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Dokumentenidentifikation DE3443208A1 28.05.1986
Titel Werkzeugmaschinenspindel
Anmelder A. Ott GmbH, 8960 Kempten, DE
Erfinder Effenberger, Wolfgang, Dr., 8961 Waltenhofen, DE;
Heel, Helmut, 8951 Lengenwang, DE
Vertreter Weickmann, H., Dipl.-Ing.; Fincke, K., Dipl.-Phys. Dr.; Weickmann, F., Dipl.-Ing.; Huber, B., Dipl.-Chem.; Liska, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Prechtel, J., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 27.11.1984
DE-Aktenzeichen 3443208
Offenlegungstag 28.05.1986
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.05.1986
IPC-Hauptklasse B23Q 1/08

Beschreibung[de]

Werkzeugmaschinenspindel Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer rotierend antreibbaren Spindel, deren Spindelnase einen geraden, kegelstumpfförmigen Innenkonus zur Aufnahme eines Steilkegelschafts eines Werkzeugs gleichachsig umschließt und mit einer mit dem Steilkegelschaft kuppelbaren Spannvorrichtung zum axialen Einziehen des Steilkegelschafts in den Innenkonus.

Die Spindeln einer Reihe von Werkzeugmaschinen, z.B. Fräsmaschinen, rotieren mit sehr hoher Drehzahl von beispielsweise 10.000 Umdrehungen pro Minute und mehr. Bei diesen Drehzahlen weitet sich der den Steilkegelschaft des Werkzeugs aufnehmende Innenkonus aufgrund der Fliehkräfte bereits merklich auf, mit der Folge, daß der Steilkegelschaft des Werkzeugs nicht mehr über die gesamte Kegel länge gleichmäßig radial eingespannt ist und dadurch seinen Halt verliert. Die Folgen sind unzureichende Drehmomentübertragung, schlagendes Werkzeug und die eventuelle Zerstörung der Spindel durch zu große Unwucht.

Es wurdenun versucht, der Aufweitung des Innenkonus dadurch $ntgegenzuwirken, daß die Wandstärke der Spindel im Bereich des Innenkonus durch einen zur Spindelnase hin sich vergrößerenden Außendurchmesser verstärkt wurde. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch diese Maßnahme bei sehr hohen Drehzahlen von beispielsweise 10.000 bis 25.000 Umdrehungen pro Minute keine gleichmäßigen radialen Spannkräfte zu erzielen sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen konstruktiv einfachen Weg zu zeigen, wie auch bei Drehzahlen von wenigstens 10.000 Umdrehungen pro Minute eine über die gesamte Lange des Steilkegelschafts gleichmäßige radiale Spannkraft erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der Außendurchmesser der Spindel zur Erzielung einer im wesentlichen konstanten radialen Zentrifugalaufweitung des Innenkonus in einem Bereich axial zwischen dem kleinsten Innendurchmesser des Innenkonus und dessen größten Außendurchmesser zur axialen Stirnseite der Spindelnase hin verjüngt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkzeugmaschinenspindeln wird nicht versucht, der Zentrifugalaufweitung entgegenzuwirken, sondern es wird durch geeignete Bemessung des Außendurchmesserverlaufs im Bereich des Innenkonus dafür gesorgt, daß sich der Innenkonus über seine gesamte axiale Länge gleichmäßig aufweitet. Die an der Werkzeugmaschinenspindel vorgesehene Spannvorrichtung zieht den Steilkegelschaft des Werkzeugs in den bei Rotation sich aufweitenden Innenkonus hinein und verhindert so das Lockern des Werkzeugs. Der dadurch bedingte axiale Versatz des Werkzeugs beeinträchtigt die Funktion der Werkzeugmaschine nicht, da er beim Einstellen der Werkzeugmaschine berücksichtigt werden kann. Insbesondere sind keine speziellen Werkzeugkegelschäfte erforderlich und auch die Innenkonusform muß gegenüber herkömmlichen, genormten Formen nicht geändert werden.

Der ideale Außendurchmesserverlauf läßt sich unter Zuhilfenahe der Elastizitätstheorie errechnen. Dem idealen Verlauf entspricht eine konkave Krümmung der Oberflächenerzeugenden der Spindel im Bereich des Innenkonus. Dieser Verlauf läßt sich in stetiger Form oder durch eine Stufenform bzw. eine Polygonzugform approximieren. In vielen Fällen ist es ausreichend, den idealen Verlauf durch eine Kegelstumpfform mit geradliniger erzeugender anzunähern.

Der Innenkonus geht insbesondere auf seiner durchmesserkleineren Seite vielfach in einen Innenzylinder über, welcher die Kupplungsorgane der Span Spannvorrichtung enthält.

Um auch im Übergangsbereich Auswirkungen auf die Zentrofugalaufweitung des Innenkonus zu vermeiden, ist der Außendurchmesser der Spindel im axialen Bereich des Innenzylinders im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser im axial angrenzenden Bereich des Innenkonus bemessen.

Bei der zum Ausgleich des durch die Zentrifugalaufweitung sich ergebenden axialen Spiels vorgesehenen Spannvorrichtung kann es sich um eine herkömmliche, mit dem Steilkegelschaft des Werkzeugs kuppelbare Zugstange handeln, die in der Spindel axial verschiebbar ist und von Federn oder durch ein sonstiges Kraftgerät, beispielsweise einen Hydraulikzylinder in Einzugsrichtung des Steilkegelschafts vorbelastet ist. Die Kupplung der Zugstange mit dem Steilkegelschaft kann ebenfalls herkömmlich ausgebildet sein und beispielsweise durch ein Gewinde oder eine Spannzange realisiert sein.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 einen schematischen Axiallängsschnitt durch eine Werkzeugmaschinenspindel gemäß der Erfindung und Fig. 2 eTn Diagramm zur Erläuterung der Form der Spindel im Bereich der Werkzeugaufnahme.

Die Fig. 1 zeigt eine Spindel 1 einer Werkzeugmaschine, die in nicht näher dargestellter Weise um ihre Achse 3 mit sehr hoher Drehzahl von wenigstens 10.000 Umdrehungen pro Minute, beispielsweise 10.000 bis 50.000 Umdrehungen pro Minute rotierend angetrieben wird. Die Spindel 1 umschließt im Bereich ihrer Spindelnase 5 einen zur Drehachse 3 gleichachsigen, geraden Innenkonus 7 zur Aufnahme eines Steilkegelschafts 9 eines Werkzeugs 11, beispielsweise eines Fräswerkzeugs. In einer koaxialen Bohrung 13 der Spindel 1 ist eine Zugstange 15 axial verschiebbar geführt.

Die Zugstange 15 ist mit dem spindelseitigen Ende des Steilkegelschafts 9 über eine lösbare Kupplung 17, hier eine Gewindekupplung, gekuppelt. Eine zwischen der Zugstange 15 und der Spindel 1 angreifende Feder 19 zieht den'Steilkegel schaft 9 in den Innenkonus 7 ein und hält die von der Kegelverbindung zu übertragenden Kräfte und Drehmomente aufrecht. Bei der Rotation der Spindel 1 mit hoher Drehzahl wird der Innenkonus 7 aufgrund der auf die Spindelnase 5 wirkenden Zentrifugalkraft radial aufgeweitet. Die Feder 19 gleicht die radiale Aufweitung aus, indem sie den Steilkegel schaft 9 weiter in den aufgeweiteten Innenkonus 7 einzieht.

Um für eine gleichmäßige Aufweitung des Innenkonus 7 über dessen gesamte axiale Höhe zu sorgen, nimmt der Außendurchmesser der Spindelnase 5 im wesentlichen im gesamten Bereich zwischen dem kleinsten Innendurchmesser des Innenkonus 7 und dem größten Innendurchmesser des Innenkonus 7 zur axialen Stirnseite 21 der Spindelnase 5 hin ab. Der optimale Verlauf der den Außendurchmesser der Spindel nase in diesem Bereich bestimmenden Erzeugerkurve 23 ergibt sich entsprechend Fig. 2 gemäß folgender Gleichung:

In dieser Gleichung bedeutet: x eine variable Koordinate in Achsrichtung des Innenkonus 7, deren Koordinatenursprung am Ort des kleinsten Innendurchmesers des Innenkonus 7 gelegen ist und deren positive Richtung in Richtung der Durchmessererweiterung des Innenkonus 7 zeigt; D (x) den Außendurchmesser der Spindel nase 5 am Ort der a variablen Koordinate x; r. (x) den Innenradius des Innenkonus 7 am Ort der variablen Koordinate x entsprechend der Formel: r. (x) = r. t tg cm - x 1 10 r den kleinsten Innenradius des Innekonus 7; 10 a den halben Kegelwinkel des Innenkonus 7; W. die Winkelgeschwindigkeit mit der die Spindel 1 10 rotiert; die zulässige radiale Aufweitung des Innenkonus (7) 10 bei der Winkelgeschwindigkeit Wio; p die Dichte des Materials der Spindelnase 5; E den Elastizitätsmoduls des Materials der Spindelnase 5; a den Wert (3+v)/8; b den Wert a-(1+3v)/8; die Querdehnzahl.

Der Verlauf des Außendurchmessers der Spindelnase 5 im Bereich des Innenkonus 7 ist im Idealfall leicht konkav gekrümmt. Diese Krümmung kann durch einen stufenförmige oder im Längsschnitt polygonzugförmige Approximationskurve 23a angenähert werden. Bei Drehzahlen zwischen 10.000 bis 25.000 Umdrehungen genügt vielfach auch eine lineare Approximation gemäß der Linie 23b, bei welcher die Spindelnase im Bereich des Innenkonus 7 die Form eines im wesentlichen über die gesamte Höhe des Innenkonus 7 sich erstreckenden geraden Kegelstumpfs mit gerader Erzeugender hat.

An dem durchmesserkleinsten Teil des Innenkonus 7 schließt sich ein-Innenzylinder 25 an, der die Kupplung 17 und/oder den Kopf des Steilkegelschafts 9 aufnimmt. Der Außendurchmesser der Spindelnase 5 schließt in diesem Bereich ohne Durchmessersprung an den die Zentrifugalaufweitung egalisierenden Durchmeserbereich an. In Fig. 1 ist dieser Außenzylinderbereich bei 27 dargestellt.

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Anspruch[de]

Werkzeugmaschinenspindel Patentansprüche 1. Werkzeugmaschinenspindel mit einer rotierend antreibbaren Spinei (li, deren Spindelnase (5) einen geraden, kegelstumpfförmigen Innenkonus (7) zur Aufnahme eines Steilkegelschafts (9) eines Werkzeugs (11) gleichachsig umschließt una mit einer mit dem Steilkegelschaft (9) kuppelbaren Spannvorrichtung (15, 19) zum axialen Einziehen des Steilkegelschafts (3) in den Innenkonus (7), dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß sich der Außendurchmesser der Spindelnase (5) zur Erzielung einer im wesentlichen konstanten radialen Zentrifugalaufweltung des Innenkonus (7) in einen Bereich axial zwischen dem kleinsten Innendurchmesser des Innenkonus (7) und dessen größtem Innendurchmesser zur axialen Stirnseite (21) der Spindelnane (5) hin verjüngt.

2. Werkzeugmaschinenspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Außendurchmesser der Spindelnase (5) zumindest näherungsweise entsprechend der Formel

verjüngt, wobei in der Formel bedeutet: x eine variable Koordinate in Achsrichtung des Innenkonus (7), die s1c; in positiver Richtung vom Ursprung am Ort des kleinsten Innendurchmessers des Innenkonus (7) zu sensen größtem Innendurchmesser erstreckt, Da(x) den Außendurchmesser der Spindelnase (5) am Ort der Koordinate x, ri(x) den Innenradius des Innenkonus (7) am Ort der Koordinate x, entsprechend der Formel: ri(x) rio + tga . x rio den kleinsten Innenradius des Innenkonus (7), α den halben Kegelwinkel des Innenkonus (7), wio die Winkelgeschwindigkeit der Spindel (1) Uio die zulässige radiale Aufweitung des Innenkonus (7) bei der Winkelgeschwindigkeit wio die Dichte des Materials der Spinaelnase (5) E den Elastizitätsmodul des Materials der Spindelnase (5), a den Wert (3 + v)/8 b den Wert a-(1 + 3v)/8 v die Queruehnzahl.

3. Werkzeugmaschinenspindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Außendurchmesser der Spindelnase (5) entaprechend einem Xegelstumpf mit im wesentlichen gerader Erzeugender verjüngt.

4. Werkzeugmaschinenspindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Außendurchmesser der Spindelnase (5) etetig verjüngt.

5. Werkzeugmaschinenspindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Außendurchmesser der Spindelnase (5) in Stufen verjüngt.

6. Werkzeugmaschinenspindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Außendurchmesser der Spindelnase (5) entsprechend einem Rotationskörper verjüngt, dessen Erzeugende einem Polygonzug folgt.

7. Werkzeugmaschinenspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkonus (7) zumindest an einem seiner axialen Enden in einen Innenzylinder (25) übergeht und daß der Außendurchmesser der Spindel im axialen Bereich des Innenzylinders im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser im axial angrenzenden Bereich des Innenkonus ist.







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