DD240157A1 - WORKING SPINDLE FOR A TOOL MACHINE FOR FINISHING - Google Patents

Abstract

Der Einsatz kann an Maschinen mit rotierenden Werkstuecken und feststehenden Werkzeugen oder rotierenden Werkzeugen und feststehenden Werkstuecken erfolgen. Ziel ist es, die Spindel relativ einfach herzustellen und trotzdem eine Feinbearbeitung zu gewaehrleisten. Es ist dazu die Aufgabe zu loesen, die Drehmomente stoerungsfrei zu uebertragen und geringe Fluchtungsfehler der Lagerstellen auszugleichen. Die Loesung erfolgt an einer Arbeitsspindel, bestehend aus auf gleicher Achse angeordneten Antriebsteil und Arbeitsteil, beide Teile durch eine Kupplung verbunden, erfindungsgemaess dadurch, dass der Arbeitsteil zwei Lagerstellen, davon mindestens ein Festlager aufweist, der Antriebsteil eine Lagerstelle auf der Resultierenden der angreifenden Riemen- bzw. Zahnkraefte aufweist und die Kupplung zwischen Antriebsteil und Arbeitsteil gelenkig ausgebildet ist.It can be used on machines with rotating workpieces and fixed tools or rotating tools and fixed workpieces. The goal is to make the spindle relatively easy and still guarantee a fine machining. It is the task to solve, to transmit the torques without interference and to compensate for low misalignment of the bearings. The solution is made on a work spindle, consisting of arranged on the same axis drive part and working part, both parts connected by a coupling according to the invention in that the working part has two bearing points, of which at least one fixed bearing, the drive part a bearing on the resultant of the attacking belts or tooth forces and the coupling between the drive part and working part is articulated.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Werkzeugmaschinen mit rotierender Arbeitsspindel und hohen Genauigkeitsanforderungen. Der Einsatz kann an Maschinen mit rotierenden Werkstücken und feststehenden Werkzeugen oder > rotierenden Werkzeugen und feststehenden Werkstücken erfolgen.Field of the invention are machine tools with rotating work spindle and high accuracy requirements. It can be used on machines with rotating workpieces and stationary tools or rotating tools and stationary workpieces.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Mittels der Feindrehbearbeitung (seit einiger Zeit auch gehärteter Oberflächen) ist es möglich,.enge Toleranzen und geringe Rauhtiefen bei vielen Werkstücken rationeller und in kürzerer Zeit herzustellen, als es durch Schleifen möglich ist. Voraussetzung hierfür ist, daß die benutzten Maschinen neben hoher geometrisch-kinematischer Genauigkeit auch ein ausgezeichnetes dynamisches Verhalten besitzen. Eins der Hauptprobleme hierbei ist, eine Arbeitsspindel nebst Antrieb und Lagerungen zu schaffen, die außer der geforderten Rotation keine weiteren, unerwünschten Bewegungen in Form von erzwungenen und Eigenschwingungen sowie deren Überlagerungen ausführt. Durch sehr steife, dynamisch ausgewuchtete Spindeln in hochgenauen Lagerungen von großer Federsteife (u.U. auch noch mit schwingungsdämpfender Wirkung) kann den Forderungen an eine Feindreh-Arbeitsspindel weitgehend entsprochen werden.By means of fine turning (for some time also hardened surfaces), it is possible to produce narrow tolerances and low roughness depths for many workpieces more efficiently and in a shorter time than is possible by grinding. The prerequisite for this is that the machines used also have excellent dynamic behavior in addition to high geometric-kinematic accuracy. One of the main problems with this is to create a work spindle together with drive and bearings, which, apart from the required rotation, does not carry out any further undesired movements in the form of forced and natural vibrations and their superimpositions. By very stiff, dynamically balanced spindles in highly accurate bearings of great spring stiffness (u.U. also with vibration damping effect) can be largely met the requirements of a fine-speed work spindle.

Ein noch nicht befriedigend gelöstes Problem ist die Einleitung des Antriebsdrehmomentes ohne gleichzeitige Einwirkung von wechselnden und zum Teil auch stoßartig wirkenden Kräften quer zur Spindelachse, wodurch die Spindel zu unerwünschten und das Arbeitsergebnis nachteilig beeinflussenden Störbewegungen angeregt wird.A not yet satisfactorily solved problem is the initiation of the drive torque without simultaneous action of alternating and sometimes also jerky forces across the spindle axis, whereby the spindle is excited to unwanted and the work result adversely affecting jamming movements.

Es ist bekannt, dem beschriebenen Mangel dadurch zu begegnen, daß die Spindel in zwei selbständig gelagerte Teile mit verschiedenen Aufgaben getrennt wird. Der Antriebsteil wird durch Riemen oder Zahnräder angetrieben, während der Arbeitsteil die Aufgabe der eigentlichen Arbeitsspindel übernimmt. Hierdurch läßt sich ein gewisser Prozentsatz der auf den Antriebsteil wirkenden Störkräfte vom Arbeitsteil fernhalten. Bei den bekannten Lösungen wird der Arbeitsteil konzentrisch vom Antriebsteil umgeben und entweder von diesem durch eine trennbare Zahnkupplung (Direktantrieb) oder über ein Zahnradvorgelege angetrieben. Der Antrieb über Zahnradvorgelege dient vorzugsweise zum Schruppen bei extrem hohen Zerspanungskräften oder zum Gewindeschneiden mit Schnellstahlwerkzeugen (Bewegungsgewinde). Er kann bei den folgenden Ausführungen, die speziell für die Feinbearbeitung mit hohen Drehzahlen gelten, unbeachtet gelassen werden.It is known to counteract the described deficiency that the spindle is separated into two independently mounted parts with different tasks. The drive part is driven by belts or gears, while the working part takes over the task of the actual work spindle. As a result, a certain percentage of the disturbing forces acting on the drive part can be kept away from the working part. In the known solutions of the working part is concentrically surrounded by the drive part and either driven by this by a separable toothed clutch (direct drive) or via a gear countershaft. The drive via gear reduction is preferably used for roughing at extremely high cutting forces or for threading with high-speed steel tools (motion thread). It can be disregarded in the following versions, which are specifically designed for high speed finishing.

Infolge stets vorhandener, kleiner Koaxialitätsabweichungen zwischen Antriebs- und Arbeitsteil, sowie kleiner Rundlauf- und Teilungsfehler in den formschlüssigen Kupplungsverzahnungen, wird durch die Kupplung nicht nur ein Drehmoment übertragen, sondern es werden auch, begünstigt durch stoßartige kleine Winkelgeschwindigkeitsänderungen, stoßartig wirkende Querkräfte erzeugt. Hierdurch wird der Vorteil der in Antriebs- und Arbeitsteil getrennten Spindel teilweise wieder zunichte gemacht. Das ist um so mehr der Fall, je höher die Spindeldrehzahl ist und je größer die Fertigungsungenauigkeiten der ' an der Drehmomentübertragung beteiligten Bauteile sind. Die zulässigen Toleranzen für Koaxialität, Teilungsgenauigkeit und Rundlauf liegen für die heute geforderten Arbeitsgenauigkeiten beim Feindrehen im /A-Bereich und erfordern damit einen außerordentlich hohen Fertigungsaufwand.As a result of ever-present, small Koaxialitätsabweichungen between drive and working part, as well as small concentricity and pitch error in the positive clutch teeth, not only a torque is transmitted through the clutch, but it also, favored by jerky small angular velocity changes, produces jerky transverse forces. As a result, the advantage of the separate spindle in the drive and working part is partially nullified again. This is all the more the case, the higher the spindle speed and the greater the manufacturing inaccuracies of the components involved in the torque transmission. The permissible tolerances for coaxiality, pitch accuracy and concentricity are for today required working precision in fine turning in / A range and thus require an extremely high production cost.

Eine andere bekannte Lösung, bei derauf ein Zahnradvorgelege im Spindelkasten verzichtet wird, ordnet Antriebs-und Arbeitsteil hintereinander auf gleicher Achse an und verbindet beide durch eine elastische Kupplung. An die Kupplung werden hierbei folgende Forderungen gestellt: Hohe Drehsteife, niedrige Biegesteife und niedrige Quersteife (Senkrecht zur Rotationsachse). Diese Forderungen lassen sich nicht in vollkommener Weise gleichzeitig erfüllen, so daß auch hierbei trotz hohen Fertigungsaufwandes kein völlig befriedigender Effekt eintritt.Another known solution, in which waived a gear countershaft in the headstock, arranges drive and working part one behind the other on the same axis and connects both by a flexible coupling. The following requirements are imposed on the clutch: high torsional stiffness, low bending stiffness and low transverse stiffness (perpendicular to the axis of rotation). These requirements can not be met simultaneously in a perfect manner, so that here, too, despite high manufacturing costs no completely satisfactory effect occurs.

Nach DD-PS 78162 ist eine Einrichtung zum Übertragen der Drehbewegungen und -momente auf Präzisionsspindeln bekannt. Eine als Kreuzgelenk gestaltete Kupplung, bei der je zwei Bolzen in einer auf der Bohrspindel radial festen, axial jedoch verschiebbaren Buchse, bzw. in der Antriebsbuchse fest angeordnet sind, und ein Kupplungsglied auf diesen Bolzen sowohl dreh- als auch axial verschiebbar angeordnet ist, befindet sich zwischen Antrieb und Spindel und soll ein Ausweichen der Einzelteile bei auftretenden Radialkräften ermöglichen. Diese Lösung behandelt das Problem der störungsfreien Drehmomentübertragung an Präzisionsspindeln die axial verschiebbar sind. Die möglichen Störungen sind jedoch nicht vollständig vermeidbar, da die radial gleitenden Bolzen bei Drehmomentenbelastung doch Querkräfte übertragen. Die DE-OS 2043237 erreicht durch die genannte Lösung höchste Rundlaufeigenschaften, wobei die Arbeitsspindel über eine koaxial angeordnete Antriebseinheit unter Zwischenschaltung einer radialkraftfreien Kupplung angetrieben wird. Bestandteil der Lösung ist aber ein spezielles, aufwendig herzustellendes aerostatisches Lager, wodurch eine fertigungstechnisch einfache Konstruktion nicht möglich ist.According to DD-PS 78162 a device for transmitting the rotational movements and moments on precision spindles is known. A designed as a universal joint coupling in which two bolts in a fixed on the drill spindle radially fixed, but axially displaceable bush, or in the drive bushing are fixed, and a coupling member is arranged both rotatably and axially slidably on this bolt between drive and spindle and should allow evasion of the items in radial forces. This solution deals with the problem of trouble-free torque transmission to precision spindles which are axially displaceable. However, the possible disturbances are not completely avoidable, since the radially sliding bolts transmit lateral forces at torque load. The DE-OS 2043237 achieved by said solution highest concentricity properties, wherein the work spindle is driven via a coaxially arranged drive unit with the interposition of a radial force-free coupling. However, part of the solution is a special, expensive to manufacture aerostatic bearing, whereby a production engineering simple construction is not possible.

Die DE-OS 2723916 beschreibt eine Werkzeugmaschine für eine hochgenaue, präzise Bearbeitung. Die Maschine besitzt einen die Arbeitsspindel drehenden Antriebsmotor, der schwingungs- bzw. vibrationsmäßig von der Arbeitseinrichtung isoliert ist und eine ebenso angeordnete Übertragungseinrichtung der Motorkraft auf die Arbeitsspindel. Diese Lösung ist aber nur für hohe Drehzahlen und geringe Drehmomente geeignet und kann nicht an Maschinen eingesetzt werden, wo bei der Schruppbearbeitung große Drehmomente bei geringen Drehzahlen übertragen werden.DE-OS 2723916 describes a machine tool for a high-precision, precise machining. The machine has a work spindle rotating drive motor, which is vibration or vibration isolated from the working device and a likewise arranged transmission device of the motor power to the work spindle. However, this solution is only suitable for high speeds and low torques and can not be used on machines where in the roughing large torques are transmitted at low speeds.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist Ziel der Erfindung, eine Arbeitsspindel zu schaffen, die relativ geringe Anforderungen an ihre Fertigung stellt und eine Feinbearbeitung ermöglicht.It is an object of the invention to provide a work spindle, which places relatively low demands on their production and allows fine machining.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die Arbeitsspindel so zu gestalten, daß die Einleitung des Antriebsdrehmomentes ohne wechselnde oder stoßartige Querkräfte zur Spindelachse möglich ist, wodurch eine störungsfreie Drehmomentenübertragung auf das rotierende Werkzeug oder Werkstück erfolgen kann. Durch die Gestaltung der Arbeitsspindel sollen weiterhin geringe Fluchtungsfehler der Lagerstellen kompensierbar sein.The object of the invention is to make the work spindle so that the introduction of the drive torque is possible without changing or jerky transverse forces to the spindle axis, whereby a trouble-free torque transmission can be done on the rotating tool or workpiece. Due to the design of the work spindle low misalignment of the bearings should continue to be compensated.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt an einer Arbeitsspindel, bestehend aus auf gleicher Achse angeordneten Antriebsteil und Arbeitsteil, beide Teile durch eine Kupplung verbunden, erfindungsgemäß dadurch, daß der Arbeitsteil zwei Lagerstellen, davon mindestens ein Festlager aufweist, der Antriebsteil eine Lagerstelle auf der Resultierenden der angreifenden Riemenbzw. Zahnkräfte aufweist und die Kupplung zwischen Antriebsteil und Arbeitsteil gelenkig ausgebildet ist. Die genannte Anordnung ermöglicht es, geringe Fluchtungsfehler der Lagerstellen unschädlich zu machen, ohne daß an die Kupplung die Forderung geringer Quersteife gestellt zu werden braucht. Ihre Ausführung wird hierdurch relativ leicht lösbar. Als Beispiele seien ein Kardangelenk mit kraftschlüssig vorgespannten Lagerstellen oder eine Membrankupplung genannt. Durch die Lagerung des Antriebsteiles mit nur einem Lager, während der andere Lagerpunkt durch die Kupplung gebildet wird, sowie die Anordnung des Lagers auf der Resultierenden der angreifenden Riemen bzw. Zahnkräfte kann eine Querkraftübertragung auf den Arbeitsteil durch die Kupplung nicht stattfinden, da der Hebelarm der angreifenden Resultierenden gleich Null ist. Die Fertigung der gesamten Arbeitsspindel wird relativ einfach und die Übertragung von Störbewegungen auf den Arbeitsteil minimiert.The solution of the task is carried out on a work spindle, consisting of arranged on the same axis drive part and working part, both parts connected by a coupling, according to the invention in that the working part has two bearings, thereof at least one fixed bearing, the drive part a bearing on the resultant of the attacking Riemenbzw. Having tooth forces and the coupling between the drive part and working part is articulated. Said arrangement makes it possible to neutralize minor misalignment of the bearings without the requirement of low transverse stiffness needs to be placed on the clutch. Their execution is thereby relatively easily solvable. Examples include a universal joint with non-positively biased bearings or a diaphragm coupling called. Due to the storage of the drive member with only one bearing, while the other bearing point is formed by the coupling, and the arrangement of the bearing on the resultant of the attacking belt or tooth forces can not take place a lateral force transmission to the working part by the clutch, since the lever arm of the attacking resultant is zero. The production of the entire work spindle is relatively easy and the transmission of interference to the working part minimized.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand derzugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die dargestellte Figur zeigt die geschnittene Seitenansicht einer horizontalen Arbeitsspindel in einer Werkzeugmaschine. Im Spindelkasten 1 ist die in Arbeitsteil 2 und Antriebsteil 3 geteilte Arbeitsspindel sichtbar, wobei der Arbeitsteil 2 in durch Druckfedern 4 axial vorgespannten Präzisions-Schrägkugellagem 5 gelagert ist. Ein Radialkugellager 6 stützt den Antriebsteil 3 im Angriffspunkt der Resultierenden der Riemenkraft F_R, die auf die Riemenscheibe 7 wirkt. Arbeitsteil 2 und Arbeitsteil 3 der Arbeitsspindel sind durch die biegeelastische Membran 8 dreh-und quersteif miteinander verbunden. Unter der dargestellten Figur ist die Spindelanordnung schematisch dargestellt, wobei die Stellen, auf die es bei der Funktion ankommt, durch strichpunktierte Fluchtlinien mit den entsprechenden Bauelementen der Figur verbunden sind. Die Resultierende der Riemenkraft F_R kann um das Auflager C keine Momente erzeugen, da ihr Hebelarm Null ist. Infolgedessen können auch am Gelenkpunkt D keinerlei Querkräfte in den Arbeitsteil 2 bzw. die Auflager A und B übertragen werden. Durch die Biegeelastizität der Membran 8 werden auch bei geringfügigen Fluchtungsfehlern der Lagerstellen, die fertigungsbedingt auftreten könnten, keine Biegemomente im Gelenkpunkt D übertragen werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. The illustrated figure shows the sectional side view of a horizontal work spindle in a machine tool. In the headstock 1, the split in the working part 2 and drive part 3 work spindle is visible, the working part 2 is mounted in by compression springs 4 axially biased precision angular contact ball bearings 5. A radial ball bearing 6 supports the drive part 3 in the point of application of the resultant of the belt force F _R , which acts on the pulley 7. Working part 2 and working part 3 of the work spindle are rotationally and transversely rigidly connected to each other by the flexurally elastic membrane 8. Below the illustrated figure, the spindle assembly is shown schematically, the points that matter in the function are connected by dash-dotted lines of flight with the corresponding components of the figure. The resultant of the belt force F _R can generate no moments around the support C, since its lever arm is zero. As a result, no transverse forces can be transmitted to the working part 2 or the supports A and B at the hinge point D. Due to the bending elasticity of the membrane 8, no bending moments in the hinge point D are transmitted even with minor misalignment of the bearings, which could occur due to production, no bending moments.

Claims (1)

Erfindungsanspruch:Invention claim: Arbeitsspindel für eine Werkzeugmaschine zur Feinbearbeitung, die aus zwei, auf gleicher Achse angeordneten, durch eine Kupplung verbundenen Teilen besteht, wovon der Antriebsteil vom Hauptantrieb aus angetrieben wird und der Arbeitsteil als eigentliche Arbeitsspindel dient, gekennzeichnet dadurch, daß der Arbeitsteil (2) zwei Lagerstellen (A; B), davon mindestens ein Festlager aufweist, der Antriebsteil (3) eine Lagerstelle (C) auf der Resultierenden der angreifenden Riemen- bzw. Zahnkräfte aufweist und die Kupplung (D) zwischen Antriebsteil (3) und Arbeitsteil (2) gelenkig ausgebildet ist.Work spindle for a machine tool for finishing, consisting of two, arranged on the same axis, connected by a coupling parts, of which the drive part is driven by the main drive and the working part serves as the actual work spindle, characterized in that the working part (2) has two bearings (A; B), of which at least one bearing has, the drive part (3) has a bearing point (C) on the resultant of the attacking belt or tooth forces and the coupling (D) between the drive part (3) and working part (2) articulated is trained.