DE3443537C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerung einer Werkzeugma­ schinenspindel mit Kühleinrichtung in einem Spindelstock, bei welcher in der Spindel parallel zur Spindelachse ver­ laufende Zu- und Abflußkanäle für ein die Wälzlagerinnen­ ringe kühlendes, flüssiges Kühlmittel vorgesehen sind, wo­ bei die Zu- und Abflußkanäle mit in die Spindel eingearbei­ teten, im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlnuten in Verbindung stehen.

Bei Werkzeugmaschinen, deren Spindeln mit hoher Drehzahl rotieren, entsteht in den Wälzlagern infolge der Lager­ reibung Wärme, die sowohl auf die Spindel als auch auf den Spindelstock übertragen wird. Durch ungleichmäßige Tempe­ raturverteilung in den Lagerbauteilen und der Spindel er­ geben sich Verlagerungen der Bearbeitungswerkzeuge in Rich­ tung der Spindelachse und in der Winkellage der Drehachse der Werkzeuge, worunter die Bearbeitungsgenauigkeit leidet. Es ist deshalb üblich, die Wälzlageraußenringe mittels einer Kühleinrichtung zwangsweise zu kühlen. Zu diesem Zweck sind bei einer bekannten Einrichtung zur Wärmeableitung an Spin­ dellagerungen (DE-AS 11 70 199) die Wälzlageraußenringe in einer Gehäusebuchse angeordnet, die selbst im Spindelstock zentriert und mittels eines Flansches mit diesem verbunden ist. Die Gehäusebuchse weist an ihrem einen Teil, mit dem sie die Wälzlageraußenringe umschließt und der über den Spindelstock vorsteht, Kühlrippen auf, die von Luft umströmt werden. Da es sich hierbei um Raumluft, also um Luft mit Raumtemperatur handelt, ist diese Art der Kühlung nicht ge­ eignet, um das Lager auf einer Temperatur zu halten, die nur wenig über der Raumtemperatur liegt. Deshalb ist die Gehäusebuchse an ihrem in den Spindelstock hineinragenden Teil mit äußeren Kühlrippen versehen, denen ein flüssiges Kühlmittel zugeführt wird. Diese Kühlrippen und die dazwi­ schenliegenden Nuten sind jedoch gegenüber den Wälzlager­ außenringen axial versetzt angeordnet. Es kann deshalb die Wärme von den Wälzlageraußenringen nur indirekt über die Lagerbuchse zu den letztgenannten Kühlrippen und von diesen zu dem flüssigen Kühlmittel abgeleitet werden. Dies gilt auch bezüglich der bereits erwähnten Luftkühlung. Außerdem genügt eine Kühlung der Wälzlageraußenringe bei den heute geforderten höheren Drehzahlbereichen und steigenden Ge­ nauigkeitsanforderungen nicht. Durch Kühlung der Wälzlager­ außenringe kann nämlich nur ein sehr geringer Teil der an den Wälzlagerinnenringen anfallenden Wärme über die Wälz­ körper abgeführt werden.

Bei einer bekannten Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel mit Kühleinrichtung in einem Spindelstock der eingangs er­ wähnten Art (DE-OS 23 46 480) ist im Innern der hohl ausge­ bildeten Spindel ein zentrales Leitungsrohr angeordnet, wel­ ches sich vom hinteren Ende der Spindel bis in die Nähe der konischen Aufnahmebohrung erstreckt. Das Leitungsrohr ist außen mit mehreren wendelförmig verlaufenden Kühlnuten ver­ sehen, wobei diese Kühlnuten wahlweise auch in der zentra­ len Bohrung der Spindel eingearbeitet sein können. Durch diese Kühlnuten gelangt ein flüssiges Kühlmittel bis in die Nähe der konischen Werkzeugaufnahme und strömt dann über radiale Bohrungen in das Innere des Leitungsrohres, welches einen achsparallelen Abflußkanal für das Kühlmittel bildet. Durch das flüssige Kühlmittel soll die Spindel gekühlt und damit die bei der Zerspanung entstehende Wärme abgeführt werden. Die Wälzlagerinnenringe werden bei dieser bekannten Einrichtung nur indirekt dadurch gekühlt, daß die durch Lagerreibung entstehende Wärme von den Wälzlagerinnenringen auf die Spindel und von dieser axial versetzt auf das das Spindelinnere durchströmende Kühlmittel übertragen wird. Diese indirekte Kühlung ist jedoch ungenügend, zumal das Leitungsrohr mit Abstand von den in der Nähe der Spindel­ nase vorgesehenen, am meisten belasteten Wälzlagerinnen­ ringen endet. Es ist zu vermuten, daß gerade diese Wälz­ lagerinnenringe eher durch die Zerspanungswärme erhitzt als durch das Kühlmittel gekühlt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel mit Kühleinrichtung in einem Spindelstock der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei einem einfachen Aufbau eine einwandfreie Verlustwärme­ abfuhr von den Wälzlagerinnenringen gewährleistet und damit eine hohe Arbeitsgenauigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer der Wälzlager sicherstellt.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Kühl­ nuten im Bereich der am Spindelkopf angeordneten Wälzlager­ innenringe vorgesehen, in die äußere Spindelmantelfläche eingearbeitet und zu den Wälzlagerinnenringen hin offen sind.

Durch diese verhältnismäßig einfachen Maßnahmen wird eine gute Verlustwärmeabfuhr aus dem Nahbereich der Wälzlager­ innenringe sichergestellt. Bei der erfindungsgemäßen Lage­ rung wird das Kühlmittel über die in die äußere Spindelman­ telfläche eingearbeiteten Kühlnuten direkt an die Wälzlager­ innenringe herangeführt. Die durch die Lagerreibung entstan­ dene Wärme wird von den Wälzlagerinnenringen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel unmittelbar auf das flüssige Kühlmittel übertragen und gemäß einer weiteren Ausführungs­ form unter Zwischenschaltung einer dünnwandigen Buchse aus gut wärmeleitendem Material. Dadurch, daß die Kühlnuten im Bereich der Wälzlagerinnenringe angeordnet und zu den Wälz­ lagerinnenringen hin offen sind, wird das Kühlmittel in größtmögliche Nähe zu den Wälzlagerinnenringen gebracht und damit eine ausgezeichnete Wärmeabfuhr gewährleistet. Durch einwandfreie Wärmeabfuhr der Verlustwärme von den Wälzlagerinnenringen wird eine Wärmeübertragung auf die Spindel und ihre Lagerteile vermieden und damit wird auch eine hohe Arbeitsgenauigkeit sichergestellt. Gegenüber Lagerungen mit Kühleinrichtung, bei denen nur die Wälzlager­ außenringe gekühlt werden, hat die erfindungsgemäße Lage­ rung auch ein besseres Kaltstartverhalten, denn etwaige Wärmeausdehnungen brauchen bei der Bemessung der Lagerluft nicht berücksichtigt zu werden. Schließlich führt die gute Wärmeabfuhr von den Wälzlagerinnenringen auch zu einer Er­ höhung der Lebensdauer der Wälzlager.

Die vorliegende Erfindung wurde durch die eingangs erwähnte DE-AS 11 70 199 mangels eines Vorbildes auch nicht nahege­ legt. Dort ist nämlich eine Kühlung der Wälzlagerinnenringe überhaupt nicht vorgesehen. Die Kühlnuten sind außerdem an der Außenseite einer stationären Gehäusebuchse und nicht an der Außenseite der Spindel angeordnet. Ferner sind die Kühlnuten zu der den Wälzlagerringen hin abgekehrten Seite offen und nicht wie bei der Erfindung zu den Wälzlager­ ringen hin. Bei der vorbekannten Lagerung gemäß der DE-AS 11 70 199 haben die Kühlnuten lediglich die Aufgabe, die wärmeübertragende Oberfläche zu vergrößern, während beim Erfindungsgegenstand die Kühlnuten dazu dienen, das Kühl­ mittel in unmittelbarer Nähe der Wälzlagerinnenringe zu bringen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Axialschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel im Axialschnitt.

Die Werkzeugmaschinenspindel 1 ist in der Nähe ihres Spin­ delkopfes 1 a mittels mehrerer Wälzlager 2 im Spindelstock 3 drehbar gelagert. Zwischen den Wälzlagerinnenringen 2 a zweier benachbarter Wälzlager bzw. auch zwischen den Wälz­ lagerinnenringen 2 a und Teilen 1 a sowie 4, die mit der Spindel 1 rotieren, sind jeweils Paßringe 5 vorgesehen. Diese Paßringe sind bei diesem Ausführungsbeispiel an ihren an benachbarten Wälzlagerinnenringen 2 a bzw. mit der Spindel rotierenden anliegenden Stirnflächen jeweils mit Ringnuten versehen, in welchen Dichtungsringe 6 ange­ ordnet sind. Am inneren Ende der Spindel 1 ist mit Schiebe­ sitz die Nabe 7 eines Kegelrades 8 angeordnet, welches von dem Kegelrad 9 angetrieben wird. Die Kegelradnabe 7 ist über die Wälzlager 10 und eine Zwischenbuchse 11 ebenfalls im Spindelstock 3 gelagert.

In der Spindel 1 sind ferner je zwei 180° zueinander ver­ setzte achsparallele Zuflußkanäle 12 und Abflußkanäle 13 vorgesehen. (Der Abflußkanal 13 ist um 90° versetzt ge­ zeichnet.) Im Bereich der in der Nähe des Spindelkopfes 1 a vorge­ sehenen Innenringe 2 a sind in die Spindelmantelfläche 1 b Kühlnuten 14 eingearbeitet, die bei diesem Ausführungsbei­ spiel schraubenlinienförmig verlaufen. Diese Kühlnuten 14 weisen vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf. Sie können gegebenenfalls jedoch auch einen trapezförmigen oder halbrunden Querschnitt aufweisen. Die Kühlmittelnuten 14 sind zu den Wälzlagerinnenringen 2 a hin offen. Das Austreten von Kühlmittel in den Innenraum der Wälzlager 2 wird durch die Dichtungen 6 verhindert.

Damit die Kühlnuten 14 im Gegenstromprinzip durchflossen werden, steht die dem Spindelkopf 1 a am nächsten liegende Kühlnut 14 a über die Verbindungsbohrung 15 mit dem Zufluß­ kanal 12 in Verbindung. Die vom Spindelkopf 1 a am weitesten entfernt liegende Kühlnut 14 b ist über die Verbindungsboh­ rung 16 an den Abflußkanal 13 angeschlossen. Letzterer mün­ det an der Stelle 13 a in das Getriebegehäuse.

Am oberen Ende des Zuflußkanales 12 ist die Spindel 1 von einer Buchse 17 umschlossen, wobei zwischen einem Teil der Buchse 17 und der Spindel ein Ringraum 18 vorhanden ist.

Die Buchse 17 weist eine Eintrittsbohrung 19 auf, die an eine nicht dargestellte Kühlmittelpumpe mit integriertem Kühler angeschlossen ist. Die Buchse 17 umschließt mit ihren beiden Enden 17 a und 17 b die Spindelmantelfläche so, daß zwischen der Spindelmantelfläche und der Buchse 17 ein hydrostatisch wirkender Dichtspalt gebildet wird. Anstelle der Buchse 17 könnte auch jede beliebige andere Zuführein­ richtung vorgesehen sein, die die Zufuhr eines flüssigen Mediums von einem stationären Teil zu einem rotierenden Teil ermöglicht. Beispielsweise könnte die Kühlmittelzufuhr auch stirnseitig am inneren Ende der Spindel 1 erfolgen. Ebenso wäre es denkbar, daß die Kühlmittelableitung über eine Buchse ähnlich der Buchse 17 erfolgt. Einfacher ist es jedoch, den Abflußkanal 13 in das Getriebegehäuse mün­ den zu lassen. Voraussetzung hierfür ist, daß als Kühlmit­ tel Getriebeöl verwendet wird. Vom Getriebegehäuse 20 aus wird das Kühlmittel über den Kühler wieder der nicht dar­ gestellten Pumpe zugeführt.

Durch das unmittelbar an die Wälzlagerinnenringe 2 a heran­ geführte Kühlmittel wird die an den Wälzlagerinnenringen 2 a entstehende Reibungswärme fortlaufend abgeführt, so daß eine Erwärmung der Spindel 1 ausgeschlossen ist und auch bei hohen Spindeldrehzahlen die Arbeitsgenauigkeit erhalten bleibt. Druck und/oder Menge und Temperatur des über den Zuflußkanal 12 und die Kühlnuten 14 den Wälzlagerinnenrin­ gen zugeführten Kühlmittels werden nach Maßgabe einer Füh­ rungsgröße, vorzugsweise der Raumtemperatur, so geregelt, daß die Temperatur der Spindel, gemessen an einer repräsen­ tativen Meßstelle, möglichst genau der Raumtemperatur ent­ spricht.

Die Kühlung der Wälzlageraußenringe 2 b erfolgt in herkömm­ licher Weise mittels eines Kühlmittels, welches über eine im Spindelstock 3 vorgesehene Zuflußbohrung 21 den Kühl­ nuten 22 zugeführt wird, die in einer die Wälzlageraußen­ ringe 2 b umgebenden Zwischenbuchse 23 vorgesehen sind. Das erwärmte Kühlmittel wird über die Austrittsbohrung 24 ab­ geleitet. In ähnlicher Weise werden die oberen Wälzlager 10 durch Kühlmittel gekühlt, welches die Kühlmittelnuten 25 in der Zwischenbuchse 11 durchströmt. Gegebenenfalls können auch die Wälzlagerinnenringe der Wälzlager 10 in ähnlicher Weise gekühlt werden, wie es bezüglich der Wälz­ lagerinnenringe 2 a der unteren Wälzlager 2 beschrieben wur­ de. Allerdings sollte dann der Antrieb der Spindel oberhalb der oberen Wälzlager 10 erfolgen.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt in wesentlichen Teilen mit dem in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiel überein, weshalb auch die gleichen Bezugs­ zeichen verwendet worden sind und obige Beschreibung sinn­ gemäß zutrifft. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist jedoch zwischen den Wälzlagerinnenringen 2 a bzw. auch den Paßringen 5 und der Spindelmantelfläche 1 b eine dünnwandige Buchse 26 aus gut wärmeleitendem Mate­ rial angeordnet. Diese dünnwandige Buchse 26 verhindert den Austritt des Kühlmittels in den Wälzlagerinnenraum, so daß die Dichtungsringe 6 entfallen können. Durch die Dünn­ wandigkeit der Buchse 26 und ihre gute Wärmeleitfähigkeit wird die Wärmeabfuhr von den Wälzlagerinnenringen 2 a kaum beeinträchtigt.

Ferner sind die in die Spindelmantelfläche 1 b eingearbei­ teten Kühlnuten 14′ in diesem Fall nicht schraubenlinien­ förmig angeordnet, sondern als Umfangsnuten ausgebildet. Jede der Kühlnuten 14 ist also in sich geschlossen. Über axiale Verbindungsnuten 27 stehen die einzelnen Kühlnuten 14′ miteinander in Verbindung. Damit das Kühlmittel die Kühlnuten 14′ auch vollständig durchströmt, ist es zweck­ mäßig, wenn die Verbindungsnuten 27 abwechselnd um 180° versetzt zueinander angeordnet sind.

Claims (6)

1. Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel mit Kühleinrich­ tung in einem Spindelstock, bei welcher in der Spindel parallel zur Spindelachse verlaufende Zu- und Abfluß­ kanäle für ein die Wälzlagerinnenringe kühlendes, flüs­ siges Kühlmittel vorgesehen sind, wobei die Zu- und Ab­ flußkanäle mit in die Spindel eingearbeiteten, im we­ sentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlnuten in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühl­ nuten (14, 14′) im Bereich der am Spindelkopf (1 a) ange­ ordneten Wälzlagerinnenringe (2 a) vorgesehen, in die äußere Spindelmantelfläche (1 b) eingearbeitet und zu den Wälzlagerinnenringen (2 a) hin offen sind.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlnuten (14′) in Umfangsrichtung verlaufen und über mehrere axial verlaufende Verbindungsnuten (27) unter­ einander verbunden sind.

3. Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsnuten (27) zwischen benachbarten Kühl­ nuten (14′) abwechselnd um 180° versetzt zueinander an­ geordnet sind.

4. Lagerung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlnuten (14, 14′) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

5. Lagerung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zuflußkanal (12) in die der Stirnfläche des Spindelkopfes (1 a) am nächsten lie­ gende Kühlnut (14 a) mündet und der Abflußkanal (13) an die von der Stirnfläche am entferntesten liegende Kühl­ nut (14 b) angeschlossen ist.

6. Lagerung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wälzlagerinnen­ ringen (2 a) und der Spindelmantelfläche (1 b) im Bereich der Kühlnuten (14′) eine dünnwandige Buchse (26) aus gut wärmeleitendem Material vorgesehen ist.