Beschreibung
GEKÜHLTE SPINDELVORRICHTUNG XMD ENTSPRECHENDES VERFAHREN ZU DEREN KÜHLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spindelvorrichtung mit einer Welleneinrichtung und einer Kühleinrichtung, die zumindest einen ersten Kühlabschnitt aufweist, gegenüber dem die Welleneinrichtung drehbar gelagert ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer Spindelvorrichtung durch Abführen von Verlustwärme von einer Welleneinrichtung der SpindelkopfVorrichtung.
Die Erwärmung der Lagerung von Motorspindeln erfolgt haupt¬ sächlich durch die Verlust- bzw. Abwärme des Motors, der in der Regel zwischen zwei Lagerstellen angeordnet ist. Der An¬ teil der Eigenerwärmung der Lagerung ist um ein Vielfaches kleiner als die Verlust- bzw. Abwärme des Motors. Aus diesem Grund wird sehr häufig nicht nur der Stator des Motors, son¬ dern auch die vordere und/oder hintere Lagerstelle über das Gehäuse gekühlt, um die Lagerung thermisch nicht zu überlas¬ ten bzw. insbesondere bei Fettschmierung ihre Gebrauchsdauer zu erhöhen.
Eine derartige, bekannte Spindelkopfkühlung ist in FIG 1 dar¬ gestellt. In einem Gehäuse 2 der Spindel 1 ist eine Welle 3 drehbar gelagert. Die Lagerung erfolgt im Bereich des Spin¬ delkopfs 4 und des Spindelfußes 5 jeweils durch Wälzlager 6. Dazwischen ist ein Elektromotor 7 angeordnet, der die Welle 3 direkt antreibt.
Im Gehäuse 2 verläuft im Bereich des Spindelkopfs 4 ein in Umfangsrichtung verlaufender Kühlmittelkanal 8. Mit ihm wird der Spindelkopf, insbesondere das Spindelkopfgehäuse, ge¬ kühlt.
Bei Betrieb der Spindel liegt ein Temperaturunterschied zwi¬ schen Welle 3 und Gehäuse 2, wobei die Welle wärmer als das Gehäuse ist, vor, der die Leistungsfähigkeit der Lager 6 ne¬ gativ beeinflusst. Der Temperaturunterschied verringert die Radialluft der eingesetzten Wälzlager, wie z.B. Schrägkugel¬ lager, Rillenkugellager und Zylinderrollenlager. Um einer Verspannung der Lagerung vorzubeugen, was den Totalausfall der Lagerung zur Folge hätte, muss diese Radialluftverringe¬ rung bei der Auslegung berücksichtigt bzw. vorgehalten wer¬ den.
Durch die Kühlung des Gehäuses 2 zur Reduzierung des Wärme¬ eintrags durch den Motor wird der Temperaturunterschied ver¬ größert, was die Gefahr der radialen Verspannung begünstigt.
Der auftretende Wärmeunterschied zwischen Welle und Gehäuse und die damit verbundene Änderung der Lagersteifigkeitscha- rakteristiken wurde bislang häufig in Kauf genommen. Dabei wurden Schrägkugellager mit größeren Druckwinkeln und damit geringerer radialer Steifigkeit eingesetzt. Auf der anderen Seite wurde bei Einsatz von Rillenkugellagern oder Zylinder¬ rollenlagern ein vergrößertes Spiel zu Beginn des Betriebs akzeptiert, was sich in der Regel negativ auf das Schwin¬ gungsverhalten der Spindel auswirkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Lagerung einer Spindel speziell hinsichtlich der auftre¬ tenden Temperaturschwankungen zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Spindel¬ vorrichtung mit einer Welleneinrichtung und einer Kühlein¬ richtung mit zumindest einem ersten Kühlabschnitt, gegenüber dem die Welleneinrichtung drehbar gelagert ist, wobei die Kühleinrichtung einen Konvektionsspalt von dem ersten Kühlab¬ schnitt zu der Welleneinrichtung aufweist, über den gezielt ein wesentlicher Teil an Verlustwärme von der Welleneinrich¬ tung abführbar ist.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zum Kühlen einer Spindelvorrichtung durch Abführen von Ver¬ lustwärme von einer Welleneinrichtung der Spindelvorrichtung, wobei das Abführen der Verlustwärme im Wesentlichen durch Konvektion über einen Konvektionsspalt zu der Welleneinrich¬ tung erfolgt.
In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung ein wesent¬ lich höherer Anteil an Abwärme durch die Kühleinrichtung von der Welle abgeführt werden, so dass der Temperaturunterschied zwischen Welle und Gehäuse reduziert ist. Dabei ergeben sich als spezielle Vorteile die Erhöhung der Fettgebrauchsdauer durch niedrigere Temperaturen, die Steifigkeitserhöhung in radialer Richtung durch Verwendung von Lagern mit kleineren Druckwinkeln oder von Lagern mit weniger Spiel, ein stabile¬ res Verhalten der Lager in Bezug auf ihre Steifigkeitseigen- schaften aufgrund geringerer Druckwinkelveränderungen durch reduzierte Schwankungen im Temperaturunterschied zwischen In¬ nenring und Außenring sowie ein geringeres Längenwachstum der Welle. Dieses verringerte Längenwachstum wirkt sich unmittel¬ bar auf die Werkzeugspitze aus, so dass höhere Bearbeitungs¬ qualitäten eines Werkstücks erzielt werden können. Im Ideal¬ fall kann das temperaturbedingte Wellenwachstum nahezu elimi¬ niert werden.
Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Spindelvorrichtung ein Gehäuse, in oder an dem der erste Kühlabschnitt der Kühl¬ einrichtung fest angeordnet ist. Damit erfolgt eine Wärme¬ übertragung der Welle über den Konvektionsspalt zum Gehäuse, das unter Umständen aktiv gekühlt wird.
Der erste Kühlabschnitt der Spindelvorrichtung kann als Ring ausgebildet sein, der mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist und der mit einem Kühlmittelkreislauf in Verbindung steht. Selbstverständlich kann der Ring auch einteilig mit dem Ge¬ häuse verbunden sein und der Kühlmittelkreislauf in dem Ring
verlaufen. In jedem Fall wird hierdurch eine geeignete Wärme¬ senke geschaffen, die die Welle in ausreichendem Maße kühlt.
Ferner kann ein zweiter Kühlabschnitt der Kühleinrichtung als Ring ausgebildet sein, der auf eine Welle der Welleneinrich¬ tung montiert oder mit ihr einteilig verbunden ist, wobei der erste und der zweite Kühlabschnitt konzentrisch zueinander angeordnet sind, so dass zwischen ihnen der Konvektionsspalt ausgebildet ist. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn der erste und zweite Kühlabschnitt zwischen zwei Lager¬ einrichtungen, die die Welleneinrichtung drehbar lagern, aus¬ gebildet sind, wobei der Konvektionsspalt wesentlich geringer ist als die radiale Abmessung eines Lagers der Lagereinrich¬ tungen. Bei dieser Konstellation wird die Welle in den beiden Bereichen der Lagereinrichtungen jeweils gleich gekühlt.
Die Kühleinrichtung zum Kühlen der Welleneinrichtung kann ferner im Spindelkopfbereich (Arbeitsseite) der Spindelvor¬ richtung angeordnet sein. Unabhängig davon kann eine entspre¬ chende Kühleinrichtung auch auf der Gegenseite angeordnet sein.
Wie bereits angedeutet kann die Kühleinrichtung einen Kühl¬ mittelkreislauf umfassen, dessen Durchsatz mit einem Dosier¬ element veränderbar ist. Als Dosierelement kann beispielswei¬ se eine Madenschraube verwendet werden, mit der der Durch- fluss in einem Kühlkanal variiert wird. Auf diese Weise lässt sich sehr definiert die Temperatur der Welle bzw. der Tempe¬ raturunterschied zwischen Welle und Gehäuse einstellen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 eine Spindel im aufgeschnittenen Zustand gemäß dem
Stand der Technik und FIG 2 einen Teilquerschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Spindelkopf.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin¬ dung dar.
Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem ist in der Teilquerschnitts¬ skizze von FIG 2 schemenhaft dargestellt. Die Welle 3 ist über zwei Wälzlager 6 in dem Gehäuse 2 drehbar gelagert. Zwi¬ schen den beiden Wälzlagern 6 befindet sich auf der Welle 3 eine Innenringhülse 9, die die beiden Innenringe der Lager im gewünschten Abstand hält. In einem geringen radialen Abstand oberhalb der Innenringhülse 9 befindet sich eine Außenring¬ hülse 10, die am Innenumfang des Gehäuses 2 befestigt ist. Der Abstand zwischen der Innenringhülse 9 und der Außenring¬ hülse 10 ist so gering wie möglich gewählt und dient als Kon- vektionsspalt 11.
Durch das Gehäuse 2 verläuft ein Kühlkanal 12, der sich im vorliegenden Beispiel bis in eine Vertiefung der Außenring¬ hülse 10 erstreckt. Ein Kühlmitteleintritt 13 befindet sich am Ende eines radial nach außen führenden Abschnitts des Kühlkanals 12. Der Querschnitt des Kühlkanals kann durch eine Madenschraube 14 zur Dosierung des Kühlmitteldurchstroms ver¬ ändert werden.
Mit dem durch den Kühlmittelkanal 12 strömenden Kühlmittel wird nicht nur das Gehäuse 2 sondern auch die Außenringhülse 10 gekühlt. Sie bildet somit eine Wärmesenke für die Innen¬ ringhülse 9, die durch Konvektion über den geringen Konvekti- onsspalt 11 Wärme an die Außenringhülse 10 abgibt. Die Innen¬ ringhülse 9 kühlt ihrerseits die Welle 3 durch Wärmeleitung. Der Wärmestrom über die Innenringhülse 9 und die Außenring¬ hülse 10 ist dabei deutlich größer als über die beiden Lager 6. Somit kann eine effiziente Kühlung der Welle 3 und der La¬ gerinnenringe erzielt werden, was zu einer Reduzierung des angesprochenen Temperaturunterschieds führt. Dabei kann, wie ebenfalls bereits angesprochen wurde, die Temperatur unter
Umständen in der Welle soweit reduziert werden, dass nahezu kein Wellenwachstum zu verzeichnen ist.
Mit Hilfe der Madenschraube 14 kann der Kühlmittelstrom, der die Außenringhülse 10 kühlt, beeinflusst werden. Dabei kann es notwendig sein, den Kühlmittelstrom durch die Schraube 14 derart zu dosieren, dass eine gewisse Betriebstemperatur der Außenringhülse 10, der Innenringhülse 9 oder der Welle 3 nicht unterschritten wird. Das Maß der Dosierung hängt auch vom gesamten Kühlsystem der Spindel 1 ab, in das der Kühlka¬ nal 12 integriert sein kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann auf den Kühlkanal 12 verzichtet sein. Dann ist die Innenringhülse 9 und die Au¬ ßenringhülse 10 in ihrer Breite derart zu dimensionieren, dass der Wärmekonvektionsstrom zwischen beiden Komponenten die Welle 3 ausreichend kühlt. Bei einer Mischlösung, bei der ein Kühlkanal nur durch das Gehäuse 2 verläuft, und nicht wie in FIG 2 bis in die Außenringhülse 10 reicht, verläuft der Wärmestrom von der Welle 3 über die Innenringhülse 9, die Au¬ ßenringhülse 10 in das Gehäuse 2 und von dort in einen Kühl¬ kanal.
Eine weitere alternative Ausführungsform besteht darin, dass eine Kühlung der Welle außerhalb des Gehäuses 2 vorgesehen ist. Auch diese Kühlung kann ausreichen, um den Temperaturun¬ terschied zwischen Welle und Gehäuse so gering zu halten, dass die Fettgebrauchsdauer erhöht und eine Steifigkeitserhö- hung in radialer Richtung durch Verwendung von Lagern mit kleineren Druckwinkeln oder von Lagern mit weniger Spiel er¬ reicht werden kann. Ansonsten lässt sich dies auch durch die oben genannten Ausführungsformen erreichen. Darüber hinaus ist durch sämtliche Ausführungsformen auch ein stabileres Verhalten der Lager in Bezug auf ihre Steifigkeitseigenschaf- ten aufgrund geringerer Druckwinkelveränderungen durch redu¬ zierte Schwankungen im Temperaturunterschied zwischen Innen-
ring und Außenring sowie ein geringeres Längenwachstum der Welle zu erzielen.