DE2124918A1

DE2124918A1 - Hochpräzisionsspindel mit aerostatischem Lager-Drucklager

Info

Publication number: DE2124918A1
Application number: DE19712124918
Authority: DE
Inventors: Claude Annexy; Coste Jean-Noel Piosy; Saulgeot (Frankreich)
Original assignee: Compagnie Industrielle de Telecommunication CIT Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1970-05-20
Filing date: 1971-05-19
Publication date: 1972-08-24
Also published as: BE767046A; LU63183A1; US3698774A; NL7106767A; GB1309712A; FR2087434A5

Description

CQMPAGIiIE IHDUSiDRIELLE DES !EELEOOMMtMICAlEIOlIS CIT-ALCA^BL,

Paris/Frankreioh

"Hoehpräsieiöassplndel alt aeroötatisohes lage'r-Bruoklager"

Di© Erfindung betrifft eine Hochpräzisionsspindel und insbesondere eins Hoohprlzisionaepindel mit aerostatische» Lager-Druoklager oder-Axiallager.

Bei gewiesen Vorgängen und insbesondere bei Bearbeitvmgs- und Regelvorgängen 2.B„ der spanabhebenden Bearbeitung, wobei eine eeßr hohe Genauigkeit erreicht werden nuß, muß man die Werkstücke auf Spindeln anordnen, deren Drehung entsprechend

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einer Zirkularitätspräzision in der Größenordnung von einem Zehntel oder sogar einem Hundertetel Mikron erfolgen muß. Man sieht also ohne weiteres, daß die Spindeln, bei denen übliche Lager«Drucklager eingesetzt werden, solche Leistungen zu erbringen nioht in der Lage sind, vas die Konstrukteure dazu gebracht hat, Spindeln mit Lager-Drucklagern zu konzipieren, bei denen ein Fluid benutzt wird.

Ein solches unter Druck dauernd zwischen dem beweglichen ieil und dem f. eaten £eil der Spindel eingespritztes 3Mui& muß es ermöglichen, diese !teile unbedingt konzentrisch bezüglich einander au halten.

Die bekannten Einrichtimgen weisen jedoch eine gewisse Ansah! von Nachteilen auf:

Insbesondere hat man festgestellt, daß die das Fluid einspritzenden Organe nur geringe Drücke auszu-halten in der Lage sind, was zu einer nicht zufriedenstellenden Steifigkeit der bei solchen Spindeln benutzten Lager . führt·

Im übrigen wird die Herstellung solcher Speieeöffnungen schwierig aufgrund der Tatsache, daß dies» öffnungen von unbedingter Gleichheit sein aus sen, was zu Unregelmäßigkeiten im Druck und zu einem fehlerhaften Betrieb führt.

Im übrigen können solche Einrichtungen ait Genauigkeit nur zu bearbeitende Werkstücke antreiben, die von relativ geringer Hasse sind, was ihren-Anwendungsbereich sehr begrenzt.

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Erfindungsgemäß sollen diese Nachteile nun durch eine Spindel mit aerostat!soliem !Drucklager behoben werden, wodurch ein Drehantrieb bei sehr hoher Genauigkeit eines ssu bearbeitenden oder zu kontrollierenden Wertstückes, das ein erhöhtes Gewicht haben kann, möglich wird, wobei diese Spindel im übrigen von sehr großnr Einfachheit in Eon&e-ption und A^ührung ißt*

ErfinduügBgeBiäS umfaßt öle Hochgenauigkeitespladel im wesentlichen ein Lager urux ein Drucklager aeroetatiocher Bauart, sowie Speise-öffnungen für diese Organe., wobei das Lager durch einen 2yD.inflris0l.en Stator gebildet wird, der ein« Axi«.lbohrung aufweist, \n deren. Innerem unter Drehung mit vorbestimmten Spiel eine Walle angetrieben wird, deren eines Ende mit eines Werkstückträgerflansch verbunden 1st, während das andere Ende fest isiit einem (Druck)lagar verbunden igt, wobei dae (Druck)lager aus einer kreisförmigen Platte besteht, die mit einota bestimmten Spiel zwischen der Endfläche dee Lagers und βϊηβτι Gegendrucklager ^geordnet ist, welches feet an einer Schulter der Bndfläche über ein kreisförmige» Zwischenstück laittele Bolzen oder dergleichen angeordnet ist. wobei σ ie Spsiaeöffnungen für das Lager ir einer gewissen Anzahl von unter gleieterc. Abötaad zueinander angeordneten Gruppen verteilt sind, wobei die Speis©öffnungen des Druckla^srs wanJggtene eine erste .Gruppe von an diesem Ende diesss Stetcr>' angeordneten üfimmgen und wenigstens , eine sweits Gruppe von auf dew Druckgegenlager angeordneter! öffDViigea aufweisen, dadurch §skenna@lehnet, daß ^ ede der Spe?seöffrmngen ßir·? erste leicht kondache Bohrung mit sin ar isvroif;er·. kalibrierten Bohrung konste&tsn kreisförmigen Quergob ?.11ri:ss und von oastimir-t er Höue aufweist _f wobei vor diener eine ach;·- i^förmige äea Kcnvergensteil bildende Ausnehmung vorgesehen int.

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Die erfindungsgeisäße Maßnahme ist in visier Hinsicht vorteilhaft.

Einer dieser "forteile resultiert aus der Tatsache, daß die bei einer solchen Spindel realisierten Öffnungen somit aufgrund ihres Aufbaue erhöhte Drücke auasuhalten in der Lage sind« Sie erhöhten hieraus sich ergebenden Pluidtaengen sorgen für eine große Steifigkeit dee lagers sowie des bei einer solchen Yorrichtimg vervfsn&sten Drucklagera<>

Kin anderer Vorteil ergibt sich daraus, daß die homogene Verteilung des fluids zwischen Eotor und Stator der Spindel jede S tr b'raungs änderung zu vermeiden, gestattet, was su einer sehr großen Rotationsgenai%fce.it in der Größenordnung von einem Hundertetel Milcron' führt.

Ein anderer Vorteil ergibt sich aus der Satsache, daß eine solche Spindel leicht Werlrettioke mit erhöhter Maesö zu tragen in der Lage ist, was die Möglichkeit eohafft, aie in sahlreiohea Bauarten von Werkzeugmaschinen tmd Eontroll- oder Eegeleinrichtungen einzusetzen« Auch Bind Eosisseptiori und Aufbau der Vorrichtijcag nach der Erfindung einfach, was die industrielle («spanabhebende) Formgebung von Wer&stüolten mit sehr hohsr Genauigkeit bei böscheideneia Herstellungspreis ermöglicht»

Beispielsweise Ausführungsfortten der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Pig· 1 einen Längsschnitt durch eine Spindel hoher Präzision mit aerosfeatischem lager-Druoklager nach der Erfindung seigt;

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Pig. 2 ist sin Schnitt länge der Linie I-1 i» Fig· 1$ Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Line H-II in Pig* t;

Pig· 4 und Pig« 5 zeigen eine Einspritzdüse mit einer Spöiseöffmmg' bei der Spindel hoher Genauigkeit nach der Erfindung;

Fig. 6 sseigt die Ausführungsforei einer Speiseöffnung in einem Bauteil naoh der Erfindung;

Fig. 7 seigt sine andere Ausführungsforai der SpeiseÖffnungea nach, der Erfindung; und

Fig. 8 zeigt noch eine weitere Ausfuhrungsform-für Speiseöffnungen nach der Erfindung#

Uaoh Fig_e 1 umfaßt eine Spindel hoher Genauigkeit mit aerostatischem Lager-Drucklager ein Lager, bestehend aus einem festen zylindrischen 'Teil oder zylindrischen Stator 1 mit in zwei Gruppen zu vier Einheiten unterteilten Einepritedtisen g, von denen jede mit einer Quelle für unter Druck stehende Luft (niöht dargestellt) verbunden ist· I« Inneren dee Stators 1 wird in Drehung mit festgelegte« Spiel eine Welle oder ein Rotor 3 angetrieben, der an eine« seiner Enden einen Flansch. 4 umfaßt, auf dem das eu bearbeitende Werkstück (nicht dargestellt) befestigt oder aufgespannt sein kann, wobei am anderen Ende ein Drucklager 12 vorgesehen ist» dessen beide Seiten planbearbeitet, parallel zueinander und senkrecht zur Achse der Welle sind·

Im übrigen umfaßt das Lager 1 mehrere GasauelaBnuten, eine zentrale Hut 6 und stirnseitige Nuten 7 und 8, wobei die Hüten in Verbindung Bit der Atmosphäre über Kanäle 9, 10 bzw« 11 geeetat sind«

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Die Montage - bei festgelegtem Spiel - des Druoklagera 12 erfolgt mittels eines Gagandrucklagers 13 (butee eteontrebut§e)j wobei letzteres al oh. gegen ein Zwischenstück oder eine Versteifung 14 abstütsst· Die Ge samt anordnung ist am Lager 1 mittels einer Anordnung von Bolzen 15 befestigt· Selbstverständlich sind die flächen der Versteifung 14 plan und parallel zueinander durch. Oberflächenbearbeitung ausgebildet und ihree Länge ist derart festgelegt, daß ein zweckmäßiges Spiel awischen dam Drucklager 12 und dem Gegendrucklager 13 sowie awisohen de® Drucklager und dem Ende des Lagere 1 herbeigeführt wird* Its übrigen hat man dem Drucklager 12 eine erste Gruppe von/im Lager 1 angeordneten Einspritedüsen 16 sowie ein® streite Gruppe von/i» Gegendrucklager 13 angeordneten Einspritzdüsen 17 angeordnet, die ebenfalls rait einer nicht dargestellten Druckluftspeisung verbunden sind. Im übrigen sind freie Säume 18 und 19 in dae Gegendrucklager 13 und Versteifung baw. Zwisohenstück H jeweils eingearbeitet! welche die eingespritzten Gase sammeln und sie nach außen abführen« Der Antrieb der Spindel erfolgt mittels eines Elektromotors 22 über eine flexible Kupplung 23, die mit einem Drehzapfen 24 der Welle 3 verbunden ist· Eine solche flexible Kupplung erniöglicht es vorteilhaft, die durch eine sohlechte Ausrichtung der Welle des Motors und der Welle 3 geschaffenen Stareffekte abzutrennen. Die Spindelanordnung ist auf einer Fundamentplatte 26 (eeiaelle) über awei V-Prlernen 27 befestigt, der Motor 22 ist im Übrigen auf eines Winkelstück bzw. einem Sockel 28 über Gummistoßdäisper 29 angeordnet«

2 aeigt Einzelheiten für die Anordnung der vier Einspritzdüsen 2 im Lager 1, während Pig· 3 die Verteilung der Einspritzbffnungen der dem Gögendruoklager 13 «ugeordneten Einspritzdüsen 17 zeigt·

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Flg. 4 und 5 zeigen genauer &en Aufbau der Einspritzdüsen mit den bei der Vorrichtung nach der Erfindung benutzten Speiseöffnungen·

Hach Fig« 4 besteht eine solche Einspritzdüse, beispielweise eine der Einspritzdüsen 2 aus eines von einer Axialbohrung 32 durchsetzten Körper, dessen oberes Ende an eine nioht dargeetellte Druokluftojielle angeschlossen werden kann# Das untere Ende der Einspritzdüse stützt sich gegen eine metallische Scheibe 33 über eine 3?orusdichtung 34 ab, wobei die Anordnung gegenüber einer Einspritzöffnung 35 vorgesehen ist, die in das Lager 1 im Torliegenden Fall gearbeitet ist»

!fach Pig, 5 nun weist die Scheibe 33 in ihrer Mitte eine erste geringfügig konische Bohrung 36 auf, in die über eine nioht dargestallte metallische Scheibe ein Element 37 mit einer aweiten Bohrung 38, deren konstanter Querschnitt ganz genau kalibriert ist, getrieben ist und die einen besonders regelmäßigen und homogenen Oberfläohenzustand auf* weist« Anströmseitig 1st der Bohrung eine ic wesentlichen halbkugelförmige sohalenförmige Ausnehmung, die konvergierend wirkt, vorgeschaltet, wobei die relativ kuree und festgelegte Höhe der Bohrung 38 als Diaphragma oder "öffnung in dünner Wand" dient. Im übrigen wird darauf hingewiesen, daß diese sehalenföreige Ausnehmung 39 auch eine kegel* stumpfförmlge Gestalt analog der in Fig· 8 beschriebenen aufweisen kann«

In Pig. 6 ist die Ausführungaform für eine öffnung mit Druckluftspeieung in der Scheibe 33 dargestellt· Eine solche öffnung umfaßt also eine erste leicht konische Bohrung, die aus swei äußeren Seilen 36 und 36^r und einer

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zweiten Bohrung 38 unbedingt konstanten und kalibrierten Querschnittes gebildet ist und einen beBonders regelmäßigen und homogenen Oberfläohensuatsnd aufweist« Der zweiten Bohrung vorgeschaltet ist einerseits eine halbkugelförmige Ausnehmung 39; andererseits mündet 3ie in den Seil 36^f der kegelstumpfforffiigen Bohrung»

7 aeigt eine Speiaeöffnung in der Scheibe 33» wobei vor der Bohrung 38 ebenfalls eine im wesentlichen halbkugelförmige schalenförmige Ausnehmung 39 vorgesehen ist, die aber im übrigen in eine Aus: efemung 45 mündet, die in Porm und Abmessungen analog der der Ausnehmung 39 ist, wobei eine solche Ausnehmung divergierend wirkt, während die Ausnehmung 39 konvergierend wirkt*

Bei der in Fig. 8 dargestellten Speiseöffnung sieht man, daß vor der Bohrung 38 eine schalenföraige Ausnehmung 46 von kegelstumpfförmiger Gestalt vorgesehen ist, die im übrigen in einer Ausdrehung 47 endet, die divergierend wirkt, wobei eine solche Ausdrehung eine Höhe im wesentlichen gleich der dieser Bohrung 38 aufweist»

Selbstverständlich iet es, wie bei Beispiel 5 dargestellt, möglich, diese Bohrung 38 sowie die Schale (n) und Ausnehmungen in einem in die aweckmäßig bearbeitete Bohrung 36, 36V getriebenen Körper vorzunehmen.

Sämtliche Eintritt« und Auetrittewinkel dieser verschiedenen geometrischen Formen sind völlig abgerundet, um jede Turbulenz in der Fluidatrömung zu vermeiden«

Die Identität zwischen den diametral sich gegenüberstehenden-Öffnungen ein und desgleichen Lagers und zwischen sämtlichen

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Öffnungen ein und desgleichen Drucklagere mu8 unbedingt eingehalten und herbeigeführt werden.

Somit sind gegebenenfalls der Körper 37 oder das Teil 33 vorteilhaft aus einem kompakten oder hartem Material gebildet·

Die Arbeitsweise einer solchen Spindel ist die folgende* Wird die Welle 3 in bestimmter Weise belastet bsw· beaufschlagt, so fuhrt sie eine gewisse Exzentrizität dieser Welle gegenüber dem Lager 1 herbei« Ee entsteht so eine Zone minimalen Spiels zwischen den beiden Organen, wae einen geringeren Gasdurchsatz bei einem Druck sicherstellt, der höher ist als in der Zone'maximalen Spiels, wo der Durcheata höher, der Druok jedooh niedriger ist· Der so erzeugte Auftriebsoder !ragfähigkeitaeffakt sorgt folglich für eine Rotation dieses Rotors und bietet eine sehr hohe Zirkularitatsgönauigkeit aufgrund der regelmäßigen Verteilung des awiachen Rotor und Stator der Spindel eingespritzten Fluids·

Im Hinblick auf eine knappe Darstellung wurde die Erfindung nur anhand weniger Ausftthrungsfortaen erläutert; Änderungen und Abänderungen liegen im Rahmen der Erfindung«

Pat entansprüche

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Claims

- ίο -

Patentansprüche

Hochpräzisionsspindel mit im wesentlichem einea Lager und einem Drucklager aerostatisoher Bauart sowie Speise-Öffnungen für aiese Organe, wobei das lager gebildet wird duroli einen zylindrischen Stator mit einer axialen Bohrung, in deren Innerem unter Drehung und mit festgelegtem Spiel eine Welle angetrieben wird, deren eines Ende mit eines Yfckstücktragerflanseh verbunden ist, während das andere Ende feet mit einem Drucklager verbunden ist, wobei das Drucklager aus einer kreisförmigen mit festgelegte« Spiel zwischen Stirnfläche des Lagsra und einem Widerlager angeordneten Platte besteht, wobei dae Widerlager an einer Schulter dieser Stirnfläche Über eine kreisförmig* Versteifung mittels Bolzen oder desgleichen befestigt ist und wobei die Speiaeöffnungen für das Lager mit einer gewissen Anzahl von unter gleichem Abstand zueinander angeordneten. Gruppen verteilt sind und die Speiaeöffnungen dee Drucklagere wenigstens eine erste Gruppe von auf diesem Ende des Stators vorgesehenen öffnungen und wenigstens eine zweit« Gruppe von auf diesem Gegendrucklager vorgesehenen öffnungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten Speiseöffnungen ein· erste leicht konische Bohrung (36) mit einer «weiten kalibrierten Bohrung (38) kreisförmigen konstanten Querschnitts und von festgelegter Höhe aufweist, der eine konvergierend wirkende schalen« Urmige Ausnehmung (39); (46) vorgeschaltet 1st*

2«) Spindel nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese schalenförmig« Ausnehmung (39) im wesentlichen von halbkugelföraiger össtalt ist»

3») Spindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Söhalenföraige Ausnehmung (46) von kegelstumpfförmiger Gestalt ist,

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4·) Spindel nach eine« der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß diese zweite Bohrung (38) ixt eine divergierend wirkende Ausnehmung (45; 47) mündet ·

5.) Spindel nach Anspruch. 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ausnehmung (45) eine im wesentlichen halbkugelförmige Gestalt auf «reist.

6.) Spindel nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß diese Ausnehmung (47) aus einer geringfügig konischen Auedrehung alt im wesentlichen der gleichen Höhe wie die der zweiten Bohrung (38) gebildet ist.

7·) Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweite Bohrung (38), diese schalenförmigea. Ausnehmungen (39; 46) sowie diese Ausnehmungen (45) in einen Körper (37) eingearbeitet sind, der in die erste Bohrung (39-36) durch eine metallische Scheibe eingetrieben 1st*

8«) Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dies «Bohrungen (36; 36* - 38)« diese schalenförraigen Ausnehmungen (39) - (46) sowie diese Ausnehmungen (45) in ein und dem gleichen Körper (33) ausgearbeitet sind»

9·) Spindel nach einem eer Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Körper (33-37) aus einem Material mit erhöhter Barte hergestellt ist·

10.) Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 9₅ dadurch gekennzeichnet, daß diese Speiseöffnungen (38) des Drucklagers (12) in jeder der Gruppen auf untereinender gleich? JDruokverluste Toreingestellt sind*

11,) Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß in jeder dieser Gruppen von Speieeöffnungen (18) dee lagere (1) die einander diametra^egenüberstehendsti
öffnungen auf untereinander gleiche Druokverluste Toreinge-Btellt sind.

12(,) Werkeeugmasächine mit einer Spindel nach einem der
Ansprüche 1 bis 11«

13.) Kontroll-' oder nagelmaschine mit einer Spindel naoh einen der Ansprüche 1 bis 11»

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