DE4333196C2 - Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spindeleinheit für eine Werkzeugma­ schine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine derartige Spindeleinheit ist aus JP 4-74732 bekannt. Bei dieser herkömmlichen Spindeleinheit hat sich gezeigt, daß in­ folge der bei steigender Spindeldrehzahl erforderlichen Lager­ entlastung eine bei Präzisionsbearbeitungen ungünstige Verla­ gerung des werkstückseitigen Spindelendes auftreten kann.

Aus GB-PS 1 535 163 ist eine weitere Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine bekannt, bei welcher über einen druckölbela­ steten Ringkolben eine Lager-Vorspannkraft unter Berücksichti­ gung der momentanen Spindeldrehzahl einstellbar ist. Bei dieser herkömmlichen Spindeleinheit wird zur Änderung der Lagervor­ spannung ein Wälzlageraußenring verschoben. Bei dieser herkömm­ lichen Spindeleinheit können bei Erwärmung der Spindel u. U. Po­ sitionsänderungen des werkstückseitigen Spindelendes auftreten.

Eine Spindeleinheit, bei welcher eine Lagervorspann­ kraft entsprechend dem Betriebszustand der Spindel umschaltbar ist, ist in der JP 4-74732 offenbart. Diese Einheit ist so angepaßt, daß die Vorspannung entsprechend der Drehzahl der Spindel umgeschaltet werden kann.

Wie in Fig. 12 gezeigt, umfaßt diese bekannte Spindeleinheit ein Außengehäuse 51, ein Lagergehäuse 55, das bewegbar in dem Außengehäuse 51 angebracht ist, um die Lager 53, 54 axial zu belasten und eine Spindel 52, die durch die Lager 53, 54 abgestützt wird. Zwischen dem Außengehäuse 51 und dem Lagergehäuse 55 sind ein elastisches Element 56 mit einer größeren Steifigkeit als die axiale Steifigkeit der Lager 53, 54 und eine Druckkammer 57 angeordnet. Eine Hochdruck­ flüssigkeit wird eingefüllt in und ausgebracht von der Druckkammer 57. Eine große Anfangsvorspannung ist auf die Lager 53, 54 durch die Federkraft des elastischen Elements 56 aufgebracht. Das Lagergehäuse 55 ist gegen das elastische Element 56 durch den Flüssigkeitsdruck vorgespannt, der in die Druckkammer 57 eingebracht wird. Durch Einstellen des Flüssigkeitsdrucks, kann die auf die Lager 53, 54 aufge­ brachte Vorspannung kontrolliert werden.

Jedoch treten bei dieser Spindeleinheit folgende Probleme auf:

• 1. Obwohl sie ausreichend mit dem Hochdrehzahlbetrieb fertig wird, kann sie nicht eine Verlagerung des an dem Werkzeug angebrachten Spindelendes aufgrund von Veränderung in der Vorspannung und der Drehzahl (somit in der Spindeltemperatur) verhindern. Deswegen ist es notwendig, um eine hohe Maschinengenauigkeit beizube­ halten, die Verlagerung des Spindelendes zu korrigie­ ren, während die Spindel angetrieben wird.
• 2. Vorerst wird ein Vorspannbereich, in welchem die Vor­ spannung verändert werden kann, bestimmt, der auf den vorher bestimmten Drehzahlen und der Steifigkeit der Spindel des Maschinenwerkzeugs basiert. Die Vorspan­ nung wird innerhalb dieses Bereichs bestimmt, indem verschiedene Faktoren einbezogen werden. Solche Fakto­ ren umfassen numerische Werte, die aus Erfahrung und Schätzungen abgeleitet werden, die durch technische Berechnungen erlangt werden.
  Deswegen wird, wenn die Temperaturschwankung der La­ gerringe und die Zentrifugalkraft von den geschätzten Werten, während die Spindel angetrieben wird, abwei­ chen sollte, die tatsächliche Vorspannung ebenso von den vorherbestimmten Werten abweichen. Dies gestaltet die Vorspannungseinstellung schwierig.
  Darüber hinaus ist beim Bestimmen des tatsächlichen Vorspannungswertes keine Überlegung für solche Fakto­ ren wie Schwankungen in der externen Belastung, die an der Spindel angreifen, wie z. B. Schneidkräfte, und Änderungen im Temperaturausgleich zwischen den Einzel­ teilen der Einheit, gegeben. Deswegen kann die Maschi­ nengenauigkeit durch Rattern oder Werkzeugpositions­ wechsel unstabil werden.
• 3. Bei den bekannten Spindeleinheiten ist es notwendig, um die anfängliche Vorspannung der Lager 53, 54 zu verändern, die Steifigkeit des elastischen Elements 56 zu verändern. Jedoch ist es innerhalb der Einheit hin­ ter den Lagern 53, 54 angebracht. Deswegen müssen die Lager 53, 54 und das Lagergehäuse 55 von dem Außenge­ häuse 51 entfernt werden, um es auszutauschen. Dies ist praktisch nichts anderes als eine komplette Demon­ tage der gesamten Einheit und somit sehr beschwerlich.
• 4. Das Lagergehäuse 55 und das Außengehäuse 51 sind mit einem kleinen Spiel dazwischen zusammengepaßt. Wenn sie durch einen Unterschied in den dazwischenliegenden Temperaturen, die während des Maschinenbetriebs auf­ treten können zu unterschiedlichen Ausdehnungen von­ einander verformt werden, können sie fest gegeneinan­ der gedrückt werden. Dieses wird die Gleitbewegung des Lagergehäuses 55 behindern und somit eine stabile Vor­ spannungseinstellung schwierig gestalten. Jedoch wird, wenn ein großes Spiel dazwischen bereitgestellt wird, um sie vom Aneinanderpressen zu bewahren, die Steifig­ keit der Spindel absinken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, bei welcher die jeweilige Lagerbelastung auf günstige Wei­ se den momentanen Drehzahlverhältnissen angepaßt werden kann und zugleich eine Positionsänderung des werkstücksseitigen Spindelendes aufgrund einer Wärmeausdehnung der Spindel unter­ drückt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spindeleinheit mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Spindeleinheit sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Spindeleinheit wird zunächst eine große anfängliche Belastung auf die Lager aufgebracht. Wenn die Spindeldrehzahl sich erhöht und die Temperatur der Spindel an­ steigt, wird sie tendentiell in einer axialen Richtung durch thermische Ausdehnung verlagert. In diesem Zustand belastet der Vorspannumschaltmechanismus die Lager in der Richtung entgegen­ gesetzt zu der Richtung, in welcher die anfängliche große Bela­ stung aufgebracht ist, wodurch die Vorspannung der Lager ver­ mindert wird und die Spindel rückwärts bewegt wird, um der axialen Verlagerung der Spindel durch thermische Ausdehnung entgegenzuwirken.

Die Vorspannung auf die Lager ist einstellbar und die Spindel kann axial entsprechend der veränderten Vorspannung bewegt wer­ den. Deswegen kann eine axiale Verlagerung der Spindel über ei­ nen weiten Spindel-Drehzahl-Bereich minimiert werden. Die Ma­ schinengenauigkeit wird dadurch verbessert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Spindeleinheit bereitgestellt, mit einem Außengehäuse, einer Spindel die angebracht ist, um sich durch das Außengehäuse zu erstrecken, Lager zum Stützen der Spindel, einem Lagerge­ häuse, das in dem Außengehäuse zum Belasten der Lager in axialer Richtung angebracht ist, einem elastischen Element, das eine Steifigkeit aufweist, die relativ größer ist als die axiale Steifigkeit der Lager, einer Druckkammer, in wel­ che eine Druckflüssigkeit eingefüllt ist, wobei das Lagerge­ häuse in einer axialen Richtung durch das elastische Element und in der axialen Richtung durch den Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer belastet ist, einer Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Verlagerung des elastischen Elements, und einer Kontrolleinrichtung, die Signale von der Ermittlungs­ einrichtung empfängt und die Druckhöhe der Flüssigkeit, die in die Druckkammer entsprechend den Signalen eingefüllt wird, kontrolliert.

Die tatsächliche Vorspannung an den Lagern während des Ma­ schinenbetriebs wird ermittelt durch Ermitteln der Verlage­ rung von dem elastischen Element. Der Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer ist eingestellt, um die tatsächliche Vor­ spannung zu kontrollieren. Ebenso können durch das Ermitteln der Verformung des elastischen Elements Werkzeugschäden und Rattervorgänge ermittelt werden. Deswegen können solche Phä­ nomene durch Einstellen des Maschinenzustands und der Vor­ spannung beseitigt werden.

Weil der Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer entsprechend der Verlagerung des elastischen Elements eingestellt werden kann, kann die Vorspannung der Lager auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden. Wodurch die Steifigkeit der Spindel auf einen optimalen Wert gehalten werden kann.

Darüber hinaus kann, durch die Bereitstellung von einer Ein­ richtung zum Ermitteln der Verformung des elastischen Ele­ ments, jeder externe Faktor, der auf die Spindel wirkt, oder jeder Wechsel in der Arbeitsumgebung ermittelt werden, wobei jede Störung auf die Spindeleinheit zuverlässig ermittelt werden kann. Deswegen kann die Spindel stabil betrieben wer­ den.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Spindeleinheit bereitgestellt mit einer Spindel, die ange­ bracht ist, um sich durch das Außengehäuse zu erstrecken, Lager zum Stützen der Spindel, einem Lagergehäuse, das in dem Außengehäuse zum Belasten der Lager in einer axialen Richtung angebracht ist, einem elastischen Element, das eine Steifigkeit aufweist, die relativ größer ist als die axiale Steifigkeit der Lager, und einer Druckkammer, in welche die Druckflüssigkeit eingefüllt wird, wobei das Lagergehäuse in einer axialen Richtung durch das elastische Element und in der anderen axialen Richtung durch den Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer belastet ist, wobei das elastische Element mit dem Lagergehäuse in Berührung ist, wobei ein Druckele­ ment lösbar an dem Lagergehäuse zum Drücken des elastischen Elements gegen das Lagergehäuse vorgesehen ist, und wobei das elastische Element an einem Ende des Außengehäuses ange­ ordnet ist, wenn die Spindeleinheit zusammengebaut ist.

In dieser Anordnung ist das elastische Element nur durch Entfernen des Druckelements von dem Lagergehäuse zugänglich. Deswegen kann es durch ein unterschiedliches Element ausge­ tauscht werden ohne die Lager von der Spindel abzunehmen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Spindeleinheit bereitgestellt mit einer Spindel, die ange­ bracht ist, um sich durch das Außengehäuse zu erstrecken, Lager zum Stützen der Spindel, einem Lagergehäuse, das in dem Außengehäuse zum Belasten der Lager in einer axialen Richtung angebracht ist, einem elastischen Element, das eine Steifigkeit aufweist, die relativ größer ist als die axiale Steifigkeit der Lager, einer Druckkammer, in welche eine Druckflüssigkeit eingefüllt ist, wobei das Lagergehäuse in einer axialen Richtung von dem elastischen Element und in die andere axiale Richtung vor dem Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer belastet ist, wobei eines der Außengehäuse und Lagergehäuse an der Grenze dazwischen mit einer Nut versehen ist, die die Grenze umgibt, und einer Einrichtung, die mit der Nut zum Zuführen von Druckflüssigkeit in Verbindung steht.

In dieser Anordnung vergrößert sich durch Aufbringen eines Flüssigkeitsdrucks in der Nut, die zwischen dem Außengehäuse und dem Lagergehäuse geformt ist, der Durchmesser des Lager­ gehäuses, so daß eine Lücke dazwischen geformt ist. Somit kann das Gehäuse reibungslos bewegt werden.

Weil eine Lücke beliebig zwischen dem Außengehäuse und dem Lagergehäuse nach der Montage der Spindeleinheit geformt werden kann, ist es nicht notwendig, ein übermäßig großes Spiel bereitzustellen, wenn sie zusammengepaßt sind. Es ist sogar möglich sie stramm zusammenzupassen. Dieses trägt ebenfalls zu einer erhöhten Steifigkeit der Spindel bei.

Andere Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung mit Bezug auf die beige­ fügten Zeichnungen sichtbar werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht des ersten Ausführungs­ beispiels,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Bereichs der ersten Ausführungsform,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Vorspan­ nung auf die Lager und Drehzahl der Spindel zeigt,

Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der axia­ len Verlagerung der Spindel durch die Veränderung der Vorspannung und die Drehzahl der Spindel zeigt,

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der axia­ len Verlagerung der Spindel durch thermische Aus­ dehnung und der Spindeldrehzahl zeigt,

Fig. 6 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbei­ spiels der Spindeleinheit,

Fig. 7 eine vergrößerte Schnittansicht eines Bereichs des zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Ver­ formung des elastischen Elements und des Öldrucks zeigt,

Fig. 9 ein Diagramm, das den Vorgang des Vorspannungsum­ schaltens zeigt,

Fig. 10 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbei­ spiels der Spindeleinheit,

Fig. 11 eine vergrößerte Schnittansicht des dritten Aus­ führungsbeispiels und

Fig. 12 eine Schnittansicht des Stands der Technik.

Im folgenden werden nun die Ausführungsbeispiele der vorlie­ genden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen be­ schrieben.

(Erstes Ausführungsbeispiel)

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt ein Außengehäuse 1 einen zylindrischen Gehäusekörper 2 und Deckelelemente 3, die auf beiden Enden des Körpers 2 angebracht sind. Eine Spindel 4 erstreckt sich durch das Außengehäuse 1.

Die Spindel 4 ist drehbar durch Schrägkugellagerpaare 6, 7 und 8, 9 abgestützt, welche in einer O-Anordnung angeordnet sind, wobei jedes Paar durch einen Abstandshalter 5 parallel zueinander angeordnet ist. In der Figur ist das rechte Ende 4a der Spindel 4 die Seite, an welcher ein Schneidwerkzeug angebracht ist (Maschinenseite).

Die Lager 5, 7 in der Nähe der Maschinenseite haben ihre In­ nenringe an der Spindel 4 befestigt. Ihre Außenringe sind in einem Lagergehäuse 10 angeordnet, das zwischen den Lagern 6, 7 und dem Gehäusekörper 2 angebracht ist. Die Lager 8, 9 auf der anderen Seite haben ihre Innenringe auf der Spindel 4 befestigt und ihre Außenringe an dem Gehäusekörper 2 befe­ stigt. Die Spindel 4 ist axial relativ zu dem Gehäusekörper 2 über eine Distanz beweglich, die gleich der Distanz ist, über welche die Innenringe der Lager 6-9 relativ zu den jeweiligen Außenringen bewegbar sind.

Das Lagergehäuse 10 ist bewegbar in die Innenfläche des Ge­ häusekörpers 2 eingepaßt. Die Lager 6, 7 sind zwischen einer Schulter 10a, die an der Innenfläche des Lagergehäuses 10 vorgesehen ist, und einem Element 11 angeordnet, das an ei­ nem Ende des Gehäuses 10 angebracht ist. Deswegen werden, wenn die Lagergehäuse 10 sich axial bewegen, die Außenringe der Lager 6, 7 verschoben, so daß Vorspannungen auf die La­ ger 6-9 aufgebracht werden. Die Vorspannkraft wird durch den Unterschied zwischen dem Abstand L1, zwischen den Innen­ ringen der Lagerpaare 6, 7 und 8, 9 und dem Abstand L0 zwi­ schen ihren Außenringen bestimmt.

Ein Einstellelement 12, das in dem Lagergehäuse 10 angeord­ net ist, ist gegen eine innere Endfläche 2a des Gehäusekör­ pers 2 (Fig. 2) angeordnet. Es umfaßt eine Federstütze 13, die ein elastisches Element 15 trägt und einen Ring 14, der in dem Lagergehäuse 10 angeordnet ist. Diese Elemente 13, 14 sind miteinander durch Schrauben verbunden.

Das elastische Element 15 ist eine ringförmige Feder mit ei­ nem U-förmigen Querschnitt und mit einer Federkonstanten, die auf einen höheren Wert als die achsiale Steifigkeit der Lager 6-9 eingestellt ist. Sobald in der Spindeleinheit angebracht, dient es, um jeglichen axialen Spalt in jedem Lager zu beseitigen und um eine große anfängliche Vorspan­ nung auf die Lager aufzubringen.

Die Breite der Federstütze 13 ist so gestimmt, daß ein Spalt 8 zwischen der Federstütze 13 und dem Lagergehäuse 10 vorge­ sehen ist, wenn das elastische Element 15 angebracht ist. Um plastische Verformung des elastischen Elements 15 zu verhin­ dert, ist der Spalt δ so eingestellt, um dem elastischen Element 15 nicht zu ermöglichen, über seine elastische Grenze hinaus zusammengedrückt zu werden.

Eine Druckkammer 16 ist zwischen dem Lagergehäuse 10 und dem Ring 14 geformt. Ein Durchgang 17 ist im Innern des Gehäuses 2 geformt. Es steht auf einer Seite mit der Druckkammer 16 und auf der anderen Seite mit einer Druckquelle 19 (Fig. 1) zum Zuführen von Hochdrucköl durch ein Drucksteuerventil 18 in Verbindung.

An dem Maschinenende 4a von der Spindel 4 ist ein Verlage­ rungssensor 20 zum Ermitteln der axialen Verlagerung des Ma­ schinenendes (Fig. 1) angebracht. Die Signale von dem Verla­ gerungssensor 20 und einem Tachometer 21 zum Ermitteln der Drehzahl von der Spindel 4 werden einem Drucksteuergerät 22 zugeführt. Nach dem Empfangen der Signale von den Sensoren 20, 21 errechnet das Drucksteuergerät 22 den Öldruck, der notwendig ist, um eine vorbestimmte Vorspannung zu erzielen und sendet dem Drucksteuerventil 18 das Signal, um den Öl­ druck, der auf die Druckkammer 16 aufgebracht wird, zu steu­ ern.

In der oben genannten Spindeleinheit, ist die Distanz L0 zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Außenringe der Lager 6, 9 so gestimmt, daß das elastische Element 15 zusam­ mengedrückt ist, wenn die Spindeleinheit zusammengebaut ist. Die anfängliche Vorspannung der Lager 6-9 ist gleich der elastischen Kraft des elastischen Elements 15, welche der Größe der Verformung des elastischen Elements entspricht. Durch Einbringen eines Hochdrucköls in die Druckkammer 16 in dieser Stellung, werden die Lagergehäuse 10 durch den Öl­ druck in solch einer Richtung gedrückt, um das elastische Element weiter zusammenzupressen oder zu entlasten, wodurch die Vorspannung auf die Lager 6-9 vermindert wird. Durch die Verminderung der Vorspannung an den Lagern, sowie der Bewegung des Lagergehäuses 10, bewegen sich die Innenringe und die Außenringe der Lager 6-9 relativ zueinander. Die­ ses bringt das Maschinenende 4a der Spindel 4 dazu, sich rückwärts bezüglich des Endes des Außengehäuses 1 zu bewe­ gen.

Fig. 3 zeigt, wie die Vorspannung auf die Lager 6-9 wech­ selt, wenn der Öldruck in der Druckkammer 16 kontinuierlich im Verhältnis zu der Anzahl der Umdrehungen vermindert wird.

Fig. 4 zeigt, daß mit der Erhöhung der Anzahl der Umdrehun­ gen der Spindel pro Zeiteinheit, die axiale Verlagerung (a) des Lagergehäuses 10 und die axiale Verlagerung (b) des En­ des 4a der Spindel 4 sich in die Negativrichtung erhöhen, z. B. Absenkrichtung.

Auf der anderen Seite, wenn die Anzahl der Umdrehungen der Spindel 4 ansteigt, steigt die Spindeltemperatur an und ihre Länge vergrößert sich durch thermische Ausdehnung. Deswegen, wie in Fig. 5 gezeigt, wird das Maschinenende 4a der Spindel 4 in der positiven Richtung bewegt und tritt aus dem Gehäuse hervor, wenn die Anzahl der Umdrehungen sich erhöht.

Deswegen wird im tatsächlichen Betrieb der Spindel, während die Spindel mit einer niedrigen Drehzahl gedreht wird, und während welcher eine hohe Steifigkeit gefordert ist, der Öl­ druck von der Druckkammer 16 entladen, so daß eine anfängli­ che große Belastung auf die Lager 6 bis 9 durch die Vor­ spannkraft des elastischen Elements 15 ausgeübt wird.

Wenn die Drehzahl der Spindel 4 zu einer mittleren Stellung ansteigt und der Verlagerungssensor 20 jede axiale Verlänge­ rung der Spindel 4 durch thermische Expansion ermittelt, wird Öldruck in die Druckkammer 16 eingebracht, um die Vor­ spannung bei der mittleren Stellung durch axiales Belasten des elastischen Elements 15 zu vermindern. Das Spindelende 4a bewegt sich somit in der negativen Richtung, um die Ver­ lagerung in der positiven Richtung durch thermische Expan­ sion auszugleichen. Die Verlagerung der Spindel 4 ist somit auf Null gehalten.

Wenn die Drehzahl der Spindel 4 zu einem Hochdrehzahlbereich ansteigt, steigt die Verlagerung des Spindelendes durch thermische Expansion an. Deswegen wird ein größerer Öldruck in der Druckkammer 16 aufgebracht, um die Vorspannung auf die Lager weiterhin zu verringern. Dieses verursacht eine größere Verlagerung des Spindelendes 4a in der negativen Richtung, um seine Verlagerung in der positiven Richtung durch thermische Ausdehnung auszugleichen.

Weil der Öldruck in der Druckkammer 16 durch Überwachen der Verlagerung der Spindel 4 mit dem Verlagerungssensor 20 ein­ stellbar ist, kann die Verlagerung des Spindelendes 4a in­ nerhalb eines weiten Drehzahlbereichs von dem Niedrig- bis zum dem Hochdrehzahlbereich auf Null gehalten werden.

Weil die Vorspannung auf die Lager vermindert wird, wenn die Drehzahl ansteigt, kann die Temperatur der Lager niedrig ge­ halten werden. Dadurch ist die Hochdrehzahleigenschaft her­ vorragend.

Weiterhin wird in dieser Ausführungsform, weil die Lager 6-9 durch die große Vorspannkraft des hochsteifen elastischen Elements 15 in Position gehalten werden, eine Steifigkeit der Spindel erreicht, um der festangeordneten Vorspannung angepaßt zu sein.

In dem obigen Ausführungsbeispiel wird die Verlagerung der Spindel durch Verlagerungssensore 20 überwacht, um den Öl­ druck einzustellen. Jedoch, wenn es möglich ist, das Ver­ hältnis zwischen Öldruck und der Vorspannung unter Verlage­ rung der Spindel im voraus zu kennen, kann die Verlagerung des Spindelendes einfach durch Einstellen der Drehzahl und des Öldrucks auf Null gesteuert werden. In diesem Falle kön­ nen die Verlagerungssensoren 20 entfallen.

Als ein Vorspannumschaltmechanismus wurde der Aufbau ge­ zeigt, der das elastische Element 15 und die Druckkammer 16 zum Belasten der Lagergehäuse 20 umfaßt. Jedoch kann eine weitere Druckkammer an der Stelle des elastischen Elements vorgesehen sein, um das Lagergehäuse in entgegengesetzter Richtung durch den Öldruck in der zweiten Durckkammer zu be­ lasten. Der Vorspannumschaltmechanismus kann von jeglicher Art sein.

Die Flüssigkeit, die in die Druckkammer 15 eingefüllt wird, ist nicht auf Hochdrucköl begrenzt, sondern kann auch Hoch­ druckluft oder ein anderes Gas sein.

(Zweites Ausführungsbeispiel)

Fig. 6 und 7 zeigen das zweite Ausführungsbeispiel. Im Ausführungsbeispiel sind die selben Teile wie in dem ersten Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugsziffern bezeich­ net und ihre Beschreibung ausgelassen. Im folgenden werden nur die Unterschiede dieser Ausführungsform beschrieben.

Das elastische Element 15 ist zwischen der Innenfläche 2a des Gehäusekörpers 2 und des Einstellelements 12 angebracht. Ein Verformungsmesser 31 ist auf dem elastischen Element 15 angebracht. Eine Leitung 32, die mit dem Verforumungsmesser 31 verbunden ist, erstreckt sich durch eine axiale Öffnung 34, die in dem Lagergehäuse 10 und dem Deckelement 3 geformt ist, und ist mit einem Verformungssensor 33 verbunden.

Die Druckkammer 16 ist zwischen dem Lagergehäuse 10 und dem Ring 14 des Einstellelements 12 definiert. Die Druckkammer 16 führt zu der Öldruckquelle 19 über ein Druckeinstellven­ til 18. Eine Öldrucksteuervorrichtung 35 ist mit dem Öl­ drucksteuerventil 18 verbunden.

Die Öldrucksteuereinrichtung 35 empfängt Signale von dem Verformungssender 33 und dem Spindeltachometer 1. Basierend auf diesen Signalen berechnet sie den Öldruck, der notwendig ist, um eine vorbestimmte Vorspannung bereitzustellen und aktiviert das Drucksteuerventil 18.

In diesem Ausführungsbeispiel wird, wenn die Spindeleinheit montiert ist, das Lagergehäuse 10 nach rechts in Fig. 6 durch die Federkraft des elastischen Elements 15 vorge­ spannt. Eine große Vorspannung ist somit auf die Lager 6-9 aufgebracht. Wenn Hochdrucköl in die Druckkammer 16 in diese Stellung eingefüllt wird, um das elastische Element 15 zu verformen, wird das Lagergehäuse 10 nach links bewegt. Die Vorspannung auf die Lager wird verringert.

Wie in Fig. 8 gezeigt, wird zuerst das Verhältnis zwischen dem Öldruck und der Verlagerung des elastischen Elements für jede Umdrehungsanzahl pro Zeiteinheit bestimmt (Umdrehung pro Minute). Dann wird eine geeignete Vorspannung bestimmt, z. B. in Form von der Größe des Temperaturanstiegs. Der Öl­ druck, der diese Zustände übereinkommt, wird für jede Umdre­ hungsanzahl pro Zeiteinheit bestimmt.

Beim tatsächlichen Betrieb der Spindel steigt, wenn die Drehzahl der Spindel 4 ansteigt, die Vorspannung auf die La­ ger durch thermische Ausdehnung der Spindel und der Zentri­ fugalkraft, die auf die Spindel wirkt, an. Solch eine Verän­ derung der Vorspannung wird in die Bewegung der Lagergehäuse 10 umgeformt und offenbart sich in der Form eines Veränderns in der Größe der Verformung des elastischen Elements 15.

Wenn die tatsächliche Verformung des elastischen Elements 15, während die Spindel 15 angetrieben wird, von dem Öl­ druckverformungsverhältnis, in Fig. 8 gezeigt, abweichen sollte, ist es möglich, daß die Spindel durch einige andere Faktoren als die thermische Ausdehnung der Spindel und der Zentrifugalkraft beeinflußt wird, die beim Konstruieren der Spindel beachtet werden. Nämlich kann in dieser Stellung die Vorspannung auf die Lager oder die Steifigkeit der Spindel, während sie angetrieben wird, höher oder niedriger sein, als die optimale Vorspannung oder Steifigkeit.

Die Öldrucksteuervorrichtung 35 errechnet den Öldruck bei welchem eine optimale Vorspannung erzielt wird und steuert den Öldruck in der Druckkammer und somit die Vorspannung. In dieser Weise wird die Vorspannung auf die Lager während des Betriebs immer gesteuert, um mit dem vorbestimmten optimalen Wert übereinzustimmen.

Beim tatsächlichen Umschalten der Vorspannung, wenn die Vor­ spannung, welche mit dem Ansteigen der Spindeldrehzahl an­ steigt, ihre erlaubte obere Grenze erreicht (P_max) (N1), in Fig. 9 gezeigt, wird Hochdrucköl in die Druckkammer 16 ein­ gefüllt, um das elastische Element 15 zu verformen. Das La­ gergehäuse 10 bewegt sich über eine Distanz entsprechend der Größe der Verformung, um die Vorspannung zu vermindern.

Diese Vorspannumschaltsteuerung wird jederzeit, wenn die Vorspannung die erlaubbare obere Grenze (Drehzahlen N2 und N3) erreicht, in Stufen ausgeführt. Die Steifigkeit des ela­ stischen Elements 15 soll ungefähr halb so groß sein, als wenn die Vorspannung auf die Lager die maximal erlaubte Höhe erreicht hat.

Der Öldruck in der Druckkammer 16 kann kontinuierlich gemäß der Veränderung in der Verformungsgröße des elastischen Ele­ ments 15 gesteuert werden. Diese Steuerung weist einen Vor­ teil auf, indem die Vorspannung unberücksichtigt der Verän­ derung der Drehzahl konstant gehalten werden kann. Die Spin­ del des Maschinenwerkzeugs kann durch nichtausreichende Steifigkeit der Spindel mikroskopisch fein vibrieren, wo­ durch Rattern oder Beschädigung des Werkzeugs erfolgt. Solch mikroskopisch kleine Vibrationen werden auf das elastische Element 15 durch die Lager 6-9 übertragen und erscheinen in der Form von Hochfrequenzvibrationskomponenten in dem Si­ gnal des Verformungssensors 33, der mit dem elastischen Ele­ ment 15 verbunden ist. Deswegen kann durch Ausfiltern sol­ cher Komponenten von mehreren Frequenzen des Sensorsignals jede Veränderung der Maschinenzustände und der Arbeitsumge­ bung ermittelt werden.

Wenn Signale, die von nichtausreichender Steifigkeit der Spindel resultieren, oder Rattern in den Vibrationskomponen­ ten des Sensorsignals ermittelt werden, wird der Öldruck in der Druckkammer 16 eingestellt, um die Vorspannung auf die Lager und somit die Spindelsteifigkeit zu erhöhen. Wenn das Sensorsignal Spindelstörungen oder Werkzeugbeschädigung an­ zeigt, können die Maschinenzustände überprüft oder die Spin­ del gestoppt werden. Deswegen können die Signale von dem Verformungssensor 33 verwendet werden, um die Ermittlung je­ der Störung der Spindel anzuzeigen. Dieses stellt einen sta­ bilen Antrieb der Spindel bereit.

(Dritte Ausführungsform)

Fig. 10 und 11 zeigen eine dritte Ausführungsform, in welcher das elastische Element 15 und die Druckkammer 16 an der äußeren Endseite des Gehäusekörpers 2 anstelle des Mit­ tenbereichs des Gehäusekörpers 2 in den vorangegangenen Aus­ führungsformen bereitgestellt ist.

Wie in Fig. 10 gezeigt, ist das Lagergehäuse 10 an der In­ nenfläche des Lagerkörpers 2 bewegbar angebracht. Ein Drückelement 42 ist an einem Ende davon angeschraubt. Die äußeren Ringe der Lager 8 und 9 sind zwischen dem Drückele­ ment 42 und der Schulter 10a, die an dem anderen Ende des Lagergehäuses 10 angebracht ist, angeordnet. Das Deckelele­ ment 3 ist lösbar an dem Ende des Gehäusekörpers 2 ange­ bracht, um das Drückelement 42 am herauskommen zu hindern.

Das Drückelement 42 steht von der Außenfläche des Lagerge­ häuses 10 nach außen (nach oben) hervor. Ein Einstellelement 12' zum Einstellen der anfänglichen Vorspannung ist zwischen dem vorstehenden Ende des Drückelements 42 und der Innenend­ fläche 2a des Gehäusekörpers 2 (Fig. 11) angebracht. Die Breite des Einstellelements 12' ist so bestimmt, daß der Spalt 8 zwischen dem Element 12' und dem Drückelement 42 vorgesehen, wobei das elastische Element 15 befestigt ist. Um plastische Verformung des elastischen Elements 15 zu ver­ hindern, muß der Spalt 8 so eingestellt werden, um dem ela­ stischen Element 15 nicht zu ermöglichen, über seine elasti­ sche Grenze hinaus zusammengedrückt zu werden.

Eine Druckkammer 16 ist zwischen dem Drückelement 42 und dem Deckelelement 3 definiert. Sie steht mit einer Druckquelle 19, über einem Durchgang 46, der in dem Deckel 3 geformt ist, und mit einem Drucksteuerventil 18, in Verbindung.

In der Außenfläche des Lagergehäuses 10 sind Umfangsnuten 43, die das Gehäuse 10 vollständig umgeben, und eine Spiral­ nut 44 vorgesehen, deren beide Enden mit den Umfangsnuten 43 an beiden Enden verbunden sind. Eine Druckquelle 45 zum Zu­ führen von Hochdrucköl, steht mit einer der Umfangsnuten 43 über ein Umschaltventil in Verbindung. Zur selben Zeit ist, wenn Öldruck in die Druckkammer 16 von der Druckquelle 19 eingebracht wird, um die Vorspannung einzustellen, die Druckquelle 45 so angepaßt, um Öldruck in einer der Umfangs­ nuten 43 bereitzustellen.

Die Distanz L0 zwischen den Außenringen der Lager 6-9 ist so festgelegt, daß das elastische Element 15 zusammengepreßt wird, wenn die Spindeleinheit zusammengebaut ist. Mit dieser Anordnung wirkt, wenn die Einheit einmal zusammengebaut ist, eine Kraft entsprechend zu der Größe der Verformung des ela­ stischen Elements 15 auf die Lager als eine Vorspannung. Wenn Hochdrucköl in die Druckkammer 16 eingefüllt wird in dieser Stellung, wird das Lagergehäuse 10 und das Drückele­ ment 42 in solch einer Richtung bewegt, um weiterhin das elastische Element zusammenzupressen, um somit die Vorspan­ nung auf die Lager zu vermindern.

Um die anfängliche Vorspannung auf die Lager zu verändern muß man die Federkonstante des elastischen Elements 15 oder die Distanz L0 zwischen den Lagern durch Verändern der Breite des Einstellelements 12' verändern. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist durch Entfernen des Deckelelements 3 von dem Gehäusekörper 2 und Entnehmen des an das Lagergehäuse 10 angeschraubten Drückelements 42, das elastische Element 15 zugängig, und das elastische Element 15 und das Einstellele­ ment 12' können somit entfernt werden. Diese Elemente können durch unterschiedliche Elemente ersetzt werden, ohne daß die Notwendigkeit besteht, die Lager 8, 9 und die Lagergehäuse 10 von dem Gehäusekörper 2 zu entfernen. Deswegen kann die anfängliche Vorspannung auf die Lager einfach verändert wer­ den.

Während die Temperatur der Spindel niedrig ist, besteht dort ein ausreichender Spalt zwischen dem Gehäusekörper 2 und dem Lagergehäuse 10. Deswegen kann das Lagergehäuse 10 einfach entfernt werden. Jedoch können, wenn die Spindeltemperatur mit dem Betrieb über eine längere Zeit ansteigt, die Lager­ gehäuse 10 und der Gehäusekörper 2 straff gegeneinander durch den Unterschied der thermischen Ausdehnung dazwischen gepreßt werden. In solch einem Fall wird das Verhältnis zwi­ schen dem Öldruck und der Größe der Verformung des elasti­ schen Elements 15 durch die Reibungskräfte verändert, die zwischen dem Außengehäuse und dem Lagergehäuse entstehen. Dieses macht es schwierig, die Vorspannung mit großer Genau­ igkeit einzustellen. Um dieses Problem zu verhindern wird, wenn ein Öldruck in die Druckkammer 16 eingebracht wird, um die Vorspannung einzustellen, ein hoher Öldruck von der an­ deren Druckquelle 45 in die Umfangsnuten 43 und die Spiral­ nut 44 eingebracht. Dieses verursacht eine Verminderung des Durchmessers des Lagergehäuses 10, wodurch ein Spalt zwi­ schen dem Gehäuse 10 und dem Gehäusekörper 2 geformt wird. Deswegen kann das Lagergehäuse 10 einfach bewegt werden, was wiederum es möglich macht, die Vorspannung mit großer Genau­ igkeit einzustellen. Ein Öldruck wird in die Umfangsnuten 43 eingebracht und die Spiralnut 44 eliminiert in nur einem Au­ genblick den Preßzustand zwischen dem Lagergehäuse und dem Außengehäuse. Deswegen kann ein Öldruck in diesen Nuten in einer lediglich kurzen Zeit aufgebracht werden.

Solche Umfangsnuten 43 und Spiralnuten 44 können in der In­ nenfläche des Außengehäuses 1 geformt sein, und nicht auf seiner Außenfläche.

Claims (4)

1. Spindeleinheit für eine Werkzeugmaschine mit einem Außengehäuse (1), ei­ ner darin drehbar und innerhalb eines vorbestimmten Bereichs axial bewegbar ange­ ordneten Spindel (4), mehreren Lagern (6, 7, 8, 9) in O-Anordnung zum Abstützen der Spindel (4) innerhalb des Außengehäuses (1), einer Vorspannkrafteinstelleinrichtung, bestehend aus einem Federelement (15) zum Vorspannen der Lager (6, 7, 8, 9) und ei­ ner mit einem Druckmedium beaufschlagten Druckkammer (16) zum zusätzlichen Beeinflussen der von dem Federelement (15) aufgebrachten Vorspannung, dadurch gekennzeichnet, daß ein werkstückseitiger Teil der Spindellagerung (6, 7) zwischen der Spindel (4) und dem Außengehäuse (1) in einem axial verschiebbaren Lagerge­ häuse (10) eingespannt ist, und daß das Lagergehäuse (10) von dem Federelement (15) in eine Richtung zum werkstückseitigen Ende der Spindel (4) hin vorgespannt ist, und von der Druckkammereinrichtung (16) in eine Gegenrichtung bewegbar ist, und daß eine Kontrolleinrichtung vorgesehen ist, zum Einstellen des an die Druckkam­ mereinrichtung (16) angelegten Druckes derart, daß unter Bewegung des Lagerge­ häuses (10) in die Gegenrichtung die Lager (6, 7, 8, 9) entlastet werden, wobei die Kontrolleinrichtung den Druckpegel derart abstimmt, daß eine Positionsänderung des werkstückseitigen Endes (4a) der Spindel (4) infolge zunehmender Drehzahlen oder zunehmender Wärmedehnung der Spindel durch Bewegen des Lagergehäuses (10) in Gegenrichtung unterdrückbar ist.

2. Spindeleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder­ element (15) zum Vorspannen der Lager (6, 7, 8, 9) in axialer Richtung eine Steifigkeit aufweist, die größer ist als die axiale Steifigkeit der Lager (6, 7, 8, 9).

3. Spindeleinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (15) mit dem Lagergehäuse (10) in Berührung steht und ein Drückele­ ment (42) zum Drücken des Federelementes gegen das Lagergehäuse (10) lösbar an dem Lagergehäuse (10) vorgesehen ist, und daß das Federelement (15) bei zusam­ mengebauter Spindeleinheit an einem Ende des Außengehäuses (1) angeordnet ist.

4. Spindeleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Einsatzbereich zwischen dem Außengehäuse (1) und dem Lagergehäu­ se (10) eine Nut (43, 44) und eine Einrichtung, die mit der Nut (43, 44) zur Zufuhr von unter Druck stehendem Fluid in Verbindung steht, vorgesehen sind.