DE3641190A1 - Werkstoffbearbeitungs-vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkstoff­ bearbeitungs-Vorrichtung mit einem Antrieb, einer mechanisch gelagerten Abtriebswelle (Spindel oder dergleichen) und einem Bear­ beitungswerkzeug.

Insbesondere bei hochbeanspruchten und fuer die verschiedensten Einsatzgebiete erforderlichen Lagerteilen von Abtriebswellen insbesondere fuer Arbeitsspindeln bei allen Werkzeugmaschinenarten wie Fraes-, Dreh-, Bohr- und Holzbearbeitungs­ maschinen und anderen Arbeitsmaschinen besteht das Problem, dass die Drehzahl durch die Waerme­ entwicklung in Lagerstellen begrenzt ist. Hin­ zu kommt gerade bei schnellaufenden Arbeitsspin­ deln, dass die Standzeit infolge der extremen thermischen Beanspruchung relativ gering ist. Es ist zwar bereits versucht worden, die Kuehlung der Arbeitsspindeln beziehungsweise der Lagerstellen von aussen her vorzunehmen. Abgesehen von dem mit dem Durchmesser der Lagerstellen zunehmenden Weg fuer das Kuehlmittel besteht dabei aber das Pro­ blem, die mindestens ebenso thermisch belasteten Lagerteile der Arbeitsspindel ausreichend mit Kuehlmittel zu versorgen. Diese Versorgung ist aufgrund des relativ geringen Waermeuebergangs im Bereich der Lagerstellen extrem erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Werkstoffbearbeitungs-Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sie in die Lage versetzt wird, bis zur maximal moeglichen Drehzahl zu laufen, ohne dabei der Gefahr einer hohen thermischen Belastung und der damit ver­ bundenen Standzeitverkuerzung ausgesetzt zu sein.

Die Erfindung loest diese Aufgabe durch min­ destens einen in der Abtriebswelle liegenden Kanal, durch den ein Kuehlmittel mindestens durch ein Teil der Abtriebswelle gefuehrt wird.

Im Gegensatz zu der vorher beschriebenen externen Kuehlung wird nunmehr das Kuehlmittel intern ein­ gefuehrt und uebt die Kuehlwirkung an den Lager­ stellen von innen her aus. Gerade die thermisch besonders belasteten Lagerteile der Abtriebswelle werden damit bevorzugt mit Kuehlmittel versorgt waehrend die Kuehlwirkung der feststehenden Lagerteile durch die relativ grosse Menge des um­ gebenden Materials gewaehrleistet ist. Eine ge­ gebenenfalls vorgesehene zusaetzliche externe Kuehlung unterstuetzt diese Kuehlwirkung, ist jedoch im Rahmen der Erfindung nicht unbedingt erforderlich.

Beim Kuehlmittel selbst kann es sich um praktisch jedes in der Technik bekannte Kuehlmittel handeln, sei es fluessig oder gasfoermig. Besonders vor­ teilhaft ist die Verwendung von fluessigem Stick­ stoff, da dieser in grossen Mengen ohne weiteres zur Verfuegung steht und auch bei Kuehlmittelver­ lusten beziehungsweise bei Austritt in die Atmosphaere ohne Belastung fuer die Umwelt ist.

Der Kanal selbst kann auf verschiedene Weise ge­ staltet sein. Er kann je nach den fertigungs­ technischen apparativen Gegebenheiten gerade oder gebogen oder auch schraeg bezueglich der Achse der Abtriebswelle verlaufen. Fertigungs­ technisch besonders einfach ist dabei ein Kanal in Form einer achsialen Bohrung herzu­ stellen.

Hierzu besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, diesen Kanal als zentrische Bohrung aus­ zurichten. Dies bietet den Vorteil, das Kuehl­ mittel auf einfache Weise ebenfalls zentrisch zu fuehren zu koennen.

Ergaenzend oder alternativ hierzu koennen mehrere symetrisch bezueglich der Mittelachse der Abtriebswelle und exzentrisch angeordnete Kanaele beziehungsweise Kanalabschnitte vorge­ sehen sein. Die Versorgung mit Kuehlmittel kann beispielsweise nach Art eines Revolvermagazins bei jedem Vorbeilauf eines derartigen Kanals an einer gemeinsamen Zufuehrung vorgenommen werden.

Eine weitere Erhoehung der Standzeit der Ab­ triebswelle durch eine weitere Verbesserung der Kuehlwirkung kann durch mindestens einen Bypass­ kanal erziehlt werden, der in einem Abschnitt der Abtriebswelle, beispielsweise im Bereich einer Lagerstelle verlaeuft. Damit ist es moeg­ lich, diese Lagerstellen durch dicht vorbeilauf­ endes Kuehlmittel besonders intensiv zu kuehlen und damit eine optimale Kuehlwirkung zu er­ zielen.

Die Fuehrung des Kuehlmittels ist auf unter­ schiedliche Weise moeglich, so kann innerhalb der Abtriebswelle ein Kreislaufsystem installiert sein, bei dem in einem Kanal das Kuehlmittel von einer Zufuehroeffnung durch die Abtriebswelle bis in den Bereich des Bearbeitungswerkzeugs und in einem dazu paralellen Kanal zurueck in den Bereich der Einfuehroeffnung verlaeuft. Dem ge­ genueber ergibt sich eine Verbesserung durch eine Einwegfuehrung des Kuehlmittels, die durch Austrittsoeffnungen in der Abtriebswelle im Be­ reich des Bearbeitungswerkzeugs begrenzt ist. Diese Austrittsoeffnungen lassen sich dabei vor­ teilhafterweise als Duesen ausbilden, die auf das Bearbeitungswerkzeug, vorzugsweise auf die Bear­ beitungsflaeche gerichtet, ist.

Diese Kuehlwirkung kann noch zusaetzlich verbes­ sert werden, wenn das Bearbeitungswerkzeug selbst mindestens einen Kanal besitzt, der an einen Ka­ nal in der Abtriebswelle anschliesst. Damit laesst sich auch die Standzeit des Bearbeitungs­ werkzeugs deutlich erhoehen.

Ergaenzend kann das Bearbeitungswerkzeug auch mit einer Seele aus gut waermeleitendem Material ver­ sehen sein, die in einen Kuehlmittelkanal der Ab­ triebswelle hineinragt beziehungsweise an diesen anschliesst. Damit wird es moeglich gemacht, die thermische Belastung auch des Werkzeugs zu ver­ ringern und damit die Standzeit unabhaengig von thermischen Beanspruchungen zu machen.

In der Zeichnung sind Ausfuehrungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Werkstoffbearbeitungsvorrichtung gemaess der Erfindung mit hochwirk­ samer Kuehlung

Fig. 2 ein Kupplungsstueck zum Zufuehren des Kuehlmittels fuer eine Vorrichtung gemaess Fig. 1 und

Fig. 3 verschiedene Ausfuehrungsformen von Bearbeitungswerkzeugen, die im Rahmen der Vorrichtung von Fig. 1 eingesetzt werden koennen.

Die Vorrichtung von Fig. 1 zeigt eine Abtriebs­ welle in Form einer Bohrspindel 1, die ueber eine Bohrspindelhuelse 2 mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden ist. Die Bohrspindelhuelse 2 besitzt ferner Zylinderrollenlager 3, einen Zahn­ stangentrieb 4, ein Achsial-Rillenkugellager sowie ein Zylinderrollenlager (zweifach) 6. In­ nerhalb der Bohrspindel 1 ist eine Aufnahme 7 fuer ein nicht dargestelltes Werkzeug ausgebil­ det.

Die Bohrspindel 1 besitzt ferner eine zentrische Bohrung 8, ueber die Kuehlmittel in Form von fluessigem Stickstoff zugefuehrt ist. Die Zufuhr ist beispielsweise in Abhaengigkeit von der Drehzahl der Bohrspindel gesteuert. Die Zufuhr des Kuehlmittels erfolgt ueber ein Kupplungs­ stueck, fuer das ein Ausfuehrungsbeispiel in Fi­ gur 2 dargestellt ist.

Das Kuehlmittel durchstroemt die Bohrung 8 und tritt bei einer Austrittsoeffnung 9, die sowohl in Richtung der Aufnahme 7 als auch nach aussen­ hin verlaeuft, in das Werkzeug beziehungsweise ins Freie ueber.

Durch die Kuehlung der Bohrspindel wird es moeg­ lich gemacht, die gerade bei hohen Drehzahlen auftretende Waerme rasch abzufuehren und somit das Temperaturniveau der Bohrspindel deutlich zu senken. Die Standzeit der Bohrspindel wird da­ durch deutlich erhoeht.

Eine Verbesserung der Fuehrung des Kuehlmittels ist gegenueber 1 ebenfalls gezeigt. Diese besteht in Bypasskanaelen 10 und 11, die in Bereich des Achsial-Rillenkugellagers 5 ausgebildet sind. Da­ mit wird es moeglich gemacht, das Kuehlmittel noch naeher an die thermisch hochbelastete Lagerstelle zu fuehren und diese da mit vor einer thermischen Ueberlastung zu schuetzen.

Die Herstellung der Bypasskanaele 10 und 11 ist beispielsweise mit Hilfe von Bohrungen moeglich gemacht, die paralell zur zentrischen Bohrung 8 vorgenommen werden und die bis hin zum Bypasskanal 10 beziehungsweise 11 im Anschluss an die Her­ stellung der Bohrung verschlossen werden. Die zwischen den paralellen Teilen der Bypasska­ naele 10 und 11 beziehungsweise der zentrischen Bohrung 8 verlaufenden Querkanaele werden eben­ falls mit Hilfe von radialen Bohrungen erzeugt, die im Anschluss daran nach aussen hin verschlos­ sen werden.

Die Zufuehrung des Kuehlmittels erfolgt ueber beispielsweise das in Schema 2 dargestellte Kupplungsstueck. Dieses besteht im wesentlichen aus einer Halteplatte 12, einer Gleitlagerung 13 fuer die Bohrspindel 1, einem Drucklager 14, Dichtlamellen 15 sowie einem Zwischenteil 16, das das Drucklager 14 ueber eine Feder 17 mit Feder­ kraft beaufschlagt.

Die Zufuhr des Kuehlmittels erfolgt ueber eine Schlauchtuelle 18, die feststehend in einem Hal­ teteil 19 gelagert ist. Die Schlauchtuelle geht in einen Schlauch oder ein Rohr 20 ueber, der am Anfang der zentrischen Bohrung 8 (ver­ groessert dargestellt) endet.

Das Halteteil 19 ist auch bei Rotation der Bohrspindel 1 feststehend. Das gilt auch fuer den im Halteteil 19 liegenden Teil des Drucklagers 14, waehrend das Zwischenteil 16 zusammen mit der Bohrspindel 1 rotiert. Auf diese Weise wird eine dichte Einfuehrung des Kuehlmittels in die zentrische Bohrung 8 erreicht.

In Fig. 3 sind verschiedene Ausfuehrungsformen von Bearbeitungswerkzeugen gezeigt. Die Bear­ beitungswerkzeuge sind in der Aufnahme 7 der Bohrspindel 1 gehalten. Im Einzelnen ist in Teil a von Fig. 3 ein Bohrer gezeigt, der le­ diglich durch das im Bereich der Austritts­ oeffnung 9 austretende Kuehlmittel bevorzugt an seinem dort liegenden Ende gekuehlt wird.

Eine Verbesserung demgegenueber ist in Teil b von Fig. 3 gezeigt. Hierbei ist innerhalb des Rohres eine Silberseele 21 angeordnet, die die im Rohre 20 entstehende Waerme in dem Bereich der Austrittsoeffnung 9 abfuehrt. Dadurch wird bei der Ausfuehrungsform von Figur b der Bohrer 20 in seinem Temperaturniveau abgesenkt und so­ mit seine Standzeit mit Hilfe der durch das Kuehlmittel hervorgerufenen Kuehlwirkung erhoeht.

In den Teilen c und d sind Fraeser 22 gezeigt, die ebenfalls in die Aufnahme 7 einsetzbar sind. Die beiden Ausfuehrungsformen unterscheiden sich hinsichtlich ihres Kuehlmittelaustritts. Eine Ausfuehrungsform von c ist der Kuehlmittelaus­ tritt vor dem eigentlichen Fraeskopf 23. Die hierzu dienende Aufsatzoeffnung 24 ist als Duese ausgebildet, die auf den Fraeskopf 23 ausge­ richtet ist und diesen somit extern durch das austretende Kuehlmittel und intern durch die innerhalb des Fraeskopfs 23 erfolgende Waerme­ leitung kuehlt.

Beim Ausfuehrungsbeispiel von d ist der Austritt des Kuehlmittels an der Spitze des Fraeskopfs 23. Hierzu dient eine Austrittsoeffnung 25.

In beiden Faellen ist innerhalb des Fraesers 22 eine Bohrung 26 vorgesehen, die das im Be­ reich der Austrittsoeffnung 9 in Richtung der Aufnahme 7 austretende Kuehlmittel in den Fraeser 22 leitet. Beide Ausfuehrungsformen zeichnen sich durch eine deutliche Erhoehung der Standzeit aus. Eine derartige Standzeit wird auch nicht durch externe Kuehlungen des Fraesers erreicht.

Durch die erfindungsgemaesse Verwendung einer in­ ternen Kuehlmittelzufuhr wird mit geringem Auf­ wand eine deutliche Verlaengerung der Standzeit, sowohl der Bohrspindel 1 als auch der darin ein­ gesetzten Bearbeitungswerkzeuge erreicht. Ferner laesst sich durch die Verringerung der Waerme­ entwicklung insbesondere an den Lagerstellen der Bohrspindel die Drehzahl erhoehen und auf hohem Niveau konstanthalten.

Claims (12)

1. Werkstoffbearbeitungs-Vorrichtung mit einem Antrieb, einer mechanisch gelagerten Antriebs­ welle (Spindel oder dergleichen) und einem Be­ arbeitungswerkzeug, gekennzeichnet durch mindestens einen in der Abtriebswelle liegenden Kanal, durch den ein Kuehlmittel mindestens durch einen Teil der Abtriebs­ welle gefuehrt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Kuehlmittel bei Eintritt in den Kanal fluessiger Stickstoff ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal eine achsiale Bohrung in der Abtriebswelle ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Bohrung eine zentrale Bohrung ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mehrere symetrisch bezueglich der Mit­ telachse der Abtriebswelle und exzentrisch da­ zu angeordnete Kanaele beziehungsweise Kanalabschnitte.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekenn­ zeichnet durch mindestens einen paralell zur zentrischen Bohrung verlaufenden Bypass­ kanal in einem Abschnitt der Antriebswelle.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet, dass der Bypasskanal im Bereich einer Lager­ stelle der Abtriebswelle verlaeuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprueche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mindestens eine Aus­ trittsoeffnung fuer das Kuehlmittel an der Ab­ triebswelle im Bereich des Bearbeitungswerk­ zeugs.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Austrittsoeffnung als Duese ausgebildet ist, die auf das Bear­ beitungswerkzeug gerichtet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprueche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bear­ beitungswerkzeug mindestens einen Kanal be­ sitzt, der an einem Kanal in der Abtriebs­ welle anschliesst.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprueche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bear­ beitungswerkzeug mindestens eine Austritts­ oeffnung fuer das Kuehlmittel besitzt, die zumindest in der Naehe der Bearbeitungs­ flaeche liegt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprueche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bear­ beitungswerkzeug eine Seele aus gut waerme­ leitendem Material besitzt, die in den Kanal hineinragt beziehungsweise an diesen anschliesst.