DE102013109947A1

DE102013109947A1 - Spindel

Info

Publication number: DE102013109947A1
Application number: DE201310109947
Authority: DE
Inventors: Daniel Trippel
Original assignee: FISCHER FORTUNA GmbH
Current assignee: Fischer Praezisionsspindeln De GmbH
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: DE102013109947B4

Abstract

Es wird eine Spindel vorgestellt. Diese umfasst ein Spindelgehäuse (10), das zumindest abschnittsweise aus einem CFK-Werkstoff gefertigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spindel, insbesondere eine Motorspindel oder Riemenspindel.
Eine Spindel kann bspw. in Werkzeugmaschinen eingesetzt werden. Dabei kann die Spindel, bspw. bei Drehmaschinen, das Werkstück oder, wie bspw. bei Schleifmaschinen, das Werkzeug aufnehmen. Es wird somit zwischen werkzeugtragenden und werkstücktragenden Spindeln unterschieden.
Mit Motorspindel wird eine direktangetriebene präzise gelagerte Welle mit typischerweise integrierter Werkzeugschnittstelle bezeichnet. Durch die direkte Kopplung des Antriebs mit der präzise gelagerten Welle ist eine äußerst genaue Bearbeitung des Werkstücks möglich.
Aus der Druckschrift DE 28 37 321 C2 ist eine Spindel mit großer freier Kraglänge bekannt, deren Spindelwelle in einem Spindelgehäuse über Endlagerungen abgestützt ist, zwischen denen die Spindelwelle einen Längsabschnitt aufweist, der mit mindestens einem schwingungsdämpfenden Radiallager über ein Lagergehäuse am Spindelgehäuse abgestützt ist. Bei der beschriebenen Spindel ist vorgesehen, dass der Längsabschnitt der Spindelwelle durch eine zwischengeschaltete biegeweiche Kupplungswelle gebildet ist, die gegenüber der in den Endlagerungen geführten Wellenabschnitten im Durchmesser abgesetzt ist und bei der die als Hilfsmasse dienende Lagergehäuse radial nachgiebig am Spindelgehäuse abgestützt ist.
Die beschriebene Spindel, die aus Stahl gefertigt ist, ermöglicht es, dass Schwingungen der Spindelwelle nur in geringem Maße auf die Endlagerungen übertragen werden. Weiterhin kann die Spindel für einen breiten Drehzahlbereich eingesetzt werden.
Es werden zudem ähnliche Konstruktionen mit teilweise gekuppelten Wellen und teilweise Vollwellen eingesetzt. Auch für diese wird bislang Stahl als Werkstoff für die Spindelhülse mit den bekannten Eigenschaften verwendet.
Vor diesem Hintergrund wird eine Spindel gemäß Anspruch 1 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es wird somit vorgeschlagen, den für das Bauteil Spindelgehäuse bisher eingesetzten Werkstoff Stahl durch einen Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoff zumindest abschnittsweise zu ersetzen.
Die Spindel weist somit ein Spindelgehäuse auf, in dem eine Spindelwelle geführt ist. Dabei ist das Spindelgehäuse zumindest abschnittsweise aus einem CFK-Werkstoff hergestellt.
Weiterhin kann das Spindelgehäuse einen modularen Aufbau mit Komponenten aufweisen. In diesem Fall ist zumindest eine der Komponenten aus einem CFK-Werkstoff gefertigt. Die anderen Komponenten können bspw. aus Stahl gefertigt sein. Selbstverständlich können auch alle Komponenten des Spindelgehäuses aus einem CFK-Werkstoff gefertigt sein.
Als Komponente kann das Spindelgehäuse eine Spindelhülse, eine Lagerhülse und/oder eine Einspannhülse umfassen.
Dabei kann die Spindelhülse, die Lagerhülse und/oder die Einspannhülse aus einem CFK-Werkstoff gefertigt sein. Zumindest eine der Komponenten ist aus einem CFK-Werkstoff gefertigt. Die anderen Komponenten können bspw. aus Stahl gefertigt sein.
In einer besonderen Ausführung ist die Lagerhülse aus Stahl, die Spindelhülse aus einem CFK-Werkstoff und die Einspannhülse aus Stahl gefertigt. Dies ist aber nur eine mögliche Materialauswahl.
Weiterhin kann zumindest eine Verbindung zwischen Komponenten des Spindelgehäuses als Klebeverbindung ausgeführt sein.
Darüber hinaus kann zumindest eine Verbindung zwischen Komponenten des Spindelgehäuses als Querpressverbindung bzw. Schrumpfverbindung ausgeführt sein.
Die vorgestellte Spindel kann nach dem Kupplungswellenprinzip aufgebaut sein, wie dieses in der Druckschrift DE 28 37 321 C2 beschrieben ist.
Danach ist die Spindel eine Spindel mit großer freier Kraglänge, deren Spindelwelle in einem Spindelgehäuse über Endlagerungen abgestützt ist, zwischen denen die Spindelwelle einen Längsabschnitt aufweist, der mit mindestens einem schwingungsdämpfenden Radiallager über ein Lagergehäuse am Spindelgehäuse abgestützt ist. Bei der Spindel ist vorgesehen, dass der Längsabschnitt der Spindelwelle durch eine zwischengeschaltete biegeweiche Kupplungswelle gebildet ist, die gegenüber der in den Endlagerungen geführten Wellenabschnitten im Durchmesser abgesetzt ist und bei der die als Hilfsmasse dienende Lagergehäuse radial nachgiebig am Spindelgehäuse abgestützt ist.
Weiterhin kann das Spindelgehäuse an seinem Außenumfang mit einer Ringnut versehen sein, in der ein Feder-Dämpfungs-Element des schwingungsdämpfenden Lagers angeordnet ist. Das Feder-Dämpfungselement kann durch die Parallelschaltung eines Federelements und eines elastoplastischen Stützkörpers gebildet sein.
Als Stützkörper kann ein Gummiring vorgesehen sein. Als Dämpfungselement kann ein Reibungsdämpfer vorgesehen sein.
Die vorgestellte Spindel kann bspw. als Motorspindel oder Riemenspindel ausgebildet sein. Das Spindelgehäuse kann insbesondere einen zylindrischen oder abgesetzten Aufbau haben und dabei einteilig oder mehrteilig, insbesondere modular, ausgebildet sein. In einer Ausführung kann die Spindel einen Schleifkopf tragen.
Unter einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, der als CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) oder Kohlefaser-Verbund-Werkstoff bezeichnet wird, ist ein Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff zu verstehen, bei dem Kohlenstofffasern, typischerweise in mehreren Lagen, als Verstärkung in eine Kunststoff-Matrix eingebettet sind. In vielen Fällen besteht die Matrix aus Duromeren, bspw. Epoxidharz, oder aus Thermoplasten.
Die vorgestellte Spindel kann bspw. als überlange Schleifspindel für die kritische Bearbeitung tiefer Bohrungen vorgesehen sein. Der innere Aufbau kann grundsätzlich dem Aufbau entsprechen, der in der genannten Patentschrift DE 28 37 321 C2 beschrieben ist. Insbesondere mit dieser Bauart ist es möglich, Spindeln mit beliebiger Länge bis zu einem Durchmesser/Längenverhältnis von 1:25 aufzubauen. So sind auch Verhältnisse von 1:8 oder 1:20 möglich. Derartig lang frei austragende Schleifspindeln werden in vielen Bereichen benötigt, bspw. im Flugzeugbau für das Ausschleifen von Landebeinen, im Maschinenbau bei Hydraulikteilen, im Fahrzeugbau für das Bearbeiten von Achsen usw.
Durch das Konstruktionsprinzip lassen sich die Einzelmodule der arbeitsseitigen, bspw. schleifseitigen, und antriebseitigen Lagerung bezüglich Steifigkeit und Drehzahlverhalten optimal auslegen. Da das Gesamtsystem statisch nicht überbestimmt ist und durch die Vielzahl der Lagerstellen und Stützlager über eine hohe Dämpfung verfügt, können mit diesen Spindeln ausgezeichnete Ergebnisse bei schwierigen Schleifoperationen im tiefen Bohrungsgrund erreicht werden.
Zu beachten ist, dass bei der spanenden Fertigung die Reduzierung von Haupt- und Nebenzeiten das vornehmliche Ziel bei Entwicklungen ist. Hinsichtlich der Reduzierung der Hauptzeiten sind beim Schleifen von Tieflochbohrungen folgende Einflussgrößen maßgeblich:
a) Erhöhung des Zeitspanvolumens Q'_w
Dies erfolgt durch Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit v_c, abhängig vom verwendeten Schleifmittel bis > 50 m/s bei Werkstückwerkstoff Stahl, wobei dies durch die in der Druckschrift DE 28 37 321 C2 beschriebenen Spindel mit dem inneren Aufbau nach dem Kupplungswellenprinzip geleistet werden kann, und der Vorschubgeschwindigkeit v_f.
Problematisch bei diesen Maßnahmen ist, dass sich durch diese eine Erhöhung der Schleifnormalkraft einstellt, die speziell bei einer überlangen Spindel zu einer erhöhten Durchbiegung der Spindelhülse führt.
b) Durchbiegung der Spindelhülse bzw. des Spindelgehäuses
Das Spindelgehäuse biegt sich gemäß folgender Formeln unter seinem Eigengewicht und unter dem Einfluss der Schleifnormalkräfte, die am äußeren Ende der Spindel eingeleitet werden, durch: Durchbiegung f unter Kraftangriff am äußeren Ende:
Durchbiegung f_E unter konstanter Flächenlast bzw. Eigengewicht:
wobei

F: = wirkende radiale Kraft, hier Schleifnormalkraft
I: = frei auskragende Länge des Balkens, hier das Spindelgehäuse
E: = Elastizitätsmodul
l: = polares Flächenträgheitsmoment des Spindelgehäuses, hier ein Kreisringquerschnitt

Die erhaltenen Werte für die Durchbiegung unter Lastangriff und unter konstanter Streckenlast addieren sich zur Gesamtdurchbiegung: f_ges = f + f_E
Es ist zu erkennen, dass die frei auskragende Länge des Spindelgehäuses den größten Einfluss auf die Durchbiegung hat, nämlich dass diese in der dritten Potenz eingeht. Dieser Wert kann nur geringfügig verändert werden, er kann nur, soweit dies möglich ist, an das Kundenwerkstück angepasst werden. Dies gilt ebenso für das polare Flächenträgheitsmoment der Spindelhülse. Dieses ist ebenfalls durch das Kundenwerkstück sowie die innere Konstruktion der Spindel festgelegt.
Es zeigt sich somit, dass durch Erhöhen des E-Moduls der Spindelhülse bzw. des Spindelgehäuses deren bzw. dessen Durchbiegung unter Eigengewicht und Schleifnormalkräften signifikant zu reduzieren ist und damit die steigenden Kräfte aus dem Schleifprozess aufgenommen werden können. Dies wird durch Einsatz eines Kohlefaserverbund-Werkstoffes (CFK) für das Spindelgehäuse bzw. die Spindelhülse erreicht.
Moderne CFK-Werkstoffe erreichen oder übertreffen die Werkstoffeigenschaften von Stahl, sind deutlich leichter und verfügen über eine wesentlich höhere innere Dämpfung, was einen vorteilhaften Einfluss auf die Minderung der im Zerspanungsprozess auftretenden Schwingungen und damit der Oberflächengüte des Werkstücks und der Standzeit des Schleifwerkzeugs hat.
Ein weiterer Aspekt ist durch die Möglichkeit gegeben, durch Variation der Faserwinkel einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α im Bereich von etwa 0·10^–6/K einstellen zu können. Damit haben äußere Einflüsse durch Temperaturänderungen nahezu keine Auswirkung mehr auf die Verformung der Spindel im Betrieb. Dies beeinflusst die Temperaturstabilität der Spindel und verbessert dadurch die Werkstückgenauigkeit.
Um einen möglichst hohen E-Modul im Verbund zu erreichen, kann als Faserwerkstoff eine UHM-Faser (UHM: Ultra-Hoch-Modul) eingesetzt werden. Als Matrix kann Epoxidharz verwendet werden. In Kombination dieser Faser und einem Wickelwinkel im Bereich von 0 bis 30 Grad werden die nachstehend aufgeführten Werkstoffdaten erzielt:

Stahl CFK-UHM-Verbund Differenz

E-Modul [Gpa] ~210 > 330 + ca. 57%

Dichte [g/cm³] ~7,85 1,5–1,7 – ca. 80%

Wärmeaustauschkoeffizient [×10⁶ 1/K] ~12 ~0 – ca. 120%
Bezogen auf die Spindelhülse ergeben sich die folgenden Vorteile im Vergleich zu einer Hülse aus Stahl:

– über 30% geringere Verformung unter Last und Eigengewicht
– über 80% geringere Verlagerung unter Eigengewicht
– ca. 270% höhere Eigenfrequenz
– bis zu ca. 20-fach höhere Dämpfung

Weiterhin ist zu beachten, dass aufgrund der heutigen fortschrittlichen Fertigungsverfahren eine solche Spindelhülse kostengünstig hergestellt werden kann, bspw. durch Wickeln auf einen Wickelkern, das sogenannte Filament Winding.
Außerdem kann die bei einer Hülse aus Stahl notwendige aufwendige Tiefbohrbearbeitung entfallen.
In einer weiteren Ausführung ist das Spindelgehäuse modular aufgebaut. Dies kann bspw. umfassen: arbeitsseitige Lagerhülse, bspw. aus Stahl, Spindelhülse aus CFK und Einspannhülse, bspw. aus Stahl. Dieses Konzept erlaubt eine Standardisierung der Komponenten bzw. Bauteile Lagerhülse und Einspannhülse.
Es ist weiterhin zu berücksichtigen, dass es bei derartigen Spindeln üblich ist, die auskragende Spindellänge der Tiefe der zu bearbeitenden Bohrung anzupassen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Spindelhülsen in der max. zu erwartenden Länge lagerhaltig sind und diese dann auftragsbezogen auf die jeweils benötigte Länge abgetrennt werden.
Ist das Spindelgehäuse mehrteilig aufgebaut, können unterschiedliche Verbindungstechniken angewendet werden:
Arbeitsseitige Lagerhülse zu Spindelhülse aus CFK:
Es wird vorgeschlagen, diese Verbindung als Klebeverbindung auszuführen. Dies hat den Vorteil, dass in die an dieser Stelle besonders dünnwandige CFK-Hülse keine (Tangential-)Spannungen eingebracht werden.
Einspannhülse zu Spindelhülse aus CFK:
Hierbei kann der im Vergleich zu CFK größere thermische Ausdehnungskoeffizient der Einspannhülse aus Stahl genutzt und eine sogenannte Querpressverbindung vorgesehen werden. Dabei wird die Einspannhülse aus Stahl definiert erwärmt, wodurch sich deren Bohrung aufweitet. Im erwärmten Zustand kann die Einspannhülse nun auf die Spindelhülse montiert werden. Beim Abkühlen der Einspannhülse wird das vorgesehene Fügespiel zu Null und ein durch das Maß der Überdeckung entsprechender Fügedruck aufgebaut, der die Bauteile fest miteinander verbindet. Aufgrund der Überdeckung der Bauteile im montierten Zustand ergibt sich zudem eine sehr präzise Verbindung, bei der kein Spiel vorhanden ist.
Weiterhin kann die Spindel bei Bedarf an dieser Stelle durch eine Vergrößerung des Durchmessers verstärkt werden, um eine gute Krafteinleitung der sich dadurch aufbauenden Druckspannungen zu erzielen.
Selbstverständlich kann auch ein einteiliger Aufbau gewählt werden. In diesem Fall werden die Lagerstellen direkt in ein einteiliges CFK-Spindelgehäuse eingebracht. Dies bietet sich bspw. an:

– wenn das Spindelgehäuse eine durchgehend zylindrische Außengeometrie hat,
– bei sehr kleinen Dimensionen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine Ausführungsform der vorgestellten Spindel.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Spindel.
3 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Spindel.
In 1 ist eine Ausführung eines Spindelgehäuses, wie dieses in der beschriebenen Spindel zum Einsatz kommt, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet im montierten Zustand dargestellt. Die Darstellung zeigt eine Spindelhülse 12, die aus einem CFK-Werkstoff gefertigt ist, eine Lagerhülse 14 zur arbeitsseitigen Lagerung einer Spindelwelle 16 und eine Einspannhülse 18 zur antriebsseitigen Lagerung der Spindelwelle 16. Diese Lagerung ist in der Einspannhülse 18 eingebaut. Alternativ kann in der Einspannhülse 18 auch ein Elektromotor vorgesehen sein. Weiterhin sind in der Darstellung eine Einspannstelle 20 zum Einspannen in eine Werkzeugmaschine und eine Kupplungswelle 22 mit elastisch gelagerten Stützlagern dargestellt.
Bei der gezeigten Ausführung ist die Einspannhülse 18, die hier aus Stahl gefertigt ist, mit der Spindelhülse 12 mittels eines Querpressverbands verbunden.
Zu beachten ist, dass das gezeigte Spindelgehäuse 10 einteilig oder mehrteilig aufgebaut sein kann.
In 2 ist eine weitere Ausführung des Spindelgehäuses, mit der Bezugsziffer 30 versehen, dargestellt. Die Abbildung zeigt eine Spindelhülse 32 aus CFK, eine Lagerhülse 34 und eine Einspannhülse 36. Weiterhin ist ein verstärkter Bereich der Spindelhülse 32 gezeigt.
Das dargestellte Spindelgehäuse 30 weist einen modularen Aufbau mit den Komponenten Spindelhülse 32, Lagerhülse 34 und Einspannhülse 36 auf. Zum Verbinden der Komponenten sind Klebeverbindungsstellen 40 und Querpressverbindungsstellen 42 vorgesehen.
Die gezeigten Verbindungen sind hier nur beispielhaft genannt. Grundsätzlich sollten bei der Wahl der Art der Verbindung die Materialien der zu verbindenden Komponenten berücksichtigt werden.
3 zeigt ein weiteres Spindelgehäuse 50, das eine Spindelhülse 52 und eine Lagerhülse 54 umfasst. Das Spindelgehäuse 50 umfasst somit zwei Komponenten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2837321 C2 [0004, 0016, 0022, 0025]

Claims

Spindel mit einem Spindelgehäuse (10, 30, 50), in dem eine Spindelwelle (16) geführt ist, wobei das Spindelgehäuse (10, 30, 50) zumindest abschnittsweise aus einem CFK-Werkstoff hergestellt ist.
Spindel nach Anspruch 1, bei der das Spindelgehäuse (10, 30, 50) einen modularen Aufbau mit Komponenten aufweist.
Spindel nach Anspruch 2, bei der das Spindelgehäuse (10, 30, 50) eine Spindelhülse (12, 32, 52) als Komponente umfasst.
Spindel nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Spindelgehäuse (10, 30, 50) eine Lagerhülse (14, 34, 54) als Komponente umfasst.
Spindel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der das Spindelgehäuse (10, 30, 50) eine Einspannhülse (18, 36) als Komponente umfasst.
Spindel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Spindelhülse (12, 32, 52), die Lagerhülse (14, 34, 54) und/oder die Einspannhülse (18, 36) aus einem CFK-Werkstoff gefertigt ist bzw. sind.
Spindel nach den Ansprüchen 3 bis 5, die eine Lagerhülse (14, 34, 54) aus Stahl, eine Spindelhülse (12, 32, 52) aus einem CFK-Werkstoff und eine Einspannhülse (18, 36) aus Stahl umfasst.
Spindel nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der zumindest eine Verbindung zwischen Komponenten des Spindelgehäuses (10, 30, 50) als Klebeverbindung ausgeführt ist.
Spindel nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der zumindest eine Verbindung zwischen Komponenten des Spindelgehäuses (10, 30, 50) als Querpressverbindung ausgeführt ist.
Spindel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die nach dem Kupplungswellenprinzip aufgebaut ist.