DE3804962C1 - Hydro-mechanical tool-clamping system for hollow work spindles carried in rolling bearings, with integrated oil lubrication through the spindle - Google Patents

Hydro-mechanical tool-clamping system for hollow work spindles carried in rolling bearings, with integrated oil lubrication through the spindle

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DE3804962C1 DE19883804962 DE3804962A DE3804962C1 DE 3804962 C1 DE3804962 C1 DE 3804962C1 DE 19883804962 DE19883804962 DE 19883804962 DE 3804962 A DE3804962 A DE 3804962A DE 3804962 C1 DE3804962 C1 DE 3804962C1
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Heribert Dr. Ballhaus
Robert 8500 Nuernberg De Bergner
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Abstract

The invention relates to a hydro-mechanical tool-clamping system for hollow work spindles carried in rolling bearings, with provision for automatic tool change and with integrated oil lubrication through the spindle. In this arrangement, the collet is hydraulically released and mechanically tightened, a tubular tension/compression body has oil chambers and radial bores, the position of which is exactly defined in relation to the radial bores of the hollow work spindle, the bores in the hollow work spindle are closed in the front end position of the tension/compression body, the back-up force for the release force is produced by a differential cylinder which is axially displaceable in a ball box and is secured against rotation and is supported on the hollow work spindle in such a way that the bearings remain unaffected by it, and the piston of the differential cylinder forms a construction unit with a nozzle for feeding the lubricant, and the lubricant serves both to lubricate the bearings and as a pressure medium for the differential cylinder.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisch-mechanisches Werkzeugspannsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a hydraulic-mechanical tool clamping system according to the preamble of the claim.

Bekannt sind hydraulisch-mechanische Werkzeugspannsysteme zum Beispiel aus der zur Gattungsbildung herangezogenen DE-PS 25 45 713 sowie aus der DD-PS 2 19 137 oder der DE-OS 35 33 623.Hydraulic-mechanical tool clamping systems are known, for example from the DE-PS 25 45 713 used to form the generic type and from the DD-PS 2 19 137 or DE-OS 35 33 623.

Bei den bekannten Spannsystemen wird die Spannkraft durch Spannfedern aufgebracht, welche über eine Druck-Zugstange eine Spannzange in den Spindelkonus ziehen. Die Lösekraft wird durch einen druckbeaufschlagten Zylinder erzeugt und über die Druck-Zugstange auf die Spannzange über­ tragen. Die der Lösekraft entgegengerichtete Reaktionskraft kann auf ver­ schiedene Weise aufgenommen werden. Es kann ein Kraftfluß innerhalb der Spindel eingestellt werden, indem der Zylinder mit der Spindel direkt gekoppelt eingebaut wird. Durch den mitrotierenden Zylinder wird die biegekritische Dreh­ zahl der Spindel herabgesetzt, was besonders bei Hochfrequenz- Arbeitsspindeln von Nachteil ist, da diese üblicherweise bei einer Grenzdrehzahl von 10%-15% unterhalb der biegekritischen Drehzahl betrieben werden, außerdem müßte für das Druckmedium eine aufwendige Drehdurchführung verwendet werden.In the known clamping systems, the clamping force is achieved by means of tension springs applied, which a collet into the via a push-pull rod Pull the spindle cone. The loosening force is caused by a pressurized Cylinder generated and over the push-pull rod on the collet wear. The reaction force opposing the release force can be adjusted to ver in different ways. There can be a flow of power within The spindle can be adjusted directly by the cylinder with the spindle coupled installed  becomes. Due to the co-rotating cylinder, the bending critical rotation number of spindles is reduced, which is particularly Working spindles are disadvantageous, as they are usually used in one Limit speed of 10% -15% below the critical speed operated, would also have to be a complex for the print medium Rotary unions can be used.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Zylinder nicht mit der Spindel fest zu verbinden. Dabei wird die Reaktionskraft von den Wälzlagern der Spindel aufgenommen, welche dadurch eine unzulässige Belastung erfahren können.Another option is not to use the cylinder Connect the spindle firmly. The reaction force is determined by the Rolling bearings of the spindle added, which thereby a can experience impermissible loading.

Es ist auch eine Konstruktion mit speziellen Kugellagern bekannt, bei denen ein Lagerring relativ zum anderen in einer Richtung axial verschieblich ist. Durch einen Zylinder wird die Spindel gegen einen die Reaktionskraft aufnehmenden Gehäusebund gedrückt. Hierzu können aber nur federvorgespannte Einzellager verwendet werden und nicht die aus Gründen der erforderlichen Steifigkeit der Spindel gegen radial angreifende Schnittkräfte speziell bei Frässpindeln oft gewählte Konstruktion zweier starr abgestimmter Lagerpaare mit arbeitsseitigem Festlager und hinterem Loslager.A construction with special ball bearings is also known which one bearing ring relative to the other axially in one direction is movable. The spindle is countered by a cylinder pressed a housing collar absorbing the reaction force. For this only spring-loaded single bearings can be used and not because of the required rigidity of the spindle often against radial cutting forces, especially with milling spindles selected construction of two rigidly matched bearing pairs with fixed bearing on the working side and rear floating bearing.

Aus dem Flugtriebwerksbau ist es allgemein bekannt, daß die Drehzahlgrenze von Wälz­ lagern, deren drehender Innenring mit Bohrungen für die Zuführung des Schmiermittels direkt an die Wälzkörper versehen ist, gegenüber sonstigen Schmiersystemen um etwa 30-50% gesteigert werden kann. Bei den in Hochfrequenz-Arbeitsspindeln hauptsächlich vorkommenden Durchmessern von 10-60 mm macht dies in den meisten Fällen eine Zuführung des Schmiermittels durch die hohle Spindelwelle erforderlich.From aircraft engine construction, it is generally known that the speed limit of rolling store, the rotating inner ring with holes for feeding the Lubricant is provided directly on the rolling elements, opposite other lubrication systems can be increased by about 30-50%. For those mainly occurring in high-frequency work spindles Diameters of 10-60 mm do this in most cases a supply of the lubricant through the hollow spindle shaft required.

Gemeinsames Merkmal der genannten Spannsysteme ist es aber, daß der Innenquerschnitt der hohlen Spindel ausgefüllt ist und damit die Wälzlagerschmierung nur noch über Bohrungen im Spindelgehäuse erfolgen kann. Hochtourig betriebene Wälzlager weisen aber den größten Teil der vom Gehäuse her zugeführten Ölmenge ab, das Öl muß deshalb unter hohem Druck und hohem Ölüberschuß eingespritzt werden. Diese Schmierung wird auch als Kühlölschmierung bezeichnet. Die durch Planschverluste in den Lagern entstehende Verlustleistung kann bei einem Drehzahlkennwert dm × n (Produkt aus mittlerem Lagerdurchmesser und Drehzahl) von 2,4 × 106 mm/min bereits 40% der Antriebsleistung erreichen.However, it is a common feature of the clamping systems mentioned that the inner cross section of the hollow spindle is filled in and the roller bearing can therefore only be lubricated via bores in the spindle housing. High-speed roller bearings, however, reject most of the amount of oil supplied from the housing, so the oil must be injected under high pressure and high oil excess. This lubrication is also known as cooling oil lubrication. The power loss resulting from splashing losses in the bearings can already reach 40% of the drive power with a speed parameter dm × n (product of average bearing diameter and speed) of 2.4 × 10 6 mm / min.

Demgegenüber kann die Ölmenge bei Zuführung des Schmieröls durch die Spindel über radiale Bohrungen im Innenring in den tiefsten Punkt der Innenringlaufbahn auf das 0,002-0,004fache der für eine Kühlölschmie­ rung notwendigen Menge reduziert werden.In contrast, the amount of oil when the lubricating oil is supplied by the Spindle through radial holes in the inner ring in the deepest point of the Inner ring raceway to 0.002-0.004 times that for a cooling oil lubricant necessary amount can be reduced.

Durch Wegfall der Planschverluste kann die Drehzahl auf einen Drehzahl­ kennwert von 3,0 × 106 mm/min gesteigert werden, ohne daß die Verlust­ leistung 10% der Antriebsleistung übersteigt.By eliminating the splash losses, the speed can be increased to a speed value of 3.0 × 10 6 mm / min without the power loss exceeding 10% of the drive power.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeugspannsystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs umrissenen Art zu schaffen, das die genannten Nachteile vermeidet, wobei insbesondere die rotierenden Massen nicht vergrößert werden sollen, keine unzulässigen Kräfte während des Werkzeugwechsels auf die Wälzlagerung einwirken sollen, die Wärme­ abfuhr aus den Wälzlagern und dem Rotor nicht beeinträchtigt werden soll, die Hauptabmessungen einer vergleichbaren konventionellen Arbeitsspindel erhalten bleiben sollen sowie die Wälzlager durch die hohle Arbeitsspindel mit Schmierstoff versorgt werden sollen, wobei eine Schmierversorgung durch verlustleistungsarme Öl-Kleinmengenschmierung möglich sein soll.The invention has for its object a tool clamping system to create the kind outlined in the preamble of the claim, which avoids the disadvantages mentioned, in particular the rotating ones Masses should not be enlarged, no inadmissible forces during of the tool change should act on the rolling bearing, the heat removal from the roller bearings and the rotor should not be impaired, the main dimensions of a comparable conventional work spindle should be preserved as well as the rolling bearings through the hollow work spindle to be supplied with lubricant, a lubrication supply should be possible through low-loss oil lubrication.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß dem Patentanspruch gelöst. This object is achieved by the invention according to the patent claim.  

Durch die Erfindung werden im wesentlichen folgende Vorteile erzielt.The invention essentially provides the following advantages achieved.

Die Reaktionskraft beim Werkzeuglösen wird nicht durch die Wälzlager aufgenommen, damit werden unzulässige, bleibende Verformungen der Wälzkörper, die schon bei relativ geringen Belastungen auftreten, vermieden. Gleichzeitig werden die rotierenden Massen nicht vergrößert.The reaction force when releasing the tool is not caused by the roller bearings recorded, so that impermissible permanent deformations of the rolling elements, avoided, which occur even at relatively low loads. At the same time, the rotating masses are not enlarged.

Durch die erfindungsgemäße integrierte Schmierversorgung wird die Anwendung der Direktschmierung mit Öl-Kleinmengen in Arbeitsspindeln mit der Möglichkeit zum automatischen Werkzeugwechsel überhaupt erst möglich.Due to the integrated lubrication supply according to the invention, the application of Direct lubrication with small amounts of oil in work spindles with the Possibility of automatic tool change possible in the first place.

Im Gegensatz zur Erfindung benötigen die bekannten Hochfrequenz-Arbeitsspindeln mit Kühlölschmierung und automatischem Werkzeugwechsel ein Nebenaggregat zur Rück­ kühlung des durchgesetzten Öls. Die erforderliche Kälteleistung liegt bei 2-10 Kilowatt. Dies ist im wesentlichen die Verlustleistung infolge der umgesetzten Planscharbeit in den Wälzlagern.In contrast to the invention the well-known high-frequency work spindles with cooling oil lubrication and automatic tool change an auxiliary unit to the back cooling of the penetrated oil. The required cooling capacity is at 2-10 kilowatts. This is essentially the power loss as a result of the paddling work in the roller bearings.

Bei Wegfall dieser Verlustarbeit kann der Antriebsmotor entsprechend schwächer dimensioniert werden. Dasselbe gilt für den Frequenzum­ richter.If this loss of work ceases, the drive motor can do so be dimensioned weaker. The same applies to the frequencyum judge.

Das Kühlaggregat entfällt bei der Erfindung ganz. Insgesamt ergeben sich erheblich günstigere Beschaffungs- und Betriebskosten. Die Fertigungs-Mehrkosten für das erfindungsgemäße Spannsystem betragen einen Bruchteil der eingesparten Kosten für das betriebsfertige System.The cooling unit is completely eliminated in the invention. Overall, there are significant cheaper procurement and operating costs. The additional manufacturing costs for the clamping system according to the invention are a fraction of the cost saved for the turnkey System.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Werkzeugspannsystem am Beispiel einer Hochfrequenz-Frässpindel mit Ölzufuhr durch die Spindel und mit der Möglichkeit zum automatischen Werkzeugwechsel näher beschrieben. Hierzu wird auf die Fig. 1-6 Bezug genommen.The tool clamping system according to the invention is described in more detail below using the example of a high-frequency milling spindle with oil supply through the spindle and with the possibility of automatic tool change. For this purpose, reference is made to FIGS. 1-6.

Fig. 6 zeigt den gesamten Querschnitt, die Fig. 6 shows the entire cross section

Fig. 1-5 vergrößerte Teilansichten. Fig. 1-5 enlarged partial views.

Auf einer hohlen Arbeitsspindel 17 sind Lagerpaare 15 und 23 jeweils starr abgestimmt, wobei das hintere Lager 15 als Loslager, das vordere Lager 23 als Festlager wirkt.On a hollow work spindle 17 , bearing pairs 15 and 23 are each rigidly matched, the rear bearing 15 acting as a floating bearing and the front bearing 23 as a fixed bearing.

Zur Schmierung der beiden Lagerpaare 15 und 23 wird durch eine Düse 11 Öl in die hohle Arbeitsspindel 17 eingespritzt. Durch die Wirkung der Fliehkräfte wird das Öl in Ölkammern 14 und 19 in einem Zug-Druck­ körper 18 unter hohen Druck gesetzt. Über radiale Bohrungen 28 im Zug-Druckkörper 18 und radiale Bohrungen 12 in der hohlen Arbeits­ spindel 17 wird das Öl in umlaufende Nuten 13 und von dort durch radiale Bohrungen 21 der Wälzlagerinnenringe 16 in den tiefsten Punkt der Laufbahn der Innenringe gefördert. In die hohle Arbeitsspindel 17 ist der rohrförmige Zug-Druckkörper 18 eingepaßt, der gegenüber der hohlen Arbeitsspindel 17 axial verschieblich ist. Am vorderen Ende trägt der Zug-Druckkörper 18 Klauen einer Spannzange 24, mit denen ein Werkzeug 26 in einen Konus 25 gezogen wird. Der Zug-Druckkörper 18 ist über Spannfedern 27, mit denen die Schließkraft erzeugt wird, gegen die hohle Arbeitsspindel 17 abgestützt. In den Zug-Druckkörper 18 sind die radialen Bohrungen 28 eingebracht, die bei gespanntem Werkzeug - also Zug-Druckkörper 18 in hinterer Grenzlage - genau über den Bohrungen 12 in der hohlen Arbeitsspindel 17 liegen, so daß Schmieröl frei durchtreten kann. In der vorderen Endlage des Zug-Druckkörpers 18 sind dagegen die Bohrungen 12 in der Arbeitsspindel 17 verschlossen.To lubricate the two pairs of bearings 15 and 23 , oil is injected into the hollow work spindle 17 through a nozzle 11 . Due to the action of centrifugal forces, the oil in oil chambers 14 and 19 in a train-pressure body 18 is placed under high pressure. About radial bores 28 in the train pressure body 18 and radial bores 12 in the hollow working spindle 17 , the oil is conveyed into circumferential grooves 13 and from there through radial bores 21 of the inner bearing rings 16 in the lowest point of the raceway of the inner rings. In the hollow work spindle 17 , the tubular tension-pressure body 18 is fitted, which is axially displaceable relative to the hollow work spindle 17 . At the front end, the pull-pressure body 18 carries claws of a collet 24 with which a tool 26 is pulled into a cone 25 . The tension-pressure body 18 is supported against the hollow work spindle 17 by means of tension springs 27 , with which the closing force is generated. In the pull-pressure body 18 , the radial bores 28 are made which, when the tool is clamped - that is, the pull-pressure body 18 in the rear limit position - lie exactly above the bores 12 in the hollow work spindle 17 , so that lubricating oil can pass freely. In the front end position of the push-pull body 18 , however, the bores 12 in the work spindle 17 are closed.

Die Lösekraft wird bei stehender hohler Arbeitsspindel 17 durch einen hydraulischen Differentialzylinder 3, 4 erzeugt, dessen Zylinder­ gehäuse 4 über eine Kugelbuchse 5 im Spindelgehäuse 6 längs­ verschieblich gelagert ist.The release force is generated with a stationary hollow work spindle 17 by a hydraulic differential cylinder 3, 4, whose cylinder is mounted in the housing 4 via a ball socket 5 in the spindle housing 6 in a longitudinally displaceable.

Über eine gegenüber einem Gehäusedeckel 1 längsverschiebliche Zu­ führung 2 kann ein Arbeitsraum 31 des Differentialzylinders 3, 4 mit dem Drucköl beaufschlagt werden, das auch zur Schmierung dient.About a longitudinally displaceable to a housing cover 1 to guide 2 , a working space 31 of the differential cylinder 3, 4 can be acted upon with the pressure oil, which also serves for lubrication.

Ein Kolben 3, der mit der Düse 11 eine Baueinheit bildet, wird dadurch vorwärts bewegt, bis er zur Anlage an einer Stirnfläche 7 des Zug-Druckkörpers 18 kommt. Der Kolben 3 ist gegenüber dem Gehäusedeckel 1 axial verschieblich. Gleichzeitig wird das Zylindergehäuse 4 rückwärts bewegt. Hierdurch kommt ein ring­ förmiger Mitnehmer 10 zur Anlage an einer Hülse 9, die fest mit der hohlen Arbeitsspindel 17 verbunden ist. In diesem Moment baut sich eine Druckkraft auf den Zug-Druckkörper 18 und eine Reak­ tionskraft auf das Zylindergehäuse 4 auf. Das Gehäuse 4 des Differen­ tialzylinders ist über Stifte 29 bei voller axialer Verschieb­ barkeit gegen Verdrehen im Verhältnis zum Lagergehäuse 30 gesichert. Wegen gleicher Kolbeninnenflächen und wegen des gleichen Arbeitsdrucks sind die Lösekraft und die Stützkraft gleich, die Lagerpaare 15 und 23 bleiben von der Lösekraft unbeeinflußt.A piston 3 , which forms a structural unit with the nozzle 11 , is thereby moved forward until it comes to rest on an end face 7 of the tension / compression body 18 . The piston 3 is axially displaceable relative to the housing cover 1 . At the same time, the cylinder housing 4 is moved backwards. As a result, a ring-shaped driver 10 comes to rest on a sleeve 9 which is fixedly connected to the hollow work spindle 17 . At this moment, a compressive force builds up on the tensile pressure body 18 and a reaction force on the cylinder housing 4 . The housing 4 of the differential cylinder is secured via pins 29 with full axial displacement availability against rotation in relation to the bearing housing 30 . Because of the same piston inner surfaces and because of the same working pressure, the loosening force and the supporting force are the same, the bearing pairs 15 and 23 remain unaffected by the loosening force.

Zur Vermeidung von Klemm- oder Reibkräften ist das Zylindergehäuse 4 in Kugelbuchse 5 geführt.To avoid clamping or frictional forces, the cylinder housing 4 is guided in the ball bushing 5 .

Die Lösekraft deformiert die Spannfedern 27 und verschiebt den Zug- Druckkörper 18, wodurch die Klauen der Spannzange 24 öffnen und das Werkzeug 26 ausgeworfen wird.The loosening force deforms the tension springs 27 and displaces the tension / compression body 18 , whereby the claws of the collet 24 open and the tool 26 is ejected.

Nachdem das Werkzeug 26 gewechselt ist, wird der Druck im Arbeits­ raum 31 des Differentialzylinders zurückgenommen.After the tool 26 is changed, the pressure in the working space 31 of the differential cylinder is reduced.

Die Spannfedern 27 treiben den Zug-Druckkörper 18 in die hintere Grenzlage, das Werkzeug 26 wird gespannt. The tension springs 27 drive the tension / compression element 18 into the rear limit position, the tool 26 is tensioned.

Eine weitere Feder 8 drückt den Kolben 3 und das Zylindergehäuse 4 des Zylinders 3, 4 in die Ausgangslage zurück.Another spring 8 presses the piston 3 and the cylinder housing 4 of the cylinder 3, 4 back into the starting position.

Claims (1)

Hydraulisch-mechanisches Werkzeugspannsystem für wälzgelagerte, hohle Arbeitsspindeln mit der Möglichkeit zum automatischen Werkzeugwechsel und mit integrierter Ölschmierung durch die Spindel, wobei die die Werkzeuge erfassende Spannzange des Spannsystems mittels eines rohrförmigen Zug- Druckkörpers hydraulisch gelöst und mechanisch unter der Wirkung von außerhalb der Spindel angeordneten Spannfedern gespannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zug-Druckkörper (18) Ölkammern (14, 19) und radiale Bohrungen (28) aufweist, deren Lage im Verhältnis zu radialen Bohrungen (12) der hohlen Arbeitsspindel (17) genau definiert ist, daß bei der vorderen Endlage des Zug-Druckkörpers (18) die Bohrungen (12) in der Arbeitsspindel (17) verschlossen sind, daß die Abstützkraft für die Löse­ kraft mit einem einen Kolben (3) aufweisenden Differentialzylinder (3, 4) erzeugt wird, der in einer Kugelbuchse (5) axial verschieblich und gegen Verdrehen gesichert ist (29) und so auf der hohlen Arbeitsspindel (17) ab­ gestützt wird, daß die Lager (15, 23) der Arbeitsspindel (17) davon unbe­ einflußt bleiben, daß der Kolben (3) des Differentialzylinders mit einer Düse (11) für die Zuführung von Schmierstoff eine Baueinheit bildet und daß der Schmierstoff sowohl zur Lagerschmierung als auch als Druckmedium für den Differentialzylinder (3, 4) dient.Hydraulic-mechanical tool clamping system for roller-bearing, hollow working spindles with the possibility of automatic tool change and with integrated oil lubrication through the spindle, whereby the clamping collet of the clamping system, which grips the tools, is hydraulically released by means of a tubular tension / pressure body and mechanically under the action of the clamping springs arranged outside the spindle is tensioned, characterized in that the tension-pressure element ( 18 ) has oil chambers ( 14, 19 ) and radial bores ( 28 ), the position of which in relation to radial bores ( 12 ) of the hollow work spindle ( 17 ) is precisely defined, that at the front end position of the tension-pressure body ( 18 ), the bores ( 12 ) in the work spindle ( 17 ) are closed so that the supporting force for the release force is generated with a piston ( 3 ) having a differential cylinder ( 3, 4 ), which in a ball bushing ( 5 ) is axially displaceable and secured against rotation ( 29 ) and so on the Hollow work spindle ( 17 ) is supported from that the bearings ( 15, 23 ) of the work spindle ( 17 ) remain unaffected by the fact that the piston ( 3 ) of the differential cylinder with a nozzle ( 11 ) for the supply of lubricant forms a structural unit and that the lubricant is used both for bearing lubrication and as a pressure medium for the differential cylinder ( 3, 4 ).
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