DE3826945A1 - Verfahren und anordnung zur beeinflussung der luft oder vorspannung von waelzlagern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Wälzlager von Arbeitsspindeln, insbesondere von Werkzeugmaschinenspindeln, erfahren während des Betriebes infolge der Lagerreibung eine Erwärmung, die von der Spindeldrehzahl und von den auf die Lager einwirkenden Kräften abhängig ist. Der normale Temperaturverlauf bei ungekühlten Lagern bewirkt bei hohen Spindeldrehzahlen eine Verringerung der Lagerluft, so daß die zulässige obere Drehzahlgrenze beschränkt ist oder Lager eingesetzt werden müssen, die bei niedrigen Drehzahlen große Lagerluft aufweisen. Die Auswirkungen des normalen Temperaturverlaufs sind daher den Anforderungen entgegengerichtet, denn gerade wenn hohe Bearbeitungskräfte auftreten - z.B. bei der spanabhebenden Materialbearbeitung, die eine große Lagersteifigkeit erfordert - wird mit niedrigen Drehzahlen gearbeitet, während bei hohen Drehzahlen die Anforderungen an die Lagersteifigkeit geringer sind. Werden hingegen Lager eingesetzt, die aus Gründen der Lagersteifigkeit bereits bei niedrigen Drehzahlen eine Vorspannung aufweisen, so wird die maximal zulässige Drehzahl noch weiter reduziert.

Um diesem Umstand zu begegnen, ist es üblich, die Lager und oder deren Umbauungsteile - wie Wellen, Gehäuse, Kühlbuchsen usw. - zu kühlen, um einer erwärmungsbedingten Lagerluftveränderung weitgehend entgegenzuwirken. Beispielsweise ist es aus der US-PS 27 47 945 bekannt, die Temperatur der Lagerinnenringe mittels eines Temperaturfühlers kontinuierlich zu messen und Kühlmittel nach Maßgabe der Meßsignale unterschiedlichen Bereichen des Wälzlagers individuell zuzuführen. Die Meßsignale werden hierzu einer Schaltungsanordnung zugeführt, deren Ausgangssignale Magnetventile in den Kühlmittelleitungen steuern. Zeigen die Meßsignale des Temperaturfühlers z.B. eine Temperatur des Lagerinnenringes unterhalb eines unteren Grenzwertes an, so wird das von einer Pumpe geförderte, zugleich als Schmiermittel dienende Kühlmittel zu einem kleinen Teil durch Bohrungen im Lageraußenring den Wälzkörpern zugeführt, während der eigentliche Kühlmittelstrom am Lager vorbei in den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt wird. Überschreitet die Temperatur des Innenrings hingegen einen oberen Grenzwert, so wird dem Lager auf beiden Stirnseiten der volle Kühlmittelstrom zugeführt.

Ein Nachteil bei der Verwendung von Temperaturfühlern ist aber darin zu sehen, daß die Lagererwärmung erst festgestellt werden kann, wenn sie bereits eingetreten ist. Die Verkleinerung des Lagerspiels bzw. Erhöhung einer Lagervorspannung, und damit die erhöhte Beanspruchung, ist also bereits eingetreten, bevor Maßnahmen zur Kühlung ergriffen werden. In vielen Anwendungsfällen, insbesondere bei Werkzeugmaschinenspindeln, werden darüber hinaus die Anforderungen an eine möglichst spielfreie Lagerung nicht allein dadurch erfüllt, daß Änderungen der Lagertemperatur eliminiert werden; es ist vielmehr erforderlich die Lagerluft bzw. -vorspannung an unterschiedliche Betriebsbedingungen - wie Bearbeitungskraft und Spindeldrehzahl - anzupassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung für Arbeitsspindeln zu schaffen, die für einen großen Drehzahlbereich geeignet ist, ohne deshalb bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lagerkräften eine zu geringe Steifigkeit aufzuweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß optimale Lagerluft (oder Lagervorspannung je nach Lagerart und Anwendungsfall) aufweisende Lager für die Lagerung von Arbeitsspindeln verwendet werden können, so daß die Arbeitsspindel bereits bei niedrigen Drehzahlen mit ausreichend hoher Steifigkeit gelagert ist. Da niedrigere Drehzahlen bei hohen Bearbeitungskräften und Werkstückgewichten gewählt werden, ist dadurch der Forderung nach schwingungsstabiler Lagerung Rechnung getragen. Sind andererseits die Bearbeitungskräfte gering, werden also hohe Drehzahlen der Arbeitsspindel gewählt, so wird einer drehzahlbedingt starken Erwärmung der Lager und einer daraus resultierenden oft unzulässig hohen Lagervorspannung frühzeitig entgegengewirkt, nämlich bevor die Erwärmung eingetreten ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es weiterhin möglich, Kühlmittel unterschiedlicher Temperatur den Lagern und/oder Lagerumbauungsteilen zuzuführen, so daß ggfs. auch ein gezieltes Erwärmen eines Lagerrings erfolgen kann. Bei einer solchen Ausgestaltung könnte die Lagerluft der unbelasteten Lager optimal für eine mittlere Drehzahl ausgelegt sein und eine derartige Steuerung der Ventile (sowie einer ggfs. vorgesehenen Heizeinrichtung) erfolgen, daß bei niedrigen Drehzahlen entsprechenden hohen Bearbeitungskräften die Lageraußenringe gekühlt und/oder die Lagerinnenringe erwärmt werden, um die Lagerluft zu verringern, während bei geringen Bearbeitungskräften die Lagerinnenringe gekühlt und/oder die Lageraußenringe erwärmt werden, um einer zu hohen Lagervorspannung im oberen Drehzahlbereich vorzubeugen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zur Lagerung der Arbeitsspindel an sich bekannte Kraftmeßlager vorgesehen, die z.B. integrierte Dehnungsmeßstreifen enthalten. Durch Verwendung solcher serienmäßiger Wälzlager lassen sich aufwendige und kostspielige Zusatzmaßnahmen vermeiden.

Wird die erfindungsgemäße Lagerung bei durch einen Elektromotor direkt angetriebenen Arbeitsspindeln (sogenannten Motorspindeln) eingesetzt, dessen Stator durch ein Kühlmittel gekühlt wird, so kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das durch die Statorkühlung erwärmte Kühlmittel nach Maßgabe entsprechender Kraftmeßsignale dem der Lagerkühlung dienenden Kühlmittel beigemischt, zu dessen Erwärmung in einem Wärmetauscher verwendet oder auch direkt zur Erwärmung zu kalter Lagerringe eingesetzt werden.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwärmt, daß eine entsprechend ausgelegte, etwa durch einen Mikroprozessor oder Signalprozessor realisierte, die Meßsignale in Steuersignale umsetzende Steuerschaltung den Kühlmittelfluß in Abhängigkeit von der Größe des Kraftmeßsignals auch so zu steuern vermag, daß bei Überschreitung einer festgelegten Grenzkraft - oberhalb der eine Erwärmung des Lagers durch erhöhte Lagerreibung eintreten würde - ebenfalls einer Verringerung der Lagerluft entgegengewirkt wird.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß sowohl flüssige als auch gasförmige Kühlmittel sowie eine kombinierte Kühlung mit Kühlmitteln beider Art für die Verwirklichung der Erfindung geeignet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 ein vereinfachtes zweites Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Anpassung der Lagerluft eines Wälzlagers 1 einer Arbeitsspindellagerung (beispielsweise der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine) an unterschiedliche Betriebsbedingungen, wobei mit 2 der Lageraußenring und mit 3 der Lagerinnenring des Wälzlagers 1 bezeichnet sind. Bei dem Wälzlager 1 handelt es sich um ein Kraftmeßlager, in dessen Außenring 2 Sensoren 4, z.B. Dehnungsmeßstreifen, integriert sind. Die die Meßstelle in der Lastzone überrollenden Wälzkörper verursachen Gleichspannungssignale in den Sensoren 4, deren Amplidute direkt proportional der Lagerbelastung ist.

Lageraußen- und -innenring sind in bekannter und deshalb nicht näher dargestellter Weise unter Vorsehung von Kühlflächen oder Kühlkörpern in ein Lagergehäuse ein- bzw. auf die Spindel aufgesetzt. Je nach Anwendungsfall und Ausgestaltung können hierfür z.B. Kühlbuchsen, eingearbeitete Kühlkanäle oder auch andere Lagerumbauungsteile (Gehäuse, Welle) dienen.

Der Signalausgang der Sensoren 4 ist mit einer Steuerschaltung 5 verbunden, von der die eingehenden Kraftmeßsignale entsprechend ihrer jeweiligen Amplidute in Steuersignale für Mischventile 6, 7 sowie ein Drosselventil 8 umgesetzt werden. Als Steuerschaltung 5 kann z.B. ein Signalprozessor mit vorgeschaltetem A/D Wandler und Verstärkerschaltung für die Ausgangssignale vorgesehen und die Ventile 6, 7, 8 können mit magnetischer oder elektromotorischer Stelleinrichtung ausgestattet sein.

Ein Gebläse 9 fördert einen als Kühlmittel dienenden Luftstrom über einen Kaltluftkanal 10 an die jeweils ersten Eingänge der beiden Mischventile 6, 7 sowie über einen weiteren Kaltluftkanal 11 durch eine Heizeinrichtung 12 sowohl an das Drosselventil 8 als auch über einen Warmluftkanal 13 an die jeweils zweiten Eingänge der Mischventile 6, 7.

Treten während des Betriebes hohe Lagerkräfte auf, etwa weil bei der Bearbeitung eines Werkstücks ein dicker Span abgenommen wird, so werden von den Sensoren 4 Kraftmeßsignale hoher Amplitude an die Steuerschaltung 5 geliefert. Die Steuerschaltung 5 gibt daraufhin Steuersignale an die Stelleinrichtung des dem Lageraußenring 2 zugeordneten Mischventils 6 ab, durch die der Kaltluftkanal 10 weiter geöffnet und der Warmluftkanal 13 gedrosselt wird. Der Lageraußenring 2 wird somit stärker gekühlt. Zugleich gibt die Steuerschaltung 5 aber auch Steuersignale an die Stelleinrichtung des dem Lagerinnenring 3 zugeordneten Mischventils 7 ab, durch die der Kaltluftkanal 10 gedrosselt und der Warmluftkanal 13 weiter geöffnet wird. Der Lagerinnenring 3 wird somit erwärmt. Ein weiteres von der Steuerschaltung 5 abgegebenes Steuersignal bewirkt dabei, daß das Drosselventil 8 weitgehend geschlossen bleibt, damit der von der Heizeinrichtung 12 erwärmte Luftstrom den Mischventilen 6, 7 zugeführt wird. Der Abfluß des den Lagerringe 2, 3 bzw. deren Umbauungsteilen zugeführten Kühlmittels erfolgt dann über eine gemeinsame Abflußleitung 14.

Kühlung des Lageraußenrings 2 und Erwärmung des Lagerinnenrings 3 bewirken eine Verringerung der Lagerluft oder der Lagervorspannung, wenn das Lager im Ruhezustand bereits mit Vorspannung eingebaut war, so daß in gewünschter Weise eine die hohe Lagerkraft aufnehmende Steifigkeit der Lagerung eintritt.

Treten hingegen geringe Lagerkräfte (bei hoher Drehzahl mit dünner Spanabnahme) auf, so muß einer drehzahlbedingt großen Lagererwärmung entgegengewirkt werden. Die von der Steuerschaltung 5 in Steuersignale umgesetzten Kraftmeßsignale geringer Amplitude bewirken nun, daß von dem dem Lageraußenring 2 zugeordneten Mischventil 6 der Kaltluftkanal 10 gedrossel und der Warmluftkanal 13 weiter geöffnet wird, während von dem dem Lagerinnenring 3 zugeordneten Mischventil 7 der Warmluftkanal 13 gedrossel und der Kaltluftkanal 10 weiter geöffnet wird. In diesem Fall wird also der Lageraußenring 2 erwärmt und der Lagerinnenring 3 gekühlt, so daß in gewünschter Weise einer durch Lagererwärmung bedingten zu starken Verringerung der Lagerluft bzw. Erhöhung der Lagervorspannung entgegengewirkt wird. Auch hier veranlaßt die Steuerschaltung 5, daß das Drosselventil 8 weitgehend geschlossen bleibt.

Es erfolgt also jeweils eine Mischung des kalten mit erwärmtem Kühlmittel entsprechend der Amplidute der Kraftmeßsignale, wobei durch Steuerung des Drosselventils 8 noch zusätzlich die den Mischventilen 6, 7 zugeführte Menge erwärmten Kühlmittels reguliert werden kann.

Die Heizeinrichtung 12 kann aus einer elektrischen Heizspirale bestehen, die während des Betriebes konstant bestromt wird und Wärme abgibt. In einer aufwendigeren Ausgestaltung kann die Heizeinrichtung 12 aber auch - über die gestrichelt dargestellte Steuerleitung 15 - von der Steuerschaltung 5 bedarfsweise ein- und ausgeschaltet werden. Handelt es sich bei der Arbeitsspindel um eine durch Elektromotor direkt angetriebene Spindel (sogenannte Motorspindel) wobei der Stator durch ein Kühlmittel gekühlt wird, so kann der Stator als Heizeinrichtung 12 dienen, wobei das durch Kühlung des Stators erwärmte Kühlmittel den beiden Mischventilen 6, 7 zugeführt wird. Hierbei ist das Drosselventil 8 von besonderer Wichtigkeit, weil eine ausreichende Kühlmittelzufuhr an den Stator auch dann gewährleistet sein muß, wenn der Abfluß über den Warmluftkanal 13 und die beiden Mischventile 6, 7 nur gering ist. Selbstverständlich kann auch hier zusätzlich noch eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen sein.

Eine vereinfachte Ausführungsform kann aber auch z.B. durch die in Fig. 2 dargestellte Anordnung realisiert werden. Hier fördert das Gebläse 9 das Kühlmittel über zwei Kaltluftkanäle 16, 17 an zwei Drosselventile 18, 19 die dem Lageraußenring 2 bzw. dem Lagerinnenring 3 zugeordnet sind. Die von der Steuerschaltung 5 kommenden, aus den Kraftmeßsignalen der Sensoren 4 abgeleiteten Steuersignale bewirken, daß ein größerer oder geringerer Kaltluftstrom den Lagerringen bzw. deren Umbauungsteilen indiviuell zugeführt wird, um damit eine Temperierung und Anpassung der Lagerluft oder Lagervorspannung zu erreichen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Anpassung der Lagerluft oder Lagervorspannung von Arbeitsspindeln tragenden Wälzlagern an unterschiedliche Betriebsbedingungen durch Verwendung von Kühlmitteln, deren Zufuhrmenge über durch Meßsignale steuerbare Ventile kontrollierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Betriebes auf das Lager einwirkenden Kräfte gemessen und die Kraftmeßsignale in Steuersignale für die Ventile umgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlmittel unterschiedlicher Temperatur nach Maßgabe der Kraftmeßsignale durch die Ventile zuführbar sind.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den die Arbeitsspindel tragenden Lagern (1) Kraftmeßeinrichtungen (4) angeordnet sind, deren Kraftmeßsignal-Ausgänge mit einer Steuerschaltung (5) zur Umsetzung der Kraftmeßsignale in Steuersignale verbunden sind und daß die Steuersignal- Ausgänge der Steuerschaltung (5) mit steuerbaren Ventilen (6, 7; 18, 19) verbunden sind, durch die den Lagern (1) und/ oder deren Umbauungsteilen Kühlmittel gezielt zuführbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der auf das Lager einwirkenden Kräfte Dehnungsmeßstreifen im Lastaufnahmebereich des Lagers angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung der Arbeitsspindel Kraftmeßlager (1) vorgesehen sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (12) zur Erwärmung mindestens eines Teils des Kühlmittels vorgesehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (12) mit dem Steuersignal-Ausgang der Steuerschaltung (5) verbunden und nach Maßgabe der Kraftmeßsignale steuerbar ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7 bei einer durch einen Elektromotor mit durch Kühlmittel gekühltem Stator angetriebenen Arbeitsspindel, dadurch gekennzeichnet, daß das erwärmte Statorkühlmittel den Lagern (1) und/oder deren Umbauungsteilen - ggfs. nach Mischung mit kaltem Kühlmittel - nach Maßgabe der Kraftmeßsignale zuführbar ist.