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Lagerung für die Spindel einer Werkzeugmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Lagerung für die Spindel einer Werkzeugmaschine
mit einem durch ein flüssiges Druckmittel betätigbaren Spannzeug,dem das Druckmittel
durch ein auf der Spindel zwischen deren beiden Hauptlagern angeordnetes,nicht rotierendes
Druckmittelzuführungsgehäuse zugeführt wird, das mit mindestens zwei zur Spindeloberfläche
offenen Ringnuten und mindestens drei die Ringnuten umgebenden Lagerflächen versehen
ist,deren Durchmesser geringfügig größer als der zugehörige Außendurchmesser der
Spindel ist.
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Spindellagerungen der voranstehend beschriebenen Art sind bekannt.
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Die Spindel ist hierbei mittels zweier Hauptlager im Spindelgehäuse
gelagert,wobei das am auskragenden vorderen Spindelende angreifende Gewicht des
Spannzeuges und die dort ebenfalls angreifende Zerspanungskraft eine Durchbiegung
der Spindel zur Folge haben. Die maximale Durchbiegung liegt zwischen den beiden
Lagern und führt zu Schwingungen der Spind welche die maximale Zerspanungsleistung
der Werkzeugmaschine begrenzen. Um diese Durchbiegung zu vermeiden, ist es bei älteren
Werkzeugmaschinen-Konstruktionen bekannt'zwischen den beiden Hauptlagern ein drittes,
sogenanntes Mittellager anzuordnen,welches der Durchbiegung entgegenwirkt. Dieses
als Wälzlager ausgebildete Mittellager kann zwar die maximale Durchbiegung begrenzen,
führt jedoch nur zu einer begrenzten Dämpfung der Spindelschwing-. ungen,weil ein
ein Wälzlager nur begrenzte Dämpfungseigenschaften besitzt.
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Um dem Druckmittelzylinder für ein kraftbetätigtes Spannzeug das flüssige
Druckmittel zuführen zu können, ist es bei Spindellagerungen mit zwei Lagern üblich,
das hintere Ende der Spindel aus dem Spindelgehäuse herauszuführen und auf diesem
herausragenden Ende ein nicht rotierendes Druckmittelzuführungsgehäuse anzuordnen,
welches mittels zweier Druckmittelschläuche mit der Druckmittelquelle verbunden
ist.Das Druckmittelzuführungsgehäuse ist in axialer Richtung unverschiebbar auf
der Spindel gelagert und besitzt zwei zur Oberfläche der Spindel offene Ringnuten,die
jeweils mit einem Druckmittelschlauch in Verbindung stehen. Im Bereich jeder dieser
Ringnuten ist die Spindel mit jeweils mindestens einer Radialbohrung versehen, welche
über innerhalb der Spindel verlaufende Bohrungen mit jeweils einer Seite des Druckmittelzylinders
in Verbindung steht,der zur Betätigun es Spannzeuges unmittelbar am Spannzeug angeordnet
ist und mit der Spindel umläuft.
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Bei der in der Praxis am häufigsten verwendeten Art befindet sich
jedoch der Druckmittelzylinder am hinteren Ende der Spindel; die Betätigung des
Spannzeuges erfolgt durch eine in einer zentralen Bohrung der Spindel verlaufende
Zugstange. Es ist darüber hinaus bekannt,den Druckmittelzylinder im Spannzeug anzuordnen,
so daß übertragungsmittel in der Art von Zugstangen entfallen können. Für diese
Ausführungsform gibt es zwei unterschiedliche Anordnungen des Druckmittelzuführungsgehäuses.
Bei der einen Ausführung ist das Druckmittelzuführungsgehäuse zwischen den beiden.
Schrägrollenlagern angeordnet,welche das vordere Hauptlager der Spindel bilden.
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Bei der anderen bekannten Ausführung ist das Druckmittelzuführungsgehäuse
zwischen den beiden Hauptlagern angeordnet. Zur Festlegung und Aufrechterhaltung
des Lagerspaltes ist in diesem Fall das Druckmittelzuführungsgehäuse auf beiden
Seiten durch jeweils ein zusätzliches Lager auf der Spindel abgestützt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der bekannten
Möglichkeiten zur Uberführung von Druckmittel zwischen sich drehender Spindel und
feststehendem Druckmittelzuführungsgehäuse die Druckmittel zuführung ähnlich einem
hydrodynamischem Lager
zur Verhinderung von Spindeldurchbiegungen
und zur Dämpfung von Spindelschwingungen heranzuziehen.
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Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet,daß das ringförmige DruckmittelzuRührungsgehäuse im Bereich der maximalen
Durchbiegung der Spindel als Lagergehäuse eines hydrodynamischen Gleitlagers ausschließlich
am Spindelgehäuse abgestützt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Abstützung des Druckmittel zuführungs ge
-häuses ausschließlich am Spindelgehäuse wirkt dieses als Lagerschale eines hydrodynamischen
Gleitlagers,welches sich selbsttätig den jeweiligen Bedingungen anpaßt und unter
Verminderung des bisherigen Aufwandes eine erhebliche Verringerung der maximalen
Durchbiegung der Spindel sowie eine wirkungsvolle Dämpfung der Spindelschwingungen
bewirkt, so daß die Zerspanungsleistung der Werkzeugmaschine durch die erfindungsgemäße
Spindellagerung erheblich gesteigert werden kann.
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Durch die anfängliche Durchbiegung der Spindel aufgrund des Gewichtes
des Spannzeuges und der Rastung durch die Zerspanungskräfte ergibt sich im Spalt
zwischen Spindeloberfläche und Druclgmittelzuführungsgehäuse an der der Belastungsrichtung
entgegengesetzten Seite eine Engstelle und gegenüberliegend das Maximum eines kreissichelförmigen
Raumes. In diesem Raum baut sich durch das unter Druck zugeführte Druckmittel hydrodynamisch
ein Druckkeil auf,der im Bereich der Engstelle sein Maximum erreicht und auf diese
Weise den Belastungen (Durchbiegung und Schwingungen) entgegenwirkt. Das Druckmittelzuführungsgeh#use
wirkt somit durch seine Abstützung im Spindelgehäuse in Zusammenarbeit mit der Slfideloberfläche
als hydrodynamisches Gleitlager,welches die maximale Durchbiegung der Spindel verringert
und Spindelschwingungen dämpft, so daß nicht nur die Zerspanungsleistung der Werkzeugmaschine
erheblich gesteigert sondern auch die erzielbare Oberflächengüte verbessert werden
können, und zwar bei gleichzeitiger Verlängerung der Werkzeug-Standzeiten. Das bisher
nur als Druckmittel zuführung dienende Zuführungsgehäuse wirkt
somit
zusätzlich als Lagerstelle und als Dämpfung,wobei diese zusätzlichen Effekte bei
gleichzeitiger Verringerung des konstruktiven Aufwandes erzielt werden,weil das
DruckmittelzuSührungsgehäuse erfindungsgemäß ohne zusätzliche Lager zur Abstützung
an der Spindel angeordnet wird.
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Gegenüber einem herkömmlichen hydrodynamischen Gleitlager besitzt
die erfindungsgemäße Lagerung den Vorteil,daß durch die Verwendung der Ringnuten
als Zuführkanäle für das Druckmittel dieses auf dem gesamten Umfang in axialer Richtung
der Lagerfläche zugeführt wird, so daß die im Bereich der kreissichelförmigen Erweiterung
zugeführte Druckmittelmenge größer ist als die Druckmittelzufuhr am res~ichen Umfang.
Hierdurch ergibt sich selbsttätig der notwendige Druckmittelüberschuß für den Schmierkeil,der
im übrigen selbsttätig an diejenige Stelle wandert,welche der Richtung der Resultierenden
aus den Belastungen gegenüberliegt. Wenn sich diese Richtung,beispielsweise mit
fortschreitender Bearbeitung durch Wandern des Angriffspunktes des Schneidstahles
am Werkstück ändert,paßt sich die Lage des Schmierkeiles selbsttätig an. Eine weitere
selbsttätige Anpassung an die Gegebenheiten erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lagerung
dadurch, daß der Druck des flüssigen Druckmittels zur Betätigung des Spannzeuges
der Zerspanungsleistung angepaßt wird, so daß bei einer hohen Zerspanungsleistung
auch ein hoher Druck ansteht,der demgemäß zu einer Vergrößerung der im Druckmittelzuführungsgehäuse
erzeugten Gegenkräfte führt.
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Bei der erfindungsgemäßen Lagerung bildet sich ein Druckkeil stets
an der mittleren Lagerfläche des Druckmittelzuführungsgehäuses aus, die zwischen
den beiden Ringnuten liegt. In Abhängigkeit von der Spannrichtung (Außenspannung
oder Innenspannung) des Spannzeuges wird zusätzlich ein Druckkeil an derjenigen
Lagerfläche ausgebildet, die seitlich neben derjenigen Ringnut liegt,die für die
jeweilige Spannrichtung mit Druckmittel versorgt wird.
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Neben der Möglichkeit,die Druckverhältnisse des hydrodynamischen Gleitlagers
durch Abstimmung von Spindelaußendurchmesser und Innendurchmesser
des
Druckmittelzuführungsgehäuses sowie zudurch Wahl der axialen Erstreckung der Lagerflächen
zu beeinflussen, ist es gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung möglich, mindestens
eine Lagerfläche des Druckmittelzuführungsgehäuses mit Lagertaschen zu versehen,
um bei extremen Belastungen die der Belastung entgegengerichtete Tragkraft zu erhöhen.
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Auf der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Spindellagerung dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine
Spindellagerung mit oberhalb des Längsschnittes eingezeichneten Biegelinien, Fig.
2 einen Querschnit gemäß der Schnittlinie II-II zur Darstellung des sich aufbauenden
Druckkeiles und Fig. ) einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie III-III zur Veranschaulichung
der Anordnung von Lagertaschen.
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Die anhand eines Ausführungsbeispiels im Langsschnitt in Fig.1 dargestellte
Spindellagerung zeigt ein Spindelgehäuse 1,in welchem eine mit einer durchgehenden
Spindelbohrung 2a versehene Spindel 2 gelagert ist,die durch eine auf ihrem hinteren
Ende angeordnete Keilriemenscheibe 5 angetrieben werden kann. Zur Lagerung der Spindel
2 sind ein vorderes Hauptlager 4 und ein hinteres Hauptlager 5 vorgesehen, die beim
dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als Kegelrollenlager ausgebildet sind.
An einem am vorderen Ende der Spindel 2 ausgebildeten Spindelflansch 2b ist ein
kraftbetätigtes Spannfutter 6 befestigt.
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Dieses Spannfutter 6 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel als
Keilhakenfutter ausgebildet. Es besitzt einen Futterkörper 6a, in welchem mindestens
zwei Spannbacken 6b in radialer Richtung verschiebbar geführt sind, wobei diese
Spannbacken 6b jeweils aus Grundbacke und Auf satzbacke bestehen. Jede Grundbacke
greift mittels eines Keilhakens in einen Futterkolben 6c ein, der in axialer Richtung
durch einen Spannkolben 6d verschiebbar ist. Eine Axialbewegung dieses Spannkolbens
6d hat somit eine entsprechende radiale Bewegung der Spannbacken 6b zur Folge. Der
unmittelbar mit dem Futterkolben 6c verbundene Spannkolben 6d ist innerhalb einer
zylindrischen
Bohrung im Futtergehäuse 6a verschiebbar geführt.
Diese zylindrische Bohrung ist an ihrem vorderen und an ihrem hinteren Ende durch
Zylinderdeckel 6e abgeschlossen, die auf diese Weise zusammen mit dem Spannkolben
6d einen vorderen Zylinderraum 6f und einen hinteren Zylinderraum 6g bilden. Diese
Zylinderräume 6f und 6g werden zum Einspannen eines Werkstückes W mit einem flüssigen
Druckmittel beaufschlagt. Bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
das Werkstück W an seiner Außenfläche durch eine radial nach innen gerichtete Bewegung
der Spannbacken 6b eingespannt. Um diese Außenspannung zu erzielen,muß der vordere
Zylinderraum 6f mit Druckmittel beaufschlagt werden. Die Bearbeitung des Werkstückes
W erfolgt durch einen Schneidstahl S,der schematisch in Fig.1 angedeutet ist.
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Die Zufuhr des flüssigen Druckmittels zu den Zylinderräumen 6f oder
6g erfolgt durch ein Druckmittelzuführungsgehäuse 7,welches ringförmig ausgebildet
und mit seiner Außenfläche am ->Spindelgehäuse 1 zwischen den Hauptlagern 4 und
5 abgestützt ist. Es befindet sich zwischen den beiden Hauptlagern 4 und 5 im Bereich
der maximalen Durchbiegung der Spindel 2. Seine axiale Lage wird durch einen Distanzring
8 gesichert.
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An der Innenfläche des Druckmittelzuführungsgehäuses 7 sind zwei zur
Oberfläche der Spindel 2 offene Ringnuten 7a und 7b ausgebildet.
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Zwischen den beiden Ringnuten 7a und 7b besitzt das Druckmittel zuführungsgehäuse
eine mittlere Lagerfläche 7c. Seitlich neben der Ringnut 7a ist weiterhin eine vordere
Lagerfläche 7d und seitlich neben der Ringnut 7b eine hintere Lagerfläche 7e vorhanden.
Jede Ringnut 7a bzw. 7b steht über einen Anschlußstutzen 9 mit einer nicht dargestellten
Druckmittelquelle in Verbindung, so daß das flüssige Druckmittel wahlweise der Ringnut
7a oder der Ringnut 7b zugeführt werden kann,wobei gldchzeitig die nicht mit Druckmittel
beaurschlagte Ringnut 7b bzw. 7a der Rückführung der drucklosen Flüssigkeit zur
Verfügung steht.
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Aus der Ringnut 7a gelangt das Druckmittel über mindestens eine radiale
Anbohrung in einen Druckmittelkanel lo,der zum vorderen
Zylinderraum
6f führt. Durch einen Druckmittelkanal 11,der ebenfalls innerhalb der Spindel 2
ausgebildet ist,kann Druckmittel aus der Ringnut 7b in den hinteren Zylinderraum
6g gelangen. Durch Zufuhr von Druckmittel zur Ringnut 7a und über den Druckmittelkanal
lo zum vorderen Zylinderraum 6f wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel das
Werkstück W im Spannfutter 6 eingespannt. Die Größe der Einspannkaft ist hierbei
von der Größe des Druckes abhängig. Zum Lösen des Spannfutters nach Beendigung des
Bearbeitungsvorganges wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel der hintere Zylinderraum
6g über den Druckmittelkanal 11 und die Ringnut 7b mit Druckmittel beaufschlagt.
Während des Bearbeitungsvorganges steht - je nach Spannrichtung - stets einer der
beiden Zylinderräume 6f und 6g und damit stets eine Ringnut 7a bzw. 7b unter Druck.
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Oberhalb des Längsschnittes ist in vergrößertem Maßstab die Durchbiegung
der Spindel 2 dargestellt,wie sie sich bei der Annahme, daß ihr Trägheitsmoment
über die gesamte Spinddlänge konstant ist, bei einer Belastung durch eine Zerspanungskraft
Z ergibt,welche durch den Schneidstahl S auf das Werkstück W ausgeübt wird. Mit
einer durchgehenden Linie ist die Durchbiegung dargestellt, die sich ergeben würde,wenn
die Spindel 2 lediglich durch die Hauptlager 4 und 5 im Spindelgehäuse 1 gelagert
wäre. Diese Durchbiegung würde die Lagerkräfte FA und FB zur Folge haben und die
maximale Durchbiegung f zwischen den Hauptlagern 4 und 5 ergeben. Im Bereich des
Kraftangriffes durch den Schneidstahl S würde die Verlagerung Vmax. auftreten.
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Durch die Anordnung des Druckmittelzuführungsgehltuses 7 im Bereich
der maximalen Durchbiegung fmax zwischen den Hauptlagern 4 und 5 wird die Durchbiegung
zwischen diesen Hauptlagern 4 und 5 auf den Wert fmin verringert, da sich gemäß
Fig.2 infolge der Durchbiegung eine Verlagerung der Spindel 2 innerhalb der Bohrung
des Druckmittelzuführungsgehäuses 7 ergibt>die zum Aufbau eines dynamischen Druckfeldes
D führt,welches eine resuBierende Gegenkraft G erzeugt.
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Diese in der Art eines hydrodynamischen Gleitlagers erzeugte Gegenkraft
G vermindert jedoch nicht nur die maximale Durchbiegung auf
den
mit strichpunktierten Linien in Fig.1 dargestellten Wert, sondern reduziert auch
die Verlagerung am Angriffspunkt der Zerspanungskraft Z auf den Wert Imin: Der Aufbau
des Druckfeldes und die hierbei sich ergebende Druckverteilung gemäß Fig.2 sind
aus der Theorie der hydrodynamischen Gleitlager ebenso bekannt wie die hiermit erzielte
Wirkung der Schwingungsdämpfung.
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Zur Erhöhung der erzeugten Gegenkraft kann das DruckmittelzuSührungsgehäuse
7, beispielsweise im Bereich der Lagerflächen 7d und 7e mit Lagertaschen 7f versehen
sein, die in der Schnittdarstellung gemäß Fig. eingezeichnet sind.
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Bezugsziffernliste: 1 Shdelgehäuse W Werkstück 2 Spindel S Schneidstahl
2a Spindelbohrung Z Zerspanungskraft 2b Spindelflansch FA Lagerkraft 3 Keilriemenscheibe
FB Lagerkraft 4 Vorderes Hauptlager fmax Maximale Durchbiegung 5 Hinteres Hauptlager
fmin, Minimale Durchbiegung 6 Spannfutter 6a Futterkörper Vmax. Maximale Verlagerung
6b Spannbacke Vmin. Minimale Verlagerung 6c Futterkolben D Dynamisches Druckfeld
D Dynamisches Druckfeld 6d Spannkolben G Resultierende Gegenkraft 6e Zylinderdeckel
6f Vorderer Zylinderraum 6g Hinterer Zylinderraum 7 Druckmittelzuführungsgehäuse
7a Ringnut 7b Ringnut 7c Mittlere Lagerfläche 7d Vordere Lagerfläche 7e Hintere
Lagerfläche 7f Lagertasche 8 Distanzring 9 Anschlußstutzen lo Druckmittelkanal 11
Druckmittelkanal