CH715948A2 - Motorspindel mit unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien und Verfahren zum Regeln einer Motorspindel. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorspindel (11) zum Antreiben eines direkt geklemmten oder in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs mit: - einer mittels einer Antriebseinheit (17) angetriebenen Spindelwelle (19), - einer Werkzeugschnittstelle (21) zum lösbaren drehfesten Koppeln des Werkzeughalters mit der Spindelwelle (19), - einer Lagervorrichtung (23) zum drehbaren Lagern der Spindelwelle (19), - einem Gehäuse (25), indem die Spindelwelle (19), die Lagervorrichtung (23) und die Antriebseinheit (17) aufgenommen sind. Um eine verbesserte Motorspindel (11) bereitzustellen, weist diese einen strukturell in die Motorspindel integrierten Regelkreis mit zumindest zwei hinsichtlich einer Steifigkeit, einer Wärmeleiteigenschaft und/oder eines thermischen Ausdehnungskoeffizients unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien auf.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Motorspindel zum Antreiben eines Werkzeugs oder in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs, mit einer mittels einer Antriebseinheit angetriebenen Spindelwelle, einer Werkzeugschnittstelle zum lösbaren drehfesten Koppeln des Werkzeughalters mit der Spindelwelle, einer Lagervorrichtung zum drehbaren Lagern der Spindelwelle und einem Gehäuse, in dem die Spindelwelle, die Lagervorrichtung und die Antriebseinheit aufgenommen sind und ein Verfahren zum Regeln einer solchen Motorspindel.

Stand der Technik

[0002] Motorspindeln zum Antreiben eines in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs sind bekannt. Diese werden üblicherweise zum Bearbeiten, insbesondere zerspanenden Bearbeiten von Werkstoffen verwendet. Für eine solche Bearbeitung sind vergleichsweise hohe Drehzahlen sowie häufige Beschleunigungs- und Bremsvorgänge erforderlich. Außerdem muss während der Bearbeitung eines Werkstücks auch das angetriebene Werkzeug gegebenenfalls mehrfach gewechselt werden. Dadurch treten an gattungsgemäßen Motorspindeln im Lauf eines Bearbeitungsvorgangs wechselnde thermische Belastungen und Schwingungsanregungen auf. Als Wärmequellen treten eine Abwärme der Antriebseinheit sowie Reibungsverluste der Lagervorrichtung zum Lagern der Spindelwelle als auch gegebenenfalls Prozesswärme am Werkzeug auf. Diese Wärme kann beispielsweise mittels Pressluft und/oder einer Wasserkühlung abgeführt werden. Aufgrund der hohen Drehzahlen treten dynamische Lasten wie beispielsweise Fliehkräfte, insbesondere an der Lagervorrichtung auf, die neben der thermischen Belastung ebenfalls zu Änderungen von Betriebsparametern der Motorspindel führen können. Es ist bekannt, für Motorspindeln ein faserverstärktes Kunststoffmaterial zu verwenden, das als solches im Grundsatz ebenfalls bekannt ist. Die EP 3 069 848 A1 zeigt beispielsweise aus einem sehr entfernt liegenden technischen Gebiet der Herstellung von Sportartikeln ein Verfahren zum Formen einer faserverstärkten Verbundmaterialstruktur mit den Schritten: Bereitstellen einer Vorform, die zumindest eine Lage und eine sich daran anschließende zweite Lage aufweist, wobei jede der Lagen eine Harzmatrix und Fasern aufweist und wobei eine Richtung der Fasern der ersten Lage sich von einer Richtung der Fasern der sich anschließenden Lage unterscheidet; ein schraubenförmiges Wickeln der Vorform um einen Kern von einem ersten Endbereich des Kerns zu einem zweiten Endbereich des Kerns und/oder von dem zweiten Endbereich zu dem ersten Endbereich, sodass die Richtung der Fasern in der ersten Schicht relativ zu einer axialen Richtung des Kerns verlaufen zum Erhöhen einer Leistungsfähigkeit. Das Bereitstellen und Wickeln der Lagen wird so lange wiederholt, bis eine dreidimensionale spezifische Struktur definiert ist. Diese wird gegebenenfalls mit einem Druck beaufschlagt und durch einen Wärmebehandlungszyklus verfestigt. Durch ein Entnehmen des Kerns kann eine Hohlwelle erhalten werden. Die DE 197 26 341 A1 betrifft eine Welle einer motorisch angetriebenen Spindel mit einem damit verbundenen Rotor, wobei die Welle aus verstärktem Kunststoff (Kompositmaterial) besteht und der Rotor in das Wellenmaterial eingebunden ist. Der Rotor ist mit verstärktem Kunststoffmaterial umwickelt. Der Rotor kann Nuten aufweisen in die die Umwicklung eingreift. Vorzugsweise ist der verstärkte Kunststoff ein CFK-Werkstoff. Aus der DE 40 09 461 A1 ist eine Spindel für eine Werkzeugmaschine bekannt. Diese umfasst ein zylindrisches Element zur Aufnahme des Schafts eines Werkzeugs. Hergestellt ist es durch Wickeln von Kohlenstoff- oder Glasfasern, wobei die gewickelte Faser mit einem hitzeaushärtbaren Harz imprägniert ist. Nach dem Aushärten des Harzes wird auf die Außenfläche des zylindrischen Elements eine Schutzüberzugsschicht aufgebracht. Durch diesen Aufbau ist es möglich, das Gewicht und den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Spindel herabzusetzten und dadurch die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern.

Darstellung der Erfindung

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Motorspindel zum Antreiben eines in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs bereitzustellen, insbesondere eine Standzeit der Motorspindel zu verbessern, einen Werkzeugwechsel zu erleichtern, eine Baugröße der Motorspindel zu verringern, eine Kühlung der Motorspindel zu verbessern und/oder höhere Drehzahlen zu ermöglichen.

[0004] Die Aufgabe ist bei einer Motorspindel zum Antreiben eines in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Motorspindel einen strukturell in die Motorspindel integrierten Regelkreis mit zumindest zwei hinsichtlich einer Steifigkeit, einer Wärmeleiteigenschaft und/oder eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien aufweist. Es wurde herausgefunden, dass faserverstärkte Kunststoffmaterialen aufgrund der Zusammensetzung aus dem Kunststoffmaterial und den Fasern hinsichtlich der Eigenschaften Elastizität und/oder Steifigkeit, Wärmeleiteigenschaften und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in einem vergleichsweise großen Bereich eingestellt werden kann. Insbesondere im Vergleich zu Stahl lassen sich so für die Motorspindel vorteilhafte Materialeigenschaften genau dort vorsehen, wo sie eine Leistungsfähigkeit der Motorspindel, insbesondere eine Standzeit, ein Beschleunigungs- und Bremsverhalten, ein Schwingungsverhalten und/oder eine Drehzahl positiv beeinflussen. Außerdem wurde herausgefunden, dass das unterschiedliche Einstellen der Kunststoffmaterialien auch in einem integral zusammenhängenden Bauteil möglich ist. Es ist also denkbar, ein integral zusammenhängendes Bauteil, wie beispielsweise die Spindelwelle der Motorspindel bereichsweise an technische Anforderungen anzupassen, insbesondere Elastizitäten, um so ein Schwingungsverhalten positiv zu beeinflussen. Das unterschiedliche Einstellen der faserverstärkten Kunststoffmaterialien kann auch durch eine Kombination von zwei Bauteilen erfolgen, beispielsweise in Form eines mit der Spindelwelle kombinierten Distanzringes und/oder ähnliches. Das Einstellen des faserverstärkten Kunststoffmaterials kann insbesondere durch eine Kombination von unterschiedlichen Lagen, eine Ausrichtung von Fasern und/oder die Wahl von Fasern erfolgen. Insbesondere ist es dadurch möglich einen Wärmeausdehnungskoeffizient von Null oder gegebenenfalls sogar kleiner Null einzustellen. Ferner wurde herausgefunden, dass diese spezifischen Eigenschaften auch zum Realisieren von auf Wärme reagierender Regelkreise verwendet werden kann. Unter einem faserverstärkten Kunststoffmaterial kann grundsätzlich ein Harz und/oder Substrat, insbesondere wärmeaushärtend, verstanden werden, mittels dem unterschiedliche Lagen von Fasern imprägniert und gehärtet sind. Insbesondere kann es sich bei den Fasern um Kohlenstofffasern handeln, also um ein sogenanntes CFK-Material. Durch diese vorteilhafte Kombination unterschiedlich eingestellter faserverstärkter Kunststoffmaterialien können Drehzahlen von über 30.000, vorzugsweise bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute erzielt werden, wobei im Sekundentakt Beschleunigungen und Abbremsungen möglich sind. Außerdem ergibt sich eine vergleichsweise kleinbauende Motorspindel, wobei etwaige bei der Bearbeitung des Werkstücks störende Konturen der Motorspindel selbst auf ein Minimum reduziert werden können. Die Reduzierung der Störkontur ergibt sich daraus, dass aufgrund des oder der vorteilhaften faserverstärkten Kunststoffmaterialien, insbesondere CFK-Materialien, insbesondere mit einem thermischen Wärmeausdehnungskoeffizient von Null, die Motorspindel, insbesondere ein Gehäuse der Motorspindel, an beliebiger Stelle festgehalten werden kann, ohne die Präzision der Maschine zu verschlechtern. Aus dem Stand der Technik bekannte Stahl-Motorspindeln werden möglichst nah am Werkzeug mit einer Manipulationseinrichtung verbunden, um thermisch bedingte Versätze, insbesondere axiale Versätze, am Werkzeug und damit Bearbeitungsfehler zu minimieren. Diese Manipulationsvorrichtung stellt zwangsläufig eine Störkontur für den Bearbeitungsprozess dar. Die erfindungsgemäße Motorspindel minimiert diese Störkontur, da Sie an einer beliebigen Stelle, gegebenenfalls auch an einem, dem Werkzeug gegenüberliegenden Ende mit der Manipulationsvorrichtung verbunden werden kann, ohne thermisch bedingte Bearbeitungsfehler zu erzeugen. Dies wird möglich, weil insbesondere durch den Einsatz eines faserverstärkten Kunststoffmaterials mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Null oder nahe Null, der Zusammenhang zwischen Temperatur- und Geometrieänderungen zumindest weitgehend aufgehoben wird. Eine erfindungsgemäße, neuartige Motorspindel kann also an der vom Werkzeug abgewandten Seite festgehalten werden, so dass eine Haltestruktur der Manipulationsvorrichtung erheblich weniger in einen Bearbeitungsraum hineinragt und daher bei der Bearbeitung weniger stört. Die neuartige Motorspindel kann demnach ohne Präzisionsverlust in einem beliebigen axialen Abstand zum Werkzeug an einer Manipulationsvorrichtung befestigt werden. Im Betrieb ergibt sich eine axiale Distanz zwischen der Bearbeitungsstelle beziehungsweise dem Werkzeug und der besagten Befestigungsstelle mit minimaler Störkontur von mehr als 20 %, insbesondere mehr als 50 %, insbesondere mehr als 80%, insbesondere einer Gesamtlänge des Gehäuses, der neuartigen Motorspindel. Außerdem ergibt sich ein vergleichsweise geringes Gewicht der Motorspindel selbst, sodass diese auch mittels einer automatisierten Manipulationsvorrichtung einfacher und präziser relativ zu dem Werkstück positioniert werden kann.

[0005] Es können also sehr gut Prozesskräfte aufgenommen werden wobei eine hohe Bearbeitungsgüte hinsichtlich Lage, Formtoleranzen, Rundlaufgenauigkeit und einer geringen Verlagerung des Werkzeugs relativ zu einer gewünschten Position sowie eine hohe Steifigkeit bei einem großen Drehzahlbereich erzielt werden, die ein hohes Zeitspanvolumen bzw. eine hohe Produktivität ermöglichen.

[0006] Die Präzision, als eines der wichtigsten Kriterien bei Motorspindeln kann deutlich verbessert werden. Vor allem ist die Wiederholgenauigkeit deutlich verbessert, sodass die erfindungsgemäße Motorspindel, insbesondere bei wechselnden Temperaturen, auf konstant gutem Niveau reproduzierbare Fräsergebnisse liefert. Im Vergleich zu Motorspindeln aus Stahl, die sich unter dem Einfluss von Wärme sehr stark ausdehnen, ist die Wiederholgenauigkeit enorm verbessert. Außerdem kann ein aus dem Stand der Technik bei Stahlmotorspindeln bekannter und betriebener Aufwand zum Erzeugen der Wiederholgenauigkeit durch das Vorsehen der unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien auf null, zumindest auf ein Minimum reduziert werden. Die vorteilhafte Ausgestaltung ist bereits strukturell in den unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien vorgegeben, insbesondere eventuell erforderliche Softwaretechnische Regelkreise sind nicht erforderlich oder können auf ein Minimum reduziert werden. Vielmehr ist es sogar möglich mittels der strukturell vorgegebenen Hardware in Form der faserverstärkten Kunststoffmaterialien den Regelkreis direkt in die Motorspindel zu integrieren. Das bedeutet, dass beispielsweise ein Laminataufbau der Motorspindel so ausgelegt ist, dass diese sich nicht mehr in axialer Richtung ausdehnt. Es kann insbesondere ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von Null in den faserverstärkten Kunststoffmaterialien vorgesehen sein. Dadurch ist es möglich, quasi auf alle Kompensationssysteme zu verzichten, sodass die Motorspindel nicht nur kostengünstiger herstellbar, sondern auch gleichzeitig präziser ist. Durch das schnelle Beschleunigen der Motorspindel als Ganzes sowie das Hochfahren und Herunterfahren ergeben sich besonders kurze Taktzeiten. Zusammen mit den gegebenenfalls erreichbaren höheren Drehzahlen bei gleicher Präzision ist also ein höherer Materialabtrag pro Zeit, also ein höheres Zeitspanvolumen möglich. Dies wird durch eine höhere Steifigkeit der Motorspindel bei einem gleichzeitig verringerten Gewicht erreicht. Insbesondere weisen die faserverstärkten Kunststoffmaterialien, insbesondere CFK-Materialien, im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Stahl eine bis zu 100-fach bessere Dämpfungseigenschaft auf, wodurch sich deutlich höhere dynamische Steifigkeiten ergeben. Insbesondere können kritische Frequenzen in einen nicht störenden Bereich verschoben werden. Dies ermöglicht auch eine starre Lagerung der aus dem faserverstärkten Kunststoffmaterial fertigbaren bzw. gefertigten Motorspindel. Auf ein gegebenenfalls sonst erforderliches Loslager, das zum Ausgleich von thermischen Dehnungen im Stand der Technik bekannt ist, kann verzichtet werden. Auf einen gegebenenfalls erforderlichen Schiebesitz innerhalb der Motorspindel kann also verzichtet werden. Die Motorspindel ist also Schiebesitzfrei bzw. Loslagerfrei mittels einer Lagervorrichtung gelagert. Darüber hinaus ist es bekannt, durch die unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien zumindest bereichsweise die Motorspindel so anzupassen, dass diese sich aufgrund von Fliehkräften und/oder Temperatureinflüssen an Anforderungen der Lagervorrichtungen anpasst. Insbesondere kann eine durch Fliehkraft bedingte Aufweitung so angepasst werden, dass dadurch ein Presssitz von auf die Spindelwelle aufgepressten Wälzlagern, insbesondere Kugellagern, auch bei hohen Drehzahlen eine ausreichende Haltekraft aufweist. Ein Durchrutschen von Lagerinnenringen aufgrund einer Fliehkraft bedingten Aufweitung kann so sicher verhindert werden. Es wird also ein nicht erwünschtes Abheben der Lagerung von der Spindelwelle bei hohen Drehzahlen verhindert. Es ist also in allen Betriebszuständen, ob Stillstand oder maximale Drehzahl eine ausreichende Flächenpressung zwischen den Lagern bzw. Lagerinnenringen und der Spindelwelle gegeben. Im Vergleich zu einer Lagerung auf Stahlwellen kann also ein Verlorengehen der Flächenpressung durch eine Fliehkraftaufweitung verhindert werden. Dies ermöglicht ein direktes Aufsetzen von Lagern auf die Spindelwelle, wobei auf eine radial zwischen der Lagerung und der Spindelwelle angeordnete Hülse aus Stahl verzichtet werden kann. Die Lagervorrichtung ist also radial zwischenhülsenlos ausgebildet. Außerdem kann durch die unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien eine insgesamt sehr leicht bauende und hochfeste Motorspindel bereitgestellt werden. Dadurch können Drehzahlen von bis zu 30.000 vorzugsweise bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute erzielt werden, wobei ein Beschleunigen und Abbremsen im Sekundentakt möglich ist. Diese Drehzahlen sind beispielsweise mit lebensdauerfettgeschmierten Lagern und einem Lagerbohrungsdurchmesser von 40 mm in starrer Anstellung realisierbar. Für andere Lagerauslegungen ergeben sich andere Drehzahlbereiche, die jeweils im Vergleich zu bekannten Konzepten ohne Qualitätsverluste deutlich höhere Drehzahlen ermöglichen. Für eine Dynamik und Energieeffizienz einer die Motorspindel aufweisenden Zerspanungsmaschine bringt dies entscheidende Vorteile.

[0007] Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein erstes der faserverstärkten Kunststoffmaterialien zwischen der Lagervorrichtung und einer Kühlvorrichtung angeordnet ist. Dieses erste der faserverstärkten Kunststoffmaterialien weist eine richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit auf, die in einer Richtung zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung erhöht ist. Unter der Richtung zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung kann insbesondere eine gedachte direkte Verbindung zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung verstanden werden. Es kann jedoch auch ein gekrümmter oder anderweitig gestalteter Wärmeleitpfad zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung darunter verstanden werden. In einer in einem Winkel zu der Richtung verlaufenden weiteren Richtung weist das erste faserverstärkten Kunststoffmaterial eine vergleichsweise geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Dadurch kann ein Wärmefluss von der Lagervorrichtung hin zur Kühlvorrichtung verbessert und damit eine gewünschte Temperierung der Lagervorrichtung erzielt werden.

[0008] Alternativ oder zusätzlich ist es in diesem Zusammenhang möglich, dass das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial ausgerichtete Wärmeleitfasern aufweist. Es wurde herausgefunden, dass mittels der ohnehin bei faserverstärkten Kunststoffmaterialien erforderlichen Fasern eine richtungsgebundene Wärmleitfähigkeit eingestellt werden kann. Dies kann zu Werten von einem Vielfachen von herkömmlichen Werkstoffen wie Stahl, insbesondere bis zu einem 30-fachen ausgebaut werden. Insbesondere Karbonfasern auf einer Pechbasis mit hoher Wärmeleitfähigkeit von 100-600 W/mK, insbesondere 300 bis 600 W/mK, wurden als besonders geeignet aufgefunden. Das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial weist also insbesondere Pechfasern auf.

[0009] Alternativ oder zusätzlich ist es ferner denkbar, dass die Wärmeleitfasern im Wesentlichen zwischen der Lagervorrichtung und der Kühlvorrichtung verlaufen. Dadurch ist es möglich, dass jede einzelne der Wärmeleitfasern einen Teilwärmeleitpfad bildet, die sich zu einem Wärmeleitpfad aufsummieren, der von der Lagervorrichtung hin zu der Kühlvorrichtung verläuft.

[0010] Bevorzugt ist es vorgesehen, dass ein Lagerschild der Lagervorrichtung das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial aufweist. Vorzugsweise weist also das Lagerschild der Lagervorrichtung die ausgerichteten Wärmleitfasern und damit den vorteilhaften Wärmeleitpfad auf. Das Lagerschild kann in einem direkten wärmeübertragenden Anlagekontakt zu Lagerau-ßenringen von Lagern der Lagervorrichtung angeordnet sein. Damit kann also in den Lagern entstehende Wärme, insbesondere Reibungswärme, direkt von dem jeweiligen Lageraußenring auf das Lagerschild und von dort über die ausgerichteten Wärmeleitfasern auf die Kühlvorrichtung übertragen werden. Die Kühlvorrichtung kann dazu ebenfalls in einem wärmeübertragenden Anlagekontakt mit einer den Lageraußenringen gegenüber liegenden Seite des Lagerschilds stehen. Insbesondere ist es denkbar, dass die radial außen liegende Seite des Lagerschildes benachbart zu einem ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, führenden Fluidpfad der Kühlvorrichtung angeordnet ist. Dadurch kann in die dem Außenring des jeweiligen Lagers entstehende Wärme direkt über das Lagerschild, also insbesondere die ausgerichteten Wärmeleitfasern, auf das wärmeführende Fluid, insbesondere das Wasser, übertragen werden. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Kühlung der Lagervorrichtung.

[0011] Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung, weist eine Distanzhülse der Lagervorrichtung das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial auf. Die Distanzhülse kann zur Beabstandung in einem wärmeübertragenden Anlagekontakt mit Lagerinnenringen von zwei Lagern der Lagervorrichtung stehen. Vorzugsweise sind die Lagerinnenringe loslagerfrei und/oder radial zwischenhülsenlos direkt auf der Motorspindel, insbesondere dort mittels eines Presssitzes fixiert. Durch den wärmeübertragenden Anlagekontakt kann entstehende Reibungswärme auf die Distanzhülse übertragen und von dieser weitergeleitet werden. Insbesondere kann dazu die Distanzhülse mit einem Wärmeübertragungsmedium, insbesondere Pressluft beaufschlagt werden. Mittels der Pressluft kann also die mittels der Distanzhülse aufgenommene Wärme weitergeleitet und schließlich abtransportiert werden. Insbesondere weist eine Oberfläche der Distanzhülse eine Begrenzung eines das Wärmeleitmedium, bzw. die Pressluftführenden Fluidpfads auf. Durch die direkte Benetzung kann also die Wärme noch besser abgeleitet werden. Dadurch können auch die Lagerinnenringe der Lagervorrichtung sehr gut temperiert bzw. gekühlt werden.

[0012] Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wärmeleitfasern an einer Oberfläche des ersten faserverstärkten Kunststoffmaterials angeschnitten sind oder zumindest zu dieser Oberfläche hin verlaufen. Unter zu der Oberfläche hin verlaufenden, kann verstanden werden, dass die Fasern kurz unter der Oberfläche enden. Im Falle des direkten Anschneidens, kann es jedoch auch sein, dass diese aus der Oberfläche herausragen bzw. an dieser direkt frei liegen. Dadurch kann ein besonders guter Wärmetransport bzw. Übergang von der Oberfläche in das Wärmeleitmedium und/oder mittels des vorab beschriebenen Wärmeübertragenden Anlagekontakts stattfinden.

[0013] Gemäß einer weiteren zusätzlichen oder alternativen Ausführung kann die Distanzhülse eine Einbuchtung aufweisen, in der die Wärmeleitfasern enden, wobei die Einbuchtung zum Abtransport von Wärme mit einem Wärmeleitmedium beaufschlagbar ist. Es ist denkbar, die Distanzhülse so zu fertigen, dass die Wärmeleitfasern in einer Längsrichtung der Motorspindel, insbesondere in einer Längsrichtung der Spindelwelle verlaufen. Dadurch verlaufen diese im Grundsatz von einem ersten inneren Lagerring zu einem zweiten inneren Lagerring, wobei die Distanzhülse an beiden Enden in einem wärmeübertragenden Anlagekontakt mit den Innenringen steht und gleichzeitig diese beabstandet, insbesondere dabei eine axiale Lagervorspannkraft überträgt. Mittels der Einbuchtung, die beispielsweise durch einen Materialabtrag herstellbar ist, können die Wärmeleitfasern auf einfache Art und Weise freigelegt werden. Dadurch kann also in der Distanzhülse beidseitig ein Wärmetransport von dem jeweiligen Lagerinnenring hin zu einem mittleren Bereich der Distanzhülse erfolgen. Der Wärmetransport erfolgt also von den beiden Enden der Distanzhülse hin zu einer Mitte der Distanzhülse, die die Einbuchtung aufweist. Um die Wärme endgültig abzutransportieren, kann die Einbuchtung mit dem Wärmeleitmedium, insbesondere Presslust, beaufschlagt werden. Vorteilhaft kann diese Konstruktion auch bei bereits üblichen Kühlvorrichtungen eingesetzt werden, bei denen ebenfalls zwischen zwei Lagern Pressluft eingebracht wird. Zusammenfassend müssen die vorteilhaften Wärmeleitfasern bzw. das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial mit der richtungsabhängig eingestellten Wärmeleitfähigkeit nicht an der gesamten Motorspindel vorgesehen werden. Vielmehr können die Vorteile bereits dadurch erzielt werden, dass das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial gezielt an dem Lagerschild und/oder der Lagerhülse vorgesehen ist, wobei an der übrigen Motorspindel ein als solches bekanntes übliches faserverstärktes Kunststoffmaterial verwendet wird, insbesondere ein CFK-Material.

[0014] Bei einem ebenfalls möglichen Ausführungsbeispiel ist ein zweites der faserverstärkten Kunststoffmaterialien an der Werkzeugschnittstelle und/oder ein fünftes der faserverstärkten Kunststoffmaterialien an der Lagervorrichtung angeordnet, die jeweils, insbesondere individuell angepasst, in einer Längsrichtung der Motorspindel eine vergleichsweise höhere Steifigkeit aufweisen als in einer Umfangsrichtung der Motorspindel. Die Werkzeugschnittstelle ist üblicherweise so ausgelegt, dass die Motorspindel den Werkzeughalter im zusammengefügten Zustand umfänglich umgreift. Dadurch entsteht eine Selbsthemmung, die beim Werkzeugwechsel, also beim Herausnehmen des Werkzeughalters aus der Spindelwelle überwunden werden muss. Durch die in Umfangsrichtung herabgesetzte Steifigkeit kann eine bei der Selbsthemmung auftretende Flächenpressung und damit die Auswerfkraft, die zum Auswerfen des Werkzeughalters erforderlich ist, verringert werden. Eine gewünschte Zentrierung des Werkzeughalters während der Kopplung, also während des Betriebs der Motorspindel ist dadurch nicht beeinträchtigt. Im umgekehrten Fall, also bei den Lagern, die radial außerhalb der Spindelwelle sitzen, kann eine Fliehkraft bedingte Aufweitung der Spindelwelle vergrößert werden, insbesondere genauso gewählt werden, dass eine Flächenpressung zwischen auf die Spindelwelle aufgesetzten Lagern der Lagervorrichtung und der Spindelwelle trotz Fliehkraft bedingter Aufweitung der Lager bzw. Innenringen der Lager möglichst konstant bleibt, zumindest drehzahlbedingt so korrigiert wird, dass ein Abheben der Lager von der Spindelwelle sicher vermieden werden kann. In diesem Fall ist es also möglich, das zweite faserverstärkte Kunststoffmaterial mit dem fünften faserverstärkten Kunststoffmaterial in nur einem Bauteil zu kombinieren. Mit nur einem integralen Bauteil, das zwei unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien aufweist, können also die vorab beschriebenen zwei Vorteile, also das erleichterte Auswerfen des Werkzeughalters und das Verhindern des Abhebens der Innenringe der Lager der Lagervorrichtung erzielt werden. Darüber hinaus ist es möglich, die gesamte Spindelwelle so auszulegen, dass diese im Übrigen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Null oder zumindest nahezu Null hat, sodass ein dritter Vorteil, nämlich eine temperaturunabhängige Präzision bzw. relative Lage des Werkzeugs zu dem Werkstück erzielt werden kann. In diesem Fall können also durch die unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien der vorzugsweise integral ausgeführten Spindelwelle gleich drei Vorteile erzielt werden. Alternativ kann dazu auch zumindest eines der faserverstärkten Kunststoffmaterialien für die beschriebenen unterschiedlichen Aufgaben an zwei Stellen des integralen Bauteils vorgesehen sein.

[0015] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein mit dem Werkzeughalter zusammenwirkender Wellenkonus der Spindelwelle das zweite faserverstärkte Kunststoffmaterial 45 aufweist. Der Wellenkonus dient üblicherweise zum Aufnehmen und Zentrieren eines Kegel-Hohlschafts des Werkzeughalters 13 in einem selbstgehemmten flächigen Anlagekontakt. Wie vorab beschrieben, kann eine dabei auftretende Flächenpressung durch die vorab beschriebene Einstellung des zweiten faserverstärkten Kunststoffmaterials 45 reduziert werden, was ein erleichtertes Auswerfen des Werkzeughalters und damit des Werkzeugs aus der Motorspindel ermöglicht.

[0016] Bei einer darüber hinaus möglichen Alternative ist es denkbar, dass die Spindelwelle eine mit dem Werkzeughalter zusammenwirkende Plananlage aufweist, wobei die Plananlage und der Wellenkonus als Doppelpassung für den Werkzeughalter wirken, wobei eine Spannkraft zum Einspannen des Werkzeughalters sich im Verhältnis 90 bis 70 zu 10 bis 30, vorzugsweise ca. 80 zu 20 auf die Plananlage zu dem Wellenkonus verteilt. Es ist möglich, dass die Werkzeugschnittstelle als Normteil ausgeführt ist, wobei üblicherweise der Wellenkonus und die Plananlage anschlagen. Bei einem Einführen des Werkzeughalters in die Spindelwelle wird dadurch die Flächenpressung zum Zentrieren innerhalb des Wellenkonus aufgebaut, die wiederum mittels der Plananlage limitiert werden kann. Beim Einbringen des Werkzeughalters in die Motorspindel wirken Kräfte in einer Längsrichtung der Spindelwelle bzw. Motorspindel. Bei einer normgerechten (DIN 69063) Stahlspindel beträgt die KraftVerteilung von Plananlage zu Konus je nach Lage der Fertigungstoleranzen von lediglich 60 bis 35 zu 40 bis 65. Der am Wellenkonus anfallende Anteil bedingt die in entgegengesetzter Richtung erforderliche Auswerfkraft. Es ist zu erkennen, dass durch die Herabsetzung des Anteils von 65 bis 40auf 10 bis 30, vorzugsweise 20 eine deutliche Verringerung der Auswerfkraft möglich ist. Dadurch kann sowohl eine zum Auswerfen des Werkzeughalters vorgesehene Auswerfvorrichtung als auch eine zum Spannen des Werkzeugs vorgesehene Spannvorrichtung deutlich schwächer und damit kleiner ausgelegt werden. Die Auswerfvorrichtung kann also vergleichsweise kleinere Mittel zum Auswerfen und/oder Einspannen des Werkzeughalters aufweisen. Insbesondere kann es sich um einen Linearantrieb, beispielsweise um einen magnetbetätigten, pneumatisch betätigten und/oder hydraulisch betätigten Linearantrieb zum Aufbringen der auf den Werkzeughalter beim Auswerfen und/oder Einspannen erforderlichen Kraft handeln.

[0017] Eine zusätzliche Ausführungsmöglichkeit sieht vor, dass ein Spannrohr der Werkzeugschnittstelle ein drittes der faserverstärkten Kunststoffmaterialien aufweist, wobei das dritte faserverstärkte Kunststoffmaterial eine vergleichsweise hohe innere Dämpfung aufweist. Beim Betrieb der Motorspindel werden von dem Werkzeug ausgehend Schwingung anregende Vibrationen bzw. pulsierende Kräfte übertragen. Diese wirken im gespannten Zustand der Werkzeugschnittstelle auch auf das Spannrohr. Durch die vergleichsweise hohe innere Dämpfung können longitudinale und/oder radiale Schwingungen des Spannrohrs auf ein Minimum reduziert werden. Insbesondere können entsprechende Resonanzfrequenzen erhöht werden, vorzugsweise in einen unkritischen Bereich verschoben werden. Dieser Effekt tritt durch die Kombination der unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien auf, wobei die vergleichsweise hohe innere Dämpfung lediglich an den besonders schwingungsanfälligen Bauteilen vorgesehen werden muss. Die vergleichsweise hohe innere Dämpfung kann jedoch auch bereichsweise an anderen Stellen der Motorspindel vorgesehen sein, die besonders schwingungsanfällig sind.

[0018] Eine bevorzugte Ausführungsform ist so ausgelegt, dass ein viertes der faserverstärkten Kunststoffmaterialien einen von einem weiteren Bauteil der Motorspindel abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder ein Zwischenring der Lagervorrichtung das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial aufweist. Insbesondere weist der Zwischenring einen Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Null oder zumindest nahe Null. Dadurch ergibt sich eine unterschiedliche thermische Ausdehnung der Spindelwelle und des darauf aufgesetzten Zwischenrings. Dies ermöglicht eine temperaturabhängige Beabstandung von zwei Wälzlagern, insbesondere Kugellagern, insbesondere von zwei Lagerinnenringen der zwei Kugellager der Antriebseinheit 17. Der Zwischenring steht bevorzugt dazu in einem kraftübertragenden Anlagekontakt mit den Innenringen der Kugellager der Lagervorrichtung. Es wurde herausgefunden, dass eine bei hohen Drehzahlen auftretende kinematische Verlagerung von Wälzkörpern und/oder Lagerringen der Lager der Lagervorrichtungen eine Vorspannkraft der Lager in einen nicht gewünschten Bereich verschieben bzw. erhöhen kann. Dadurch entstehen eine erhöhte Reibung und folglich eine erhöhte Erwärmung der Lager. Diese Erwärmung wird auf die Distanzhülse übertragen, sodass diese sich im Vergleich zu der Spindelwelle verkleinert. Dadurch wird automatisch die Lagervorspannung und damit die entstehende Wärmemenge verringert. Das speziell eingestellte vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial in Kombination mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial der Spindelwelle bildet also einen Regelkreis zum Einstellen der axialen Vorspannung der Lager der Lagervorrichtung. Dadurch ergibt sich eine drehzahlunabhängige bzw. drehzahlunabhängigere Lagerung der Spindelwelle, was durch die damit erzielbare verringerte Reibung zu einer längeren Standzeit der Lagervorrichtung führt. Grundsätzlich kann das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial an zumindest einem beliebigen in dem Kraftfluss der axialen Vorspannkraft liegenden Bauteil der Lagervorrichtung vorgesehen sein, insbesondere an einem zwischen den Lagerpaaren angeordneten Rotorträger, an den Lagerschilden, an der Spindelwelle und/oder an dem inneren und/oder äußeren Zwischenring.

[0019] Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial und/oder der Zwischenring zwischen zwei Lagern der Lagervorrichtung angeordnet ist, wobei über diese eine axiale Vorspannkraft auf die Lager übertragbar ist und von den Lagern ein Wärmestrom in den Zwischenring einleitbar ist, wobei eine Temperaturerhöhung des Zwischenrings eine Reduktion der axialen Vorspannkraft bewirkt. Dadurch ist ein Regelkreis gebildet, wobei die axiale Vorspannkraft die Regelgröße des Regelkreises darstellt. Als Messglied dienen die Lager selbst, die indirekt über die erhöhte Reibung und den dadurch erhöhten Wärmestrom die axiale Vorspannkraft aufnehmen bzw. messen. Als Regler und gleichzeitig als Stellglied dient der Zwischenring. Durch den negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verringert dieser bei einer Temperaturerhöhung die axiale Vorspannkraft. Als Störgröße wirkt in diesem Regelkreis insbesondere die Drehzahl und damit die kinematische Verlagerung, die die axiale Vorspannkraft erhöht. Weitere Störgrößen können auch Längenänderung von Distanzhülsen, Welle oder anderen Teilen sein, die im Kraftfluss der Lager sind. Den Störgrößen wird also durch die Verwendung der verstärkten Kunststoffmaterialien entgegengewirkt, was gleichzeitig zu einer gewünschten Temperaturreduzierung an den Lagern führt.

[0020] Es ist also alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Motorspindel einen Regelkreis zum Regeln der axialen Vorspannkraft aufweist, wobei das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial mit der axialen Vorspannkraft beaufschlagt ist und in Kombination mit dem weiteren Bauteil ein Messglied und/oder Stellglied des Regelkreises bildet. Der Regelkreis ist integraler Bestandteil der Bauteile der Motorspindel, was eine insgesamt einfacher aufgebaute und betreibbare Motorspindel ermöglicht.

[0021] Die Aufgabe ist außerdem durch ein Verfahren zum Regeln einer Lagervorrichtung gelöst, insbesondere einer Lagervorrichtung einer vorab beschriebenen Motorspindel zum Antreiben eines direkt geklemmten oder in einem Werkzeughalter gehaltenen Werkzeugs. Zunächst erfolgt ein Erzeugen eines bei einem Betrieb anfallenden Wärmestroms in einer Lagervorrichtung der Motorspindel. Dann wird der Wärmestrom in einen Zwischenring der Lagervorrichtung eingeleitet. Mittels einer durch den eingeleiteten Wärmestrom erzeugten Temperaturerhöhung erfolgt eine Veränderung einer Form des Zwischenrings, vorzugsweise eine Verkürzung des Zwischenrings. Außerdem erfolgt ein Reduzieren einer axialen Vorspannkraft der Lagervorrichtung mittels des Verkürzens des Zwischenrings. Grundsätzlich kann der strukturelle Aufbau der Lagervorrichtung so gewählt sein, dass eine beliebige temperaturbedingte Änderung der Form zu der Reduktion der axialen Vorspannkraft der Lagervorrichtung führt beziehungsweise ausgenutzt wird. Durch das Verfahren kann bevorzugt also eine negative Rückkopplung und damit ein Regelkreis zum Einstellen der axialen Vorspannkraft dargestellt werden. Dies erfolgt dann wie vorab beschrieben durch die Kombination von zwei unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien beziehungsweise einem entsprechend eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterial und einem weiteren unterschiedlich dazu eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterial. Eine kinematische Verlagerung von Wälzkörpern und/oder Lagerringen von Lagern der Lagervorrichtung bewirkt eine Erhöhung der axialen Vorspannkraft. Dadurch erhöht sich der Wärmestrom und es erfolgt eine Temperaturerhöhung des Zwischenrings. Dieser reagiert auf die Temperaturerhöhung durch eine Verkleinerung seiner axialen Länge, insbesondere relativ zu einer entsprechenden axialen Länge der Spindelwelle, auf der dieser aufgebracht ist. Dadurch verkürzt sich ein Abstand zwischen den Innenringen der Lager der Lagervorrichtung, wodurch sich die axiale Vorspannkraft erniedrigt. Die Erniedrigung der axialen Vorspannkraft durch das Zusammenziehen des Zwischenrings kann die kinematische Verlagerung zwar nicht verhindern, schafft jedoch einen Freiraum, den das entsprechende Lager beziehungsweise die Wälzkörper dabei einnehmen kann/können, wobei dadurch vorteilhaft einer sonst erzwungenen Verspannung und damit einhergehenden Erhöhung der Lagerreibung entgegengewirkt werden kann. Der so realisierte Regelkreis kann als Proportionalregler aufgefasst werden, wobei zwar eine Regelabweichung verbleibt, jedoch im Vergleich zum nicht geregelten Zustand deutlich geringere Temperaturen und/oder eine deutlich geringere Erhöhung der axialen Vorspannkraft trotz sehr hoher Drehzahlen bis zu 30.000, insbesondere 30.000 bis 60.000, insbesondere ungefähr 60.000 Umdrehungen pro Minute möglich sind. Durch die Regelung kann auf einen Schiebesitz verzichtet und alle Lager starr angestellt werden. Mit einem Lagerbohrungsdurchmesser von 40mm und lebensdauerfettgeschmierten Lagern in starrer Anstellung können beispielsweise Drehzahlen von 40.000 U/min und mehr erreicht werden. Außerdem kann ein Zeitverhalten des so realisierten Reglers beeinflusst werden durch ein Beaufschlagen des Zwischenrings mit einem Kühlmedium. Es erfolgt also optional ein Kühlen des Zwischenrings. Umso besser die Kühlung des Zwischenrings erfolgt, umso kürzer ist ein Zeitverhalten des als Messstrecke auffassbaren Wärmestroms von den Lagern in den Zwischenringen. Besonders vorteilhaft kann die Lagervorrichtung dadurch loslagerfrei und radial zwischenhülsenlos ausgelegt werden. Das erste Bauteil liegt in einem Kraftfluss der axialen Vorspannkraft. Im Kraftfluss der axialen Vorspannkraft liegen bei einem Ausführungsbeispiel der Rotorträger, die Spindelwelle und der äußere Zwischenring. Das Einleiten des Wärmestroms erfolgt also in zumindest ein, vorzugsweise in mehrere mit der axialen Vorspannkraft beaufschlagte Bauteile. Dabei kann es sich alternativ auch um den Zwischenring, den Rotorträger, das Lagerschild, die Spindelwelle und/oder den äußeren Zwischenring handeln.

[0022] Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Kurzbeschreibung der Figuren

[0023] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: <tb><SEP>Figur 1 eine Längsschnittansicht einer teilweise dargestellten Motorspindel; <tb><SEP>Figur 2 eine Detailansicht einer teilweise dargestellten Motorspindel analog der in Figur 1 dargestellten, im Unterschied mit in eine Spindelwelle integrierten Anbauteilen; <tb><SEP>Figur 3 eine Detailansicht einer Lagervorrichtung und einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Lagervorrichtung der in Figur 1 gezeigten Motorspindel; <tb><SEP>Figur 4 unterschiedliche Detailansichten einer teilweise dargestellten Werkzeugschnittstelle der in Figur 1 gezeigten Motorspindel; <tb><SEP>Figur 5 eine Prinzipdarstellung einer Lagervorrichtung einer Motorspindel analog der vorab gezeigten Motorspindeln zur Verdeutlichung einer drehzahlabhängigen Regelung einer axialen Vorspannung der Lagervorrichtung; und <tb><SEP>Figur 6 eine Längsschnittansicht einer teilweise dargestellten Motorspindel gemäß Stand der Technik.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

[0024] Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.

[0025] Figur 6 zeigt eine teilweise dargestellte Motorspindel 11 in einer Längsschnittansicht. Zunächst wird anhand der Figur 6 die Funktionsweise einer als solches bekannten Motorspindel 11 näher erläutert. Die bekannte Motorspindel 11 weist eine Spindelwelle 19 aus einem metallischen Werkstoff auf. Spindelwelle 19 ist mittels Lagern 61 bis 67 einer Lagervorrichtung 23 drehbar in einem Gehäuse 25 gelagert. Das Gehäuse 25 weist ebenfalls einen metallischen Werkstoff auf. An einem dritten Lager 65 und einem vierten Lager 67 ist ein Schiebesitz 107 vorgesehen, der mittels einer Feder 105 an einem metallischen Lagerschild 33 abgestützt ist. Dadurch kann eine thermische Längenausdehnung des metallischen Werkstoffes der Spindelwelle 19 ausgeglichen werden. Der Schiebesitz 107 gleitet also je nach Längenänderung der Spindelwelle 19 relativ zu dem Gehäuse 25 an dem Lagerschild 33 entlang. Dazu sind O-Ringe 109 zur Abdichtung zwischen dem Schiebesitz 107 und dem Lagerschild 33 vorgesehen.

[0026] Der Hauptunterschied zu den im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Motorspindeln 11 besteht darin, dass diese im Vergleich zu den in Figur 6 verwendeten metallischen Werkstoffen zumindest ein speziell eingestelltes faserverstärktes Kunststoffmaterial aufweisen, beispielsweise karbonfaserverstärktes Kunststofffasermaterial (CFK-Werkstoff). Besonders vorteilhaft können zumindest zwei solche Materialein vorgesehen sein. Neben weiteren anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläuterten Vorteilen, kann insbesondere die im Stand der Technik mittels des Schiebesitzes 107 realisierte Loslagerung entfallen. Stattdessen kann an einem vorderen Ende und einem hinteren Ende der Spindelwelle 19 jeweils eine Festlagerung vorgesehen sein. Aufgrund der vorteilhaft und/oder unterschiedlich eingestellten faserverstärkten Kunststoffmaterialien ist dennoch eine präzise und verschleißarme Lagerung der Spindelwelle 19 relativ zu dem Gehäuse 25 möglich.

[0027] Figur 1 zeigt eine teilweise dargestellte erfindungsgemäße Motorspindel 11 in einer Längsschnittansicht. Die Motorspindel 11 weist eine Spindelwelle 19 auf. Die Spindelwelle 19 ist mittels einer Lagervorrichtung drehbar in einem Gehäuse 25 gelagert. Dazu weist die Lagervorrichtung 23 zwischen einem vorderen Ende und einem hinteren Ende der Spindelwelle 19 zwei Lagerpaare mit einem ersten Lager 61, einem zweiten Lager 63, einem dritten Lager 65 und einem vierten Lager 67 auf. Die Lagerpaare der Lagervorrichtung 23 sind jeweils mittels einer auf der Spindelwelle 19 sitzenden Distanzhülse 35 und einer radial außerhalb der Distanzhülse 35 angeordneten äußeren Zwischenring 81 voneinander beabstandet und vorgespannt.

[0028] Die Spindelwelle 19 ist mittels einer Antriebseinheit 17 antreibbar. Bei der Antriebseinheit 17 handelt es sich um eine Elektromaschine mit einem Stator 113, Magneten 91 und einer Eisenblechung 93. Die Magnete 91 und die Eisenblechung 93 sind radial außerhalb auf einem Rotorträger 97 aufgenommen. Der Rotorträger 97 wiederum sitzt direkt auf der Spindelwelle 19. Außerdem ist radial außerhalb der Magnete 91 eine Abdeckung in Form einer Hülse 95 vorgesehen. Die Lagervorrichtung 23 weist radial oberhalb der Lager 61 bis 67 zwei Lagerschilde 33 auf. Radial oberhalb der Lagerschilde 33 ist eine Kühlhülse 79 angeordnet, die zusammen mit dem Gehäuse 25 einen Fluidpfad zum Führen eines zweiten Wärmeleitmediums 43 bereitstellt. Bei dem zweiten Wärmeleitmedium 43 kann es sich um eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser handeln. Das zweite Wärmeleitmedium 43 zirkuliert durch den Fluidpfad und dient zur Kühlung der Motorspindel 11, insbesondere über die Lagerschilde 33 zur Kühlung der Lager 61 bis 67 der Lagervorrichtung 23. Außerdem kann über den Fluidpfad, der auch radial oberhalb der Antriebseinheit 17 verläuft, eine von dieser erzeugten Abwärme abgeführt werden.

[0029] Der Wasserfluidpfad, die Kühlhülse 79 und das Gehäuse 25 sind Teil einer Kühlvorrichtung 29 der Motorspindel 11.

[0030] Zur Vorspannung der Lagervorrichtung 23 und zum Verschließen des Gehäuses 25 weist die Motorspindel 11 an einem vorderen Ende eine Schleuderscheibe 101 sowie einen vorderen Deckel 103 auf. Die Schleuderscheibe 101 ist radial außerhalb mit der Spindelwelle 19 montiert, beispielsweise mittels eines Presssitzes, einer Verschraubung mit der Spindelwelle und/oder einer anderen Verbindungstechnik wie Kleben, Bonden und/oder ähnliches. Der vordere Deckel 103 ist mit einem vorderen der Lagerschilde 33 montiert. An einem hinteren Ende der Motorspindel ist analog eine hintere Spannkappe 85 auf der Spindelwelle 19 montiert. Außerdem ist ein an einem hinteren der Lagerschilde 33 vorgesehener hinterer Deckel 83 montiert. An dem hinteren Deckel 83 und der hinteren Spannkappe 85 ist das vierte Lager 67 abgestützt. An der Schleuderscheibe 101 und dem vorderen Deckel 103 ist das erste Lager 61 der Lagervorrichtung 23 abgestützt.

[0031] Die Motorspindel 11 weist außerdem einen lediglich in den Figuren 4a und b dargestellten Werkzeughalter 13 zum Verbinden eines lediglich mittels des Bezugszeichens 15 angedeuteten Werkzeugs mit der Spindelwelle 19 der Motorspindel 11 auf. Der Werkzeughalter 13 kann in einen Wellenkonus 47 in die Spindelwelle 19 eingebracht und dort mit diesem gekoppelt werden. Dazu ist eine in den Figuren 4a und b teilweise dargestellte und lediglich angedeutete Werkzeugspannvorrichtung 115 innerhalb der Spindelwelle 19 angeordnet. Die Motorspindel 11 weist also mit der Werkzeugspannvorrichtung 115 und dem Wellenkonus 47 eine Werkzeugschnittstelle 21 zum lösbaren drehfesten Koppeln des Werkzeughalters 13 mit der Spindelwelle 19 auf.

[0032] Wie in Figur 1 ebenfalls zu erkennen, ist in die Spindelwelle 19 radial unterhalb des ersten Lagers 61 ein Temperatursensor 99 integriert. Durch die integrierte Anordnung des Temperatursensors 99 kann eine Temperatur der Lagervorrichtung 23, insbesondere eines Lagerinnenrings 87 des ersten Lagers 61 besonders genau und schnell gemessen werden. Außerdem ist in dem vorderen Deckel 103 ein weiterer Temperatursensor 99 angeordnet. Dieser dient zum Messen einer Temperatur eines ersten wärmeleitenden Mediums, insbesondere Luft, das zum Kühlen der Lagervorrichtung 23 in die Motorspindel 11 einpressbar ist.

[0033] Die in Figur 1 gezeigte Motorspindel 11 weist zumindest zwei hinsichtlich einer Wärmeleiteigenschaft und/oder eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder einer Steifigkeit unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien auf, insbesondere CFK. Insbesondere sind die Spindelwelle 19, das Gehäuse 25, die Lagerschilde 33, die Distanzhülse 35, der Wellenkonus 47, ein Spannrohr 53 der Werkzeugschnittstelle 21, ein in Figur 1 nicht dargestellter weiterer Zwischenring 57 einer weiteren Lagervorrichtung 23, der äußere Zwischenring 81 der Lagervorrichtung 23, die Hülse 95 der Antriebseinheit 17, der Rotorträger 97 der Antriebseinheit 17 aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial hergestellt. Zumindest zwei davon sind unterschiedlich eingestellt.

[0034] Figur 2 zeigt eine weitere teilweise dargestellte Motorspindel 11 in einer Schnittansicht analog der Figur 1. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Als wesentlicher Unterschied sind in Figur 1 auf der Spindelwelle aufmontierte Bauteile wie der Rotorträger 97 und ein radial innerhalb der Spindelwelle 19 angeordneter Halter 77 als integrale Bestandteile der Spindelwelle 19 ausgeführt. Der Halter 77 dient zum Abstützen und Montieren der nicht näher dargestellten Werkzeugspannvorrichtung 115. Es ist zu erkennen, dass als weiterer Unterschied das erste Lager 61 und das zweite Lager 63 von vorne und das dritte Lager 65 und das vierte Lager 67 von hinten auf die Spindelwelle 19, also beidseitig des integrierten Rotorträgers 97 montierbar sind. Im Gegensatz dazu werden alle vier Lager 61 bis 67 bei der Motorspindel 11 gemäß Figur 1 von der Rückseite auf die Spindelwelle 19 aufgebracht.

[0035] Figur 3 zeigt eine Detailansicht der Lagervorrichtung 23 auf das erste Lager 61 und das zweite Lager 63. Die Lagervorrichtung 23 ist mittels einer Kühlvorrichtung 29 kühlbar. Die Kühlvorrichtung 29 weist ein erstes faserverstärktes Kunststoffmaterial 27 auf. Dieses weist richtungsabhängige Wärmeleiteigenschaften auf. Genauer weisen die Distanzhülse 35 und das Lagerschild 33 das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial 27 auf. Die übrigen vorab beschriebenen Komponenten weisen ein anderes faserverstärktes Kunststoffmaterial auf. Die Kühlvorrichtung 29 weist zwei Kühlkreisläufe auf, in denen ein erstes Wärmeleitmedium 41, hier Luft und das zweite Wärmeleitmedium, 43, hier Wasser, zirkulieren. Die Strömung des ersten Wärmeleitmediums 41 und entsprechende Luftfluidpfade sind mittels ersten Pfeilen 117 symbolisiert. Der Wasserfluidpfad und damit die Strömung des zweiten Wärmeleitmediums 43 ist mittels zweiten Pfeilen 119 symbolisiert.

[0036] Wie in Figur 3 dargestellt, sind sowohl in das Lagerschild 33 als auch in dem äußeren Zwischenring 81 der Lagervorrichtung 23 Luftfluidpfade eingebracht. Das erste Wärmeleitmedium 41 strömt durch einen mittleren Fluidpfad ein und wird dadurch in einen radial oberhalb der Distanzhülse 35 und entsprechend radial unterhalb des äußeren Zwischenrings 81 verbleibenden Hohlraum eingeblasen. Dadurch benetzt das erste Wärmeleitmedium 41 eine Oberfläche 37 der Distanzhülse 35. Wie in Figur 3 weiter zu erkennen, weist die Oberfläche 37 der Distanzhülse 35 in der Längsschnittansicht eine Einbuchtung 39 auf. Die Einbuchtung 39 ist dementsprechend mit dem ersten Wärmeleitmedium 41 beaufschlagt.

[0037] Die Distanzhülse 35 steht beidseitig mit den Lagerinnenringen 87 des ersten Lagers 61 und des zweiten Lagers 63 in einem wärmeübertragenden und kraftübertragenden Anlagekontakt. Wie mittels dritten Pfeilen 121 in Figur 3 symbolisiert, findet ein Wärmestrom bzw. Wärmeübergang von den Lagerinnenringen 87 auf die Distanzhülse 35 statt. Die Leitung des Wärmestroms erfolgt mittels in einer Längsrichtung der Motorspindel 11 bzw. der Distanzhülse 35 in diese eingebrachten Wärmeleitfasern 31. Die Wärmeleitfasern 31 können auf Pechbasis hergestellt sein und dadurch eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

[0038] Durch die optional vorgesehene Einbuchtung 39 sind die Wärmeleitfasern 31 an einer Oberfläche 37 angeschnitten bzw. führen zu dieser hin, enden insbesondere kurz unterhalb der Oberfläche 37. Dadurch kann der mittels der dritten Pfeile 121 symbolisierte Wärmetransport von den Lagerinnenringen 87 über die Wärmeleitfasern 31 zu der Oberfläche 37 der Distanzhülse 35 erfolgen. An der Oberfläche 37 wird die in den Lagern 61 und 63 anfallende und dort hingeleitete Reibungswärme von dem ersten Wärmeleitmedium 41 aufgenommen und über zwei Abluftkanäle aus der Motorspindel 11 herausgeführt.

[0039] Wie außerdem in Figur 3 zu erkennen ist, weist auch das Lagerschild 33 die Wärmeleitfasern 31 auf. Diese ermöglichen einen Wärmestrom, der ebenfalls mittels dritten Pfeilen 121 symbolisiert ist, ausgehend von radial unterhalb des Lagerschilds 33 angeordneten Lageraußenringen 89 des ersten Lagers 61 und des zweiten Lagers 63 über die vorzugsweise metallische Kühlhülse 79 hinweg hin zu dem Wasserfluidpfad, also in das zweite Wärmeleitmedium 43.

[0040] Als weitere optionale Besonderheit weist das Lagerschild 33 selbst zwei unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien auf. Die Wärmeleitfasern 31 sind zwischen dem Wasserfluidpfad und dem Lageraußenring 89 des ersten Lagers 61 schräg radial nach oben angeordnet. Zwischen dem Lageraußenring 89 des zweiten Lagers 63 und dem Wasserfluidpfad sind diese radial senkrecht nach oben ausgerichtet. Dadurch kann ein gleichmäßigeres Einbringen und gezieltes Lenken bzw. Führen des Wärmestroms über das zweite Wärmeleitmedium 43 erfolgen. Die vorab beschriebenen Vorteile lassen sich dadurch erzielen, dass zumindest zwei unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien, also das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial 27 des Lagerschildes 33 und/oder der Distanzhülse 35 sowie zumindest ein weiteres faserverstärktes Kunststoffmaterial vorgesehen sind.

[0041] Figur 4 zeigt in vier Ansichten A bis D jeweils ein stark schematisiertes Detail der Werkzeugspannvorrichtung 115 sowie eine Kraftverteilung beim Einspannen und Ausspannen des Werkzeugs 15.

[0042] Die Werkzeugspannvorrichtung 115 weist neben nicht näher dargestellten Komponenten eine Auswerfvorrichtung 75 zum Auswerfen des Werkzeughalters in Form des Spannrohrs 53 auf.

[0043] In Figur 4A ist der Werkzeughalter 13 in einem eingespannten Zustand gezeigt. Dabei sitzt ein Kegel-Hohlschaft des Werkzeughalters 13 in dem Wellenkonus 47. Der Wellenkonus 47 weist ein zweites faserverstärktes Kunststoffmaterial 45 auf. Dieses weist in einer Längsrichtung der Motorspindel eine vergleichsweise höhere Steifigkeit auf als in einer Umfangsrichtung des Wellenkonus 47 bzw. der Spindelwelle 19. Dies führt dazu, dass eine Flächenpressung des Kegel-Hohlschafts des Werkzeughalters 13 in dem Wellenkonus 47, wie in Figur 4A dargestellt, vergleichsweise kleiner ist.

[0044] Figur 4B zeigt einen Zustand der Werkzeugschnittstelle 21, bei der das Spannrohr 53 in Richtung des Werkzeughalters 13 verlagert ist und innerhalb des Kegel-Hohlschafts anschlägt. Dadurch wird eine Auswerfkraft 123 in den Werkzeughalter 13 eingeleitet, die eine Gegenkraft 125 an dem Wellenkonus 47 induziert. Vorteilhaft ist auf Grund des zweiten faserverstärkten Kunststoffmaterials 47 die induzierte Gegenkraft vergleichsweise gering, sodass die Auswerfvorrichtung 75 vergleichsweise schwächer ausgelegt werden kann. Dadurch kann diese mit geringeren Kräften arbeiten, insbesondere vergleichsweise kleinere Linearantriebe wie einen Hydraulikstempel aufweisen. Dadurch kann eine vergleichsweise kleiner bauende Motorspindel 11 bereitgestellt werden. Die Auswerfkraft 123 und die Gegenkraft 125 sind in Figur 4B dargestellt.

[0045] Im entgegengesetzten Fall, also beim Einspannen des Werkzeughalters 13 in den Wellenkonus 47 der Spindelwelle 19 wird mittels der Werkzeugspannvorrichtung 115 eine Spannkraft 127 von dem Spannrohr 53 auf den Kegel-Hohlschaft des Werkzeughalters 13 übertragen. Diese teilt sich auf in eine Konuskraft 129, des Wellenkonus 47 und in eine Anschlagkraft 131, die an einer Plananlage 49 an einem vorderen Ende der Spindelwelle 19 auftritt. Die Plananlage 49 und der Wellenkonus 47 der Spindelwelle 19 bilden eine Doppelpassung für den Werkzeughalter 13, wobei an der Doppelpassung 51 die Konuskraft 129 und die Anschlagkraft 131 induziert werden beziehungsweise von dieser als Gegenkraft zur Spannkraft 127 in den Werkzeughalter 13 eingeleitet werden. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Anschlagkraft 131 zur Konuskraft 129 70 bis 90 zu 10 bis 30, vorzugsweise circa 80 zu 20. Es ist zu erkennen, dass die Konuskraft durch das zweite faserverstärkte Kunststoffmaterial 45 des Wellenkonus 47 vergleichsweise gering ist, da dieses in Umfangsrichtung eine vergleichsweise geringe Steifigkeit aufweist. Dadurch ist auch die Auswerfkraft 123 geringer, wobei aufgrund der vergleichsweisen höheren Steifigkeit in Längsrichtung dennoch gute longitudinale Schwingungseigenschaften erzielt werden können. Eine gleichzeitige Optimierung beider Eigenschaften wäre bei herkömmlichen metallischen Werkstoffen nicht möglich.

[0046] Das Spannrohr 53 weist ein drittes faserverstärktes Kunststoffmaterial 55 mit einer vergleichsweise hohen inneren Dämpfung auf. Wie in Figur 4A schematisch zu erkennen, können von dem Werkzeug 15 über den Werkzeughalter 13 Schwingungen auf das Spannrohr 53 übertragen werden. Diese können durch das dritte faserverstärkte Kunststoffmaterial 55, insbesondere durch die vergleichsweise hohe innere Dämpfung und das gute Dichte zu Steifigkeitsverhältnis reduziert werden und/oder in einer Eigenfrequenz in einen weniger störenden höheren Frequenzbereich verschoben werden.

[0047] Figur 5 zeigt eine in Längsrichtung stark überhöhte Darstellung der Lagervorrichtung 23 mit den Lagern 61 bis 67 zum Verdeutlichen einer Vorrichtung zum Regeln einer Vorspankraft 69 zum Vorspannen der Lager 61 bis 67. Die Vorspannkraft ist in Figur 5 mittels Pfeilen und deren Wirkung mittels strichpunktierten Linien symbolisiert. Die Lageraußenringe 89 des zweiten Lagers 63 und des dritten Lagers 65 schlagen an Stufen 71 der jeweiligen Lagerschilde 33 an. Dadurch wird in diese die Vorspannkraft 69 eingeleitet. Die Lageraußenringe 89 der Lager 61 und 63 und der Lager 65 und 67 werden jeweils durch einen äußeren Zwischenring 81 voneinander beabstandet. Die äußeren Zwischenringe 81 sind jeweils radial innerhalb der Lagerschilde 33 zwischen den jeweiligen Lagerpaaren angeordnet. Die Lagerinnenringe 87 der jeweiligen Lagerpaare werden jeweils durch einen auf der Spindelwelle 19 sitzenden Zwischenring 57 voneinander beabstandet. Außerdem schlagen die Lagerinnenringe 87 des zweiten Lagers 63 und des dritten Lagers 65 jeweils an einer Seite des Rotorträgers 97 an.

[0048] Um die axiale Vorspannkraft 69 einzustellen, ist ein Abstand zwischen den Stufen 71 geringer als eine Länge des Rotorträgers 97. Der Unterschied kann beispielsweise 30 µm betragen, optional zwischen 25 und 35 µm. Außerdem sind die Zwischenringe 57 jeweils kürzer als die äußeren Zwischenringe 81. Die Differenz kann circa 10 µm betragen, insbesondere zwischen 8 und 12 µm. In einem Betrieb der Motorspindel 11, also bei schnell rotierender Spindelwelle 19 tendieren Wälzkörper 111 der Lager 61 bis 67 radial nach außen, was zu einer Erhöhung der Vorspannkraft 69. Dieser Effekt, der als kinematische Verlagerung bekannt ist, bewirkt bei hohen Drehzahlen eine vergleichsweise höhere Lagerreibung und damit einen vergleichsweise hohen Wärmestrom, der in Figur 3 mittels den dritten Pfeilen 121 symbolisiert ist. Dadurch erwärmt sich der Zwischenring 57 vergleichsweise stark.

[0049] Vorteilhaft weist der jeweilige Zwischenring 57 ein viertes faserverstärktes Kunststoffmaterial 59 auf. Dieses weist einen von den übrigen Bauteilen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der beispielsweise kleiner als Null ist. Das bedeutet, dass sich eine Länge der Zwischenringe 57 bei einer Temperaturerhöhung relativ zu den anderen Bauteilen verändert, insbesondere verkürzt. Die anderen Bauteile, insbesondere die jeweiligen äußeren Zwischenringe 81, die Spindelwelle 19 und/oder der Rotorträger 97 weisen ein davon abweichendes Material auf, insbesondere faserverstärktes Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizient von Null, beziehungsweise ungefähr Null. Dadurch kann also der Längenunterschied zwischen dem jeweiligen äußeren Zwischenring 81 und dem Zwischenring 57 vergrößert werden. Dies führt zu einer Reduktion der Vorspannkraft 69. Den Rotorträger 97 kann man auch als Distanzhülse zwischen den Lagern 61 und 63 und der Lager 65 und 67 verstehen. Dieser kann optional zusätzlich oder allein das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial 59 aufweisen, insbesondere CFK. Dadurch kann man diesen auch durch eine abweichende Einstellung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten nutzen, um die Vorspannung beziehungsweise die axiale Vorspannkraft 69 einzustellen, zu steuern und/oder zu regeln.

[0050] Die in Figur 5 gezeigte Anordnung der Lagervorrichtung 23 stellt also einen Regler zum drehzahlabhängigen Einstellen der Vorspannkraft 69 der Lager 61 bis 67 bereit.

[0051] Konkret wird zunächst durch den Betrieb der Motorspindel 11 ein drehzahlabhängiger Wärmestrom in den Lagern 61 bis 67 erzeugt. Der Wärmestrom ist nicht nur von der Drehzahl, sondern auch von der durch die kinematische Verlagerung der Wälzkörper 111 bewirkten Erhöhung der Vorspannkraft 69 abhängig. Als Regelgröße des Regelkreises kann also die Vorspannkraft 69 angesehen werden. Diese wird indirekt durch den mittels der dritten Pfeile 121 symbolisierten Wärmestrom von dem Zwischenring als Messglied gemessen. Dieser stellt neben dem Messglied auch gleichzeitig das Stellglied des Regelkreises dar. Der Zwischenring 57 verkürzt sich auf Grund der Eigenschaften des vierten faserverstärkte Kunststoffmaterials 59 mittels der durch den eingeleiteten Wärmestrom erzeugten Temperaturerhöhung relativ zu den übrigen Teilen im Kraftfluss. Das Verkürzen des Zwischenrings 57 bewirkt eine Reduzierung der axialen Vorspannkraft 69 der Lagervorrichtung 23. Die in Figur 5 gezeigte Lagervorrichtung 23 ist loslagerfrei und direkt auf der Spindelwelle 19 aufgesetzt. Insbesondere die Lagerinnenringe 87 sind also direkt auf der Spindelwelle 19 gehalten, insbesondere mittels eines Presssitzes. Dies wird durch die vorteilhaften unterschiedlichen faserverstärkten Kunststoffmaterialen, insbesondere durch die in Figur 5 näher erläuterte Regelung der Vorspannkraft 69 ermöglicht.

[0052] Wie in Figur 3 dargestellt ist es möglich, die Zwischenringe 57 zu kühlen, wodurch sich ein Zeitverhalten des Regelkreises verbessert. Insbesondere wird die Messstrecke des Regelkreises dadurch schneller.

[0053] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Spindelwelle 19 radial unterhalb der Lager 61 bis 67, genauer radial unterhalb der Lagerinnenringe 87 ein fünftes faserverstärktes Kunststoffmaterial 73 auf. Dieses weist in Umfangsrichtung der Spindelwelle 19 eine verringerte Steifigkeit auf als in Längsrichtung der Spindelwelle 19. Dies führt dazu, dass bei hohen Drehzahlen eine stärkere Aufweitung der Spindelwelle 19 erfolgt. Diese ist vorzugsweise so stark erhöht, dass dadurch ein Abheben der Lagerinnenringe 87 der Lager 61 bis 67 von der Spindelwelle 19 verhindert werden kann. Außerdem kann dieser Effekt auch dazu ausgenutzt werden, die Vorspannkraft 69 zusätzlich zu der Beeinflussung durch den vorab beschrieben Regelkreis direkt fliehkraftabhängig und damit drehzahlabhängig zu beeinflussen. Die Einstellung des fünften faserverstärkten Kunststoffmaterials 73 spannt also von radial unten die Lager 61 bis 67 optional zusätzlich abhängig von der Drehzahl. Dadurch kann eine über den ganzen Drehzahlbereich der Motorspindel quasi konstante Vorspannkraft 69 bewirkt werden.

[0054] Die Erfindung ist nicht auf die einzelnen Ausführungsbeispiele begrenzt. Vielmehr können die einzelnen Ausführungsbeispiele zu neuen Ausführungen kombiniert werden. Insbesondere können beispielsweise in einem Bauteil die Vorteile der vorab beschriebenen Kühlung und Regelung miteinander kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

[0055] 11 Motorspindel 13 Werkzeughalter 15 Werkzeug 17 Antriebseinheit 19 Spindelwelle 21 Werkzeugschnittstelle 23 Lagervorrichtung 25 Gehäuse 27 erstes faserverstärktes Kunststoffmaterial 29 Kühlvorrichtung 31 Wärmeleitfaser 33 Lagerschild 35 Distanzhülse 37 Oberfläche 39 Einbuchtung 41 erstes Wärmeleitmedium 43 zweites Wärmeleitmedium 45 zweites faserverstärktes Kunststoffmaterial 47 Wellenkonus 49 Plananlage 51 Doppelpassung 53 Spannrohr 55 drittes faserverstärktes Kunststoffmaterial 57 Zwischenring 59 viertes faserverstärktes Kunststoffmaterial 61 erstes Lager 63 zweites Lager 65 drittes Lager 67 viertes Lager 69 Vorspannkraft 71 Stufe 73 fünftes faserverstärktes Kunststoffmaterial 75 Auswerfvorrichtung 77 Halter 79 Kühlhülse 81 äußerer Zwischenring 83 hinterer Deckel 85 hintere Spannkappe 87 Lagerinnenring 89 Lageraußenring 91 Magnete 93 Eisenblechung 95 Hülse 97 Rotorträger 99 Temperatursensor 101 Schleuderscheibe 103 vorderer Deckel 105 Feder 107 Schiebesitz 109 O-Ring 111 Wälzkörper 113 Stator 115 Werkzeugspannvorrichtung 117 erster Pfeil 119 zweiter Pfeil 121 dritter Pfeil 123 Auswerfkraft 125 Gegenkraft 127 Spannkraft 129 Konuskraft 131 Anschlagkraft

Claims (11)

1. Motorspindel (11) zum Antreiben eines direkt geklemmten oder in einem Werkzeughalter (13) gehaltenen Werkzeugs (15), mit: - einer mittels einer Antriebseinheit (17) angetriebenen Spindelwelle (19), - einer Werkzeugschnittstelle (21) zum lösbaren drehfesten Koppeln des Werkzeughalters (13) mit der Spindelwelle (19), - einer Lagervorrichtung (23) zum drehbaren Lagern der Spindelwelle (19), - einem Gehäuse (25), in dem die Spindelwelle (19), die Lagervorrichtung (23) und die Antriebseinheit (17) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorspindel (11) einen strukturell in die Motorspindel integrierten Regelkreis mit zumindest zwei hinsichtlich einer Steifigkeit, einer Wärmeleiteigenschaft und/oder eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlich eingestellte faserverstärkte Kunststoffmaterialien aufweist.

2. Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes (27) der faserverstärkten Kunststoffmaterialien zwischen der Lagervorrichtung (23) und einer Kühlvorrichtung (29) angeordnet ist, das eine richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit aufweist, die in einer Richtung, die zwischen der Lagervorrichtung (23) und der Kühlvorrichtung (29) verläuft, erhöht ist.

3. Motorspindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial (27) ausgerichtete Wärmeleitfasern (31) aufweist, wobei die Wärmeleitfasern (31) im Wesentlichen zwischen der Lagervorrichtung (23) und der Kühlvorrichtung (29) verlaufen.

4. Motorspindel nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagerschild (33) und/oder eine Distanzhülse (35) der Lagervorrichtung (23) das erste faserverstärkte Kunststoffmaterial (27) aufweist/en, wobei die Wärmeleitfasern (31) an einer Oberfläche (37) angeschnitten sind oder zumindest zu der Oberfläche (37) hin verlaufen, wobei die Distanzhülse (35) eine Einbuchtung (39) aufweist, in der die Wärmeleitfasern enden, wobei die Einbuchtung (39) zum Abtransport von Wärme mit einem Wärmeleitmedium (41) beaufschlagbar ist.

5. Motorspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites (45) und/oder fünftes (73) der faserverstärkten Kunststoffmaterialen an der Werkzeugschnittstelle (21) und/oder radial unterhalb der Lagervorrichtung (23) angeordnet ist/sind, die in einer Längsrichtung der Spindelwelle (19) der Motorspindel (11) eine vergleichsweise höhere Steifigkeit aufweisen als in einer Umfangsrichtung der Spindelwelle (19).

6. Motorspindel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Werkzeughalter (13) zusammenwirkender Wellenkonus (47) der Spindelwelle (19) das zweite faserverstärkte Kunststoffmaterial (45) aufweist, wobei die Spindelwelle (19) eine mit dem Werkzeughalter (13) zusammenwirkende Plananlage (49) aufweist, wobei die Plananlage (49) und der Wellenkonus (47) als Doppelpassung (51) für den Werkzeughalter (13) wirken, wobei eine Spannkraft (127) zum Einspannen des Werkzeughalters (13) sich im Verhältnis 90 bis 70 zu 10 bis 30, vorzugsweise circa 80 zu 20 auf die Plananlage (49) zu dem Wellenkonus (47) verteilt.

7. Motorspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannrohr (53) der Werkzeugschnittstelle (21) ein drittes (55) der faserverstärkten Kunststoffmaterialen aufweist, wobei das dritte faserverstärkte Kunststoffmaterial (55) eine vergleichsweise hohe innere Dämpfung aufweist.

8. Motorspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes (59) der faserverstärkten Kunststoffmaterialien einen von einem weiteren Bauteil der Motorspindel (11) abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder ein Zwischenring (57) der Lagervorrichtung (23) das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial (59) aufweist.

9. Motorspindel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial (59) und/oder der Zwischenring (57) zwischen zwei Lagern (61,63;65,67) der Lagervorrichtung (23) angeordnet ist, wobei über dieses/diesen eine axiale Vorspannkraft (69) auf die Lager (61,63;65,67) übertragbar ist und von den Lagern (61,63;65,67) ein Wärmestrom in das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial (59) und/oder in den Zwischenring (57) einleitbar ist, wobei eine Temperaturerhöhung des vierten faserverstärkten Kunststoffmaterials (59) und/oder des Zwischenrings (57) eine Reduktion der axialen Vorspannkraft (69) bewirkt.

10. Motorspindel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorspindel einen Regelkreis zum Regeln der axialen Vorspannkraft (69) aufweist, wobei das vierte faserverstärkte Kunststoffmaterial (59) mit der axialen Vorspannkraft (69) beaufschlagt ist und in Kombination mit dem weiteren Bauteil ein Messglied und/oder Stellglied des Regelkreises bildet.

11. Verfahren zum Regeln einer Lagervorrichtung (23), insbesondere einer Lagervorrichtung einer Motorspindel (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - Erzeugen eines bei einem Betrieb anfallenden Wärmestroms (121) einer Lagervorrichtung (23) der Motorspindel (11), - Einleiten des Wärmestroms (121) in zumindest ein mit einer axialen Vorspannkraft beaufschlagtes und ein faserverstärktes Kunststoffmaterial aufweisendes erstes Bauteil der Lagervorrichtung (23), insbesondere in zumindest ein Bauteil der Lagervorrichtung (23) aus der Gruppe: der Zwischenring (57), einen Rotorträger (97), das Lagerschild (33), die Spindelwelle (19), ein äußerer Zwischenring (81), - Verändern einer Länge oder Form des ersten Bauteils mittels einer durch den eingeleiteten Wärmestrom (121) erzeugten Temperaturerhöhung relativ zu einem ein weiteres faserverstärktes Kunststoffmaterial aufweisenden weiteren Bauteil der Lagervorrichtung (23), - Steuern der axialen Vorspannkraft (69) mittels des Veränderns der Länge oder Form des ersten Bauteils relativ zu dem weiteren Bauteil.