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Die Erfindung betrifft eine Spindelanordnung für eine Werkzeugmaschine mit einer Welle, die um eine Längsachse drehbar in einem Spindelgehäuse gelagert ist.
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Zur Lagerung von Wellen in einem Gehäuse ist es bekannt, Wälzlageranordnungen bzw. Wälzlagersätze zu verwenden.
EP 1 961 101 B1 beschreibt eine von einem Elektromotor drehbar angetriebene Welle, die mittels zweier Lageranordnungen an einem Motorgehäuse gelagert ist. Die eine, vordere Lageranordnung, ist als Festlager ausgebildet. Die auf der anderen Seite des Motors angeordnete hintere Lageranordnung ist als Loslager ausgeführt, um eine axiale Bewegung der Welle zu ermöglichen. Die hintere Wälzlageranordnung ist hierfür verschiebbar in einer entsprechenden Ausnehmung am Motorgehäuse angeordnet und über Federelemente radial vorgespannt.
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DE 10 2009 031 027 A1 beschreibt eine geteilte Werkzeugspindel. Die Werkzeugspindel hat einen Spindelkopf, der zur Kopplung mit einem Werkzeug eingerichtet ist. Eine Spindelwelle ist im Spindelkopf über ein vorderes Wälzlager und ein hinteres Wälzlager gelagert. Der Spindelkopf kann mit einem Spindelmotor gekoppelt werden. Die Motorwelle ist an der der Kopplung entgegengesetzte Seite über ein hinteres Wälzlager gelagert und an der Kopplung ist ein weiteres vorderes Wälzlager vorhanden.
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Aus
DE 10 2017 105 934 A1 ist eine Maschinenspindelanordnung für eine Werkzeugmaschine bekannt, bei der die Welle der Spindel über eine Mehrzahl von Lagern abgestützt ist. Die die Welle aufweisende Maschinenspindel kann mit einer einen Motor aufweisenden Baueinheit gekoppelt werden.
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Bei Spindeln von Werkzeugmaschinen werden während der Bearbeitung eines Werkstücks Kräfte in die Spindel bzw. die Welle eingeleitet. Die Kräfte hängen von der Art der Bearbeitung ab und wirken axial und/oder radial auf das rotierende Werkzeug und mithin die drehend angetriebene Welle ein. Abhängig von der eingeleiteten Kraft, der Vorschubbewegung des Werkzeugs relativ zum Werkstück, der Schnitttiefe und anderen Parametern können dabei mechanische Schwingungen in der Welle entstehen, die zum „Rattern“ des Werkzeugs bei der Werkstückbearbeitung führen und die Oberflächenqualität der Werkstückbearbeitung negativ beeinflussen.
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Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine wartungs- bzw. reparaturfreundliche Spindelanordnung zu schaffen, mittels der Schwingungen der Welle reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spindelanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die Spindelanordnung hat eine Welle, die drehbar um eine Längsachse in einem Spindelgehäuse gelagert ist. Die Welle hat ein vorderes Wellenteil und ein hinteres Wellenteil. Die beiden Wellenteile sind mittels einer Kupplungseinrichtung lösbar und drehfest miteinander verbunden. Ein Motor ist mit dem hinteren Wellenteil antriebsgekoppelt. Beim Antreiben des hinteren Wellenteils durch den Motor wird die Drehbewegung über die Kupplungseinrichtung auf den vorderen Wellenteil übertragen. Das vordere Wellenteil ist an einem der Kupplungseinrichtung entgegengesetzten vorderen Ende zur Verbindung mit einem Werkzeug eingerichtet. Dazu kann an dem vorderen Wellenteil eine Werkzeugaufnahme drehfest mit dem vorderen Wellenteil verbunden sein.
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Die Spindelanordnung weist eine erste Wälzlageranordnung mit einem oder mehreren Wälzlagern auf, die das vordere Wellenteil benachbart zum vorderen Ende drehbar am Spindelgehäuse lagert. Die erste Wälzlageranordnung lagert das vordere Wellenteil mit einer ersten radialen Lagersteifigkeit radial zur Längsachse.
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Die Welle ist benachbart zur Kupplungseinrichtung über eine zweite Wälzlageranordnung drehbar am Spindelgehäuse gelagert. Die zweite Wälzlageranordnung weist hierfür ein vorderes Wälzlager auf, das das vordere Wellenteil drehbar am Spindelgehäuse lagert, sowie ein hinteres Wälzlager, das das hintere Wellenteil drehbar am Spindelgehäuse lagert. Die zweite Wälzlageranordnung und/oder die Kupplungseinrichtung sind derart ausgebildet, dass das vordere Wellenteil unmittelbar im Anschluss an die Kupplungseinrichtung radial zur Längsachse mit einer zweiten radialen Lagersteifigkeit am Spindelgehäuse gelagert bzw. abgestützt ist. Die zweite radiale Lagersteifigkeit ist kleiner als die erste radiale Lagersteifigkeit und beträgt maximal 80% der ersten radialen Lagersteifigkeit.
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Bevorzugt beträgt die zweite radiale Lagersteifigkeit maximal 55-65% oder maximal 50% oder maximal 30% oder maximal 20% der ersten radialen Lagersteifigkeit. Es ist außerdem bevorzugt, wenn die zweite radiale Lagersteifigkeit mindestens 1% bis mindestens 5% der ersten radialen Lagersteifigkeit beträgt.
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Die angegebenen Verhältnisse der radialen Lagersteifigkeiten beziehen sich sowohl auf die stillstehende als auch die drehende Welle.
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Durch diese unterschiedlichen radialen Lagersteifigkeiten der Welle unmittelbar benachbart zum Werkzeug einerseits und unmittelbar benachbart zur Kupplungseinrichtung andererseits können Biegeschwingungen, die bei der Bearbeitung eines Werkstücks in die Welle eingeleitet werden, gedämpft werden. Durch die gegenüber der ersten radialen Lagersteifigkeit geringere zweite radiale Lagersteifigkeit im Bereich der Kupplungseinrichtung kann sich die Welle im Bereich der Kupplungseinrichtung radial zur Längsachse bewegen, wobei diese Bewegung durch die zweite Wälzlageranordnung und/oder die Kupplungseinrichtung gedämpft wird. Es hat sich gezeigt, dass Schwingungsanregungen dadurch schneller abklingen und die Belastung der Kupplungseinrichtung in Radialrichtung reduziert werden kann. Mit einer solchen Ausgestaltung lassen sich bei gleichem Werkzeug und gleicher Geometrie der Spindelanordnung deutlich höhere Schnitttiefen erreichen, die vier- bis zehnmal höher ausfallen können als bei bekannten Spindelanordnungen. Die Produktivität einer Werkzeugmaschine lässt sich dadurch erheblich steigern. Durch die geteilte Welle ist eine einfache Aus- und Einbaumöglichkeit erreicht, was die Wartung oder Reparatur vereinfacht.
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Erfindungsgemäß weist die zweite Wälzlageranordnung und/oder die Kupplungseinrichtung wenigstens ein Dämpfungselement auf. Das wenigstens eine Dämpfungselement ist dazu eingerichtet, eine radiale Bewegung der Welle zu dämpfen. Das Dämpfungselement kann aus elastisch verformbarem Material bestehen oder elastisch verformbares Material aufweisen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens ein Dämpfungselement des vorhandenen wenigstens einen Dämpfungselements zwischen dem vorderen Wälzlager und dem Spindelgehäuse und/oder zwischen dem hinteren Wälzlager und dem Spindelgehäuse angeordnet. Bei einem solchen Dämpfungselement kann es sich beispielsweise um einen Elastomerring oder O-Ring handeln. Alternativ oder zusätzlich kann auch wenigstens ein Dämpfungselement zwischen dem vorderen Wälzlager und dem vorderen Wellenteil und/oder zwischen dem hinteren Wälzlager und dem hinteren Wellenteil angeordnet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Dämpfungselement des wenigstens einen Dämpfungselements zwischen einem vorderen Kupplungsteil und einem hinteren Kupplungsteil der Kupplungseinrichtung angeordnet sein und eine Radialbewegung der beiden Kupplungsteile relativ zueinander dämpfen. Das vordere Kupplungsteil ist drehfest mit dem vorderen Wellenteil verbunden und das hintere Kupplungsteil ist drehfest mit dem hinteren Wellenteil verbunden. Die Verbindung zwischen den beiden Kupplungsteilen der Kupplungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass keine oder lediglich eine vernachlässigbare Torsion zwischen den beiden Wellenteilen bei der im Betrieb der Spindelanordnung auftretenden Belastung auftritt. Um eine radiale Verschiebung zwischen den beiden Kupplungsteilen zu ermöglichen, kann zwischen den beiden Kupplungsteilen elastisches Material angeordnet sein. Eine Kupplungseinrichtung, die diese Anforderungen erfüllt, ist auf dem Markt verfügbar, beispielsweise die Rotex®-Kupplung des Herstellers KTR Systems GmbH.
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Es ist außerdem vorteilhaft, wenn das vordere Wälzlager und das hintere Wälzlager jeweils eine radiale Lagersteifigkeit aufweist, die kleiner ist als die zweite radiale Lagersteifigkeit. Die Summe der beiden radialen Lagersteifigkeiten des vorderen und des hinteren Wälzlagers kann bei dieser Anordnung der zweiten radialen Lagersteifigkeit entsprechen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine dritte Wälzlageranordnung vorhanden. Die dritte Wälzlageranordnung lagert das hintere Wellenteil drehbar am Spindelgehäuse. Vorzugsweise greift der Motor zwischen der zweiten Wälzlageranordnung und der dritten Wälzlageranordnung am hinteren Wellenteil an.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Motor koaxial zur Längsachse angeordnet ist. Dadurch kann beispielsweise der Rotor getriebelos mittelbar oder unmittelbar mit dem hinteren Wellenteil drehfest verbunden werden. Es ist dabei bevorzugt, wenn der Motor in Richtung parallel zur Längsachse betrachtet zwischen der zweiten Wälzlageranordnung und der dritten Wälzlageranordnung angeordnet ist.
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Die Wälzlageranordnungen weisen vorzugsweise jeweils wenigstens ein Wälzlager auf, das als Schräglager ausgebildet ist. Die Schräglager werden über geeignete Vorspannmittel axial, d.h. parallel zur Längsachse, vorgespannt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind das hintere Wälzlager der zweiten Wälzlageranordnung sowie ein Wälzlager der dritten Wälzlageranordnung derart angeordnet, dass sich Schnittpunkte der Wirkungslinien der Wälzlager mit der Längsachse ergeben, die axial, d.h. in Richtung der Längsachse, zwischen dem hinteren Wälzlager und dem Wälzlager der dritten Wälzlageranordnung befinden. Eine solche Anordnung von Wälzlagern wird auch als X-Anordnung bezeichnet. Mit einer solchen Anordnung kann die radiale Lagersteifigkeit der Lagerung des hinteren Wellenteils gegenüber anderen Lageranordnungen reduziert werden. Eine solche X-Anordnung als Lageranordnung kann alternativ oder zusätzlich zu weiteren Maßnahmen vorgesehen werden, um die zweite radiale Lagersteifigkeit zu erreichen.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei einem Ausführungsbeispiel die Anzahl der Wälzkörper des vorderen Wälzlagers und/oder des hinteren Wälzlagers der zweiten Wälzlageranordnung derart gewählt werden, dass die zweite radiale Lagersteifigkeit erreicht wird. Diese Maßnahme eignet sich alternativ oder zusätzlich zu anderen Maßnahmen, um die gewünschte zweite radiale Lagersteifigkeit des vorderen Wellenteils unmittelbar benachbart zur Kupplungseinrichtung bzw. zum vorderen Kupplungsteil zu erreichen. Je geringer die Anzahl der Wälzkörper eines Wälzlagers ist, desto geringer ist die radiale Lagersteifigkeit.
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Es ist bevorzugt, wenn die erste Wälzlageranordnung zwei Wälzlager aufweist, die derart angeordnet sind, dass sich Schnittpunkte der Wirkungslinien mit der Längsachse ergeben, die axial, d.h. in Richtung der Längsachse, auf der dem jeweils anderen Wälzlager abgewandten Seite Wälzlagern der ersten Wälzlageranordnung angeordnet sind. Eine solche Lageranordnung wird auch als O-Anordnung bezeichnet und ermöglicht eine sehr gute Abstützung des vorderen Wellenteils benachbart zum Werkzeug gegen eingeleitete Drehmomente, die versuchen, das vordere Wellenteil gegenüber der Längsachse zu neigen bzw. zu kippen.
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Alternativ dazu können die Wälzlager der ersten Wälzlageranordnung auch in einer Tandemanordnung angeordnet sein, wie der die Wirkungslinien der Wälzlager parallel oder im Wesentlichen parallel sind, so dass sich Schnittpunkte der Wirkungslinien mit der Längsachse ergeben, die gegenüber dem jeweiligen Wälzlager jeweils in die gleiche axiale Richtung entlang der Längsachse versetzt sind. Außerdem kann die erste Wälzlageranordnung auch nur ein einziges Wälzlager aufweisen.
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Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der Außendurchmesser des vorderen Wälzlagers der zweiten Wälzlageranordnung kleiner ist als der Außendurchmesser der ersten Wälzlageranordnung. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, das vordere Wellenteil axial entlang der Längsachse aus dem Spindelgehäuse auszubauen bzw. wieder einzubauen. Durch die geteilte Welle ist ein rascher Austausch des vorderen Wellenteils möglich, wenn dies aufgrund einer Beschädigung erforderlich ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Spindelanordnung,
- 2 eine schematische Prinzipdarstellung einer Biegeschwingung einer Welle der Spindelanordnung aus 1,
- 3-6 jeweils eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Wälzlagers einer zweiten Wälzlageranordnung für die Spindelanordnung aus 1,
- 7 eine schematische Darstellung zur Reduzierung einer radialen Lagersteifigkeit vom Wert Ca auf den Wert Cb für ein Wälzlager der zweiten Wälzlageranordnung für die Spindelanordnung,
- 8 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Spindelanordnung und
- 9 und 10 jeweils eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Spindelanordnung.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Spindelanordnung 10 für eine Werkzeugmaschine veranschaulicht. Die Spindelanordnung 10 ist dazu eingerichtet, ein Werkzeug 11 drehend um eine Längsachse L anzutreiben, um ein Werkstück zu bearbeiten. Die Spindelanordnung 10 kann beispielsweise mittels wenigstens einer translatorischen und/oder wenigstens einer rotatorischen Maschinenachse der Werkzeugmaschine positioniert bzw. ausgerichtet werden.
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Die Spindelanordnung 10 hat ein Spindelgehäuse 12, in dem eine Welle 13 drehbar um die Längsachse L gelagert ist. Die Welle 13 ist als geteilte Welle ausgeführt und hat ein vorderes Wellenteil 13a und ein hinteres Wellenteil 13b. Die beiden Wellenteile 13a, 13b sind mittels einer Kupplungseinrichtung 14 drehfest miteinander verbunden. Diese drehfeste Verbindung ist auftrennbar, um das vordere Wellenteil 13a, vom hinteren Wellenteil 13b zu trennen und insbesondere um das vordere Wellenteil 13a entlang der Längsachse L aus dem Spindelgehäuse 12 entnehmen zu können. Die Kupplungseinrichtung 14 hat ein vorderes Kupplungsteil 14a, das fest mit dem vorderen Wellenteil 13a verbunden ist. Die Kupplungseinrichtung 14 hat außerdem ein hinteres Kupplungsteil 14b, das fest mit dem hinteren Wellenteil 13b verbunden ist. Zum Trennen der beiden Wellenteile 13a, 13b kann die Kupplungseinrichtung 14 zwischen den Kupplungsteilen 14a, 14b getrennt werden.
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Das hintere Wellenteil 13b wird mittels eines Motors 20 und insbesondere eines Elektromotors oder Servomotors angetrieben. Der Motor 20 hat einen Rotor 21 und einen Stator 22. Der Rotor 21 ist mit dem hinteren Wellenteil 13b antriebsverbunden. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind der Rotor 21 und der Stator 22 koaxial zur Längsachse L angeordnet. Der Motor 20 ist als Innenläufermotor ausgebildet und der Rotor 21 kann direkt oder über geeignete mechanische Verbindungsmittel drehfest mit dem hinteren Wellenteil 13b verbunden sein. Der Rotor 21 ist insbesondere als permanent erregter Rotor 21 ausgeführt.
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Das vordere Wellenteil 13a hat an seinem der Kupplungseinrichtung 14 entgegengesetzten werkzeugseitigen Ende Mittel zur Aufnahme des Werkzeugs 11. Bei den veranschaulichten Ausführungsbeispielen kann an dem werkzeugseitigen Ende der Welle 13 (vorderes Ende des vorderen Wellenteils 13a) eine Werkzeugaufnahme 23 drehfest befestigt werden, die zur Aufnahme des Werkzeugs 11 eingerichtet ist. Abhängig vom verwendeten Werkzeug können unterschiedliche Werkzeugaufnahmen 23 austauschbar an der Welle 13 angeordnet werden. Die Werkzeugaufnahme 23 befindet sich beispielsgemäß außerhalb des Spindelgehäuses 12, kann alternativ zu der schematischen Darstellung zumindest teilweise in das Spindelgehäuse 12 hineinragen.
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Zur Lagerung der Welle 13 sind mehrere Wälzlageranordnungen zwischen der Welle 13 und dem Spindelgehäuse 12 vorhanden. Ein Aufnahmeraum 24 im Spindelgehäuse 12 ist hierfür zumindest abschnittsweise zylindrisch ausgebildet. Der Aufnahmeraum 24 nimmt die Welle 13, die Kupplungseinrichtung 14, den Motor 20 und mehrere Wälzlageranordnungen auf, die nachfolgend genauer beschrieben werden.
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Unmittelbar benachbart zur Werkzeugaufnahme 23 bzw. in einem der Kupplungseinrichtung 14 entgegengesetzten Endbereich ist das vordere Wellenteil 13a mittels einer ersten Wälzlageranordnung 28 drehbar am Spindelgehäuse 12 gelagert. Die erste Wälzlageranordnung 28 weist wenigstens ein Wälzlager auf, das beim Ausführungsbeispiel als Schräglager ausgebildet ist. Die erste Wälzlageranordnung 28 weist ein erstes Wälzlager 29 und ein zweites Wälzlager 30 auf. Das erste Wälzlager 29 und das zweite Wälzlager 30 sind in Richtung der Längsachse L unmittelbar aneinander angrenzend oder mit Abstand zueinander angeordnet. Das erste Wälzlager 29 befindet sich näher an der Werkzeugaufnahme 23 als das zweite Wälzlager 30. Der Abstand der ersten Wälzlageranordnung 28 und insbesondere des zweiten Wälzlagers 30 von der Werkzeugaufnahme 23 ist kleiner, beispielsweise zumindest um den Faktor 1,5 oder 2 kleiner als der Abstand der ersten Wälzlageranordnung 28 und insbesondere des zweiten Wälzlagers 30 von der Kupplungseinrichtung 14. Das erste Wälzlager 29 und das zweite Wälzlager 30 haben durch die Ausbildung als Schräglager Wirkungslinien, die die Längsachse L unter einem Druckwinkel schneiden, der kleiner ist als 90 Grad. Die Wirkungslinien W der Schräglager sind insbesondere in 1 schematisch veranschaulicht. Die ersten Wirkungslinien W1 des ersten Wälzlagers 29 schneiden sich auf der dem zweiten Wälzlager 30 abgewandten Axialseite mit der Längsachse L. Die zweiten Wirkungslinien W2 des zweiten Wälzlagers 30 schneiden sich auf der dem ersten Wälzlager 29 abgewandten Axialseite mit der Längsachse L. Die Wälzlager 29, 30 der ersten Wälzlageranordnung 28 bilden eine sogenannte O-Anordnung. Unmittelbar am Anschluss an die Werkzeugaufnahme 23 wird das vordere Wellenteil 13a durch die erste Wälzlageranordnung 28 dadurch nicht nur radial zur Längsachse L bzw. entlang der Längsachse L sondern auch gegen Kippmomente abgestützt, die versuchen, den vorderen Wellenteil 13a gegenüber der Längsachse L der Spindelanordnung 10 zu neigen oder zu kippen.
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Die erste Wälzlageranordnung 28 stützt das vordere Wellenteil 13a radial zur Längsachse L mit einer ersten radialen Lagersteifigkeit C1 ab.
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Die Spindelanordnung 10 weist außerdem eine zweite Wälzlageranordnung 33 auf. Die zweite Wälzlageranordnung 33 hat zumindest zwei Wälzlager, die beispielsgemäß ein vorderes Wälzlager 34 und ein hinteres Wälzlager 35 bilden. Bei einer Ausführungsform sind das vordere und das hintere Wälzlager 34, 35 als Schräglager ausgeführt sind und bei einer anderen Ausführungsform kann das vordere und/oder das hintere Wälzlager 34, 35 als reines Radiallager (z.B. Zylinderrollenlager) ausgeführt sein. Das vordere Wälzlager 34 lagert das vordere Wellenteil 13a benachbart zur Kupplungseinrichtung 14 drehbar am Spindelgehäuse 12. Das hintere Wälzlager 35 lagert das hintere Wellenteil 13b benachbart zur Kupplungseinrichtung 14 drehbar am Spindelgehäuse 12.
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Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist außerdem eine dritte Wälzlageranordnung 36 vorhanden, die das hintere Wellenteil 13b drehbar am Spindelgehäuse 12 lagert. Die dritte Wälzlageranordnung 36 weist beim Ausführungsbeispiel ein einziges Wälzlager auf, das als drittes Wälzlager 37 bezeichnet wird.
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In Abwandlung zu dem Ausführungsbeispiel kann die Anzahl der Wälzlager bzw. Schräglager der Wälzlageranordnungen 28, 33, 36 und/oder die Ausrichtung der Wirkungslinien variieren. Insbesondere kann jede Wälzlageranordnung 28, 33, 36 auch mehr separate Wälzlager aufweisen, als es vorstehend beschrieben und in den Zeichnungen veranschaulicht ist. Beispielsgemäß sind sämtliche Wälzlager als Schräglager ausgeführt, wobei jede Wälzlageranordnung 28, 33, 36 auch wenigstens ein reines Radiallager, beispielsweise ein Zylinderrollenlager aufweisen kann.
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Der Motor 20 ist beim Ausführungsbeispiel zwischen der zweiten Wälzlageranordnung 33 und der dritten Wälzlageranordnung 36 koaxial zur Längsachse L angeordnet. Er befindet sich insbesondere zwischen dem hinteren Wälzlager 35 der zweiten Wälzlageranordnung 33 und dem dritten Wälzlager 37 der dritten Wälzlageranordnung 36.
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Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind das vordere Wälzlager 34 und das hintere Wälzlager 35 der zweiten Wälzlageranordnung 33 derart ausgebildet, dass die Welle 13 im Bereich der Kupplungseinrichtung 14 mit einer zweiten radialen Lagersteifigkeit C2 gelagert ist, die maximal 80% und vorzugsweise maximal 55-65% oder maximal 20-30% der ersten radialen Lagersteifigkeit C1 beträgt. Dies ist bei dem in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass das vordere Wälzlager 34 und das hintere Wälzlager 35 jeweils wenigstens ein Dämpfungselement 40 aufweisen. Das wenigstens eine Dämpfungselement ist dazu eingerichtet, eine Bewegung der Welle 13 radial zur Längsachse L am vorderen Wälzlager 34 bzw. am hinteren Wälzlager 35 zuzulassen und diese Bewegung zu bedämpfen. Das wenigstens eine Dämpfungselement 40 kann beispielsweise aus elastischem Material bestehen oder elastisches Material aufweisen.
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In den 3-6 sind Ausführungsbeispiele zur Anordnung des wenigstens einen Dämpfungselements 40 beispielhaft schematisch dargestellt. Beispielsweise kann das wenigstens eine Dämpfungselement 40 zwischen dem betreffenden vorderen Wälzlager 34 und/oder hinteren Wälzlager 35 und dem Spindelgehäuse 12 angeordnet sein (3, 4 und 6) oder zusätzlich oder alternativ kann wenigstens ein Dämpfungselement 40 zwischen dem vorderen Wälzlager 34 bzw. dem hinteren Wälzlager 35 und der Welle 13 angeordnet sein (5).
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das wenigstens eine Dämpfungselement 40 durch jeweils einen Elastomerring bzw. O-Ring gebildet und stellt somit einen Dämpfungsring 41 dar. Der Dämpfungsring 41 kann in einer Nut 42 angeordnet sein, die entweder im vorderen Wälzlager 34 bzw. hinteren Wälzlager 35 (3 und 5) und/oder im Spindelgehäuse 12 (4) bzw. in der Welle 13 (nicht dargestellt) eingebracht ist. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 3-5 haben die Nuten 42 und die Dämpfungsringe 41 eine Dimension parallel zur Längsachse L betrachtet, die kleiner ist als die halbe Breite des betreffenden vorderen Wälzlagers 34 bzw. hinteren Wälzlagers 35. Somit können zwei Nuten 42 mit darin angeordneten Dämpfungsringen 41 nebeneinander in einem axialen Abschnitt angeordnet werden, der maximal so groß ist wie die Breite des betreffenden Wälzlagers 34 bzw. 35.
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In 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein ringförmiges Dämpfungselement 40 eine axiale Abmessung aufweist, die größer ist als die entsprechende axiale Abmessung des Wälzlagers 34 bzw. 35. Das ringförmige Dämpfungselement 40 hat bei diesem Ausführungsbeispiel einen Querschnitt, dessen Dimension parallel zur Längsachse deutlich größer ist als radial dazu, insbesondere mindestens um den Faktor 4-5.
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Das vordere Wälzlager 34 und das hintere Wälzlager 35 haben jeweils einen Außenring 44, einen Innenring 45 sowie zwischen dem Außenring 44 und dem Innenring 45 angeordnete Wälzkörper 46, die beispielsweise durch Kugeln gebildet sein können. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 3, 4 und 6 ist zwischen dem Außenring 44 und dem Spindelgehäuse 12 ein Spalt S gebildet, in dem das wenigstens eine Dämpfungselement 40 hineinragt und das vordere Wälzlager 34 bzw. hintere Wälzlager 35 elastisch, spielfrei zwischen der Welle 13 und dem Spindelgehäuse 12 radial abstützt. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Spalt S zwischen dem Innenring 45 und der Welle 13 vorhanden sein (5), in dem das wenigstens eine Dämpfungselement 40 hineinragt und das vordere Wälzlager 34 bzw. hintere Wälzlager 35 radial spielfrei zwischen der Welle 13 und dem Spindelgehäuse 12 abstützt. Um einen diesem Spalt S entsprechenden Betrag kann sich die Welle 13 im Bereich der Kupplungseinrichtung 14 an der zweiten Wälzlageranordnung 33 relativ zum Spindelgehäuse 12 bewegen, wobei diese Bewegung durch das wenigstens eine Dämpfungselement 40 gedämpft wird. Dadurch werden Biegeschwingungen mit einer maximalen oder annähernd maximalen, vorwiegend radialen Amplitude A im Bereich der zweiten Wälzlageranordnung 33 zugelassen und bedämpft. Eine solche Biegeschwingung ist schematisch in 2 veranschaulicht.
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Es hat sich gezeigt, dass durch eine solche Anordnung bei gleicher Geometrie der Spindelanordnung 10 und gleichem Werkzeug 11 deutlich höhere Schnitttiefen in einem Werkstück erreicht werden können. Ist die radiale Lagersteifigkeit C2 der zweiten Wälzlageranordnung 33 in etwa so groß wie die erste radiale Lagersteifigkeit C1 der ersten Wälzlageranordnung 28, tritt bei größeren Schnitttiefen eine ratternde Vorschubbewegung zwischen dem Werkzeug 11 und dem Werkstück auf und die Oberflächenqualität an der Materialabtragstelle leidet. Zudem sind die Belastungen der Spindelanordnung 10 sehr hoch, was mithin Verschleiß verursachen und die Standzeit der Spindelanordnung 10 bzw. des Werkzeugs 11 reduzieren kann. Diese Nachteile werden dadurch beseitigt, dass die zweite radiale Lagersteifigkeit C2 deutlich kleiner gewählt wird als die erste radiale Lagersteifigkeit C1.
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In 7 ist schematisch eine Möglichkeit veranschaulicht, um die radiale Lagersteifigkeit eines Wälzlagers vom Wert Ca auf den Wert Cb zu reduzieren. Links in 7 ist ein Wälzlager mit dem Außenring 44, dem Innenring 45 und den Wälzlagerkörpern 46 in einer Seitenansicht veranschaulicht. Im linken Bild hat das Wälzlager eine radiale Lagersteifigkeit mit einem Betrag gemäß einer radialen Ausgangssteifigkeit Ca. Durch das Reduzieren der Anzahl der Wälzkörper 46 kann diese radiale Ausgangssteifigkeit Ca verringert werden auf eine reduzierte radiale Lagersteifigkeit Cb (rechts in der Darstellung in 7). Durch eine solche Maßnahme kann alternativ oder zusätzlich zum Anordnen wenigstens eines Dämpfungselements 40 die radiale Lagersteifigkeit des vorderen Wälzlagers 34 oder des hinteren Wälzlagers 35 der zweiten Wälzlageranordnung 33 reduziert werden.
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Daher kann das vordere und/oder das hintere Wälzlager 34, 35 weniger Wälzkörper 46 aufweisen als das erste und das zweite Wälzlager 29, 30. Beim vorderen und/oder hinteren Wälzlager 34, 35 kann insbesondere auch das Verhältnis der Anzahl der Wälzkörper 46 geteilt durch den Radius der Wälzkörperbahn kleiner sein als beim ersten und zweiten Wälzlager 29, 30. Die Wälzkörperbahn ist die Kreisbahn um den Mittelpunkt des Wälzlagers auf der sich die Mittelpunkte der Wälzkörper 46 befinden.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Spindelanordnung 10. Der wesentliche Aufbau der Spindelanordnung 10 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, so dass auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann. Nachfolgend werden die Unterschiede gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erläutert.
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Um die zweite radiale Lagersteifigkeit C2 im Bereich der Kupplungseinrichtung 14 zu erhalten, ist das vordere Wälzlager 34 der zweiten Wälzlageranordnung 33 und die Kupplungseinrichtung 14 derart ausgebildet, dass das vordere Wellenteil 13a im Bereich des vorderen Wälzlagers 34 und des vorderen Kupplungsteils 14a die gegenüber der ersten radialen Lagersteifigkeit C1 geringere zweite radiale Lagersteifigkeit C2 aufweist. Hierzu ist die Kupplungseinrichtung 14 derart ausgebildet, dass eine durch elastisches Material eines Dämpfungselements 47 der Kupplungseinrichtung 14 zwischen den beiden Kupplungsteilen 14a, 14b gedämpfte Radialbewegung des vorderen Kupplungsteils 14a gegenüber der Längsachse L bzw. dem hinteren Kupplungsteil 14b ermöglicht ist. Bei dieser Ausführung kann das hintere Wälzlager 35 eine größere radiale Lagersteifigkeit aufweisen als das vordere Wälzlager 34 bzw. eine radiale Lagersteifigkeit aufweisen, die größer ist als die zweite radiale Lagersteifigkeit C2. Die zweite radiale Lagersteifigkeit C2 wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Radialkopplung zwischen dem vorderen Kupplungsteil 14a und dem hinteren Kupplungsteil 14b sowie die radiale Lagersteifigkeit des vorderen Wälzlagers 34 bestimmt. Die Anordnung ist derart ausgebildet, dass das vordere Wellenteil 13a im Bereich des vorderen Kupplungsteils 14a mit der zweiten radialen Lagersteifigkeit C2 radial zur Längsachse L am Spindelgehäuse 12 abgestützt wird. Das vordere Wälzlager 34 der zweiten Wälzlageranordnung 33 kann gemäß einem der Ausführungsbeispiele ausgeführt werden, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit den 3-7 erläutert wurden. Auch Kombinationen dieser Ausführungen gemäß der 3-7 sind möglich.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 und 8 sind das hintere Wälzlager 35 der zweiten Wälzlageranordnung 33 und das dritte Wälzlager 37 der dritten Wälzlageranordnung 36 als Schräglager ausgeführt und derart angeordnet, dass die dritten Wirkungslinien W3 des dritten Wälzlagers 37 einen Schnittpunkt mit der Längsachse L aufweisen, der auf der der zweiten Wälzlageranordnung 33 entgegengesetzten Axialseite liegt. Vierte Wirkungslinien W4 des hinteren Wälzlagers 35 bilden mit der Längsachse L einen Schnittpunkt, der auf der der dritten Wälzlageranordnung 36 entgegengesetzten Axialseite liegt. Das hintere Wälzlager 35 der zweiten Wälzlageranordnung 33 und das dritte Wälzlager 37 der dritten Wälzlageranordnung 36 bilden eine sogenannte O-Anordnung, um Kippmomente des hinteren Wellenteils 13b am Spindelgehäuse 12 besser abstützen zu können.
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Im Unterschied dazu sind das hintere Wälzlager 35 und das dritte Wälzlager 37 bei dem in 9 veranschaulichten Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass die Schnittpunkte der dritten Wirkungslinien W3 und der vierten Wirkungslinien W4 beide im Bereich zwischen dem hinteren Wälzlager 35 und dem dritten Wälzlager 37 liegen, so dass eine X-Anordnung gebildet ist. Dadurch wird die radiale Lagersteifigkeit der Abstützung des hinteren Wellenteils 13b gezielt reduziert. Analog zu 1 ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 9 eine radial zur Längsachse L steife Kopplung des vorderen Kupplungsteils 14a mit dem hinteren Kupplungsteil 14b realisiert. Durch die X-Anordnung des hinteren Wälzlagers 35 und des dritten Wälzlagers 37 sowie eine verringerte radiale Lagersteifigkeit des vorderen Wälzlagers 34 - beispielsweise in einer Ausführung gemäß der 3-7 - wird eine radiale Abstützung des vorderen Wellenteils 13a im Bereich des vorderen Kupplungsteils 14a gegenüber dem Spindelgehäuse 12 erreicht, die in Summe nur geringfügig steifer ist als die zweite radiale Lagersteifigkeit C2.
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Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Spindelanordnung 10 bilden das vordere Wellenteil 13a, die erste Wälzlageranordnung 28, das vordere Wälzlager 34 der zweiten Wälzlageranordnung 33 sowie das vordere Kupplungsteil 14a eine Baueinheit, die gemeinsam gehandhabt und beispielsweise aus dem Aufnahmeraum 24 entnommen bzw. in den Aufnahmeraum 24 des Spindelgehäuses 12 eingesetzt werden kann. Hierzu kann beispielsweise ein stirnseitiger Deckel 50 des Spindelgehäuses 12 entfernt werden, so dass der Aufnahmeraum 24 von der werkzeugseitigen Stirnseite her zugänglich ist. Die Baueinheit aus dem vorderen Wellenteil 13a, erster Wälzlageranordnung 28, vorderen Wälzlager 34 und vorderen Kupplungsteil 14a kann entlang der Längsachse L herausgenommen, gewartet, instandgesetzt, zumindest teilweise ersetzt und axial entlang der Längsachse L in den Aufnahmeraum 24 eingesetzt werden. Die Montage bzw. Demontage ist in kurzer Zeit mit wenig Aufwand möglich. Dies wird insbesondere dadurch erreicht oder verbessert, dass der Außendurchmesser des vorderen Wälzlagers 34 der zweiten Wälzlageranordnung 33 kleiner ist als der Außendurchmesser der ersten Wälzlageranordnung 28. Wie es in den 1, 8 und 9 veranschaulicht ist, hat die erste Wälzlageranordnung 28 einen ersten Außendurchmesser D1 und das vordere Wälzlager 34 der zweiten Wälzlageranordnung 33 hat einen zweiten Außendurchmesser D2, der kleiner ist als der erste Außendurchmesser D1. Durch einen entsprechend gestuften Innendurchmesser des Aufnahmeraums 24 können dabei die Wege, während denen die Wälzlager 29, 30, 34 zur Bildung einer spielfreien Radiallagerung eingepasst bzw. eingepresst werden, relativ kurz ausgeführt werden. Hierzu kann sich der Innendurchmesser des Aufnahmeraums 24 im Anschluss an die Lagerstelle des vorderen Wälzlagers 34 zur ersten Wälzlageranordnung 28 hin entsprechend erweitern. Der erste Außendurchmesser D1 und der zweite Außendurchmesser D2 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich in 9 veranschaulicht, wobei die Außendurchmesser D1, D2 bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 und 8 identisch sind.
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In einer weiteren Ausführungsform gemäß 10 weist das Spindelgehäuse 12 zwei Spindelgehäuseteile 12a, 12b auf und kann auch zweiteilig ausgeführt sein. Hierbei bilden das vordere Wellenteil 13a, die erste Wälzlageranordnung 28, das vordere Wälzlager 34 der zweiten Wälzlageranordnung 33, das vordere Kupplungsteil 14a und der erste Spindelgehäuseteil 12a eine erste Baueinheit. Das erste Spindelgehäuseteil 12a umschließt somit das vordere Wellenteil 13a. Das zweite Spindelgehäuseteil 12b bildet zusammen mit dem Motor 20, dem hinteren Kupplungsteil 14b, dem hinteren Wälzlager 35 der zweiten Wälzlageranordnung 33 sowie der dritten Wälzlageranordnung 36 eine zweite Baueinheit. Das zweite Spindelgehäuseteil 12b umschließt somit das hintere Wellenteil 13b.
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Das erste Spindelgehäuse 12a ist mit dem zweiten Spindelgehäuse 12b mit nicht dargestellten Verbindungselementen wie beispielsweise Schrauben lösbar verbunden, wobei eine koaxiale Ausrichtung über Zentriermittel wie etwa einem Zentrierflansch hergestellt wird.
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Bei einem technischen Defekt kann das erste Spindelgehäuseteil 12a als Ganzes ausgetauscht werden, wozu sehr wenig Zeit benötigt wird. Ein auszutauschendes erstes Spindelgehäuseteil 12a ist dabei so konfektioniert, dass sich auf Werkzeuge auswirkende Längenabweichungen nur sehr wenige Mikrometer betragen, beispielsweise 1 bis 2 Mikrometer. Werkzeugmaschinen mit solchen auch als Nullspindeln bezeichneten Spindeln können ohne weitere Mess- oder Einstellarbeiten und ohne Qualitätsverlust unmittelbar nach einem Austausch weiterbenutzt werden, wodurch eine hohe Produktivität erreichbar wird. Der innere Aufbau des ersten Spindelgehäuseteils 12a ist gleich wie in den vorbeschriebenen Ausführungsformen, so dass auch hier bei einer Reparatur der defekten Bauteile die oben beschriebenen Vorteile zum Tragen kommen.
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Die Erfindung betrifft eine Spindelanordnung 10 mit einer in einem Spindelgehäuse 12 drehbar gelagerten Welle 13. Die Welle 13 ist an einem stirnseitigen Ende des Spindelgehäuses 12 zugänglich und dort zur Aufnahme eines Werkzeugs 11 eingerichtet bzw. einrichtbar. Die Werkzeuge 11 können unmittelbar oder mittelbar durch Anordnen einer Werkzeugaufnahme 23 an der Welle 13 eingespannt werden. Die Welle 13 ist geteilt und hat ein werkzeugseitiges vorderes Wellenteil 13a und ein motorseitiges hinteres Wellenteil 13b. Die beiden Wellenteile sind über eine Kupplungseinrichtung 14 fest drehverbunden. Die Welle 13 kann mittels des Motors 20 um eine Längsachse L rotierend angetrieben werden, um das Werkzeug 11 ebenfalls um die Längsachse L rotierend anzutreiben. Am werkzeugseitigen Ende ist das vordere Wellenteil 13a über eine erste Wälzlageranordnung 28 radial mit einer ersten radialen Lagersteifigkeit C1 gelagert. Im Bereich der Kupplungseinrichtung 14 ist die Welle 13 mittels einer zweiten Wälzlageranordnung 33 gelagert. Das vordere Wellenteil 13a ist über die zweite Wälzlageranordnung 33 und/oder die Kupplungseinrichtung 14 radial derart abgestützt, dass das sich an die Kupplungseinrichtung 14 anschließende Ende des vorderen Wellenteils 13a mit einer zweiten radialen Lagersteifigkeit C2 abgestützt ist. Die zweite radiale Lagersteifigkeit C2 beträgt höchstens 80% oder höchstens 50-65% oder höchstens 30% oder höchstens 20% der ersten radialen Lagersteifigkeit C1. Dadurch lassen sich bei ansonsten gleicher Geometrie der Spindelanordnung 10 und des Werkzeugs 11 deutlich höhere Schnitttiefen erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spindelanordnung
- 11
- Werkzeug
- 12
- Spindelgehäuse
- 12a
- erstes Spindelgehäuseteil
- 12b
- zweites Spindelgehäuseteil
- 13
- Welle
- 13a
- vorderes Wellenteil
- 13b
- hinteres Wellenteil
- 14
- Kupplungseinrichtung
- 14a
- vorderes Kupplungsteil
- 14b
- hinteres Kupplungsteil
- 20
- Motor
- 21
- Rotor
- 22
- Stator
- 23
- Werkzeugaufnahme
- 24
- Aufnahmeraum
- 28
- erste Wälzlageranordnung
- 29
- erstes Wälzlager
- 30
- zweites Wälzlager
- 33
- zweite Wälzlageranordnung
- 34
- vorderes Wälzlager
- 35
- hinteres Wälzlager
- 36
- dritte Wälzlageranordnung
- 37
- drittes Wälzlager
- 40
- Dämpfungselement
- 41
- Dämpfungsring
- 42
- Nut
- 44
- Außenring
- 45
- Innenring
- 46
- Wälzkörper
- 47
- Dämpfungselement der Kupplungseinrichtung
- 50
- Deckel
- A
- Amplitude
- C1
- erste radiale Lagersteifigkeit
- C2
- zweite radiale Lagersteifigkeit
- Ca
- radiale Ausgangssteifigkeit
- Cb
- reduzierte radiale Lagersteifigkeit
- D1
- erster Außendurchmesser
- D2
- zweiter Außendurchmesser
- Fr
- Radialkraft
- L
- Längsachse
- S
- Spalt
- W1
- erste Wirkungslinien
- W2
- zweite Wirkungslinien
- W3
- dritte Wirkungslinien
- W4
- vierte Wirkungslinien
