DE1402924A1

DE1402924A1 - Einrichtung zum Verhindern oertlicher Waermedehnungen in Maschinenteilen,in denen Hochleistungs-Arbeitsspindeln laufen

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Publication number: DE1402924A1
Application number: DE19601402924
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-01-31
Filing date: 1960-01-27
Publication date: 1969-03-13
Also published as: US3062104A; CH361456A; FR1223607A; DE1402924C3; DE1402924B2; GB869971A

Description

Patentanwälte

Dr. Ing. HAUS RUSCHKE Dipl. Ing. K. G&EilTZEHßEilö

München27, Fienzenauerstr,2

Di. Expl.

Soci£t£ dite : DSEEM Etablissements pour le Developpement, Recherches et Fabrications Industrielles

VADUZ - Liechtenstein

Einrichtung zum Verhindern örtlicher Wärmedehnungen in Maschinenteilen, in denen Hochleistungs-Arbeitsspindeln laufen

Die heute bei der Bearbeitung von großen Werkstücken geforderte Genauigkeit hat die Werkzeugmaschinenhersteller veranlasst, die Arbeitsgenauigkeit ihrer Maschinen ständig zu verbessern,,

Die durch sorgfältigste Ausführung der Maschinenteile erzielte Genauigkeit der Maschinen kann nur erhalten werden, wenn während des Betriebes jede Verformung der Maschinenteile durch örtlich auftretende Temperaturerhöhungen vermieden wird«,

In vielen Fällen sind heute die 7/erkstätten, in denen Präzisionsmaschinen Verwendung finden, mit Klimaanlagen aus-

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gerüstet, oder sie werden sogar gena_u auf einer stets gleichbleibenden Temperatur gehalten, sodaß die Schwankungen der Raumtemperatur sehr gering und praktisch ohne Einfluß auf die Genauigkeit der Maschinen ist»

Anders verhält es sich jedoch mit den TemperatürSchwankungen, die im Inneren der Maschinenteile auftreten, insbesondere bei den Teilen, in welchen eine Hochleistungs-Arbeit;

sspindel und hier wiederum in ganz besonderem Maße bei den Spindelstücken großer Präs- und Bahrwerke_e Die Veränderungen der Innentemepratur erreichen in diesen Fällen beträchtliche Werte aufgrund der starken Wärmeerzeugung durch die umlaufenden Teile, wie z*B« Wälzlager und Getrieberäder«

Soweit die Erzeugung von Wärme zu einer allmählichen und vor allem allgemeinen Erwärmung des Spindelstockes innerhalb enger Temperatürgrenzen führt, treten" keine nennenswerten Verformungen des Spindelstockgehäuses auf, so daß die Genauigkeit des Spindelstockes und damit der Maschine nicht beeinfluß wirdo Dieser Sachverhalt trifft für die Erwärmung zut, welche durch Zahnräder und Wälzlager erzeugt wird, die mit im Verhältnis zu ihrem Durchmesser niedrigen Drehzahlen Äalaufen« Die anfallende Wärme kann durch ausreichende Schmierung aus dem Spindelstock abgeführt werden»

Wenn dagegen in einem begrenzten Bereich der Maschine

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eine größere Wärmemenge erzeugt wird, kann diese nicht schnell genug von dem ganzen Gehausegußstück aufgenommen und auch nicht durch eine geeignete Schmierung abgeführt werden· In derartigen Pällen ergibt sich sodann eine örtliche Ausdehnung in dem erwärmten Bereich und die geometrische Lage der Spindelachse wird um ein Geringes verändert, so daß die Bearbeitungsgenauigkeit nicht mehr gewährleistet ist*

Dieρ3 Erscheinung tritt vor allem in Teilen eines gegossenen Spindelstockes auf, welche die Spindellager und das zum Antrieb der Spindel dienende Getriebe umgeben«

Die Verformungen durch Wärmedehnung hängen von verschiedenen Paktoren ab, wie Umgebungstemperatur, Schmieröltemperatur, Leistung und Drehzahl der Arbeitsspindel und schließlich von der Betriebsdauer, deh«. der Zeit, während welcher die Maschine ununterbrochen mit schneidendem Werkzeug läuft, ohne daß die Möglichkeit einer natürlichen Abkühlung während der Betriebspausen besteht»

Bei den heutigen Maschinen, in welchen nahezu ausschließlich schnellschneidende und daher mit hohen Drehzahlen und Antriebsleistungen arbeitende Werkzeuge Verwendung finden, treten diese nachteiligen Erscheinungen in besonderem Maße auf« Die Spindeln dieser Maschinen müssen mit großen Durchmessern ausgeführt sein, wenn man Schwingungen vermeiden will,

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welche sich nachteilig auf die Lebensdauer der Werkzeuge auswirken würden. Sie müssen ferner mit hohen Drehzahlen umlaufen um die erforderlichen hohen Schnittgeschwindigkeiten zu erzielen_e Hieraus ergibt sich, daß die Spindellager sowohl einen großen Durchmesser aufweisen, als auch schnell laufen müssen_f so daß sich hohe Umfangsgeschwindigkeiten ihrer Wälzkörper und ein rasches Ansteigen ihrer Betriebstemepratur ergebene

Wenn die Spindel in Kegelrollenlagern gelagert ist, was heute mehr und mehr bei den Maschinen der Fall ist, deren Arbeitsspindeln starke radiale und axiale Belastungen aufnehmen müssen, ist der Temperaturanstieg besonders stark, was auf die Reibung zurückzuführen ist, die sich ergibt, wenn

die Kegelrollen mit ihrer großen Grundfläche auf der Schul- ₍ ter des Innenlaufringes gleiten* ι

Man könnte nun annehmen, daß es, um die Temperatur dieser Lager zu senken, ausreichen würde, den.Schmieröldurchsatz zu

erhöhen. Die Erfahrung zeigt jedoch, daß - insbesondere bei ι schneilaufenden Kegelrollenlagern - eine übermäßige Ölzufuhr stets zu einem Temperaturanstieg durch mechanische Arbeit, ι Verwirbelung und Quetschung des das Lager durchströmenden Öles ittührt» Der für das jeweilige Lager zulässige Höchstdurchsalz an Schmieröl reicht in der Hegel nicht aus, um die gesamte anfallende Wärme abzuführen«

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Gemäß der Erfindung umfassen die Mittel, welche vorgesehen sind, um die durch einen Schmierölumlauf nicht zu T3ewältigenden_f örtlichen, übermäßigen Temperaturerhöhungen im Inneren von Maschinenteilen, insbesondere von Spindelstöeken von Fräs- und Bohrwerken, in welchen Hochleistungs-Arbeitsspindeln umlaufen, zu verhindern, im Inneren des betreffenden Maschinenteils um die Lager, insbesondere um das Hauptlager der Arbeitsspindel und in der Nähe der Zahnräder, insbesondere derjenigen des Spindelantriebs, angeordnete, dichte Kammern, welche miteinander mit einem Kühlmittel-Einlaßkanal sowie mit einem Auslaßkanal für das durch die im Inneren des Maschinenteiles von den Lagern und Zahnrädern erzeugte Wärme aufgeheizte Kühlmittelin Verbindung stehen, so daß die Temperatur des betreffenden Maschinenteils auf einem im wesentlichen gleichbleibenden und der Umgebungstemperatur angenäherten Wert gehalten wird«

Wenn als Kühlmittel eine Flüssigkeit verwendet wird, ist es erforderlich, einen Kühlmittelbehälter und eine Rückkühlvorrichtung für das Kühlmittel vorzusehen, um die gesamte Anlage sehr sorgfältig abzudichten· Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird daher Luft als Kühlmittel verwendet, wodurch es möglich wird, auf die Hilfsmittel und Maßnahmen zu verzichten.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist an der

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Stelle des betreffenden Maschinenteiles, an welcher die Temperatur normalerweise am höchsten ist, ein Temperaturfühler angeordnet. Dieser Temperaturfühler ist mit einem Thermostaten verbunden, welcher eine den Kühlmitteldurchsatz regelnde Klappe so steuert, daß der Kühlmitteldurchsatz der abzuführenden Wärmemenge proportional ist_e

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzen die zu kühlenden Lager ringförmige Rippen, welche dazu dienen, die Fläche zu vergrößern, die für den Wärmeaustausch zwischen den Lagern und dem in der sie umgebenden Kammer befindlichen Kühlmittel zur Verfügung steht«

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf die Kühlung des Arbeitsspindelstockes eines Hochleistungs-Horizontal-Fräs- und Bohrwerkes dargestellt ist. Es zeigen:

Pig* 1 eine Seitenansicht eines Präs- und Bohrwerkes, dessen Arbeitsapindelstock mit einer Kühleinriohtung gemäß der Erfindung ausgestattet ist;

Pig, 2 eine Stirnansicht dieses Präs- und Bohrwerkes j

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Fig« 3 eine Draufsicht der Maschine;

· 4· eine schema tische Darstellung der Kühleinrichtung ;

o 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V der Fig„ 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig« 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-YI der Fig. 5;

Figo 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Fig, 6 und

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Kühlmittelführung für den Spindelstock einer mit einem Werkzeugkopf ausgestalteten Maschine»

Das in den Figuren 1 "bis 3 dargestellte Präs- und Bohrwerk ist eine Maschine üblicher Bauart; sie umfaßt einen Spindelstock 1, welcher senkrecht an einem Ständer verschiebbar ist, der seinerseits von dem waagrechten Maschinenbett 3 getragen wird. Im Inneren des Spindelstockes 1 ist eine horizontale Arbeite- oder Werkzeugspindel 5 angeordnet (siehe auch Fig. 5 bis 7)* deren vorderes Ende in einem allgemein mit 6 bezeichneten Lager gelagert ist, wäh-

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rend ihr hinteres Ende in einem weiteren, in der Zeichnung ! nicht dargestellten Lager gelagert ist» Die Arbeitsspindel 5. wird, durch einen Elektromotor 7 angetrieben, welcher am hinteren Ende des Spindelstockes angeordnet und über ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes, im Inneren des Spindel+- stockes 1 angeordnetes Getriebe mit der Spindel antriebsmäßig verbunden ist«

Es handelt sich um eine Hochleistungsmaschine, bei welcher die von den beweglichen Maschinenteilen, insbesondere dem vorderen Lager 6 und den Getriebezahnrädern, sowie vom Motor, abgegebenen Wärmemengen beträchtliche Werte erreichen, welche in den (Teilen des Spindelstockes, in denen sie angeordnet bzw· gelagert Bind, zu starken Temperaturerhöhungen führen, die ihrerseits wiederum Wärmedehnungen zur Folge haben, welche sich ungünstig auf die Einhaltung der Arbeitsgenauigkeit der Maschine auswirken·

Zur Verhinderung starker örtlicher Erwärmungen der verschiedenen Teile des Spindelstockes sind gemäß der Erfindung im Inneren des letzteren Kammern für den Umlauf eines Kühlmittels vorgesehen» Als Kühlmittel wird insbesondere Luft verwendet, welche der Umgebung der Maschine entnommen wird»

So ist z.B₀ das vordere Spindellager 6 in einer Kammer 11 angeordnet, welche mit einem Frischluft-Einlaßkanal 12 in Verbindung steht. Um den Wärmeaustausch zwischen dem Lager 6 und der Kühlluft zu erleichtern, ist das Teil 6a dieses La-

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gers, in welchem die Außenlatffringe der Kegelrollen 13 angeordnet sind, auf seiner Außenseite mit ringförmigen Hippen 14 versehen»

Die Kammer 11, in welcher das Lager 6 angeordnet ist, steht ferner in Verbindung mit einem Auslaßkanal 16 für die erwärmte Luft, der sich über die ganze Länge des Spindelstockes erstreckt und am hinteren Ende desselben in die Außenluft mündet« Der Auslaßkanal 16 ist wärmeisoliert, damit die ihn durchströmende Luft nicht die Temperatur gewisser Teile des Spindelstockes erhöhen kann, welche Kalter sind als die ausströmende Warmluft,

Die gesamte Kühlluft-Umwälzanlage umfasst: ein unten am Ständer 2 angeordnetes Kompressoraggregat 17, eine im Ständer 2 angeordnete Frischluftleitung 18, deren Einlaß mit dem Auslaß des Kompressoraggregates verbunden ist, sowie eine biegsame Leitung 19, welche das obere Ende der Frischluftleitung 18 über einen am hinteren Ende des Spindelstockes 1 angeordneten Verbindungskasten 21 mit dem Frischluftka_nal 12 des Spindslstockes verbindet«

Der Kompressor 17 saugt die Luft durch ein Filter an und fördert sie durch die Leitung 18, die biegsame Leitung 19, den Verbindungskasten 21, den Frischluftkanal 12 in die im Inneren des Spindelstockes befindlichen Kühlkaamernj

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S5,B_# die Kammer 11, wo sie sich erwärmt, worauf sie durch' I den AuslaßkanaL 16 ins Preie tritt»

Beim Durchströmen des Einlaßkanals 12 und der verschiedenen Kühlkammern nimmt die vom Kompressor geförderte Luft ' die im Inneren des Spindelstockes erzeugte Wärme auf.

Um die Temperatur im Inneren des Spindelstockes auf einem im wesentlichen gleichbleibenden und der Temperatur der Umgebungsluft angenäherten Wert zu halten, ist eine automatische Regeleinrichtung vorgesehen. Diese Einrichtung umfasst einen vorzugsweise an der heissesten Stelle der Maschine, beispielsweise am vorderen.Spindellager 6, angeordi

neten Temperaturfühler 24, der durch ein Kapillarrohr 25 mit einem Thermostat 26 verbunden ist» Letzterer steuert mittels eines geeigneten Servomotors 27 ein im Prischluft-Einlaßkanal 12 angeordnetes Regelorgan 28, welches den Kühlluftdurchsatz regelt (siehe Pig. 4). Ein mit dem Temperaturfühler 24 verbundenes Thermometer 31 ermöglicht die visuelle Überwachung der Betriebstemperatur des Lagers,, In dem Schema der Pig» 4 ist ein Ventil 32 dargestellt, welches dazu bestimmt ist, den Kühlluftdruck auf einem vorbestimmten Wert, beispielsweise 1 kg/cm , zu halten» Zwischen diesem Ventil und dem Thermostat 26 ist ein Luftfilter 33 angeordnet.

Der oder die Motoren, z.B« der die Arbeitsspindel an-

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treibende Motor 7 oder der den Vorechub "bewirkende Motor 35» können durch den gleichen Kühlluftumlauf gekühlt werden. Sie können dabei im Inneren dea Spindelstockes in geeigneten Kühlluftkammern oder aber auoh außen am Spindelstock angeordnet sein, wobei sie im letzteren 3PaÜle von Gehäusen umgeben sind, welche von der Kühlluft durchströmte Kammern bilden»

In Fig. 8 ist schematisch ein Teil eines Werkzeugkopfes 36 dargestellt, welcher an der Stirnseite des Spindelstockes 1 befestigt ist und ebenfalls eine umlaufende Arbeite- oder Werkzeugspindel, sowie gegebenenfalls weitere, in der Zeichnung nicht dargestellte, bewegliche Teile aufweist. Um die- i

ι sen Werkzeugkopf an die bereits vorhandene Luftkühlung des Spindelstockes anzuschließen, sind im Inneren des Werkseugkopfes Kühlluftkammern 37 angeordnet» Außerdem sind die aneinander anliegenden Wände des Werkzeugkopfes und des Spindelstockes mit einander gegenüberliegenden öffnungen 38 bzw. 39 versehen, welche jeweils mit dem Frischluft-Einlaßkanal 12 bzw. dem Auslaßkanal 16 für die erwärmte Luft, verbunden sind. Die Kühlluft durchströmt somit gleichzeitig den Werkzeugkopf 36 und den Spindelstock 1.

Wenn der Werkzeugkopf 36 nicht am Spindelstock angebracht ist, wurden die Öffnungen 38 mit Deckeln geschlossen, welche in für liesen Zweck vorgesehene Aussparungen 40

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eingesetzt werden. Damit wird bei einem Betrieb deß j Spindelstockes ohne Werkzeugkopf verhindert, daß die Kühl-luft an einer Stelle austritt, welche vor dem Ende der Kühlluftführung des Spindelstockes liegt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und darige stellten beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt; es können vielmehr im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen vorgenommen werden.

Patentansprüche t

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Claims

Patentansprüche

CI))Einrichtung zum Verhindern von durch Schmierölumlauf

nicht zu bewältigenden, örtlichen, übermäßigen Temperaturerhöhungen im Inneren von Maschinenteilen, insbesondere von Spindelstöcken von Präs- und Bohrwerken, in welchen Hochleistungs-Arbeitsspindeln umlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des betreffenden Maschinenteiles um die Lager, insbesondere um das Hauptlager der umlaufenden Arbeitsspindel und in der Nähe der Zahnräder, beispielsweise derjenigen des Spindelantriebs, dichte Kammern angeordnet sind, die sowohl miteinander als auch mit einem Kühlmittel-Einlaßkanal und einem Auslaßkanal für das durch die im Inneren des Maschinenteiles auf einem im wesentlichen gleichbleibenden und der Umgebungstemperatur angenäherten Wert gehalten wird.
2) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Luft verwendet wird, so daß auf einen Kühlmittelbehälter, eine Rückkühlvorrichtung für das Kühlmittel und eine sorgfältige Abdichtung der gesamten Einrichtung verzichtet werden kann»
3) Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich-.

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net, daß an der Stelle des Maschinenteiles, an welcher die Temperatur normalerweise am höchsten ist, ein Temperaturfühler angeordnet ist, der mit einem Thermostaten verbunden ist, welcher eine den Kühlmitteldurchsatz regelnde Klappe so steuert, daß der Kühlmitteldurchsatz der abzufuhrenden-Wärmemenge proportional ist_e
4) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlmittelführung ein Regelventil angeordnet ist, welches in dem Kühlmittelsystem einen bestimmten Betriebsdruck aufrecht erhält»
5) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal für das von der abzuführenden Wärme aufgeheizte Kühlmittel im Inneren des betreffenden Maschinenteiles angeordnet und wärmeisoliert ist»
6) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden lager mit ringförmigen Rippen versehen sind, welche dazu dienen, die !Fläche zu vergrößern, die für den 7/ärmeaustausch zwischen den Lagern und dem in den sie umgebenden Kammern befindlichen Kühlmittel zur Verfügung steht.
7) Einrichtung na_ch einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zu kühlende Maschinenteil der Spindelstock eines

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Horizontal-Bohr- und !Fräswerkes ist, gekennzeichnet durch ein Gebläse, ein Kompressoraggregat od.dgl., welches am Ständer der den Spindelstock tragenden Maschine befestigt ist, eine biegsame Verbindungsleitung, deren Einlaß am Maschinenständer befestigt und mit dem Gebläse od.dgl. verbunden ist, und deren Auslaß an die erste Kühlkammer des Spindelstockes angeschlossen ist, während die letzte Kühlkammer desselben mit der Außenluft in Verbindung steht.
8) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel auch zur Kühlung des die Arbeits- und Werkzeugspindel der Maschine antreibenden Elektromotors verwendet wird»
9) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche! wobei am Spindelstock Werkzeugköpfe angeordnet werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzaugköpfe ebenfalls mit Kammern für den Umlauf eines Kühlmittels versehen sind und die Wände des Maschinenteiles und des Werkzeugkopfes, welche gegeneinander zur Anlage kommen, mit einander gegenüberliegenden öffnungen versehen sind, welche den Durchtritt des Kühlmittels ermöglichen, wobei die öffnungen in der Wand des Spindelstockes mit abnehmbaren Deckeln versehen sind, mittels weicher sie verschlossen werden können, wenn der Werkzeugkopf nicht am Spindelstock angebracht ist«

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