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Werkzeugspindel Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugspindel,
wie Bohr- oder Schleifspindel oder dergleichen mlt einem Elektromotor, dessen Statorteil
mit der Spindelhülse und dessen Rotor mit der Spindelwelle verbunden ist.
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wobei die Spindelwelle mit einer ersten werkzeugseitigen Lagereinheit
und einer zweiten, von der Werkzeugseite gesehen, vor dem auf der Spindelwelle aufgesetzten
Rotor liegenden Lagereinheit in der SpindelhUlse drehbar gelagert ist, sowie mit
einem endseitig am Elektromotor angeordneten Lüfter.
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Die Spindelwelle wird, damit sie möglichst genau und ruhig läuft,
an den zwei eingangs genannten im sogenannten Lagerabstand voneinander entfernten
Stellen gelagert, so daß der den Rotor tragende Teil der Spindeltaelle auskragt.
Bei den bekannten Werkzeugspindeln ist die Spindelwelle zudem noch über den Rotor
hinaus verlängert und trägt auf diesem Wellenteil das LUfterrad eines Lüfters. Aus
dieser bekannten Bauart resultiert also ein relativ langer Kragarm mit der Folge,
dai die Werkzeugspindel bereits bei solchen Drehzahlen unstabil wird und störende
Schwingungen aufbaut, c den heutigen Anforderungen nicht mehr genügen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeugspindel der eingangs genannten
Art derart zu verbessern, daß ihre kritische Drehzahl weiter nach oben verlagert
wird, so daß die Werkzeugspindel auch bei den zunehmend- geforderten höheren Drehzahlen
stabil und ruhig läuft; dabei soll aber die Werkzeugspindel nicht verteuert werden.
Weiterhin sollen die Handhabung und die Wartung sowie der Zusammenbau erleichtert
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß das LUfterrad
im Luftergehäuse mittels einer eigene#n mit der Spindelwelle zumindest annähernd
fluchtenden LUfterwelle frei drehbar gelagert ist, daß mit dem.
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Lüfterrad ein Teil einer dauermagnetischen Kupplung drehstarr verbunden
ist und daß der andere Teil der Kupplung am rotorseitigen Ende der Spindelwelle
angeordnet und mit der Spindelwelle drehstarr verbunden ist.
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Dauermagnetische Kupplungen wie Synchronkupplung, Wirbelstromkupplung
und Hysteresekupplung sind an sich bekannt und im Handel erhältlich.
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Es ist auch bekannt, eine Hysteresekupplung zum Antrieb eines Lüfterrades
bei Wärmekraftmaschinen einzusetzen, um weitgehend unabhängig von der Antriebsdrehzahl
einen annähernd konstanten Kühlluftstrom zu erzeugen, wie dies beispielsweise aus
der GB-PS 1,172,917 zu ersehen ist. Dabei sind aber die beiden Kupplungshälften
zwar gegeneinander frei drehbar gelagert, sie sitzen jedoch auf einer gemeinsamen
Welle. Eine etwas abgewandelte Art einer Hysteresekupplung wird gemäß der DT-PS
1,138,6wo zum Antrieb eines Lüfterrades bei einem Elektromotor eingesetzt, wobei
auch hier das Lüfterrad frei drehbar auf einem verlängerten Teil der Rotorwelle
gelagert ist.
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Gemäß der Erfindung ist hingegen das LUfterrad auf einer von der Spindel
welle getrennten Lufterwelle gelagert und wird berührungslos mittels der an sich
bekannten dauermagnetischen Kupplung gemeinsam mit der Spindelwelle angetrieben.
Da nach der Erfindung die Spindelwelle nurmehr den Rotor des Elektromotors zu tragen
hat und nicht mehr zusätzlich das LUfterrad, kann der auskragende Teil der Spindelwelle
gegenüber der bekannten Bauart um durchschnittlich 40% verkürzt werden. Damit wird
in besonders vorteilhafter Weise die kritische Drehzahl der Werkzeugspindel derart
nach oben verlagert, daß sie bei den heute geforderten hohen Drehzahlen stabil,
ruhig und genau läuft.
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Während der Kern der Erfindung in der Erkenntnis zu sehen ist, daß
die Lagerung des Lüfterrades von der Spindelwelle zu separieren ist, um die Laufeigenschaften
der Werkzeugspindel zu verbesserm, wobei-dånn zwecks vorteilhaft einfacher Antriebsverhältnisse
das LUfterrad berührungslos mit dem Rotor bzw. der Spindelwelle zu kuppeln ist,
erschließen sich zusätzlich- noch die an sich bekannten #vorteilhaften Ubertragungseigenschaften
der zur Anwendung kommenden dauermagnetischen Kupplung.
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Die dauermagnetische Kupplung kann gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung als Synchronkupplung ausgebildet sein. Bei einer Synchronkupplung
stehen sich auf der Antriebs- und Abtriebsseite spiegelsymmetrisch Dauermagnete
mit einer gleichen geraden Anzahl von Polen gegenüber. Diese Kupplung hat den Vorteil,
daß in ihr keine Verlustleistung au£tritt.-In einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung ist die Kupplung als Wirbelstromkupplung ausgebildet. Im Unterschied zur
Synchronkuppl#ung ist hier eine Kupplungshälfte durch eine elektrisch leitende Scheibe
mit rückseitigem Eisenschluß ersetzt. Mit einer derartigen stark schlupfbehafteten
Kupplung ist vorteilhafterweise zu erreichen, daß das Lüfterrad selbst bei hohen
Drehzahlen des Rotors des Ele#ktromotors relativ langsam rotiert, wodurch die Lärmentwicklung
stark reduziert werden kann Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die Kupplung als Hysteresekupplung ausgebildet. Im Unterschied zur Synchronkupplung
ist hier eine Kupplungshätite ersetzt durch-einen Ring# oder eine Scheibe aus einem
daüermagnetischen Werkstoff mit vergleichsweise großer Remanenz und Permeabilität
und vergleichswese-kleiner Koerzitivfeldstärke, sodaß diese Kupplungshälfte von
der anderen -gegen einigen Widerstand - ummagnetisiert werden kann. Wie aus der
GB-PS 1,172,917 bekannt, liegt der Vorteil der Hysteresekupplung darin-, daß das-LUfterrad
bis zu einer vorgebbaren Drehmomentgreflze synchron und darüber hinaus asynchron
mit dem Rotor des Elektromotörs-mitrotiert, wobei im letztgenannten- Betriebsbereich
der KUhlluEtstrom von der Rotordrehzahl unabhängig nahezu völlig konstant ßleibt.
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Eine wesentlichaVereinfachung in der Handhabung und Wartung der Werkzeugspindel
ist erfindungsgemäß damit zu erreichen, daß das zugleich die Endabdeckung des Elektromotors
darstellende Luftergehäuse mit dem darin mittels der LUfterwelle frei drehbar gelagerten
LUfterrad und mit dem damit drehstarr verbundenen Teil der Kupplung als kompakte,
insbesondere austauschbare Lufterbaugruppe ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung. In Figur 1 ist dazu eine
Werkzeugspindel im Schnitt dargestellt, wobei zur besseren Ubersicht und Verständlichkeit
die bestens bekannten Details, insbesondere im Zusammenhang mit dem angebauten Elektromotor,
weggelassen oder vereinfacht gezeichnet wurden.
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Kernstück der Werkzeugspindel ist die Spindelwelle 1, deren konusförmiger
Teil la zur Aufnahme eines Werkzeuges dient. Der nachfolgende Gewindeabschnitt lb
trägt die Schutzkappe 2, die in bekannter Weise mit dem vorderen Rand 3a der Spindelhülse
3 zusammenwirkt, um allenfalls in den Spalt eingedrungenen Schmutz hinauszuschleudern.
Die Spindelwelle 1 ist mit ihrem vorderen Wellenabschnitt lc mittels einer ersten
Lagereinheit in der Spindelhulse 3 drehbar gelagert. Im Beispiel besteht diese Lagereinheit
aus zwei Kugellagern 4 und 5. Mit ihrem rUckwärtigen Wellenabschnitt ld ist die
Spindelwelle 1 schließlich mittels einer zweiten Lagereinheit, bestehend aus den
Kugellagern 6 und 7, vollständig in der Spindelhulse 3 abgestützt. Ein weiterer
Gewindeabschnitt le nimmt das Spannstück 8 auf, welches zum Dichtstellen der Kugellager
dient.
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Der bisher beschriebene Teil einer Werkzeugspindel ist bereits bestens
in den verschiedensten Ausführungsarten bekannt. Je nach Verwendungszweck kann die
Spindelwelle in bekannter Weise mit einreihigen oder mehrreihigen Wälzlagern oder
auch mit Gleitlagern bzw. hydrostatischen oder hydrodynamischen Lagern abgestützt
sein.
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Bekannt ist auch der Anbau eines Elektromotors, so daß sich die folgende
Beschreibung auf das Wesentlichste beschränken kann. Die vom Kurzschlußkäfig 9a
zusammengehaltenen Rotorbleche 9b eines Rotors 9 sind auf den auskragenden Wellenabschnitt
If aufgeschoben und stützen sich über eine Buchse 10 am Spannstück 8 ab. Festgespannt
wird der Rotor 9
mit Hilfe einer in die Spindeiwelle 1 eingeschraubten
Spannschraube 11, wobei eine Sicherungsscheibe 12 dazwischengelegt ist. Um den Rotor
9 vor einer Verdrehung gegenüber der Spindelwelle 1 abzusichern, kann der auskragende
Wellenabschnitt lf beispielsweise mit einem Polygonaußenprofil versehen sein, wobei
die Bohrung des Rotors 9 mit einem entsprechenden Polygoninnenprofil auszustatten
ist. Eines der möglichen Polygonprofile ist in der Figur strichliert angedeutet.
Dieses Querschnittsprofil ist mit der Bezugszahl 13 gekennzeichnet. Gegenüber der
konventionellen Keil-Verbindung bewirkt diese an sich bekannte Polygonverbindung
in vorteilhafter Weise, daß sich der Rotor 9 auf dem Wellenabschnitt If auch bei
großem Passungsspiel exakt zentriert. Im Gegensatz zur Keil-Verbindung gibt es bei
einer Polyg#onverbindung keine unsymmetrische Massenverteilung, so daß auch hieraus
eine hohe Laufruhe der Werkzeugspindel resultiert.
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Den Rotor 9 umschließt das zugehörige Statorblechpaket 14, welches
die Statorwicklung 15 aufnimmt. Das Statorblechpaket 14 ist im Gehäusemantel 16
verankert, der mit seiner vorderen Stirnseite 16a am vorderen Lagerschild 17 aufsitzt.
Das Lagerschild 17 wieder ist auf die Spindelhülse 3 aufgeschoben und beispielsweise
mit Klebstoff fixiert. An der ruckwärtigen Stirnseite 16b ist das ruckwärtige Lagerschild
18 aufgesetzt, welches Bestandteil der nachfolgend näher erläuterten Lüfterbaugruppe
ist.
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Der gesamte Verbund, bestehend aus den beiden Lagerschilden 17 und
18 und dem dazwischenliegenden Gehäusemantel 16, wird mittels mehrerer am Umfang
verteilter Spannbolzen 19 zusammengehalten, die mit einem Gewindeabschnitt 19a jeweils
in einer Gewindebohrung 17a im vorderen Lagerschild 17 verankert sind. Das andere
Ende der Spannbolzen i9 ragt durch entsprechende Bohrungen 16c des Gehäusemantels
16 sowie durch Bohrungen 18a des rUckwärtigen Lagerschildes 18. Gewindebuchsen 20
schließlich sind auf Gewindeabschnitte 19b der Spannbolzen 19 aufgeschraubt und
stützen sich am Lagerschild 18 ab.
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Gemäß der Erfindung ist die Spindelwelle 1 nicht Uber den Rotor 9
hinaus verlängert. Erfindungsgemäß ist vielmehr eine von der Spindelwelle 1 mechanisch
getrennte Lüfterwelle 21 mittels Kugellager 22 und 23 am rückwärtigen Lagerschild
18 frei drehbar gelagert. Auf ein Ende der LUfterwelle 21 ist ein Lüfterrad 24 ausgepreßt
und am anderen Ende ist
eine Hälfte einer dauermagnetischen Kupplung
mittels der Schraube 25 befestigt. Diese Kupplungshälfte besteht aus einem Weicheisenmantel
26, in den mit Gießharz 27 ein Dauermagnetring 28 eingeklebt ist. Der zweite Teil
der hier beispielsweise gezeichneten Hysteresekupplung besteht einfach nur aus einem
Ring 29 aus Hysteresewerkstoff, der in eine Ausdrehung 30 am Ende des Kurzschlußkäfigs
9a eingeklebt ist. Ausführliche Erläuterungen über dauermagnetische Kupplungen können
unter anderem der Druckschrift Nr. 1141/4 "Dauermagnetische Kupplungen", Ausgabe
April 1967, herausgegeben von der Firma Deutsche Edelstahlwerke Aktiengesellschaft,
entnommen werden.
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Die ruckseitige Stirnfläche 26a des Weicheisenmantels 26 dient zugleich
als Widerlager für den Innenring des Kugellagers 23, dessen Außenring sich Uber
eine Ringfeder 31 (z.B. Wellenfederring) an einem Sicherungsring 32 abstutzt, der
innerhalb der Lagerbohrung 18b des Lagerschilds 18 in einer entsprechenden Nut fixiert
ist. Den Gegenhalt für die LUfterwelle 21 vermittelt das Kugellager 22, welches
sich mit seinem Außenring unmittelbar an den genannten Sicherungsring 32 anlegt
und dessen Innenring an einem zweiten Sicherungsring 33 zur Anlage kommt, der in
einer entsprechenden Nut auf der Lufterwelle 21 fixiert ist. Am Lagerschild 18 ist
abschließend ein LUfterdeckel 34 mittels mehrerer am Umfang verteilter Schrauben
35 befestigt. Die IMJhiluft wird durch Lufteinlässe 34a an der Stirnseite des LUfterdeckels
34 angesaugt, vom LUfterrad 24 radial nach außen gefördert und von den zweckentsprechend
gestalteten Mantelflächen des LUfterdeckels 34 und des Lagerschilds 18 so umgelenkt,
daß sie nach dem Verlassen der zentrisch verteilten Austrittskanäle 18c an den Kühlrippen
16d des Gehäusemantels 16 entlang strömt.
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Die vorstehend beschriebene Lufterbaugruppe gestattet einen problemlosen
Anbau an den Elektromotor. Es besteht keine Gefahr, daß störende Querkräfte auf
die Spindelwelle Ubertragen werden, etwa infolge ungenauen Aufsetzens des Lagerscbllds
18 auf die ruckwärtige Stirnseite 16b des Gehäusemantels 16, oder durch ungleichmäßiges
Anziehen der Gewindebuchsen 20. Die Lagerung des Lufterrades kann, da kein mechanischer
Kontakt mit der Spindelwelle vorliegt, einfacher und billiger ausgefUhr# werden
im Vergleicb zu der bekannten Bauweise, bei welcher das Lüfterrad auf der gleichen
Welle wie der Rotor gelagert ist. Das heißt, es werden dafür keine hochpräzisen
Kugellager benötigt. Es ist auch möglich,
ein Gleitlager anstelle
des gezeigten zweireihigen Kugellagers vorzusehen.
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Die erfindungsgemäße Trennung der LUfterwelle von der Spindelwelle
bewirkt von zwei Seiten her eine Verbesserung der Laufeigenschaften der Werkzeugspindel.
Einerseits wirken sich nämlich Laufstörungen des LUfterrades nicht oder nur vernachlässigbar
auf den Lauf der Spindelwelle aus, und andererseits ist dank der Verkürzung des
auskragenden Wellenabschnittes eine bedeutende Verlagerung der kritischen Spindeldrehzahl
nach oben erreicht. Diese Vorteile werden nach der Erfindung nicht mit dem Nachteil
der Verteuerung erkauft, da die gewählte dauermagnetische Kupplung wesentlich billiger
ist als etwa ein separater Luftermotor, der unter Umständen auch noch eine eigene
Stromversorgung benötigt.