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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsspindeleinheit für Werkzeugmaschinen,
insbesondere Fräsmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Die
Spindelwelle einer Werkzeugmaschine, beispielsweise Fräsmaschine,
hat an einem Ende Mittel zur Aufnahme eines Werkzeugs für
die Bearbeitung eines Werkstücks. Diese Mittel zur Aufnahme bestehen
im Allgemeinen aus einem Spannfutter, das in der Spindelwelle befestigt
ist. Die Spindelwelle ist auf ihrem gegenüberliegenden
Ende üblicherweise mit der Motorwelle des Antriebsmotors
verbunden, wobei zur Übersetzung der Drehzahlen ein Getriebe
zwischengeschaltet ist.
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Um
eine hohe Bearbeitungsqualität zu erreichen, ist es günstig,
wenn die Spindelwelle an beiden Enden durch jeweils ein Radiallager
abgestützt ist und der Lagerabstand so groß wie
möglich gewählt wird. Auf diese Weise ist das
Stützmoment sehr groß und kann die hohen Radialkräfte,
die durch das Werkzeug ausgeübt werden, auffangen und Radialabweichungen
des Werkzeugs so gering wie möglich halten.
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Bei
bekannten Antriebsspindeleinheiten für Werkzeugmaschinen
der angegebenen Bauart ergibt sich allerdings bei dieser Forderung
eines großen Lagerabstandes ein axial sehr großer
Bauraum. Ein Beispiel hierfür ist in
DE 10 2007 002 949 dargestellt. Auch
dort dient ein Elektromotor für den Direktantrieb der Spindelwelle,
die über ein Schaltgetriebe koaxial mit der Motorwelle
verbunden ist.
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Im
Fräskopf einer Fräsmaschine, der als eigener Werkzeugantrieb
auf der Spindelwelle platziert wird und der im Raum beliebig positioniert
werden kann, spielt die Baulänge eine wesentliche Rolle.
Da hier eine möglichst kurze Baulänge wünschenswert ist,
lässt sich bei den bisher bekannten Konstruktionen die
Forderung nach einem großen Lagerabstand nicht realisieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsspindeleinheit
zur Verfügung zu stellen, die eine lange Lagerbasis für
die Spindelwelle zur Verfügung stellt und gleichzeitig
eine kürzestmögliche Baulänge der gesamten
Einheit ermöglicht.
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Diese
einander entgegenstehenden Forderungen werden erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Spindelwelle innerhalb der hohl ausgebildeten
Motorwelle angeordnet ist und an wenigstens einem Ende der Motorwelle über
Radiallager drehbar abgestützt ist.
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Mit
dieser Lösung werden gleichzeitig die beiden einander konträren
Forderungen erfüllt, weil die Spindelwelle in der Motorwelle
integriert ist und dadurch kein zusätzlicher Axialbauraum
notwendig ist. Trotzdem ist, wenn in Weiterbildung der Erfindung die
Spindelwelle an beiden Enden der Motorwelle über Radiallager
abgestützt ist, deren Abstand so groß, dass auch
bei hohen Bearbeitungskräften in radialer Richtung ein
stabiler und ruhiger Lauf der Spindelwelle gewährleistet
wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Spindelwelle auf ihrem
ersten, werkzeugseitigen Ende durch eine weiteres Radiallager im
Gehäuse abgestützt sein.
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Es
ist von Vorteil, wenn das vom werkzeugseitigen Ende wegweisende,
zweite Ende der Spindelwelle über ein mehrreihiges Radiallagerpaket
in der Motorwelle gelagert ist. Auf diese Weise kann der radiale
Bauraum sehr klein gehalten werden, was insbesondere dann von Vorteil
ist, wenn die Motorwelle über ein als Festlager ausgebildetes
Radiallager im Gehäuse abgestützt ist. Es ergibt
sich hierdurch eine Anordnung, bei der zwei Radiallager ineinander
angeordnet sind.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Radiallagerpaket als
Festlager ausgebildet, während die am werkzeugseitigen
Ende vorgesehenen Radiallager Loslager sind.
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Bei
Fräsmaschinen kann der Fräskopf im Allgemeinen
beliebige Bearbeitungs- und Einbaulagen in x-, y- und z-Richtung
einnehmen. Zusätzlich kann er als Winkelkopf erweiterbar
ausgestaltet sein, um Schwenkbewegungen des Werkzeugs zu ermöglichen.
In allen diesen Fällen ist eine Tauchschmierung einer Einspritzschmierung
vorzuziehen. Da der Motor und die Spindel sehr hohe Drehzahlen erreichen
können, stellen herkömmliche, berührende
Dichtungen aufgrund der Reibung große Wärmequellen
dar. Andererseits sind wegen der erwähnten, beliebigen
Einbaulage berührungslose Dichtungen wie Labyrinth- oder
Spaltdichtungen ungeeignet, da sie ein Auslaufen des Schmiermittels
weder im Betrieb noch im Stillstand nicht verhindern können.
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Zur
Lösung dieses Problems ist nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung vorgesehen, dass die Motorwelle- und/oder die Spindelwelle
im Bereich des werkzeugseitigen Endes, d. h. im Bereich der Tauchschmierung,
gegen das Gehäuse durch einen entsprechenden Radialdichtring
abgedichtet ist, der in einem Sitz der Welle angebracht ist, während
dessen Dichtlippe mit einer im Gehäuse ausgebildeten, axialen
Dichtfläche zusammenwirkt.
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Der
Radialdichtring ist mithin gegenüber den bisherigen Gepflogenheiten „falsch” eingebaut,
da er nicht stillsteht, sondern rotiert. Dadurch wird im Stillstand
eine Dichtwirkung durch die Berührung und Vorspannung der
Dichtlippe gegen die Dichtfläche erreicht, während
die Dichtlippe im Betrieb durch die Zentrifugalkraft von der Dichtfläche
abhebt und somit einen kleinen Spalt erzeugt, wodurch größere
Wärmeverluste vermieden werden.
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Um
während des Betriebes einen Druck des Schmiermittels auf
der Dichtfläche zu vermeiden, ist in Weiterbildung der
Erfindung vorgesehen, dass die feststehende Dichtfläche
an der Außenseite eines Anlaufrings ausgebildet ist, dem
auf der gegenüberliegenden Wellenseite eine Konusfläche
gegenüberliegt, deren Durchmesser in Richtung auf ein Tauchbad
im Getriebegehäuse ansteigt. Dadurch wird im Betrieb eine
Pumpwirkung erzeugt, die auch in Vertikalstellung der Spindeleinheit
durch die Rotation das Schmiermittel von der Dichtfläche
in das Tauchbad im Getriebe zurückfördert.
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Die
Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen:
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1 die
perspektivische Darstellung einer Antriebsspindeleinheit gemäß der
Erfindung,
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2 die
teilweise geschnittene Ansicht der Spindeleinheit der 1,
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3 in
vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt
durch die Antriebsspindeleinheit mit einem zwischen Spindelwelle
und Motorwelle angeordneten Schaltgetriebe in einer ersten Schaltstufe
i ≠ 1,
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4 eine
der 3 entsprechenden Darstellung mit dem Getriebe
im Direktgang (i = 1) und
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5 in
vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus
den 3 und 4.
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Wie
aus den 1 und 2 hervorgeht, hat
die Antriebsspindeleinheit 10 gemäß der
Erfindung ein aus mehreren Teilen bestehendes, zylindrisches Gehäuse 12,
dessen längster Teil das einen elektrischen Antriebsmotor 14 (vgl. 3 und 4) aufnehmende
Motorgehäuse 16 ist. Dieses ist, wie die 3 und 4 weiter
zeigen, durch einen Lagerdeckel 18 abgeschlossen, dem auf
der anderen Seite ein Zwischendeckel 20 gegenüberliegt.
Beide sind über Schrauben 22 mit dem Motorgehäuse 16 verbunden.
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Ebenfalls über
Schrauben 22' ist an dem Zwischendeckel 20 ein
zylindrisches Getriebegehäuse 24 befestigt, das
auf der dem Zwischendeckel 20 gegenüberliegenden
Seite durch einen Stufendeckel 26 abgeschlossen ist. Das
Getriebe ist insgesamt mit 28 bezeichnet. Fest mit dem
Stufendeckel 26 ist ein zylindrisches Endgehäuse 30 verbunden.
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Die
Gesamtlänge dieser Antriebsspindeleinheit 10 liegt
in diesem Ausführungsbeispiel bei etwa 800 mm.
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Der
Antriebsmotor 14 setzt sich in bekannter Weise aus einem
Stator 32 und einem Rotor 34 zusammen, der auf
eine Motorwelle 36 aufgesetzt ist. Die Motorwelle 36 ist über
zwei in O-Anordnung gegeneinander angestellte Schrägkugellager 38 axial fest
in dem Lagerdeckel 18 gehalten. Auf der gegenüberliegenden
Seite erstreckt sich die Motorwelle 36 durch den Zwischendeckel 20 hindurch
in das Getriebe 28 hinein.
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Gemäß der
Erfindung ist die Motorwelle 36 hohl ausgebildet und nimmt
eine koaxiale Spindelwelle 40 auf, die über ein
Radiallagerpaket 42 als Festlager in der hohlen Motorwelle 36 abgestützt
ist. Auf der gegenüberliegenden Seite stützt sich
die Spindelwelle 40 in der Motorwelle 36 durch
ein Radialnadellager 44 ab.
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Zum
Endgehäuse 30 hin hat die Spindelwelle 40 ein
stufenförmiges, trompetenartig verlängertes Ende 46,
dessen Innenraum so ausgebildet ist, dass dieser einen Aufnahmeraum 48 zur
Befestigung eines nicht gezeigten Spannfutters bildet.
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Das
werkzeugseitige, erste Ende 46 der Spindelwelle 40 ist über
ein weiteres Radiallager in Form eines Rollenlagers 50,
das die Funktion eines Loslagers hat, in dem Endgehäuse 30 gelagert.
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Das
in den
3 und
4 gezeigte Getriebe
28 kann
als zweistufiges Schaltgetriebe ausgebildet sein, beispielsweise
gemäß
Gebrauchsmuster
20 2009 000 101 . Dieses ist bei dem dort beschriebenen Beispiel
als Planetengetriebe ausgebildet, das ein rohrförmiges
Eingangszahnrad
52 hat, welches das Sonnenrad des Planetengetriebes
bildet. Mit der Außenverzahnung
54 des Eingangszahnrades
52 sind über
den Umfang verteilte Planetenräder
56 in Eingriff,
die über Nadellager
58 in einem Planetenträger
60 (Steg)
gelagert sind. Die Planetenräder
56 kämmen
mit der Innenverzahnung
62 des an dieser Stelle als Hohlrad
ausgebildeten Getriebegehäuses
24. Der Planetenträger
60 ist über
zwei Radialkugellager
64 drehbar im Getriebegehäuse
24 gelagert.
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Auf
dem werkzeugseitigen Ende des Eingangszahnrades 52 (Sonnenrad)
ist über ein Radialkugellager 64 eine Schaltmuffe 66 drehbar,
jedoch axial fest gelagert, welche über eine Innenverzahnung
in ständigem Eingriff mit einer Außenverzahnung
der Spindelwelle 40 ist. Die Schaltmuffe 66 hat außerdem
eine Außenverzahnung 68, die in der Stellung der 3 (i ≠ 1)
in Eingriff mit der Innenverzahnung 70 des Planetenträgers 60 ist.
Zur Betätigung der Schaltmuffe 66 dient ein Schaltring 72,
der über ein Radialkugellager 74 auf einer Nabe 76 der
Schaltmuffe 66 drehbar, jedoch axial fest gelagert ist.
Der Schaltring 72 kann über Stellzylinder 78 in
axialer Richtung verschoben werden.
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In
der Schaltstellung der 3 (i ≠ 1) versetzt
das Eingangszahnrad 52 über die Planetenräder 56 den
Planetenträger 60 in Drehung, welcher seinerseits
die Schaltmuffe 66 dreht. Da deren Innenverzahnung in ständigem
Eingriff mit der Außenverzahnung der Spindelwelle 40 ist,
wird diese entsprechend dem gewählten Übersetzungsverhältnis
angetrieben.
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Im
Direktgang gemäß 4 (i = 1)
wird das Drehmoment der Motorwelle 36 über die
Schaltmuffe 66 unmittelbar auf das werkzeugseitige Ende 46 der Spindelwelle 40 übertragen.
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Wie
bereits erwähnt, stellt das in den 3 und 4 dargestellte
Planetengetriebe lediglich ein Ausführungsbeispiel für
ein Getriebe 28 zwischen Motorwelle 36 und Spindelwelle 40 dar.
Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen
und Bauarten schaltbarer oder nicht schaltbarer Getriebe möglich.
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Daneben
sind auch die gezeigten Radiallager 42, 44, 50 in
der Verteilung Festlager-Loslager lediglich Beispiele, die austauschbar
sind. Wesentlich ist hingegen, dass die Motorwelle 36 hohl
ausgebildet ist und über ihre gesamte Länge die
Spindelwelle 40 aufnimmt, die in der Motorwelle 36 gelagert
ist.
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Für
den Antrieb von Werkzeugmaschinenspindeln sind hohe Drehzahlen bis
hin zu 10.000 bis 15.000 U/min üblich. Da bei diesen hohen
Drehzahlen starke Erwärmungen unvermeidlich sind, müssen für
Schmierung und Kühlung besondere Maßnahmen getroffen
werden, die nachstehend erläutert werden.
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Zur
Wärmeabfuhr dient einerseits ein wassergekühltes
Getriebegehäuse 24, das gemäß den 3 und 4 Ringkanäle 80 für
den Umlauf von Kühlwasser hat. Einen weiteren Beitrag zur
Reduzierung der Wärmeerzeugung leistet im Direktantrieb (4)
die geringe Zahl umlaufender Bauteile.
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Eine
dritte Maßnahme ergibt sich insbesondere aus der Ausschnittsdarstellung
der 5, bei der die gesamte Spindeleinheit 10 in
vertikaler Lage dargestellt ist. Hier ist zu erkennen, dass zur
Abdichtung zwischen dem Gehäuse 12 und der Motorwelle 36 bzw.
der Spindelwelle 40 jeweils ein Radialdichtring 82 so
eingebaut ist, dass dieser nicht, wie üblich, feststeht,
sondern mit der jeweiligen Welle 36 bzw. 40 rotiert.
Der Radialdichtring 82 ist in einem Sitz 84 der
Welle (Motorwelle 36 der 5 bzw. Spindelwelle 40 der 3 und 4)
angebracht, während dessen Dichtlippe 86 mit einem
Anlaufring 88 zusammenwirkt, der im Getriebegehäuse 24 nicht
rotierend befestigt ist. Die Außenseite des feststehenden
Anlaufrings 88 bildet die Dichtfläche 90 für
die Dichtlippe 86.
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Im
Stillstand liegt die Dichtlippe 86 des jeweiligen Radialdichtringes 82 an
der Dichtfläche 90 des Anlaufrings 88 unter
Vorspannung an, so dass auch in der vertikalen Position der Spindeleinheit 10 gemäß 5 eine
Dichtwirkung gewährleistet ist, die ein Auslaufen von Schmiermittel
verhindert. Bei Rotation der jeweiligen Welle und damit auch des Radialdichtringes 82 hebt
die Dichtlippe 86 aufgrund der Zentrifugalkraft von der
Dichtfläche 90 ab, so dass ein kleiner Spalt erzeugt
wird, was größere Wärmeverluste vermeidet.
Um die dabei in den Ringraum 98 ausfließenden,
geringen Schmiermittelmengen wieder in das Tauchbad 96 zurückzufördern,
hat die Welle 36 bzw. 40 im Bereich des Anlaufrings 88 eine
Konusfläche 94, deren Durchmesser zum Tauchbad 96 hin
ansteigt und an der anhaftendes Schmiermittel aufgrund der Zentrifugalkraft
in Richtung auf eine Schleuderscheibe 100 „zurückgepumpt” wird.
Von hier gelangt das Schmiermittel durch einen engen, radialen Spalt 102 zwischen
dem feststehenden Gehäuse 24 und der Schleuderscheibe 100 in
das Tauchbad 96 zurück. Damit kann auch im Betrieb
in der Vertikalstellung kein Schmiermittel nach außen austreten
kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007002949 [0004]
- - DE 202009000101 U [0029]