WO1999035413A1 - Hydrostatisches lager zur aufnahme axialer und radialer kräfte - Google Patents

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WO1999035413A1
WO1999035413A1 PCT/CH1998/000003 CH9800003W WO9935413A1 WO 1999035413 A1 WO1999035413 A1 WO 1999035413A1 CH 9800003 W CH9800003 W CH 9800003W WO 9935413 A1 WO9935413 A1 WO 9935413A1
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hydrostatic
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Ulrich Raess
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Ulrich Raess
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0681—Construction or mounting aspects of hydrostatic bearings, for exclusively rotary movement, related to the direction of load
    • F16C32/0696—Construction or mounting aspects of hydrostatic bearings, for exclusively rotary movement, related to the direction of load for both radial and axial load
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/70—Stationary or movable members for carrying working-spindles for attachment of tools or work
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2322/00—Apparatus used in shaping articles
    • F16C2322/39—General build up of machine tools, e.g. spindles, slides, actuators

Definitions

  • the prior invention relates to bearings and in particular it relates to bearings for grinding and milling spindles in machine tools for machining technology as defined in the claims.
  • machine tools are used, among other things, for machining components such as metal components.
  • Such machine tools often have a grinding or milling spindle which is driven by a high-speed motor and which work spindle can be connected to an adapter for receiving a workpiece or a tool
  • Such work spindles of machine tools are guided over bearings. These bearings perform a variety of tasks.
  • the bearings give the components 5 that are used to perform the cutting and feed movements an exact path of movement, they also bear the weight of the spindle shaft and surrounding components, and the bearings also take any stresses that arise - exert vibration-free forces.
  • a high degree of rigidity and a high level of damping are therefore required, perpendicular and parallel to the guideway.
  • Ball bearing bearings are less suitable for the work area at high speeds. They are quite voluminous and therefore limit their inclusion in the machine tool. In order to meet the requirements for low friction at high revolutions with ball and roller bearings and to absorb axial and radial forces, several small ball bearings are often arranged to accommodate an axial or radial force component.
  • Such ball or roller bearings have point and line pressure contact with the work spindle. They therefore have a line stiffness, which can lead to tilting and deflection and further, consequent disadvantages under moment loads.
  • This shock sensitivity essentially determines the relatively short lifespan of the ball or Bearings.
  • additional stabilizing bearings are arranged. All of these disadvantages make the use of ball and roller bearings uneconomical with today's ever increasing demands on cutting speeds.
  • Magnetic bearings can only be used to a limited extent for use in a milling tool. High forces are generated during milling, which requires a high load capacity and high radial and axial rigidity of the bearing.
  • a disadvantage of magnetic bearings is that they are relatively soft and only lightly resilient. In addition, they are quite expensive and can only be controlled by electronics.
  • Hydrostatic bearings with hydraulic oil are preferred in machine tools that operate in the lower speed range.
  • a disadvantage of an application in high-speed machine tools is that the oil generates frictional heat due to its high viscosity and the resulting frictional heat is poorly transported away.
  • hydrostatic bearings only accept force components in one direction.
  • the warehouse should have a simple and compact structure and it should be economical to purchase and maintain.
  • the warehouse should be compatible and integrable with common processes in the tool industry. This object is achieved by the invention as defined in the claims.
  • the idea of the invention is to provide a single bearing for receiving the force components that occur.
  • the bearing is preferably designed in one piece and receives axial and / or radial force components which occur on a shaft and adjacent elements. This is a departure from known designs, where several separate bearings are used for such purposes.
  • the movement of the shaft in the bearing can be compared to a gyroscopic movement.
  • the center of the shaft in the area of the bearing represents the stop point of the gyro, which is why gyro equations can be used to describe the movement and to take precession and nutation into account.
  • the bearing is provided with specially arranged bearing areas, which effectively compensate for shaft precession and nutation.
  • the present invention can thus be used in a high-speed machine tool for machining technology, advantageously direct power transmission via a flange from the shaft to a machine tool.
  • the camp is advantageously hydrostatic and is operated with water. It is thus possible to preload the bearing in the idle state of the shaft by means of turbulent flowing water which flows through nozzles into a bearing gap between the shaft and the bearing.
  • the shaft is mounted on the water film so that it is flat.
  • the bearing gap allows the external forces acting on the spindle shaft to be balanced with the preload of the bearing unit. This enables hydrostatically controlled compensation of the forces acting on the bearing from the outside.
  • the gap width can be controlled in a simple and uncomplicated manner by means of pocket printing, without disturbing resonances and / or rocking of the shaft occurring during operation.
  • Fig. 1 general view through part of a preferred embodiment of a machine tool with a work spindle and with a bearing in vertical section.
  • FIGS. 1 and 2 show the arrangement of opposite areas of a bearing according to FIGS. 1 and 2.
  • FIGS. 1 to 3 shows the overall view of part of an exemplary embodiment of a bearing 2 according to the invention in exemplary use in a machine tool with a spindle shaft 3, with a pressure feed flange 9, a housing 5 with a high-frequency motor 1 and a first flange 4.
  • a bearing 2 according to the invention in exemplary use in a machine tool with a spindle shaft 3, with a pressure feed flange 9, a housing 5 with a high-frequency motor 1 and a first flange 4.
  • the rotor of the motor 1, the bearing 2 and a first flange 4 adjoining the bearing 2 on the end face are connected to one another via the spindle shaft 3 with axis AA ′.
  • the pressure feed flange 9 is screwed onto the housing by means of screws 15. These screws are located in the outer area of the pressure feed flange 9.
  • the bearing 2 with axis BB ' is preferably a hydrostatic bearing.
  • This bearing 2 absorbs radial and axial forces via the shaft 3 and axial forces via the element or first flange 4 adjoining the end of the bearing 2, which are transmitted during the generation of cutting and forming movements of the rotating components.
  • Water is preferably used as the medium for operating the hydrostatic bearing 2.
  • the motor unit 1 is located in a motor housing 5, the rotor of which is connected directly to the spindle shaft 3, for example by means of a shrink fit, and later rotates it.
  • the stator of the motor encloses the rotor.
  • the pressure feed flange 9 enables the pressure medium to be fed in and out via the seal 10.
  • the hydrostatic bearing 2 is sealed towards the motor housing and outwards via labyrinths 7 and 13.
  • the hydrostatic bearing 2 consists of a one-piece body in the exemplary form of a flange with a feed channel 14 at the end of which there are several channels. A detailed description of the bearing 2 and its elements is given in the description according to FIGS. 2 and 2a.
  • This one-piece body transmits the forces to the next assembly, for example to the machine tool 11, and is screwed onto the machine tool by means of screws 6.
  • the person skilled in the art is free to design the bearing body in several pieces; this may be necessary for assembly reasons, for example.
  • the diameter of the spindle shaft 3 is reinforced in the contact area between the bearing and the motor, so that on this surface the axial force which is generated in particular by the weight of the motor and can be absorbed by the bearing via the spindle shaft.
  • a cover 8 sits on the flange 12, which is fastened to the housing 5 by means of screws 16 by the bearing flange 2.
  • the simple and compact design of the bearing 2 ensures that a high-speed motor is connected directly to the spindle shaft and that the hydrostatic bearing 2 operates without contact in the area of high speed indicators.
  • Non-contact means that the spindle shaft 3 has no contact with the bearing material. Since the shaft and bearing work without contact, a long service life can be expected.
  • 2 and 2a show the functional principle of the hydrostatic bearing 2 according to FIG. 1.
  • the feed channel 14 of the bearing 2 has several channels.
  • a first channel 17 forms the continuation of the feed channel. This channel 17 ends in a nozzle 18. This nozzle is a fixed pre-throttle.
  • nozzles 18, 22, 23 are open to the outside by means of known techniques, ie to the spindle 3 or to the first flange 4.
  • This gap 19-24.25 is flowed through with the medium water during the operating phase. The water advantageously flows through these nozzles.
  • the bearing of the spindle shaft 3 shown by way of example thus functions via a water film which is established in columns 19, 24, 25 between nozzles 18, 22, 23 and spindle shaft 3 and the first flange 4.
  • this bearing 2 is advantageously ensured by the fact that bearing areas arranged in a ring in the bearing absorb the axial and radial forces.
  • bearing areas arranged in a ring in the bearing absorb the axial and radial forces.
  • three to eight storage areas are arranged at a distance from one another and are advantageously made in one piece without separation channels. The missing separation channels counteract a loss of rigidity.
  • First bearing areas which point largely perpendicular to the axis AA 'of the spindle shaft 3, absorb forces acting radially on the spindle shaft 3.
  • Further bearing areas which point largely parallel to the axis AA 'of the spindle shaft 3, absorb axially acting forces.
  • This bearing 2 thus absorbs radial and axial forces from the spindle 3 via first bearing regions and absorbs and gives axial forces from the flange 4 via further bearing regions these forces again via the further flange 2, which is connected to the machine tool 11.
  • these bearing areas have been optimized.
  • a first channel 17 forms the continuation of the feed channel 14 in the direction of the spindle shaft 3 along the axis BB '.
  • the other two channels 20, 21 protrude perpendicularly from the lower area of the feed channel. These channels also each end in columns 24, 25 via a nozzle opening 22, 23.
  • One channel 21 is on the flange side, the other channel 20 is oriented on the motor side.
  • These gaps 19, 24, 25 are filled with water and allow the absorption of the radial and axial forces which are transmitted to the flange on the one hand during tool machining and on the other hand absorb the axial forces which are transmitted via the spindle shaft. Due to the high forces that arise during the grinding or milling process, high surface stiffness of the bearing is required, which can be achieved via the pressure medium water.
  • Water is characterized by a suitable E-module of approx. 2.1 10 * 5 N / cm 2 and a suitable kinematic viscosity of 1.0 mm 2 / s at 20 ° C.
  • E-module of approx. 2.1 10 * 5 N / cm 2
  • suitable kinematic viscosity of 1.0 mm 2 / s at 20 ° C.
  • the bearing 2 is biased by water pressure in the idle state.
  • the contact between shaft 3 and the solid material of the bearing 2 is only given over water and is referred to as non-contact and thus as frictionless.
  • the flow speed and the amount of water are retained even when the bearing is working under load.
  • the person skilled in the art is free to choose other dimensions and ratios of gap height and pocket width.
  • the shaft 3 presses on the small gap h 0 along the axis BB '.
  • the gap h reduces its distance from the shaft 3 by delta h.
  • This reduction in the gap height reduces the outflow of water and increases the pocket pressure in the larger gap area H.
  • This pressure increase counteracts the external force F r , which causes the gap to be reduced.
  • the gap increases again automatically and the pocket pressure in the warehouse decreases.
  • the described pressure compensation works smoothly and therefore hardly causes any heat to be generated.
  • the temperature rise of the bearing is avoided by the circulation of the flowing water with turbulent flow.
  • FIG. 3 An exemplary arrangement of the bearing 2 around the work spindle 3 can be seen in FIG. 3.
  • Fig. 3 is based on the previous description and refers to this.
  • the bearing 2 lies in a ring around the working shaft 3.
  • a radial force application F r is compensated for via a plurality of first bearing areas which are largely radial to the axis AA' of the shaft 3.
  • a grain pensation of an axial force application F. over several other bearing areas, which are largely axial to the axis AA 'of the shaft 3.
  • FIG. 4 shows a diagram on which the force relationships of two exemplary regions of the bearing 2 lying opposite one another can be seen.
  • Fig. 4 is based on the previous description and refers to this.
  • the gap width h of the bearing areas changes depending on the external force F acting.
  • the force axis points upwards and is designated by F.
  • the axis of the gap height is drawn to the right and named with h. If the external force F 1 rises in a first bearing area, for example, the force F 2 drops to the same extent in an opposite bearing area, for example in a second bearing area.
  • the central position of the gap h m can be read, which occurs during the phase of the preload F v in both areas of the bearing 2.
  • An operating force F B occurs during the operation of the rotating shaft 3 and is the sum of the external force and the pocket force that builds up in the bearing 2. With this operating force, the new column height deviates by a delta h from the central position of the gap h m . To the same extent that the gap h of the first storage area becomes smaller, the opposite gap h of the second storage area becomes larger.
  • the machine tool and its elements are made, for example, from known and proven materials such as metal (Cr-Ni steel, etc.). Of course, other realizations of a machine tool and its elements with other materials are also available to the person skilled in the art with knowledge of the present invention.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lager für eine Welle mit hoher Drehzahlkennzahl, welches äussere, auf die Welle wirkende Kräfte aufnimmt, wobei ein einstückiges hydrostatisches Lager (2) zur Aufnahme axialer und radialer Kräfte bei hoher Drehzahlkennzahl vorgesehen ist und eine zu lagernde Welle (3) über das Druckmedium Wasser berührungslos gelagert ist, ein Lagerkörper mehrere Kanäle (17, 20, 21) aufweist, dass diese Kanäle in Düsen (18, 22, 23) enden und dass sich zwischen den Düsen (18, 22, 23) und einer zu lagernden Welle (3) und/oder weiteren Elementen ein Spalt (19, 24, 25) mit verschiedenen Höhen (H, h) befindet, wobei Wasser durch diese Düsen strömt und die zu lagernde Welle (3) über einen Wasserfilm lagert. Die gesamte Kraft dieses Lagers nimmt ein an der Werkzeugmaschine verschraubter Flansch auf.

Description

HYDROSTATISCHES LAGER ZUR AUFNAHME AXIALER UND RADIALER
KRÄFTE
Die vor egende Erfindung bezieht sich auf Lager und im besonderen bezieht sie sich auf Lager für Schleif- und Frasspindeln in Werkzeugmaschinen für die Zerspanungstechnik wie sie in den Ansprüchen definiert ist.
Bekanntlich werden Werkzeugmaschinen unter anderem zum Zerspanen von Bauteilen wie Metalibauteile eingesetzt. Solche Werkzeugmaschinen weisen oft eine Schleif- oder Frasspindel auf, die von einem schnelllaufenden Motor angetrieben wird und welche Arbeitsspindel mit einem Adapter zur Aufnahme 0 eines Werkstuckes oder eines Werkzeuges verbindbar ist
Solche Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen werden über Lager gefuhrt Diese Lager erfüllen vielfaltige Aufgaben So geben die Lager den zur Aus- 5 fuhrung der Schnitt- und Vorschubbewegungen bestimmten Bauteilen eine exakte Bewegungsbahn, auch tragen sie Gewichtskrafte von Spindelwelle und umhegenden Bauteilen und ferner nehmen die Lager auftretende Betπebs- krafte schwingungsfrei auf. Daher sind eine hohe Steifigkeit und eine hohe Dampfungsfahigkeit senkrecht und parallel zur Fuhrungsbahn erforderlich 0 Um eine hohe Dauergenauigkeit bei der Ausfuhrung von Schleif- und Frass- bewegungen zu erhalten, bestehen au.sserdem Forderungen an die Führung der Spindelwelle nach geringen Reibungskräften, wenig Verschleiss, guter Spieleinsteilbarkeit und einem Schutz vor Spänen, Kühlwasser, Schmutz und Beschädigungen.
In der Praxis arbeiten schnelllaufende Spindeln in der Zerspanungstechnik im Bereich von 20-100O00 Umdrehungen pro Minute. Solche Arbeitsspindeln werden auf konventionellen Kugel- und Wälzlagern, Magnetlagern und hydro- statischen Lagern geführt. Üblicherweise geben die Drehzahlkennzahlen, gebildet aus Durchmesser in mm mal Drehzahl in U/min (D*n), einen besseren Einblick in die herrschenden Geschwindigkeitsverhältnisse. So liegt der Bereich der Wälzlager bei einer Drehzahlkennzahl eher unter 2.5 Mio. und der Bereich der hydrostatischen Lager eher über 2.5 Mio..
Kugelgelagerte Wälzlager sind für den Arbeitsbereich bei hohen Drehzahlen weniger gut geeignet. Sie sind recht voluminös und begrenzen somit eine Aufnahme in die Werkzeugmaschine. Um mit Kugel- und Wälzlagern die Anfor- derungen nach geringer Reibung bei hoher Umdrehung zu erfüllen und um axiale und radiale Kräften aufzunehmen, werden oft mehrere kleine Kugellager zur Aufnahme von jeweils einer axialen oder radialen Kraftkomponente angeordnet.
Solche Kugel- oder Wälzlager weisen einen punkt- und linienförmigen Druckkontakt mit der Arbeitsspindel auf. Sie besitzen somit eine Liniensteifigkeit, was unter Momentbelastungen zum Verkanten und Ausschlagen und zu weiteren, daraus folgenden Nachteilen führen kann. Diese Stossempfindlichkeit bestimmt im Wesentlichen die relativ kurze Lebensdauer der Kugel- bzw. Wälzlagern. Um die Stossempfindlichkeit zu reduzieren, werden weitere, stabilisierende Lager angeordnet. All diese Nachteile machen den Einsatz von Kugel- und Wälzlagern bei den heutigen, immer höher werdenden Anforderungen an die Schnittgeschwindigkeiten unwirtschaftlich.
Magnetlager sind für die Anwendung in einem Fräswerkzeug nur bedingt einsatzfähig. Beim Fräsen werden hohe Kräfte erzeugt, was eine hohe Belastbarkeit und hohe radiale und axiale Steifigkeit des Lagers erfordert. Nachtei- lig bei Magnetlagern ist, dass sie relativ weich und nur gering belastbar sind. Zudem sind sie recht teuer und aufwendig nur durch Elektronik ansteuerbar.
Hydrostatische Lager mit dem Druckmedium Hydrauhköl werden bevorzugt in Werkzeugmaschinen, die im unteren Drehzahlbereich arbeiten, verwendet. Nachteilig für eine Anwendung bei Schnelllaufwerkzeugmaschinen ist, dass das Öl aufgrund seiner hohen Viskosität Reibungswärme erzeugt und die anfallende Reibungswärme schlecht abtransportiert. Zudem nehmen hydrostatische Lager nur Kraftkomponenten einer Richtung auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lager, beispielsweise zur Verwendung in Werkzeugmaschinen für die Zerspanungstechnik bereitzustellen, welches die vorgenannten Nachteile behebt. Insbesondere soll das Lager einen einfachen und kompakten Aufbau aufweisen und es soll in der Anschaffung und im Unterhalt wirtschaftlich sein. Das Lager soll mit gängigen Verfahren der Werkzeugindustrie kompatibel und integrierbar sein. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, gelöst.
Die Idee der Erfindung beruht darin, ein einziges Lager zur Aufnahme der auftretenden Kraftkomponenten bereitzustellen. Bevorzugterweise ist das Lager einstückig ausgelegt und nimmt axiale und/oder radiale Kraftkomponenten auf, die an einer Welle und angrenzenden Elementen auftreten. Dies ist eine Abkehr von bekannten Konstruktionen, wo für solche Zwecke mehre- re, separate Lager verwendet werden.
Durch Verwendung eines einzigen Lagers lässt sich die Bewegung der Welle im Lager mit einer Kreiselbewegung vergleichen. Der Mittelpunkt der Welle im Bereich des Lagers stellt den Haltepunkt des Kreisels dar, weshalb sich Kreiselgleichungen zur Bewegungsbeschreibung und zur Berücksichtigung von Präzession und Nutation heranziehen lassen. Als Folge von Bewegungsanalysen ist das Lager mit speziell angeordneten Lagerbereichen versehen, welche Präzession und Nutation der Welle effektiv kompensieren.
Durch Verwendung eines einzigen, bevorzugterweise einstückigen Lagers wird eine kompakte Bauweise ermöglicht. Dies wiederum erlaubt einen Einsatz bei hohen Drehzahlkennzahlen > 2.5 Mio.. Die vorliegende Erfindung kann somit in einer schnelllaufenden Werkzeugmaschine für die Zerspanungstechnik verwendet werden, wobei vorteilhaftwerweise eine direkte Kraftübertragung, über nur einen Flansch von der Welle an eine Werkzeugmaschine erfolgt. Das Lager ist vorteilhafterweise hydrostatisch und wird mit Wasser betrieben. So ist es möglich, das Lager durch turbulent strömendes Wasser, welches durch Düsen in einen Lagerspalt zwischen Welle und Lager strömt, im Ruhezustand der Welle vorzuspannen. Über den Wasserfilm ist die Welle flächsteif gelagert. Der Lagerspalt erlaubt einen Kraftausgleich der äusserer, auf die Spindelwelle wirkenden Kräften mit der Vorspannung der Lagereinheit. Dies ermöglicht somit eine hydrostatisch gesteuerte Kompensation der von aussen auf das Lager angreifenden Kräfte. Insbesondere lässt sich die Spaltbreite über einen Taschendruck auf einfache und unkomplizierte Weise steuern, ohne dass störende Resonanzen und/oder ein Aufschaukeln der Welle im Betrieb erfolgt.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird anhand des nachstehenden zeichne- risch dargestellten Beispiels noch näher beschreibend erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 Gesamtansicht durch einen Teil einer bevorzugten Ausführungsform einer Werkzeugmaschine mit einer Arbeitsspindel und mit einem Lager im vertikalen Schnitt.
Fig. 2 und 2a das skizzierte Funktionsprinzip des Lagers gemäss Fig. 1.
Fig. 3 die Anordnung gegenüberliegender Bereiche eines Lagers gemäss Fig. 1 und 2.
Fig. 4 auftretende Kräfteverhältnisse in Abhängigkeit von der Spalthöhe von zwei Bereichen eines Lagers gemäss den Fig.l bis 3. Fig. 1 zeigt die Gesamtansicht eines Teils einer beispielhaften Ausführungsform eines Lagers 2 gemäss der Erfindung in der beispielhaften Verwendung in einer Werkzeugmaschine mit Spindelwelle 3, mit Druckzuführflansch 9, einem Gehäuse 5 mit Hochfrequenz-Motor 1 und einem ersten Flansch 4. Natürlich sind auch andere Verwendungszwecke des Lagers möglich, diese stehen dem Fachmann bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung frei zur Verfügung und werden hier nicht weiter erläutert.
Über die Spindelwelle 3 mit Achse AA' sind der Rotor des Motors 1, das Lager 2 und ein an das Lager 2 stirnseitig angrenzender ersten Flansch 4 miteinander verbunden. Auf der dem Flansch abgewandten Seite ist der Drυckzuführflansch 9 mittels Schrauben 15 an das Gehäuse angeschraubt. Diese Schrauben befinden sich im äusseren Bereich des Druckzuführflansches 9.
Das Lager 2 mit Achse BB' ist bevorzugt ein hydrostatisches Lager. Dieses Lager 2 nimmt über die Welle 3 radiale und axiale Kräfte und über den an das Lager 2 stirnseitig angrenzenden Element oder ersten Flansch 4 axiale Kräfte auf, die bei der Erzeugung von Schnitt- und Umformbewegungen der rotierenden Bauteile übertragen werden. Als Medium zum Betrieb des hydrostatischen Lagers 2 wird bevorzugt Wasser verwendet.
In einem Motorgehäuse 5 befindet sich die Motoreinheit 1, deren Rotor mit der Spindelwelle 3 direkt beispielsweise über eine Aufschrumpfung verbunden ist und diese später in Rotation bringt. Der Stator des Motors umschliesst den Rotor. Der Druckzuführflansch 9 ermöglicht das Zu- und Wegführen des Druckmediums über die Dichtung 10. Das hydrostatische Lager 2 ist zum Motorgehäuse hin und nach aussen über Labyrinthe 7 und 13 abgedichtet. Insbesondere besteht das hydrostatische Lager 2 aus einem einstückigen Körper in der beispielhaften Form eines Flansches mit Zuführkanal 14 an deren Ende sich mehrere Kanäle befinden. Eine detaillierte Beschreibung des Lagers 2 und seiner Elemente erfolgt in der Beschreibung gemäss Fig. 2 und 2a. Dieser einstückige Körper leitet die Kräfte an die nächste Baugruppe wie zum Beispiel an die Werkzeugmaschine 11 weiter und wird mittels Schrauben 6 an die Werkzeugmaschine ange- schraubt. Dem Fachmann steht es bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung frei, den Lagerkörper mehrstückig zu gestalten, dies kann beispielsweise aus Montagegründen notwendig sein.
Die Durchmesser der Spindelwelle 3 ist im Kontaktbereich zwischen Lager und Motor verstärkt, so dass auf dieser Fläche die axialen Kraft, die im besonderen durch die Gewichtskraft des Motors erzeugt werden und über die Spindelwelle vom Lager aufgenommen werden können. Ein Deckel 8 sitzt auf dem Flansch 12 der mittels Schrauben 16 am Gehäuse 5 durch den Lager- flansch 2 befestigt wird.
Durch die einfache und kompakte Bauweise des Lagers 2 wird erreicht, dass ein Hochgeschwindigkeitsmotor mit der Spindelwelle direkt verbunden ist und dass das hydrostatischen Lager 2 im Bereich hoher Drehzahlkennzahlen berührungslos arbeitet. Berührungslos heisst, dass die Spindelwelle 3 keine Berührung mit dem Lagerwerkstoff hat. Da Welle und Lager berührungslos arbeiten ist eine lange Lebensdauer zu erwarten. Fig. 2 und 2a zeigen das Funktionsprinzip des hydrostatischen Lagers 2 gemäss Fig. 1. Der Zufuhrkanal 14 des Lagers 2 weist mehrere Kanäle auf. Ein erster Kanal 17 bildet die Fortsetzung des Zufuhrkanals. Dieser Kanal 17 endet in einer Düse 18. Diese Düse ist eine feste Vordrossel. Weitere Kanäle 20, 21, welche vom ersten Kanal abzweigen, enden in Düsen 22,23, die auch feste Vordrosseln sind. Diese Düsen 18,22,23 sind mittels bekannten Techniken nach aussen hin, d.h. zur Spindel 3 oder zum ersten Flansch 4 hin geöffnet. Zwischen Düsen 18,22,23 und Spindelwelle 3 und/oder weiteren Elementen wie beispielsweise der erste Flansch 4 befindet sich ein Spalt 19,24,25 mit verschiedenen Breiten H und h. Dieser Spalt 19-24,25 ist wahrend der Betriebsphase mit dem Medium Wasser durchströmt. Vorteilhafterweise fliesst das Wasser durch diese Düsen. Die Lagerung der beispielhaft gezeigten Spindelwelle 3 funktioniert somit über einen Wasserfilm, der sich in Spalten 19,24,25 zwischen Düsen 18,22,23 und Spindelwelle 3 sowie erstem Flansch 4 einstellt.
Die hohe Steifigkeit dieses Lagers 2 ist dadurch vorteilhaft gewahrleistet, dass im Lager ringförmig angeordnete Lagerbereiche die axialen und radialen Kräfte aufnehmen. Vorteilhafterwei.se sind drei bis acht Lagerbereiche zueinander beabstandet angelegt und vorteilhaft einstuckig ohne Trennkanäle ausgeführt. Die fehlenden Trennkanale wirken einem Steifigkeitsverlust entgegen.
Erste Lagerbereiche die weitgehend senkrecht zur Achse AA' der Spindelwelle 3 zeigen, nehmen radial auf die Spindelwelle 3 wirkende Kräfte auf. Weitere Lagerbereiche, die weitgehend parallel zur Achse AA' der Spindelwelle 3 zeigen, nehmen axial wirkende Kräfte auf. Dieses Lager 2 nimmt somit über erste Lagerbereiche von der Spindel 3 radiale und axiale Kräfte auf und nimmt über weitere Lagerbereiche vom Flansch 4 axiale Kräfte auf und gibt diese Kräfte über den weiteren Flansch 2, der mit der Werkzeugmaschine 11 verbunden ist, wieder ab. Diese Lagerbereiche sind als Folge der Analyse der Bewegungsgleichungen der Welle optimiert angebracht.
Ein erster Kanal 17 bildet entlang der Achse BB' die Fortsetzung der Zuführkanals 14 in Richtung Spindelwelle 3. Die beiden anderen Kanäle 20,21 ragen aus dem unteren Bereich des Zuführkanals senkrecht aus dieser heraus. Diese Kanäle enden über eine Düsenöffnung 22,23 jeweils ebenfalls in Spalten 24, 25. Der eine Kanal 21 ist flanschseitig, der andere Kanal 20 motorseitig orientiert. Diese Spalte 19,24,25 sind mit Wasser gefüllt und erlauben die Aufnahme der radialen und axialen Kräfte, die bei der Werkzeugbearbeitung einerseits auf den Flansch übertragen werden und nehmen andererseits die axialen Kräfte auf, die über die Spindelwelle übertragen werden. Aufgrund der hohen wirkenden Kräfte, die während des Schleif oder Fräsvorganges entstehen, sind hohe Flächensteifigkeiten des Lagers gefordert, die über das Druckmedium Wasser erreicht werden. Wasser zeichnet sich durch einen geeigneten E-Mo- dul von ca. 2.1 10*5 N/cm2 und eine geeignete kinematische Viskosität von 1.0 mm2/s bei 20°C aus. Dem Fachmann stehen bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung natürlich auch weitere Druckmedien zur Verwendung frei, welche ähnliche Eigenschaftswerte in bezug auf E-Modul und Viskosität aufweisen wie Wasser, als Beispiel sei hier Glyzerin erwähnt.
Das Lager 2 ist im Ruhezustand über Wasserdruck vorgespannt. Der Kontakt zwischen Welle 3 und dem festen Werkstoff des Lagers 2 ist nur über Wasser gegeben und wird als berührungslos und damit als reibungsfrei bezeichnet. Mit konstantem Pumpendruck und durch die feste Vordrossel eingestellte turbulente Strömung gelangt das Wasser in den Hauptspalt 19, 24, 25 mit der beispielhaften Höhe H (H = 100*h) und stömt über einen weitgehend senk- recht zu diesem stehenden Spalt h seitlich, wie in der Fig. 2 zu erkennen ist, wieder über einen Rücklaufkanal aus. Die Fliessgeschwindigkeit und die Wassermenge bleiben auch dann erhalten, wenn das Lager unter Last arbeitet. Dem Fachmann steht es bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung frei, andere Dimensionen und Verhältnisse von Spalthöhe und Taschenbreite zu wählen.
Während des Betriebes wirken die äusseren axialen und radialen Kräfte auf das Lager 2. Die Betrachtung des Bereiches radialer Krafteinwirkung zeigt beispielhaft in Fig. 2a wie das Lager unter Krafteinwirkung arbeitet.
Die Welle 3 drückt mit der äusseren Kraft Fr entlang der Achse BB' auf den kleinen Spalt h0. Unter der Krafteinwirkung verringert der Spalt h seinen Abstand zur Welle 3 um delta h. Diese Verringerung der Spalthöhe reduziert die Abflussmenge des Wassers und erhöht den Taschendruck im grösseren Spaltbereich H. Diese Druckerhöhung wirkt der äusseren Kraft Fr entgegen, die die Spaltverringerung verursacht. Der Spalt vergrössert sich somit wieder automatisch und der Taschendruck im Lager lässt nach. Die beschriebene Druckkompensation arbeitet reibungsfrei und bewirkt aus diesem Grund kaum eine Wärmebildung. Durch die Zirkulation des nachfliessendes Wasser mit turbulenter Strömung wird die Temperaturerhöhung des Lagers vermieden.
In Fig. 3 ist eine beispielhafte Anordnung des Lagers 2 um die Arbeitsspindel 3 herum zu entnehmen. Fig. 3 basiert auf der vorherigen Beschreibung und verweist auf diese. Das Lager 2 liegt ringförmig um die Arbeitswelle 3. Gemäss dem Schnitt BB' erfolgt eine Kompensation einer radialen Kraftbeaufschlagung Fr über mehrere erste Lagerbereiche, die weitgehend radial zur Achse AA' der Welle 3 liegen. Gemäss dem Schnitt AA' erfolgt eine Korn- pensation einer axialen Kraftbeaufschlagung F., über mehrere weitere Lagerbereiche, die weitgehend axial zur Achse AA' der Welle 3 liegen.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm auf dem die Kraftverhältnisse von zwei beispielhaften sich gegenüberliegenden Bereichen des Lagers 2 zu erkennen sind. Fig. 4 basiert auf der vorherigen Beschreibung und verweist auf diese. Die Spaltbreite h der Lagerbereiche verändern sich in Abhängigkeit von der einwirkenden äusseren Kraft F. Die Kraftachse zeigt nach oben und mit F bezeichnet. Die Achse der Spalthöhe ist nach rechts gezeichnet und mit h benannt. Steigt in einem beispielsweise ersten Lagerbereich die äussere Kraft F, an, so fällt in gleichem Masse die Kraft F2 in einem gegenüberliegenden, beispielsweise in einem zweiten Lagerbereich ab. In dem Schnittpunkt der beiden Graphen ist die Mittellage des Spaltes hm abzulesen, der sich während der Phase der Vor- Spannung Fv in beiden Bereichen des Lagers 2 einstellt. Eine Betriebskraft FB stellt sich im Betrieb der rotierenden Welle 3. ein und ist die Summe der äusserer Kraft und der Taschenkraft, die sich im Lager 2 aufbaut. Bei dieser Betriebskraft weicht die neue Spaltenhöhe um ein delta h von der Mittellage des Spaltes hm ab. In gleichem Masse wie der Spalt h, des ersten Lagerberei- ches kleiner wird, wird der gegengleiche Spalt h, des zweiten Lagerbereichs grösser.
Die Werkzeugmaschine und ihre Elemente sind beispielsweise aus bekannten und bewährten Materialien wie Metall (Cr-Ni-Stahl, usw.) hergestellt. Dem Fachmann stehen bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung natürlich auch andere Realisierungen einer Werkzeugmaschine und ihrer Elemente mit anderen Materialien offen.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E
1. Lager für eine Welle, welches Lager äussere, auf die Welle wirkende Kräfte aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges hydrostatisches Lager (2) zur Aufnahme axialer und radialer Kräfte vorgesehen ist.
2. Lager gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrostatische Lager (2) kompakt gebaut ist und bei hoher Drehzahlkennzahl >2.5Mio. betreibbar ist.
3. Lager gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrostatische Lager (2) einstückig ausgebildet ist.
4. Lager gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu lagernde Welle (3) über das Druckmedium Wasser berührungslos und mit hoher Steifigkeit gelagert ist.
5. Lager gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das ein Körper des hydrostatischen Lagers (2) mehrere Kanäle (17,20,21) aufweist, dass diese Kanäle in Düsen (18,22-23) enden und dass sich zwischen den Düsen (18,22,23) und einer zu lagernden Welle (3) und/oder weiteren, stirnseitig angrenzenden Elementen (4) ein Spalt (19,24,25) mit verschiedenen Höhen (H,h) befindet, wobei Wasser durch diese Düsen fliesst und die zu lagernde Welle (3) über einen Wasserfilm lagert.
6. Lager gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, da.ss bei Einwirkung axialer und radialer Kräfte, der Spaltabstand (H,h) variiert und sich ein Taschendruck einstellt, der äusseren Kräften ausgleichend entgegenwirkt.
7. Lager gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrostatische Lager (2) über einen Wasserdruck vorgespannt ist.
8. Lager gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Lagerbereiche, die weitgehend senkrecht zur Achse (AA') der Welle (3) ausgerichtet sind, radial auf die Welle (3) wirkende Kräfte aufnehmen und dass Lagerbereiche, die weitgehend parallel zur Achse (AA') ausgerichtet sind, axial auf die Welle (3) wirkende Kräfte aufnehmen.
9. Lager gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Lagerbereiche, die weitgehend parallel zur Achse (AA') der Welle (3) ausgerichtet sind, axial auf ein an das hydrostatischen Lager (2) stirnseitig angrenzendes Element (4) wirkende Kräfte aufnehmen.
10. Werkzeugmaschine mit einem Lager (2) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spindelwelle (3) bei hoher Drehzahlkennzahl >2.5Mio. betreibbar ist und dass das hydrostatische Lager (2) alle auftretenden Kräfte aufnimmt und über einen Flansch direkt auf die Werkzeugmaschine (11) überträgt.
11. Verwendung des Lagers gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (2) eine Spindelwelle (3) einer Werkzeugmaschine für die Zerspanungstechnik lagert, dass eine Motorrotor (1) auf die Spindelwelle (3) aufgeschrumpft ist und dass die Spindelwelle (3) mit Drehzahlkennzahlen > 2.5Mio. betreibbar ist.
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