DE3804405A1 - Shaft of carbon-fibre-reinforced plastic, in particular a tool spindle - Google Patents

Shaft of carbon-fibre-reinforced plastic, in particular a tool spindle

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DE3804405A1
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Peter Bauer
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Ingrid Troeger
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Abstract

The invention is based on the object of designing a carbon-fibre-reinforced shaft in such a way that it has high static and dynamic rigidity under high thermal loading. Previous solutions cannot meet these requirements. Resin-impregnated carbon fibre strands are applied to an inner sleeve (2) of structural ceramic over its axial region layer by layer at different angles with respect to the axis of rotation (3) of the shaft, and a metallic supporting sleeve (5) is arranged on the outside diameter of the shaft as a bearing mount. This achieves weight advantages over steel spindles and also advantages with respect to the service life of the spindle. The shaft according to the invention, in particular a tool spindle, can be subjected to high loads and is suitable for automatic tool changing. It is used primarily in machine tool construction. <IMAGE>

Description

Die Erfindung dient dem Einsatz steifigkeitsbeanspruchter Wellen mit minimaler belastungs- und temperaturabhängiger Deformation, insbesondere Werkzeugspindel für den automa­ tischen Werkzeugwechsel und findet hauptsächlich im Werk­ zeugmaschinenbau Anwendung.The invention is used for the use of stiffness Waves with minimal load and temperature dependent Deformation, in particular tool spindle for the automa tool change and mainly takes place in the factory machine tool application.

Wellenförmige, rotierende Körper aus Stahl besitzen wegen ihrer großen Dichte (ρ = 7,8 kg/dm3) eine große Massen­ trägheit, die lange Beschleunigungs- und Abbremszeiten bewirkt, und eine große Massenexzentrizität sowie wegen ihrer geringen thermischen Stabilität (hoher Längen-Tem­ peratur-Koeffizient von rd. 12 · 10-6 K-1, große Wärme­ leitzahl von λ = 46 W/m · k und geringe Wärmekapazität von Q = 460 J/kgK) eine große temperaturabhängige Deforma­ tion. Stahl hat eine geringe Dämpfung. Sitzflächen aus Stahl unterliegen einer hohen Reibkorrosion.Because of their high density ( ρ = 7.8 kg / dm 3 ), wavy, rotating bodies made of steel have a large mass inertia, which causes long acceleration and deceleration times, and a large mass eccentricity as well as their low thermal stability (high length temp temperature coefficient of around 12 · 10 -6 K -1 , high thermal conductivity of λ = 46 W / m · k and low heat capacity of Q = 460 J / kgK) a large temperature-dependent deformation. Steel has low damping. Steel seats are subject to high levels of fretting corrosion.

Im Bestreben, insbesondere Antriebswellen mit hoher Dämpfung und geringer Masse zu schaffen, schlägt die DE-OS 33 41 368 (B 29 D-23/12) vor, im Wickelverfahren Metallhülsen mit kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff zu einem rohrförmi­ gen, sich über den axialen Bereich der Hülse erstrecken­ den Körper zu umwickeln mit inneren Lagen kohlenstoffaser­ verstärkten Plastes im Winkel zwischen 45° und 75° zur Ro­ tationsachse und äußeren Lagen im Winkel zwischen 5° und 40° zur Rotationsachse.In the effort, especially drive shafts with high damping and to create low mass, proposes DE-OS 33 41 368 (B 29 D-23/12) before, in the winding process with metal sleeves carbon fiber reinforced plastic into a tubular gene, extend over the axial region of the sleeve wrapping the body with inner layers of carbon fiber reinforced plastics at an angle between 45 ° and 75 ° to the ro tion axis and outer layers at an angle between 5 ° and 40 ° to the axis of rotation.

Solche Wellen eignen sich jedoch nur für rein festigkeits­ beanspruchte Bauteile mit großen zulässigen belastungs- und temperaturabhängigen Deformationen bei niedrigen Dreh­ momenten und geringen bis mittleren Drehzahlen. Für stei­ figkeitsbeanspruchte Wellen mit geringsten zulässigen be­ lastungs- und temperaturabhängigen Deformationen bei hoher Biege- und Torsionsbeanspruchung sowie thermischer Be­ lastung besitzen sie keine ausreichende statische und dy­ namische Steife sowie thermische Stabilität.However, such waves are only suitable for purely strength stressed components with large permissible load and temperature-dependent deformations at low rotation moments and low to medium speeds. For stei  shafts with the lowest permissible loads load and temperature dependent deformations at high Bending and torsional stress as well as thermal loading load they do not have sufficient static and dy Namely stiffness and thermal stability.

Ziel der Erfindung ist es, eine Welle aus kohlenstoffaser­ verstärktem Plast, insbesondere Werkzeugspindeln zu schaf­ fen, die mit geringer Masse höher drehzahl-, drehmoment-, biegemoment-, torsions-, fliehkraft- und temperaturbe­ lastbar ist, dabei geringste belastungs- und temperatur­ abhängige Deformationen aufweist und eine größere Anwen­ dungsbreite, insbesondere für einen automatischen Werkzeug­ wechsel besitzt.The aim of the invention is a shaft made of carbon fiber reinforced plastic, especially to create tool spindles fen, the lower speed, torque, bending moment, torsion, centrifugal force and temperature is resilient, with the lowest load and temperature dependent deformations and a larger application width, especially for an automatic tool owns change.

Ursachen bei geringen Torsions-, Biege- und Temperaturbe­ lastbarkeit, bei niedrigen zulässigen Deformationen von rohrförmigen rotierenden Körpern aus kohlenstoffaserver­ stärktem Plast mit innen angeordneten Metallhülsen sind die geringe statische und dynamische Steife sowie die nied­ rige thermische Stabilität.Causes of low torsion, bending and temperature resilience, with low permissible deformations of tubular rotating bodies made of carbon fiber reinforced plastic with metal sleeves inside the low static and dynamic stiffness as well as the low thermal stability.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Welle aus kohlenstoffaserverstärktem Plast, insbe­ sondere Werkzeugspindel mit hoher statischer und dynami­ scher Steife und hoher thermischer Stabilität für den automatischen Werkzeugwechsel zu schaffen.Accordingly, the invention is based on the object a shaft made of carbon fiber reinforced plastic, esp special tool spindle with high static and dynamic shear rigidity and high thermal stability for the to create automatic tool change.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein rohrförmiger Grundkörper aus mit aushärtbarem Harz ge­ tränkten Kohlenstoffasersträngen oder -bändern auf dem Außendurchmesser einer Innenhülse und über ihren axialen Bereich hinaus von in einem gegen ±90° gerichteten Win­ kel zur Rotationsachse der Innenhülse abgelegten inneren Lagen, von im Winkel von ±45° zur Rotationsachse der Innenhülse abgelegten mittleren Lagen und von in einem Winkel von 0° zur Rotationsachse der Innenhülse abgelegten äußeren Lagen gebildet ist, daß die Innenhülse aus Kon­ struktionskeramik mit sehr rauher Oberfläche und mit ei­ nem gegenüber kohlenstoffaserverstärktem Plast nahezu gleichen Längen-Temperatur-Koeffizienten besteht und daß um den axialen Bereich der Innenhülse auf dem Außendurch­ messer des Grundkörpers eine die Welle unter radiale und tangentiale Druckeigenspannungen setzende und zur Auf­ nahme der Lagerung vorgesehene Stützhülse angeordnet ist. Eine solche Welle besitzt sehr hohe elastische und dynami­ sche Steife sowie große thermische Stabilität bei geringer Masse. Sie ist hoch drehzahl-, drehmoment-, biegemoment-, torsions-, fliehkraft- und temperaturbelastbar bei ge­ ringsten Deformationen. Sie ist besonders für den auto­ matischen Werkzeugwechsel geeignet.According to the invention this object is achieved in that a tubular base made of curable resin soaked carbon fiber strands or ribbons on the Outside diameter of an inner sleeve and over its axial Out of range in a win ± 90 ° angle to the axis of rotation of the inner sleeve Layers, at an angle of ± 45 ° to the axis of rotation of the Inner layer of stored middle layers and of in one  Angle of 0 ° to the axis of rotation of the inner sleeve outer layers is formed that the inner sleeve from Kon structural ceramics with a very rough surface and with egg almost compared to carbon fiber reinforced plastic same length-temperature coefficient and that around the axial area of the inner sleeve on the outside knife of the base body the shaft under radial and tangential compressive residual stresses and to open Assumption of the support sleeve provided is arranged. Such a wave has very high elastic and dynamic rigidity and high thermal stability with low Dimensions. It is high speed, torque, bending moment, Torsional, centrifugal and temperature resistant at ge wrestling deformations. It is especially for the car suitable tool change.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachstehend an einem Aus­ führungsbeispiel näher erläutert.The solution according to the invention is shown below management example explained in more detail.

In der Zeichnung zeigtIn the drawing shows

Fig. 1 eine Werkzeugspindel im abgebrochenen Längsschnitt. Fig. 1 shows a tool spindle in broken longitudinal section.

Eine Werkzeugspindel, insbesondere ein Werkzeugträger be­ sitzt einen rohrförmigen Grundkörper 1, der im Wickelver­ fahren, das epoxydharzgetränkte Kohlenstoffasern vom Hoch­ modul-Typ nach einstellbarem Regime auf rotierende Dorne ablegt, auf dem Außendurchmesser einer Innenhülse 2 und eines mit ihr axial nach einer Seite hin fluchtend ange­ ordneten, nicht dargestellten Dorne und aus bei 120°C bis 130°C aushärtendem Harz getränkten Kohlenstoffaser­ strängen oder -bändern gebildet ist und aus in einem ge­ gen ±90° gerichteten Winkel zur Rotationsachse 3 wendel­ förmige kreuzend abgelegten inneren Lagen, in einem Winkel von ±45° zur Rotationsachse 3 wendelförmige kreuzend ab­ gelegten mittleren Lagen und im Winkel von 0° zur Rota­ tionsachse 3 achsparallel abgelegten äußeren Lagen be­ steht.A tool spindle, in particular a tool holder, sits a tubular base body 1 which travels in the winding mode, which deposits epoxy resin-impregnated carbon fibers of the high module type according to an adjustable regime on rotating mandrels, on the outer diameter of an inner sleeve 2 and one aligned with it axially towards one side is arranged, not shown mandrels and carbon fiber strands or ribbons soaked at 120 ° C to 130 ° C hardening resin and formed from at a ge gen ± 90 ° directed angle to the axis of rotation 3 helical crossing inner layers, at an angle from ± 45 ° to the axis of rotation 3 helically crossing from the middle layers and at an angle of 0 ° to the axis of rotation 3 axially parallel outer layers.

Die Innenhülse 2 besteht aus SiSiC-Keramik und hat eine Oberflächenrauhigkeit von durchschnittlich 250 µm. Der Innendurchmesser der Innenhülse 2, der der Werkzeug­ aufnahme dient, besitzt einen geschliffenen Konus 4 mit zylindrischem Auslauf am Verjüngungsende.The inner sleeve 2 consists of SiSiC ceramic and has an average surface roughness of 250 μm. The inner diameter of the inner sleeve 2 , which is used to hold the tool, has a ground cone 4 with a cylindrical outlet at the tapering end.

Um den axialen Bereich der Innenhülse 2 auf dem Außen­ durchmesser des Grundkörpers 1 ist eine Stützhülse 5 aus Stahl aufgeschrumpft.A support sleeve 5 made of steel is shrunk onto the axial area of the inner sleeve 2 on the outer diameter of the base body 1 .

Für ein Werkzeug mit einem Antriebsmoment von 1000 Nm bewährte sich ein Werkzeugträger mit einem Außendurch­ messer von 100 mm, einer Länge von 500 mm und einer Wanddicke des Grundkörpers aus Lagen kohlenstoffaserver­ stärkten Plastes von 12 mm.For a tool with a drive torque of 1000 Nm a tool carrier with an outside through proved itself knife of 100 mm, a length of 500 mm and a Wall thickness of the base body from layers of carbon fiber reinforced plastics of 12 mm.

Claims (2)

1. Welle aus kohlenstoffaserverstärktem Plast, insbeson­ dere Werkzeugspindel mit rohrförmigem, aus radialen, wendelförmig kreuzend und achsparallel abgelegten La­ gen kohlenstoffaserverstärkten Plastes gebildeter Grundkörper und mit vom Grundkörper umschlossener Innen­ hülse, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grundkörper (1) aus harzgetränkten Kohlenstoff­ fasersträngen oder -bändern auf dem Außendurchmesser der Innenhülse (2) und über ihren axialen Bereich hinaus von in einem gegen ±90° gerichteten Winkel zur Rota­ tionsachse (3) der Innenhülse (2) abgelegten inneren Lagen, von in einem Winkel von ±45° zur Rotationsachse (3) der Innenhülse (2) abgelegten mittleren Lagen und von in einem Winkel von 0° zur Rotationsachse (3) der Innenhülse (2) abgelegten äußeren Lagen gebildet ist,
daß die Innenhülse (2) aus Konstruktionskeramik besteht und
daß um den axialen Bereich der Innenhülse (2) auf dem Außendurchmesser des Grundkörpers (1) eine Stütz­ hülse (5) angeordnet ist.1. Shaft made of carbon fiber reinforced plastic, in particular tool spindle with a tubular body formed of radial, helically crossing and axially parallel layers of carbon fiber reinforced plastic and with an inner sleeve enclosed by the base body, characterized in that
that the base body ( 1 ) of resin-impregnated carbon fiber strands or ribbons on the outer diameter of the inner sleeve ( 2 ) and beyond its axial area from at an angle of ± 90 ° to the axis of rotation ( 3 ) of the inner sleeve ( 2 ) stored inner layers , of middle layers deposited at an angle of ± 45 ° to the axis of rotation ( 3 ) of the inner sleeve ( 2 ) and of outer layers deposited at an angle of 0 ° to the axis of rotation ( 3 ) of the inner sleeve ( 2 ),
that the inner sleeve ( 2 ) consists of construction ceramics and
that around the axial region of the inner sleeve ( 2 ) on the outer diameter of the base body ( 1 ), a support sleeve ( 5 ) is arranged. 2. Innenhülse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Innendurchmesser als geschliffener Konus (4) mit zylindrischem Auslauf am Verjüngungsende ausgebil­ det ist.2. Inner sleeve according to claim 1, characterized in that its inner diameter is ausgebil det as a ground cone ( 4 ) with a cylindrical outlet at the tapering end.
DE3804405A 1987-06-03 1988-02-12 Shaft of carbon-fibre-reinforced plastic, in particular a tool spindle Withdrawn DE3804405A1 (en)

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