EP4294592A1 - Rotorbaugruppe für eine werkzeugspindel - Google Patents

Rotorbaugruppe für eine werkzeugspindel

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Publication number
EP4294592A1
EP4294592A1 EP23725239.0A EP23725239A EP4294592A1 EP 4294592 A1 EP4294592 A1 EP 4294592A1 EP 23725239 A EP23725239 A EP 23725239A EP 4294592 A1 EP4294592 A1 EP 4294592A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
rotor
piston
pull rod
rotor assembly
Prior art date
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Pending
Application number
EP23725239.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Reishauer AG
Original Assignee
Reishauer AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Reishauer AG filed Critical Reishauer AG
Publication of EP4294592A1 publication Critical patent/EP4294592A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a rotor assembly for a tool spindle, comprising a hollow rotor and an actuating device for actuating a clamping device for releasably attaching a tool holder to the rotor.
  • the invention further relates to a tool spindle, an actuating device for a rotor assembly of a tool spindle and an operating method for a rotor assembly or a tool spindle.
  • Machine tools such as gear grinding machines or machine tools for hard precision machining, have a tool spindle (often also referred to as a work spindle or machine spindle). The tool spindle is used to hold the tool and drives the tool.
  • the tool can be attached to a rotor of the tool spindle using a tool holder, for example a grinding wheel flange.
  • a tool holder for example a grinding wheel flange.
  • it is generally known to align the tool holder on the rotor using a cone and a flat contact and to screw it manually to the rotor.
  • internal cooling of the rotor can be easily set up.
  • Tool clamping systems with a tool holder are often used for automated tool changing.
  • the tool holder is connected to the tool and, on the other hand, can be automatically attached to the rotor or detached from the rotor.
  • Known tool holders are designed, for example, as so-called hollow shaft cones, steep tapers or polygonal shaft cones.
  • a clamping system is required, which takes up space inside the rotor. Cooling, as with tools screwed manually to the rotor, is then no longer possible.
  • a machine tool processing unit which comprises a rotor with a clamping device integrated in the rotor for releasably holding a tool holder and a cooling device for the rotor.
  • Coolant flow channels with an inlet opening and coolant return channels with an outlet opening are installed in the rotor.
  • the coolant flow channels and the coolant return channels are connected to one another via an annular channel.
  • the cooling device has connections for supplying and discharging coolant.
  • the cooling device has channels for the coolant, which are connected to the channels of the rotor are connected.
  • the cooling device also has an actuating device with which the clamping device can be actuated.
  • the disadvantage of this machine tool processing unit is that the cooling channels installed in the rotor can impair the stability of the rotor. In addition, the production of the coolant channels and the annular channel is complex.
  • a rotor assembly group for a tool spindle having a hollow rotor, an actuating device for actuating a clamping device for releasably attaching a tool holder to the rotor, the actuating device having a pull rod and a piston rigidly coupled to the pull rod, which together are mounted movably along a travel direction in the hollow rotor, in particular wherein the travel direction corresponds to the direction of an axis of rotation of the rotor, wherein the pull rod is biased into a clamping position by a spring device and can be brought into a release position against the biasing force of the spring device by applying fluid pressure to the piston , wherein the piston in the rotor separates a pressure chamber and a cooling chamber from one another, with at least one check valve being provided in the piston, which allows fluid to flow from the cooling chamber into the pressure chamber and prevents fluid from flowing out of the pressure chamber into the cooling chamber, wherein a first fluid connection is provided, which is fluid
  • the invention provides a rotor assembly for automated tool changing on a machine tool.
  • the invention enables the clamping device to be actuated and the rotor to be cooled in a simple manner by appropriately introducing or removing fluid at the two fluid connections.
  • the rotor assembly has a hollow rotor and an actuator.
  • the actuating device is at least partially arranged in a cavity of the rotor.
  • the rotor typically has openings at its ends.
  • the actuating device can protrude from the rotor at at least one end.
  • a clamping device can be arranged in the area of an opening, with which a tool holder can be attached to the rotor.
  • the actuating device serves to actuate the clamping device and thus attach the tool holder to the rotor or to detach it from the rotor.
  • a tool can be attached to the rotor indirectly via the tool holder.
  • the tool holder can be clamped by the clamping device against a receptacle on the rotor, with an end region of the tie rod engaging on the clamping device.
  • the pull rod and the piston of the actuating device are rigidly coupled to one another.
  • the pull rod and the piston can therefore be moved together but not relative to one another.
  • the tie rod and piston can be moved along a travel direction in the hollow rotor. Depending on the position of the pull rod in the rotor, the tool holder can be held or released on the rotor.
  • the pull rod is pretensioned into a clamping position by a spring device. In this clamping position, the tool holder can be secured to the rotor using the clamping device.
  • the at least one check valve in the piston allows fluid to flow from the cooling chamber into the pressure chamber, but not from the pressure chamber into the cooling chamber.
  • the pressure chamber, the cooling chamber, the fluid guide and the first and second fluid connections can collectively be referred to as a fluid channel system.
  • the fluid guide is usually designed with a longitudinal bore in the tie rod, the longitudinal bore being radially closed (apart from the mouths of transverse bores).
  • the longitudinal bore can run centrally in the tie rod, in particular on the axis of rotation of the rotor.
  • the rotor and piston are part of the boundary of the pressure chamber and the cooling chamber.
  • the cooling space is typically limited by an inner wall of the rotor, an outer wall of the tie rod and the piston.
  • the cooling chamber is designed to be fluid-tight (apart from the openings from the fluid guide in the tie rod and to the at least one check valve), in particular with seals between the tie rod and the rotor and between the piston and the rotor.
  • the tie rod protrudes through the cooling chamber along the direction of travel.
  • the tie rod also protrudes through the pressure chamber along the direction of travel.
  • the tie rod typically runs coaxially to the axis of rotation of the rotor
  • the fluid channel system can be used to set up a cooling operation for the rotor assembly and to operate the actuating device in order to open the clamping device for a tool change.
  • a fluid for example hydraulic oil
  • moderate pressure typically 2 to 15 bar
  • the fluid can Flow through the cooling chamber and cool the rotor.
  • the fluid can continue to flow from the cooling chamber into the pressure chamber via the at least one check valve and can be discharged from the rotor via the first fluid connection.
  • the fluid also cools the rotor as it flows through the pressure chamber.
  • the at least one check valve closes.
  • the separation of the pressure chamber from the cooling chamber or their connection via the check valve enables the rotor assembly to be easily upgraded for cooling operation and automated tool changing.
  • the fluid guidance in the tie rod enables fluid to be introduced into the cooling chamber in order to cool the rotor.
  • the fluid guide can be manufactured efficiently using a longitudinal bore and typically a transverse bore. Reliable check valves are available at low cost.
  • the piston can thus be fluid-tight in one direction (from the pressure chamber to the cooling chamber), while a flow through the piston is enabled in the other direction (from the cooling chamber to the pressure chamber).
  • the spring device is arranged in the cooling space.
  • the cooling space is filled with fluid.
  • the spring device is therefore in the fluid during operation.
  • the fluid has a damping effect on the spring device. This allows vibrations of the spring device to be reduced.
  • the space required anyway used to accommodate the spring device for cooling the rotor This allows the available space in the hollow rotor to be used efficiently while the rotor remains simple to construct.
  • the spring device is in particular arranged between an inner wall of the rotor and an outer wall of the tie rod.
  • the spring device is supported at one end via a support disk on the rotor and at the other end on the piston.
  • the spring force of the spring device which is supported on the support disk, can be introduced evenly into the rotor via the support disk (for example on a shoulder in the rotor).
  • the support disk avoids direct contact between the rotor and the spring device.
  • the support disk can be made of a harder material than the rotor.
  • the piston projects in the radial direction beyond the tie rod and is rigidly connected to it; the piston therefore allows force to be transmitted to the tie rod.
  • a surface suitable for supporting the spring device can be set up on the piston. The spring force can be distributed evenly across the piston.
  • overflow channels can be easily manufactured. Radial overflow channels can be provided on one or both sides of the support disk. When using multiple transfer channels, the rotationally symmetrical arrangement can prevent an imbalance from occurring during use of the rotor assembly. Furthermore, the fluid can flow particularly evenly and there is more cross section available for the flow of the fluid.
  • the fluid guide in the tie rod has a longitudinal bore along an axis of rotation of the rotor and a first transverse bore which fluidly connects the longitudinal bore to the cooling chamber, preferably wherein the first transverse bore runs radially to the axis of rotation.
  • the longitudinal hole and the first cross hole are easy to make.
  • the longitudinal bore generally does not noticeably affect the stability of the tie rod. A fluid can be easily guided into the cooling space via the longitudinal bore and the transverse bore.
  • An embodiment is also preferred in which it is provided that the piston and the pull rod are in one piece with one another. This makes it particularly easy to achieve that the piston and the pull rod can be moved with one another, but not relative to one another. In addition, leaks between the piston and the pull rod can be reliably avoided.
  • the rotary introduction makes it possible to guide fluid to and from the rotating rotor with stationary fluid connections.
  • the connecting part is firmly connected to the rotor during operation of the tool spindle, for example screwed to the rotor.
  • the connecting part rotates with the rotor during operation.
  • the connecting part can be in several pieces or preferably in one piece.
  • the insertion housing does not rotate with the rotor when the tool spindle is in operation, but generally remains at rest.
  • the piston, the outer wall of the tie rod, the inner wall of the rotor and the connecting part limit the pressure chamber.
  • an annular channel is formed between the pull rod and the connecting part, via which the first fluid connection is fluidly connected to the pressure chamber.
  • This ring channel can be easily set up. Fluid can from the first Fluid connection passes into the pressure chamber via the annular channel.
  • an inner diameter of the connecting part is fundamentally larger than an outer diameter of the tie rod, preferably by at least 5%, particularly preferably by at least 10%.
  • the inside diameter of the connecting part is at most 20%, preferably at most 15%, larger than the outside diameter of the tie rod.
  • the connecting part is fixed to the rotor, that a pocket is formed between the pull rod and the connecting part, which is fluidly connected to the second fluid connection via a second radial bore in the connecting part, that the pull rod has a has a second transverse bore, which fluidly connects a longitudinal bore of the fluid guide in the pull rod to the pocket, and that the pocket extends along the direction of travel to such an extent that from the clamping position to the release position, the longitudinal bore over the second transverse bore, the pocket and the second radial bore remains fluidly connected to the second fluid connection, in particular wherein the pocket is formed in the connecting part, preferably as a circumferential groove.
  • the connecting part does not move relative to the rotor.
  • the pocket ensures that the fluid guide in the pull rod is fluidly connected to the second fluid connection at all times during the movement of the pull rod.
  • part of the fluid in the cooling chamber is typically pushed back into the fluid guide.
  • the continuous connection of the fluid guide of the tie rod and the second fluid connection can ensure that the fluid that was previously used for cooling can exit the rotor assembly and does not block the movement of the tie rod.
  • An axial extent of the pocket is at least as large as the distance covered by the pull rod between the clamping position and the release position, in particular plus a diameter of the second transverse bore.
  • the second transverse bore preferably runs radially to the axis of rotation.
  • a second circumferentially running channel is formed between the connecting part and the insertion housing, which is fluidly connected to the at least one second radial bore and the second fluid connection.
  • permanent magnets are attached to the rotor, the permanent magnets being arranged at least partially, preferably completely, in the area of the longitudinal extent of the cooling space.
  • the permanent magnets are arranged entirely or at least in part in the radial direction above the cooling space.
  • a direct drive of the rotor or a tool spindle can be set up with the rotor assembly.
  • heat is generated during operation of the rotor assembly, particularly during acceleration and braking, which can be efficiently dissipated via the fluid in the cooling space.
  • the scope of the present invention also includes a tool spindle having a rotor assembly according to the invention described above and a stator assembly with a spindle housing in which the rotor is rotatably mounted, preferably with a coil arrangement for driving the rotor being provided in the spindle housing.
  • the tool spindle allows the rotor assembly to be used on a machine tool.
  • the coil arrangement on the spindle housing and permanent magnets on the rotor form a motor of the tool spindle for direct drive of the rotor.
  • an actuating device for a rotor assembly of a tool spindle comprising a pull rod which has a longitudinal bore as a fluid guide, and a piston which is rigidly coupled to the pull rod and on which Pull rod is seated, so that the pull rod has a cooling chamber-side section on a first side of the piston and a pressure chamber-side section on a second side of the piston opposite the first side, the fluid guide having at least one first opening in the cooling chamber-side section and at least a second opening in the pressure chamber-side section has, in particular wherein the at least one first mouth through a first transverse bore and the at least one second mouth is formed by a second transverse bore, and at least one check valve is provided in the piston, via which the two sides of the piston are fluidly connected, the check valve being at a higher pressure on the first side than on the opens on the second side and locks at a higher pressure on the second side than on the first side
  • the scope of the invention includes an operating method for a rotor assembly according to the invention described above or a tool spindle according to the invention described above, wherein in a cooling mode fluid, in particular oil, is introduced into the fluid guide through the second fluid connection so that it flows through the cooling space the at least one check valve flows into the pressure chamber and is discharged through the first fluid connection, and wherein in a release mode, fluid is introduced into the pressure chamber through the first fluid connection, so that a release pressure is built up in the pressure chamber, through which the pull rod counteracts the action of the spring device is brought into the release position by means of the piston.
  • a cooling mode in particular oil
  • a release mode fluid is introduced into the pressure chamber through the first fluid connection, so that a release pressure is built up in the pressure chamber, through which the pull rod counteracts the action of the spring device is brought into the release position by means of the piston.
  • this method enables, on the one hand, cooling of the rotor and, on the other hand, automated tool changing.
  • cooling mode the rotor can be cooled with fluid flowing through the cooling space.
  • the tie rod is in the clamping position.
  • the rotor rotates in the spindle housing.
  • a tool held on the rotor by the clamping device (via a tool holder) can process a workpiece.
  • the rotor is stopped and the release mode is activated.
  • the rotor In the release mode, the rotor basically stands still. Then the tool (with the tool holder) can be removed and another tool (with another tool holder) can be arranged on the clamping device. After deactivating the release mode, the new tool is fixed to the rotor.
  • a variant is preferred which provides that in the cooling mode the fluid pressure at the second fluid connection is at least 2 bar, preferably at least 5 bar, and/or at most 15 bar, preferably at most 12 bar.
  • This Pressures have proven particularly useful in practice. These pressures are sufficient to allow the fluid to flow sufficiently quickly for effective cooling and to open the at least one check valve.
  • the fluid is provided with at least the release pressure, and in which the fluid in the cooling mode is directed to the second fluid connection through a pressure reducer, in particular a proportional pressure control valve or a servo valve.
  • a pressure reducer in particular a proportional pressure control valve or a servo valve.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section of a tool spindle according to the invention with a rotor assembly according to the invention in a cooling mode, with a pull rod being in a clamping position;
  • Fig. 3 shows an isolated, schematic perspective view of a support disk with overflow channels for the rotor assembly from Fig. 1;
  • Fig. 4b shows the check valve in the closed state according to Fig. 2;
  • Fig. 4c shows, isolated in three different views, a screw body of the check valve from Fig. 4a and Fig. 4b;
  • FIG. 5a shows an isolated perspective view of a first end of a tie rod of the rotor assembly from FIG. 1 with a longitudinal bore and a first transverse bore;
  • Fig. 5b shows an enlarged detail from Fig. 1 in an area of the tie rod in which the first transverse bore is formed;
  • Fig. 6 shows an enlarged view of the rotary insert from Fig. 2 in a schematic longitudinal section
  • Fig. 7 shows an isolated perspective view of the tie rod with a piston from Fig. 1; 8 shows, using a fluid diagram, the implementation of an operating method according to the invention for a rotor assembly according to the invention;
  • Fig. 9 shows schematically a machine tool with which a workpiece can be machined with a tool spindle according to the invention.
  • Figure 1 shows an example of a tool spindle 2 according to the invention.
  • the tool spindle 2 has a rotor assembly 4 according to the invention and a stator assembly 6.
  • the rotor assembly 4 has a hollow rotor 8, an actuator 10 and a clamping device 12.
  • the rotor 8 is rotatably mounted about an axis of rotation DA.
  • the hollow rotor 8 has a front opening area 14 (tool-side opening area).
  • the hollow rotor 8 has a rear opening region 16 opposite the front opening region 14.
  • a thread 24 is formed on the rotor 8 in the rear opening area 16.
  • Permanent magnets 28 are attached to an outside 26 of the rotor 8.
  • the permanent magnets 28 are arranged around the rotor 8 in the circumferential direction.
  • the actuating device 10 has a pull rod 30, a piston 32 and a rotary insert 34.
  • the pull rod 30 and the piston 32 are rigidly coupled (see also Fig. 7).
  • the pull rod 30 is rotationally symmetrical to the axis of rotation DA of the rotor 8.
  • the pull rod 30 and the piston 32 can be moved together along a travel direction VR in the rotor 8.
  • the travel direction VR corresponds to the direction of the axis of rotation DA of the rotor 8.
  • the pull rod 30 is largely arranged in the rotor 8 in the embodiment shown.
  • An end area of the Pull rod 30 is arranged in the rotary insert 34.
  • a connecting part 120 of the rotary insert 34 is firmly connected to the rotor 8.
  • the cooling space 42 here comprises two sections, namely a cooling space annular channel 48 and a main cooling space 50.
  • a diameter of the main cooling space 50 is larger than a diameter of the cooling space annular channel 48, here approximately twice as large.
  • a support disk 52 is arranged at the transition from the cooling chamber annular channel 48 to the main cooling chamber 50.
  • the annular support disk 52 has several overflow channels (see Fig. 3).
  • a spring device 54 is arranged in the cooling chamber 42 between the support disk 52 and the piston 32.
  • the spring device 54 extends in the axial direction over the entire space between the support disk 52 and the piston 32.
  • the spring device 54 is only shown directly on the support disk 52 and on the first side 40 of the piston 32 in FIG.
  • the spring device 54 here is a plate spring package 55.
  • the plate spring package 55 consists of a large number of plate springs. In the case of the disc spring pact 55, pairs of disc springs connected in parallel are connected in series.
  • the bias of the spring device 54 seeks to move the piston 32 with the pull rod 30 towards the rear opening area 16 towards the rotary insert 34.
  • the pull rod 30 is biased into a clamping position SSt shown in FIG.
  • a fluid guide 56 is formed in the pull rod 30.
  • the fluid guide 56 is formed by a longitudinal bore 58, a first mouth 60 and a second mouth 64.
  • the first mouth 60 is designed here as a first transverse bore 62.
  • the second mouth 64 is designed here as a second transverse bore 66.
  • the pull rod 30 is closed directly after the first transverse bore 62 (see also Fig. 5a, 5b); In the present case, the longitudinal bore 58 extends to the first transverse bore 62, but not to the front opening region 14 beyond the first transverse bore 62.
  • the piston 32 has two transfer channels 72.
  • the transfer channels 72 begin on the first side 40 of the piston 32 and end on the second side 44 of the piston 32.
  • the check valves 76 are here arranged rotationally symmetrically with respect to the axis of rotation DA of the rotor 8.
  • the check valves 76 are in an open position.
  • the check valves 76 are designed so that the check valves 76 open when a fluid pressure in the cooling chamber 42 (by a typically negligible opening pressure of the check valves 76) is above the fluid pressure in the pressure chamber 46. If the If the fluid pressure in the pressure chamber 46 is above the fluid pressure in the cooling chamber 42, the check valves 76 close.
  • the rotary insert 34 has a first fluid connection 78.
  • the first fluid connection 78 is fluidly connected to the pressure chamber 46.
  • the rotary insert 34 also has a second fluid connection 80.
  • the second fluid connection 80 is fluidly connected to the fluid guide 56 and the cooling space 42. Further details of the rotary insert 34 are described below in FIG. 6.
  • a tool holder 90 can be attached to the rotor 8 with the clamping device 18.
  • the rotor 8 has the inner cone 22 on its front opening area 14 in order to accommodate the tool holder 90. Inserted into this inner cone 22 is a tapered shaft 94 of the tool holder 90 - designed here as a hollow shaft cone.
  • the clamping sleeve 88 is moved so far in the clamping device 18 that the clamping sleeve 88 presses the clamping elements 82 outwards.
  • the clamping elements 82 engage in the tapered shaft 94 of the tool holder 90 and fix the tool holder 90 on the rotor 8.
  • the stator assembly 6 has a hollow spindle housing 98.
  • the rotor 8 is rotatably mounted in the spindle housing 98, here via several roller bearings.
  • a coil arrangement 100 is arranged in the spindle housing 98.
  • the coil arrangement 100 surrounds the permanent magnets 28.
  • the coil arrangement 100 and the permanent magnets 28 lie completely in the area of the cooling chamber 42 in the direction of the rotation axis DA.
  • the coil arrangement 100 and the Permanent magnets 28 form a direct drive for the rotor 8.
  • the stator assembly 6 can also be coolable.
  • a cooling coil not shown in detail, could be provided between the spindle housing 98 and the coil arrangement 100.
  • the permanent magnets 28 and the coil arrangement 100 lie axially within the area of the main cooling space 50.
  • heat is generated in the area of the permanent magnets 28 and the coil arrangement 100.
  • the resulting heat can be efficiently be discharged via the fluid in the main cooling chamber 50.
  • No further structures are necessary in the rotor 8 for this, in particular no further structures that could impair the stability of the rotor 8.
  • no holes or channels for cooling are required in the casing of the rotor 8. Rather, it becomes Accommodation of the pull rod 30 and the spring device 54 required cavity in the rotor 8 used for cooling.
  • Figure 3 shows the support disk 52 of the rotor assembly 4 from Figure 1 alone.
  • the axis of rotation DA of the rotor is shown here.
  • radial sections of the overflow channels 104 pointing away from the spring device 54 can be provided (not shown in more detail).
  • 4a shows the check valve 76 in an enlarged detail from FIG. 1.
  • the check valve 76 is here in the open position, which belongs to the cooling mode, in which the pull rod is in the clamping position.
  • Figure 4b shows an enlarged detail from Figure 2, the check valve 76 in the closed position, which belongs to the release mode, in which the pull rod is brought into the release position.
  • the ball 108 rests on the seat 112.
  • the ball 108 closes the seat 112. No fluid can flow from the pressure chamber 46 via the transfer channel 72 into the cooling chamber (not shown in detail).
  • Figure 4c shows the screw body 110 in isolation in a perspective view (upper part of the image), in a side view (middle part of the image) and in a schematic longitudinal section (lower part of the image).
  • One of the openings in the screw cross hole 114 can be seen in the upper and middle part of the picture.
  • the screw transverse hole 114 and the screw longitudinal hole 116 are visible.
  • the transverse screw hole 114 runs perpendicular to the longitudinal screw hole 116.
  • FIG 5a shows a part of the pull rod 30 in the area of the first transverse bore 62.
  • the fluid guide 56 is formed with the longitudinal bore 58 and with the first transverse bore 62.
  • the first transverse bore 62 runs perpendicular to the longitudinal bore 58.
  • the longitudinal bore 58 extends exactly to the transverse bore 62.
  • the pull rod 30 is closed after the first transverse bore 62.
  • the longitudinal bore 58 of the pull rod 30 lies on the axis of rotation DA.
  • the first transverse bore 62 here runs radially to the axis of rotation DA of the rotor 8.
  • the first transverse bore 62 is continuous here and opens into the cooling chamber annular channel 48 at two openings.
  • Figure 6 shows an enlarged view of the rotary insertion 34 of the rotor assembly 4.
  • the axis of rotation DA of the rotor 8 is shown here.
  • the pull rod 30 is shown here in the release position LSt.
  • the rotary insertion 34 has an insertion housing 118 and the connecting part 120.
  • the insertion housing 118 is hollow inside.
  • the connecting part 120 is partially arranged in the insertion housing 118.
  • the connecting part 120 is also hollow inside.
  • An end of the pull rod 30 assigned to the rotary insertion 34 is arranged in the connecting part 120.
  • the pull rod 30 is axially movable relative to the connecting part 120.
  • the connecting part 120 is firmly and fluid-tightly connected to the rotor 8 on the thread 24.
  • the insertion housing 118 and the connecting part 120 are rotatable against each other.
  • the insertion housing 118 and the connecting part 120 can be supported on one another via a pivot bearing 119. When the rotor 8 rotates, the connecting part 120 rotates together with the rotor 8.
  • the insertion housing 118 basically does not rotate, but stands still.
  • the first fluid connection 78 and the second fluid connection 80 are located on the insertion housing 118.
  • the first fluid connection 78 is designed here as a first connection bore 122.
  • the second fluid connection 80 is second Connection hole 124 is formed.
  • the connecting part 120 here has two first radial bores 126 and two second radial bores 128.
  • the fluid guide 56 is formed in the pull rod 30.
  • the longitudinal bore 58, the second transverse bore 66 and a tie rod channel 129 running in the circumferential direction can be seen here.
  • An annular channel 130 is formed between the pull rod 30 and the connecting part 120.
  • the annular channel 130 extends here from the first radial bores 126 in the connecting part 120 to the pressure chamber 46.
  • a pocket 132 is formed between the pull rod 30 and the connecting part 120.
  • the pocket 132 is designed here as a circumferential groove 133.
  • the pocket 132 is provided in the connecting part 120.
  • the pocket 132 extends at least over the length that the pull rod 30 overcomes when moving from the clamping position SSt (see FIG. 1) to the release position LSt.
  • a first channel 134 running in the circumferential direction and a second channel 136 running in the circumferential direction are formed between the connecting part 120 and the insertion housing 118.
  • the pressure chamber 46 is fluidly connected to the first fluid connection 78.
  • the connection here is as follows: The pressure chamber 46 is connected to the first radial bores 126 via the annular channel 130. The first radial bores 126 are in turn connected to the first fluid connection 78 via the first channel 134 running in the circumferential direction. The first circumferential channel 134 causes the connecting part 120 to be able to rotate relative to the insertion housing 118 without the fluidic connection between the pressure chamber 46 and the first fluid connection 78 being interrupted.
  • the longitudinal bore 58 of the pull rod 30 is fluidly connected to the second fluid connection 80.
  • connection here is as follows:
  • the longitudinal bore 58 is connected to the second radial bores 128 via the second transverse bore 66, the tie rod channel 129 running in the circumferential direction and via the pocket 132.
  • the axial extension of the pocket 132 ensures that the fluidic connection is maintained regardless of the axial position of the pull rod 30 relative to the rotor 8 or the rotary insert 34.
  • the second radial bores 128 are in turn connected to the second fluid connection 80 via the second channel 136 running in the circumferential direction.
  • the second circumferential channel 136 causes the connecting part 120 to be able to rotate relative to the insertion housing 118 without the fluidic connection between the fluid guide 56 (and therefore the cooling space) and the second fluid connection 80 being interrupted.
  • Figure 7 shows part of the pull rod 30 with the piston 32.
  • the pull rod 30 and the piston 32 are firmly connected to one another.
  • the pull rod 30 and the piston 32 are integral with each other.
  • the tie rod 30 in particular the tie rod channel 129 running in the circumferential direction and the opening of the second transverse bore 66 can be seen in FIG.
  • two circumferential piston grooves 138 are formed in the piston 32. Sealing elements and guide elements can be arranged in the circumferential piston grooves 138. Furthermore, two inlet channels 140 are formed on the first side 40 of the piston 32. The inlet channels 140 run radially to the pull rod 30. The inlet channels 140 begin on an outer wall 142 of the piston 32 and extend to the transfer channels 72. The fluid can here from the outside and inside of the plate spring package 55 (see Figure 1) into the Transfer channels 72 flow out.
  • FIG. 8 shows a fluid diagram for carrying out an operating method according to the invention for the rotor assembly 4 according to the invention.
  • the cooling mode A is set up for the rotor assembly 4.
  • Shown in the fluid diagram are the rotor assembly 4, a hydraulic pump 144, a directional control valve 146, a preferably adjustable pressure reducer 148, a fluid container 150 and a large number of lines 152 (only some of which are provided with a reference number for the sake of clarity).
  • the rotor 8 and the rotary insert 34 are shown with the first fluid connection 78 and the second fluid connection 80.
  • the hydraulic pump 144 is here connected to an actuation 154, which actuates (drives) the hydraulic pump 144 by means of an electric motor.
  • Fluid 156 here oil 158 (for example hydraulic oil), can be conveyed via the hydraulic pump 144.
  • the hydraulic pump 144 provides the fluid with a release pressure LD of, for example, 170 bar.
  • the hydraulic pump 144 can remove the fluid 156 from the fluid container 150 (not shown in detail).
  • a fluid circuit can be set up in this way.
  • the fluid can be cooled by a cooler, not shown.
  • the cooler can be arranged, for example, between the fluid container 150 and the hydraulic pump 144 or between the pressure reducer 148 and the rotary insert 34.
  • the directional control valve 146 can be moved either into a first switching position a or a second switching position b.
  • the cooling mode A is set up in the first switching position a.
  • the release mode (not shown here) is set up in the second switching position b.
  • the directional control valve 146 is biased into the first switching position a shown via a valve spring 160.
  • the directional valve 146 can be moved into the second switching position b either via a muscle power actuation 164 or an electrical actuation 166.
  • the electrical actuation 166 is used for automated operation of the tool spindle 2.
  • the muscle power actuation 164 can be used for maintenance purposes or in the event of a malfunction.
  • the adjustable pressure reducer 148 here has a pressure relief valve 168.
  • the pressure relief valve 168 is set so that the adjustable pressure reducer 148 on the hydraulic pump 144 provided release pressure LD of, for example, 170 bar is reduced to a cooling pressure KD of, for example, 10 bar.
  • the directional control valve 146 In cooling mode A, the directional control valve 146 is in switching position a.
  • the fluid 156 is conveyed to the directional valve 146 by means of the hydraulic pump 144 with the release pressure LD (here 170 bar).
  • the fluid 156 then flows from the directional control valve 146 to the pressure reducer 148 and the release pressure LD is reduced to the cooling pressure KD (here 10 bar).
  • the fluid 156 then flows further to the second fluid connection 80 at the cooling pressure KD and is used in the rotor assembly 4 for cooling.
  • the fluid 156 After the fluid 156 has flowed through the corresponding fluid spaces in the rotor assembly 4, the fluid 156 is discharged from the rotor assembly 4 via the first fluid connection 78.
  • the fluid 156 flows to the directional control valve 146 and is directed there to the fluid container 150 and collected.
  • the directional control valve 146 In the release mode (see FIG. 2), which is not shown in more detail in FIG. 8 but is also briefly described below, the directional control valve 146 is in the switching position b.
  • the fluid 156 is conveyed to the directional valve 146 by means of the hydraulic pump 144 with the release pressure LD (here 170 bar).
  • the directional control valve 146 In the switching position b, the directional control valve 146 directs the fluid 156 from the hydraulic pump 144 directly to the first fluid connection 78, so that the release pressure LD also builds up in the pressure chamber 46. This opens the clamping device 12 in the rotor assembly 4, see also Figure 2.
  • Figure 9 shows a highly abstracted representation of a machine tool 170.
  • a tool 172 for example a grinding wheel, is held on a tool spindle 2 according to the invention via a tool holder 90.
  • a workpiece 174 to be machined for example a gear, can be moved relative to the tool spindle 2.
  • the tool spindle 2 and the workpiece 174 can also be pivotable relative to one another, compare pivot point SP of the tool spindle 2.
  • the workpiece can be arranged on a workpiece table (not shown in detail) or on a Workpiece spindle 176 can be held. In the latter case, the workpiece 174 can also be rotated about a workpiece axis WA.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorbaugruppe (4) für eine Werkzeugspindel (2), aufweisend - einen hohlen Rotor (8), - eine Betätigungseinrichtung (10) zum Betätigen einer Spanneinrichtung (12) zur lösbaren Befestigung eines Werkzeughalters (90) an dem Rotor (8), wobei die Betätigungseinrichtung (10) eine Zugstange (30) und einen an die Zugstange (30) starr gekoppelten Kolben (32) aufweist, die zusammen entlang einer Verfahrrichtung (VR) im hohlen Rotor (8) verfahrbar gelagert sind, wobei die Zugstange (30) durch eine Federeinrichtung (54) in eine Spannstellung (SSt) vorgespannt ist und entgegen der Vorspannkraft der Federeinrichtung (54) durch Beaufschlagen des Kolbens (32) mit Fluiddruck in eine Lösestellung verbringbar ist, wobei der Kolben (32) in dem Rotor (8) einen Druckraum (46) und einen Kühlraum (42) voneinander trennt, wobei in dem Kolben (8) wenigstens ein Rückschlagventil (76) vorgesehen ist, welches ein Einströmen von Fluid aus dem Kühlraum (42) in den Druckraum (46) erlaubt und ein Ausströmen von Fluid aus dem Druckraum (46) in den Kühlraum (42) unterbindet, wobei ein erster Fluidanschluss (78) vorgesehen ist, welcher fluidisch mit dem Druckraum (46) verbunden ist, wobei in der Zugstange (30) eine Fluidführung (56) ausgebildet ist, durch welche Fluid in den Kühlraum (42) einleitbar ist, und wobei ein zweiter Fluidanschluss (80) vorgesehen ist, welcher fluidisch mit der Fluidführung (56) verbunden ist. Die Erfindung ermöglicht einen automatisierten Werkzeugwechsel an einer einfach aufgebauten und wirksam kühlbaren Werkzeugspindel.

Description

Rotorbaugruppe für eine Werkzeugspindel
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Rotorbau gruppe für eine Werkzeugspindel, aufweisend einen hohlen Rotor und eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen einer Spanneinrichtung zur lösbaren Befestigung eines Werkzeughalters an dem Rotor. Die Erfindung betrifft ferner eine Werkzeugspindel, eine Betätigungseinrichtung für eine Rotorbaugruppe einer Werkzeugspindel sowie ein Betriebsverfahren für eine Rotorbaugruppe oder eine Werkzeugspindel. Werkzeugmaschinen, beispielsweise Verzahnungsschleifmaschinen oder Werkzeugmaschinen für die Hartfeinbearbeitung, weisen eine Werkzeugspindel (oft auch als Arbeitsspindel oder Maschinenspindel bezeichnet) auf. Die Werkzeugspindel dient zur Aufnahme des Werkzeugs und treibt das Werkzeug an. Das Werkzeug kann mit einer Werkzeugaufnahme, beispielsweise einem Schleifscheibenflansch, an einem Rotor der Werkzeugspindel befestigt werden. Hierzu ist es grundsätzlich bekannt, die Werkzeugaufnahme über einen Konus und eine Plananlage am Rotor auszurichten und manuell mit dem Rotor zu verschrauben. Bei dieser Befestigungsvariante kann auf einfache Weise eine Innenkühlung des Rotors eingerichtet werden.
Durch die fortschreitende Automatisierung und Digitalisierung in der industriellen Produktion (oft als Industrie 4.0 bezeichnet) sind vor allem automatisierte Rüstvorgänge bei Werkzeugmaschinen gefragt. Für ein automatisiertes Wechseln des Werkzeugs werden häufig Werkzeugspannsysteme mit einem Werkzeughalter eingesetzt. Der Werkzeughalter wird einerseits mit dem Werkzeug verbunden und kann andererseits automatisiert am Rotor befestigt oder vom Rotor gelöst werden. Bekannte Werkzeughalter sind beispielsweise als sogenannte Hohlschaftkegel, Steilkegel oder Polygonschaftkegel ausgeführt. Zum Befestigen solcher Werkzeughalter am Rotor ist ein Spannsystem erforderlich, welches Raum im Inneren des Rotors einnimmt. Eine Kühlung wie bei manuell mit dem Rotor verschraubten Werkzeugen ist dann nicht mehr möglich.
Aus der EP 3 275 589 Bl ist eine Werkzeugmaschinen-Bearbeitungseinheit bekannt geworden, die einen Rotor mit einer im Rotor integrierten Spannvorrichtung zur lösbaren Halterung einer Werkzeugaufnahme und eine Kühleinrichtung für den Rotor umfasst. In den Rotor sind Kühlmittelvorlaufkanäle mit einer Eintrittsöffnung und Kühlmittelrücklaufkanäle mit einer Austrittsöffnung eingebracht. Die Kühlmittelvorlaufkanäle und die Kühlmittelrücklaufkanäle sind über einen Ringkanal miteinander verbunden. Die Kühleinrichtung weist Anschlüsse zum Zu- und Abführen von Kühlmittel auf. Weiterhin weist die Kühleinrichtung Kanäle für das Kühlmittel auf, die mit den Kanälen des Rotors verbunden sind. Die Kühleinrichtung weist außerdem eine Betätigungseinrichtung auf, mit der die Spannvorrichtung betätigt werden kann.
Nachteilig bei dieser Werkzeugmaschinen-Bearbeitungseinheit ist, dass die in Rotor eingebrachten Kühlkanäle die Stabilität des Rotors beeinträchtigen können. Zudem ist die Fertigung der Kühlmittelkanäle und des Ringkanals aufwendig.
Aus dem Katalog „CyMill - CySpeed Fräskopf- und Motorspindel-Technologie" der CyTec Zylindertechnik GmbH, Jülich, Deutschland, Ausgabe November 2006, ist eine Werkzeugspindel bekannt geworden, die einen Rotor mit einem integrierten Spannsystem mit mehreren Kanälen und Kanalkreisläufen aufweist, vgl. insbesondere Katalogseite 51. Zum Spannen und Lösen des Spannsystems sind ein Spannanschluss und ein Löseanschluss vorgesehen. Wenn an zwei Kühlmittelanschlüssen gleichzeitig Kühlmittel mit hohem Druck zugeführt wird, öffnet ein Ventil, sodass das Kühlmittel an einer Werkzeugaufnahme austritt. Wenn nur an einem der Kühlmittelanschlüsse Kühlmittel mit geringem Druck zugeführt wird, lenkt das Ventil das Kühlmittel zu dem anderen Kühlmittelanschluss, an welchem es austritt. Derart kann eine Umlaufkühlung eingerichtet werden.
Auch bei dieser Werkzeugspindel muss im Rotor und im Spannsystem ein komplexes Netzwerk an Kanälen gefertigt werden. Zudem erfolgt die Kühlung nur nahe der Rotorachse und somit relativ weit vom Ort der Wärmeentstehung außen am Rotor entfernt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen automatisierten Werkzeugwechsel an einer einfach aufgebauten und wirksam kühlbaren Werkzeugspindel zu ermöglichen. Kurze der
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotorbau gruppe für eine Werkzeugspindel, aufweisend einen hohlen Rotor, eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen einer Spanneinrichtung zur lösbaren Befestigung eines Werkzeughalters an dem Rotor, wobei die Betätigungseinrichtung eine Zugstange und einen an die Zugstange starr gekoppelten Kolben aufweist, die zusammen entlang einer Verfahrrichtung im hohlen Rotor verfahrbar gelagert sind, insbesondere wobei die Verfahrrichtung der Richtung einer Drehachse des Rotors entspricht, wobei die Zugstange durch eine Federeinrichtung in eine Spannstellung vorgespannt ist und entgegen der Vorspannkraft der Federeinrichtung durch Beaufschlagen des Kolbens mit Fluiddruck in eine Lösestellung verbringbar ist, wobei der Kolben in dem Rotor einen Druckraum und einen Kühlraum voneinander trennt, wobei in dem Kolben wenigstens ein Rückschlagventil vorgesehen ist, welches ein Einströmen von Fluid aus dem Kühlraum in den Druckraum erlaubt und ein Ausströmen von Fluid aus dem Druckraum in den Kühlraum unterbindet, wobei ein erster Fluidanschluss vorgesehen ist, welcher fluidisch mit dem Druckraum verbunden ist, wobei in der Zugstange eine Fluidführung ausgebildet ist, durch welche Fluid in den Kühlraum einleitbar ist, und wobei ein zweiter Fluidanschluss vorgesehen ist, welcher fluidisch mit der Fluidführung verbunden ist.
Die Erfindung stellt eine Rotorbaugruppe für einen automatisierten Werkzeugwechsel an einer Werkzeugmaschine zur Verfügung. Die Erfindung ermöglicht auf einfache Weise die Betätigung der Spanneinrichtung sowie das Kühlen des Rotors durch geeignetes Ein- bzw. Ausleiten von Fluid an den beiden Fluidanschlüssen. Die Roto rbau gruppe weist einen hohlen Rotor und eine Betätigungseinrichtung auf. Die Betätigungseinrichtung ist zumindest teilweise in einem Hohlraum des Rotors angeordnet. Der Rotor weist typischerweise an seinen Enden Öffnungen auf. Die Betätigungseinrichtung kann an zumindest einem Ende aus dem Rotor herausragen. Im Bereich einer Öffnung kann eine Spanneinrichtung angeordnet werden, mit der ein Werkzeughalter am Rotor befestigt werden kann.
Die Betätigungseinrichtung dient dazu, die Spanneinrichtung zu betätigen und so den Werkzeughalter am Rotor zu befestigen oder vom Rotor zu lösen. Ein Werkzeug kann mittelbar über den Werkzeughalter an dem Rotor befestigt werden. Hierzu kann der Werkzeughalter von der Spanneinrichtung gegen eine Aufnahme am Rotor gespannt werden, wobei ein Endbereich der Zugstange an der Spanneinrichtung angreift.
Die Zugstange und der Kolben der Betätigungseirichtung sind starr miteinander gekoppelt. Die Zugstange und der Kolben sind somit gemeinsam miteinander aber nicht relativ zueinander verschiebbar. Zugstange und Kolben können entlang einer Verfahrrichtung im hohlen Rotor verfahren werden. Je nach Position der Zugstange im Rotor kann der Werkzeughalter am Rotor gehalten oder freigegeben werden.
Die Zugstange ist durch eine Federeinrichtung in eine Spannstellung vorgespannt. In dieser Spannstellung ist der Werkzeughalter mittels der Spanneinrichtung am Rotor festlegbar.
Die Zugstange und der Kolben sind grundsätzlich dicht miteinander verbunden. Der Kolben kann gemeinsam mit der Zugstange gegen die Vorspannkraft der Federeinrichtung verschoben werden, indem ein Fluiddruck im Druckraum aufgebaut und auf den Kolben ausgeübt wird. Die Zugstange kann dadurch in die Lösestellung verbracht werden. Wenn sich die Zugstange in der Lösestellung befindet, ist die Spanneinrichtung geöffnet. Der Werkzeughalter kann vom Rotor gelöst oder am Rotor angeordnet werden. Die Lösestellung ist typischerweise durch einen Anschlag der Zugstange oder des Kolbens am Rotor definiert. Im Rotor sind der Druckraum und der Kühlraum ausgebildet. Der erste Fluidanschluss ermöglicht es, Fluid in den Druckraum einzuleiten und aus dem Druckraum auszuleiten. Der zweite Fluidanschluss ermöglicht es Fluid durch die Fluidführung in der Zugstange in den Kühlraum einzuleiten. Das wenigstens eine Rückschlagventil im Kolben erlaubt ein Strömen von Fluid aus dem Kühlraum in den Druckraum, nicht jedoch aus dem Druckraum in den Kühlraum. Der Druckraum, der Kühlraum, die Fluidführung sowie der erste und der zweite Fluidanschluss können gemeinsam als ein Fluidkanalsystem bezeichnet werden.
Die Fluidführung ist in der Regel mit einer Längsbohrung in der Zugstange ausgebildet, wobei die Längsbohrung (von Mündungen von Querbohrungen abgesehen) radial geschlossenen ist. Die Längsbohrung kann mittig in der Zugstange verlaufen, insbesondere auf der Drehachse des Rotors.
Der Rotor und der Kolben sind Teil der Begrenzung des Druckraums und des Kühlraums. Der Kühlraum ist typischerweise durch eine Innenwand des Rotors, eine Außenwand der Zugstange und den Kolben begrenzt. Der Kühlraum ist (abgesehen von den Mündungen aus der Fluidführung in der Zugstange und zum wenigstens einen Rückschlagventil) fluiddicht ausgebildet, insbesondere mit Dichtungen zwischen der Zugstange und dem Rotor sowie zwischen dem Kolben und dem Rotor.
Die Zugstange durchragt den Kühlraum entlang der Verfahrrichtung. Typischerweise durchragt die Zugstange auch den Druckraum entlang der Verfahrrichtung. Die Zugstange verläuft typischerweise koaxial zur Drehachse des Rotors
Über das Fluidkanalsystem können sowohl ein Kühlbetrieb der Rotorbaugruppe eingerichtet werden als auch die Betätigungseinrichtung bedient werden, um die Spanneinrichtung für einen Werkzeugwechsel zu öffnen. Wird über den zweiten Fluidanschluss ein Fluid (beispielsweise Hydrauliköl) unter moderatem Druck (typischerweise 2 bis 15 bar) in die Fluidführung eingeleitet, kann das Fluid den Kühlraum durchströmen und den Rotor kühlen. Von dem Kühlraum kann das Fluid über das wenigstens eine Rückschlagventil in den Druckraum weiterfließen und über den ersten Fluidanschluss aus dem Rotor abgeführt werden. Auch beim Durchströmen des Druckraums kühlt das Fluid den Rotor. Wird hingegen über den ersten Fluidanschluss Fluid unter großem Druck (typischerweise 160 bis 180 bar) in den Druckraum eingeleitet, schließt das wenigstens eine Rückschlagventil. Es baut sich ein Druck im Druckraum auf und der Kolben mit der Zugstange wird gegen die Federkraft der Federeinrichtung verschoben. Die Spanneinrichtung wird dadurch geöffnet, sodass der Werkzeughalter vom Rotor gelöst oder am Rotor angebracht werden kann. Das Anordnen des Werkzeughalters am Rotor bzw. Entfernen des Werkzeughalters vom Rotor kann automatisiert erfolgen.
Die Trennung des Druckraums vom Kühlraum bzw. deren Verbindung über das Rückschlagventil ermöglicht auf einfache Weise eine Ertüchtigung der Rotorbaugruppe für den Kühlbetrieb und den automatisierten Werkzeugwechsel. Durch die Fluidführung in der Zugstange wird das Einleiten von Fluid in den Kühlraum ermöglicht, um den Rotor zu kühlen. Die Fluidführung kann durch eine Längsbohrung und typischerweise eine Querbohrung rationell gefertigt werden. Zuverlässige Rückschlagventile stehen kostengünstig zur Verfügung. Der Kolben kann somit in die eine Richtung (vom Druckraum zum Kühlraum) fluiddicht sein, während in der anderen Richtung (vom Kühlraum zum Druckraum) eine Strömung durch den Kolben ermöglicht wird.
Bevorzuote Varianten der Erfinduno
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotorbaugruppe ist vorgesehen, dass die Federeinrichtung im Kühlraum angeordnet ist. Im Betrieb der Rotorbaugruppe (wenn die Rotorbaugruppe rotiert und gekühlt wird) ist der Kühlraum mit Fluid gefüllt. Die Federeinrichtung befindet sich während des Betriebs also im Fluid. Das Fluid hat eine dämpfende Wirkung auf die Federeinrichtung. Hierdurch können Vibrationen der Federeinrichtung verringert werden. Zudem wird der ohnehin erforderliche Raum für die Aufnahme der Federeinrichtung zur Kühlung des Rotors genutzt. Hierdurch kann der vorhandene Platz im hohlen Rotor effizient genutzt werden, während der Rotor einfach aufgebaut bleibt. Die Federeinrichtung ist insbesondere zwischen einer Innenwand des Rotors und einer Außenwand der Zugstange angeordnet.
Vorteilhafterweise ist die Federeinrichtung als Tellerfederpaket ausgebildet. Die Federeinrichtung kann mit anderen Worten mit einer Vielzahl aufeinander folgender, insbesondere parallel und/oder in Reihe geschalteter, Tellerfedern gebildet sein. Die Tellerfedern können insbesondere paarweise parallel geschaltet sein, wobei jeweils Paare von parallel geschalteten Tellerfedern miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Nutzung eines Tellerfederpakets ermöglicht die Bereitstellung einer Federeinrichtung mit ausreichend großer Steifigkeit, Vorspannung und Verformbarkeit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Federeinrichtung sich einenends über eine Stützscheibe an dem Rotor und anderenends an dem Kolben abstützt. Über die Stützscheibe kann die Federkraft der Federeinrichtung, die sich an der Stützscheibe abstützt, gleichmäßig in den Rotor eingeleitet werden (beispielsweise an einer Schulter im Rotor). Weiterhin vermeidet die Stützscheibe einen direkten Kontakt des Rotors und der Federeinrichtung. Die Stützscheibe kann aus einem härteren Material als der Rotor bestehen. Der Kolben steht in radialer Richtung über die Zugstange vor und ist starr mit dieser verbunden; der Kolben ermöglicht es daher, Kraft auf die Zugstange zu übertragen. An dem Kolben kann eine zum Abstützen der Federeinrichtung geeignete Fläche eingerichtet sein. Die Federkraft kann sich gleichmäßig auf den Kolben verteilen.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der die Fluidführung von der Federeinrichtung aus gesehen jenseits der Stützscheibe in den Kühlraum mündet. Dadurch kann auf einfache Weise eine einheitliche Flussrichtung für das Fluid zur Kühlung des Rotors im Bereich der Federeinrichtung (z. B. in einem Haupt-Kühlraum) eingerichtet werden, und die Stützscheibe kann in die Strömungsgestaltung einbezogen werden. Das Entstehen von nicht oder nur ungleichmäßig durchströmten Totraumbereichen im Kühlraum kann zumindest weitgehend vermieden werden. Zudem kann das von dem Fluid zur Kühlung durchströmte Volumen im Inneren des Rotors vergrößert werden.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Weiterbildung, in der die Stützscheibe wenigstens einen Überströmkanal für das Fluid aufweist, bevorzugt mehrere drehsymmetrisch zu einer Drehachse des Rotors angeordnete Überströmkanäle aufweist. Mit den Überströmkanälen kann das Fluid im Bereich der Stützscheibe mit geringem Strömungswiderstand geführt werden, insbesondere überführt werden von einem vorderen, radial engen Teil des Kühlraums, in welchem die Fluidführung mündet (z. B. ein Kühlraumringkanal), in einen hinteren, radial weiteren Teil des Kühlraums, in welchem auch die Federeinrichtung angeordnet ist (z. B. ein Haupt-Kühlraum). Der wenigstens eine Überströmkanal kann radial und/oder axial an der Stützscheibe verlaufen. Insbesondere können Vertiefungen in der Stützscheibe die Überströmkanäle bilden. Solche Überströmkanäle können einfach gefertigt werden. Radial verlaufende Überströmkanäle können an einer oder an beiden Seiten der Stützscheibe vorgesehen sein. Bei Verwendung mehrerer Überströmkanäle kann durch die drehsymmetrische Anordnung verhindert werden, dass während der Verwendung der Rotorbaugruppe eine Unwucht entsteht. Weiterhin kann das Fluid besonders gleichmäßig strömen und es steht mehr Querschnitt für die Strömung des Fluids zur Verfügung.
Bevorzugt ist auch eine Weiterbildung, bei der ein Innendurchmesser der Stützscheibe größer ist als ein Außendurchmesser der Zugstange im Bereich der Stützscheibe, bevorzugt um wenigstens 5 %, besonders bevorzugt um wenigstens 10 %. Hierdurch bildet sich zwischen Zugstange und Stützscheibe ein Zwischenraum. Durch den Zwischenraum kann das Fluid strömen. Der Innendurchmesser der Stützscheibe kann technisch einfach angepasst werden.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der in dem Kolben mehrere Rückschlagventile vorgesehen sind, die vorzugsweise drehsymmetrisch zu einer Drehachse des Rotors angeordnet sind. Die Strömung des Fluids durch den Kühlraum kann so besonders gleichmäßig erfolgen. Der Widerstand zur Durchströmung des Kolbens wird verringert. Durch die drehsymmetrische Anordnung der Rückschlagventile kann weiterhin verhindert werden, dass eine Unwucht entsteht. Einem vorzeitigen Verschleiß der Rotorbaugruppe kann so entgegengewirkt werden.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Fluidführung in der Zugstange eine Längsbohrung entlang einer Drehachse des Rotors und eine erste Querbohrung aufweist, welche die Längsbohrung fluidisch mit dem Kühlraum verbindet, vorzugsweise wobei die erste Querbohrung radial zur Drehachse verläuft. Die Längsbohrung und die erste Querbohrung sind einfach zu fertigen. Durch die Längsbohrung wird die Stabilität der Zugstange in der Regel nicht merklich beeinträchtigt. Über die Längsbohrung und die Querbohrung kann ein Fluid auf einfache Weise in den Kühlraum geleitet werden.
Vorteilhaft ist eine Weiterbildung, die vorsieht, dass die Längsbohrung an einem druckraumfernen Ende geschlossen ist. Hierdurch wird erzwungen, dass das Fluid aus der Längsbohrung in den Kühlraum strömt. Die Längsbohrung erstreckt sich zumindest bis zur Querbohrung; die fluidführende Längsbohrung endet jedoch innerhalb der Zugstange.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der vorgesehen ist, dass der Kolben und die Zugstange miteinander einstückig sind. Hierdurch kann besonders einfach erreicht werden, dass der Kolben und die Zugstange miteinander, aber nicht relativ zueinander verschiebbar sind. Zudem können Undichtigkeiten zwischen dem Kolben und der Zugstange zuverlässig vermieden werden.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Zugstange drehsymmetrisch bezüglich der Drehachse des Rotors ist. Der (Massen-) Schwerpunkt der Zugstange liegt mithin auf der Drehachse des Rotors. Auch eine dynamische Unwucht kann vermieden werden. Einem vorzeitigen Verschleiß der Rotorbaugruppe wird so entgegengewirkt. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, die vorsieht, dass die Betätigungseinrichtung weiterhin eine Dreheinführung mit einem Einführungsgehäuse und einem Verbindungsteil aufweist, wobei das Einführungsgehäuse und das Verbindungsteil gegeneinander drehbar sind, wobei der erste Fluidanschluss und der zweite Fluidanschluss an dem Einführungsgehäuse ausgebildet sind, und wobei das Verbindungsteil den ersten Fluidanschluss fluidisch mit dem Druckraum verbindet und den zweiten Fluidanschluss fluidisch mit der Fluidführung in der Zugstange verbindet. Die Dreheinführung ermöglicht es, mit stillstehenden Fluidanschlüssen Fluid zu dem und von dem sich drehenden Rotor zu führen. Das Verbindungsteil ist im Betrieb der Werkzeugspindel fest mit dem Rotor verbunden, beispielsweise mit dem Rotor verschraubt. Insbesondere rotiert das Verbindungsteil im Betrieb mit dem Rotor. Das Verbindungsteil kann mehrstückig oder vorzugsweise einstückig sein. Das Einführungsgehäuse rotiert im Betrieb der Werkzeugspindel nicht mit dem Rotor mit, sondern bleibt in der Regel in Ruhe. Typischerweise begrenzen der Kolben, die Außenwand der Zugstange, die Innenwand des Rotors und das Verbindungsteil den Druckraum.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zugstange sich in das Verbindungsteil hinein erstreckt. Das Verbindungsteil kann eine Ausnehmung aufweisen, in welche die Zugstange in axialer Richtung hineinragt. Dies vereinfacht es, die fluidische Verbindung zwischen dem zweiten Fluidanschluss und der Fluidführung in der Zugstange einzurichten. Die Zugstange kann einen Zugstangen-Hauptkörper und einen starr mit dem Zugstangen-Hauptkörper verbundenen Fortsatz aufweisen, wobei sich der Fortsatz in das Verbindungsteil hinein erstreckt. Der Fortsatz kann mit dem Zugstangen-Hauptkörper verschraubt sein.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Weiterbildung sieht vor, dass zwischen der Zugstange und dem Verbindungsteil ein Ringkanal ausgebildet ist, über welchen der erste Fluidanschluss fluidisch mit dem Druckraum verbunden ist. Dieser Ringkanal kann einfach eingerichtet werden. Fluid kann vom ersten Fluidanschluss über den Ringkanal in den Druckraum übertreten. Im Bereich des Ringkanals ist ein Innendurchmesser des Verbindungsteils grundsätzlich größer als ein Außendurchmesser der Zugstange, bevorzugt um wenigstens 5 %, besonders bevorzugt um wenigstens 10 %. Typischerweise ist im Bereich des Ringkanals der Innendurchmesser des Verbindungsteils höchstens 20 %, bevorzugt höchstens 15 %, größer als der Außendurchmesser der Zugstange.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass der Ringkanal über wenigstens eine erste Radialbohrung im Verbindungsteil fluidisch mit dem ersten Fluidanschluss an dem Einführungsgehäuse verbunden ist, wobei zwischen dem Verbindungsteil und dem Einführungsgehäuse ein erster in Umfangsrichtung umlaufender Kanal ausgebildet ist, welcher mit der wenigstens einen ersten Radialbohrung und dem ersten Fluidanschluss fluidisch verbunden ist. Die fluidische Verbindung des (stillstehenden) ersten Fluidanschlusses mit dem Druckraum durch das (rotierende) Verbindungsteil wird so auf einfache Weise ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verbindungsteil am Rotor festgelegt ist, dass zwischen der Zugstange und dem Verbindungsteil eine Tasche ausgebildet ist, welche über eine zweite Radialbohrung im Verbindungsteil fluidisch mit dem zweiten Fluidanschluss verbunden ist, dass die Zugstange eine zweite Querbohrung aufweist, welche eine Längsbohrung der Fluidführung in der Zugstange fluidisch mit der Tasche verbindet, und dass sich die Tasche entlang der Verfahrrichtung so weit erstreckt, dass von der Spannstellung bis zur Lösestellung die Längsbohrung über die zweite Querbohrung, die Tasche und die zweite Radialbohrung fluidisch mit dem zweiten Fluidanschluss verbunden bleibt, insbesondere wobei die Tasche im Verbindungsteil ausgebildet ist, bevorzugt als eine umlaufende Nut. Das Verbindungsteil bewegt sich relativ zum Rotor nicht. Wenn die Zugstange aus der Spannstellung in die Lösestellung verbracht wird oder umgekehrt, stellt die Tasche sicher, dass während der Bewegung der Zugstange zu jeder Zeit die Fluidführung in der Zugstange fluidisch mit dem zweiten Fluidanschluss verbunden ist. Beim Verbringen der Zugstange aus der Spannstellung in die Lösestellung wird typischerweise ein Teil des Fluids im Kühlraum in die Fluidführung zurückgedrückt. Durch die durchgängige Verbindung der Fluidführung der Zugstange und des zweiten Fluidanschlusses kann sichergestellt werden, dass das Fluid, welches zuvor zur Kühlung genutzt wurde, aus der Rotorbaugruppe austreten kann und die Bewegung der Zugstange nicht blockiert. Eine axiale Ausdehnung der Tasche ist wenigstens so groß wie die von der Zugstange zwischen der Spannstellung und der Lösestellung zurückgelegte Strecke, insbesondere zuzüglich eines Durchmessers der zweiten Querbohrung. Die zweite Querbohrung verläuft vorzugsweise radial zur Drehachse.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Weiterbildung ist zwischen dem Verbindungsteil und dem Einführungsgehäuse ein zweiter in Umfangsrichtung umlaufender Kanal ausgebildet, welcher mit der wenigstens einen zweiten Radialbohrung und dem zweiten Fluidanschluss fluidisch verbunden ist. Die fluidische Verbindung des (stillstehenden) zweiten Fluidanschlusses mit der Fluidführung in der Zugstange durch das (rotierende) Verbindungsteil wird so auf einfache Weise ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der an dem Rotor Permanentmagnete befestigt sind, wobei die Permanentmagnete zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, im Bereich der Längserstreckung des Kühlraums angeordnet sind. Die Permanentmagnete sind mit anderen Worten ganz oder zumindest zu Teilen in radialer Richtung über dem Kühlraum angeordnet. Gemeinsam mit einer Spulenanordnung, die um die Permanentmagnete angeordnet ist, kann ein Direktantrieb des Rotors bzw. einer Werkzeugspindel mit der Rotorbaugruppe eingerichtet werden. Im Bereich der Permanentmagnete entsteht im Betrieb der Rotorbaugruppe, insbesondere beim Beschleunigen und Abbremsen, Wärme, die über das Fluid in dem Kühlraum effizient abgeführt werden kann.
Auch bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Rotorbaugruppe die Spanneinrichtung aufweist, bevorzugt wobei die Spanneinrichtung mehrere Spannelemente aufweist, besonders bevorzugt wobei die Spannelemente drehsymmetrisch zu einer Drehachse des Rotors angeordnet sind. Über die Spanneinrichtung kann der Werkzeughalter am Rotor gehalten werden. Die Spanneinrichtung kann als ein Spannsatz ausgebildet sein. Durch die drehsymmetrische Verteilung der Spannelemente kann die Entstehung einer Unwucht vermieden werden. Die Spanneinrichtung ist im Bereich eines Endes der Zugstange angeordnet, welches dem Druckraum abgewandt ist. Die Zugstange ist an die Spanneinrichtung angebunden, um diese zu betätigen.
Erfindunosoemäße
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Werkzeugspindel aufweisend eine oben beschriebene, erfindungsgemäße Rotorbau gruppe und eine Statorbaugruppe mit einem Spindelgehäuse, in welchem der Rotor drehbar gelagert ist, vorzugsweise wobei in dem Spindelgehäuse eine Spulenanordnung zum Antreiben des Rotors vorgesehen ist. Die Werkzeugspindel ermöglicht die Verwendung der Rotorbaugruppe an einer Werkzeugmaschine. Die Spulenanordnung am Spindelgehäuse und Permanentmagnete am Rotor bilden einen Motor der Werkzeugspindel zum Direktantrieb des Rotors.
Erfindunosoemäße Betätiounoseinrichtuno
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Betätigungseinrichtung für eine Rotorbaugruppe einer Werkzeugspindel, insbesondere für eine oben beschriebene, erfindungsgemäße Rotorbaugruppe, aufweisend eine Zugstange, die eine Längsbohrung als Fluidführung aufweist, und einen Kolben, der starr an die Zugstange gekoppelt ist und auf der Zugstange aufsitzt, sodass die Zugstange zu einer ersten Seite des Kolbens einen kühlraumseitigen Abschnitt und zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite des Kolbens einen druckraumseitigen Abschnitt aufweist, wobei die Fluidführung im kühlraumseitigen Abschnitt wenigstens eine erste Mündung und im druckraumseitigen Abschnitt wenigstens eine zweite Mündung aufweist, insbesondere wobei die wenigstens eine erste Mündung durch eine erste Querbohrung und die wenigstens eine zweite Mündung durch eine zweite Querbohrung gebildet ist, und wobei im Kolben wenigstens ein Rückschlagventil vorgesehen ist, über das die beiden Seiten des Kolbens fluidisch verbunden sind, wobei das Rückschlagventil bei einem höheren Druck auf der ersten Seite als auf der zweiten Seite öffnet und bei einem höheren Druck auf der zweiten Seite als auf der ersten Seite sperrt. Mit einer solchermaßen ausgebildeten Betätigungseinrichtung kann eine Kühlung des Rotors der Rotorbaugruppe eingerichtet und ein Werkzeug automatisiert gewechselt werden. Insbesondere ermöglicht die Betätigungseinrichtung es, einen Rotor für eine Kühlung zu ertüchtigen. Für eine Kühlung einer Rotorbaugruppe mit der Betätigungseinrichtung wird Fluid zur Kühlung über die zweite Querbohrung in die Fluidführung im Bereich des druckraumseitigen Abschnitts der Zugstange eingeleitet. Das Fluid durchfließt die Fluidführung im Bereich des druckraumseitigen Abschnitts und daraufhin auch im Bereich des kühlraumseitigen Abschnitts der Zugstange. An der ersten Querbohrung tritt das Fluid aus der Fluidführung aus und geht in den Kühlraum über. Im Kühlraum kann das Fluid zur Kühlung genutzt werden, wobei es außen am kühlraumseitigen Abschnitt der Zugstange zur ersten Seite des Kolbens fließt. Das strömende Fluid öffnet das Rückschlagventil, sodass das Fluid durch den Kolben hindurch fließen kann und an der zweiten Seite des Kolbens in den Druckraum gelangt. Um eine Spanneinrichtung mittels der Betätigungseinrichtung für das Befestigen oder Lösen eines Werkzeughalters zu öffnen, wird Fluid unter hohem Druck zur zweiten Seite des Kolbens geführt. Das Rückschlagventil schließt, sodass das Fluid nicht in den Kühlraum strömen kann. Der Kolben mit der Zugstange wird durch den erhöhten Druck in eine Lösestellung verschoben, sodass die Spanneinrichtung geöffnet wird und ein Werkzeughalter von dem Rotor gelöst oder an diesem angebracht werden kann. Betriebsverfahren
Weiterhin in den Rahmen der Erfindung fällt ein Betriebsverfahren für eine oben beschriebene, erfindungsgemäße Rotorbaugruppe oder eine oben beschriebene, erfindungsgemäße Werkzeugspindel, wobei in einem Kühlmodus durch den zweiten Fluidanschluss Fluid, insbesondere Öl, in die Fluidführung eingeleitet wird, sodass es den Kühlraum durchströmt, durch das wenigstens eine Rückschlagventil in den Druckraum strömt und durch den ersten Fluidanschluss ausgeleitet wird, und wobei in einem Lösemodus durch den ersten Fluidanschluss Fluid in den Druckraum eingeleitet wird, sodass in dem Druckraum ein Lösedruck aufgebaut wird, durch welchen die Zugstange gegen die Wirkung der Federeinrichtung mittels des Kolbens in die Lösestellung verbracht wird. Dieses Verfahren ermöglicht unter Verwendung der erfindungsgemäßen Rotorbaugruppe bzw. Werkzeugspindel mit nur zwei Fluidanschlüssen einerseits eine Kühlung des Rotors und andererseits einen automatisierten Werkzeugwechsel. Für einen Wechsel zwischen dem Kühlmodus und dem Lösemodus muss lediglich der an den beiden Fluidanschlüssen anliegende Druck des Fluids entsprechend gewählt werden. Im Kühlmodus kann der Rotor mit Fluid gekühlt werden, das den Kühlraum durchströmt. In dem Kühlmodus befindet sich die Zugstange in der Spannstellung. Typischerweise rotiert in dem Kühlmodus der Rotor in dem Spindelgehäuse. Dabei kann ein von der Spanneinrichtung (über einen Werkzeughalter) am Rotor gehaltenes Werkzeug ein Werkstück bearbeiten. Für einen Werkzeugwechsel wird der Rotor angehalten, und der Lösemodus wird aktiviert. In dem Lösemodus steht der Rotor grundsätzlich still. Dann kann das Werkzeug (mit dem Werkzeughalter) entnommen und ein anderes Werkzeug (mit einem weiteren Werkzeughalter) an der Spanneinrichtung angeordnet werden. Nach Deaktivierung des Lösemodus ist das neue Werkzeug an dem Rotor fixiert.
Bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass in dem Kühlmodus der Fluiddruck an dem zweiten Fluidanschluss wenigstens 2 bar, vorzugsweise wenigstens 5 bar, und/oder höchstens 15 bar, vorzugsweise höchstens 12 bar, beträgt. Diese Drücke haben sich in der Praxis besonders bewährt. Diese Drücke genügen um das Fluid für eine wirksame Kühlung hinreichend schnell strömen zu lassen und das wenigstens eine Rückschlagventil zu öffnen.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Lösemodus der Fluiddruck an dem ersten Fluidanschluss wenigstens 120 bar, vorzugsweise wenigstens 150 bar, und/oder höchstens 200 bar, vorzugsweise höchstens 180 bar, beträgt. Auch diese Drücke haben sich in der Praxis besonders bewährt. Mit diesen Drücken kann die Vorspannung der Federeinrichtung überwunden werden.
Vorteilhaft ist außerdem eine Variante, bei der das Fluid mit wenigstens dem Lösedruck bereitgestellt wird, und bei der das Fluid in dem Kühlmodus durch einen Druckminderer, insbesondere ein Proportionaldruckregelventil oder ein Servoventil, zu dem zweiten Fluidanschluss geleitet wird. Somit wird nur eine einzige Fördereinrichtung für das Fluid benötigt. Die Fördereinrichtung zum Bereitstellen des Fluids kann stets mit demselben Druck betrieben werden. Zur Druckanpassung kann das Fluid je nach Betriebsmodus durch den Druckminderer zum zweiten Fluidanschluss oder an diesem vorbei zum ersten Fluidanschluss geleitet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Detaillierte der und
Fig. 1 zeigt in einem schematischen Längsschnitt eine erfindungsgemäße Werkzeugspindel mit einer erfindungsgemäßen Rotorbaugruppe in einem Kühlmodus, wobei sich eine Zugstange in einer Spannstellung befindet;
Fig. 2 zeigt in einem schematischen Längsschnitt die erfindungsgemäße Werkzeugspindel aus Fig. 1 mit der Rotorbaugruppe in einem Lösemodus, wobei sich die Zugstange in einer Lösestellung befindet;
Fig. 3 zeigt isoliert in einer schematischen Perspektivansicht eine Stützscheibe mit Überströmkanälen für die Rotorbaugruppe aus Fig. 1;
Fig. 4a zeigt ein geöffnetes Rückschlagventil der Rotorbaugruppe aus Fig. 1;
Fig. 4b zeigt das Rückschlagventil im geschlossenen Zustand gemäß Fig. 2;
Fig. 4c zeigt isoliert in drei unterschiedlichen Ansichten einen Schraubenkörper des Rückschlagventils aus Fig. 4a und Fig. 4b;
Fig. 5a zeigt isoliert in einer perspektivischen Ansicht ein erstes Ende einer Zugstange der Rotorbaugruppe aus Fig. 1 mit einer Längsbohrung und einer ersten Querbohrung;
Fig. 5b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 in einem Bereich der Zugstange, in dem die erste Querbohrung ausgebildet ist;
Fig. 6 zeigt in einem schematischen Längsschnitt eine vergrößerte Ansicht der Dreheinführung aus Fig. 2;
Fig. 7 zeigt isoliert in einer perspektivischen Ansicht die Zugstange mit einem Kolben aus Fig. 1; Fig. 8 zeigt anhand eines Fluidschemas die Durchführung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für eine erfindungsgemäße Rotorbau gruppe;
Fig. 9 zeigt schematisch eine Werkzeugmaschine, mit der ein Werkstück mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel bearbeitet werden kann.
Figur 1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Werkzeugspindel 2. Die Werkzeugspindel 2 weist eine erfindungsgemäße Rotorbaugruppe 4 und eine Statorbaugruppe 6 auf.
Die Rotorbaugruppe 4 weist einen hohlen Rotor 8, eine Betätigungseinrichtung 10 und eine Spanneinrichtung 12 auf. Der Rotor 8 ist drehbar um eine Drehachse DA gelagert. Der hohle Rotor 8 weist einen vorderseitigen Öffnungsbereich 14 (werkzeugseitiger Öffnungsbereich) auf. Weiterhin weist der hohle Rotor 8 einen dem vorderseitigen Öffnungsbereich 14 gegenüberliegenden rückseitigen Öffnungsbereich 16 auf. Im vorderseitigen Öffnungsbereich 14 ist im Rotor 8 eine Aufnahme 18 mit einem Vorsprung 20 und einem Innenkegel 22 ausgebildet. Im rückseitigen Öffnungsbereich 16 ist am Rotor 8 ein Gewinde 24 ausgebildet. An einer Außenseite 26 des Rotors 8 sind Permanentmagnete 28 angebracht. Die Permanentmagnete 28 sind in Umfangsrichtung um den Rotor 8 herum angeordnet.
Die Betätigungseinrichtung 10 weist eine Zugstange 30, einen Kolben 32 und eine Dreheinführung 34 auf. Die Zugstange 30 und der Kolben 32 sind starr gekoppelt (siehe hierzu auch Fig. 7). Die Zugstange 30 ist drehsymmetrisch zur Drehachse DA des Rotors 8. Die Zugstange 30 und der Kolben 32 können entlang einer Verfahrrichtung VR im Rotor 8 zusammen verfahren werden. Die Verfahrrichtung VR entspricht in der gezeigten Ausführungsform der Richtung der Drehachse DA des Rotors 8. Die Zugstange 30 ist in der gezeigten Ausführungsform zum größten Teil im Rotor 8 angeordnet. Ein Endbereich der Zugstange 30 ist in der Dreheinführung 34 angeordnet. Ein Verbindungsteil 120 der Dreheinführung 34 ist fest mit dem Rotor 8 verbunden.
Eine Außenwand 36 der Zugstange 30, eine Innenwand 38 des Rotors 8 und eine erste Seite 40 des Kolbens 32 begrenzen einen Kühlraum 42 im Rotor 8. Weiterhin begrenzen die Außenwand 36 der Zugstange 30, die Innenwand 38 des Rotors 8, eine zweite Seite 44 des Kolbens 32 und das Verbindungsteil 120 der Dreheinführung 34 einen Druckraum 46. Der Kühlraum 42 und der Druckraum 46 sind über nicht näher dargestellte Dichtungen fluiddicht verschlossen, sodass ein Austreten von Fluid aus dem vorderseitigen Öffnungsbereich 14 oder dem rückseitigen Öffnungsbereich 16 verhindert wird.
Der Kühlraum 42 umfasst hier zwei Abschnitte, nämlich einem Kühlraum- Ringkanal 48 und einem Haupt-Kühlraum 50. Ein Durchmesser des Haupt- Kühlraums 50 ist größer als ein Durchmesser des Kühlraum-Ringkanals 48, hier ungefähr doppelt so groß. Am Übergang von Kühlraum-Ringkanal 48 auf den Haupt-Kühlraum 50 ist eine Stützscheibe 52 angeordnet. Die ringförmige Stützscheibe 52 weist mehrere Überströmkanäle auf (siehe hierzu Fig. 3).
Zwischen der Stützscheibe 52 und dem Kolben 32 ist eine Federeinrichtung 54 im Kühlraum 42 angeordnet. Die Federeinrichtung 54 erstreckt sich in Achsrichtung über den gesamten Raum zwischen der Stützscheibe 52 und dem Kolben 32. Der Übersichtlichkeit halber ist die Federeinrichtung 54 in Fig. 1 nur unmittelbar an der Stützscheibe 52 und an der ersten Seite 40 des Kolbens 32 dargestellt. Die Federeinrichtung 54 ist hier ein Tellerfederpaket 55. Das Tellerfederpaket 55 besteht aus einer Vielzahl von Tellerfedern. Beim Tellerfederpakt 55 sind vorliegend Paare von parallel geschalteten Tellerfedern in Reihe geschaltet. Die Vorspannung der Federeinrichtung 54 sucht den Kolben 32 mit der Zugstange 30 auf den rückseitigen Öffnungsbereich 16 zu der Dreheinführung 34 hin zu bewegen. Die Zugstange 30 wird durch die Federkraft der Federeinrichtung 54 in eine in Fig. 1 gezeigte Spannstellung SSt vorgespannt. In der Spannstellung SSt erstreckt sich die Zugstange 30 weit in die Dreheinführung 34 hinein. In der Zugstange 30 ist eine Fluidführung 56 ausgebildet. Die Fluidführung 56 wird in der gezeigten Ausführungsform durch eine Längsbohrung 58, eine erste Mündung 60 und eine zweite Mündung 64 gebildet. Die erste Mündung 60 ist hier als erste Querbohrung 62 ausgebildet. Die zweite Mündung 64 ist hier als zweite Querbohrung 66 ausgebildet. Die Zugstange 30 ist direkt nach der ersten Querbohrung 62 geschlossen (siehe hierzu auch Fig. 5a, 5b); die Längsbohrung 58 erstreckt sich vorliegend bis zur ersten Querbohrung 62, aber nicht zum vorderen Öffnungsbereich 14 hin über die erste Querbohrung 62 hinaus.
Die Zugstange 30 kann in einen kühlraumseitigen Abschnitt 68 und einen druckraumseitigen Abschnitt 70 sowie einen dazwischenliegenden mittleren Abschnitt 71, der im Bereich des Kolbens 32 verläuft und auf dem der Kolben 32 aufsitzt, unterteilt werden. Der kühlraumseitige Abschnitt 68 erstreckt sich von der ersten Seite 40 des Kolbens 32 über den gesamten Kühlraum 42 im Rotor 8. Der druckraumseitige Abschnitt 70 erstreckt sich von der zweiten Seite 44 des Kolbens 32 bis zu einer nicht näher dargestellten Dichtung zwischen der Zugstange 30 und der Dreheinführung 34. Der Kolben 32 und die Zugstange 30 sind vorliegend miteinander einstückig ausgebildet; der Kolben 32 geht materialeinheitlich in den mittleren Abschnitt 71 der Zugstange 30, auf welchem er aufsitzt, über.
Der Kolben 32 hat in der gezeigten Ausführungsform zwei Überleitkanäle 72. Die Überleitkanäle 72 beginnen an der ersten Seite 40 des Kolbens 32 und enden an der zweiten Seite 44 des Kolbens 32. In den Überleitkanälen 72 sind nahe der zweiten Seite 44 des Kolbens 32 Rückschlagventile 76 angeordnet (siehe hierzu Fig. 4a-4c). Die Rückschlagventile 76 sind hier drehsymmetrisch bezüglich der Drehachse DA des Rotors 8 angeordnet. In Fig. 1 befinden sich die Rückschlagventile 76 in einer geöffneten Position. Die Rückschlagventile 76 sind so ausgestaltet, dass die Rückschlagventile 76 öffnen, wenn ein Fluiddruck im Kühlraum 42 (um einen typischerweise vernachlässigbaren Öffnungsdruck der Rückschlagventile 76) über dem Fluiddruck im Druckraum 46 liegt. Wenn der Fluiddruck in dem Druckraum 46 über dem Fluidruck im Kühlraum 42 liegt, schließen die Rückschlagventile 76.
Die Dreheinführung 34 weist einen ersten Fluidanschluss 78 auf. Der erste Fluidanschluss 78 ist fluidisch mit dem Druckraum 46 verbunden. Die Dreheinführung 34 weist weiterhin einen zweiten Fluidanschluss 80 auf. Der zweite Fluidanschluss 80 ist fluidisch mit der Fluidführung 56 und dem Kühlraum 42 verbunden. Weitere Details der Dreheinführung 34 werden unten bei Fig. 6 beschrieben.
Am vorderseitigen Öffnungsbereich 14 des Rotors 8 ist die Spanneinrichtung 12 angeordnet. Die Spanneinrichtung 12 ist hier in der Aufnahme 18 angeordnet. Die Zugstange 30 ragt hier in die Spanneinrichtung 12 hinein. Die Spanneinrichtung 12 ist hier als ein Spannsatz ausgebildet. Die Spanneinrichtung 18 weist mehrere Spannelemente 82 und eine Spannhülse 88 auf. Die Spannhülse 88 ist an der Zugstange 30 befestigt. In der Spannstellung SSt spreizt die Spannhülse 88 die Spannelemente 82 nach radial außen auf.
Mit der Spanneinrichtung 18 kann ein Werkzeughalter 90 am Rotor 8 befestigt werden. Der Rotor 8 weist an seinem vorderseitigen Öffnungsbereich 14 den Innenkegel 22 auf, um den Werkzeughalter 90 aufzunehmen. In diesen Innenkegel 22 eingeführt ist ein - hier als Hohlschaftkegel ausgeführter - Kegelschaft 94 des Werkzeughalters 90. Die Spannhülse 88 ist so weit in der Spanneinrichtung 18 verfahren, dass die Spannhülse 88 die Spannelemente 82 nach außen drückt. Die Spannelemente 82 greifen in den Kegelschaft 94 des Werkzeughalters 90 ein und fixieren den Werkzeughalter 90 am Rotor 8.
Die Statorbaugruppe 6 weist ein hohles Spindelgehäuse 98 auf. Der Rotor 8 ist drehbar im Spindelgehäuse 98 gelagert, hier über mehrere Wälzlager. Im Spindelgehäuse 98 ist eine Spulenanordnung 100 angeordnet. Die Spulenanordnung 100 umgreift die Permanentmagnete 28. Die Spulenanordnung 100 und die Permanentmagnete 28 liegen in Richtung der Drehachse DA jeweils vollständig im Bereich des Kühlraums 42. Die Spulenanordnung 100 und die Permanentmagnete 28 bilden einen Direktantrieb für den Rotor 8. Neben der Rotorbaugruppe 4 kann auch die Statorbaugruppe 6 kühlbar sein. Beispielsweise könnte zwischen dem Spindelgehäuse 98 und der Spulenanordnung 100 eine nicht im Einzelnen dargestellte Kühlspirale vorgesehen sein.
In Fig. 1 befindet sich die Rotorbaugruppe 4 in einem Kühlmodus A. Im Kühlmodus A kann die Rotorbaugruppe 4, insbesondere der Rotor 8 mit den Permanentmagneten 28, gekühlt werden. Die Kühlung in Fig. 1 erfolgt dabei folgendermaßen:
Über den zweiten Fluidanschluss 80 wird ein Fluid zur Kühlung (beispielsweise Hydrauliköl) in die Fluidführung 56 der Zugstange 30 geleitet. Dabei fließt das Fluid von der zweiten Querbohrung 66 durch die Längsbohrung 58 und von der Längsbohrung 58 weiter zur ersten Querbohrung 62. An der ersten Querbohrung 62 tritt das Fluid in den Kühlraum-Ringkanal 48 ein. Sodann strömt das Fluid aus dem Kühlraum-Ringkanal 48 an der Stützscheibe 52 in den Haupt-Kühlraum 50 ein. Das Fluid fließt an der Federeinrichtung 54 entlang bzw. durch diese hindurch und tritt dann am Kolben 32 in dessen Überleitkanäle 72 ein. Der Fluiddruck im Haupt-Kühlraum 50 öffnet die Rückschlagventile 76, sodass das Fluid in den Druckraum 46 eintreten kann. Vom Druckraum 46 wird das Fluid anschließend über den ersten Fluidanschluss 78 aus der Rotorbaugruppe 4 abgeführt.
Die Permanentmagnete 28 und die Spulenanordnung 100 liegen bei der dargestellten Ausführungsform axial innerhalb des Bereichs des Haupt- Kühlraums 50. Wenn die Rotorbaugruppe 4 zur Bearbeitung eines Werkstücks angetrieben wird, entsteht Wärme im Bereich der Permanentmagnete 28 und der Spulenanordnung 100. Die entstehende Wärme kann effizient über das Fluid im Haupt-Kühlraum 50 abgeführt werden. Im Rotor 8 sind hierfür keine weiteren Strukturen nötig, insbesondere keine weiteren Strukturen, die die Stabilität des Rotors 8 beeinträchtigen könnten. Insbesondere sind im Mantel des Rotors 8 keine Bohrungen oder Kanäle zur Kühlung erforderlich. Vielmehr wird der zur Aufnahme der Zugstange 30 und der Federeinrichtung 54 benötigte Hohlraum im Rotor 8 für die Kühlung genutzt.
Figur 2 zeigt die Werkzeugspindel 2 aus Fig. 1, wobei sich die Rotorbaugruppe 4 der Werkzeugspindel 2 in einem Lösemodus B befindet. Im Lösemodus B kann ein Werkzeughalter (vgl. Bezugszeichen 90 in Fig. 1) vom Rotor 8 gelöst oder am Rotor 8 angebracht werden. Der Werkzeughalter 90 und die Spanneinrichtung 12 sind in Fig. 2 nicht dargestellt.
Im Lösemodus B ist der Kolben 32 mit der Zugstange 30 zum vorderseitigen Öffnungsbereich 14 hin verschoben. Der Kolben 32 ist bis an einen Kolbenanschlag 102 verfahren. Die Zugstange 30 befindet sich in einer Lösestellung LSt. Die Zugstange 30 greift in der Lösestellung LSt weniger tief in die Dreheinführung 34 ein als in der Spannstellung SSt, vergleiche Fig. 1. Weiterhin sind im hier gezeigten Lösemodus B die Rückschlagventile 76 geschlossen.
Das Verbringen der Rotorbaugruppe 4 in den Lösemodus B und das Austauschen eines Werkzeughalters erfolgt dabei wie in folgendem Beispiel beschrieben:
Nach Bearbeitung eines Werkstücks mit der Werkzeugspindel 2 wird die Bearbeitung gestoppt und die Rotorbaugruppe 4 angehalten. Es wird weiterhin kein Fluid mehr zur Kühlung über den zweiten Fluidanschluss 80 in den Kühlraum 42 eingeleitet. Stattdessen wird über den ersten Fluidanschluss 78 Fluid mit hohem Fluiddruck in den Druckraum 46 eingeleitet. Das Fluid kann nicht durch den Kolben 32 hindurchfließen, da die Rückschlagventile 76 schließen bzw. geschlossen sind. Durch den im Druckraum 46 aufgebauten Druck wird der Kolben 32 entgegen der Federkraft der Federeinrichtung 54 bis an den Kolbenanschlag 102 verfahren. Hierdurch wird auch die Zugstange 30, welche mit dem Kolben 32 verbunden ist, verschoben. Mit der Zugstange 30 wird die Spannhülse 88 verfahren, sodass die Spannelemente 82 nach radial innen zur Drehachse DA hin bewegt werden können (vergleiche hierzu Fig. 1). Hierdurch kann der Werkzeughalter 90 aus dem vorderseitigen Öffnungsbereich 14 herausgenommen und bei Bedarf ein anderer Werkzeughalter eingesetzt werden (nicht näher dargestellt).
Um den anderen Werkzeughalter am Rotor 8 zu befestigen (festzuklemmen), wird der Fluiddruck im Druckraum 46 reduziert, insbesondere bis auf den Umgebungsdruck. Die Federspannung der Federeinrichtung 54 drückt den Kolben 32 wieder in die Spannstellung SSt (vergleiche Fig. 1) zurück, wodurch auch die Zugstange 30 zurückbewegt und der Werkzeughalter durch die Spanneinrichtung 12 am Rotor 8 befestigt wird. Der Werkzeugwechsel kann automatisiert erfolgen.
Figur 3 zeigt die Stützscheibe 52 der Rotorbaugruppe 4 aus Fig. 1 in Alleinstellung. Zur besseren Orientierung ist hier die Drehachse DA des Rotors eingezeichnet.
Die Stützscheibe 52 ist ringförmig ausgebildet. Die Stützscheibe 52 weist hier vier Überströmkanäle 104 auf. Die Überströmkanäle 104 sind hier drehsymmetrisch zur Drehachse DA des Rotors angeordnet. Die Überströmkanäle 104 verlaufen radial und axial an der Stützscheibe 52. Die axial verlaufenden Abschnitte der Überströmkanäle 104 sind radial innen an einer Öffnung der Stützscheibe 52 ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können axial verlaufende Abschnitte der Überströmkanäle 104 radial außen an der Stützscheibe 54 vorgesehen sein (nicht näher dargestellt). Die radial verlaufenden Abschnitte der Überströmkanäle 104 können im eingebauten Zustand zu der Federeinrichtung 54 hin weisen, vergleiche Fig. 1. Alternativ oder zusätzlich können von der Federeinrichtung 54 weg weisende radiale Abschnitte der Überströmkanäle 104 vorgesehen sein (nicht näher dargestellt). Die Fluidführung an der Stützscheibe 54, insbesondere durch die Überströmkanäle 104 oder radiale Abstände zwischen der Stützscheibe 54 und der Zugstange 30 und/oder dem Rotor 8, ermöglicht eine Strömung des Fluids im Kühlmodus außenseitig und innenseitig entlang des Tellerfederpakets 55. Figur 4a zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 das Rückschlagventil 76. Das Rückschlagventil 76 befindet sich hier in der geöffneten Position, die zum Kühlmodus gehört, in welchem sich die Zugstange in der Spannstellung befindet.
Das Rückschlagventil 76 ist als Kugelrückschlagventil 106 ausgeführt. Das Kugelrückschlagventil 106 umfasst eine Kugel 108, einen Schraubenkörper 110 und eine Feder 111. Die Kugel 108 ist in der geöffneten Position des Rückschlagventils 76 von einem Sitz 112 im Überleitkanal 72 abgehoben. Der Schraubenkörper 110 weist eine Schrauben-Querbohrung 114 und eine Schrauben-Längsbohrung 116 auf, durch welche das Fluid vom Überleitkanal 72 in den Druckraum 46 strömen kann.
Figur 4b zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 das Rückschlagventil 76 in der geschlossenen Position, die zum Lösemodus gehört, in welchem die Zugstange in die Lösestellung verbracht wird. Die Kugel 108 liegt auf dem Sitz 112 auf. Die Kugel 108 verschließt den Sitz 112. Es kann kein Fluid vom Druckraum 46 über den Überleitkanal 72 in den Kühlraum (nicht näher dargestellt) strömen.
Figur 4c zeigt isoliert den Schraubenkörper 110 in einer perspektivischen Ansicht (oberes Teilbild), in einer Seitenansicht (mittleres Teilbild) und in einem schematischen Längsschnitt (unteres Teilbild). Im oberen und mittleren Teilbild ist jeweils eine der Öffnungen der Schrauben-Querbohrung 114 zu erkennen. Im unteren Teilbild sind die Schrauben-Querbohrung 114 und die Schrauben- Längsbohrung 116 sichtbar. Die Schrauben-Querbohrung 114 verläuft hier senkrecht zur Schrauben-Längsbohrung 116.
Figur 5a zeigt einen Teil der Zugstange 30 im Bereich der ersten Querbohrung 62. In der Zugstange 30 ist - wie oben bereits erläutert - die Fluidführung 56 mit der Längsbohrung 58 und mit der ersten Querbohrung 62 ausgebildet. Die erste Querbohrung 62 verläuft hier senkrecht zur Längsbohrung 58. Die Längsbohrung 58 erstreckt sich genau bis zur Querbohrung 62. Zum der Spanneinrichtung zugeordneten Ende hin ist die Zugstange 30 nach der ersten Querbohrung 62 geschlossen.
Figur 5b zeigt den Bereich der ersten Querbohrung 62 der Zugstange 30. Zur besseren Orientierung ist hier die Drehachse DA des Rotors 8 eingezeichnet.
Die Längsbohrung 58 der Zugstange 30 liegt auf der Drehachse DA. Die erste Querbohrung 62 verläuft hier radial zur Drehachse DA des Rotors 8. Die erste Querbohrung 62 ist hier durchgehend ausgebildet und mündet an zwei Öffnungen in den Kühlraum-Ringkanal 48.
Figur 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Dreheinführung 34 der Rotorbaugruppe 4. Zur besseren Orientierung ist hier die Drehachse DA des Rotors 8 eingezeichnet. Die Zugstange 30 ist hier in der Lösestellung LSt dargestellt.
Die Dreheinführung 34 weist ein Einführungsgehäuse 118 und das Verbindungsteil 120 auf. Das Einführungsgehäuse 118 ist innen hohl. Das Verbindungsteil 120 ist teilweise im Einführungsgehäuse 118 angeordnet. Das Verbindungsteil 120 ist ebenfalls innen hohl. Ein der Dreheinführung 34 zugeordnetes Ende der Zugstange 30 ist im Verbindungsteil 120 angeordnet. Die Zugstange 30 ist gegenüber dem Verbindungsteil 120 axial beweglich. Das Verbindungsteil 120 ist mit dem Rotor 8 am Gewinde 24 fest und fluiddicht verbunden. Das Einführungsgehäuse 118 und das Verbindungsteil 120 sind gegeneinander drehbar. Das Einführungsgehäuse 118 und das Verbindungsteil 120 können sich über eine Drehlagerung 119 aneinander abstützten. Bei einer Drehung des Rotors 8 dreht sich das Verbindungsteil 120 gemeinsam mit dem Rotor 8. Das Einführungsgehäuse 118 dreht sich grundsätzlich nicht, sondern steht still.
Am Einführungsgehäuse 118 befinden sich der erste Fluidanschluss 78 und der zweite Fluidanschluss 80. Der erste Fluidanschluss 78 ist hier als erste Anschlussbohrung 122 ausgebildet. Der zweite Fluidanschluss 80 ist als zweite Anschlussbohrung 124 ausgebildet. Das Verbindungsteil 120 weist hier zwei erste Radialbohrungen 126 und zwei zweite Radialbohrungen 128 auf.
In der Zugstange 30 ist - wie zuvor beschrieben - die Fluidführung 56 ausgebildet. Von der Fluidführung 56 hier zu sehen sind die Längsbohrung 58, die zweite Querbohrung 66 und ein in Umfangsrichtung umlaufender Zugstangen-Kanal 129.
Zwischen der Zugstange 30 und dem Verbindungsteil 120 ist ein Ringkanal 130 ausgebildet. Der Ringkanal 130 erstreckt sich hier von den ersten Radialbohrungen 126 im Verbindungsteil 120 bis zum Druckraum 46.
Weiterhin ist zwischen der Zugstange 30 und dem Verbindungsteil 120 eine Tasche 132 ausgebildet. Die Tasche 132 ist hier als umlaufende Nut 133 ausgebildet. Im gezeigten Beispiel ist die Tasche 132 im Verbindungsteil 120 vorgesehen. Die Tasche 132 erstreckt sich zumindest über diejenige Länge, die die Zugstange 30 beim Verbringen von der Spannstellung SSt (vergleiche Fig. 1) in die Lösestellung LSt überwindet.
Zwischen dem Verbindungsteil 120 und dem Einführungsgehäuse 118 sind ein erster in Umfangsrichtung umlaufender Kanal 134 und ein zweiter in Umfangsrichtung umlaufender Kanal 136 ausgebildet.
Der Druckraum 46 ist fluidisch mit dem ersten Fluidanschluss 78 verbunden. Die Verbindung gestaltet sich hier wie folgt: Der Druckraum 46 ist über den Ringkanal 130 mit den ersten Radialbohrungen 126 verbunden. Die ersten Radialbohrungen 126 sind wiederum über den ersten in Umfangsrichtung umlaufenden Kanal 134 mit dem ersten Fluidanschluss 78 verbunden. Der erste umlaufende Kanal 134 bewirkt, dass sich das Verbindungsteil 120 gegenüber dem Einführungsgehäuse 118 drehen kann, ohne dass die fluidische Verbindung zwischen dem Druckraum 46 und dem ersten Fluidanschluss 78 unterbrochen wird. Die Längsbohrung 58 der Zugstange 30 ist fluidisch mit dem zweiten Fluidanschluss 80 verbunden. Die Verbindung gestaltet sich hier wie folgt: Die Längsbohrung 58 ist über die zweite Querbohrung 66, den in Umfangsrichtung umlaufenden Zugstangen-Kanal 129 und über die Tasche 132 mit den zweiten Radialbohrungen 128 verbunden. Die Axialerstreckung der Tasche 132 stellt sicher, dass die fluidische Verbindung unabhängig von der Axialposition der Zugstange 30 relativ zum Rotor 8 bzw. der Dreheinführung 34 erhalten bleibt. Die zweiten Radialbohrungen 128 sind wiederum über den zweiten in Umfangsrichtung umlaufenden Kanal 136 mit dem zweiten Fluidanschluss 80 verbunden. Der zweite umlaufende Kanal 136 bewirkt, dass sich das Verbindungsteil 120 gegenüber dem Einführungsgehäuse 118 drehen kann, ohne dass die fluidische Verbindung zwischen der Fluidführung 56 (und mithin dem Kühlraum) und dem zweiten Fluidanschluss 80 unterbrochen wird.
Figur 7 zeigt einen Teil der Zugstange 30 mit dem Kolben 32. Die Zugstange 30 und der Kolben 32 sind fest miteinander verbunden. Hier sind die Zugstange 30 und der Kolben 32 miteinander einstückig. An der Zugstange 30 sind in Figur 7 insbesondere der in Umfangsrichtung umlaufende Zugstangen-Kanal 129 und die Öffnung der zweiten Querbohrung 66 zu erkennen.
Im Kolben 32 sind vorliegend zwei umlaufende Kolbennuten 138 ausgebildet. In den umlaufenden Kolbennuten 138 können Dichtungselemente und Führungselemente angeordnet werden. Weiterhin sind an der ersten Seite 40 des Kolbens 32, hier zwei, Zulaufkanäle 140 ausgebildet. Die Zulaufkanäle 140 verlaufen radial zur Zugstange 30. Die Zulaufkanäle 140 beginnen an einer Außenwand 142 des Kolbens 32 und erstrecken sich bis zu den Überleitkanälen 72. Das Fluid kann hier von der Außenseite und Innenseite des Tellerfederpakets 55 (vgl. Figur 1) her in die Überleitkanäle 72 abströmen.
Figur 8 zeigt ein Fluidschema zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für die erfindungsgemäße Rotorbaugruppe 4. Im gezeigten Fluidschema ist der Kühlmodus A für die Rotorbaugruppe 4 eingerichtet. Im Fluidschema gezeigt sind die Rotorbaugruppe 4, eine Hydraulikpumpe 144, ein Wegeventil 146, ein vorzugsweise einstellbarer Druckminderer 148, ein Fluidbehälter 150 und eine Vielzahl an Leitungen 152 (von denen der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind). Von der Rotorbaugruppe 4 sind der Rotor 8 und die Dreheinführung 34 mit dem ersten Fluidanschluss 78 und dem zweiten Fluidanschluss 80 dargestellt.
Die Hydraulikpumpe 144 ist hier mit einer Betätigung 154 verbunden, welche mittels eines Elektromotors die Hydraulikpumpe 144 betätigt (antreibt). Über die Hydraulikpumpe 144 kann Fluid 156, hier Öl 158 (beispielsweise Hydrauliköl), gefördert werden. Die Hydraulikpumpe 144 stellt das Fluid mit einem Lösedruck LD von beispielsweise 170 bar bereit. Die Hydraulikpumpe 144 kann das Fluid 156 aus dem Fluidbehälter 150 entnehmen (nicht näher dargestellt). Es kann derart ein Fluidkreislauf eingerichtet sein. Das Fluid kann durch einen nicht näher dargestellten Kühler gekühlt werden. Der Kühler kann beispielsweise zwischen dem Fluidbehälter 150 und der Hydraulikpumpe 144 oder zwischen dem Druckminderer 148 und der Dreheinführung 34 angeordnet sein.
Das Wegeventil 146 ist wahlweise in eine erste Schaltstellung a oder eine zweite Schaltstellung b verbringbar. In der ersten Schaltstellung a wird der Kühlmodus A eingerichtet. In der zweiten Schaltstellung b wird der Lösemodus (hier nicht dargestellt) eingerichtet. In der hier gezeigten Variante ist das Wegeventil 146 über eine Ventilfeder 160 in die dargestellte erste Schaltstellung a vorgespannt. Mittels einer am Wegeventil 146 ausgebildeten Parallelbetätigung 162 kann das Wegeventil 146 entweder über eine Muskelkraftbetätigung 164 oder eine elektrische Betätigung 166 in die zweite Schaltstellung b verbracht werden. Für einen automatisierten Betrieb der Werkzeugspindel 2 wird die elektrische Betätigung 166 eingesetzt. Die Muskelkraftbetätigung 164 kann für Wartungszwecke oder im Störungsfall verwendet werden.
Der einstellbare Druckminderer 148 weist hier ein Druckbegrenzungsventil 168 auf. In der hier gezeigten Variante ist das Druckbegrenzungsventil 168 so eingestellt, dass der einstellbare Druckminderer 148 den an der Hydraulikpumpe 144 zur Verfügung gestellten Lösedruck LD von beispielsweise 170 bar auf einen Kühldruck KD von beispielsweise 10 bar mindert.
Im Kühlmodus A befindet sich das Wegeventil 146 in der Schaltstellung a. Das Fluid 156 wird mittels der Hydraulikpumpe 144 mit dem Lösedruck LD (hier 170 bar) zum Wegeventil 146 gefördert. Vom Wegeventil 146 fließt das Fluid 156 dann zum Druckminderer 148 und der Lösedruck LD wird auf den Kühldruck KD (hier 10 bar) gemindert. Das Fluid 156 fließt dann mit dem Kühldruck KD weiter zum zweiten Fluidanschluss 80 und wird in der Rotorbaugruppe 4 zum Kühlen verwendet. Nachdem das Fluid 156 die entsprechenden Fluidräume in der Rotorbaugruppe 4 durchflossen hat, wird das Fluid 156 über den ersten Fluidanschluss 78 aus der Rotorbaugruppe 4 abgeführt. Das Fluid 156 fließt zum Wegeventil 146 und wird dort weiter zum Fluidbehälter 150 geleitet und aufgefangen.
Im Lösemodus (siehe Fig. 2), der in Fig. 8 nicht näher dargestellt ist, aber im Folgenden ebenfalls kurz beschrieben wird, befindet sich das Wegeventil 146 in der Schaltstellung b. Das Fluid 156 wird mittels der Hydraulikpumpe 144 mit dem Lösedruck LD (hier 170 bar) zum Wegeventil 146 gefördert. In der Schaltstellung b leitet das Wegeventil 146 das Fluid 156 von der Hydraulikpumpe 144 direkt zum ersten Fluidanschluss 78, sodass sich auch im Druckraum 46 der Lösedruck LD aufbaut. Dadurch wird in der Rotorbaugruppe 4 die Spanneinrichtung 12 geöffnet, vergleiche auch Figur 2.
Figur 9 zeigt eine stark abstrahierte Darstellung einer Werkzeugmaschine 170. An einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindel 2 ist über einen Werkzeughalter 90 ein Werkzeug 172, beispielsweise eine Schleifscheibe, gehalten. Ein zu bearbeitendes Werkstück 174, beispielsweise ein Zahnrad, ist relativ zur Werkzeugspindel 2 verfahrbar. Die Werkzeugspindel 2 und das Werkstück 174 können zudem gegeneinander verschwenkbar sein, vergleiche Schwenkpunkt SP der Werkzeugspindel 2. Insbesondere kann das Werkstück auf einem Werkstücktisch (nicht näher dargestellt) angeordnet sein oder an einer Werkstückspindel 176 gehalten sein. In letzterem Fall ist das Werkstück 174 zusätzlich um eine Werkstückachse WA drehbar.
Bezuqszeichenliste
2 Werkzeugspindel
4 Rotorbau gruppe
6 Statorbaugruppe
8 (hohler) Rotor
10 Betätigungseinrichtung
12 Spanneinrichtung
14 vorderseitiger Öffnungsbereich
16 rückseitiger Öffnungsbereich
18 Aufnahme
20 Vorsprung
22 Innenkegel
24 Gewinde
26 Außenseite des Rotors
28 Permanentmagnet
30 Zugstange
32 Kolben
34 Dreheinführung
36 Außenwand der Zugstange
38 Innenwand des Rotors
40 erste Seite (des Kolbens)
42 Kühlraum
44 zweite Seite (des Kolbens)
46 Druckraum
48 Kühlraum-Ringkanal
50 Haupt-Kühlraum
52 Stützscheibe
54 Federeinrichtung 55 Tellerfederpaket
56 Fluidführung
58 Längsbohrung
60 erste Mündung
62 erste Querbohrung
64 zweite Mündung
66 zweite Querbohrung
68 kühlraumseitiger Abschnitt der Zugstange
70 druckraumseitiger Abschnitt der Zugstange
71 mittlerer Abschnitt der Zugstange
72 Überleitkanal
74 Schraubenkörper
76 Rückschlagventil
78 erster Fluidanschluss
80 zweiter Fluidanschluss
82 Spannelemente
88 Spannhülse
90 Werkzeughalter
94 Kegelschaft
98 Spindelgehäuse
100 Spulenanordnung
102 Kolbenanschlag
104 Überströmkanal
106 Kugelrückschlagventil
108 Kugel
110 Schraubenkörper
111 Feder
112 Sitz
114 Schrauben-Querbohrung
116 Schrauben-Längsbohrung
118 Einführungsgehäuse
119 Drehlagerung
120 Verbindungsteil 122 erste Anschlussbohrung
124 zweite Anschlussbohrung
126 erste Radialbohrung
128 zweite Radialbohrung
129 in Umfangsrichtung umlaufender Zugstangen-Kanal
130 Ringkanal
132 Tasche
133 umlaufende Nut
134 erster in Umfangsrichtung umlaufender Kanal
136 zweiter in Umfangsrichtung umlaufender Kanal
138 umlaufende Kolbennut
140 Zulaufkanal
142 Außenwand (des Kolbens)
144 Hydraulikpumpe
146 Wegeventil
148 Druckminderer
150 Fluidbehälter
152 Leitung
154 Betätigung
156 Fluid
158 Öl
160 Ventilfeder
162 Parallelbetätigung
164 Muskelkraftbetätigung
166 elektrische Betätigung
168 Druckbegrenzungsventil
170 Werkzeugmaschine
172 Werkzeug
174 Werkstück
176 Bearbeitungstisch a erste Schaltstellung
A Kühlmodus b zweite Schaltstellung B Lösemodus
DA Drehachse
KD Kühldruck
LD Lösedruck LSt Lösestellung
SP Schwenkpunkt
SSt Spannstellung
VR. Verfahrrichtung
WA Werkstückachse

Claims

Patentansprüche Roto rbau gruppe (4) für eine Werkzeugspindel (2), aufweisend
- einen hohlen Rotor (8),
- eine Betätigungseinrichtung (10) zum Betätigen einer Spanneinrichtung (12) zur lösbaren Befestigung eines Werkzeughalters (90) an dem Rotor (8), wobei die Betätigungseinrichtung (10) eine Zugstange (30) und einen an die Zugstange (30) starr gekoppelten Kolben (32) aufweist, die zusammen entlang einer Verfahrrichtung (VR) im hohlen Rotor (8) verfahrbar gelagert sind, insbesondere wobei die Verfahrrichtung (VR) der Richtung einer Drehachse (DA) des Rotors (8) entspricht, wobei die Zugstange (30) durch eine Federeinrichtung (54) in eine Spannstellung (SSt) vorgespannt ist und entgegen der Vorspannkraft der Federeinrichtung (54) durch Beaufschlagen des Kolbens (32) mit Fluiddruck in eine Lösestellung (LSt) verbringbar ist, wobei der Kolben (32) in dem Rotor (8) einen Druckraum (46) und einen Kühlraum (42) voneinander trennt, wobei in dem Kolben (8) wenigstens ein Rückschlagventil (76) vorgesehen ist, welches ein Einströmen von Fluid (156) aus dem Kühlraum (42) in den Druckraum (46) erlaubt und ein Ausströmen von Fluid (156) aus dem Druckraum (46) in den Kühlraum (42) unterbindet, wobei ein erster Fluidanschluss (78) vorgesehen ist, welcher fluidisch mit dem Druckraum (46) verbunden ist, wobei in der Zugstange (30) eine Fluidführung (56) ausgebildet ist, durch welche Fluid (156) in den Kühlraum (42) einleitbar ist, und wobei ein zweiter Fluidanschluss (80) vorgesehen ist, welcher fluidisch mit der Fluidführung (56) verbunden ist. Rotorbau gruppe (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (54) im Kühlraum (42) angeordnet ist, und insbesondere als Tellerfederpaket (55) ausgebildet ist. Rotorbaugruppe (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (54) sich einenends über eine Stützscheibe (52) an dem Rotor (8) und anderenends an dem Kolben (32) abstützt. Rotorbaugruppe (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführung (56) von der Federeinrichtung (54) aus gesehen jenseits der Stützscheibe (52) in den Kühlraum (42) mündet. Rotorbaugruppe (4) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützscheibe (52) wenigstens einen Überströmkanal (104) für das Fluid aufweist, bevorzugt mehrere drehsymmetrisch zu einer Drehachse (DA) des Rotors (8) angeordnete Überströmkanäle (104) aufweist. Rotorbaugruppe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolben (32) mehrere Rückschlagventile (76) vorgesehen sind, die vorzugsweise drehsymmetrisch zu einer Drehachse (DA) des Rotors (8) angeordnet sind. Rotorbaugruppe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführung (56) in der Zugstange (30) eine Längsbohrung (58) entlang einer Drehachse (DA) des Rotors (8) und eine erste Querbohrung (62) aufweist, welche die Längsbohrung (58) fluidisch mit dem Kühlraum (42) verbindet, vorzugsweise wobei die erste Querbohrung (62) radial zur Drehachse (DA) verläuft. Rotorbau gruppe (4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbohrung (58) an einem druckraumfernen Ende geschlossen ist. Rotorbaugruppe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (32) und die Zugstange (30) miteinander einstückig sind. Rotorbaugruppe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (10) weiterhin eine Dreheinführung (34) mit einem Einführungsgehäuse (118) und einem Verbindungsteil (120) aufweist, wobei das Einführungsgehäuse (118) und das Verbindungsteil (120) gegeneinander drehbar sind, wobei der erste Fluidanschluss (78) und der zweite Fluidanschluss (80) an dem Einführungsgehäuse (118) ausgebildet sind, und wobei das Verbindungsteil (120) den ersten Fluidanschluss (78) fluidisch mit dem Druckraum (46) verbindet und den zweiten Fluidanschluss (80) fluidisch mit der Fluidführung (56) in der Zugstange (30) verbindet. Rotorbaugruppe (4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstange (30) sich in das Verbindungsteil (120) hinein erstreckt. Rotorbaugruppe (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zugstange (30) und dem Verbindungsteil (120) ein Ringkanal (130) ausgebildet ist, über welchen der erste Fluidanschluss (78) fluidisch mit dem Druckraum (46) verbunden ist. Rotorbau gruppe (4) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (130) über wenigstens eine erste Radialbohrung (126) im Verbindungsteil (120) fluidisch mit dem ersten Fluidanschluss (78) an dem Einführungsgehäuse (118) verbunden ist, wobei zwischen dem Verbindungsteil (120) und dem Einführungsgehäuse (118) ein erster in Umfangsrichtung umlaufender Kanal (134) ausgebildet ist, welcher mit der wenigstens einen ersten Radialbohrung (126) und dem ersten Fluidanschluss (78) fluidisch verbunden ist. Rotorbaugruppe (4) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (120) am Rotor (8) festgelegt ist, dass zwischen der Zugstange (30) und dem Verbindungsteil (120) eine Tasche (132) ausgebildet ist, welche über eine zweite Radialbohrung (128) im Verbindungsteil (120) fluidisch mit dem zweiten Fluidanschluss (80) verbunden ist, dass die Zugstange (30) eine zweite Querbohrung (66) aufweist, welche eine Längsbohrung (58) der Fluidführung (56) in der Zugstange (30) fluidisch mit der Tasche (132) verbindet, und dass sich die Tasche (132) entlang der Verfahrrichtung (VR) so weit erstreckt, dass von der Spannstellung (SSt) bis zur Lösestellung (LSt) die Längsbohrung (58) über die zweite Querbohrung (66), die Tasche (132) und die zweite Radialbohrung (128) fluidisch mit dem zweiten Fluidanschluss (80) verbunden bleibt, insbesondere wobei die Tasche (132) im Verbindungsteil (120) ausgebildet ist, bevorzugt als eine umlaufende Nut (133).
15. Roto rbau gruppe (4) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbindungsteil (120) und dem Einführungsgehäuse (118) ein zweiter in Umfangsrichtung umlaufender Kanal (136) ausgebildet ist, welcher mit der wenigstens einen zweiten Radialbohrung (128) und dem zweiten Fluidanschluss (80) fluidisch verbunden ist.
16. Rotorbaugruppe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rotor (8) Permanentmagnete (28) befestigt sind, wobei die Permanentmagnete (28) zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, im Bereich der Längserstreckung des Kühlraums (42) angeordnet sind.
17. Rotorbaugruppe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorbaugruppe (4) die Spanneinrichtung (12) aufweist, bevorzugt wobei die Spanneinrichtung (12) mehrere Spannelemente (82) aufweist, besonders bevorzugt wobei die Spannelemente (82) drehsymmetrisch zu einer Drehachse (DA) des Rotors (8) angeordnet sind.
18. Werkzeugspindel (2) aufweisend eine Rotorbaugruppe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Statorbaugruppe (6) mit einem Spindelgehäuse (98), in welchem der Rotor (8) drehbar gelagert ist, vorzugsweise wobei in dem Spindelgehäuse (98) eine Spulenanordnung (100) zum Antreiben des Rotors (8) vorgesehen ist.
19. Betätigungseinrichtung (10) für eine Rotorbaugruppe (4) einer Werkzeugspindel (2), insbesondere für eine Rotorbaugruppe (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, aufweisend eine Zugstange (30), die eine Längsbohrung (58) als Fluidführung (56) aufweist, und einen Kolben (32), der starr an die Zugstange (30) gekoppelt ist und auf der Zugstange (30) aufsitzt, sodass die Zugstange (30) zu einer ersten Seite (40) des Kolbens (32) einen kühlraumseitigen Abschnitt (68) und zu einer der ersten Seite (40) gegenüberliegenden, zweiten Seite (44) des Kolbens (32) einen druckraumseitigen Abschnitt (70) aufweist, wobei die Fluidführung (56) im kühlraumseitigen Abschnitt (68) wenigstens eine erste Mündung (60) und im druckraumseitigen Abschnitt (70) wenigstens eine zweite Mündung (64) aufweist, insbesondere wobei die wenigstens eine erste Mündung (60) durch eine erste Querbohrung (62) und die wenigstens eine zweite Mündung (64) durch eine zweite Querbohrung (66) gebildet ist, und wobei im Kolben (32) wenigstens ein Rückschlagventil (76) vorgesehen ist, über das die beiden Seiten (40, 44) des Kolbens (32) fluidisch verbunden sind, wobei das Rückschlagventil (76) bei einem höheren Druck auf der ersten Seite (40) als auf der zweiten Seite (44) öffnet und bei einem höheren Druck auf der zweiten Seite (44) als auf der ersten Seite (40) sperrt. Betriebsverfahren für eine Rotorbaugruppe (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 oder eine Werkzeugspindel (2) nach Anspruch 18, wobei in einem Kühlmodus (A) durch den zweiten Fluidanschluss (80) Fluid (156), insbesondere Öl (158), in die Fluidführung (56) eingeleitet wird, sodass es den Kühlraum (42) durchströmt, durch das wenigstens eine Rückschlagventil (76) in den Druckraum (46) strömt und durch den ersten Fluidanschluss (78) ausgeleitet wird, und wobei in einem Lösemodus (B) durch den ersten Fluidanschluss (78) Fluid (156) in den Druckraum (46) eingeleitet wird, sodass in dem Druckraum (46) ein Lösedruck (LD) aufgebaut wird, durch welchen die Zugstange (30) gegen die Wirkung der Federeinrichtung (54) mittels des Kolbens (32) in die Lösestellung (LSt) verbracht wird. Betriebsverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (156) mit wenigstens dem Lösedruck (LD) bereitgestellt wird, und dass das Fluid (156) in dem Kühlmodus (A) durch einen Druckminderer (148) zu dem zweiten Fluidanschluss (80) geleitet wird.
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