EP1943052A1

EP1943052A1 - Spindel

Info

Publication number: EP1943052A1
Application number: EP06776424A
Authority: EP
Inventors: Rüdiger HABERLAND; Kai Schmidt
Original assignee: Technische Universitat Kaiserlautern; Technische Universitat Kaiserslautern
Current assignee: Technische Universitat Kaiserlautern; Technische Universitat Kaiserslautern
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-07-16
Also published as: WO2007012473A1; DE102005035339A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spindel mit Rotationsantrieb für ein Werkzeug (9, 34). Das Werkzeug (9, 34) besitzt einen Werkzeugschaft (10, 33) und einen Werkzeugkopf (11). Die Spindel umfasst einen Spindelstator (4) und einen Spindelrotor (8, 31), wobei der Spindelrotor (8, 31) innerhalb des Spindelstators (4) um eine Rotationsachse (2) drehbar gelagert und von einer Antriebseinheit (6) in Rotation versetzbar ist. Der Spindelrotor (8, 31) wird erfindungsgemäß im wesentlichen von dem Werkzeug (9, 34) gebildet, wobei der Werkzeugschaft (10, 33) des Werkzeugs (9, 34) in einem Radiallager (5) innerhalb des Spindelstators (4) angeordnet ist. Auf diese Weise entsteht eine kompakte Spindel mit äußerst hohen Rundlaufeigenschaften.

Description

Beschreibung:

Spindel

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft eine Spindel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gattungsgemäße Spindeln sind als Teil von Fertigungssytemen, insbesondere in Werkzeugmaschinen weit verbreitet und dienen der spanenden Bearbeitung von Werkstücken mit hoher Geschwindigkeit. Als spanende Bearbeitung kommen vor allem das Drehen, Fräsen, Bohren und Schleifen in Frage. Aufgrund ihrer Fähigkeit, das Bearbeitungswerkzeug wie zum Beispiel Bohrer oder Fräser in eine schnelle Rotation zu versetzen, eignen sich Werkzeugspindeln, neben der normalen Zerspanung, in besonderer Weise für die Mikro- und Ultrapräzisionszerspanung, da hier mit sehr kleinen Werkzeugköpfen eine Bearbeitung der Werkstücke mit höchster Präzision erfolgt. In Kombination mit hoch auflösenden Wegmesssystemen lassen sich so beispielsweise Formen für den Mikrospritzguss, das Heißprägen oder galvanische Vervielfältigungsmethoden sowie Masken für Siebdruck, aber auch komplexere Strukturen, wie zum Beispiel Mikroturbinen oder Mikrofluidkanäle, mit einer Maßgenauigkeit von 10^~6 bis 10^"9 m erzielen. Ein Trend hin zur Herstellung immer feinerer Mikrostrukturen ist unverkennbar.

Um diesen hohen Anforderungen an die Präzision zu genügen, spielen neben der Steifheit und thermischen Stabilität der einzelnen Komponenten vor allem der Rundlauf des Werkzeugs eine entscheidende Rolle. Dieser wird maßgeblich durch die Steifheit und den Rundlauf der Spindeln, sowie die Werkzeuggenauigkeit und die Einspanngenauigkeit des Werkzeugs in der Werkzeugaufnahme der Spindel bestimmt. Die Werkzeugaufnahme muss gewährleisten, dass das Bearbeitungswerkzeug exakt zentrisch und koaxial bezüglich der Rotationsachse eingespannt ist. Bekannte Werkzeugaufnahmen besitzen hierzu Spannzangen, Backenfutter, hydraulische oder thermische Futter.

Daneben ist eine hohe Rotationsfrequenz des Werkzeugs erwünscht. Der Grund hierfür liegt in den erforderlichen kleinen Werkzeugdurchmessern, die eine hohe Rotationsfrequenz benötigen um die erforderliche Schnittgeschwindigkeit an der Schneide des Werkzeugs zu erreichen. Zudem lassen sich mit hohen Schnittgeschwindigkeiten höhere Maschinenleistungen erzielen.

Stand der Technik:

Aus der DE 198 31 951 A1 ist eine dementsprechende Werkzeugspindel mit einem den Spindelstator bildenden Gehäuse und einem darin rotierenden Spindelrotor bekannt. Der Mantel des Spindelrotors verläuft zu dessen Enden jeweils leicht konisch und bildet zusammen mit der Innenseite des Spindelstators Lagerflächen für ein Luftlager aus. Den Antrieb besorgt ein sogenannter Außenläufermotor. Dazu ist in den Rotor im Bereich der Rotationsachse eine Sackbohrung eingebracht, an deren Wandung der Läufer des Elektromotors angeordnet ist. In die Sackbohrung erstreckt sich der starr mit dem Gehäuse verbundene, in der Rotationsachse angeordnete Ständer des Elektromotors, der mit dem Läufer zusammenwirkt. Das dem Bearbeitungswerkzeug zugeordnete Ende des Spindelrotors ist massiv ausgebildet und besitzt im Bereich der Rotationsachse eine Werkzeugaufnahme, in die das Werkzeug mit seinem Werkzeugschaft koaxial eingesetzt ist.

Eine andere Werkzeugspindel für eine Hochgeschwindigkeitsschneidvorrichtung mit Fräs- oder Bohrwerkzeug ist aus der EP 0 927 088 A1 bekannt. Dort ist eine Spindel offenbart, deren zylindrisches Gehäuse den Spindelstator bildet. Das eine Ende des Spindelgehäuses trägt einen Adapter mit einem ebenfalls koaxial ausgerichteten buchsenartigen Stützteil für das Bearbeitungswerkzeug. Der Spindelrotor ist innerhalb des Stators in der Rotationsachse drehbar gelagert und besitzt an seinem stirnseitigen Ende eine Werkzeugaufnahme. Das Werkzeug erstreckt sich mit seinem Schaft durch den Stützteil des Adapters hindurch und endet in der Werkzeugaufnahme, wo es mit koaxialer Ausrichtung mittels einer Zugstange eingespannt ist. Den Antrieb der Spindel besorgt ein Elektromotor, dessen Läufer auf dem Außenumfang des Spindelrotors sitzt, der mit einem Ständer an der Innenseite des Spindelstators zusammenwirkt.

Beide Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass Spindel und Werkzeug zwei getrennte Systeme darstellen, die über die Werkzeugaufnahme kraftübertragend gekoppelt sind. Dabei hat sich gezeigt, dass insbesondere die Werkzeugaufnahme oftmals Ursache für Maßungenauigkeiten bei der Werkstückbearbeitung ist. Die Schwierigkeit bei Werkzeugaufnahmen besteht im Erreichen einer exakten Koaxialität des Werkzeugs mit der Rotationsachse. Da beim Einspannen des Werkzeugs in der Werkzeugaufnahme mehr oder minder große Abweichungen von der Rotationsachse unvermeidbar sind, müssen Fertigungstoleranzen infolge von Spannfehlern in Kauf genommen werden.

Ein weiterer Nachteil bekannter Spindeln ergibt sich aus deren Größe und Gewicht. Große und schwere rotierende Teile begrenzen die maximale Rotationsfrequenz der Spindel und damit die Präzision und Leistung einer Werkzeugmaschine.

Darstellung der Erfindung:

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugspindel zu entwickeln, die im Vergleich zu bekannten Spindeln eine Bearbeitung des Werkstückes mit größerer Präzision, höherer Rotationsfrequenz und höherer Leistung erlaubt und dabei einfach im Aufbau ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Spindel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Eine erfindungsgemäße Spindel löst sich von der allgegenwärtigen Vorstellung eine Spindel mit einem Spindelrotor auszustatten, an den mittels einer Werkzeugaufnahme ein Werkzeug kraftübertragend angeschlossen ist und in Rotation versetzt wird. Vielmehr besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, den Schaft des Werkzeuges selbst als Teil des Spindelrotors auszubilden. Dadurch verschmelzen die bislang getrennten Systeme der Spindel einerseits und des Werkzeugs andererseits zu einer Einheit, woraus sich wesentliche Vorteile ergeben.

Durch die direkte Lagerung des Werkzeuges in der Spindel kann auf konventionelle Spindelrotoren sowie die damit verbundenen Werkzeugaufnahmen verzichtet werden. Durch den Wegfall der Werkzeugaufnahme und der damit verbundenen Fehlerquelle durch Spannungenauigkeiten ist der Rundlauf des Werkzeugs neben dessen Herstellgenauigkeit im wesentlichen nur noch von der Lagerung des Spindelrotors, das heißt des Werkzeugs, im Spindelstator abhängig. Durch Spannfehler bedingte Beeinträchtigungen der Rundlaufeigenschafen sind somit aus dem erfindungsgemäßen Spindelsystem eliminiert und damit die Präzision der Werkzeugführung erhöht.

Um Spannfehler durch geeignete Korrekturwerte in der Steuerung der Werkzeugmaschine auszugleichen ist es bei bekannten Spindelsystemen für bestimmte Anwendungen notwendig, das eingespannte Werkzeug zu vermessen. Da bei erfindungsgemäßen Spindeln das Werkzeug konstruktionsbedingt in der Rotationsachse ausgerichtet ist, kann auf das Vermessen und Ermitteln von Korrekturwerten verzichtet werden.

Als vorteilhaft erweist sich zudem, dass das Werkzeug einer erfindungsgemäßen Spindel einfach und schnell durch axiales Herausziehen aus beziehungsweise Einschieben in den Spindelstator gewechselt werden kann. Der mit dem Einspannen des Werkzeugs in die Spannvorrichtung verbundene Zeitaufwand entfällt daher. Insbesondere bei der verschleißträchtigen Bearbeitung harter oder stark verschleißender Materialien, die einen häufigen Werkzeugwechsel erforderlich machen, werden dadurch die Stillstandszeiten minimiert und die Wirtschaftlichkeit insgesamt gesteigert.

Durch die Integration des Werkzeuges in die Spindel wird ein kompakter und einfacher Aufbau der Werkzeugspindel mit nur wenig bewegten Teilen möglich. Die kompakte Bauweise erfordert lediglich einen geringen Bauraumbedarf und ermöglicht so eine vorteilhafte Unterbringung der Spindel in entsprechenden Werkzeugmaschinen. Der einfache Aufbau der Spindel mit vergleichsweise wenigen Teilen führt zudem zu einer Kosten red uktion in der Herstellung und Anschaffung erfindungsgemäßer Spindeln. Die durch die Teilereduktion sich ergebende Gewichtsreduktion ermöglicht aber auch höhere Achsbeschleunigungen, so dass sich erfindungsgemäße Werkzeugmaschinen durch eine höhere Maschinenleistung auszeichnen. Dieser Vorteil kommt vor allem bei sich oft wiederholenden Arbeitsschritten zum Tragen, wie zum Beispiel beim Bohren von Leiterplatten, wo schon eine geringe Zeitersparnis innerhalb eines Arbeitszyklus sich zu einem Zeitgewinn summiert und damit die Maschinenleistung steigert.

Ferner führen die geringen Abmessung und der geringe mögliche Durchmesser erfindungsgemäßer Spindeln zu einer Reduzierung der rotierenden Massen. Dadurch sinkt die Einflussnahme von Unwuchten des Spindelrotors auf die Lagerbelastung und die Rundlaufgenauigkeit, so dass gegenüber bekannten Spindeln erhöhte Rotationsfrequenzen möglich sind.

Grundsätzlich wäre eine Lagerung des Werkzeuges in Wälzlagern denkbar. Dem gegenüber sind jedoch aerostatische, aerodynamische, hydrostatische oder hydrodynamische Lager bevorzugt. Diese Lager zeichnen sich durch eine hohe Rundlaufgenauigkeit aus, was Voraussetzung für die angestrebten hohen Rotationsfrequenzen ist. Besonders bevorzugt sind dabei aerostatische oder hydrostatische Lager, da diese auch im Anlauf und Auslauf berührungslos arbeiten und daher keine nennenswerte Abnutzung am Werkzeugschaft oder der Lagerbohrung stattfindet. Eine Alternative hierzu stellt ein aerodynamisches oder hydrodynamisches Lager dar, beispielsweise in Form eines Spiralrillenlagers.

Bei der Ausbildung des Werkzeuges im Spindelrotor wird die Lagerfläche von der Mantelfläche des Werkzeugschaftes selbst gebildet und so eine direkte Lagerung des Werkzeugschaftes erreicht. Auf diese Weise wird die Anzahl und das Gewicht der rotierenden Teile minimiert und so die Voraussetzungen für eine hohe Rundlaufgenauigkeit und Rotationsfrequenz geschaffen.

Zur Aufnahme axialer Kräfte umfasst die Erfindung ein Axiallager, das gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung eines vorgespannten Gleitlagers ein Magnetsystem besitzt, das den Werkzeugschaft axial gegen einen Anschlag zieht. Somit ist zur Ausbildung des Axiallagers lediglich eine Lagerfläche notwendig, wodurch sich der konstruktive Aufwand einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel weiter verringert und sich die Handhabung beim Werkzeugwechsel vereinfacht.

In Weiterführung dieses Gedankens kann das Axiallager von einer Kugel gebildet sein, die axial zwischen Werkzeugschaft und Vorspannmagnet zwischengeschaltet ist. Das sich dadurch ergebende Punktlager weist lediglich eine sehr geringe Lagerreibung auf, so dass Verschleiß und Reibungsverluste im Axiallager vemachlässigbar sind.

Alternativ hierzu kann das Axiallager auch von einer kegeligen Lagerpaarung gebildet sein, indem beispielsweise der Werkzeugschaft über einen Teil seiner Länge kegelförmig gearbeitet ist. Dabei übernimmt die kegelige Lagerfläche sowohl die Funktion eines Radiallagers als auch eines Axiallagers.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht zur Ausbildung eines Axiallagers die Anordnung einer Lagerscheibe auf dem Werkzeugschaft vor. Damit ist es möglich ein gleitendes oder berührungsloses Axiallager auszubilden. Diese Ausführungsform kann mit einem Vorspannmagnetsystem kombiniert sein, das die Lagerscheibe gegen eine entsprechende Radialfläche des Spindelstators vorspannt. Ebenso sind Lösungen denkbar, bei denen die radiale Lagerscheibe mit geeignetem Spiel zwischen zwei Radialflächen des Spindelstators als Luftoder Hydrolager angeordnet ist. Ein solches Axiallager ist in der Lage neben axialen Druckkräften auch Zugkräfte in nennenswertem Umfang aufzunehmen.

Für den Antrieb des Werkzeuges wird eine Turbine bevorzugt, da diese nur wenig Teile aufweist und daher einen einfachen Aufbau bei geringem Gewicht besitzt. Mit einer Turbine lassen sich Rotationsfrequenzen erreichen, die über den erlaubten Lagerdrehzahlen liegen, so dass sich eine Turbine in besonderem Maße für eine kombinierte Bauweise mit direkter Lagerung des Werkzeugs im Spindelstator eignet.

Um dem Werkzeug ein möglichst hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen, kann der Durchmesser des Werkzeugschaftes in dem Bereich der Befestigung des Turbinenrotors vergrößert sein. Die damit einhergehende Vergrößerung des Durchmessers des Turbinenrotors führt auf Grund der sich einstellenden günstigeren Hebelverhältnisse zu einem höheren Drehmoment der Turbine.

Dabei erweist es sich im Sinne eines schnellen und einfachen Werkzeugwechsels als besonders vorteilhaft, den Durchmesser des Werkzeugschafts mindestens so groß wie den Durchmesser des Turbinenrades auszubilden um das Werkzeug ohne Zerlegen der Spindel axial aus dem Spindelgehäuse entnehmen zu können.

Als Werkzeug kommen in erster Linie Bearbeitungswerkzeuge zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken im Wege des Drehens, Fräsens, Bohrens oder Schleifens in Frage. Im Rahmen der Erfindung liegen daneben auch Werkzeuge in Form von Mess- und Greifwerkzeugen, die im Zuge ihrer Funktionsausübung eine Rotationsbewegung ausführen. Denkbar wären beispielsweise rotierende Prismen, die einen axial auftreffenden Laserstrahl in radiale Richtung umlenken oder Viskosimeter, die über das Kraftmoment der Antriebseinheit, die Viskosität einer Flüssigkeit ermittelt, die in einen separaten Spalt eingebracht wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf nachfolgende Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern auch Merkmalskombinationen der einzelnen Ausführungsbeispiele untereinander mit umfasst.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Spindel entlang der in Figur 2 dargestellten Linie I - 1₁

Fig. 2 einen Querschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Spindel entlang der Linie H - Il,

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung im Vertikalschnitt der in Figur 1 und 2 dargestellten Spindel und die

Figuren 4 und 5 jeweils einen Längsschnitt durch weitere Ausführungsformen der Erfindung.

Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spindel 1. Man sieht ein eine Rotationsachse 2 umgebendes zylindrisches Gehäuse 3, in das ein ebenfalls zylindrischer Spindelstator 4 passgenau und koaxial zur Rotationsachse 2 eingesetzt ist. Der Spindelstator 4 weist zur Bildung eines Radiallagers 5 eine axiale Lagerbohrung auf. An den Spindelstator 4 schließt sich in axialer Richtung das Turbinengehäuse 7 einer den Antrieb der Spindel 1 besorgenden luftbeaufschlagten Turbine 6 an. Das Turbinengehäuse 7 sitzt wie auch der Spindelstator 4 drehfest im Gehäuse 3 und bildet den Turbinenstator.

Der mit dem Spindelstator 4 zusammenwirkende Spindelrotor 8 besteht im wesentlichen aus dem Bearbeitungswerkzeug 9 in Form eines Schaftfräsers mit einem Werkzeugschaft 10, der an seinem Ende einen Werkzeugkopf 11 trägt. Die Anordnung des Werkzeuges 9 in der Spindel 1 ist derart, dass der Werkzeugschaft 10 bei außerhalb des Gehäuses 3 liegendem Werkzeugkopfs 11 von der Lagerbohrung 5 aufgenommen wird. Das dem Werkzeugkopf 11 gegenüberliegende Ende des Werkzeugschaftes 10 erstreckt sich dabei bis in den vom Turbinengehäuse 7 umschlossenen Bereich. Das dortige Ende des Werkzeugschafts 10 trägt ein Turbinenrad 12.

Zur Ausbildung eines Axiallagers besitzt der Antriebsrotor bzw. das Turbinenrad 12 im Bereich der Rotationsachse 2 eine teilsphärische oder zylindrische Ausnehmung zur Aufnahme einer stählernen Lagerkugel 13. Die Lagerkugel 13 wirkt mit einem aufmagnetisierten Lagerstift 14 zusammen, der vom Gehäusedeckel 15 in der Rotationsachse 2 koaxial gehalten ist. Durch die Magnetisierung wird die Lagerkugel 13 gegen den Lagerstift 14 gezogen und die Gleitlagerung auf diese Weise vorgespannt.

Das Radiallager 5 ist als aerostatisches Lager ausgeführt, das heißt der Lagerspalt wird mit Druckluft beaufschlagt. Für die Druckluftzufuhr ist in die Wand des Gehäuses 3 eine axiale Sackbohrung 16 eingebracht, die sich am Bohrlochgrund mit einer Querbohrung 17 schneidet. Die Querbohrung 17 ist an der Außenseite des Gehäuses 3 mit einem Stöpsel 18 verschlossen.

Der Spindelstator 4 besitzt im Bereich der Querbohrung 17 eine sich über dessen Außenumfang erstreckende Ringnut 19, von der ausgehend sich drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Radialbohrungen 20 bis zur axialen Lagerbohrung erstrecken. Im Bereich der Austrittsöffnungen der Radialbohrungen 20 ist wiederum eine Ringnut 21 über den Umfang der axialen Lagerbohrung angeordnet. Zusammen ergeben die Bohrungen 16, 17, 20 und Nuten 19, 21 ein Druckluftversorgungssystem, das den Lagerspalt zur Ausbildung des aerostatischen Radiallagers 5 mit Druckluft beaufschlagt.

In analoger Weise wird die Turbine 6 über ein Leitungssystem 22 mit Druckluft beaufschlagt. Um das Turbinenrad 12 in Rotation zu versetzen, sind die Querbohrungen 24 im Turbinengehäuse 7 nicht radial, sondern tangential zum Turbinenrad 12 ausgeführt und Düsen 25 zur Ausrichtung des Druckluftstrahles auf das Turbinenrad 12 in die Querbohrungen 24 eingesetzt. Der für den Antrieb der Turbine 6 ursächliche Druckluftstrom wird über eine Vielzahl achsparallel um die Rotationsachse 2 angeordneter Öffnungen 26 im Gehäusedeckel 15 aus der Spindel 1 geführt.

Eine dritte Sackbohrung 23 im Gehäuse 3 mit korrespondierender Querbohrung mündet radial in die Stoßfuge 27 zwischen Turbinengehäuse 6 und Spindelstator 4. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Druckluft in dem aerostatische Radiallager 5 nach beiden Seiten der Ringnut 21 gleichmäßig ausbreitet.

Durch Beaufschlagen der Spindel 1 mit Druckluft bildet sich im Lagerspalt des aerostatischen Radiallagers 5 ein Luftpolster, wodurch eine berührungsfreie Lagerung des Werkzeugs 9 ermöglicht wird. Die Koaxialität und damit Rundlaufgenauigkeit des Werkzeuges 9 hängt somit nur noch von der Genauigkeit des Radiallagers 5 ab, wodurch eine sehr hohe Präzision bei der Werkstückbearbeitung möglich ist. Durch Beaufschlagung der Turbine 6 mit Druckluft wird das Werkzeug 9 in Rotation versetzt, wobei die Rotationsfrequenz von der Höhe des Drucks abhängt. Infolge der hohen Rundlaufgenauigkeit in Verbindung mit dem geringen Gewicht und den geringen Abmessungen der bewegten Teile sind Rotationsfrequenzen über 5.000 Hz möglich. Für den Austausch des Werkzeugs 9 wird bei der gezeigten Ausführungsform lediglich der Deckel 15 abgehoben. Dadurch wird das Werkzeug 9 zugänglich und kann zusammen mit dem Turbinenrad 12 aus dem Radiallager 5 gezogen und durch ein anderes Werkzeug ersetzt werden. Bei entsprechender Befestigung des Turbinenrades 12 auf dem Werkzeugschaft 10, beispielsweise im Klemmsitz oder mittels Wellfedern, kann das Werkzeug auch ohne öffnen der Spindel 1 dieser axial entnommen werden. Damit beim Einsetzen des Werkzeugs 9 der Werkzeugschaft 10 in die Achsbohrung des Turbinenrades 12 trifft, muss das Turbinenrad 12 in der Rotationsachse 2 zentriert sein, beispielsweise durch das Turbinengehäuse 7.

Die in Fig. 4 dargestellte Spindel 30 stellt eine alternative Ausführungsform der Erfindung dar. Sie gleicht in weiten Teilen der unter den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform, so dass für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen Verwendung finden und auf das dort Gesagte verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform besteht in der Art der Ausbildung des Axiallagers.

Der Spindelstator 31 der Spindel 30 besitzt eine axiale Lagerbohrung 37, die in Richtung der außen liegenden Stirnfläche in einen Lagerkonus 32 übergeht. Der Werkzeugschaft 33 des Werkzeuges 34 ist entsprechend dieser Kontur geformt und setzt sich zusammen aus einem zylindrischen Längsabschnitt 35, der sich durch eine Axialbohrung 37 erstreckt, und einem kegelförmigen Längsabschnitt 36, dessen Mantelfläche zusammen mit dem Lagerkonus 32 das Lager bildet.

Der im Gehäusedeckel 15 axial befestigte, aufmagnetisierte Lagerstift 14 endet in geringem lichtem Abstand vor dem Ende des Werkzeugschaftes 33 und zieht somit das Werkzeug 34 in Richtung des Gehäusedeckels 15. Einer axialen Bewegung des Spindelrotors 31 wirkt die kegelförmige Ausbildung der Lagerflächen entgegen, wodurch gleichzeitig die Funktion eines Radial- als auch Axiallagers ausgeübt wird. Diese Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich somit durch eine vollständig berührungslose Lagerung des Spindelrotors 31 aus. Darüber hinaus ist ein axiales Herausnehmen des Werkzeuges 34 aus der Spindel 30 ohne weitere Maßnahmen möglich.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt schließlich Fig. 5. Die Spindel 40 gleicht in weiten Teilen der unter Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform, so dass wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen Verwendung finden. Der wesentliche Unterschied zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen liegt in der Ausbildung des Axiallagers für den Spindelrotor 8.

Zur Ausbildung eines Axiallagers besitzt die in Fig. 5 dargestellte Spindel 40 ein zylindrisches Einsatzteil 41 , das mit axialem Abstand zum Spindelstator 4 koaxial in das Gehäuse 3 eingesetzt ist. Dadurch ergibt sich ein scheibenförmiger Ringraum 42, der axial von den sich zugewandten Stirnflächen des zylindrischen Einsatzteils 41 und Spindelstators 4 begrenzt ist, die wiederum die Lagerflächen des Axiallagers bilden. In der Rotationsachse 2 ist eine Axialbohrung 43 in das zylindrische Einsatzteil 41 eingebracht, deren Durchmesser größer ist als der des Werkzeugschafts 10.

Der Ringraum 42 dient zur Aufnahme einer Lagerscheibe 44, die drehfest auf dem Werkzeugschaft 10 sitzt und somit mit diesem um die Rotationsachse 2 dreht. Dabei bilden die Seitenflächen der Lagerscheibe 44 mit den Stirnflächen des Einsatzteils 41 sowie des Spindelstators 4 ein aerostatischen Lager.

Eine nicht dargestellte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das in den Figuren 1 bis 3 dargestellte und beschriebene Turbinenrad 12 derart auszubilden, dass es gleichzeitig die Funktion der zuvor beschriebenen Lagerscheibe 44 zur Ausbildung eines Axiallagers übernehmen kann. Der feste Sitz des Turbinenrads 12 auf dem Werkzeugschaft kann in diesem Fall beispielsweise durch Klemmung oder eine drehzahlabhängige selbstspannende Konstruktion erreicht werden. 6 007369

Zur Druckluftzufuhr für das aerostatische Axiallager erstreckt sich eine Ringnut 45 über den Außenumfang des zylindrischen Einsatzteils 41 , die über nicht dargestellte Sack- und Querbohrungen im Gehäuse 3 an ein Druckluftsystem angeschlossen ist. Eine von der Ringnut 45 ausgehende radiale Sackbohrung 46 ergibt in Kombination mit der achsparallelen Bohrung 47 einen Druckluftkanal, der den Lagerspalt zwischen Lagerscheibe 44 und zylindrischem Einsatzteil 41 mit Druckluft versorgt.

Der Lagerspalt zwischen Lagerscheibe 44 und Spindelstator 4 wird über eine achsparallele Bohrung 48, die an das Druckluftsystem des aerostatischen Radiallagers angeschlossen ist, mit Druckluft versorgt.

Der Antrieb für das Werkzeug 9 kann von einer Turbine oder einem Elektromotor besorgt werden, von dem in Fig. 5 lediglich die Antriebswelle 49 dargestellt ist. Die Antriebswelle 49 erstreckt sich mit Radialspiel durch die Axialbohrung 43 und nimmt das Ende des Werkzeugschaftes 10 auf, der drehfest in die Welle 49 eingesteckt ist.

Für den Wechsel des Werkzeuges 9 wird lediglich der Spindelstator 4 axial aus dem Gehäuse 3 gezogen. Dadurch kann das Werkzeug 9 in axialer Richtung mitsamt der Lagerscheibe 44 der Spindel 40 entnommen werden, wobei sich der Werkzeugschaft 10 von der Antriebswelle 49 löst.

Möglich ist auch ein axiales Entnehmen des Werkzeugs 9 ohne die Spindel 40 zu öffnen. Dazu muss die Lagerscheibe 44 lösbar auf dem Werkzeugschaft 10 angeordnet und in der Rotationsachse 2 zentriert sein. Zur Zentrierung der Lagerscheibe 44 während des Werkzeugwechsels kann die Lagerscheibe 44 fest mit der Antriebswelle 49 verbunden sein. Dadurch ist ein einfaches Herausziehen aus und Einstecken des Werkzeugschaftes 10 in die Welle 49 möglich. Alternativ hierzu wäre eine konstruktive Ausbildung denkbar, bei der die Lagerscheibe 44 mit ihrem Umfang unter Einhaltung eines geringen Spiels bis an das Gehäuse 3 heranreicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Spindel mit Rotationsantrieb für ein Werkzeug (9, 34) mit Werkzeugschaft (10, 33) und Werkzeugkopf (11) umfassend einen Spindelstator (4) und einen Spindeirotor (8, 31), wobei der Spindelrotor (8, 31) innerhalb des Spindelstators (4) um eine Rotationsachse (2) drehbar gelagert und von einer Antriebseinheit (6) in Rotation versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelrotor (8, 31) im wesentlichen von dem Werkzeug (9, 34) gebildet ist, wobei der Werkzeugschaft (10, 33) des Werkzeugs (9, 34) in einem Radiallager (5) innerhalb des Spindelstators (4) angeordnet ist.

2. Spindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager (5) ein aerostatisches oder aerodynamisches Lager ist.

3. Spindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aerodynamische Lager ein Spiralrillenlager ist.

4. Spindel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager (5) ein hydrostatisches oder hydrodynamisches Lager ist.

5. Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerfläche des Radiallagers (5) von der Mantelfläche des Werkzeugschafts (10, 33) gebildet ist, die mit einer Lagerfläche am Spindelstator (4) zusammenwirkt.

6. Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager ein Vorspann-Magnetsystem (14) umfasst, das den Werkzeugschaft (10, 33) axial gegen eine Lagerfläche zieht.

7. Spindel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager von einer Lagerkugel (13) zwischen Werkzeugschaft (10) und Vorspannmagnet (14) gebildet ist.

8. Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugschaft (33) zumindest über einen Längsabschnitt (32) kegelförmig ausgebildet ist und mit einer entsprechend kegelförmigen Lagerfläche des Spindelstators (4) zur Bildung eines Lagerkonus (32) zusammenwirkt um sowohl die Funktion eines Radiallagers als auch Axiallagers auszuüben.

9. Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager von einer drehfest auf dem Werkzeugschaft (10) sitzenden Lagerscheibe (44) gebildet ist, die mit einer oder zwei Radialflächen am Spindelstator (4) zusammenwirkt.

10. Spindel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerscheibe (44) lösbar mit dem Werkzeugschaft (10) verbunden ist, insbesondere axial abziehbar.

11. Spindel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (5) ein aerostatisches oder aerodynamisches oder hydrostatisches oder hydrodynamisches Lager ist.

12. Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit von einer Turbine (6) gebildet ist, deren Turbinenrad (12) drehfest auf dem Werkzeugschaft (10, 33) sitzt und mit einem Turbinenstator (7) zusammenwirkt.

13. Spindel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (12) lösbar mit dem Werkzeugschaft (10) verbunden ist, vorzugsweise abziehbar.

14. Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Werkzeugschafts (10, 33) zumindest im Bereich der Antriebseinheit (6) vergrößert ist.

15. Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Werkzeugschaftes (10, 33) mindestens so groß ist wie der Durchmesser des Turbinenrades (12).

16. Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (6) unmittelbar auf den Werkzeugschaft (10) einwirkt.