DE4009461A1

DE4009461A1 - Spindel fuer eine werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE4009461A1
Application number: DE4009461A
Authority: DE
Inventors: Takahiko Inokuma; Sadamu Baba; Shoji Imao; Hitoshi Kodama; Takeo Gomi
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd; Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd; Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1989-09-08
Filing date: 1990-03-23
Publication date: 1991-03-21
Also published as: US5018915A

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.

Ausführungsform 1

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.

Tabelle II

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.

Ausführungsform 2

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.

Ausführungsform 3

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

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.