den Versorgungsbehälter (31) mit einer genau dosierten Schmierölmenge versorgt wird und daß das aus der Motorspindel (30) austretende Kühlfluid gleichzeitig als Sperrwirkung gegen Schmutz und Feuchtigkeit verwandt wird.

3. Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heatpipes (20a, 20b, 20c, 20d) und (36a, b) mittels einer wärmeleitenden Fixiermasse (37) an dem zu kühlenden Bauteil zur besseren Wärmeübertragung befestigt werden kann.

4. Motorspindel nach Anspruch 1, in der ein Werkstück oder Werkzeug (6) mittels Lagerflansch (34, 35) und Lagerung (7a, 7b) in der Frässpindel (2) über die Spannvorrichtung (13b) gespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (11) bei der Y-Bewegung der Frässpindel (2) nach oben über die Kurvenabschnitte (12a, b, c) die Lösebewegung unterstützt, falls die Menge des Druckfluid für die schnelle Lösebewegung nicht ausreicht.

5. Motorspindel nach Anspruch 4, in der ein Werkstück oder Werkzeug 6 in der Frässpindel (2) über die Spannvorrichtung (13b) gespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (18a) und Nocken (17a) über das Ventil (14) die Kolben-Zylinder-Anordnung (23a, b) beim Erreichen der Kurvenabschnitte (12a, b) und vor Erreichen der Endstellung im Werkstückspeicher (4) zwecks Zeitersparnis mit Druck beaufschlagt.

6. Motorspindel nach einem der Ansprüche 4, 5 in der ein Werkstück oder Werkzeug (6) in der Frässpindel (2) über die Spannvorrichtung (13b) gelöst ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (11) bei der Y-Bewegung der Frässpindel (2) nach unten über die Kurvenabschnitte (12d) die Spannbewegung unterstützt, falls das Druckfluid einmal für die schnelle Spannbewegung nicht ausreicht.

7. Motorspindel nach einem der Ansprüche 4, 5 und 6, in der ein Werkstück oder Werkzeug (6) in der Frässpindel (2) über die Spannvorrichtung (13b) gelöst ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (18b) und Nocken (17b) über das Ventil (14) die Kolben-Zylinder-Anordnung (23a, b) beim Verlassen der Endstellung im Werkstückspeicher (4) innerhalb des Kurvenabschnitts (12d) mit Druck beaufschlagt.

8. Motorspindel nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (6) in beliebiger Y-Stellung der Frässpindel (2) von Hand entnommen werden kann, wenn der Schalter (15), verbunden mit einer Sicherheitseinrichtung, die verhindert, daß die Frässpindel (2) unbeabsichtigt anlaufen kann, und damit das Ventil 14 betätigt wird, wodurch die Kolben-Zylinderanordnung (23a, b) und die Druckstange (13a) sowie die Spannvorrichtung (13b) das Werkzeug lösen.

9. Motorspindel nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Bewegungen des Kolbens (23a) möglichst geräuscharm und schonend ablaufen, werden für in den beiden Endlagen des Kolbens (13a) Stoßdämpfer (16) eingesetzt.

10. Motorspindel nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenabschnitte (12a) und (12d) in ihrem Verlauf konkav sind was ermöglicht, daß die Rolle 11 mehr Spiel hat, als ihrem eigentlichen Rollendurchmesser entspricht.