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Lagerung für Hochgeschwindigkeits-Spindeln von Werkzeugmaschinen - Dokument DE3744522C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3744522C2 30.07.1992
Titel Lagerung für Hochgeschwindigkeits-Spindeln von Werkzeugmaschinen
Anmelder Junker, Erwin, 7618 Nordrach, DE
Erfinder Junker, Erwin, 7618 Nordrach, DE
Vertreter Lichti, H., Dipl.-Ing.; Lempert, J., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 7500 Karlsruhe
DE-Anmeldedatum 30.12.1987
DE-Aktenzeichen 3744522
Offenlegungstag 06.07.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.07.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.07.1992
IPC-Hauptklasse B24B 41/04
IPC-Nebenklasse B23Q 1/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Lagerung für Hochgeschwindigkeits-Spindeln von Werkzeugmaschinen, insbesondere Schleifmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

An Spindeln bzw. Antriebswellen moderner Werkzeugmaschinen werden hohe Anforderungen hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit gestellt. Dies erfordert bei umlaufenden Werkzeugen, z. B. Schleifscheiben, hohe Drehzahlen am Werkzeug bzw. der sie treibenden Spindel. So werden beim Hochgeschwindigkeitsschleifen Spindeldrehzahlen über 100 000 l/min erforderlich, die sich mit herkömmlichen Wälz- oder Gleitlagern nicht mehr beherrschen lassen, insbesondere ist es aufgrund der auftretenden extremen Fliehkräfte nicht möglich, in der Lagerung die notwendige Steifigkeit zu erzielen, die für eine genaue Bearbeitung erforderlich ist.

Es ist deshalb schon vorgeschlagen worden (DE-PS 8 03 736, DE-AS 10 09 526, DD-PS 29 752), diese Steifigkeit durch Abkehr von der konventionellen Lagertechnik zu erreichen, indem beispielsweise die Spindel zwischen Stützrollen größeren Durchmessers aufgenommen wird, die ihrerseits als umlaufende Rollen in einem stationären Außenring des Spindelgehäuses gelagert sind. Aufgrund des größeren Durchmessers der umlaufenden Stützrollen findet eine Drehzahlerniedrigung statt, so daß sich zumindest theoretisch die Fliehkräfte in der Lagerung besser beherrschen lassen. In der Praxis allerdings versagt diese Methode, da die enorm hohen Genauigkeitsanforderungen, die an Werkzeugmaschinen der hier zur Rede stehenden Art gestellt werden, sich nicht realisieren lassen. Aufgrund der vielen Lagerflächen in unterschiedlicher räumlicher Anordnung, nämlich Spindel/Stützrollen und Stützrollen/Außenring, ist diese Lagerung auch bei genauester Fertigung und Montage der Lagerteile zwangsläufig spielbehaftet und damit nicht steif genug, um eine präzise Bearbeitung zu ermöglichen. Dies gilt auch dann (DD-PS 29 752), wenn die zusammenwirkenden Lagerflächen von Spindel und Stützrollen kegelförmig ausgebildet sind. Durch einen größeren Kegelwinkel an den Stützrollen und eine zur Spindel achsparallele Verstellung derselben läßt sich zwar theoretisch ein axiales und radiales Spiel ausgleichen, doch wird die Steifigkeit wiederum dadurch erheblich vermindert, daß die Stützrollen nur einseitig gelagert sind mit der zwangsläufigen Folge, daß auf den Lagerzapfen der Rollen Kippkräfte wirken.

Eine andere bekannte Lagerung für Spindeln an Textilmaschinen (US-PS 42 49 784), auf die sich der Oberbegriff des Anspruchs 1 bezieht, weist eine größere Steifigkeit dadurch auf, daß die die Spindel lagernden Stützrollen beidseitig über Rollenzapfen in Kugellagern sitzen, die ihrerseits gehäusefest angeordnet sind. Dabei können jedoch Fertigungstoleranzen weder in axialer noch in radialer Richtung ausgeglichen werden, so daß im Falle von Untermaß die Steifigkeit verlorengeht, bei Übermaß wegen der hohen Drehzahlen erhebliche Erwärmung eintritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung der letztgenannten Art so auszubilden, daß jegliches Spiel - auch nach längerer Betriebsdauer - ausgeglichen und bei Drehzahlen bis in den Bereich von 150 000 l/min noch eine ausreichende Steifigkeit erhalten wird, um auch bei diesen Höchstgeschwindigkeiten eine präzise Bearbeitung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Lagerung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spindel als Lagerflächen gegeneinander geneigte Kegelabschnitte aufweist und daß die Stützrollen mit ihrer Achse parallel zur Mantelfläche der Kegelabschnitte angeordnet und wenigstens die Stützrollen eines Lagers achsparallel zur Spindel verstellbar sind.

Aufgrund der Erfindung ist es möglich, die Lagerung vorzuspannen, indem die Stützrollen wenigstens eines Lagers verstellbar sind, wobei sowohl radiales als auch axiales Lagerspiel ausgeglichen werden kann. Dies ist auch nach längerer Betriebsdauer möglich, um das sich erst nach Einlaufen der Lagerung ausbildende Spiel zu kompensieren.

Es können die Stützrollen wenigstens eines Lagers einzeln und/oder gemeinsam achsparallel zur Spindel verstellbar sein.

Zur Vorspannung einzelner Rollen oder zur gemeinsamen Verstellung aller Rollen wird mit Vorteil ein Druckmittel - hydraulisch oder pneumatisch - oder eine Federkraft vorgesehen, während eine gemeinsame Verstellung aller Stützrollen eines Lagers auch über einen Stellmotor erfolgen kann.

Das Verstellen einzelner Rollen gibt ferner die Möglichkeit, die Spindel unter definierten Winkeln schräg zu stellen bzw. zu neigen, so daß Konizitäten mit kleinem Konuswinkel geschliffen werden können oder die Schleifscheibe gegenüber dem Werkstück angestellt und somit ein Freiwinkel am Werkzeug gebildet werden kann.

Es ist zwar bei Schleifspindeln grundsätzlich bekannt (DE 26 44 380 A1), eine gezielte Schrägstellung der Spindel vorzusehen, doch geschieht dies in relativ aufwendiger Weise mit elektromagnetischen Radiallagern, die aus winkelgleich über den Umfang verteilten Spulen bestehen.

Vorzugsweise erfolgt die Vorspannung ausschließlich an den Stützrollen des hinteren Lagers, das dem Spindelflansch mit dem Werkzeug ferner liegt.

Um ein korrektes Ablaufen der Stützrollen zu gewährleisten, ist deren Lauffläche vorzugsweise ballig ausgebildet, so daß - zumindest theoretisch - nur eine Punktberührung der Stützrolle am Kegelabschnitt der Spindel gegeben ist. Auch wird hierdurch einem möglichen Verkanten begegnet.

Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, daß die Spindel mittels eines auf ihr sitzenden HF-Motors angetrieben ist und daß die Lager beiderseits des HF-Motors angeordnet sind.

Durch diese Ausbildung wird trotz der axialen Verstellbarkeit der Stützrollen beider Spindellager eine kurze und kompakte Bauweise der Lagerung erreicht.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt der Spindel und ihrer Lagerung,

Fig. 2 einen Schnitt II-II gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht einer Stützrolle.

In Fig. 1 ist das insgesamt mit 1 bezeichnete Gehäuse einer Spindel 2 erkennbar, die an ihrem vorderen Ende den Spindelflansch 3 zur Aufnahme eines Werkzeugs, z. B. einer Schleifscheibe, aufweist. Auf der Spindel 2 sitzt der Rotor 4 eines HF-Motors, der mittels Spannringen 5 auf der Spindel 2 befestigt ist. Konzentrisch zum Rotor 4 des HF-Motors ist dessen Stator 6 angeordnet, der vom Motorgehäuse 7 umgeben ist. Der Stator 6 und das Motorgehäuse 7 werden über einen Zufluß 8 und einen Abfluß 9 mit Kühlmittel versorgt.

Das Motorgehäuse 7 ist Teil des Spindelgehäuses 1, das im übrigen aus einem vorderen Gehäuseteil 10 und einem hinteren Gehäuseteil 11 besteht. In beiden Gehäuseteilen 10, 11 ist je ein Lager 12 bzw. 13 angeordnet, die zusammen die Lagerung für die Spindel 2 bilden. Die Lager 12 und 13 weisen je drei Stützrollen 14 auf, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich, auf einem Umfangskreis winkelgleich angeordnet sind. Ferner weist die Spindel im Bereich der Lager je einen Kegelabschnitt 15, 16 auf, die die Lagerflächen der Spindel bilden und auf denen die Stützrollen 14 abrollen. Während der Kegelabschnitt 15 des vorderen Lagers Teil der Spindel 2 ist, ist der Kegelabschnitt 16 am hinteren Lager 13 an einer auf der Spindel sitzenden Lagerbuchse 17 ausgebildet, die zu diesem Zweck eine Einschnürung aufweist.

Die Stützrollen 14 des vorderen und hinteren Lagers 12, 13 sind an ihrer Lauffläche 18, wie aus Fig. 3 ersichtlich, ballig ausgeführt, so daß sie auf den Kegelabschnitten 15, 16 im wesentlichen linienförmig abrollen.

Die Stützrollen 14 sind mit beidseitig angeordneten Zapfen 19, 20 in Präzisions-Schrägkugellagern 21, 22 kleinen Durchmessers gelagert, die ihrerseits in Lagergehäusen 23, 24 (vorderes Lager) bzw. 25, 26 (hinteres Lager) sitzen. Dabei sind die jeweils außenliegenden Präzisions-Schrägkugellager 21 als Loslager, die jeweils innenliegenden 22 als Festlager ausgebildet. Ferner sind sämtliche Präzisions-Schrägkugellager 21, 22 mit je einem Deckel 27, 28 vorspannbar, um die Stützrollen 14 spielfrei zu lagern.

Die Stützrollen 14 weisen, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, einen nennenswert größeren Durchmesser als die mit ihnen zusammenwirkenden Lagerflächen der Spindel auf, so daß die Stützrollen mit entsprechend verminderter Drehzahl umlaufen. Wie ferner aus Fig. 1 ersichtlich sind die Kegelabschnitte 15, 16 unter gleichem Winkel gegeneinander geneigt. Die Stützrollen sind mit ihrer Achse jeweils parallel zu den Kegelabschnitten ausgerichtet, so daß die Umlaufebene der Stützrollen senkrecht auf den Kegelabschnitten steht.

Um die Lager 12, 13 vorspannen zu können, sind zumindest die Stützrollen 14 des hinteren Lagers 13 achsparallel zur Spindel 2 verstellbar. Zu diesem Zweck sitzen die Lagergehäuse 25, 26 an einem Stellkolben 29, der einerseits im hinteren Gehäuse 11, andererseits über eine Kolbenstange 30 und einen Bund 31 in einem außenliegenden Zylinder 32 geführt ist. Der Kolben 29 wird mittels einer im Zylinder 32 untergebrachten Feder 33 im Sinne einer Vorspannung der Stützrollen 14 nach außen gedrängt. Statt dessen ist auch eine Druckmittel-Beaufschlagung möglich und ferner kann auch ein auf alle drei Kolben 29 wirkender Stellmotor zur gleichmäßigen Verstellung sämtlicher Stützrollen vorgesehen sein. Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Lagerung lassen sich die hohen Drehzahlen an den Lagerrollen mit konventionellen Spindellagern (Präzisions-Schrägkugellager) und herkömmlicher Ölnebel-Schmierung beherrschen.


Anspruch[de]
  1. 1. Lagerung für Hochgeschwindigkeits-Spindeln von Werkzeugmaschinen, insbesondere Schleifmaschinen, mit wenigstens einem vorderen, nahe dem Spindelflansch angeordneten und einem hinteren Lager, die jeweils wenigstens drei winkelgleich an der Spindel angreifende Stützrollen größeren Durchmessers als die Spindel aufweisen, wobei die Stützrollen mit beidseitig vorgesehenen Rollenzapfen in Präzisionslagern kleinen Durchmessers in dem die Spindel und die Stützrollen aufnehmenden Gehäuse gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (2) als Lagerflächen gegeneinander geneigte Kegelabschnitte (15, 16) aufweist und daß die Stützrollen (14) mit ihrer Achse parallel zur Mantelfläche der Kegelabschnitte angeordnet und wenigstens die Stützrollen (14) eines Lagers (12, 13) achsparallel zur Spindel verstellbar sind.
  2. 2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrollen (14) wenigstens eines Lagers (12, 13) einzeln und/oder gemeinsam achsparallel zur Spindel (2) verstellbar sind.
  3. 3. Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Stützrolle (14) durch Druckmittel oder Federkraft (33) verstellbar ist.
  4. 4. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur gemeinsamen Verstellung der Stützrollen (14) eines Lagers (13) ein Stellmotor vorgesehen ist.
  5. 5. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrollen (14) nur des hinteren Lagers (13) achsparallel zur Spindel (2) verstellbar sind.
  6. 6. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrollen (14) eine ballige Lauffläche (18) aufweisen.
  7. 7. Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (2) mittels eines auf ihr sitzenden HF-Motors (4, 6) angetrieben ist und daß die Lager (12, 13) beiderseits des HF-Motors angeordnet sind.






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