DE3819799C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem bei sehr hohen Drehzahlen von über 50 000 Umdrehungen pro Minute umlaufenden Werkzeug, insbesondere Bohrer oder Fräser, bei der das Werkzeug in einem Futter eines in einem Spindelstock der Werkzeugmaschine umlaufenden Teils eingespannt ist und das Teil mit Turbinenschaufeln versehen ist, die mittels raumfester Kanäle mit Antriebsgas beaufschlagt werden.

Eine Werkzeugmaschine der vorstehend genannten Art ist aus der GB-OS 21 66 374 bekannt.

Werkzeugmaschinen der hier interessierenden Art mit extrem schnell drehenden Werkzeugen werden beispielsweise zum Hochge­ schwindigkeits-Bohren von weichen Metallen wie Aluminium oder zum Bohren von Leiterplatten, zum Hochgeschwindigkeits-Fräsen und dgl. eingesetzt.

Die aus der eingangs genannten GB-OS 21 66 374 bekannte Maschine ist ein sogenanntes Bearbeitungszentrum, d.h. eine Werkzeug­ maschine, bei der eine Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge nacheinander in eine Spindel der Werkzeugmaschine einsetzbar ist, um an fest eingespannten Werkstücken nacheinander eine bestimmte Folge von Bearbeitungsschritten vornehmen zu können. Bei diesen Bearbeitungszentren stehen die Werkzeuge als Werk­ zeughalter zur Verfügung, die an ihrer Oberseite einen genormten Kegel aufweisen und an ihrer Unterseite das jeweilige Werkzeug tragen. Diese üblichen Werkzeughalter werden in die kegelige Aufnahme der Spindel eingezogen und dort unter Form- und/oder Kraftschluß gehalten. Die Spindel wird dann in Rotation ver­ setzt, so daß das Werkzeug gleichzeitig gedreht wird.

Die eingangs genannte bekannte Werkzeugmaschine sieht nun in diesem Zusammenhang einen zusätzlichen "Werkzeughalter" vor, der zwar an seiner Oberseite ebenfalls mit einem Normkegel versehen ist, um in die Spindelaufnahme eingezogen werden zu können, dies allerdings nur, um in der üblicherweise verfahr­ baren Spindel der Werkzeugmaschine eingespannt werden zu können. Der "Werkzeughalter" wird nämlich nicht durch die Spindel gedreht, sondern weist vielmehr einen eigenen eingebauten Antriebsmotor auf. Dieser Antriebsmotor ist eine druckluftbe­ triebene Turbine. Zur Druckluftversorgung ist der "Werkzeug­ halter" mit einem seitlichen Druckluftanschluß in Form eines Flansches versehen, der im in die Spindel eingezogenen Zustand in einen zugehörigen Stecker einer Druckluftleitung faßt, der an dem Spindelstock des Bearbeitungszentrums neben der Spin­ delaufnahme angeordnet ist. Die druckluftbetriebene Turbine treibt ein Spannfutter an, in das ein kleines Werkzeug, bei­ spielsweise ein Bohrer, eingespannt werden kann.

Die bekannte Anordnung ist damit lediglich zum Einsatz in Bearbeitungszentren geeignet, bei denen neben einer genormten kegeligen Spindelaufnahme ein Druckluftanschluß vorhanden ist.

Andererseits ist es bekannt, Hochgeschwindigkeits-Bohrmaschinen mit druckluftbetriebenen Hochgeschwindigkeitsspindeln zu versehen, wobei diese Spindeln fest in die Bohrmaschine ein­ gebaut sind. In diesem Falle ist es erforderlich, das Werkzeug an der Werkzeugmaschine in das Spannfutter einzuspannen, während im weiter oben geschilderten Fall der "Werkzeughalter" bereits mit eingespanntem Werkzeug (z.B. einem Bohrer) bestückt sein kann, ehe der "Werkzeughalter" in die Spindel des Bearbeitungs­ zentrums eingespannt wird.

Die bekannten Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß in beiden Fällen die Hochgeschwindigkeitsspindel eine verhältnis­ mäßig große Baueinheit ist, die sowohl den Statorteil wie auch den Rotorteil der druckluftbetriebenen Turbine mit allen zugehörigen Anschlüssen umfaßt. Bei der aus der GB-OS 21 66 374 bekannten Werkzeugmaschine muß demzufolge diese relativ komplizierte Baueinheit insgesamt gehandhabt, nämlich in die Spindel der Werkzeugmaschine eingespannt werden, während bei der weiter noch genannten bekannten Werkzeugmaschine die Hochgeschwindigkeitsspindel zwar fest in die Bohrmaschine eingebaut ist, die Werkzeuge (Bohrer) indes an der Werkzeug­ maschine selbst eingespannt werden müssen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiter­ zubilden, daß unter Beibehaltung des Vorteils, eine Vorbe­ stückung mit den Werkzeugen außerhalb der Werkzeugmaschine vornehmen zu können, ein Werkzeugwechsel durch bequemen Aus­ tausch einer kleinen und kompakten Einheit möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Teil als rotierender Werkzeughalter ausgebildet ist, der mit eingespanntem Werkzeug in einer als Luft-Lagerschale für den Werkzeughalter ausgebildete Aufnahme des Spindelstocks lose einsetzbar und an seiner Außenseite mit den Turbinenschaufeln versehen ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil zunächst der Vorteil der aus der GB-OS 21 66 374 bekannten Werkzeugmaschine beibehalten wird, das Werkzeug (Bohrer) außerhalb der Werkzeugmaschine in das einzusetzende Teil einspannen zu können. Andererseits ist aber das in die Werkzeugmaschine einzusetzende Teil wesentlich kleiner und einfacher, weil nur noch das Spannfutter mit dem daran angesetzten Rotor der Turbine in die Aufnahme der Werk­ zeugmaschine eingesetzt werden muß, die den Turbinenstator sowie sämtliche Leitungsverbindungen enthält.

Die Erfindung kombiniert damit in überraschender Weise die Vorteile beider eingangs genannter Werkzeugmaschinenarten und ermöglicht einen bequemen Werkzeugwechsel, ohne erneut die Zentrizität des Werkzeuges durch Probebohrungen kontrollieren zu müssen.

Zum Werkzeugwechsel braucht der Benutzer der Werkzeugmaschine nämlich nur noch den "alten" Werkzeughalter, der lediglich mittels Luftlagerung lose im Spindelstock gehalten ist, aus diesem zu entnehmen, alsdann einen neuen Werkzeughalter lose in den Spindelstock einzusetzen, um dann nach Anlaufen des Werkzeughalters ohne weitere Verzögerung weiter arbeiten zu können. Hierbei entfällt auch die bei den eingangs als zweites genannten Werkzeugmaschinen erforderliche Notwendigkeit, die Werkzeuge in möglicherweise schlecht zugängliche Einbaulage unmittelbar an der Werkzeugmaschine aus- und einzuspannen, was gerade bei den sehr kleinen Hochgeschwindigkeitswerkzeugen erhebliche Fingerfertigkeit erfordert. Mit der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist es nämlich statt dessen möglich, ähnlich wie bei der aus der GB-OS 21 66 374 bekannten Werkzeugmaschine, diese Arbeiten vorab zu erledigen, so daß der Benutzer der Werkzeugmaschine mit einem Satz vorbereiteter Werkzeughalter in einem Werkzeughalter-Magazin arbeiten und mit minimalen Umrüstzeiten eine Vielzahl von Arbeitsvorgängen ausüben kann. Im Gegensatz zur Anordnung der GB-OS 21 66 374 sind die aus­ zuwechselnden Baueinheiten dabei sehr klein, leicht und einfach im Aufbau, so daß der Werkzeugwechsel mit der geringstmöglichen Mühe vonstatten gehen kann. Es können dabei auch sehr kleine Werkzeughalter für Drehzahlen von weit über 100 000 bis zu 300 000 U/min realisiert werden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Werkzeughalter einen sich vom Werkzeug weg verjüngenden koni­ schen Abschnitt auf, und die Aufnahme ist als konische Sack­ bohrung ausgebildet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine besonders einfache Bauweise entsteht, bei der das lose Einsetzen und die lose Entnahme des rotierenden Werkzeughalters mit einem Handgriff vorgenommen werden können.

Bevorzugt ist ferner, wenn die Aufnahme Haltemittel zum axialen Halten des eingesetzten Werkzeughalters aufweist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß selbst bei stillstehendem Werkzeughalter sicher vermieden wird, daß dieser aus der Aufnahme herausfällt. Bei rotierendem Werkzeughalter kann die axiale Haltekraft ohne weiteres durch entsprechendes axiales Anstellen der Turbinenschaufeln erreicht werden.

Bei bevorzugten Ausgestaltungen dieser Variante können die Haltemittel entweder als Magnet oder als radial verfahrbare Haltebacken an der Peripherie der Aufnahme ausgebildet werden.

Während das erstgenannte Beispiel den Vorteil hat, daß keine zusätzlichen mechanisch zu verfahrenden Elemente erforderlich sind und der Zugang zur Aufnahme weder beim Einsetzen noch beim Herausnehmen des Werkzeughalters behindert wird, hat das zweite Beispiel den Vorteil, daß ein Herausfallen des Werkzeug­ halters selbst dann verhindert wird, wenn ein Zug von unten auf den stillstehenden Werkzeughalter ausgeübt wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Werkzeugmaschine sind schließlich mehrere Werkzeughalter in einer Mehrspindel-Bohrmaschine angeordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die vorstehend erläuterten hochtourigen Werkzeughalter auch in Mehrspindel-Bohrmaschinen eingesetzt werden können, wie sie insbesondere zum Bohren von Leiterplatten verwendet werden. Bei derartigen Mehrspindel- Bohrmaschinen werden bekanntlich Bohrer mit einem Durchmesser von nur mehreren Zehntel Millimetern eingesetzt, und man kann bei den mit der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine erzielbaren Drehzahlen Taktzeiten von beispielsweise zehn derartigen Bohrungen pro Sekunde erreichen. Es liegt auf der Hand, daß dies die Bearbeitungszeit für das Bohren von elektrischen Leiterplatten bei unverminderter Präzision der Bohrungsausfüh­ rung drastisch vermindert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:.

Fig. 1 eine Schnittdarstellung, in vergrößertem Maßstab, eines Ausschnitts aus einem Spindelstock einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine;

Fig. 2 etwa in natürlichem Maßstab eine Darstellung zur Erläuterung des Einsatzes einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit einem Magazin von Werkzeug­ haltern.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt eine Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Hochgeschwindigkeits-Bohrmaschine, wie sie zur Bearbeitung von Leiterplatten eingesetzt wird. Bei diesem Anwendungsfall verwendet man Bohrer mit einem Außen­ durchmesser von beispielsweise 0,2 Millimetern, und bei bekann­ ten Bohrmaschinen dieser Art drehen sich diese Bohrer mit Drehzahlen zwischen 50 000 und 70 000 Umdrehungen pro Minute.

Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist ein raumfester Spindelstock 11 mit einer sich nach innen verjüngenden konischen Sackbohrung 12 versehen. Die Sackbohrung 12 ist im konischen Mantelbereich mit einer Mehrzahl von radialen Kanälen, von denen in Fig. 1 vier Kanäle 13, 14, 15, 16 dargestellt sind, versehen. Über die vier Kanäle 13, 14, 15, 16 kann in Richtung der eingezeichneten Pfeile ein Lagergas, beispielsweise Lager­ luft, eingeblasen werden.

Ein fünfter Kanal 17 schließt sich in axialer Richtung an die Sackbohrung 12 an. Schließlich ist noch um die Sackbohrung 12 herum ein Spiral-Kanal vorgesehen, der in an sich bekannter Weise, in Umfangsrichtung gesehen, zunächst einen großen Querschnitt aufweist, wie in Fig. 1 mit 18 angedeutet, und dann in Umfangsrichtung in einen immer kleineren Querschnitt übergeht, wie in Fig. 1 mit 19 angedeutet. Ein Antriebsgas, beispielsweise Antriebsluft, wird in tangentialer Richtung in den Spiral-Kanal 18, 19 an dessen Position größten Querschnittes eingeblasen und tritt durch eine ebenfalls umlaufende Ausmündung in den Bereichen immer kleiner werdenden Querschnittes ebenfalls tangential oder schräg zur Umfangsrichtung in die Sackbohrung 12 ein.

Mit 30 ist insgesamt ein rotierender Werkzeughalter bezeichnet, in den ein Bohrer 31 oder ein Fräser eingesetzt ist. Der Bohrer 31 weist einen Vierkant-Bund 32 auf, so daß er formschlüssig ergriffen und mit einem Schaft 33 in ein Futter 34 des Werkzeug­ halters 30 eingespannt werden kann.

Der Werkzeughalter 30 weist noch einen zylindrischen Bund 38 auf, in dem eine Umfangsnut 39 angebracht ist. Die Umfangsnut 39 kann verwendet werden, um den Werkzeughalter 30 gesamthaft mittels eines Greifers eines Werkzeugwechselsystems ergreifen und handhaben zu können.

An den Bund 38 schließt sich ein äußerer konischer Abschnitt 40 an, der in einen langgestreckten inneren konischen Abschnitt 41 mit sehr viel kleinerem Kegelwinkel übergeht. An der dem Bohrer 31 gegenüberliegenden Ende ist der Werkzeug­ halter 30 mit einer radialen Stirnfläche 42 abgeschlossen.

Im eingesetzten Zustand des Werkzeughalters 30, so wie dies Fig. 1 zeigt, steht die radiale Stirnfläche 42 einer Bodenfläche 43 der konischen Sackbohrung 12 gegenüber. Da der Kegelwinkel des inneren konischen Abschnitts 41 mit dem Kegelwinkel der konischen Sackbohrung 12 übereinstimmt, bilden sich ein koni­ scher radialer Luftspalt 45 und ein axialer Luftspalt 46.

Wie man aus der teilweise aufgebrochenen Darstellung des Werkzeughalters 30 entnehmen kann, ist dieser mit Turbinen­ schaufeln versehen, die bei 48 und 49 angedeutet sind. Die äußeren Öffnungen der Turbinenschaufeln 48, 49 stehen der Ausmündung des Spiral-Kanals 18, 19 gegenüber. Im Zentrum des Werkzeughalters 30 vereinen sich die Kanäle, deren Wandungen die Turbinenschaufeln 48, 49 bilden, zu einem axialen Kanal 50, der in den fünften axialen Kanal 17 im Spindelstock 11 übergeht.

Wenn über den Spiral-Kanal 18, 19 ein Antriebsgas eingeblasen wird, so trifft dieses auf die Turbinenschaufeln 48, 49 und strömt weiter durch den axialen Kanal 50 in den fünften axialen Kanal 17, wie in Fig. 1 mit Pfeilen angedeutet. Auf diese Weise kann sich der Werkzeughalter 30 mit hohen Drehzahlen in der konischen Sackbohrung 12 drehen. Die Einströmrichtung des Antriebsgases von dem Spiral-Kanal 18, 19 in die Turbinen­ schaufeln 48, 49 kann axial schräg so angestellt sein, daß auf den Werkzeughalter 30 eine axiale Kraft nach oben ausgeübt wird, die gerade so groß ist, daß sie das Eigengewicht des Werkzeughalters 30 kompensiert.

Um beim Einsetzen bzw. beim Herausnehmen und im Betrieb des Werkzeughalters eine axiale Halterung herzustellen, kann ein Dauermagnet 60 vorgesehen sein, wie dies oben links in Fig. 1 beispielhaft angedeutet ist. Die Pole des Dauermagneten 60 sind dabei über Eck zwischen Bodenfläche 43 und konischer Mantelfläche der Sackbohrung 12 angeordnet, so daß sich Feld­ linien über diese Ecke erstrecken und einen ferromagnetischen Werkzeughalter 30 halten können. Betrachtet man nämlich die von dem vorstehend erläuterten Turbinenantrieb erzeugte Lager­ kraft, so steht diese in Fig. 1 beispielsweise in der Position der Querschnitte 18, 19 des Spiral-Kanales senkrecht auf der Oberfläche des konischen Abschnitts 41 und verfügt damit sowohl über eine radiale wie auch über eine axiale Komponente. Zwar bemüht man sich in der Praxis, die Verhältnisse so einzustellen, daß die axiale Komponente der Lagerkraft nach oben gerichtet ist und gerade das Eigengewicht des Werkzeughalters kompensiert, in der Regel verbleibt jedoch eine geringfügige axiale Kom­ ponente, die nach unten gerichtet ist und daher vom Dauermag­ neten 60 kompensiert werden muß.

Eine weitere Möglichkeit der axialen Halterung des Werkzeug­ halters 30 bei niedrigen Drehzahlen besteht darin, im Umfangs­ bereich der konischen Seitenbohrung 12 Haltebacken vorzusehen, von denen eine mit 61 rechts unten in Fig. 1 angedeutet ist. Die Haltebacken 61, die z.B. als drei Sektoren mit jeweils 120° über den gesamten Umfang der konischen Sackbohrung 12 ausgestaltet sein können, sind radial verfahrbar, so daß im eingezogenen Zustand die konische Sackbohrung 12 freiliegt und der Werkzeughalter 30 eingesetzt werden kann, während im ausgefahrenen Zustand die Haltebacken 61 die Position in Fig. 1 rechts unten annehmen und den Werkzeughalter 30 gegen Heraus­ fallen sichern. Zweckmäßigerweise kann die Lagerseite der Haltebacken 61 an den äußeren konischen Abschnitt 40 angepaßt werden, und über einen achten Kanal 62 in den Haltebacken 61 kann hier zusätzliches Lagergas eingeblasen werden, um auch zwischen dem äußeren konischen Abschnitt 40 und den Haltebacken 61 ein Luftlager zu realisieren.

Fig. 2 zeigt in stark schematisierter Form die praktischen Einsetzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine.

In der rechten Hälfte der Fig. 2 ist der Spindelstock 11 etwas vollständiger dargestellt, und man erkennt deutlich den einge­ setzten rotierenden Werkzeughalter 30 mit Bohrer 31.

Unterhalb des Spindelstocks 11 befindet sich ein äußerst schematisiert dargestellter Bearbeitungstisch 70, auf dem z.B. Leiterplatten bereitgehalten werden können, um diese mittels des Bohrers 31 zu bohren.

Soll nun der Bohrer 31 gegen einen anderen Bohrer 31 a ausge­ tauscht werden, so kann man bei der erfindungsgemäßen Bohr­ maschine 10 den gesamten rotierenden Werkzeughalter 30 entnehmen und gegen einen anderen, bereits vorbereiteten und eingestellten Werkzeughalter 30 a mit einem Handgriff ersetzen. Im Werkzeug­ halter 30 a befindet sich der gewünschte neue Bohrer 31 a, und dieser ist mit Bezug auf den Werkzeughalter 30 a bereits so voreingestellt, daß weitere Justierungsarbeiten nicht erforder­ lich sind.

Entsprechend können für weitere Bearbeitungsschritte weitere Werkzeughalter 30 b und 30 c mit Bohrern 31 b und 31 c eingewechselt werden.

Hierzu verwendet man zweckmäßigerweise ein Werkzeughalter- Magazin 75, das mit entsprechenden Aufnahmen 76 a, 76 b, 76 c versehen ist, um die Werkzeughalter 30 a, 30 b, 30 c in der Nähe des Spindelstocks 11 bereitzuhalten. Die Werkzeughalter 30 a, 30 b, 30 c sind im Magazin 75 vorzugsweise mit ihren konischen Abschnitten nach oben angeordnet, um ein leichteres Ergreifen und Umsetzen in die Aufnahme des Spindelstocks 11 zu ermögli­ chen.

Es ist ferner in Fig. 2 mit 11′ und 30′ angedeutet, daß die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine auch eine Mehrspindel-Bohr­ maschine sein kann, bei der mehrere Spindelstücke 11, 11′ nebeneinander angeordnet sind und mehrere Werkzeughalter 30, 30′ tragen. Derartige Mehrspindel-Bohrmaschinen mit den im vorliegenden Zusammenhang interessierenden extrem hohen Dreh­ zahlen werden beispielsweise zum Bohren von elektrischen Leiterplatten verwendet. Die dabei verwendeten Bohrer haben einen Durchmesser von nur wenigen Zehntel Millimetern, bei­ spielsweise von 2/10 Millimetern, und man kann bei den mit der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine möglichen Drehzahlen Bohrzeiten für eine Bohrung in der elektrischen Leiterplatte von beispielsweise 1/10 Sekunde erzielen.

Claims (6)

1. Werkzeugmaschine mit einem bei sehr hohen Drehzahlen von über 50 000 Umdrehungen pro Minute umlaufenden Werkzeug, insbesondere Bohrer (31) oder Fräser, bei der das Werkzeug in einem Futter (34) eines in einem Spindelstock (11) der Werkzeugmaschine (10) umlaufenden Teils eingespannt ist und das Teil mit Turbinenschaufeln (48, 49) versehen ist, die mittels raumfester Kanäle (18, 19) mit Antriebsgas beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil als rotierender Werkzeug­ halter (30) ausgebildet ist, der mit eingespanntem Werkzeug in eine als Luft-Lagerschale für den Werkzeug­ halter (30) ausgebildete Aufnahme des Spindelstocks (11) lose einsetzbar und an seiner Außenseite mit den Turbinenschaufeln (48, 49) versehen ist.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeughalter (30) einen sich vom Werkzeug weg verjüngenden konischen Abschnitt (41) aufweist und daß die Aufnahme als konische Sackbohrung (12) ausgebil­ det ist.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aufnahme Haltemittel zum axialen Halten des eingesetzten Werkzeughalters (30) aufweist.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel als Magnet (60) ausgebildet sind.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel als radial verfahrbare Haltebacken (61) an der Peripherie der Aufnahme ausgebildet sind.

6. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Werkzeughalter (30, 30′) in einer Mehrspindel-Bohrmaschine angeordnet sind.