DE3727525A1 - Hauptspindel, insbesondere eine hochgeschwindigkeitsfraesspindel, fuer werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hauptspindel, insbesondere eine Hochge­ schwindigkeitsfrässpindel, für Werkzeugmaschinen, bestehend aus erstens einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten und antreibbaren Rumpfspindel mit einem Steilkegel für die Aufnahme eines Werkzeuges sowie einer automatischen Werkzeugspann- und -löseeinrichtung und zweitens einem am Gehäuse der Rumpfspindel spannbaren Spindel­ kopf mit dem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Werkzeug mit Steilkegel.

Es soll eine Erhöhung der technisch-ökonomischen Effektivität durch die Steigerung der Kapazität und damit der Produktivität an Bearbei­ tungsstationen mit derartigen Hauptspindeln erreicht werden.

Eine Hauptspindel, bestehend aus einer Rumpfspindel und einem daran befestigten Spindelkopf mit Werkzeug, für Werkzeugmaschinen ist aus dem Schutzrecht DE 33 12 571 A1 bekanntgeworden. Hier wird ein Werkzeug mit einem konischen Einsteckabschnitt, dessen Konusgröße kleiner als diejenige einer konischen Aussparung der Rumpfspindel ist, durch die Verwendung eines Spindelkopfes im Sinne eines Adapters bezüglich der Konusgröße anbringbar. Nachdem das Werkzeug mit dem Adapter-Spindelkopf am Gehäuse der Rumpfspindel befestigt worden ist, wird das Drehmoment durch vollzogenen Form­ schluß übertragen.

Der Mangel dieser Lösung ist die nur im Stillstand der Rumpfspindel mögliche Montier- bzw. Wechselbarkeit des Spindelkopfes mit Werk­ zeug an der Rumpfspindel, wodurch relativ große Werkzeugwechsel­ zeiten benötigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hauptspindel nach der Art des Oberbegriffes des 1. Patentanspruches erfinderisch so weiterzuentwickeln, daß der automatische Werkzeugwechsel unter Drehzahl möglich ist und dadurch die Werkzeugwechselzeit als Hilfs­ zeit gesenkt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ge­ häuse des Spindelkopfes am Gehäuse der Rumpfspindel spielfrei vorzentriert angeordnet ist, im Steilkegel der Rumpfspindel reib­ schlüssige Mitnahmeringe und eine Umfangsnut mit Druckluftanschluß koaxial angeordnet sind, im Gehäuse der Rumpfspindel eine hydro­ mechanische Spanneinrichtung, die mit dem Gehäuse des Spindel­ kopfes korrespondiert, vorgesehen ist, das Werkzeug und die Stirnseite der Rumpfspindel je einen einander zugewandten Plan­ verzahnungsring aufweisen und daß in das Gehäuse des Spindel­ kopfes eine periphere Greiferringnut eingearbeitet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die spielfreie Vorzentrierung des Spindelkopfes an der Rumpfspindel mittels einer Präzisionskugelbuchse zwischen den Gehäusen des Spindelkopfes und der Rumpfspindel realisiert ist.

Ein Taumeln der Rumpfspindel, insbesondere bei hohen Drehzahlen, kann dadurch vermieden werden, daß die Rumpfspindel am Kopplungs­ ende in einem radial beweglichen Zentrierlager zusätzlich abgestützt ist. Zugleich werden durch diese elastische Gehäuseabstützung der Rumpfspindel Zwangskräfte vermieden, die sonst durch die Überbe­ stimmung bei der Dreifachlagerung auftreten würden.

Für eine sichere Realisierung der Synchrondrehzahl von Werkzeug und Rumpfspindel vor dem Spannen des Werkzeuges in der Rumpf­ spindel, vor dem Ineinandergreifen der beiden Planverzahnungsringe am Werkzeug und der Rumpfspindel für die Drehmomentmitnahme und vor der Gehäusespannung des Spindelkopfes ist es zweckmäßig, daß am Werkzeug und an der Rumpfspindel oder an einem sich mit ihr drehenden Teil je eine Frequenzmarke angebracht ist.

Die Überwachung des Schwingungszustandes der Rumpfspindel, ins­ besondere vor der formschlüssigen Kopplung, ist mittels eines an der Rumpfspindel angeordneten Schwingungssensors möglich.

Der Vorteil der Erfindung ist die Ermöglichung des automatischen Werkzeugwechsels unter Drehzahl und dadurch die Senkung der Werkzeugwechselzeit als Hilfszeit. Das hat eine Erhöhung der tech­ nisch-ökonomischen Effektivität durch die Steigerung der Kapazität und damit der Produktivität an Bearbeitungsstationen mit der er­ findungsgemäßen Hauptspindel zur Folge. Weitere spezifische Vor­ teile sind die Erhöhung der Werkzeugstandzeit auf Grund ver­ besserter Schwingfestigkeit der Hauptspindel mit gelagertem Werk­ zeug, die Verbesserung der Wechselgenauigkeit, die Möglichkeit der Voreinstellung von Werkzeug und Lagerung gemäß Bearbeitungs­ regime, die schonende Behandlung der Lagerung durch die Anpas­ sung an das Werkzeug und die spezielle Zerspanungsaufgabe, die Verbesserung der Stabilität des Werkzeuges, die Erhöhung der Lebensdauer der Lagerung und die Verbesserung der Werkstück­ genauigkeit. Da der Spindelkopf außerhalb der Hauptspindel an­ forderungsgemäß genau eingestellt werden kann, beispielsweise durch Komplettauswuchtung des Spindelkopfes mit Werkzeug, und unter Drehzahl präzis einwechselbar ist, kann vor der Weiterar­ beit auf Kontrollschnitt, Werkstückmessung und Schneidenkorrektur verzichtet werden.

Die hohe Steifigkeit des Werkzeuges in der Ebene des Schneiden­ eingriffes auf Grund des enorm geringen Kragarmes infolge der Lagerung des Werkzeugschaftes im Spindelkopf und die besondere Anpassungsmöglichkeit der Lagerung an das Werkzeug und die Be­ arbeitungsaufgabe bedingen eine hohe Serienfertigungsgenauigkeit.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Haupt­ spindel im gekoppelten Zustand von Rumpfspindel und Spindelkopf mit Werkzeug und

Fig. 2 den Axialschnitt nach Fig. 1 in einem Zwischenzustand beim Entkoppeln von Rumpfspindel und Spindelkopf mit Werkzeug.

Eine Rumpfspindel 1 wird durch die Führungslager 2 abgestützt. Für einen taumelfreien Lauf sorgt ein Zentrierlager 3, das radial eine elastische Abstützung 4 zur Vermeidung von Zwangskräften erhält. Im belastungsfreien Zustand ohne Spindelkopf ist diese Ab­ stützung 4 als starr zu betrachten. Der Steilkegel 5 der Rumpf­ spindel 1 trägt Mitnahmeringe 6 und 7, die wiederum mit einer Umfangsnut 8 zur Ausbildung einer aerostatischen Zentrierung beitragen. Soll der Spindelkopf in die sich drehende Rumpfspindel 1 eingewechselt werden, so bringt der Greifer den Spindelkopf, eingreifend in die Greiferringnut 10, zum Zentrierbund 11 des Gehäuses 12 der Rumpfspindel 1 und drückt das Gehäuse 13 des Spindelkopfes spielfrei zentrierend über eine Präzisionskugelbuchse 14 in Richtung Rumpfspindel 1. Nachdem so eine genaue Zentrierung erfolgte, taucht der Steilkegel 15 des Spindelkopfes in den Steil­ kegel 6 der Rumpfspindel 1 ein. Das Festlager 16 gestattet eine sichere Rotation koaxial zum Zentrierbund 11, die über die Mit­ nahmeringe 6 und 7 eingeleitet wird. Die aus der Umfangsnut 8 ausströmende Luft reinigt erstens den Steilkegel 15 und übernimmt mit stärker werdender Paarung zweitens eine schonende Zentrier­ funktion. Melden die Frequenzmarke 17 auf dem Werkzeug 9 und die Frequenzmarke 18 auf der Rumpfspindel 1 Synchronlauf, so schließen die Spannzangen 19 der mechanisch-hydraulischen Spanneinrichtung 20 durch Zurückfahren des Kolbens 21, der beaufschlagt wird durch die Zuleitung 22 über die Drehdurch­ führung 23, die auch die hydraulische Zuleitung 24 und die Luft­ zuleitung 25 zur Umfangsnut 8 aufnimmt. Jetzt erfolgt die Drehmit­ nahme erstens durch vollen Reibschluß der Steilkegel 15 und 5 und zweitens durch die Planverzahnungsringe 26 und 27. Zugleich mit der Kopplung der drehenden Teile greifen die Hebel 28 hinter den Gehäusebund 29 des Gehäuses 13 des Spindelkopfes und pressen ihn gegen die Planfläche 30 des Gehäuses 12 der Rumpf­ spindel 1. Betätigt und definiert angezogen wird der Hebel 28 über ein Gestänge 31, das mittels Kolben 32 betätigt wird. Über die Druckleitung 33 kann der Anpreßdruck gemäß Forderung reguliert werden. Der Antrieb der Rumpfspindel 1 erfolgt mittels Flachriemen 34, wobei der Spannzylinder 35 zugleich als Riemenscheibe ausge­ bildet ist. Gemäß einem Bearbeitungsspektrum gehören mehrere Spindelköpfe zu einem Bearbeitungssortiment, die in einem Spindel­ kopfspeicher analog dem Werkzeugspeicher untergebracht sind. Da­ mit die Funktionen der Spindelköpfe auf Abruf präsent sein können, müssen sie komplett abgedichtet sein. Die Dichtungen 36 und 37 schützen die Festlagerung 16 vor eindringendem Prozeßschmiermittel. Ein Schwingungssensor 38 überwacht den Schwingungszustand der Rumpfspindel.

Die Wirkungsweise ist folgende:
Eine automatische Werkzeugwechsel­ einrichtung, die den Spindelkopf mit Werkzeug 9 in der peripheren Greiferringnut 10 ergriffen hat, positioniert den Spindelkopf vor der Rumpfspindel 1 und bewegt ihn auf sie zu. Durch beispielsweise eine Präzisionskugelbuchse 14 zwischen den Gehäusen 12; 13 des Spindel­ kopfes und der Rumpfspindel 1 wird der Spindelkopf auf einem Zen­ trierbund 11 des Gehäuses 12 der Rumpfspindel 1 spielfrei vorzen­ triert. Die Kopplung des Spindelkopfes mit der Rumpfspindel 1 er­ folgt über den Steilkegel 5; 15 des Werkzeuges 9 und der Rumpf­ spindel 1. Dabei erfolgt die Mitnahme bis zur Synchrondrehzahl über reibschlüssige Mitnahmeringe 6; 7 im Steilkegel 5 der Rumpfspindel 1. Gleichzeitig bilden die Mitnahmeringe 6; 7 die Stege für eine aero­ statische Zentrierhilfe in Form einer Umfangsnut 8 mit Druckluftan­ schluß 25. Dadurch wird im Zustand von Differenzdrehzahlen zwi­ schen Werkzeug 9 und Rumpfspindel 1 ein Anlaufen verhindert. Nach Erreichen der Synchrondrehzahl zwischen Werkzeug 9 und Rumpfspindel 1, ermittelt beispielsweise mittels Frequenzmarken 17; 18 am Werkzeug 9 und der Rumpfspindel 1, erfolgt erstens die Spannung des Werkzeuges 9 über Anzugsbolzen nach dem Prin­ zip einer hydraulisch betätigten Zangenspannung 20 und zweitens die Gehäusespannung des Spindelkopfes über eine hydromecha­ nische Spanneinrichtung 28; 31; 32; 33, die eine definierte, feste Anlage garantiert. Die Drehmomentmitnahme erfolgt durch die beiden Planverzahnungsringe 26; 27 am Werkzeug 9 und der Rumpfspindel 1, wobei garantiert ist, daß die Verzahnung erst nach Erreichen der Synchrondrehzahl ineinander greift. Das zusätzliche radial bewegliche Zentrierlager 3 der Rumpfspindel 1 verhindert ein Taumeln derselben bei hohen Drehzahlen. Zugleich werden durch diese elastische Ge­ häuseabstützung 4 der Rumpfspindel 1 Zwangskräfte vermieden, die sonst durch die Überbestimmung bei der Dreifachlagerung auftreten würden. Ein Schwingungssensor 38 überwacht den Schwingungszu­ stand der Rumpfspindel 1, insbesondere vor der formschlüssigen Kopplung.

Claims (5)

1. Hauptspindel, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitsfrässpindel, für Werkzeugmaschinen, bestehend aus erstens einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten und antreibbaren Rumpfspindel mit einem Steilkegel für die Aufnahme eines Werkzeuges sowie einer automatischen Werkzeugspann- und -löseeinrichtung und zweitens einem am Gehäuse der Rumpfspindel spannbaren Spindelkopf mit dem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Werkzeug mit Steilkegel, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (13) des Spindelkopfes am Gehäuse (12) der Rumpfspindel (1) spielfrei vorzentriert angeordnet ist, im Steil­ kegel (5) der Rumpfspindel (1) reibschlüssige Mitnahmeringe (6; 7) und eine Umfangsnut (8) mit Druckluftanschluß koaxial ange­ ordnet sind, im Gehäuse (12) der Rumpfspindel (1) eine hydro­ mechanische Spanneinrichtung (28; 31; 32; 33), die mit dem Ge­ häuse (13) des Spindelkopfes korrespondiert, vorgesehen ist, das Werkzeug (9) und die Stirnseite der Rumpfspindel (1) je einen einander zugewandten Planverzahnungsring (26; 27) auf­ weisen und daß in das Gehäuse (13) des Spindelkopfes eine periphere Greiferringnut (10) eingearbeitet ist.

2. Hauptspindel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die spielfreie Vorzentrierung des Spindelkopfes an der Rumpf­ spindel (1) mittels einer Präzisionskugelbuchse (14) zwischen den Gehäusen (12; 13) des Spindelkopfes und der Rumpfspindel (1) realisiert wird.

3. Hauptspindel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Rumpfspindel (1) am Kopplungsende in einem radial be­ weglichen Zentrierlager (3) zusätzlich abgestützt ist.

4. Hauptspindel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß am Werkzeug (9) und an der Rumpfspindel (1) oder an einem sich mit ihr drehenden Teil je eine Frequenzmarke (17; 18) angebracht ist.

5. Hauptspindel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß an der Rumpfspindel (1) ein Schwingungssensor (38) an­ geordnet ist.