DE4220310C2 - Arbeitsspindel mit Luftkühlung - Google Patents
Arbeitsspindel mit LuftkühlungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitsspindel für
eine Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patent
anspruches 1.
Bei Werkzeugmaschinen bzw. Fräs- oder Bohrmaschinen werden
an die Kühlung der Arbeitsspindel zunehmend höhere
Anforderungen gestellt, da eine Erhitzung der Spindel oder
des die Spindel lagernden Arbeitskopfes zu Wärmeausdehnungen
der Spindel führen und damit die Bearbeitungsgenauigkeit
der Werkzeugmaschine herabsetzen.
Moderne Werkzeugmaschinen verwenden elektronisch geregelte
elektrische Antriebsmotoren und kommen ohne die früher
üblichen Zahnradgetriebe zum Antrieb der Arbeitsspindel
aus. Damit steht aber auch kein für die Schmierung des
Getriebes und die Kühlung der Arbeitsspindel verwendbares
Öl zu Verfügung.
Die DE-PS 6 37 042 beschreibt ein elektrisch angetriebenes
Handwerkzeug für sehr hohe Drehzahlen bei geringer Antriebsleitung,
dessen Arbeitsspindel
in einem Gehäuse drehbar gelagert ist und ein Turbinenrad
zum Erzeugen eines Kühlluftstromes trägt, der ausgehend
von einer Ansaugkammer eine die Arbeitsspindel sowie deren
Lagerungen im Gehäuse umgebende, durch radial angeordnete
Rippen in eine Vielzahl von Strömungskanäle unterteilte
Ringkammer durchströmt und von dieser Ringkammer an
Auslaßöffnungen abströmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Arbeitsspindel für eine
Werkzeugmaschine zu schaffen, die bei hoher Antriebsleistung
in einem größeren Drehzahlbereich der jeweiligen Drehzahl
angepaßt ausreichend gekühlt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine luftgekühlte Arbeitsspindel hoher
Antriebsleitung zu verwirklichen und auf die bei solchen
Werkzeugmaschinen üblichen Kühleinrichtungen, die mit Kühlöl
arbeiten, zu verzichten. Mit dem Turbinenrad wird ein
Kühlluftstrom erzeugt, dessen Temperatur im wesentlichen
der Umgebungstemperatur und damit der Temperatur der
Werkzeugmaschine entspricht. Die durchgesetzte Kühlluftmenge
und damit die Kühlleistung sind im wesentlichen der Drehzahl
der Arbeitsspindel proportional, so daß die Kühlleistung
an die Drehzahl der Arbeitsspindel und damit an die
auftretende Erwärmung angepaßt ist. Ist die Drehzahl der
Arbeitsspindel sehr hoch, wird auch die Kühlluftmenge
entsprechend hoch sein. Bei Antrieb der Arbeitsspindel
mit geringerer Drehzahl wird auch die zugeführte
Kühlluftmenge entsprechend niedrig sein. Darüber hinaus
wird ein örtlich zu starkes und abruptes Abkühlen der
Bauteile der Werkzeugmaschine vermieden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher
beschrieben:
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch im Längsschnitt die Arbeitsspindel sowie den
Kopf der Werkzeugmaschine mit der erfindungsgemäßen
Kühleinrichtung;
Fig. 2 ein Detail der Anordnung der Arbeitsspindel mit einer Riemen
scheibe und einem Turbinenrad,
gesamthaft im Längsschnitt und in vergrößertem Maßstab;
Fig. 3 im Querschnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 1
ein Detail der Arbeitsspindel unter Hervorhebung
vorgesehener Kühlrippen;
Fig. 4 im Schnitt ein Detail einer Sekundärturbine zur
Erzeugung eines zusätzlichen Kühlluftstromes; und
Fig. 5 eine Kühleinrichtung mit radial angeordneten Düsen
am Vorderteil der Arbeitsspindel.
Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, ist eine Arbeitsspindel 1 der
Werkzeugmaschine längsverschieblich in einer Hülse 2
aufgenommen und im Maschinenkopf 3 unter Zuhilfenahme von
Kugellagern 4 gelagert. Die Drehbewegung der Arbeitsspindel 1 wird
über einen steuerbaren Motor (nicht dargestellt)
und unter Zuhilfenahme eines Zahnriemens 5, der mit einer
Riemenscheibe 6 verbunden ist, die mit der Arbeitsspindel 1
wirkverbunden ist, eingeleitet.
Zwischen dem Körper des Werkzeugmaschinenkopfes 3 und einer
Baugruppe, bestehend aus Arbeitsspindel 1 und Hülse 2, die in ein
Aufnahmerohr 8 eingesetzt ist, werden Längskammern 7
gebildet, die sich in Radialrichtung erstrecken und
ungefähr von der Riemenscheibe 6 bis zum Vorderteil eines
Rohrstückes 8 verlaufen. Über Auslaßöffnungen 9 und 10
stehen die Kammern 7 in Verbindung mit der Außenluft.
In die Riemenscheibe 6 sind Durchgangsbohrungen 11
eingearbeitet. Diese Bohrungen 11 sind in Übereinstimmung
mit Durchgangsöffnungen 12 vorgesehen, die als Ansaug
öffnungen dienen und in den Maschinenkörper eingearbeitet
sind. Vor den Öffnungen 11, 12 kann in vorteilhafter
Weise ein ringförmig ausgebildeter Filter 13 angeordnet
sein, wodurch vermieden wird, daß Verunreinigungen, wie
Staub oder Späne angesaugt werden, die in
vorteilhafterweise vom Filter 13 aufgehalten werden.
In Übereinstimmung mit der Auslaufseite der Öffnung 11
und in Wirkverbindung mit der Riemenscheibe 6 oder der
Arbeitsspindel 1 ist ein Turbinenrad vorgesehen, das gesamthaft
mit 14 gekennzeichnet ist. Das Turbinenrad 14 besteht aus
einem haubenförmigen oder glockenförmigen Körper, der auf seiner zur
Riemenscheibe 6 (Ansaugseite) gerichteten Seite eine
ringförmige Ansaugöffnung 16 aufweist. Auf der gegenüberliegenden
Seite weist der haubenförmige Körper eine
ringförmige Öffnung 17 auf, die für den Auslaß des
Kühlluftstromes dient. Die ringförmig ausgebildeten
Auslaßöffnungen 17 entsprechen in ihren Abmessungen den
Abmessungen der Längskammern 7, die in radialer Anordnung
vorgesehen sind.
Im Inneren weist das Turbinenrad 14 Flügel 18 auf, die
während der Drehbewegung der Arbeitsspindel 1 die Aufgabe übernehmen,
über die Öffnung 16 Luft aus der Umgebung
anzusaugen, diese Luft zu verdichten und über die
Auslaßöffnung 17 einen Kühlluftstrom an die
Längskammern 7, wie durch den Pfeil (f) dargestellt, zu
liefern.
Der in Richtung der Pfeile (f) geförderte Kühlluftstrom
kann am Ende der Längskammern 7 über Auslaßöffnungen 9
und 10 entweichen.
Um den Kühleffekt der Luftströmung (f) zu erhöhen, ist
das Rohrstück 8 an seiner Außenseite und in Längs
richtung mit radialen Kühlrippen 19 versehen, die deutlich
der Fig. 3 zu entnehmen sind.
Der Fig. 1 kann entnommen werden, daß in Übereinstimmung
mit den Lagern 20, die zur Aufnahme der Arbeitsspindel
1 vorgesehen sind, vor der Riemenscheibe 6 ein
weiteres Turbinenrad 21 vorgesehen ist, das Luft in
Richtung des Pfeil es (g) ansaugt, um mit einem Kühlluftstrom
den Außenmantel eines Rohrstückes 22 zu
beeinflussen, welches eine Anzahl von Kugellagern 23
aufnimmt, deren Wärme, die während der Drehbewegung der
Spindel 1 erzeugt wird, durch den Luftstrom (g), der vom
das Turbinenrad 21 erzeugt wird, abgeführt wird. Das
Turbinenrad 21 ist in vergrößertem Maßstab und in einer
Querschnittsdarstellung in Fig. 4 dargestellt.
Auch in der Nähe des vorderen Endes der Arbeitsspindel 1 ist eine
weitere zusätzliche Vorrichtung zur Erzeugung eines
Kühlluftstromes vorgesehen. Diese Vorrichtung besteht im
wesentlichen aus einem Ring 24, der in Umfangsrichtung eine
Anzahl von Bohrungen 25 aufweist, die in radialer
Erstreckung angeordnet sind.
Senkrecht zur Achse der Bohrungen 25 ist ein Ringkanal 26
zum Ansaugen der Luft vorgesehen und dieser Kanal steht mit
radial verlaufenden Bohrungen 25 in Verbindung. Daraus
folgt, daß während der Drehbewegung der Arbeitsspindel 1 die in
den Radialbohrungen 25 enthaltene Luft aufgrund von sich
einstellenden Fliehkräften ständig aus den Radial
bohrungen 25 austritt. Auf diese Weise bildet sich in
diesen Bohrungen 25 ein ständiger Unterdruck, der zu einem
Ansaugen der Umgebungsluft über den Ringkanal 26 führt.
Diese ständig während der Drehbewegung der Spindel 1
erzeugten Luftströme fließen über die Radialbohrungen 25
und die zugeordnete Ansaugkammer 26, um dadurch auch von
der Vorderseite der Arbeitsspindel 1 (Spindelteil, das nur
bescheiden durch den Zwangsluftstrom (f) beeinflußt wird)
und den naheliegenden Lagern, Wärme abzufördern.
Die Fig. 3 zeigt im Detail die Anordnung der Kühlrippen
19, die im wesentlichen einstückig mit dem Rohrstück 8
zur Aufnahme der Spindelanordnung 1 und 2 verbunden sind.
Durch die Rippen 19 wird die wirksame Kühlfläche
der einzelnen Ringkammern 7 wesentlich
vergrößert, wodurch ein maximaler Kühleffekt (Pfeil f)
erreicht wird.
Claims (3)
1. Arbeitsspindel für eine Werkzeugmaschine, mit einem
auf der drehbar gelagerten Arbeitsspindel angeordneten
Turbinenrad zum Erzeugen eines Kühlluftstromes, der
ausgehend von einer Ansaugkammer eine die Arbeitsspin
del sowie deren Lagerungen im Gehäuse umgebende, durch
radial angeordnete Rippen in eine Vielzahl von Strö
mungskanäle unterteilte Ringkammer durchströmt und
von der Ringkammer an Auslaßöffnungen abströmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine die Arbeitsspindel (1) antreibende Rie menscheibe (6) mit Durchgangsbohrungen (11) für den Kühlluftstrom (g) zwischen der Ansaugkammer (12) und dem Turbinenrad (14) vorgesehen ist, und
daß entlang der Arbeitsspindel (1) zusätzliche Turbinenräder (21) für den Kühlluftstrom (g) vorgesehen sind.
daß eine die Arbeitsspindel (1) antreibende Rie menscheibe (6) mit Durchgangsbohrungen (11) für den Kühlluftstrom (g) zwischen der Ansaugkammer (12) und dem Turbinenrad (14) vorgesehen ist, und
daß entlang der Arbeitsspindel (1) zusätzliche Turbinenräder (21) für den Kühlluftstrom (g) vorgesehen sind.
2. Arbeitsspindel nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Turbinenrad (14) glockenförmig ausgebildet
ist und im inneren Flügel (18) zum Ansaugen und
Verdichten der Luft aufweist.
3. Arbeitsspindel nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der Vorderseite (8) der Arbeitsspindel (1)
ein weiteres Turbinenrad (24) angeordnet ist, das
in Radialrichtung Bohrungen (25) aufweist und daß
jede Radialbohrung (25) mit einem Umfangskanal (26)
in Wirkverbindung steht.
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