CH638419A5

CH638419A5 - Werkzeugspindel mit hydrostatischem lager.

Info

Publication number: CH638419A5
Application number: CH346779A
Authority: CH
Inventors: Hat Auf Nennung Verzichtet Erfinder
Original assignee: Gleitlagertechnik Gmbh
Priority date: 1978-04-14
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1983-09-30
Also published as: FR2422479B1; DE2816147B2; GB2019268B; FR2422479A1; GB2019268A; DE2816147A1; DE2816147C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugspindel gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Axial-Radiallagern wird die Spindelwelle mittels einer stets wirkenden unveränderlichen Kraft in den Lagersitz gedrückt. Demnach ist die Axiallage der Spindelwelle relativ zum Spindelgehäuse variabel, und zwar in Abhängigkeit von der Menge des den Drucktaschen zugeführten Hydraulikmediums.

Zufolge der Eigenart von Axial-Radiallagern verändert sich mit der Axiallage zwangsläufig die Spaltweite im Lager und damit die Reibleistung und die Steifigkeit der Spindel. Befriedigend arbeitet eine derartige Werkzeugspindel also nur dann, wenn es gelingt, die Zufuhrmenge des Hydraulikmediums auf einem genau abgestimmten Wert konstant zu halten.

Wird die Kraft von einer Feder aufgebracht, so resultiert aus den Federtoleranzen, dass die Spindeln einer Serie unterschiedliche Steifigkeiten haben. Eine optimale Bearbeitungsgenauigkeit ist somit nicht gewährleistet.

Nachteilig ist auch der Stick-Slip-Effekt infolge der Reibung des Federführungselementes. Auch neigt die Anordnung zu Axialschwingungen, wenn die Federanordnung nicht zusätzlich mit einem Dämpfelement versehen wird.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Axial-Radiallager besteht darin, dass bei Druckausfall, z.B. infolge eines Leitungsdefekts oder einer Fehlbedienung usw., die Spindelwelle nach Art einer Trommelbremse gegen die Lagerflächen gedrückt wird und diese hochpräzisen Flächen beschädigt.

Ausgehend von gattungsgemässen Werkzeugspindeln ist es daher Aufgabe der Erfindung, deren Steifigkeit zu verbessern, insbesondere deren Toleranzempfindlichkeit und Abhängigkeit von einem hochkonstanten Druck des Hydraulikmediums auszuschalten. Auch soll das Ausmass von Beschädigungen im Falle eines Druckausfalles vermindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angeführten Merkmalen gelöst.

Der Vorteil der Erfindung liegt vor allem darin, dass die beiden gegeneinandergerichteten Kraftkomponenten der druckabhängig wirkenden Mittel und des druckabhängigen hydrostatischen Axial-Radiallagers von der gleichen Variablen beeinflusst werden.

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Während die von den Mitteln erzeugte Kraft nur druckabhängig ist, von der Axiallage der Spindelwelle aber unabhängig ist, ist die von den Drucktaschen auf die Spindelwelle übertragene Gegenkraft sowohl vom Druck als auch von der Axiallage abhängig. Die Spindelwelle wird also selbsttätig eine Axiallage einnehmen, bei der sich die Kraft und Gegenkraft das Gleichgewicht halten. Da sich bei einer Änderung des Hydraulikdruckes Kraft und Gegenkraft gleich verändern, bleibt die Gleichgewichtslage und damit die Axiallage davon unbeeinflusst.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht noch darin, dass im Störungsfall, also bei Ausfall des Hydraulikdruckes, im gleichen Mass auch die Vorspannkraft kleiner wird oder ganz wegfallt. Eine Beschädigung des Lagers wird somit wesentlich geringer ausfallen. Wegen der vollständigen Entlastung im Störungsfall ist keine Sicherheitsreserve erforderlich, und es kann daher die von den Mitteln hervorgerufene Vorspannkraft erheblich grösser sein als bei herkömmlichen Anordnungen. Der grösseren Vorspannkraft entsprechend stellt sich das Kräftegleichgewicht bei sehr engem Spalt zwischen den gehäusefesten Lagerflächen und der Tragfläche an der Spindelwelle ein, und die erfindungsgemässe Werkzeugspindel kann demnach mit extremer Steifigkeit betrieben werden.

Die weiterbildenden Merkmale des Anspruchs 2 bewirken eine weitere Erhöhung der Steifigkeit.

Die darauf aufbauenden Ausgestaltungsmerkmale des Anspruchs 3 ergeben eine optimierte, sehr steife, präzise und wirtschaftlich herstellbare Lagerausbildung. Eine Vereinfachung bei der Fertigung ist in diesem Zusammenhang noch gemäss den Merkmalen des Anspruchs 4 vorteilhaft.

Die Mittel können gemäss Anspruch 5 am zweckmässig-sten zur Wirkung gebracht werden.

Wenn die Mittel gemäss den Merkmalen des Anspruchs 6 ausgebildet werden, lässt sich die Zugkraft besonders vorteilhaft mit geringsten Reibungsverlusten übertragen, da sich demgemäss der am Zugorgan angebrachte Stützkopf in der Art eines hydrostatischen Axiallagers am nichtrotierenden Kolben abstützt. Diese Ausbildungsform ist vor allem bei sehr schnell laufenden Schleifspindeln wichtig.

Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 7 ist eine Gliederung der Werkzeugspindel in einzelne Funktionsblocks fertigungstechnisch günstig zu realisieren.

Die Merkmale des Anspruchs 8 schliesslich beschreiben eine besonders herstellungs- und montagefreundliche Ausführungsform der Erfindung. Der Anspruch 9 gibt hierzu eine zweckmässige Ergänzung an.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt wird, näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsge-mässen Werkzeugspindel, wobei nicht zur Erfindung gehörige und für das Verständnis entbehrliche, an sich bekannte Details vereinfacht dargestellt oder weggelassen wurden.

In der Fig. 2 ist ein Detail aus Fig. 1 vergrössert wiedergegeben.

Die Werkzeugspindel besteht allgemein aus einem Lagerblock 1, einem axial daran anschliessenden Antriebsblock 2, wobei die beiden Teile jeweils ein Aussen- bzw. Innengewinde 3 bzw. 4 aufweisen und damit aneinandergeschraubt sind, einem abschliessenden Stützblock 5, einem die genannten Blocks einschliessenden Rohr 6, der Spindelwelle 7 und einer Frontplatte 8. Die Verbindung der Gehäuseteile untereinander erfolgt in bekannter und daher nicht besonders dargestellter Weise, beispielsweise mit Axialspannschrauben.

Das aus dem Gehäuse vorstehende Spindelwellenende 9 ist in bekannter Weise für die Aufnahme eines Werkzeuges eingerichtet, beispielsweise indem es mit einem Innenkonus versehen ist. Die Spindelwelle 7 durchquert eine vom frontseitigen Ende des Lagerblocks 1 axial durch diesen führende, konisch sich verengende Bohrung 10. An beiden Endbereichen der Bohrung 10 ist jeweils ein Axial-Radiallager 11 bzw. 12 ausgebildet. Jedes dieser Lager hat drei gleichmässig über denUmfang verteilte Lagerflächen, welche jeweils Drucktaschen arenaförmig einschliessen. Da zweckmässigerweise die drei Drucktaschen des vorderen Lagers 11 gegenüber denen des hinteren Lagers 12 um 60° gedreht sind, ist in der Schnittdarstellung der Fig. I nur eine von den insgesamt drei Lagerflächen 13 mit Druck tasche 14 des Lagers 11 obenliegend zu sehen, während entsprechend eine Lagerflä-che 15 mit Drucktasche 16 des Lagers 12 untenliegend zu sehen ist.

Den konischen Lagerflächen 13 bzw. 15 gegenüberliegend, genaugenommen davon ringförmig umschlossen, weist die Spindelwelle 7 entsprechend konisch geformte Tragflächen 17,18 auf. Diese Tragflächen können, wie gezeichnet, Teile einer einzigen geschlossenen Kegelmantelfläche sein, jedoch ist dies nicht Bedingung.

Vom rechtsliegenden Spindelende her werden die Drucktaschen 14,16 mit unter Druck zugeführtem Hydraulikmedium versorgt. Dazu ist im Stützblock 5 ein Gewindeloch 19 zum Anschluss einer Rohrleitung vorgesehen. Eine Axialbohrung 20 quert den Stützblock 5 und mündet an dessen Innenseite in eine durch einen Dichtring 21 nach aussen hin abgeschlossene Anschlusskammer 22. Von dieser führt eine weitere Axialbohrung 23 in eine ringförmige Anschlusskammer 24 an der anderen Seite des Antriebsblocks 2. Ein innenliegender, konzentrisch zur Spindelachse angeordneter Dichtring 25 und ein dazu konzentrischer Dichtring 26 grösseren Durchmessers sind zwischen den einander zugewandten Stirnseiten von Lagerblock I und Antriebsblock 2 angeordnet und dichten die Anschlusskammer 24 nach aussen hin ab.

Im Lagerblock 1 sind nun mehrere Axialstichbohrungen vorhanden, die jeweils an der rechten Seite in die ringförmige Anschlusskammer 24 münden und andernends zu jeweils einer Drucktasche führen.

In der Zeichnung ist demnach eine Axialstichbohrung 27 zu sehen, die in eine Radialbohrung 28 mündet, welche ihrerseits in die Drucktasche 14 reicht. Nach aussen zu ist die Radialbohrung 28 durch einen Stöpsel 29 verschlossen und der Drucktasche 14 zugewandt nimmt sie einen Drosseleinsatz 30 auf.

Eine weitere kurze Axialstichbohrung 31 führt zu einer Radialbohrung 32, welche einerseits über einen eingepress-ten Drosseleinsatz 33 in die Drucktasche 16 führt und anderseits nach aussen zu mittels eines Stöpsels 34 verschlossen ist. In gleicher Weise sind die übrigen, in der Zeichnung nicht sichtbaren Drucktaschen mit der Anschlusskammer 24 verbunden.

Am tiefsten Punkt der Bohrung 10 befindet sich eine als Abflussleitung dienende Radialbohrung 35, die über eine zwischen dem Lagerblock 1 und dem Rohr 6 eingearbeitete Längsnut 36 zu einem umlaufenden Ringspalt 37 und von dort über eine Längsbohrung 38 zur rechten Seite des Antriebsblocks 2 führt. Das abströmende Hydraulikmedium kann unbehindert über diesen Weg in einen Rohrstutzen 39 fliessen, der durch den Stützblock 5 nach aussen führt und dort beispielsweise als Schlauchtülle gestaltet ist.

Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, dass die Spindelwelle ein Schaufelrad 40 trägt, wobei Hydraulikmedium als Arbeitsmittel über eine nicht gezeichnete Strahldüse gegen die Beschaufelung des Schaufelrades 40 gespritzt wird. Auch dieses Hydraulikmedium fliesst über den Rohrstutzen 39 ab.

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Der Stützblock 5 weist eine zur Spindelwelle 7 koaxiale Stufenbohrung auf, wobei der erste Abschnitt 41 des kleineren Durchmessers zur Spindelaussenseite weist und der zur Spindelwelle 7 zeigende zweite Bohrungsabschnitt 42 des grösseren Durchmessers einen Stützzylinder 43 aufnimmt. 5 Eine den ersten Abschnitt 41 durchsetzende Schraube 44 ist in die rechtsliegende Stirnseite des Stützzylinders 43 eingeschraubt und fixiert dessen Axiallage im Bohrungsabschnitt 42.

In den Stützzylinder 43 ist eine Radialbohrung 45 einge- 10 bracht (Fig. 2), in welche ein Rohrstück 46 aus elastischem Material eingesetzt ist. Ein Kolben 47 ist durch diametral gegenüberliegende und koaxial zur Spindelachse ausgerichtete Bohrungen 48 und 49 des Rohrstücks 46 geführt, wobei die Eigenelastizität des elastischen Materials eine Abdichtung 15 bewirkt. Der Kolben 47 befindet sich im Bereich einer Axialbohrung 50 des Stützzylinders 43.

Der Kolben 47 ist mit einer Zentralbohrung 51 versehen, durch welche ein am inneren Spindelwellenende 52 befestigter und axial abstehender Draht 53 mit Spiel hindurchragt. 20

Der Draht 53 ist beispielsweise an eine Schraube 54 angelötet, die in eine Gewindebohrung 55 am Spindelwellenende 52 eingeschraubt wird. Am gegenüberliegenden Ende des Drahtes 53 ist an diesem ein verdickter Stützkopf 56 angelötet, der eine zur Spindelwelle und zum rohrförmig den 25 Draht 53 umschliessenden Kolben 47 gerichtete Stützringfläche 57 aufweist.

Der Kolben 47 weist weiterhin einen spindelwellenseiti-gen Längenbereich 58 geringeren Aussendurchmessers und einen zur Stützringfläche 57 reichenden und dort eine Ge- 30 genstützfläche 59 bildenden Längenbereich 60 grösseren Durchmessers auf. Die Durchmesserstufe liegt innerhalb der vom Rohrstück 46 umschlossenen Kolbenkammer 61, in die eine Querbohrung 62 einmündet, die in die Axialbohrung 20 reicht. 35

Das unter Druck zugeführte Hydraulikmedium wird hier also abgezweigt und gelangt über die Querbohrung 62 in die Kolbenkammer 61. Zufolge des Durchmesserunterschiedes der Bereiche 58 und 60 bewirkt der Hydraulikdruck eine nach rechts gerichtete Kolbenkraft, die von der Gegenstütz- 40 fläche 59 über die Stützringfläche 57 auf den Stützkopf 56

und dadurch über den Draht 53 auf die Spindelwelle 7 übertragen wird. Die Spindelwelle 7 wird somit in vorgegebener Abhängigkeit vom Druck des den Drucktaschen zugeführten Hydraulikmediums axial in Richtung vom grösseren zum kleineren Tragflächendurchmesser belastet.

Falls das Rohrstück 46 selbst nicht ausreichend dicht an der Wand der Bohrung 42 anliegt, empfehlen sich zwei konzentrische, beidseitig der Radialbohrung 45 zwischen dem Stützzylinder 43 und dem ihn umschliessenden Stützblock 5 angeordnete Dichtringe 63.

Stets im Bereich der Kolbenkammer 61 befindet sich weiterhin eine Radialbohrung 64 des Kolbens 47, wodurch ein Weg geschaffen wird, über den Hydraulikmedium aus der Kolbenkammer 61 durch den zwischen Kolben 47 und Draht 53 gebildeten Ringspalt hindurch und an den Stirnseiten des Kolbens 47 wegfliessen kann. Das linke Kolbenende ragt in den Turbinenhohlraum, so dass das hier abflies-sende Hydraulikmedium über den Rohrstutzen 39 nach aussen gelangt. Am rechten Kolbenende mündet die Axialboh-rung 50 in eine weitere Radialbohrung 65 des Stützzylinders 43. Über diesen Weg und eine Querbohrung 66 im Stützblock 5 kann das nach dieser Seite abfliessende Hydraulikmedium in den Rohrstutzen 39 strömen.

Der Ringspalt zwischen dem Draht 53 und dem Kolben 47 hat die Wirkung eines Drosselkanals (wenn er entsprechend eng bemessen wird). Zwischen der Stützringfläche 57 und der Gegenstützfläche 59 bildet das hindurchströmende Hydraulikmedium einen Schmierfilm, welcher eine unmittelbare Berührung der beiden Flächen verhindert. Dieses hydrostatische Axialdrucklager zwischen dem Stützkopf 56 und dem Kolben 47 ermöglicht sehr hohe Drehzahlen der Spindelwelle ohne nachteiligen Einfluss auf die Spindelvorspannung.

Der Spalt zwischen der Axialbohrung 50 und dem Stützkopf 56 fungiert auch noch als hydrostatisches Radiallager, wodurch eine stabilisierende und zentrierende Wirkung vorliegt.

Die Erfindung kann gleichermassen in Verbindung mit einem elektromotorischen Antriebsteil einer Werkzeugspindel oder einer sonstigen Ausgestaltung der Antriebsmittel verwendet werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

638419 PATENTANSPRÜCHE

1. Werkzeugspindel mit hydrostatischem Axial-Radial-lager für die Spindelwelle mit gehäusefesten, die Spindelwelle im wesentlichen konzentrisch umschliessenden, Drucktaschen aufweisenden Lagerflächen, wobei den Drucktaschen über Anschlussleitungen Hydraulikmedium unter Druck zuführbar ist, und mit den Lagerflächen gegenüberliegender, unterschiedlichen Durchmesser aufweisender Tragfläche an der Spindelwelle, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (61, 47) vorgesehen sind, welche die Spindelwelle (7) in vorgebbarer Abhängigkeit des Druckes des den Drucktaschen (14, 16) zugeführten Hydraulikmediums axial in Richtung vom grösseren zum kleineren Tragflächendurchmesser belasten.

2. Werkzeugspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei mit gegenseitigem Axialabstand angeordnete Axial-Radiallager vorgesehen sind, deren Tragflächen (17,18) an der Spindelwelle (7) als Aussenkegelflächen und deren Lagerflächen (13,15) im Gehäuse (1) als Innenkegelflächen ausgebildet sind, wobei die Kegelflächen gleichen Neigungssinn aufweisen.

3. Werkzeugspindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem aus dem Gehäuse vorstehenden Spindelwellenende (9) der grössere Durchmesser der ersten Tragfläche (17) zugewandt ist, deren kleinerer Durchmesser gleich oder grösser ist als der grössere Durchmesser der folgenden zweiten Tragfläche (18) und dass die zu den beiden Tragflächen (17,18) korrespondierenden Lagerflächen (13,15) in einem einstückigen Lagerblock (1) eingearbeitet sind.

4. Werkzeugspindel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragflächen (17,18) und Lagerflächen (13, 15) mit übereinstimmender Neigung bzw. übereinstimmendem Kegelverhältnis ausgeführt sind.

5. Werkzeugspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Spindelwelle (7) belastenden Mittel (47,61) über ein am innenliegenden Spindel-

' wellenende (52) angebrachtes Zugorgan (53) auf die Spindelwelle (7) eine Axialkraft ausübend ausgebildet sind.

6. Werkzeugspindel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugorgan als axial über das Wellenende (52) ragender Draht (53) ausgebildet ist, an dessen Ende ein verdickter Stützkopf (56) mit zur Spindelwelle (7) gerichteter Stützringfläche (57) angebracht ist, dass die Mittel eine über einen Leitungskanal (62) mit einer Anschlussleitung (19,20) für das zur Versorgung der Drucktaschen dienende Hydraulikmedium verbundene gehäusefeste Kolbenkammer (61) und einen den Draht (53) mit Spiel umschliessenden rohrförmigen Kolben (47) umfassen, wobei der Kolben (47) einen spindelwellenseitigen Längenbereich (58) geringeren Aussendurchmessers und einen bis zur Stützringfläche (57) reichenden Längenbereich (60) grösseren Aussendurchmessers hat und mit beiden Längenbereichen (58, 60) abgedichtet an gegenüberliegenden Seiten aus der Kolbenkammer (61) herausgeführt ist und etwa in der Längsmitte im Kolben (47) eine Querbohrung (64) angebracht ist, welche das Innere der Kolbenkammer (61) mit dem zwischen Kolben (47) und Draht (53) bestehenden, als Drosselkanal ausgebildeten Ringspalt verbindet.

7. Werkzeugspindel nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Lagerblock (I) ein Antriebsblock (2) anschliesst und weiterhin an den Antriebsblock (2) ein Stützblock (5) anschliesst, wobei der Stützblock (5) die Mittel (61,47) aufnimmt, welche über das Zugorgan (53) die Spindelwelle (7) zum Stützblock (5) ziehen.

8. Werkzeugspindel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützblock (5) eine zur Spindelwelle (7) koaxiale Stufenbohrung aufweist, wobei der erste Abschnitt (41) des kleineren Durchmessers zur Spindelaussenseite weist, dass in den zweiten Bohrungsabschnitt (42) des grösseren Durchmessers ein Stützzylinder (43) eingesetzt und mittels einer den ersten Abschnitt (41) durchsetzenden Schraube (44) im Stützblock (5) gegebenenfalls axial einstellbar fixiert ist, dass der Stützzylinder (43) eine den Kolben (47) und den Stützkopf (56) mit Spiel aufnehmende Axialbohrung (42) und eine die Axialbohrung (42) kreuzende Ra-dialbohrung (45) aufweist, dass in die Radialbohrung (45) ein Rohrstück (46) aus elastischem Material passend eingesetzt ist, wobei der Kolben (47) durch diametral gegenüberliegende und koaxial zur Spindelachse ausgerichtete Bohrungen (48,49) des Rohrstückes (46) unter der Eigenelastizität des elastischen Materials abgedichtet geführt ist und dass ein radialer Leitungskanal (62) in den die Kolbenkammer (61) darstellenden Raum innerhalb des Rohrstückes (46) einmündet.

9. Werkzeugspindel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Radialbohrung (45) konzentrische Dichtelemente (63) zwischen dem Stützzylinder (43) und dem ihn umschliessenden Stützblock (5) vorgesehen sind.