DE4025610A1 - Hochgeschwindigkeits- bohr- oder fraesspindel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochgeschwindigkeits- Bohr- oder Frässpindel mit einem an einer Werkzeugmaschine befestigbaren Stator, mit einem Rotor, und mit einem zwischen Stator und Rotor wirksamen Drehantrieb, wobei der Rotor eine Aufnahme für ein rotierendes, spanabhebendes Werkzeug aufweist und gegenüber dem Stator mittels mindestens eines ersten und eines zweiten, davon axial beabstandeten Wälzlagers gelagert ist, und ferner der Rotor axial und radial gelagert ist.

Frässpindeln der vorstehend genannten Art sind allgemein bekannt, z. B. aus der GB-OS 21 66 374 oder als Erzeugnis der Anmelderin mit den Typenbezeichnungen FA oder FAV.

Bei den bekannten Frässpindeln werden die Wälzlager naturgemäß für sehr hohe Betriebsdrehzahlen ausgelegt, die in der Größen­ ordnung eines Drehzahlfaktors (Produkt von mittlerem Lager­ durchmesser und Drehzahl) von bis zu 3,5-10⁶ mm · min^-1 liegen können. In diesem Arbeitsbereich gibt es jedoch keine Wälzlager, die eine axiale Lagerung des Rotors bewirken können. Während bei sehr hohen Drehzahlen naturgemäß das Schwergewicht der Lagerung auf der Radiallagerung liegt, ergibt sich bei Bohr­ und Frässpindeln die Besonderheit, daß zusätzlich erhebliche Axialkräfte auftreten können, die vom bearbeiteten Werkstück auf das Werkzeug ausgeübt werden. Dies unterscheidet den vorliegenden Anwendungsfall von anderen, bei denen vergleichs­ weise nur sehr geringe Axialkräfte auftreten, z. B. bei Antrieben von Zentrifugen, Gebläsen u. dgl. mehr.

Andererseits setzen sich im Werkzeugmaschinenbau mehr und mehr Bearbeitungstechniken durch, die unter dem Kürzel HSC (High Speed Cutting) bekannt geworden sind. Bei diesen Bear­ beitungstechniken wird das Material des Werkstücks infolge extrem hoher Schnittgeschwindigkeiten in einer nicht-festen Phase geschnitten. Hierfür sind jedoch die bereits genannten sehr hohen Drehzahlen des Werkzeugs erforderlich.

Da andererseits, wie allgemein im Werkzeugmaschinenbau, immer das Bedürfnis besteht, noch größere Spanvolumina pro Zeit abzutragen, ergibt sich daraus zwangsläufig auch eine erhebliche Vergrößerung der wirksamen Axialkräfte.

Bei Hochgeschwindigkeits- Bohr- oder Frässpindeln ist der axialen Belastbarkeit jedoch sehr schnell eine Grenze gesetzt, weil die verwendeten Wälzlager entweder in radialer Richtung optimiert sind, um extrem hohe Drehzahlen zu ermöglichen, dann aber in axialer Richtung nicht tragfähig sind, oder aber sie sind in axialer Richtung optimiert und können hohe axiale Kräfte abfangen, dann jedoch mit entsprechenden Einbußen an radialer Lagerfähigkeit und damit einer schnell erreichten Drehzahlgrenze.

Es ist zwar auch schon vorgeschlagen worden, bei extrem hohen Drehzahlen mit Luftlagern zu arbeiten und es ist aus der US-PS 37 31 984 auch bekannt, bei einer Ultra-Zentrifuge den vertikalachsig gelagerten Drehkörper der Zentrifuge am oberen sowie am unteren Ende der Antriebswelle in magnetischen Axial­ lagern zu lagern, dabei ist jedoch nicht berücksichtigt, daß bei Ultra-Zentrifugen keine wesentlichen Axialkräfte auftreten, und es wird lediglich eine Lagerregelung des Drehkörpers in vertikaler Richtung vorgenommen.

Andererseits ist man bei Bohr- und Frässpindeln durchaus daran interessiert, bewährte Wälzlager für die Radiallagerung des Rotors beizubehalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hoch­ geschwindigkeits- Bohr- oder Frässpindel der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch hohe Axialkräfte aufgenommen werden können, wie sie insbesondere bei Eintauch­ vorgängen während des Fräsens oder Bohrens auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wälzlager einen sehr geringen Anlaufwinkel aufweisen, derart, daß sie im wesentlichen als Radiallager wirken, daß ein drittes Lager als Axiallager in Gestalt eines Magnetlagers vorgesehen ist, und daß das Magnetlager in Abhängigkeit von auf das Werkzeug wirkenden Axialkräften in seiner axialen Lagerkraft einstellbar ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Erfindungsgemäß wird nämlich ein Hybrid-Lager eingesetzt, bei dem sowohl Wälzlager (für die Radiallagerung) wie auch minde­ stens ein Magnetlager (für die Axiallagerung) in optimaler Weise zusammenwirken. So kann den Wälzlagern ein extrem geringer Anlaufwinkel zugeordnet werden, weil die Wälzlager bei der erfindungsgemäßen Spindel nahezu ausschließlich als Radiallager arbeiten und in axialer Richtung keine Kräfte aufzunehmen brauchen. Auch ein axiales Verspannen des Rotors mit entspre­ chender Belastung der Lagerelemente der Wälzlager wird dadurch vermieden, weil für das Abfangen der Axialkräfte ein gesondertes Bauelement, nämlich das Magnetlager, vorgesehen ist. Schließlich hat die Verwendung eines Magnetlagers noch den Vorteil, daß je nach Einwirken der Axialkraft die vom Magnetlager erzeugte Lagerkraft entsprechend eingestellt werden kann, wobei in den meisten Fällen keine Regelung erforderlich ist, weil die Axialkräfte für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang vorher­ sehbar sind. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße Spindel auch von allgemeinen Antrieben herkömmlicher Art, bei denen allenfalls eine Lagerregelung vorgesehen war, ohne daß besondere Axialkräfte abgefangen werden mußten.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Spindel ist das erste Wälzlager am werkzeugseitigen Ende des Rotors als Festlager und das zweite Wälzlager am davon ab­ gewandten Ende des Rotors als Loslager, jeweils relativ zum Stator, ausgebildet, wobei das zweite Wälzlager gegen die Kraft eines elastischen Elementes gegen den Stator abgestützt ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Rotor axial elastisch gelagert werden kann, so daß eine Kompensation der von außen einwirkenden Axialkraft innerhalb des Elastizitätsbereiches des elastischen Elementes vorgenommen werden kann. Andererseits ist durch das frontseitige Festlager gewährleistet, daß der Stator den Rotor nach vorne hin hält.

Bei dem vorstehend genannten Ausführungsbeispiel ist das elastische Element vorzugsweise eine Feder, insbesondere in Gestalt eines Faltenbalges.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine besonders einfache Konstruktion erreicht wird, wobei der Faltenbalg auch eine Dichtfunktion übernehmen kann.

Schließlich sind Ausführungsbeispiele der Erfindung besonders bevorzugt, bei denen ein Sensor zum Erfassen der auf das Werkzeug ausgeübten Axialkraft vorgesehen ist und der Sensor über eine Kennlinienstufe mit einem Steuergerät für das Magnet­ lager in Verbindung steht, die ab einem vorbestimmten Schwell­ wert der Axialkraft eine mit der Axialkraft vorzugsweise proportional ansteigende, der Axialkraft entgegengerichtete Lagerkraft einstellt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß den praktischen Bedürfnissen Rechnung getragen wird, indem für geringe Axialkräfte der herkömmliche Betrieb ohne magnetische Gegenlagerung gewählt wird, während erst bei Überschreiten eines bestimmten Schwell­ wertes eine Gegenkraft aufgebracht wird, die in vorzugsweise gesteuerter Weise mit der einwirkenden Axialkraft ansteigt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung der beige­ fügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Hochgeschwindigkeits- Bohr- oder Frässpindel, in einer seitlichen Schnittansicht.

In der Figur bezeichnet 10 eine Fräs- oder Bohrspindel von äußerlich herkömmlicher Art. Die Spindel 10 weist einen Sta­ tor 11, beispielsweise in Form eines zylindrischen Gehäuses auf. Der Stator 11 wird üblicherweise in eine geeignete Aufnahme einer bei 12 äußerst schematisch angedeuteten Werkzeugmaschine stationär eingesetzt.

Im Stator 11 ist ein Rotor 13 drehbar angeordnet. Der Rotor 13 weist eine durchgehende Welle 14 auf. Die Welle 14 ist stirn­ seitig mit einer nur schematisch angedeuteten Spannvorrichtung 15 für ein Werkzeug 16, bspw. einen Bohrer, versehen.

Der Rotor 13 ist im Stator 11 wie folgt gelagert: Eine Schulter 20 ist in einen Hohlraum 21 des Stators 11, in dem sich der Rotor 13 dreht, angebracht. Auf der Schulter 20 stützt sich ein Radial-Wälzlager 22 ab, das andererseits an einer Schulter 23 der Welle 14 anliegt. Das Radial-Wälzlager 22 ist damit ein Festlager.

Mit einem Pfeil 24 ist der Anlaufwinkel des Radial-Wälzlagers 22 (Schräg-Kugellager) angedeutet. Der Anlaufwinkel ist sehr klein und liegt vorzugsweise im Bereich von einigen Grad (üblicherweise 12-18°).

An dem in der Figur oberen Ende des Stators 11 ist der Hohl­ raum 21 als zylindrische Innenwand 28 ausgebildet. An dieser Innenwand 28 ist ein zylindrisches Gleitstück 29 axial beweglich geführt, wie mit einem Doppelpfeil 30 angedeutet.

Das Gleitstück 29 ist mit einer Schulter 31 versehen, an der sich ein zweites Radial-Wälzlager 32 abstützt. Andererseits liegt das zweite Radial-Wälzlager 32 an einer Schulter 33 der Welle 14 an, die der erstgenannten Schulter 23 entgegengesetzt gerichtet ist. Mit einem Pfeil 34 ist auch für das zweite Radial-Wälzlager 32 der sehr geringe Anlaufwinkel symbolisiert.

Das Gleitstück 29 ist schließlich über ein federelastisches Element in Gestalt eines Balgens 35 gegen eine Stirnseite 36 am Stator 11 abgestützt.

Der Rotor 13 ist beidendig gelagert, indem ein Antriebssystem, bestehend aus einer Statorwicklung 40 am Stator 11 und einer Rotorwicklung 41 am Rotor 13, zwischen den Radial-Wälzlagern 22 und 32 angeordnet sind. Die elektrischen Zuleitungen, Steuer­ einheiten u. dgl. für diesen Drehantrieb sind in der Figur der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Zum axialen Lagern des Rotors 13 dient ein Magnetlager 50, das in der Figur kurz oberhalb des ersten, unteren Radial- Wälzlagers 22 angeordnet ist. Das Magnetlager 50 besteht im wesentlichen aus einer Magnetspule 51, die sich raumfest an einer weiteren Schulter 52 des Hohlraums 21 abstützt sowie aus einem Permanentmagneten 54, der in geringem Abstand von der Magnetspule 51 axial an der Welle 14 fixiert ist.

Von der Magnetspule 51 führt eine Zuleitung 53 zu einem Steu­ ergerät 60, das einen Magnetisierungsstrom I_M zur Magnetspule 51 leitet. Das Steuergerät 60 ist mit einem ersten Eingang 61 und/oder einem zweiten Eingang 62 versehen. Über den erst genannten Eingang 61 kann dem Steuergerät 60 ein externer Steuerbefehl in Gestalt einer Steuerspannung U_S zugeführt werden.

Der zweitgenannte Eingang 62 ist an einer Kennlinienstufe 63 angeschlossen, der eine Spannung U_F eingangsseitig zugeführt wird. Die Spannung U_F ist die Signalspannung eines Kraftsensors 64 und stellt ein Maß für eine axiale Kraft F_a dar, die von einem Werkstück auf das Werkzeug 16 ausgeübt wird.

Der Kraftsensor 64 kann bspw. im Hohlraum 21 angeordnet sein, wie in der Figur mit durchgezogenen Strichen eingezeichnet, er kann sich aber auch außerhalb des Stators 11 zwischen diesem und der raumfesten Werkzeugmaschine 12 befinden, wie strich­ punktiert mit 64′ angedeutet.

Im erstgenannten Fall drückt das Gleitstück 29 auf den Kraft­ sensor 64, während im zweitgenannten Fall der axialverschieblich gelagerte Stator 11 über den Kraftsensor 64′ gegen die raumfeste Werkzeugmaschine 12 gedrückt wird, wenn das Werkstück die Axialkraft F_a auf das Werkzeug 16 ausübt.

Die in der Figur dargestellte Spindel arbeitet wie folgt: Wenn ein Werkzeug 16 in die Spannvorrichtung 15 eingespannt ist, verfährt die Werkzeugmaschine 12 die Spindel 10 zu einem Werkstück. Insbesondere während der Eintauchbewegung des Werkzeugs 16 in das Werkstück wird auf das Werkzeug 16 die mit F_a bezeichnete Axialkraft ausgeübt. Diese Axialkraft bewirkt ein axiales Verschieben des Rotors 13 gegen die Kraft des elastischen Balgens 35, weil die Welle 14 im ersten, unteren Radial-Wälzlager 22 axial gleitend gehalten ist und mit ihrer oberen Schulter 33 das zweite, obere Radial-Wälzlager 32 samt dem Gleitstück 29 nach oben schiebt. Da sich der Faltenbalg 35 über den Kraftsensor 64 an der Stirnseite 36 des Stators 11 abstützt oder der Stator 11 insgesamt über den Kraftsensor 64′ an der Werkzeugmaschine 12, wird die Axialkraft F_a ständig überwacht.

In der Kennlinienstufe 63 wird nun bis zu einem vorgebbaren Grenzwert nichts weiter veranlaßt, weil bis zu dem genannten Grenzwert keine zusätzlichen Stützmaßnahmen in axialer Richtung erforderlich sind. Sobald jedoch der genannte Grenzwert über­ schritten ist, wird über das Steuergerät 60 dem Magnetlager 51 ein Magnetisierungsstrom I_M zugeführt. Der Magnetisierungs­ strom I_M bewirkt, daß die Magnetspule 51 ein Magnetfeld aufbaut, das gerade so gerichtet ist, daß der Permanentmagnet 54 von der Magnetspule 51 angezogen wird. Auf diese Weise entsteht eine axiale Gegenkraft im Magnetlager 50, die der Axialkraft F_a entgegengesetzt gerichtet ist.

Alternativ dazu kann über den ersten Eingang 61 des Steuer­ gerätes 60 aber auch ein beliebiger Steuerwert durch die Spannung U_S vorgegeben werden, bspw. dann, wenn aufgrund des speziellen Bearbeitungsprozesses die einwirkenden Axialkräfte F_a ohnehin bekannt sind und daher ohne jegliche Messung oder gar Regelung ein entsprechender Magnetisierungsstrom I_M ein­ gestellt wird, sobald das Werkzeug 16 auf dem Werkstück aufsetzt (oder auch zu einem anderen Zeitpunkt).

In diesem Fall ist es entbehrlich, einen Kraftsensor und/oder eine Kennlinienstufe vorzusehen.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So kann bspw. das Magnet­ lager 50 statt am in der Figur unteren Ende der Welle 14 auch in der Nähe von deren oberem Ende angeordnet sein, oder es können zwei Magnetlager im Abstand voneinander angeordnet werden. Auch sind andere Antriebsarten als der in der Figur dargestellte elektrodynamische Antrieb möglich, bspw. durch eine Turbine. Schließlich sind auch die gezeigten Abmessungen und sonstigen konstruktiven Einzelheiten im Rahmen fachmän­ nischen Könnens durch andere konstruktive Maßnahmen und Abmes­ sungen ersetzbar.

Claims (4)

1. Hochgeschwindigkeits- Bohr- oder Frässpindel mit einem an einer Werkzeugmaschine (12) befestigbaren Stator (11), mit einem Rotor (13), und mit einem zwischen Stator (11) und Rotor (13) wirksamen Drehantrieb (40, 41), wobei der Rotor (13) eine Aufnahme (15) für ein rotierendes, spanabhebendes Werkzeug (16) aufweist und gegenüber dem Stator (11) mittels mindestens eines ersten und eines zweiten, davon axial beabstandeten Wälzlagers (22, 32) gelagert ist, und ferner der Rotor (13) axial und radial gelagert ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wälzlager (22, 23) einen sehr geringen Anlaufwinkel (24, 34) aufweisen, derart, daß sie im wesentlichen als Radiallager wirken, daß ein drittes Lager als Axiallager in Gestalt eines Magnetlagers (50) vorgesehen ist, und daß das Magnetlager (50) in Abhängigkeit von auf das Werkzeug (16) wirkenden Axial­ kräften (F_a) in seiner axialen Lagerkraft einstellbar ist.

2. Spindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Wälzlager (22) am werkzeugseitigen Ende des Rotors (13) als Festlager und das zweite Wälzlager (32) am davon abgewandten Ende des Rotors (13) als Loslager, jeweils relativ zum Stator (11), ausgebildet ist, und daß das zweite Wälzlager (32) gegen die Kraft eines elastischen Elementes gegen den Stator (11) abgestützt ist.

3. Spindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element eine Feder, vorzugsweise in Gestalt eines Faltenbalges (35) ist.

4. Spindel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (64) zum Erfassen der auf das Werkzeug (16) ausgeübten Axialkraft vorgesehen ist und daß der Sensor (64) über eine Kenn­ linienstufe (63) mit einem Steuergerät (60) für das Magnetlager (50) in Verbindung steht, die ab einem vorbestimmten Schwellwert der Axialkraft eine mit der Axialkraft vorzugsweise proportional ansteigende, der Axialkraft entgegengerichtete Lagerkraft einstellt.