DE3443208A1

DE3443208A1 - Machine tool spindle

Info

Publication number: DE3443208A1
Application number: DE19843443208
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8961 Waltenhofen Effenberger; Helmut 8951 Lengenwang Heel
Original assignee: A Ott GmbH
Current assignee: A Ott GmbH
Priority date: 1984-11-27
Filing date: 1984-11-27
Publication date: 1986-05-28

Abstract

The machine tool spindle comprises a rotationally drivable spindle (1), the spindle nose (5) of which coaxially encloses a straight, frustoconical internal taper (7) for accommodating a steep-angle taper shank (9) of a tool (11). A clamping device (15, 19) can be coupled to the steep-angle taper shank (9). The clamping device (15, 19) draws the steep-angle taper shank (9) under axial pretension into the internal taper (7). In order to provide for radial centrifugal expansion, essentially constant in the axial direction, of the internal taper (7) even at very high speeds of, for example, 10000 to 100000 revolutions per minute, the outside diameter of the spindle nose (5) is tapered towards the axial end face (21) of the spindle nose (5) in an axial area between the smallest inside diameter of the internal taper (7) and its largest inside diameter. <IMAGE>

Description

Werkzeugmaschinenspindel Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer rotierend antreibbaren Spindel, deren Spindelnase einen geraden, kegelstumpfförmigen Innenkonus zur Aufnahme eines Steilkegelschafts eines Werkzeugs gleichachsig umschließt und mit einer mit dem Steilkegelschaft kuppelbaren Spannvorrichtung zum axialen Einziehen des Steilkegelschafts in den Innenkonus. Machine tool spindle The invention relates to a machine tool spindle with a rotating driven spindle, the spindle nose of which is straight, frustoconical Coaxially encloses inner cone for receiving a steep taper shank of a tool and with a clamping device that can be coupled to the steep taper shank for the axial Drawing in the steep taper shank into the inner cone.

Die Spindeln einer Reihe von Werkzeugmaschinen, z.B. Fräsmaschinen, rotieren mit sehr hoher Drehzahl von beispielsweise 10.000 Umdrehungen pro Minute und mehr. Bei diesen Drehzahlen weitet sich der den Steilkegelschaft des Werkzeugs aufnehmende Innenkonus aufgrund der Fliehkräfte bereits merklich auf, mit der Folge, daß der Steilkegelschaft des Werkzeugs nicht mehr über die gesamte Kegel länge gleichmäßig radial eingespannt ist und dadurch seinen Halt verliert. Die Folgen sind unzureichende Drehmomentübertragung, schlagendes Werkzeug und die eventuelle Zerstörung der Spindel durch zu große Unwucht.The spindles of a number of machine tools, e.g. milling machines, rotate at a very high speed of 10,000 revolutions per minute, for example and more. At these speeds, the steep taper of the tool widens receiving inner cone already noticeably due to the centrifugal forces, with the result, that the steep taper shank of the tool is no longer uniform over the entire length of the taper is clamped radially and thereby loses its hold. The consequences are insufficient Torque transmission, hitting tools and the possible destruction of the spindle due to excessive imbalance.

Es wurdenun versucht, der Aufweitung des Innenkonus dadurch $ntgegenzuwirken, daß die Wandstärke der Spindel im Bereich des Innenkonus durch einen zur Spindelnase hin sich vergrößerenden Außendurchmesser verstärkt wurde. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch diese Maßnahme bei sehr hohen Drehzahlen von beispielsweise 10.000 bis 25.000 Umdrehungen pro Minute keine gleichmäßigen radialen Spannkräfte zu erzielen sind.Attempts have now been made to counteract the expansion of the inner cone by that the wall thickness of the spindle is in the range of the inner cone through a to the spindle nose increasing outer diameter was reinforced. It has However, it has been shown that by this measure at very high speeds of, for example 10,000 to 25,000 revolutions per minute no uniform radial clamping forces are to be achieved.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen konstruktiv einfachen Weg zu zeigen, wie auch bei Drehzahlen von wenigstens 10.000 Umdrehungen pro Minute eine über die gesamte Lange des Steilkegelschafts gleichmäßige radiale Spannkraft erreicht werden kann.It is the object of the invention to show a structurally simple way as well as at speeds of at least 10,000 revolutions per minute one over the Uniform radial clamping force can be achieved over the entire length of the steep taper shank can.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der Außendurchmesser der Spindel zur Erzielung einer im wesentlichen konstanten radialen Zentrifugalaufweitung des Innenkonus in einem Bereich axial zwischen dem kleinsten Innendurchmesser des Innenkonus und dessen größten Außendurchmesser zur axialen Stirnseite der Spindelnase hin verjüngt.This object is achieved according to the invention in that the outer diameter the spindle to achieve a substantially constant radial centrifugal expansion of the inner cone in an area axially between the smallest inner diameter of the Inner cone and its largest outer diameter to the axial face of the spindle nose tapered towards.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkzeugmaschinenspindeln wird nicht versucht, der Zentrifugalaufweitung entgegenzuwirken, sondern es wird durch geeignete Bemessung des Außendurchmesserverlaufs im Bereich des Innenkonus dafür gesorgt, daß sich der Innenkonus über seine gesamte axiale Länge gleichmäßig aufweitet. Die an der Werkzeugmaschinenspindel vorgesehene Spannvorrichtung zieht den Steilkegelschaft des Werkzeugs in den bei Rotation sich aufweitenden Innenkonus hinein und verhindert so das Lockern des Werkzeugs. Der dadurch bedingte axiale Versatz des Werkzeugs beeinträchtigt die Funktion der Werkzeugmaschine nicht, da er beim Einstellen der Werkzeugmaschine berücksichtigt werden kann. Insbesondere sind keine speziellen Werkzeugkegelschäfte erforderlich und auch die Innenkonusform muß gegenüber herkömmlichen, genormten Formen nicht geändert werden.Unlike traditional machine tool spindles, it won't tries to counteract the centrifugal expansion, but it is through appropriate Dimensioning of the outer diameter in the area of the inner cone ensured that the inner cone expands evenly over its entire axial length. the The clamping device provided on the machine tool spindle pulls the steep taper shank of the tool into the inner cone, which widens during rotation, and prevents so loosening the tool. The resulting axial offset of the tool does not affect the function of the machine tool, since when setting the Machine tool can be taken into account. In particular, they are not special Tool taper shanks required and the inner cone shape must be compared to conventional, standardized forms are not changed.

Der ideale Außendurchmesserverlauf läßt sich unter Zuhilfenahe der Elastizitätstheorie errechnen. Dem idealen Verlauf entspricht eine konkave Krümmung der Oberflächenerzeugenden der Spindel im Bereich des Innenkonus. Dieser Verlauf läßt sich in stetiger Form oder durch eine Stufenform bzw. eine Polygonzugform approximieren. In vielen Fällen ist es ausreichend, den idealen Verlauf durch eine Kegelstumpfform mit geradliniger erzeugender anzunähern.The ideal course of the outside diameter can be determined with the help of the Calculate the theory of elasticity. A concave curvature corresponds to the ideal course the surface generating area of the spindle in the area of the inner cone. This course can be approximated in a continuous form or by a step form or a polygonal shape. In many cases it is sufficient to create the ideal course through a truncated cone shape to approximate with rectilinear generating.

Der Innenkonus geht insbesondere auf seiner durchmesserkleineren Seite vielfach in einen Innenzylinder über, welcher die Kupplungsorgane der Span Spannvorrichtung enthält.The inner cone goes in particular on its smaller-diameter side often in an inner cylinder, which the coupling elements of the clamping device contains.

Um auch im Übergangsbereich Auswirkungen auf die Zentrofugalaufweitung des Innenkonus zu vermeiden, ist der Außendurchmesser der Spindel im axialen Bereich des Innenzylinders im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser im axial angrenzenden Bereich des Innenkonus bemessen.In order to have an impact on the expansion of the Zentrofugal in the transition area to avoid the inner cone, the outer diameter of the spindle is in the axial area of the inner cylinder essentially equal to the outer diameter in the axially adjacent Measure the area of the inner cone.

Bei der zum Ausgleich des durch die Zentrifugalaufweitung sich ergebenden axialen Spiels vorgesehenen Spannvorrichtung kann es sich um eine herkömmliche, mit dem Steilkegelschaft des Werkzeugs kuppelbare Zugstange handeln, die in der Spindel axial verschiebbar ist und von Federn oder durch ein sonstiges Kraftgerät, beispielsweise einen Hydraulikzylinder in Einzugsrichtung des Steilkegelschafts vorbelastet ist. Die Kupplung der Zugstange mit dem Steilkegelschaft kann ebenfalls herkömmlich ausgebildet sein und beispielsweise durch ein Gewinde oder eine Spannzange realisiert sein.With the to compensate for the resulting centrifugal expansion axial play provided clamping device, it can be a conventional, with the steep taper shank of the tool act couplable drawbar, which in the The spindle is axially displaceable and is supported by springs or some other power device, for example a hydraulic cylinder in the pull-in direction of the steep taper shank is biased. The coupling of the drawbar with the steep taper shaft can also be designed conventionally and for example by a thread or a collet be realized.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 einen schematischen Axiallängsschnitt durch eine Werkzeugmaschinenspindel gemäß der Erfindung und Fig. 2 eTn Diagramm zur Erläuterung der Form der Spindel im Bereich der Werkzeugaufnahme.In the following, an embodiment of the invention will be based on Drawings are explained in more detail. It shows: FIG. 1 a schematic axial longitudinal section by a machine tool spindle according to the invention and FIG. 2 eTn diagram to explain the shape of the spindle in the area of the tool holder.

Die Fig. 1 zeigt eine Spindel 1 einer Werkzeugmaschine, die in nicht näher dargestellter Weise um ihre Achse 3 mit sehr hoher Drehzahl von wenigstens 10.000 Umdrehungen pro Minute, beispielsweise 10.000 bis 50.000 Umdrehungen pro Minute rotierend angetrieben wird. Die Spindel 1 umschließt im Bereich ihrer Spindelnase 5 einen zur Drehachse 3 gleichachsigen, geraden Innenkonus 7 zur Aufnahme eines Steilkegelschafts 9 eines Werkzeugs 11, beispielsweise eines Fräswerkzeugs. In einer koaxialen Bohrung 13 der Spindel 1 ist eine Zugstange 15 axial verschiebbar geführt.Fig. 1 shows a spindle 1 of a machine tool that is not in shown in more detail about its axis 3 at a very high speed of at least 10,000 revolutions per minute, for example 10,000 to 50,000 revolutions per minute Minute is driven rotating. The spindle 1 encloses in the area of its spindle nose 5 a straight inner cone 7 coaxial with the axis of rotation 3 for receiving a Steep taper shank 9 of a tool 11, for example a milling tool. In a coaxial bore 13 of the spindle 1, a pull rod 15 is guided axially displaceably.

Die Zugstange 15 ist mit dem spindelseitigen Ende des Steilkegelschafts 9 über eine lösbare Kupplung 17, hier eine Gewindekupplung, gekuppelt. Eine zwischen der Zugstange 15 und der Spindel 1 angreifende Feder 19 zieht den'Steilkegel schaft 9 in den Innenkonus 7 ein und hält die von der Kegelverbindung zu übertragenden Kräfte und Drehmomente aufrecht. Bei der Rotation der Spindel 1 mit hoher Drehzahl wird der Innenkonus 7 aufgrund der auf die Spindelnase 5 wirkenden Zentrifugalkraft radial aufgeweitet. Die Feder 19 gleicht die radiale Aufweitung aus, indem sie den Steilkegel schaft 9 weiter in den aufgeweiteten Innenkonus 7 einzieht.The tie rod 15 is with the spindle-side end of the steep taper shank 9 via a releasable coupling 17, here a threaded coupling, coupled. One between the spring 19 acting on the pull rod 15 and the spindle 1 pulls the pitch cone shaft 9 in the inner cone 7 and holds the to be transmitted from the cone connection Forces and torques upright. When rotating the spindle 1 at high speed the inner cone 7 becomes due to the centrifugal force acting on the spindle nose 5 radially expanded. The spring 19 compensates for the radial expansion by the Steep taper shaft 9 continues to move into the widened inner cone 7.

Um für eine gleichmäßige Aufweitung des Innenkonus 7 über dessen gesamte axiale Höhe zu sorgen, nimmt der Außendurchmesser der Spindelnase 5 im wesentlichen im gesamten Bereich zwischen dem kleinsten Innendurchmesser des Innenkonus 7 und dem größten Innendurchmesser des Innenkonus 7 zur axialen Stirnseite 21 der Spindelnase 5 hin ab. Der optimale Verlauf der den Außendurchmesser der Spindel nase in diesem Bereich bestimmenden Erzeugerkurve 23 ergibt sich entsprechend Fig. 2 gemäß folgender Gleichung: In dieser Gleichung bedeutet: x eine variable Koordinate in Achsrichtung des Innenkonus 7, deren Koordinatenursprung am Ort des kleinsten Innendurchmesers des Innenkonus 7 gelegen ist und deren positive Richtung in Richtung der Durchmessererweiterung des Innenkonus 7 zeigt; D (x) den Außendurchmesser der Spindel nase 5 am Ort der a variablen Koordinate x; r. (x) den Innenradius des Innenkonus 7 am Ort der variablen Koordinate x entsprechend der Formel: r. (x) = r. t tg cm - x 1 10 r den kleinsten Innenradius des Innekonus 7; 10 a den halben Kegelwinkel des Innenkonus 7; W. die Winkelgeschwindigkeit mit der die Spindel 1 10 rotiert; die zulässige radiale Aufweitung des Innenkonus (7) 10 bei der Winkelgeschwindigkeit Wio; p die Dichte des Materials der Spindelnase 5; E den Elastizitätsmoduls des Materials der Spindelnase 5; a den Wert (3+v)/8; b den Wert a-(1+3v)/8; die Querdehnzahl.In order to ensure a uniform expansion of the inner cone 7 over its entire axial height, the outer diameter of the spindle nose 5 decreases essentially in the entire area between the smallest inner diameter of the inner cone 7 and the largest inner diameter of the inner cone 7 towards the axial end face 21 of the spindle nose 5 . The optimal course of the generating curve 23, which determines the outer diameter of the spindle nose in this area, results according to FIG. 2 according to the following equation: In this equation: x means a variable coordinate in the axial direction of the inner cone 7, the coordinate origin of which is located at the location of the smallest inner diameter of the inner cone 7 and whose positive direction points in the direction of the diameter expansion of the inner cone 7; D (x) the outer diameter of the spindle nose 5 at the location of the a variable coordinate x; r. (x) the inner radius of the inner cone 7 at the location of the variable coordinate x according to the formula: r. (x) = r. t tg cm - x 1 10 r is the smallest inner radius of the inner cone 7; 10 a half the cone angle of the inner cone 7; W. the angular speed at which the spindle rotates 1 10; the permissible radial expansion of the inner cone (7) 10 at the angular velocity Wio; p is the density of the material of the spindle nose 5; E is the modulus of elasticity of the material of the spindle nose 5; a is the value (3 + v) / 8; b is the value a- (1 + 3v) / 8; the Poisson's ratio.

Der Verlauf des Außendurchmessers der Spindelnase 5 im Bereich des Innenkonus 7 ist im Idealfall leicht konkav gekrümmt. Diese Krümmung kann durch einen stufenförmige oder im Längsschnitt polygonzugförmige Approximationskurve 23a angenähert werden. Bei Drehzahlen zwischen 10.000 bis 25.000 Umdrehungen genügt vielfach auch eine lineare Approximation gemäß der Linie 23b, bei welcher die Spindelnase im Bereich des Innenkonus 7 die Form eines im wesentlichen über die gesamte Höhe des Innenkonus 7 sich erstreckenden geraden Kegelstumpfs mit gerader Erzeugender hat.The course of the outer diameter of the spindle nose 5 in the area of the Inner cone 7 is ideally curved in a slightly concave manner. This curvature can go through a stepped or in longitudinal section polygonal approximation curve 23a be approximated. At speeds between 10,000 to 25,000 revolutions is sufficient often also a linear approximation according to the line 23b, in which the spindle nose in the area of the inner cone 7 the shape of a substantially over the entire height of the inner cone 7 extending straight truncated cone with straight generatrix Has.

An dem durchmesserkleinsten Teil des Innenkonus 7 schließt sich ein-Innenzylinder 25 an, der die Kupplung 17 und/oder den Kopf des Steilkegelschafts 9 aufnimmt. Der Außendurchmesser der Spindelnase 5 schließt in diesem Bereich ohne Durchmessersprung an den die Zentrifugalaufweitung egalisierenden Durchmeserbereich an. In Fig. 1 ist dieser Außenzylinderbereich bei 27 dargestellt.An inner cylinder closes on the part of the inner cone 7 with the smallest diameter 25 to which the coupling 17 and / or the head of the steep taper 9 records. The outside diameter of the spindle nose 5 closes in this area without Jump in diameter to the diameter area equalizing the centrifugal expansion at. This outer cylinder area is shown at 27 in FIG. 1.

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Claims

Machine tool spindle Patent claims 1. Machine tool spindle with a rotating spin egg (left, whose spindle nose (5) has a straight, frustoconical inner cone (7) for receiving a steep-taper shank (9) of a Tool (11) coaxially encloses una with a with the steep taper shank (9) Couplable clamping device (15, 19) for axially pulling in the steep taper shank (3) in the inner cone (7), in that the outer diameter the spindle nose (5) to achieve a substantially constant radial centrifugal revolving of the inner cone (7) in an area axially between the smallest inner diameter of the inner cone (7) and its largest inner diameter to the axial end face (21) the spindle nose (5) tapers out.

2. Machine tool spindle according to claim 1, characterized in that the outer diameter of the spindle nose (5) is at least approximately according to the formula tapered, where in the formula: x denotes a variable coordinate in the axial direction of the inner cone (7), the s1c; extends in a positive direction from the origin at the location of the smallest inner diameter of the inner cone (7) to the sensen largest inner diameter, Da (x) the outer diameter of the spindle nose (5) at the location of the coordinate x, ri (x) the inner radius of the inner cone (7) at Location of coordinate x, according to the formula: ri (x) rio + tga. x rio the smallest inner radius of the inner cone (7), α the half cone angle of the inner cone (7), wio the angular speed of the spindle (1) Uio the permissible radial expansion of the inner cone (7) at the angular speed wio the density of the material of the spindle nose ( 5) E is the modulus of elasticity of the material of the spindle nose (5), a the value (3 + v) / 8 b the value a- (1 + 3v) / 8 v the transverse number.

3. Machine tool spindle according to claim 1 or 2, characterized in that that the outer diameter of the spindle nose (5) corresponds to a truncated cone tapers with an essentially straight generatrix.

4. Machine tool spindle according to claim 1 or 2, characterized in that that the outer diameter of the spindle nose (5) tapers continuously.

5. Machine tool spindle according to claim 1 or 2, characterized in that that the outer diameter of the spindle nose (5) tapers in steps.

6. Machine tool spindle according to claim 1 or 2, characterized in that that the outer diameter of the spindle nose (5) corresponds to a rotation body tapered, the generatrix of which follows a traverse.

7. Machine tool spindle according to one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the inner cone (7) at least at one of its axial ends in an inner cylinder (25) passes over and that the outer diameter of the spindle in the axial Area of the inner cylinder essentially equal to the outer diameter in the axial direction adjacent area of the inner cone is.