DE202012003528U1 - Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel - Google Patents

Abstract

Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel von Werkzeugmaschinen und Großbearbeitungszentren zur Dreh-, Fräs- und Bohrbearbeitung von Werkstücken, die aus einem in der Motorspindel und/oder dem jeweiligen Gehäuse der zu temperierenden Baugruppe angeordneten Kühlkanalsystem, das aus zwei gegenläufigen Kühlspiralen in Form eines mehrgängigen Trapez-, Spitz- oder Rechteckgewindes ausgeführt ist, besteht oder ein Wärme aufnehmendes Spindelgehäuse mit innenliegender Motorspindel und Spindelantrieb hat und zur Kühlung der Motorspindel ein Zu- und Abströmelement zum Transport des Kühlmediums zu einer Kühleinheit aufweist oder eine in Axialrichtung außermittig durch die Spindelwelle, die Zugstange und den Spindelabschnitt der Drehdurchführung angeordneten Kühlkanal mit einer Zufluss- und Abflussöffnung besteht, da (5) aus Mineralguss eine zwischen den Lagern für den Rotor (9) zentrisch angeordnete, aus einem Rotor (8) und einer Statorwicklung (7) gebildete Motorspindel liegt, die ein stoffschlüssig umschlossenes, käfigartiges Kühlsystem aus einem Mineralguss anderer Porosität mit zwei ringförmigen Kühlverteilerscheiben (1) und mit...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel von Werkzeugmaschinen und Großbearbeitungszentren zur Dreh-, Fräs- und Bohrbearbeitung von Werkstücken. Bekannt ist es, dass während des Betriebs einer rotierenden Motorspindel Wärme erzeugt wird, die zu thermischen Verformungen führt. Bei kleineren Verlustleistungen einer Motorspindel und geringeren Anforderungen hinsichtlich der thermischen Stabilität erfolgt die Wärmeabführung vorwiegend mit einer Luftkühlung. Ansonsten sind zur Wärmeabführung im Spindelgehäuse der Motorspindel und/oder direkt in der Motorspindel ein oder mehrere Kühlmittel aufnehmende Kanäle angeordnet. In DE 200 22 029 U1 ist beispielsweise eine Einrichtung zum Beseitigen thermischer Verformungen an einer Motorspindel eines Fräsbearbeitungszentrums mit einem Kühlkanalsystem dargestellt. Kennzeichnend ist, dass das Kühlkanalsystem in der Motorspindel und/oder dem jeweiligen Gehäuse der zu temperierenden Baugruppe angeordnet ist, aus mindestens zwei gegenläufig angeordneten Kühlspiralen besteht, wobei die Kanäle als mehrgängiges Trapez-, Spitz- oder Rechteckgewinde ausgeführt sind. Zur Überwachung der Verformung und der Temperaturen sind am Fräsbearbeitungszentrum Sensoren und Regeleinrichtungen angebracht. Durch die Anordnung von mindestens zwei Kühlspiralen mittels gegenläufiger Kühlmittelströme, wie beispielsweise Kühlwasserströme, erfolgt eine axiale Symmetrierung des Temperaturgradienten. Ein Kühlwasserstrom verläuft von vorn nach hinten und gegenläufig ein anderer Kühlwasserstrom von der gegenüberliegenden Seite von hinten nach vorn. Die hieraus resultierende Verformung soll so keine Kippung erzeugen. Um beispielsweise verfahrensbedingten Lastverformungen entgegenwirken zu können, sind durch die Möglichkeit einer unterschiedlichen Kühlung der gegenläufigen Kühlströme auch gezielte Kippungen erzeugbar. Nachteilig ist der fertigungstechnische Aufwand zur Herstellung der Kühlspiralen als Trapez-, Spitz- oder Rechteckgewinde. Weiterhin ist durch DE 10 2007 033 620 B4 eine Spindeleinheit zum Einbau in eine Werkzeugmaschine bekannt, wobei eine Motorspindel und ein im Wesentlichen geschlossener Kühlkreislauf mit einem Kühlmedium zum Kühlen der Motorspindel vorgesehen ist. Kennzeichnend ist hier, dass die Spindeleinheit aus einem Wärme aufnehmenden Spindelgehäuse mit innenliegender Motorspindel und Spindelantrieb besteht und zur Kühlung der Motorspindel ein Zu- und Abströmelement zum Transportieren des Kühlmediums zu einer Kühleinheit aufweist. Bei einer rohrförmigen Verlängerung des Spindelgehäuses können das Zu- und Abströmelement vollständig im Inneren des Spindelgehäuses zur Kühleinheit geführt werden. Eine als Baueinheit in die Werkzeugmaschine einbaubare Spindeleinheit ist gegeben, wenn diese mit der Kühleinheit in einem Spindelkasten liegt. Die Kühleinheit umfasst einen Kühler, ein Gebläse und eine Umwälzpumpe. Es ist auch ein Ausgleichbehälter für das Kühlmedium vorgesehen. Über die Umwälzpumpe wird das Kühlmedium im Kreislauf dem Kühler zugeführt, durchströmt diesen und wird dann durch das Abströmelement in die Motorspindel geleitet. Das Gebläse saugt Luft aus der Umgebung durch den Kühler, wodurch ein Wärmeaustausch des aufgewärmten Kühlmediums mit der Umgebungsluft stattfindet. Anschließend wird die erwärmte Luft abgeblasen. Die Nachteile der in DE 10 2007 033 620 B4 dargestellten Spindeleinheit bestehen darin, dass die Kühleinheit sowie das Zu- und Abströmelement nur mit einem zusätzlichen Aufwand in einem Spindelkasten angeordnet werden können. Bekannt ist ebenfalls durch DE 10 2005 030 277 B4 eine Spindelvorrichtung mit einem Gehäuse, in dem eine rotierend antreibbare Spindel gelagert ist, die eine in einer Spindelwelle axial verschiebbare Zugstange zur Betätigung einer Werkzeugspanneinrichtung aufweist, und wobei die Spindel von mindestens einem geschlossenen Kühlkanal durchsetzt ist, der über die Drehdurchführung mit einer Zuflussöffnung und einer Abflussöffnung gekoppelt ist. Eine Ausführung sieht vor, dass ein geschlossener Kühlkanal in Axialrichtung außermittig durch die Spindelwelle, die Zugstange und den Spindelabschnitt der Drehdurchführung angeordnet ist. Damit ist eine Kühlmittelzufuhr zu allen Lagerstellen der Spindel sowie zum Rotor des mit der Spindel kombinierten Antriebsmotors möglich. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit einer Zufuhr von Kühlmittel über die Zugstange für eine unabhängige Kühlmittelzufuhr an das Werkzeug. Zur Vermeidung von Leckagen des Kühlmittels sind mehrere Spaltdichtungen und eine Berührungsdichtung in Form einer Lippendichtung erforderlich. Die Spindelvorrichtung kann in einfacher Weise als komplettes Modul in eine Werkzeugmaschine montiert werden und soll eine sehr gute Kühlwirkung haben. Die Spindeltemperatur kann durchgehend auf maximal 30 Grad Celsius gehalten werden, wodurch die thermische Ausdehnung der Spindelwelle in minimalen Grenzen gehalten wird. Die Nachteile dieser Spindelvorrichtung sind in der komplizierten und damit aufwendigen Ausführung, insbesondere im Dichtungsproblem zur Vermeidung von Leckagen des Kühlmittels, zu sehen. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel von Werkzeugmaschinen und Großbearbeitungszentren zur Dreh-, Fräs- und Bohrbearbeitung von Werkstücken vorzuschlagen, die einfach aufgebaut und mit einem geringeren Aufwand für das Kühlsystem als Bauteil problemlos herstellbar ist. Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Einrichtung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. In den Unteransprüchen sind weiterhin Ausgestaltungen der neuen Einrichtung hinsichtlich des Einsatzes des Werkstoffes Mineralguss angegeben. Die Vorteile bestehen darin, dass durch den Einsatz eines Mineralgusswerkstoffes mit unterschiedlicher Porosität die Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel einfacher und kostengünstiger herstellbar ist und das Kühlsystem im Spindelgehäuse zur Vermeidung von Dichtungsproblemen stoffschlüssig integriert ist. Die neue Einrichtung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Hierzu zeigen die zugehörigen Zeichnungen in:
• 1: eine Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel im Bereich zwischen den Lagern für den Rotor in der Seitenansicht im Schnitt B-B von 2 und
• 2: die Einrichtung im Schnitt A-A von 1
• In 1 ist eine Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel im Bereich zwischen den Lagern für den Rotor in der Seitenansicht im Schnitt B-B von 2 dargestellt. Sie zeigt, dass in einem Spindelgehäuse 5 aus Mineralguss eine durch einen Rotor 8 und eine Statorwicklung 7 gebildete Motorspindel zentrisch angeordnet ist, die ein stoffschlüssig umschlossenes Kühlsystem aufweist. Das Kühlsystem besteht aus zwei ringförmigen Kühlverteilerscheiben 1 mit acht um den innenliegenden Umfang der Kühlverteilerscheiben 1 verteilt angeordneten Bohrungen zur Aufnahme von zylindrischen Kühlstäben 2. Damit ist das Kühlsystem käfigartig ausgebildet und liegt vorteilhafterweise im geringen Abstand zur Statorwicklung 7. Dieses Kühlsystem besteht aus einem offenporigen, gießbaren, kaltaushärtbaren Mineralguss mit 96% Quarzkies der Körnung 2 bis 3 mm und 4% Epoxidharz. Diese Mineralgusszusammensetzung besitzt somit die Eigenschaft, dass flüssige Medien ungehindert durchgeleitet werden können. Weiterhin liegen im Spindelgehäuse 5 ein bis zu einer Kühlverteilerscheibe 1 geführter Kühlmittelzulauf 3 und ein von der anderen Kühlmittelscheibe 1 geführter Kühlmittelablauf 4 zum Transport des Kühlmittels durch das Kühlsystem. 2 zeigt die Einrichtung im Schnitt A-A von 1 im Bereich eines Lagers 9 für den Rotor. Erkennbar ist, dass der Rotor 8 und die Statorwicklung 7 durch das Lager 9 im Spindelgehäuse 5 positioniert angeordnet sind und auch gehalten werden. Im Abstand von 3 bis 6 mm zur Statorwicklung 7 befinden sich die Kühlstäbe 2 und die Kühlverteilerscheiben 1. Zur kontinuierlichen Temperaturüberwachung und -steuerung sind zwischen der Statorwicklung 7 und den Kühlstäben 2 mehrere Thermosensoren 6 angeordnet. Das käfigartig ausgebildete und aus einem offenporigen Mineralguss bestehende Kühlsystem wird separat gefertigt. Hierzu werden die Kühlstäbe 2 mit einem Durchmesser von 10 bis 20 mm auf eine angepasste Länge des Spindelgehäuses 5 geschnitten, in die Bohrungen der Kühlverteilerscheiben 1 eingefügt und verklebt. Der Kühlmittelzulauf 3 und der Kühlmittelablauf 4 sind Rohre und werden ebenfalls mit je einer Kühlverteilerscheibe 1 verklebt. Dann wird dieses Kühlsystem in eine der Form und Größe des Spindelgehäuses 5 entsprechende Gießform positioniert eingelegt und mit einem Mineralguss anderer Porosität vergossen. Dieser Mineralguss besteht aus 15% Quarzmehl, 13% Quarzsand, 62,5% Quarzkies und 9,5% Epoxidharz und ist wasserundurchlässig. Nach einer Aushärtzeit von ca. 12 Stunden wird das Spindelgehäuse 5 ausgeformt bearbeitet und als Bauteil in die Werkzeugmaschine eingesetzt. Durch die mechanische Bearbeitung von Werkstücken erzeugt die Motorspindel Wärme, die vom stoffschlüssig im Spindelgehäuse 5 integrierten Kühlsystem (1 bis 4) derart abgeleitet wird, in dem ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, durch den Kühlmittelzulauf 3 über die Kühlverteilerscheiben 1 und die Kühlstäbe 2 geleitet und dann vom Kühlmittelablauf 4 einem nicht dargestellten Kühler zugeführt wird. Der Kühlungsvorgang wird mit Thermosensoren 6 gesteuert. Steigt die Temperatur über einen vorgegebenen Grenzwert, so drückt eine im Außenbereich vorhandene, ebenfalls nicht dargestellte Pumpe das Kühlmittel durch das Kühlsystem. Dadurch ist es möglich, dass die Temperatur der Motorspindel auf eine konstante Temperatur von 30 Grad Celsius plus/minus 2 Grad Celsius gehalten wird und so thermische Verformungen der Motorspindel minimiert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Kühlverteilerscheibe

2

Kühlstab

3

Kühlmittelzulauf

4

Kühlmittelablauf

5

Spindelgehäuse

6

Thermosensor

7

Statorwicklung

8

Rotor

9

Lager für Rotor

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 20022029 U1 [0001]
• DE 102007033620 B4 [0001]
• DE 102005030277 B4 [0001]

Claims (4)

1. Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel von Werkzeugmaschinen und Großbearbeitungszentren zur Dreh-, Fräs- und Bohrbearbeitung von Werkstücken, die aus einem in der Motorspindel und/oder dem jeweiligen Gehäuse der zu temperierenden Baugruppe angeordneten Kühlkanalsystem, das aus zwei gegenläufigen Kühlspiralen in Form eines mehrgängigen Trapez-, Spitz- oder Rechteckgewindes ausgeführt ist, besteht oder ein Wärme aufnehmendes Spindelgehäuse mit innenliegender Motorspindel und Spindelantrieb hat und zur Kühlung der Motorspindel ein Zu- und Abströmelement zum Transport des Kühlmediums zu einer Kühleinheit aufweist oder eine in Axialrichtung außermittig durch die Spindelwelle, die Zugstange und den Spindelabschnitt der Drehdurchführung angeordneten Kühlkanal mit einer Zufluss- und Abflussöffnung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Spindelgehäuse (5) aus Mineralguss eine zwischen den Lagern für den Rotor (9) zentrisch angeordnete, aus einem Rotor (8) und einer Statorwicklung (7) gebildete Motorspindel liegt, die ein stoffschlüssig umschlossenes, käfigartiges Kühlsystem aus einem Mineralguss anderer Porosität mit zwei ringförmigen Kühlverteilerscheiben (1) und mit mehreren um den innenliegenden Umfang der Kühlverteilerscheiben (1) angeordneten Bohrungen zur Aufnahme von zylindrischen Kühlstäben (2) hat und zum Transport des Kühlmittels durch das Kühlsystem einen bis zu einer Kühlverteilerscheibe (1) geführten Kühlmittelzulauf (3) und einen von der anderen Kühlmittelverteilerscheibe (1) geführten Kühlmittelablauf (4) aufweist.
2. Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelgehäuse (5) aus einem Mineralguss mit 15% Quarzmehl, 13% Quarzsand, 62,5% Quarzkies und 9,5% Epoxidharz besteht.
3. Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlverteilerscheiben (1) und die Kühlstäbe (2) aus einem Mineralguss mit 96% Quarzkies der Körnung 2 bis 3 mm und 4% Epoxidharz bestehen.
4. Einrichtung zur Kompensation thermischer Verformungen an einer Motorspindel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Statorwicklung (7) und den Kühlstäben (2) mehrere Thermosensoren (6) angeordnet sind.

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