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Die
Erfindung betrifft eine Spindeleinheit zum Einbau in eine Werkzeugmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Werkzeugmaschinen
sind häufig
mit sogenannten Motorspindeln ausgestattet, die ein rotierendes
Werkzeug zum Bearbeiten eines Werkstücks antreiben. Die Werkzeugmaschinen
sind hierbei mit einer Spindelaufnahme ausgestattet, die üblicherweise in
Form eines sogenannten Spindelkastens bzw. Spindelstocks ausgebildet
ist. In der Regel wird die Motorspindel mit einem eigenen Spindelgehäuse versehen
und somit als Kompletteinheit in den Spindelkasten bzw. Spindelstock
eingesetzt. In jüngster Zeit
sind auch Ausführungen
bekannt geworden (vgl.
DE
102 35 069 A1 ), bei denen die Motorspindel ohne eigenes
Spindelgehäuse
unmittelbar in einen Spindelkasten verbaut wird.
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Motorspindeln
zeichnen sich häufig
durch eine hohe Motorleistung aus, um die zu bearbeitenden Werkstoffe,
wie Stahl oder dergleichen bearbeiten zu können. Dabei ist der Einsatzort
der Motorspindeln häufig
so ausgestaltet, dass eine Wärmeabgabe
unmittelbar am Ort der Wärmequelle
an die Umgebung nicht ohne zusätzliche
Maßnahmen
möglich
ist.
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Daher
werden üblicherweise
Motorspindeln mit einer Kühlung
versehen. Bei kleineren Verlustleistungen von Motorspindeln und
geringeren Anforderungen hinsichtlich der thermischen Stabilität kann eine
Motorspindel mit Luftkühlung
versehen werden. Hierbei wird über
einen Lüfter
Luft mit Umgebungstemperatur an verschiedenen Stellen der Spindel entlang
geführt,
um die Wärme
abzuführen.
Entsprechend der geringeren Wärmetransportfähigkeit
von Luft gegenüber
anderen Medien sind große
Luftmengen und an der Spindel große Luftkanäle bzw. Wärmeübertragungsflächen erforderlich.
Der Nachteil der Luftkühlung
ist unter anderem der erforderliche Bauraum für die Luftführung und die Kühlflächen an der
Spindel. Bedingt durch die niedrige Wärmekapazität der Luft sowie die geometrisch
nur begrenzt zuführbare
Luftmenge können
hohe Verlustleistungen von Motorspindeln nicht vollständig oder
nur bei hohen Temperaturen abgeführt
werden.
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Daher
ist man bereits dazu übergegangen, Flüssigkeitskühlungen
auszubilden, die ein flüssiges Wärmemedium,
in der Regel mit Zusätzen
versetztes Wasser verwenden. Hierbei wird um den Motor der Spindel
eine Kühlkammer
ausgebildet, die beispielsweise mäander- oder spiralförmig sein
kann. Durch einen geschlossenen Kühlkreislauf wird das Kühlmedium
geführt,
wobei die Kühlung
auch andere Bereiche der Spindel, z.B. den Spindelkopf, die Lagerung, oder
Kühltaschen
mitkühlen
kann, um ein thermisch definiertes Verhalten der Motorspindel zu
erreichen. Die aus der Motorspindel mittels des Kühlmediums abgeführte Wärme wird
mit einem Kühlaggregat
gekühlt.
Anschließend
wird das Kühlmedium
wieder der Motorspindel zugeführt.
Diese Kühlaggregate
werden als von der Motorspindel unabhängige Komponenten der Werkzeugmaschine
vorgesehen und bei Bedarf auch noch zur Kühlung weiterer Komponenten
der Werkzeugmaschine eingesetzt. Die entsprechenden Kühlleitungen
werden über
Verbindungsleitungen von der jeweiligen Baugruppe der Werkzeugmaschine
zu den Kühlaggregaten
geführt
und dort beim Aufbau der Maschine am Einsatzort angeschlossen. Diese
Kühlaggregate
sind weit entfernt von der Motorspindel häufig auch außerhalb
der Werkzeugmaschine angeordnet.
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Mit
dieser Art der Kühlung
ist ein erhöhter Aufwand
auf Seiten der Werkzeugmaschine für den Einsatz einer Motorspindel
verbunden. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn tatsächlich außer der
Motorspindel keine weiteren Maschinenkomponenten einer Kühlung bedürfen. Darüber hinaus
sind derartige Kühlaggregate
in der Regel nicht an den jeweiligen Typ der Motorspindel angepasst,
so dass ein definiertes thermisches Verhalten der Motorspindel häufig nicht
realisierbar ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mittels der
diese Nachteile wenigstens teilweise zu beheben sind.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Spindeleinheit nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
genannten Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Spindeleinheit
dadurch aus, dass sie eine Kühleinheit
zum Kühlen
des Kühlmediums
umfasst, die wenigstens teilweise in die Spindelaufnahme einer Werkzeugmaschine
einsetzbar ist.
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Auf
diese Weise ergibt sich eine integrierte kompakte Spindeleinheit,
die als komplette Einheit in eine Werkzeugmaschine einbaubar ist.
Zum einen muss hierdurch nicht notwendigerweise auf Seiten des Werkzeugmaschinenbetriebes
ein Kühlaggregat vorgesehen
werden, zum anderen ermöglicht
diese Bauweise eine zielgerichtete Anpassung der Kühleinheit
an den jeweiligen Typ der Motorspindel. Hierdurch lassen sich definierte
thermische Verhältnisse im
Bereich der Motorspindel bereitstellen. Nicht zuletzt können dadurch
auch Fehlfunktionen, die auf einer ungenügenden Kühlung beruhen, vermieden werden.
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Eine
erfindungsgemäße Spindeleinheit
kann beispielsweise eine Motorspindel ohne eigenes Gehäuse umfassen,
die gemeinsam mit der Kühleinheit in
einen Spindelkasten eingesetzt wird. Eine erfindungsgemäße Spindeleinheit
kann jedoch auch eine Motorspindel mit einem von der Spindelaufnahme separaten
Spindelgehäuse
umfassen, wobei die Kühleinheit
außerhalb
dieses Spindelgehäuses
angebracht ist.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung kann jedoch die Kühleinheit
wenigstens teilweise auch in einem solchen Spindelgehäuse einer
Motorspindel angeordnet werden. Durch die Anordnung der kompletten
Kühleinheit
in einem Spindelgehäuse
ergibt sich eine besonders kompakte Baueinheit, die wie eine herkömmliche
Motorspindel handzuhaben und in eine Werkzeugmaschine einbaubar
ist.
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Vorzugsweise
wird die Kühleinheit
wenigstens teilweise hinter der Motorspindel, d.h. auf der der Werkzeugseite
gegenüberliegenden
Seite der Motorspindel angeordnet. Durch diese Art der Anordnung
der Kühleinheit
ist der Platzbedarf der erfindungsgemäßen Spindeleinheit im Bereich
der Motorspindel nicht oder nur unwesentlich vergrößert. Im hinteren
Bereich der Motorspindel hingegen ist in der Regel auch im Bereich
der Spindelaufnahmen von Werkzeugmaschinen die Möglichkeit gegeben, eine zusätzliche
Kühleinheit
unterzubringen. Die erfindungsgemäße Spindeleinheit hat in diesem
Fall das Erscheinungsbild einer gegenüber der tatsächlich verwendeten
Motorspindel längeren
Motorspindel.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Kühleinheit
wenigstens einen Kühler
mit oberflächenvergrößernden
Kühlstrukturen.
Diese Kühler
ist dafür
vorgesehen, um die vom Kühlmedium
auf Seiten der Motorspindel aufgenommene Wärme über die oberflächenvergrößernden Strukturen
an die Umgebung abzugeben. Durch die Oberflächenvergrößerung ist ein besserer Wärmeübergang über die
Wärmekontaktflächen möglich.
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Vorteilhafterweise
wird zusätzlich
eine Luftkühlung
für den
Kühler
vorgesehen, um die anfallende Abwärme zuverlässig abzuführen.
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Hierbei
wird vorzugsweise Umgebungsluft verwendet. Durch Verwendung eines
Kühlers
ist eine Wärmeabgabe
im rückwärtigen Bereich
der Spindeleinheit an die Umgebungsluft möglich, ohne dass wie bei herkömmlichen
Luftkühlungen
im vorderen Bereich der Motorspindel eine entsprechende platzraubende
Bauform erforderlich ist.
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In
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
wird zusätzlich
ein Gebläse
vorgesehen, um einen Luftstrom zur Wärmeabfuhr vom Kühler zu
erzeugen. Durch die Verwendung eines Gebläses und die damit verbundene
Erzeugung eines Luftstroms zur Kühlung
des Kühlers
des Kühlmediums
kann wiederum ein kleinerer Kühler
verwendet werden. Durch die aktiv am Kühler vorbeigeführte größere Luftmenge
steht eine größere Wärmekapazität zur Wärmeabfuhr
mittels des Luftstroms zur Verfügung,
so dass die Kühleinheit
insgesamt platzsparender ausführbar ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein flüssiges
Kühlmedium
im Kühlkreislauf
vorgesehen. Ein flüssiges
Kühlmedium
bietet den Vorteil einer größeren Wärmekapazität im Vergleich
mit einem gasförmigen
Kühlmedium,
so dass ein kleinerer Volumenstrom zur Abfuhr der erforderlichen
Wärmemenge
ausreichend ist.
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Darüber hinaus
bietet die Verwendung eines flüssigen
Kühlmediums
die Möglichkeit,
den Phasenübergang
zur Gasphase zu Kühlzwecken
zu nutzen. So kann ein Kühlmedium,
das bei der im Kühler
vorherrschenden Temperatur in der flüssigen Phase vorliegt, am Ort
des Temperaturübergangs
von der Motorspindel zur Verdampfung gebracht werden. Durch die
Verdampfung wird die hierzu benötigte
Wärme von
dem Kühlmedium
aufgenommen und im Kühlkreislauf
von der Motorspindel weggeführt.
Im Bereich des Kühlers
kann sodann das Kühlmedium
wieder kondensieren und dabei die Kondensationswärme über den Kühler an die Umgebungsluft,
vorzugsweise an den am Kühler
vorbeiströmenden
Luftstrom abgegeben werden. Das Kühlmedium ist für diese Ausführungsform
entsprechend so auszuwählen bzw.
auszubilden, dass es im Temperaturbereich auf Seiten der Motorspindel
gasförmig
und im Temperaturbereich auf Seiten des Kühlers in flüssiger Phase vorliegt.
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Vorteilhafterweise
wird zusätzlich
eine Umwälzpumpe
für das
Kühlmedium
vorgesehen. Zwar wäre
es grundsätzlich
denkbar, durch entsprechende Leitungsführung eine Umwälzung des
Kühlmediums allein
aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Motorspindel und Kühler zu
realisieren. Die Verwendung einer Umwälzpumpe sorgt jedoch zum einen
für eine
größere konstruktive
Freiheit im Bereich des Kühlkreislaufs
und sorgt darüber
hinaus auf einfache Weise für
eine stabile Umwälzung
im Kühlkreislauf.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, einen Druck- und/oder Volumenausgleichsbehälter für das Kühlmedium
vorzusehen. Da die erfindungsgemäße Spindeleinheit
vorzugsweise mit geschlossenem Kühlkreislauf
in die Spindelaufnahme der Werkzeugmaschine einsetzbar ausgebildet
wird, empfiehlt sich die Verwendung eines solches Ausgleichsbehälters.
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Durch
Schwankungen in der abzuführenden Verlustleistung
der Motorspindel ergeben sich entsprechende Schwankungen in der
durch die Kühleinheit
abzuführenden
Wärmemenge.
Insbesondere bei Ausnutzung der Verdampfungswärme zur Aufnahme der Abwärme der
Motorspindel mit anschließender Kondensation
des Kühlmediums
im Kühler
ergeben sich bei schwankender abzuführender Abwärme auch Volumenschwankungen
durch die schwankende Menge des verdampften Kühlmediums. Im geschlossenen
Kreislauf sind mit derartigen Volumenschwankungen auch Druckschwankungen
verbunden. Diese Schwankungen im Druck und/oder Volumen des Kühlmediums
können
durch einen Ausgleichsbehälter
ausgeglichen werden.
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Vorteilhafterweise
werden im Bereich der Motorspindel, d.h. an den Stellen, an denen
die abzuführende
Abwärme
verstärkt
auftritt, ebenfalls entsprechende Strukturen mit vergrößerter Kontaktfläche für einen
besseren Wärmeübergang
in Kühlmedium
vorgesehen. Denkbar wäre
auch bei Verwendung wärmeleitenden
Materials für
die Kühlkreislaufführung im
Bereich der Wärmeübergabe
an den Kühlkreislauf
im Inneren des Medienstroms zusätzliche
Strukturen vorzusehen, über
ein Wärmeübergang
in das Kühlmedium
und insbesondere auch in der jeweiligen Ausführungsform eine Verdampfung des
Kühlemediums
stattfinden kann. Denkbar wäre an
dieser Stelle Rippen- oder Larnellenstrukturen in unterschiedlichsten
Ausprägungen.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Spindeleinheit kann
zudem neben der Kühlung
des Motors der Motorspindel auch eine Kühlung anderer Komponenten, z.B.
des Spindelkopfes, eines oder mehrerer Lager, Kühltaschen oder dergleichen
vorgesehen werden, um ein thermisch definiertes Verhalten der Motorspindel
zu bewirken.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wir anhand der
Figuren nachfolgend näher
erläutert.
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Im
Einzelnen zeigen
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1 eine
perspektivisch Darstellung einer erfindungsgemäße Spindeleinheit und
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2 eine
Spindeleinheit gemäß 1 mit Spindelaufnahme
einer Werkzeugmaschine.
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Die
Spindeleinheit 1 zeigt eine Motorspindel 2 mit
einem Spindelgehäuse 3,
das über
zwei Kühlleitungen 4, 5 mit
einer Kühleinheit 6 verbunden
ist. Über
die Kühlleitungen 4, 5 wird
ein Kühlmedium
in das Spindelgehäuse 3 eingeführt und
dort auf nicht näher
dargestellt Weise in Wärmekontakt
mit dem dort befindlichen Spindelantrieb gebracht.
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Die
Kühleinheit 6 umfasst
einen Kühler 7,
ein Gebläse 8 sowie
eine Umwälzpumpe 9.
Weiterhin ist ein Ausgleichsbehälter 10 vorgesehen. Über die
Umwälzpumpe 9 wird
das Kühlmedium
in dem Kühlkreislauf
dem Kühler 7 zugeführt. Das
Kühlmedium
durchströmt
den Kühler
und gelangt anschließend
wieder über
den Kühlkreislauf
in die Motorspindel 2. Der Kühler 7 entspricht
bekannten Kühlern
oder Wärmetauschern.
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Das
Gebläse 8 saugt
durch den Kühler 7 Luft aus
der Umgebung in Querrichtung Q bezüglich der Kühlerebene. Im Inneren des Kühlers 7 befinden
sich oberflächenvergrößernde Strukturen,
beispielsweise Lamellen, Rippen oder dergleichen. Über diese Oberflächenstrukturen
gelangt das im Kühlkreislauf befindliche
Kühlmedium
in Wärmekontakt
mit der zugeführten
Umgebungsluft, so dass diese erwärmt und
das Kühlmedium
gekühlt
wird. Parallel zur Kühlerebene
in Richtung P wird anschließend
die erwärmte
Luft abgeblasen.
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Der
Kühlkreislauf
ist im Inneren des Kühlers 7 über den Ausgleichsbehälter 10 geführt. In
dieser Bauform ist der Ausgleichsbehälter 10 unmittelbar als
Einheit mit dem Kühler 7 montierbar.
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Die
prinzipiell dargestellte Bauform ist sowohl für einen Kühlkreislauf mit dauerhaft flüssigem Kühlmedium
als auch für
einen Kühlkreislauf
mit Phasenübergängen verwendbar.
Im erstgenannten Fall wird eine Kühlflüssigkeit als Kühlmedium
im Kühlkreislauf
umgewälzt.
Im zweitgenannten Fall erfolgt eine Verdampfung im Inneren der Motorspindel 2 mit einer
Kondensation im Bereich des Kühlers 7.
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Die
Spindeleinheit 1 gemäß 1 wird
als Ganzes in eine Spindelaufnahme einsetzbar ausgebildet. Hierzu
sind nicht dargestellte Befestigungselemente für die Kühleinheit 6 vorzusehen.
Gegebenenfalls kann hierzu auch eine rohrförmige Verlängerung des Spindelgehäuses 3 vorgesehen
werden. Bei entsprechender Ausgestaltung des Spindelgehäuses 2 mit
rückwärtiger Verlängerung
können
die Kühlleitungen 3, 4 auch
vollständig
im Inneren des Spindelgehäuses
zur Kühleinheit 6 geführt werden.
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Erfindungswesentlich
ist eine Bauform, bei der die Kühleinheit 6 eindeutig
der Spindeleinheit zugeordnet und mit dieser vorzugsweise als Baueinheit in
die Werkzeugmaschine einbaubar ist. Dies wird anhand von 2 veranschaulicht,
in der mit strichpunktierten Linien ein Spindelkasten dargestellt
ist, der Bestandteil einer Werkzeugmaschine ist. Wie anhand von 2 erkennbar
ist, findet die gesamte Spindeleinheit 1 in dieser Ausführungsform
Platz im Spindelkasten 11, der die Spindelaufnahme der Werkzeugmaschine
darstellt.
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Die
Spindelaufnahme der Werkzeugmaschine ist dabei im hinteren Bereich
entweder offen oder zumindest mit Öffnungen ausgestaltet, die
den vorbeschriebenen Luftstrom zur Kühlung des Kühlers 7 ermöglicht.
Im Falle einer Ausführungsform,
in dem die Kühleinheit 6 im
Inneren eines entsprechend erweiterten Spindelgehäuses 3 untergebracht
ist, sind gegebenenfalls entsprechende Zu- bzw. Abführungen
für die
Umgebungsluft ebenfalls im Spindelgehäuse vorzusehen.
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- 1
- Spindeleinheit
- 2
- Motorspindel
- 3
- Spindelgehäuse
- 4
- Kühlleitung
- 5
- Kühlleitung
- 6
- Kühleinheit
- 7
- Kühler
- 8
- Gebläse
- 9
- Umwälzpumpe
- 10
- Ausgleichsbehälter
- 11
- Spindelkasten