DE2154796C3 - Elastische Kupplung für die Arbeitsspindel einer Drehmaschine - Google Patents

Description

zu den größten Rauhigkeiten führt. Bei diesen Bestrebungen kann eine geeignete Schwingfrequenz des Werkzeuges relativ einfach herbeigeführt werden; dagegen ist es viel schwieriger, auf die Eigenfrequenz der Spindel einzuwirken, weil nämlich diese in starkem Ausmaß durch das Spiel in ihren Lagern und durch die diese Spindel antreibenden Mittel beeinflußt wird. Zum Beispiel hat der Zug eines Riemens, der zur Übertragung des Antriebes auf eine auf der Spindel angeordnete Riemenscheibe umläuft, eine Vergrößerung der radialen Belastungen dieser Spindel zur Fo'ge, die eine Vergrößerung der statischen und der dynamischen Ausbiegung der Spindel hervorrufen, wodurch die Eigenfrequenz der Spindel bezüglich Biegung vermindert und in den Bereich der Spanbildungsfrequenz gebracht wird.

Zur Berücksichtigung dieser Erscheinung ist schon vorgesehen worden, die Spindel an ihrem einen Stirnende anzutreiben, um die ungünstige Einwirkung des Riemenzuges auszuschalten, der sich noch die Auswirkung der Unregelmäßigkeit des Riemenprofils hinzufügt.

Es sind schon am Ende der Spindel angeordnete Kupplungen vorgeschlagen worden, die Vorrichtungen aufweisen mit Verbindungselementen aus Gummi oder ähnlichem Material, die auf Druck und unter Umständen auf Biegung beansprucht werden und die eine bestimmte Elastizität und ein bestimmtes Dämpfungsvermögen aufweisen. Betrachten wir eine Spindel, die mit einer solchen Kupplung mit elastischen Elementen ausgerüstet ist, und führen einer solchen Spindel ein Antriebsdrehmoment mittels der Kupplung zu. Wir stellen dann fest, daß das übertragene Drehmoment, an der Spannzange der Spindel gemessen, eine Veränderung mit gedämpfter Amplitude hat infolge eines Dämpfungsmomentes, das auf diese Gummielemcnte zurückzuführen ist, wobei die Frequenz der Veränderung des Schnittwiderstandes entspricht, der bestimmt ist durch die Unterteilung der Spane in kurze Abschnitte.

Die grundlegende Differentialgleichung der Torsionsschwingung (mit einem Freiheitsgrad), die nachfolgend angeführt wird, zeigt das Vorhandensein dieses Dämpfungsmomentes. Diese Gleichung lautet:

df²

άψ

C ^l Ka - IO Sin i'tt ,

df

worin / '' das Drehmoment ist, das auf die Trägheit der Drehmasse zurückzuführen ist und wobei /

das Trägheitsmoment dieser Masse und ' die Winkelbeschleunigung dieser Masse bedeutet,

c .' das Dämpfungsmoment ist. wobei c der

Dämpfungskoeffizient der Gummielemente bedeutet,

k<p das elastische Moment ist, wobei A: die elastische Torionskonstante der Spindel ist,

'To sin fit das Drehmoment am Eingang der Kupplung ist.

Diese Gleichung zeigt, wie wichtig es ist. dieses Dämpfunusmomcnl zu unterdrücken, um zu einer Konstanz des übertnigenen Drehmomentes beizutragen. Dem Gegenstand liegt daher die Aufgabe zugrunde du· Übertragung des Anlnebsmnmentes aul die Spindel zu verbessern und eine Variation desselben zu vermeiden samt den nachteiligen Auswirkungen einer solchen Variation auf die Rauhigkeit der bearbeiteten Flächen und eine Kupplung zu schaffen, die ohne Dämpfung arbeilet, aber eine hohe Elastiziiätskonstante besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sollen bei einer Vorrichtung der in Rede stehenden Gattung in Anwendung auf die das Werkstück aufnehmende Spindel ίο einer Drehmaschine diese und das Antriebsteil unabhängig voneinander in bzw. auf einem gemeinsamen Support gelagert sein, wobei in an sich bekannter Weise die Federelementensätze in axialer Richtung aneinandergereiht sind und die Verspannung über gegeneinander in Umfangsrichtung über Anlenkteile verdrehbare Ringe erzeugbar ist.

Die Einstellung des Schwingungsverhaltens erfolgt bei dieser Kupplung also durch eine Verspannung der Federelemente durch gleichzeitige und gleichmäßige Verspannung der Federelementensätze gegeneinander.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ringe mit komplementären, unter gleichem Winkel zur Umfangsrichtung geneigt verlaufenden Schrägflächen versehen sind, die durch Axialverschiebung eines der Ringe relativ zum andern miteinander in Eingriff bringbar sind, wobei eine Verdrehung der Ringe zueinander erfolgt, und daß zur axialen Verschiebung des einen Ringes im Antriebsteil ein zusätzlicher Ring in Axialrichtung schraubverstellbar angeordnet ist.

Für Ausführungsbeispiele sind die in den Ansprüchen als erfinderisch herausgestellten Einzelheiten nachstehend an Hand von Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigt bzw. zeigen

Fig. 1 schematisch den Angriff eines Drehmeißels an einem zu bearbeitenden Werkstück,

Fig. 2a bis 2c schematisch die unterschiedlichen hierbei auftretenden Schwingungen,
Fig. 3 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung,

F i g. 4 einen der Fig. 3 entsprechenden Querschnitt, in dem mit ausgezogenen Linien der unausgebogene Zustand der Lamellen vor der Einstellung eingezeichnet ist und ferner mit strichpunktierten Linien der ausgebogene Zustand dieser Lamellen, wie er vorliegt nach einer Einstellung der Kupplung, Fig. 5 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform, wobei insbesondere die Anordnung der elastischen Lamellen veranschaulicht ist,

Fig. 6 einen Tcilschnitt dieser zweiten Ausführungsform, aber nach einer anderen radialen Schnittebene,

Fi g. 7 eine Abwicklung der beiden mit elastischen Lamellen ausgerüsteten Ringe, die zu dieser zweiten A.usführungsform gehören,

F i g. 8 einen teilweisen Längsschnitt, der die Anordnung dieser elastischen Lamellen in einer Variante darstellt, und
Fig. 9 eine Abwicklung zu dieser Variante.

Die Fig. 2a bis 2c veranschaulichen die bei dei

Bearbeitung eines Werkstücks in der schematisch ir Fit!. I gezeigten Weise auftretenden Schwingung* emllüsse, wobei Fi g. 2a die Werkzeugschwingungen

r>-, Fig. 2b die Spindel- bzw. Werkslückschwingunger und F i g. 2 c die sich iibei lagernden Schwingungei von Werkzeug und Werkstück veranschaulichen.

In der F i e. 3 isl mit dem He/imszeichcn 1 eir

rohrförmiger Support bezeichnet, der in einem Gestell einer Werkzeugmaschine befestigt ist, z. B. in einem Spindelstock eines Drehautomaten; mit 2 ist eine Spindel (Werkstückspindel) und mit 3 eine Riemenscheibe bezeichnet, die zum Drehantrieb der Spindel 2 dient. Letztere besitzt eine eigene Lagerung im Support 1, welche Lagerung aber nicht gezeigt ist; von zwei Kugellagern 4, die zur Drehlagerung der Riemenscheibe auf dem Support 1 dienen, ist nur ein einziges gezeigt. Zwei Ringe 5 und 6 sind auf ein Ende der Spindel aufgeschraubt, um eine axiale Festhaltung des Kugellagers 4 zu gewährleisten; Schrauben 7 dienen dazu, die beiden Ringe 5 und 6 zu ihrer gegenseitigen Blockierung gegeneinander zu verspannen.

Die Spindel 2 besitzt eine gewisse Anzahl von (achsparalleien) Längsschlitzen 8, die auf ihrem Umfang gleichmäßig verteilt sind.

Die Kupplung weist als Hauptteile zwei Sätze von elastischen Lamellen 9 und 10 auf, die z. B. aus Federstahl bestehen und die sich in Radialebenen erstrecken, solange sie nicht auf Biegung beansprucht sind. Die inneren Enden dieser Lamellen sitzen in den Längsschlitzen 8 fest. Die Lamellen 9 sind mit ihrem äußeren Ende in Radialschlitzen eines Ringes 11 festgehalten, der in einer ringförmigen Ausnehmung eines Ringes 12 untergebracht ist. Dieser Ring 12 ist seinerseits in einer konzentrischen Ausbohrung des Antriebsteils 3, also der Riemenscheibe festgehalten. Stifte 14 gewährleisten eine drehfeste Verbindung des Ringes 11 mit dem Ring 12, und Schrauben 15 gewährleisten eine drehfesle Verbindung des Ringes 12 mit dem AntriebsiJl 3. Die Ringe 11 und 12 und auch die äußeren Enden der elastischen Lamellen sind also fest mit dem Antriebsteil 3 verbunden. Der Ring 12 stützt sich mit einer seiner Stirnflächen auf einer Schulterfläche der Riemenscheibe ab, mittels einer flachen Unterlagsscheibe 16. Die elastischen Lamellen 10 sind mit ihrem äußeren Ende in zugehörigen Nuten eines Ringes 17 festgehalten und radial durch einen Ring 18 gestützt. Dabei ist der Ring 18 am Ring 17 durch Stifte 19 festgehalten; dagegen können sich beide Ringe 17, 18 als Einheit frei in der Ausbohrung des Antriebsteils 3 drehen und axial verschieben.

Der Ring 12 hat an seiner dem Ring 17 gegenüberliegenden Stirnfläche mindestens einen Vorsprung 20, der eine zur Längsrichtung der Kupplung geneigte Fläche besitzt; der Ring 17 besitzt einen Einschnitt 17(7 mit einer Flanke, welche zur Längsrichtung der Kupplung im gleichen Winkel geneigt ist. Es handelt sich hier um Mittel, die dazu dienen, eine Drehverstellung des Ringes 17 in bezug auf den Ring 12 zu ermöglichen; diese Mittel weisen auch zwei Ringe 21 und 22 auf, die in ein Innengewinde eines Ansatzes der Riemenscheibe eingeschraubt sind, wobei der Ring 22 als Gegenmutter dient, wenn er gegen den Ring 21 durch Schrauben 23 gespannt ist, von denen nur eine gezeigt ist.

Wenn die beiden Ringe 21 und 22 von dem Ring 17 gelöst werden, so nimmt dieser in bezug auf den Ring 12 eine bestimmte Drehlage ein, nämlich eine solche, in der sämtliche Lamellen 9 und 10 sich in Radialebenen erstrecken, weil sie dann nicht auf Biegung beansprucht sind. Dieser Zustand der Lamellen 9 und 10 in in der Fig. 4 mit ausgezogenen Linien veranschaulicht. Wenn dagegen der Ring 21 mehr oder weniger stark gegen den Ring 17 geschraubt worden ist, so nimmt dieser eine gegenüber dem Ring 12 drehversetzte Lage unter der Einwirkung der Vorsprünge 20 auf die geneigten Flächen 17« des Ringes 17 ein. Somit werden die mit diesem Ring fest verbundenen Enden der Lamellen 10 urn einen gleichen Betrag in Umfangsrichtung gegenüber den äußeren Enden der Lamellen 9 verschoben, wobei aber die inneren Enden der Lamellen 9 und 10 für jedes Paar solcher Lamellen aufeinander ausgerichtet bleiben, da sie ja in ein und demselben Längsschlitz 8 festgehalten sind. Somit werden diese Lamellen 9 und 10 in ihrem frei liegenden Zwischenabschnitt gebogen, etwa so wie dies in Fig. 4 schemalisch veranschaulicht ist; dieser Zwischenabschnitt hat dann die Form eines schlanken S. Die Weichheit der Kupplung erfährt eine Verminderung in dem Maß, wie die elastischen Lamellen 9 und 10 auf die eben beschriebene Weise in ihrem Zvvischenabschnitt ausgebogen werden. Es ist somit ohne weiteres möglieh, diese Weichheit zwischen zwei vorbestimmten Grenzen einzustellen, wobei sie bei einer solchen Einstellung sich progressiv ändert und von Fall zu Fall nach den vorliegenden Bedürfnissen vorgenommen werden kann, beispielsweise anläßlich des Einbaucs der Kupplung in einer Drehmaschine eines bestimmten Typs oder sogar beim Einrichten einer solchen Drehmaschine für die Ausführung von ganz bestimmten Arbeiten.

Die in den Fig. 5 bis 7 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der eben beschriebenen Ausführiingsform durch konstruktive Einzelheiten. Die elastischen Lamellen 109 und 110 sind mit ihren inneren Enden in Längsschlitzen 108 der Spindel 102 gehalten, und mit ihren äußeren Enden sind sie in radialen Schlitzen des Ringes 112 bzw. des Ringes 117 gehalten. Der Ring 112 ist an dem auf Kugellagern 104 am Support 101 gelagerten Antriebsteil 103 durch einen Stift 115 festgehalten, dessen Kopf in eine Längsnut 112rj des Ringes 112 eingreift.

In der F i g. 7 sieht man sehr gut keilförmige Vorsprünge 120 des Ringes 112 und zugehörige Einschnitte im Mantelteil des Ringes 117, wobei die Flanken 120a unter dem gleichen Winkel geneigt sind und die eine oder die andere derselben dazu bcstimmt ist, mit der passend geneigten Gegenflanke des Einschnittes 117a zusammenzuwirken. Man findet in dieser Ausführungsform auch die Einstellringe 121.122. Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist im wesentlichen gleich derjenigen der vorhin beschriebenen iVjsführungsform: wenn nämlich dei King 121 gegen den Ring 117 bei einer Einstellung verschraubt wird, so erfährt dieser Ring 117 gegenüber dem Ring 112 eine Drehverstellung und eine Ausbiegung des frei liegenden Teiles der elastischer Lamellen 109 und 110. wie dies schon für die Aus führungsform nach Fi g. 4 gezeigt ist.

Die in den F i g. 8 und 9 veranschaulichte Ausfühlungsvariante unterscheidet sich vor», der vorhin be schriebenen Ausführungsform nur hinsichtlich dei Ausbildung derjenigen Ringe, die mit Radialschlitzer versehen sind, in denen die elastischen Lamellen festgehalten sind. Diese Lamellen sind hier mit 209 bzw 210 bezeichnet und die Ringe mit 212 bzw. 217; dies« Ringe haben eine Form, die etwas einfacher ist al; diejenige der Ringe 112 und 117. Die Wirkungsweis« dieser Ausführungsvariante ist aber praktisch dieselbi wie diejenige der vorbeschriebenen Ausführungsform

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   I. Elastische Kupplung zwischen einer in Drehung zu versetzenden Spindel und einem konzentrisch darübergelagerten Antriebsteil mit dazwischengelagerten Federelementen, die aus zwei im ungebogenen Zustand sich in Radialrichtung erstreckenden Federstahllamellensätzen bestehen deren inneres Ende in einer von mehreren Längsnuten der Spindel festsitzt und deren äußeres Ende mit dem Antriebsteil in formschliisngem Eingriff steht und jede Lamelle einen frei liegenden und somit ausbiegbaren Zwischenabschnitt aufweist, sowie an dem Antriebsteil eine Einrichtung vorgesehen ist, über welche zum Verstellen der Kupplungselastizität die Federstahllamellensä'ze gegeneinander verspannbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Anwendung auf die d;\s Werkstück aufnehmende Spindel (2; 102) einer Drehmaschine diese und das Antriebsteil (3; 103) unabhängig voneinander in bzw. auf einem gemeinsamen Support (1; 101) gelagert sind, wobei in an sich bekannter Weise die Federelementensätze(9, 10; 109, 110; 209, 210) in axialer Richtung aneinandergereiht sind und die Verspannung über gegeneinander in Umfangsrichtung über Anlenkteile (20, 17«; 120, 120«) verdrehbare Ringe (12, 17; 112, 117; 212, 217) erzeugbar ist.
2. 2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (12. 17; 112, 117; 212, 217) mit komplementären, unter gleichem Winkel zur Umfangsrichtung geneigt verlaufenden Schrägflächen (bei 20, 17«) versehen sind, die durch Axialverschiebung eines der Ringe (12, 17; 112, 117; 212, 217) relativ zum andern miteinander in Eingriff bringbar sind, wobei eine Verdrehung der Ringe zueinander erfolgt, und daß zur axialen Verschiebung des einen Ringes im Antriebsteil (3; 103) ein zusätzlicher Ring (21) in Axialrichtung schraubverstellbar angeordnet ist.

   Übertragung höherer Leistungen mit entsprechen* hoher Anzahl von Federelementen arbeitsaufwendi] ist. Außerdem ist dabei eine Einstellung derart, dal alle Federelemente etwa gleichmäßig beanspruch werden, nur schwer zu realisieren.

   Eine Veränderung der Kupplungselastizität durcl Änderung der Vorspannung von als in Umfangsrich tung angeordnete Spiralfedern ausgebildeten Feder elementen durch relative Verdrehung von an der

   jo Federelementen angreifenden Ringen ist ebenfalls be kannt (USA.-Patentschrift 1 352 251), jedoch ist dies< Kupplung konstruktiv aufwendig und daher in dei Herstellung teuer.

   Demgegenüber befaßt sich die Entfernung mit dei Ausgestaltung elastischer Kupplungen für spanend* Werkzeugmaschinen, wobei nicht ihre stoßdämpfend* Wirkung im Vordergrund steht, sondern ihre Ausge staltung derart, daß durch ein definiertes Schwingungsverhalten die zur Erzeugung hoher Oberflächen-

   ao guie des Werkstücks erforderliche Spanform erziel! wird.

   In verschiedenen Gattungen von Werkzeugmaschinen, namentlich in den Drehautomaten, soll der Span diskontinuierlich sein, also in einer Vielzahl von kurzen Abschnitten anfallen, und nicht in langen Wendeln, die sich um die Werkzeuge wickeln, dies damit die Abführung der Späne erleichtert wird und die bearbeiteten Werkstücke leichter gesammelt und weggeführt werden können.

   Die Bildung des diskontinuierlichen Spanes, also die Unterteilung des Spanes in eine Vielzahl von kurzen Abschnitten, findet statt nach einer Frequenz, die »Spanbildungsfrequenz« genannt wird und die bestimmt ist durch die periodische Veränderung der Schnittkraft im Laufe der Spanbildung, entsprechend einer Erregungsfrequenz des Werkzeuges.

   Die Werkstücktragspindel der Drehmaschine oder sonstigen Werkzeugmaschine hat

   eine Eigenfrequenz bzw. Resonanzfrequenz hinsichtlich Biegungsvibration,
   eine Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz hinsichtlich Torsionsvibration.

   Die Erfindung betrifft eine elastische Kupplung zwischen einer in Drehung zu versetzenden Spindel und einem konzentrisch darübergelagerten Antriebsteil mit dazwischengelagerten Federelementen, die aus zwei im umgebogenen Zustand sich in Radialrichtung erstreckenden Federstahllamellensätzen bestehen, deren inneres Ende in einer von mehreren Längsnuten der Spindel festsitzt und deren äußeres Ende mit dem Antriebsteil in formschlüssigem Eingriff stehl und jede Lamelle einen frei liegenden und somit ausbiegbaren Zwischenabschnitt aufweist, sowie an dem Aniriebsteil eine Einrichtung vorgesehen ist, über welche zum Verstellen der Kupplungsetastizität die Federstahllamellensätze gegeneinander verspannbar sind.

   Zwischen einer anzutreibenden Spindel und einem Antriebsteil angeordnete elastische Kupplungen dieser Art sind bekannt tlJSA.-Patentschrift 3 013 413), wobei clic Elastizität der Federelemente auftretende Stöße dämpft. Dabei ist auch eine Veränderung der elastischen Eigenschaften der Kupplung durch Änderung der wirksamen Federlänge der Fcdcrek·- (15 mciite möglich. Hierbei muß jedoch die wirksame Federlünge jedes Federelementes einzeln eingestellt werden, was insbesondere bei Kiipplunuen im die Diesen Frequenzen entsprechen die biegungskritische Drehgeschwindigkeit und die torsionskritische Drehgeschwindigkeit, wobei noch Primär- und Sekundärschwingungen zu berücksichtigen sind.

   Das Werkzeug, insbesondere der Drehmeißel, besitzt eine eigene Schwingungsresonanzfrequenz.

   Die Untersuchung des Schneidvorganges und der Parameter der Bearbeitungsbedingungen lassen in vollem Umfange die Wichtigkeit der Übereinstimmung zwischen Her Spanbildungsfrequenz mit der Werkzeugschwingungsfrequenz und mit der Werkstückschwingungsfrequenz erkennen, wobei die Relativvibration zwischen Werkzeug und Werkstück die Oberflächenrauheit (in Längs- und in Querrichtung') der bearbeiteten Oberfläche bestimmt.

   Hieraus ergibt sich für die Konstruktion von modernen und präzisen Werkzeugmaschinen das unbedingte Erfordernis, sich mit ihrem dynamischen Verhalten zu befassen; namentlich muß das Schwingungsverhalten der Spindel und des Werkzeugs studiert weiden und muß versucht werden, diese Organe so zu konzipii-ren, zu dimensionieren und anzuordnen, daß ihre Eigenfrequenz einen von der SpanbiMungsfrequenz stark abweichenden Wert hat, um ihdurch eine Resonanzerscheinung /u vermeiden, die