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Dokumentenidentifikation DE3443537C2 31.03.1988
Titel Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel mit Kühleinrichtung in einem Spindelstock
Anmelder Werkzeugmaschinenfabrik Adolf Waldrich Coburg GmbH & Co, 8630 Coburg, DE
Erfinder Neugebauer, Heinz, 8631 Weidach, DE
Vertreter Liebau, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 8900 Augsburg
DE-Anmeldedatum 29.11.1984
DE-Aktenzeichen 3443537
Offenlegungstag 05.06.1986
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.03.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.03.1988
IPC-Hauptklasse B23Q 1/08
IPC-Nebenklasse B23Q 11/12   
Zusammenfassung Bei einer Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel (1) mit Kühleinrichtung sind Zu- und Abflußkanäle (12, 13) für ein flüssiges Kühlmittel in der Spindel (1) vorgesehen. Diese stehen mit Kühlnuten (14) in Verbindung, die zumindest im Bereich der am Spindelkopf (1a) angeordneten Wälzlagerinnenringe (2a) in Umfangsrichtung oder schraubenlinienförmig verlaufend in die Spindelmantelfläche (1b) eingearbeitet und zu den Wälzlagerinnenringen (2a) hin offen sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel mit Kühleinrichtung in einem Spindelstock, bei welcher in der Spindel parallel zur Spindelachse verlaufende Zu- und Abflußkanäle für ein die Wälzlagerinnenringe kühlendes, flüssiges Kühlmittel vorgesehen sind, wobei die Zu- und Abflußkanäle mit in die Spindel eingearbeiteten, im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlnuten in Verbindung stehen.

Bei Werkzeugmaschinen, deren Spindeln mit hoher Drehzahl rotieren, entsteht in den Wälzlagern infolge der Lagerreibung Wärme, die sowohl auf die Spindel als auch auf den Spindelstock übertragen wird. Durch ungleichmäßige Temperaturverteilung in den Lagerbauteilen und der Spindel ergeben sich Verlagerungen der Bearbeitungswerkzeuge in Richtung der Spindelachse und in der Winkellage der Drehachse der Werkzeuge, worunter die Bearbeitungsgenauigkeit leidet. Es ist deshalb üblich, die Wälzlageraußenringe mittels einer Kühleinrichtung zwangsweise zu kühlen. Zu diesem Zweck sind bei einer bekannten Einrichtung zur Wärmeableitung an Spindellagerungen (DE-AS 11 70 199) die Wälzlageraußenringe in einer Gehäusebuchse angeordnet, die selbst im Spindelstock zentriert und mittels eines Flansches mit diesem verbunden ist. Die Gehäusebuchse weist an ihrem einen Teil, mit dem sie die Wälzlageraußenringe umschließt und der über den Spindelstock vorsteht, Kühlrippen auf, die von Luft umströmt werden. Da es sich hierbei um Raumluft, also um Luft mit Raumtemperatur handelt, ist diese Art der Kühlung nicht geeignet, um das Lager auf einer Temperatur zu halten, die nur wenig über der Raumtemperatur liegt. Deshalb ist die Gehäusebuchse an ihrem in den Spindelstock hineinragenden Teil mit äußeren Kühlrippen versehen, denen ein flüssiges Kühlmittel zugeführt wird. Diese Kühlrippen und die dazwischenliegenden Nuten sind jedoch gegenüber den Wälzlageraußenringen axial versetzt angeordnet. Es kann deshalb die Wärme von den Wälzlageraußenringen nur indirekt über die Lagerbuchse zu den letztgenannten Kühlrippen und von diesen zu dem flüssigen Kühlmittel abgeleitet werden. Dies gilt auch bezüglich der bereits erwähnten Luftkühlung. Außerdem genügt eine Kühlung der Wälzlageraußenringe bei den heute geforderten höheren Drehzahlbereichen und steigenden Genauigkeitsanforderungen nicht. Durch Kühlung der Wälzlageraußenringe kann nämlich nur ein sehr geringer Teil der an den Wälzlagerinnenringen anfallenden Wärme über die Wälzkörper abgeführt werden.

Bei einer bekannten Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel mit Kühleinrichtung in einem Spindelstock der eingangs erwähnten Art (DE-OS 23 46 480) ist im Innern der hohl ausgebildeten Spindel ein zentrales Leitungsrohr angeordnet, welches sich vom hinteren Ende der Spindel bis in die Nähe der konischen Aufnahmebohrung erstreckt. Das Leitungsrohr ist außen mit mehreren wendelförmig verlaufenden Kühlnuten versehen, wobei diese Kühlnuten wahlweise auch in der zentralen Bohrung der Spindel eingearbeitet sein können. Durch diese Kühlnuten gelangt ein flüssiges Kühlmittel bis in die Nähe der konischen Werkzeugaufnahme und strömt dann über radiale Bohrungen in das Innere des Leitungsrohres, welches einen achsparallelen Abflußkanal für das Kühlmittel bildet. Durch das flüssige Kühlmittel soll die Spindel gekühlt und damit die bei der Zerspanung entstehende Wärme abgeführt werden. Die Wälzlagerinnenringe werden bei dieser bekannten Einrichtung nur indirekt dadurch gekühlt, daß die durch Lagerreibung entstehende Wärme von den Wälzlagerinnenringen auf die Spindel und von dieser axial versetzt auf das das Spindelinnere durchströmende Kühlmittel übertragen wird. Diese indirekte Kühlung ist jedoch ungenügend, zumal das Leitungsrohr mit Abstand von den in der Nähe der Spindelnase vorgesehenen, am meisten belasteten Wälzlagerinnenringen endet. Es ist zu vermuten, daß gerade diese Wälzlagerinnenringe eher durch die Zerspanungswärme erhitzt als durch das Kühlmittel gekühlt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel mit Kühleinrichtung in einem Spindelstock der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei einem einfachen Aufbau eine einwandfreie Verlustwärmeabfuhr von den Wälzlagerinnenringen gewährleistet und damit eine hohe Arbeitsgenauigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer der Wälzlager sicherstellt.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Kühlnuten im Bereich der am Spindelkopf angeordneten Wälzlagerinnenringe vorgesehen, in die äußere Spindelmantelfläche eingearbeitet und zu den Wälzlagerinnenringen hin offen sind.

Durch diese verhältnismäßig einfachen Maßnahmen wird eine gute Verlustwärmeabfuhr aus dem Nahbereich der Wälzlagerinnenringe sichergestellt. Bei der erfindungsgemäßen Lagerung wird das Kühlmittel über die in die äußere Spindelmantelfläche eingearbeiteten Kühlnuten direkt an die Wälzlagerinnenringe herangeführt. Die durch die Lagerreibung entstandene Wärme wird von den Wälzlagerinnenringen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel unmittelbar auf das flüssige Kühlmittel übertragen und gemäß einer weiteren Ausführungsform unter Zwischenschaltung einer dünnwandigen Buchse aus gut wärmeleitendem Material. Dadurch, daß die Kühlnuten im Bereich der Wälzlagerinnenringe angeordnet und zu den Wälzlagerinnenringen hin offen sind, wird das Kühlmittel in größtmögliche Nähe zu den Wälzlagerinnenringen gebracht und damit eine ausgezeichnete Wärmeabfuhr gewährleistet. Durch einwandfreie Wärmeabfuhr der Verlustwärme von den Wälzlagerinnenringen wird eine Wärmeübertragung auf die Spindel und ihre Lagerteile vermieden und damit wird auch eine hohe Arbeitsgenauigkeit sichergestellt. Gegenüber Lagerungen mit Kühleinrichtung, bei denen nur die Wälzlageraußenringe gekühlt werden, hat die erfindungsgemäße Lagerung auch ein besseres Kaltstartverhalten, denn etwaige Wärmeausdehnungen brauchen bei der Bemessung der Lagerluft nicht berücksichtigt zu werden. Schließlich führt die gute Wärmeabfuhr von den Wälzlagerinnenringen auch zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Wälzlager.

Die vorliegende Erfindung wurde durch die eingangs erwähnte DE-AS 11 70 199 mangels eines Vorbildes auch nicht nahegelegt. Dort ist nämlich eine Kühlung der Wälzlagerinnenringe überhaupt nicht vorgesehen. Die Kühlnuten sind außerdem an der Außenseite einer stationären Gehäusebuchse und nicht an der Außenseite der Spindel angeordnet. Ferner sind die Kühlnuten zu der den Wälzlagerringen hin abgekehrten Seite offen und nicht wie bei der Erfindung zu den Wälzlagerringen hin. Bei der vorbekannten Lagerung gemäß der DE-AS 11 70 199 haben die Kühlnuten lediglich die Aufgabe, die wärmeübertragende Oberfläche zu vergrößern, während beim Erfindungsgegenstand die Kühlnuten dazu dienen, das Kühlmittel in unmittelbarer Nähe der Wälzlagerinnenringe zu bringen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Axialschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel im Axialschnitt.

Die Werkzeugmaschinenspindel 1 ist in der Nähe ihres Spindelkopfes 1a mittels mehrerer Wälzlager 2 im Spindelstock 3 drehbar gelagert. Zwischen den Wälzlagerinnenringen 2a zweier benachbarter Wälzlager bzw. auch zwischen den Wälzlagerinnenringen 2a und Teilen 1a sowie 4, die mit der Spindel 1 rotieren, sind jeweils Paßringe 5 vorgesehen. Diese Paßringe sind bei diesem Ausführungsbeispiel an ihren an benachbarten Wälzlagerinnenringen 2a bzw. mit der Spindel rotierenden anliegenden Stirnflächen jeweils mit Ringnuten versehen, in welchen Dichtungsringe 6 angeordnet sind. Am inneren Ende der Spindel 1 ist mit Schiebesitz die Nabe 7 eines Kegelrades 8 angeordnet, welches von dem Kegelrad 9 angetrieben wird. Die Kegelradnabe 7 ist über die Wälzlager 10 und eine Zwischenbuchse 11 ebenfalls im Spindelstock 3 gelagert.

In der Spindel 1 sind ferner je zwei 180° zueinander versetzte achsparallele Zuflußkanäle 12 und Abflußkanäle 13 vorgesehen. (Der Abflußkanal 13 ist um 90° versetzt gezeichnet.) Im Bereich der in der Nähe des Spindelkopfes 1a vorgesehenen Innenringe 2a sind in die Spindelmantelfläche 1b Kühlnuten 14 eingearbeitet, die bei diesem Ausführungsbeispiel schraubenlinienförmig verlaufen. Diese Kühlnuten 14 weisen vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf. Sie können gegebenenfalls jedoch auch einen trapezförmigen oder halbrunden Querschnitt aufweisen. Die Kühlmittelnuten 14 sind zu den Wälzlagerinnenringen 2a hin offen. Das Austreten von Kühlmittel in den Innenraum der Wälzlager 2 wird durch die Dichtungen 6 verhindert.

Damit die Kühlnuten 14 im Gegenstromprinzip durchflossen werden, steht die dem Spindelkopf 1a am nächsten liegende Kühlnut 14a über die Verbindungsbohrung 15 mit dem Zuflußkanal 12 in Verbindung. Die vom Spindelkopf 1a am weitesten entfernt liegende Kühlnut 14b ist über die Verbindungsbohrung 16 an den Abflußkanal 13 angeschlossen. Letzterer mündet an der Stelle 13a in das Getriebegehäuse.

Am oberen Ende des Zuflußkanales 12 ist die Spindel 1 von einer Buchse 17 umschlossen, wobei zwischen einem Teil der Buchse 17 und der Spindel ein Ringraum 18 vorhanden ist.

Die Buchse 17 weist eine Eintrittsbohrung 19 auf, die an eine nicht dargestellte Kühlmittelpumpe mit integriertem Kühler angeschlossen ist. Die Buchse 17 umschließt mit ihren beiden Enden 17a und 17b die Spindelmantelfläche so, daß zwischen der Spindelmantelfläche und der Buchse 17 ein hydrostatisch wirkender Dichtspalt gebildet wird. Anstelle der Buchse 17 könnte auch jede beliebige andere Zuführeinrichtung vorgesehen sein, die die Zufuhr eines flüssigen Mediums von einem stationären Teil zu einem rotierenden Teil ermöglicht. Beispielsweise könnte die Kühlmittelzufuhr auch stirnseitig am inneren Ende der Spindel 1 erfolgen. Ebenso wäre es denkbar, daß die Kühlmittelableitung über eine Buchse ähnlich der Buchse 17 erfolgt. Einfacher ist es jedoch, den Abflußkanal 13 in das Getriebegehäuse münden zu lassen. Voraussetzung hierfür ist, daß als Kühlmittel Getriebeöl verwendet wird. Vom Getriebegehäuse 20 aus wird das Kühlmittel über den Kühler wieder der nicht dargestellten Pumpe zugeführt.

Durch das unmittelbar an die Wälzlagerinnenringe 2a herangeführte Kühlmittel wird die an den Wälzlagerinnenringen 2a entstehende Reibungswärme fortlaufend abgeführt, so daß eine Erwärmung der Spindel 1 ausgeschlossen ist und auch bei hohen Spindeldrehzahlen die Arbeitsgenauigkeit erhalten bleibt. Druck und/oder Menge und Temperatur des über den Zuflußkanal 12 und die Kühlnuten 14 den Wälzlagerinnenringen zugeführten Kühlmittels werden nach Maßgabe einer Führungsgröße, vorzugsweise der Raumtemperatur, so geregelt, daß die Temperatur der Spindel, gemessen an einer repräsentativen Meßstelle, möglichst genau der Raumtemperatur entspricht.

Die Kühlung der Wälzlageraußenringe 2b erfolgt in herkömmlicher Weise mittels eines Kühlmittels, welches über eine im Spindelstock 3 vorgesehene Zuflußbohrung 21 den Kühlnuten 22 zugeführt wird, die in einer die Wälzlageraußenringe 2b umgebenden Zwischenbuchse 23 vorgesehen sind. Das erwärmte Kühlmittel wird über die Austrittsbohrung 24 abgeleitet. In ähnlicher Weise werden die oberen Wälzlager 10 durch Kühlmittel gekühlt, welches die Kühlmittelnuten 25 in der Zwischenbuchse 11 durchströmt. Gegebenenfalls können auch die Wälzlagerinnenringe der Wälzlager 10 in ähnlicher Weise gekühlt werden, wie es bezüglich der Wälzlagerinnenringe 2a der unteren Wälzlager 2 beschrieben wurde. Allerdings sollte dann der Antrieb der Spindel oberhalb der oberen Wälzlager 10 erfolgen.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt in wesentlichen Teilen mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, weshalb auch die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind und obige Beschreibung sinngemäß zutrifft. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch zwischen den Wälzlagerinnenringen 2a bzw. auch den Paßringen 5 und der Spindelmantelfläche 1b eine dünnwandige Buchse 26 aus gut wärmeleitendem Material angeordnet. Diese dünnwandige Buchse 26 verhindert den Austritt des Kühlmittels in den Wälzlagerinnenraum, so daß die Dichtungsringe 6 entfallen können. Durch die Dünnwandigkeit der Buchse 26 und ihre gute Wärmeleitfähigkeit wird die Wärmeabfuhr von den Wälzlagerinnenringen 2a kaum beeinträchtigt.

Ferner sind die in die Spindelmantelfläche 1b eingearbeiteten Kühlnuten 14&min; in diesem Fall nicht schraubenlinienförmig angeordnet, sondern als Umfangsnuten ausgebildet. Jede der Kühlnuten 14 ist also in sich geschlossen. Über axiale Verbindungsnuten 27 stehen die einzelnen Kühlnuten 14&min; miteinander in Verbindung. Damit das Kühlmittel die Kühlnuten 14&min; auch vollständig durchströmt, ist es zweckmäßig, wenn die Verbindungsnuten 27 abwechselnd um 180° versetzt zueinander angeordnet sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Lagerung einer Werkzeugmaschinenspindel mit Kühleinrichtung in einem Spindelstock, bei welcher in der Spindel parallel zur Spindelachse verlaufende Zu- und Abflußkanäle für ein die Wälzlagerinnenringe kühlendes, flüssiges Kühlmittel vorgesehen sind, wobei die Zu- und Abflußkanäle mit in die Spindel eingearbeiteten, im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlnuten in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlnuten (14, 14&min;) im Bereich der am Spindelkopf (1a) angeordneten Wälzlagerinnenringe (2a) vorgesehen, in die äußere Spindelmantelfläche (1b) eingearbeitet und zu den Wälzlagerinnenringen (2a) hin offen sind.
  2. 2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlnuten (14&min;) in Umfangsrichtung verlaufen und über mehrere axial verlaufende Verbindungsnuten (27) untereinander verbunden sind.
  3. 3. Lagerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsnuten (27) zwischen benachbarten Kühlnuten (14&min;) abwechselnd um 180° versetzt zueinander angeordnet sind.
  4. 4. Lagerung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlnuten (14, 14&min;) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
  5. 5. Lagerung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuflußkanal (12) in die der Stirnfläche des Spindelkopfes (1a) am nächsten liegende Kühlnut (14a) mündet und der Abflußkanal (13) an die von der Stirnfläche am entferntesten liegende Kühlnut (14b) angeschlossen ist.
  6. 6. Lagerung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Wälzlagerinnenringen (2a) und der Spindelmantelfläche (1b) im Bereich der Kühlnuten (14&min;) eine dünnwandige Buchse (26) aus gut wärmeleitendem Material vorgesehen ist.






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