DE4009461A1 - Spindel fuer eine werkzeugmaschine - Google Patents
Spindel fuer eine werkzeugmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Spindel für eine Werkzeug
maschine, insbesondere eine Spindel, die möglichst
wenig Metallteile aufweist, hingegen ein geringes
Spindelgewicht besitzt und weniger den Einflüssen von
linearer Wärmeausdehnung ausgesetzt ist.
Als Material für die Spindel eines Bearbeitungs
zentrums, einer Bohrmaschine, einer Fräsmaschine
oder dergleichen wurden bislang Stähle oder Stahl
legierungen mit hohem Gewicht eingesetzt, da diese
Stoffe einen hohen Elastizitätsmodul besitzen, ihre
Oberflächen gehärtet werden können, ihre Bearbeitung
einfach ist und sie billig sind.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Stahl liegt
in dem Bereich von 11 bis 16×10-6°C-1. Eine
Spindel von einer Länge von 2 m ist also bei einer
Temperaturschwankung von 10° einer Längenänderung
im Bereich von 2,2 bis 3,2×10-1 mm ausgesetzt.
Während des Betriebs einer Bohrmaschine kann es
sein, daß die Temperatur der Spindel vom Beginn der
Bearbeitung an um 10° ansteigt, so daß die Schnitt
tiefe um etwa 0,3 mm schwankt. Die so gefertigten
Produkte haben also keine hohen Dimensionsgenauigkeiten.
Da außerdem Stahl ein hohes spezifisches Gewicht
aufweist, ist das Gewicht der aus Stahl bestehenden
Spindel beträchlich, was zu einer beträchtlichen
Verformung aufgrund von Zentrifugalkräften beim
Betrieb mit hohen Drehzahlen führt, außerdem zu
einer Ungleichmäßigkeit bei den Abmessungen der
bearbeiteten Produkte. Da außerdem die Schwingungs
dämpfung bei Stahl gering ist, eignet sich eine
Spindel aus Stahl kaum für hohe Drehzahlen. Das
hohe Spindelgewicht hat außerdem zur Folge, daß
eine relativ lange Anlaufzeit zu hohen Drehzahlen
erforderlich ist, so daß eine starke Antriebs
quelle zur Verfügung stehen muß.
Als Stoffe, die sich durch geringes Gewicht und
hohe Steifigkeit auszeichnen, sind faserver
stärkte Verbundmaterialien bekannt, z. B. durch
Kohlenstoffasern verstärkte Kunststoffe (CFRB).
Außerdem kommen diese Stoffe derzeit in vielen
Bereichen der Industrie zum Einsatz. Allerdings
sind die Einsatzgebiete dieser Stoffe begrenzt.
Üblicherweise wurden diese Stoffe eingesetzt zur
Herstellung von Produkten, wie sie in öffentlichen
Einrichtungen zum Einsatz gelangen. Außerdem wurden
Teile für Flugzeuge hergestellt. Extrem selten ist
die Verwendung für Maschinenteile. Als spezielles
Beispiel sei auf aus solchen Materialien bestehende
Falzen beschrieben, wie es aus der japanischen
offengelegten Patentschrift 1 94 197/1986 und der
japanischen offengelegten Gebrauchsmusterschrift
69 812/1988 hervorgeht. Diese Walzen wurden ent
wickelt, damit spezielle Eigenschaften verfügbar
waren, die bei herkömmlichen Metallwalzen nicht
vorhanden waren. Insbesondere wurde von den Verbund
stoffen das erwähnte CFRP zur Herstellung von
Walzen verwendet, damit diese extrem leichtgewichtig
wurden und hohe Steifigkeit besaßen. Diese Walzen
jedoch sind so konstruiert, daß sie an beiden
Enden gelagert sind, wie es in Papierherstellungs
maschinen, Druckmaschinen, Maschinen zur Herstellung
von Kunstharzfolien und dergleichen üblich ist.
Die Walzen wurden in diesen Maschinen deshalb einge
setzt, weil man die Biegung der Walzen in ihrem
Mittelbereich weitestgehend minieren wollte, und
um exakt der Drehzahlschwankung beim Schnellanhalten
der Walzen und beim Variieren der Walzendreh
zahl folgen zu können. Diese faserverstärkten
Verbundstoffe haben keine ausreichende mechanische
Festigkeit, um harten mechanischen Anforderungen
wiederstehen zu können. Aus diesem Grund sind die in
den japanischen Patentschriften beschriebenen
Walzen nur für spezielle industrielle Anwendungs
zwecke geeignet, sie lassen sich nicht als Bauteile
dort verwenden, wo erhebliche Belastungen zu er
warten sind, wie es insbesondere bei einer Spindel
für eine Werkzeugmaschine der Fall ist.
Beim Fräsen oder Schleifen metallischen Materials
oder harten und spröden Materials, z. B. Kermamiken,
ist die Spindel einer Werkzeugmaschine einer schweren
Belastung ausgesetzt, die praktisch in sämtliche
Richtungen wirkt. Da die Spindel ihrem Aufbau und
ihrer Lagerung nach als freitragender Balken zu be
trachten ist, sind bislang ausschließlich Stähle oder
Stahllegierungen für solche Spindeln eingesetzt
worden, da diese Stoffe ein hohes Maß an
Elastizität und Biegesteifigkeit besitzen und weil
ihre Oberflächen sich härten lassen. Es wurde er
kannt, daß es unmöglich ist, in der Praxis faserver
stärkte Kunststoffe einzusetzen, da diese Stoffe eine
geringe Härte und geringe Verschleißfestigkeit auf
weisen, obschon sie sich in günstiger Weise durch
geringes Gewicht und hohe Steifigkeit auszeichnen.
In der japanischen Patent-Offenlegungsschrift
96 311/1988 ist die Verwendung von Kohlenstoff/Kohlen
stoff (C/C)-Verbundmaterial beschrieben, welches
dem faserverstärkten Kunststoff ähnlich ist, und das
zur Herstellung der Spindel einer Werkzeugmaschine
vorgeschlagen wird.
Das C/C-Verbundmaterial wurde jahrelang zur Her
stellung von Maschinenteilen eingesetzt, auch zur
Herstellung von Teilen für einen Kernreaktor und
Raumflugkörper (vgl. "Carbon Fiber", 1.11.1955;
Autoren: Otani und Kimura, von Kindai Henshusha,
Japan). Obschon die Erfinder der vorliegenden
Erfindung ebenfalls versucht haben, das C/C-Verbund
material bei einer Spindel einer Werkzeugmaschine
zu verwenden, stellte sich heraus, daß dieser Stoff
sich nicht für derartige Zwecke eignet. Deshalb
nahmen sich die Erfinder vor, faserverstärkten
Kunststoff einzusetzen.
Das C/C-Verbundmaterial läßt sich erhalten durch
Pyrolysieren des faserverstärkten Kunststoffmaterials
bei hoher Temperatur, um als Matrix vorliegendes
Kunststoff zu carbonisieren. Das sich ergebende
C/C-Verbundmaterial besaß jedoch mindere physikalische
Eigenschaften, so daß es notwendig war, das
C/C-Verbundmaterial einer zusätzlichen Bearbeitung
zu unterziehen, um die physikalischen Eigenschaften
zu verbessern. Um jedoch die gewünschten Eigen
schaften zu erhalten, muß man viele Bearbeitungs
schritte vorsehen, was die Kosten beträchtlich
hochtreibt.
Die aus Stahl bestehende Spindel besitzt eine geringe
Dimensionsstabilität aufgrund des dem Stahl eigenen
hohen linearen Ausdehnungskoeffizienten. Obschon
es möglich ist, den linearen Ausdehnungskoeffizienten
durch Verwendung anderer Metalle als beispielsweise
Stahl zu reduzieren, so ist zu berücksichtigen, daß
eine Invarlegierung, die den kleinsten linearen
Ausdehnungskoeffizienten von 1 ... 3×10-6°C-1
aufweist, sehr schwer zu bearbeiten ist. Die
Invarlegierung kann nicht als Hauptmaterial für eine
Spindel verwendet werden, da das Material teuer ist
und nur geringe Härte besitzt.
Da eine aus Stahl bestehende Spindel großes Gewicht
hat, verformt sich die Spindel aufgrund von Zentrifugal
kräften beim Betrieb mit hoher Drehzahl, und weil
die Dämpfungseigenschaften für die Spindelschwingungen
schlecht sind, leidet die Qualität der bearbeiteten
Produkte, und außerdem ist die Bearbeitungsgenauig
keit gering. Da die aus Stahl bestehende Spindel
ein hohes Trägheitsmoment besitzt, ist es außerdem
schwierig, die Bearbeitungsgeschwindigkeit herauf
zusetzen. Schließlich erfordert der schwere Stahl
eine beträchtliche Antriebsleistung und erzeugt
beträchtliche Wärmemengen, durch die wiederum die
Bearbeitungsgenauigkeit geringer wird.
Um eine Spindel unter Verwendung des C/C-Verbund
materials zu erhalten, ist es nötig, eine Reihe
von Bearbeitungsschritten durchzuführen, die jedoch
die Herstellungskosten unerträglich ansteigen lassen.
In der japanischen offengelegten Gebrauchsmuster
schrift 1 65 101/1985 ist eine Spindel für eine
Werkzeugmaschine beschrieben, bei der ein als
Hohlzylinder geformter, faserverstärkter Kunststoff
verwendet wird. Gemäß dieser Druckschrift liegt der
Hohlzylinder zwischen einem konischen Schaft, der
von einer Antriebsquelle angetrieben wird, und
einem Werkzeughalter aus Stahl, der zur Aufnahme
eines Werkzeugs ausgebildet ist. Bei dieser
Konstruktion wird der Hohlzylinder nicht zum
direkten Aufnehmen des Werkzeugschafts verwendet,
so daß sich der Nachteil ergibt, daß das faser
verstärkte Verbundmaterial nicht vollständig aus
genutzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spindel für eine
Werkzeugmaschine anzugeben, die sich durch im Ver
gleich zum Stand der Technik verringertes Gewicht
und durch eine verringerte lineare, wärmebedingte
Längenänderung auszeichnet. Die Spindel soll einen
geringeren linearen Ausdehnungskoeffizienten besitzen,
und schließlich soll sich die Spindel billig und ein
fach herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene
Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer erfindungs
gemäßen Spindel für eine Werkzeug
maschine; und
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie
II-II in Fig. 1.
Wie oben erwähnt, besitzt das Material CFRP vorteil
hafte Eigenschaften, die es für die Verwendung bei
einer Spindel einer Werkzeugmaschine interessant
machen.
Nimmt man die Spindel einer Bohrmaschine als Bei
spiel, so bleiben Späne an der Oberfläche der
Spindel hängen, mit der Folge, daß die Oberfläche be
schädigt wird, wenn sie nicht eine genügend große
Härte besitzt. Die Härte von CFRP wird bestimmt durch
das Harz-Grundmaterial. Da aber die Härte des Harz-
Grundmaterials im allgemeinen gering ist, würde die
Spindel beschädigt werden.
Um CFRP für die Spindel einer Werkzeugmaschine zu ver
wenden, sollte CFRP sämtlichen Erfordernissen der
Spindel genügen, wobei gleichzeitig die Nachteile
einer aus Stahl bestehenden Spindel beseitigt sind.
Im Hinblick auf die Wärmeausdehnung eines hohlen
zylindrischen Elements aus CFRP, erzielt durch ge
eignete Auswahl des Wicklungswinkels eines Bandes
oder Fadens aus CFRP, wurde herausgefunden, daß es
möglich ist, den linearen Ausdehnungskoeffizienten
in der Längsrichtung des hohlzylindrischen Elements
auf einen negativen Wert oder Null einzustellen oder
aber den Absolutwert des linearen Ausdehnungs
koeffizienten auf 0,5×10-6°C-1 zu beschränken.
Kohlenstoffasern sind geeignet zur Herstellung eines
faserverstärkten Verbundstoffs, es können jedoch
Aramidfasern eingesetzt werden.
Bei einem hohlzylindrischen Element aus CFRP läßt sich
der in Tabelle I dargestellte lineare Ausdehnungs
koeffizient im allgemeinen nach Maßgabe des Wicklungs
winkels der Fasern erhalten, obschon diese mehr oder
weniger unterschiedlich sind, abhängig vom Typ der
Faser und des verwendeten Kunstharzes.
Wie aus Tabelle I hervorgeht, besitzt CFRP einen
negativen linearen Ausdehnungskoeffizienten, wenn
der Wicklungswinkel der Faser gering ist, wenn der
Wicklungswinkel der Faser jedoch zunimmt, wird der
lineare Ausdehnungskoeffizient positiv. Wenn man
also eine geeignete Kombination aus unterschied
lichen Wicklungswinkeln verwendet, oder wenn man
einen ganz spezifischen Wicklungswinkel auswählt,
so ist es theoretisch möglich, den linearen Aus
dehnungskoeffizienten des hohlen zylindrischen
Elements zu Null oder negativ zu machen.
Wicklungswinkel | |
Linearer Ausdehnungskoeffizient | |
(Grad) | |
(°C-1) | |
0 | |
-0,7×10-6 | |
±45 | 2,0×10-6 |
90 | 24×10-6 |
In einem hohlzylindrischen Element, welches ein
unverzichtbares Element der erfindungsgemäßen Spindel
ist, wird der Absolutwert des linearen Ausdehnungs
koeffizienten so eingestellt, daß er weniger als
0,5×10-6°C-1 beträgt, und zwar durch ge
eignete Auswahl des Wicklungswinkels der Kohlenstoff
phase. Dieses hohlzylindrische Element unterliegt
einer Abmessungsschwankung von lediglich 1×10-2 mm
selbst wenn die Temperatur der 2 m langen Spindel
sich z. B. um 10°C ändert. Wenn das aus CFRP herge
stellte hohlzylindrische Element mit Stahl oder
einem anderen metallischen Teil kombiniert wird,
ist es möglich, den linearen Ausdehnungskoeffizienten
der Anordnung auf weniger als 5×10-6°C-1 zu
begrenzen, was bedeutet, daß ein Fräsbetrieb oder
Schneidbetrieb mit viel höherer Genauigkeit als
mit einer herkömmlichen Spindel aus Stahl erzielbar
ist, wobei letztere einen linearen Wärmeausdehnungs
koeffizienten von 11 bis 16×10-6°C-1 auf
weist.
Ein wichtiger Teil der erfindungsgemäßen Spindel ist
aus dem faserverstärkten Verbundmaterial hergestellt,
und ein Abschnitt der Spindel besteht aus Metall
und Keramik. Ein gewisser Anteil der Kohlenstoff
fasern kann durch Glasfasern oder Aramidfasern er
setzt werden.
In den meisten Fällen wird zusätzlich zu der
Dimensionsstabilisität von der Spindel gefordert,
daß sie eine angemessene Biegesteifigkeit und Ver
drehungssteifigkeit besitzt. Wenn lediglich ein
Faser-Wicklungswinkel so ausgewählt wird, um den
linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des hohl
zylindrischen Teils zu Null zu machen, wäre es
unmöglich, andere Leistungsmerkmale zu erfüllen.
Durch Kombinieren zumindest zweier Wicklungswinkel
des faserverstärkten Verbundmaterials jedoch, lassen
sich eine Reihe von Verfahren anwenden, um den
linearen Ausdehnungskoeffizienten zu Null zu machen,
was die Entwurfsfreiheit erhöht, welche notwendig
ist, um anderen Leistungskriterien zu genügen. Wenn
die Fasern in einem Winkel von 0° gewickelt werden,
läßt sich der höchste Wert der Biegesteifigkeit er
reichen. Da es jedoch schwierig ist, die Faser mit
einem Winkel von 0° zu wickeln, ist es vorteilhaft,
die Fasern in einem Winkel in einem Bereich von
± (10° ... 15°) zu wickeln. Da die Bearbeitung
erfolgt, indem die Spindel oder ein Werkstück ge
dreht wird, ist ein Optimum an Verdrehungssteifig
keit erforderlich. Besteht die Spindel aus CFRP,
so läßt sich die maximale Verdrehungssteifigkeit
erhalten, wenn der Wicklungswinkel ± 45° be
trägt. Folglich ist es vorteilhaft, eine Schicht
vorzusehen, die unter Winkeln von ± 45° in einem
Schichtaufbau oder laminierten Aufbau gewickelt ist.
Bei einer Abweichung des tatsächlichen Wicklungs
winkels von ± 45° ist es vorteilhaft, die Phase
in einem Winkelbereich von ± (40° ... 50°) zu
wickeln.
Bei der erfindungsgemäßen Spindel ist es von Vorteil,
mindestens zwei Wicklungswinkel für die Faser vorzu
sehen, wobei der eine Winkel ± (0° ... 15°) und
der andere Winkel ± (40° ... 50°) beträgt. Das
faserverstärkte Verbundmaterial kann durch eine
einzelne Schicht oder durch mehrere übereinander
gelegte Schichten gebildet sein. Andere Bereiche der
Wicklungswinkel sind möglich.
Wie oben erläutert, sollte die Spindel für eine
Werkzeugmaschine verschiedene Eigenschaften aufweisen,
so z. B. einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
eine hohe Schlagzähigkeit, eine hohe Oberflächen
härte und keine Beeinträchtigung der mechanischen
Festigkeit bei der Bearbeitung der Spindel aufweisen.
Der Typ der Kohlenstoffaser kann entweder ein
Typ hoher Festigkeit, ein mittelelastischer Typ oder
ein hochelastischer Typ sein, werden jedoch hoch
elastische Kohlenstoffasern eingesetzt, so läßt sich
eine Spindel mit einem hohen Maß an Steifigkeit er
halten. Von Aramidfasern kommen solche Fasern am
ehesten für die erfindungsgemäße Spindel in Betracht,
die einen negativen linearen Ausdehnungskoeffizienten
besitzen. Zusätzlich zu hitzehärtbaren Harzen,
Expoxyharz, Phenolharz und Polyesterharz können
Vinylesterharz und Polyimidharz beispielsweise einge
setzt werden. Von den thermoplastischen Harzen
kommen Nylon 66, Polycarbonat, Polyethylenterephthalate,
Polyetheretherketonen, Polyetherketonen, Polyphenyl
sulfide und Polyetherimide in Betracht. Das Ver
fahren zum Wickeln des faserverstärkten Verbund
materials umfaßt das direkte Faserwickeln, das
Lagenwickeln und das Roving-Wickeln.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
Dabei sind eine innere und eine äußere Schicht eines
hohlzylindrischen Elements durch Wickeln von CFRP
unter verschiedenen Winkeln hergestellt und mit
10a bzw. 10b bezeichnet. Das hohlzylindrische
Element bildet einen wesentlichen Bestandteil der
erfindungsgemäßen Spindel 1. Ein äußeres Endteil
oder ein Werkzeugadapter 11 der Spindel 1 besitzt
eine verjüngte oder konische Fläche, die ausgebildet
ist, um den konischen Abschnitt des Schafts eines
Werkzeugs aufzunehmen. Der Adapter 11 besteht im
allgemeinen aus Stahl, und ein Abschnitt kleineren
Durchmessers an seinem inneren Ende ist in eine
Ausnehmung eingepaßt, die an der Innenfläche der
Innenschicht 10a ausgebildet ist. Ein aus Invar be
stehendes zylindrisches Zwischenglied 12, das einen
sehr niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten
besitzt, ist an die Innenfläche der Innenschicht 10a
gebondet. Eine aus Stahl bestehende hohle Büchse 13
mit einem Flansch 20 an ihrem Innenende sitzt satt
an der Innenfläche des Zwischenteils 12.
Wie bekannt, setzt sich der Spindelkopf bei einer
herkömmlichen Horizontalbohrmaschine zusammen aus
einem hohlzylindrischen Element, an deren einem
Ende eine konische Fläche gebildet ist zur Aufnahme
eines konischen Abschnitts des Schafts eines Werk
zeugs, eine Zwinge oder ein Ring, der in dem hohl
zylindrischen Element installiert ist, um einen
Flansch des Werkzeugs zu greifen, einer in dem
hohlzylindrischen Element aufgenommenen Zugstange
zum Betätigen der Zwinge und mehrere scheibenförmige
Federn, die die Zugstange umgeben, damit diese das
Werkzeug sicher hält. Die erfindungsgemäße Spindel
nach den Fig. 1 und 2 läßt sich vorteilhaft einsetzen
bei einer Horizontalbohrmaschine der genannten Art.
In diesem Anwendungsfall besitzt die Büchse 13 eine
ausreichende Länge, um die Zwinge aufzunehmen, und
der Flansch 20 kommt mit der Stirnfläche der Scheiben
federn in Eingriff.
Das innere (rechte) Ende der Außenschicht 10b besitzt
ein aus Stahl gefertigtes U-förmiges Element 15. Das
U-förmige Element 15 definiert eine Keilnut 16. Eine
aus Stahl bestehende Hülse 17 ist in das innere Ende
der Innenschicht 10a eingesetzt. Die Hülse 17 besitzt
einen Flansch 21, der an der inneren Stirnfläche
der Innenschicht 10a anliegt, und eine Keilnut 17a.
Die Hülse 17 besitzt den gleichen Innendurchmesser wie
die Innenschicht 10a.
Eine aus Hartmetall oder Keramik bestehende Über
zugsschicht oder Schutzschicht 18 ist auf die Außen
fläche der Spindel 1 aufgebracht.
Das hohlzylindrische Element, welches den kenn
zeichnden Teil der Spindel mit einem Außendurchmesser
von 110 mm, einer Länge von 1590 mm und einem Innen
durchmesser von 64,7 mm bildet, wurde nach dem
Fadenwickelverfahren hergestellt, wozu eine Kohlen
stoffaser mittlerer Elastizität (Pylofil® MM-1 von
Mitsubishi Rayon Co.). Die Faser diente als Ver
stärkungsfaser mit Epoxyharz als Grundmaterial.
Die Innenschicht 10a wurde mit einem Winkel von
± 45° bewickelt, wohingegen die Außenschicht 10b
mit einem Winkel von ± 10° bewickelt wurde. Die
Dicke dieser Schicht betrug 18,65 mm bzw. 4 mm.
Nach dem vollständigen Aushärten des Harzes wurden
die Bauteile der Spindel maschinell bearbeitet und
geschliffen und anschließend zusammengebaut, um die
in Fig. 1 dargestellte Spindel zu erhalten. Nach dem
Zusammenbau wurde durch successives Galvanisieren von
Kupfer und Chrom die Überzugschicht 18 gebildet,
und anschließend wurde Überzugsschicht geschliffen.
Alternativ läßt sich die Überzugsschicht 18 bilden
durch Flammbeschichtung solcher Keramiken wie
Al2O3-40TiO2 und Chromoxid (Cr2O3). Da
ein solcher flammbeschichteter Schutzfilm normaler
weise 5 bis 8 Vol.-% Hohlräume enthält, ist es
vorteilhaft, diese Hohlräume mit einem Kunststoff
oder ähnlichem zu füllen.
Zur Herstellung des Adapters 11 wurde die JIS
(Japanische Industrienorm) SACM645 angewendet, und
es wurde Invar für das Zwischenteil 12 verwendet,
und die JIS SCM (thermisch vergüteter Stahl) wurde
anwendet bei der hohlen Büchse 13, dem U-förmigen
Element 15 und der Hülse 17.
Der Zweck der Verwendung des Zwischenteils 12 aus
Invar besteht darin, eine Relativbewegung der
Büchse 13 und der Innenschicht 10a aufgrund der
unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten
zu vermeiden und ein Abschälen der Büchse 13 von
der Innenschicht 10a zu verhindern.
Die Spindel nach diesem Ausführungsbeispiel besaß
eine Länge von 1815 mm, ein Gewicht von 32 kg, eine
Biegesteifigkeit (EI) von 6,4×1010 kgf×mm2
eine Verdrehungssteifigkeit (GIp) von
2,93×1010kgf×mm2. Die Wärmeausdehnung er
wies sich so, daß bei einem Temperaturanstieg von
15°C die Dimensionsschwankung lediglich -9 µ (Zu
sammenziehung) betrug.
Tabelle II zeigt einen Vergleich dieser Eigenschaften
der Spindel dieses Ausführungsbeispiels mit einer
herkömmlichen Spindel aus Stahl.
- 1. Wenn das Gewicht der Spindel von 92 kg abnimmt
auf 32 kg, so erzielt man folgende Vorteile:
- a) Aufgrund des Trägheitsmoments läßt sich die Leistungsfähigkeit bei der Spindelsteuerung verbessern, und die Spindel läßt sich leichter bei hohen Drehzahlen betreiben.
- Das Trägheitsmoment der Spindel bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf 25% des Trägheits moments der herkömmlichen Spindel aus Stahl gesenkt, so daß das Drehmoment zum Erhöhen der Spindeldrehzahl aus dem Stillstand auf hohe Drehzahl innerhalb einer gegebenen Zeit auf lediglich 25% des Drehmoments bei einer her kömmlichen Spindel aus Stahl abnimmt.
- Dies reduziert die Anlaufzeit bis zur Erzielung
einer hohen Drehzahl, so daß es beim Gewinde
bohren möglich ist, die Drehrichtung des Gewinde
bohrers mehrmals bei hoher Geschwindigkeit um
zukehren. Das zum Beschleunigen der Drehzahl der
Spindel auf 300 Upm innerhalb einer gegebenen
Zeitspanne benötigte Drehmoment läßt sich
auf lediglich 25% des Drehmoments bei einer
herkömmlichen Spindel aus Stahl reduzieren. Dies
verringert die Energieaufnahme bei der Überar
beitung ebenso wie die Erzeugung von Wärme. Als
Konsequenz daraus ist es möglich, eine geringere
Energie- und Wärmeabfuhr vorzusehen.
- b) Es ist möglich, die Genauigkeit der Spindel positionierung zu verbessern. In einer Werk zeugmaschine mit einem Spindelausfahrmechanismus ist es durch die Gewichtsverringerung der Spindel möglich, den Gleitwiderstand beim Ausfahren der Spindel zu reduzieren. Da der Verdrehnungswinkel des Antriebssystems des Ausfahrmechanismus reduziert wird, läßt sich die Positioniergenauigkeit verbessern.
- 2. Wie aus Tabelle II hervorgeht, ist die Steifig keit der Spindel bei dieser Ausführungsform geringer als bei herkömmlichen Spindeln. Biegesteifigkeit und die Verdrehungssteifigkeit nach Tabelle II reichen für praktische Zwecke aus.
- Die Werte für die herkömmliche Spindel stammen von einem Produkt der Fa. Toshiba Kikai K.K., hergestellt zum Einschneiden in eine Werkstück mit niedriger Drehzahl bei hohem Drehmoment. Spindeln der gleichen Klasse, eingesetzt in einem Bearbeitungszentrum erfordern im wesentlichen das gleiche Drehmoment wie bei dieser Ausführungsform, d. h. 75 kg×m. In anderen Worten, die Spindel nach dieser Ausführungs form besitzt ausreichende Steifigkeiten.
- 3. Bei einem Temperaturanstieg um 15°C zog sich die Spindel nach der vorliegenden Ausführungsform um 9 µ zusammen, während der Wert bei der her kömmlichen Spindel 250 µ betrug.
Diese thermische Ausdehnung hat einen großen Ein
fluß auf die Bearbeitungsgenauigkeit von Öffnungen.
Im Betrieb wird die Spindel erhitzt. Man nehme z. B.
an, daß mit der herkömmlichen Spindel Öffnungen
hergestellt würden, deren Tiefe aufgrund eines
Temperaturanstiegs der Spindel unterschiedlich wären.
Insbesondere die Tiefe der ersten Öffnung (dabei
erfolgt lediglich ein geringer Temperaturanstieg
der Spindel) und die Tiefe der 9. Öffnung unter
schieden sich um 250 µ aufgrund des Temperatur
anstiegs der Spindel um 15°C. Andererseits be
trägt bei der Spindel nach diesem erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel der Tiefenfeder in der Öffnung
höchstens 10 µ, so daß hohe Bearbeitungsgenauig
keiten erreichbar sind. Die Längenänderung des
Werkzeugs, die durch während des Betriebs ent
stehende Hitze verursacht wird, und die 15 µ be
tragende Längenänderung eines Werkzeugs einer
Länge von 300 mm, verwendet bei einem Temperatur
anstieg von 5°C, addieren sich, so daß die Gesamt
längenänderung von Spindel und Werkzeug 15 µ-
9 µ = 6 µ beträgt, so daß der genannte Effekt
noch verbessert wird.
Die hohlzylindrischen Schichten 10a und 10b der
Spindel nach Fig. 1 wurden aufgebaut durch Wickeln
von Fasern derart, daß die gleichen Abmessungen wie
beim Ausführungsbeispiel 1 erzielt wurden. Nach
ausreichender Wärmeaushärtung des Harzes wurden die
Schichten endbearbeitet, und andere Elemente aus
Stahl und Invar wurden an dem hohlzylindrischen
Element angebracht, um eine Spindel zu vervoll
ständigen. Während des Zusammenbaus nach der
maschinellen Bearbeitung wurden die notwendigen
Teile maskiert, und als Grundüberzug wurde eine
Plasmabeschichtung mit Al2O3-4OTiO2 aufge
bracht. Vorzugsweise erfolgt die Grundierung durch
Bond-Auftrag eines anorganischen Füllmittels und
Epoxyharz. Dann wird Epoxyharz mit niedriger
Viskosität unter Vakuum in den Keramiküberzug hinein
imprägniert, und das Harz wird 2 h lang bei einer
Temperatur von 120°C ausgehärtet, um die Hohlräume
der Fasern mit dem Harz zu versiegeln.
Die Wärmeausdehnung und die Steifigkeit der Spindel
nach dieser Ausführungsform sind im wesentlichen
die gleichen wie bei der Ausführungsform 1.
Unter Verwendung desselben Materials wie bei Aus
führungsform 1 wurden Fasern gewickelt, um das
faserverstärkte Verbundteil so herzustellen, daß
es die gleichen Abmessungen und die gleiche Form
wie die Ausführungsform 1 aufwies. Nach ausreichender
Erhärtung des Harzes wurde das faserverstärkte
Verbundteil maschinell bearbeitet, es wurden die
Teile aus Stahl sowie einer Legierung wie beim
Ausführungsbeispiel 1 mit dem faserverstärkten Teil
durch Bonden verbunden, und die zusammengebaute
Anordnung wurde bearbeitet. Nach dem Aufbringen
einer Maske auf die notwendigen Teile wurde ein
Grundüberzug durch Flammauftrag hergestellt. Dann
wurde Kupfer durch Flammauftrag auf die Grundierung
aufgebracht, woraufhin eine sequentielle Galvanisierung
von Kupfer und Hartchrom stattfand. Dann wurde
die sich ergebende Anordnung geschliffen, um die
vorgeschriebenen Abmessungen zu erhalten.
Die Wärmeausdehnung und die Steifigkeit der Spindel
nach dieser Ausführungsform waren im wesentlichen
die gleichen wie bei der Ausführungsform 1.
Da es möglich ist, das Gewicht der Spindel einer
Werkzeugmaschine und die Wärmeausdehnung in der
axialen Richtung herabzusetzen, läßt sich die Be
arbeitungsgenauigkeit durch die Spindel verbessern.
Die Gewichtsabnahme und die Abnahme der Wärmeaus
dehnung spart Antriebskraft und Antriebsenergie
ein und setzt die Betriebsdrehzahl der Spindel herauf.
Claims (11)
1. Spindel für eine Werkzeugmaschine,
gekennzeichnet durch
- - einen Adapter (11) aus Metall mit einer an einem Ende befindlichen konischen Öffnung zur Auf nahme eines konischen Teils eines Werkzeug schafts;
- - ein hohlzylindrisches Element (10a, 10b) aus faserverstärktem Verbundmaterial, verbunden mit dem anderen Ende des Adapters (11) derart, daß es sich mit diesem koaxial zur Aufnahme des Schafts erstreckt, und
- - eine Schutzüberzugsschicht (18), die auf die Außenfläche der Spindel aufgebracht ist.
2. Spindel nach Anspruch 1,
bei der die Faser eine Kohlenstoffaser oder eine
Aramidfaser ist.
3. Spindel nach Anspruch 1 oder 2,
bei der das hohlzylindrische Element (10a, 10b) einen
absoluten linearen Ausdehnungskoeffizienten von weniger
als 0,5×10-6°C-1 in Längsrichtung des hohl
zylindrischen Elements aufweist.
4. Spindel nach Anspruch 1,
bei der die Faser in zwei oder mehr Winkeln gewickelt
ist.
5. Spindel nach Anspruch 4,
bei der einer der Wicklungswinkel in einem Bereich
von 0. ...± 15° und der andere Winkel in einem
Bereich von ± (40° ... 50°) liegt.
6. Spindel nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine an einer Innenfläche des hohlzylindrischen
Elements festgelegte Büchse (13).
7. Spindel nach Anspruch 6,
bei der die Büchse (13) aus Metall besteht.
8. Spindel nach Anspruch 6,
bei der ein aus Invar bestehendes zylindrisches
Teil (12) zwischen der Büchse (13) und dem hohl
zylindrischen Element aus faserverstärktem Verbund
material (10a) liegt.
9. Spindel nach Anspruch 6,
bei der die Büchse (13) an dem hohlzylindrischen
Element durch Metallüberziehung festgelegt ist.
10. Spindel nach Anspruch 6,
bei der die Büchse (13) an dem hohlzylindrischen
Element durch eine Flamm-Keramikbeschichtungs
methode festgelegt ist.
11. Spindel nach Anspruch 10,
bei der Hohlräume eines Keramiküberzugs mit einem
Harz versiegelt sind.
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