DE4316411C1 - Schnellfrequenzspindel mit elektromotorischem Direktantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schnellfrequenz­ spindel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Schnellfrequenzspindeln stellen Werkzeug­ maschineneinheiten dar, die für die üblichen Bearbeitungs­ aufgaben wie Fräsen, Bohren, Schleifen und dergleichen dienen, jedoch kein eigenes Maschinengestell besitzen. Sie werden vielmehr an ihrem zumindest in axialen Abschnitten zylindrischen Gehäuse in eine externe Aufspannvorrichtung eingespannt. Der direkt auf die Spindel wirkende Elektro­ motor erzeugt hohe Drehzahlen im Bereich von über 10 000 bis über 100 000 U/min. Die Elektromotoren werden mit einer erhöhten Frequenz gespeist, die durch einen Fre­ quenzumformer oder in ähnlicher Weise gewonnen wird.

Die Durchmesser dieser Schnellfrequenzspindeln sind nicht allzu groß und liegen etwa im Einspannbereich von 40 bis 150 mm. Wegen der hohen Arbeitsdrehzahlen ist dennoch die benötigte Leistung vergleichsweise hoch.

Eine derartige Schnellfrequenzspindel ist in der DE- PS 21 10 662 beschrieben. Der Rotor des Elektromotors ist hierbei unmittelbar auf der Spindelwelle angebracht, die an beiden Enden außerhalb des Rotors in Lageranordnungen im Gehäuse gelagert ist. Die axial äußere Lageranordnung liegt in der Nähe des dortigen Gehäuseendes. Die Werkzeug­ aufnahme ist in dem über das Lager nach außen vorstehenden Ende der Spindelwelle untergebracht.

Der Durchmesser des Elektromotors, der in dem Gehäuse untergebracht ist, ist durch dessen Innendurchmesser be­ grenzt. Zur Erzielung einer maximalen Leistungsausbeute des Elektromotors hat der den Rotor tragende Wellenteil nur einen geringen Durchmesser und ist dementsprechend biegeweich. Bei seitlich auf das aus dem Wellenende her­ vorstehende Werkzeug, zum Beispiel beim Fräsen oder Schleifen, einwirkenden Kräften biegt sich die Welle zwi­ schen den Lageranordnungen also leicht etwas durch, so daß der Rotor aus der Achse kommt und Schwingungen entstehen können.

Änderungen an dem Motor oder ein Auswechseln dessel­ ben erfordern eine weitgehende Demontage der Schnellfre­ quenzspindel. Ein Auswechseln des Motors gegen einen sol­ chen mit anderen Abmessungen ist nicht oder nur mit großen Schwierigkeiten möglich.

Das Problem der Wellensteifigkeit ist bei einer aus der Praxis bekannten Schnellfrequenzspindel dadurch ge­ löst, daß der Motor aus dem Bereich der Lageranordnungen der Spindel axial hinwegverlegt worden ist. Dadurch kann der Innendurchmesser des Gehäuses zwischen den Lageranord­ nungen der Spindel ganz für eine im Durchmesser fast den Innendurchmesser des Gehäuses erreichende und entsprechend biegesteife Welle genutzt werden.

Der Elektromotor schließt sich auf der der Werkzeug­ aufnahme abgewandten Seite an die Spindel an und hat eine eigene Welle, die auf beiden axialen Seiten in eigenen Lageranordnungen gelagert ist. Die Drehverbindung zwischen dem Elektromotor und der Spindelwelle erfolgt durch eine biegeweiche, torsionssteife Kupplung (z. B. Metallfalten­ balg). Im Bereich des der Werkzeugaufnahme zugewandten Endes des Motors ist das Gehäuse senkrecht zur Achse ge­ teilt. Dies gilt auch für die Motorwelle, die mit der Spindelwelle nicht einstückig ist, sondern axial von der Spindelwelle abziehbar ist.

Es sind hierbei zwar die eingangs genannten Probleme der aus baulichen Gründen fehlenden Biegefestigkeit der Spindelwelle und der nicht leichten Auswechselbarkeit des Motors gelöst, doch wird dies mit einer erhöhten Baulänge und mit einem erheblich erhöhten baulichen Aufwand, zum Beispiel in Gestalt der vier Lageranordnungen, erkauft, die auch Anlaß zu uner­ wünschten Schwingungen des Systems sein können, z. B. durch Fluchtungsfehler der beiden Achsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schnellfrequenzspindel der gattungsgemäßen Art so zu ge­ stalten, daß bei optimaler Biegefestigkeit der Spindelwel­ le in dem der Werkzeugaufnahme zugewandten Bereich Baulän­ ge und baulicher Aufwand möglichst gering und Aus­ wechslungen der Komponenten Spindelwelle, Elektromotor und gegebenenfalls weiterer Komponenten erleichtert sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 wiederge­ gebene Erfindung gelöst.

Die fliegende Befestigung des Rotors des Elektromotors auf dem Ende der Spindelwelle bedeutet, daß die bei der bekannten Ausführungsform vor­ handene eigene Lagerung des Rotors eingespart wenn kann. Die Befestigung des Rotors an der Spindelwelle ist lösbar, um eine Trennung von Spindelwelle und Rotor zu er­ möglichen. Diese Trennung wird unterstützt durch die Trennstelle im Gehäuse, die etwa in dem Bereich der Tren­ nung von Elektromotor und Spindelwelle gelegen ist.

Der hierbei zugrundeliegende Aspekt ist der des Auf­ baus der Schnellfrequenzspindel aus modulartigen, in sich im wesentlichen geschlossenen Baugruppen, die gegenein­ ander ausgewechselt werden können, so daß nicht nur eine Auswechslung bei Schäden oder Verschleiß möglich ist, sondern auch durch unterschiedliche Kombination der modul­ artigen Baugruppen unterschiedliche Schnellfrequenzspin­ deln zusammengebaut werden können. Das Ziel hierbei ist, von den einzelnen modulartigen Baugruppen größere Stück­ zahlen auf einmal herstellen und auf Lager halten zu kön­ nen, wobei die einzelnen Baugruppen in unterschiedlichen Geräten eingesetzt werden können und sich durch diese größeren Stückzahlen die Herstellungskosten verringern lassen.

Eine wichtige Ausgestaltung auf dem Wege zu einem modularen Aufbau eines Schnellfrequenzspindelsystems ist im Anspruch 2 angegeben.

Die Bedeutung dieser Ausgestaltung liegt darin, daß der den Rotor tragende Wellenzapfen, der Teil der Spindelwelle ist, an dem Rotor bleiben kann, so daß der Rotor mit sei­ nem Wellenzapfen eine in sich geschlossene Einheit bildet, die insgesamt gehandhabt wird, um nicht den Rotor von der Welle demontieren oder auf diese aufmontieren zu müssen.

Die Verbindung des den Rotor tragenden, einen Teil der Spindelwelle bildenden Wellenzapfens mit dem Rest der Spindelwelle muß natürlich hohe Anforderungen an die Sta­ bilität und Fluchtgenauigkeit erfüllen, die durch die Merkmale des Anspruchs 3 erfüllt werden können.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist die Trennstelle der Spindelwelle axial außerhalb der beiden Lageranordnungen gelegen.

Dieses Merkmal ist dem modularen Aufbau besonders förderlich, weil nämlich die Spindelwelle mit den beiden Lageranordnungen in dem zugeordneten Gehäuse­ teil ein in sich geschlossenes Bauteil bildet, welches mit dem ebenso gestalteten, den Elektromotor enthaltenden Gehäuseteil zusammenfügbar ist.

Es ist aber auch die Ausführungsform nach Anspruch 5 nicht ausgeschlossen, wonach die Trennstelle zwischen den beiden Lageranordnungen der Spindelwelle gelegen ist.

Der Gedanke des modularen Aufbaus ist nicht nur an dem Übergang zwischen dem Hauptteil der Spindelwelle und dem sie antreibenden Elektromotor verwirklicht, sondern kann auch noch in weiteren Trennstellen des Gehäuses rea­ lisiert werden, insbesondere auf der Außenseite des Elek­ tromotors, wie es im Anspruch 6 beschrieben ist.

Der hauptsächliche Anwendungsfall hierfür ist die Anbringung eines Betätigers für die Werkzeugaufnahme am äußeren Ende der Schnellfrequenzspindel. Die stangenförmi­ gen Betätigungsglieder erstrecken sich der Länge nach durch die zentrale Bohrung der Spindelwelle bis zu der Werkzeugaufnahme. Diese Art von Schnellfrequenzspindeln kommt besonders für automatischen Werkzeugwechsel in Be­ tracht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung im Längsschnitt dargestellt.

Fig. 1 und 2 zeigen Schnellfrequenzspindeln mit modu­ larem Aufbau und unterschiedlichen Elektromotoren;

Fig. 3 ist eine Teilansicht einer anderen Ausfüh­ rungsform der Trennstelle der Spindelwelle;

Fig. 4 ist eine den Fig. 1 und 2 entsprechende Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Schnellfrequenzspindel.

Soweit in den einzelnen Ausführungsformen funktionell einander entsprechende Teile vorhanden sind, sind die Bezugszahlen gleich.

Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Schnellfrequenz­ spindel der Fig. 1 umfaßt ein Gehäuse 10, welches einen vorderen, d. h. der Werkzeugaufnahme 20 zugewandten Gehäu­ seteil 1 mit zylindrischer Außenumfangsfläche besitzt. Im Bereich des der Werkzeugaufnahme 20 abgewandten Endes springt der zylindrische Außenumfang des Gehäuseteils 1 in einem zylindrischen Umfangsbund 2 radial auf einen größe­ ren Durchmesser vor. An der gemäß Fig. 1 rechten Stirnfläche des Bundes 2 ist eine Trennstelle 3 gebildet, an die sich ein zylindrischer Gehäuseteil 4 anschließt, dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Bundes 2 entspricht. An einer weiteren Trennstelle 5 am rechten Ende des Gehäuseteils 4 schließt sich ein weiterer zylin­ drischer Gehäuseteil 6 gleichen Außendurchmessers an. Insgesamt hat also das Gehäuse 10 der Schnellfrequenzspin­ del 100 einen vorderen zylindrischen Teil 1 eines bestimm­ ten Durchmessers und einen hinteren zylindrischen Teil 2, 4, 6 etwas vergrößerten Durchmessers.

Die Werkzeugaufnahme 20 ist an dem aus dem Gehäuse­ teil 1 nach links hervorstehenden Ende einer als Ganzes mit 30 bezeichneten Spindelwelle angeordnet. Der Gehäuse­ teil 1 ist rohrförmig mit einer den Stabilitätsforderungen entsprechenden Wanddicke und besitzt eine zylindrische Ausnehmung 7, die von der Spindelwelle 30 fast ausgefüllt wird. Der Radius der Ausnehmung 7 und damit der Spindel­ welle 30 ist in dem Ausführungsbeispiel etwa das Andert­ halbfache der Wanddicke des Gehäuseteils 1.

Die Spindelwelle 30 ist in dem Gehäuseteil 1 auf Lageranordnungen 8 bzw. 9 gelagert, die im Bereich des der Werkzeugaufnahme 20 zugewandten Endes und im Bereich des anderen Endes des Gehäuseteils 1 vorgesehen sind und in dem Ausführungsbeispiel jeweils aus zwei in Achsrichtung gestaffelten Einzelkugellagern bestehen. Der axiale Ab­ stand der Mitten der Lageranordnungen 8, 9 beträgt in dem Ausführungsbeispiel etwas das Fünffache des Radius der Spindelwelle 30.

Die Spindelwelle umfaßt eine zentrale Längsausnehmung 11, durch die sich eine Zugstange 12 hindurch erstreckt, die unter der Wirkung einer sie umgebenden, in der Längs­ ausnehmung 11 angeordneten Tellerfeder 13 gemäß Fig. 1 nach rechts beaufschlagt ist. Die Zugstange 12 wirkt auf eine in der Werkzeugaufnahme 20 vorhandene Spannzangen­ anordnung 14, die in Fig. 1 in der unteren Hälfte in der Lösestellung, in der oberen Hälfte in der Spannstellung dargestellt ist.

Auch die Spindelwelle 30 besitzt eine Trennstelle 31, die bei der Schnellfrequenzspindel 100 im Bereich des in Fig. 1 rechten Endes des Gehäuseteils 1 gelegen ist. Der über die Trennstelle 31 hinausragende Teil 30′ der Spin­ delwelle 30 bildet den Wellenzapfen, der den Rotor 32 des als Ganzes mit 40 bezeichneten Elektromotors trägt, der in dem Gehäuseteil 4 angeordnet ist und dessen darin befe­ stigter Stator die Bezugszahl 33 trägt.

Der Teil 30′ der Spindelwelle 30 besitzt einen ko­ axialen Gewindezapfen 34 verringerten Durchmessers, der sich in eine entsprechende Gewindebohrung an dem in Fig. 1 rechten Ende der Spindelwelle 30 einschrauben läßt. An den Gewindezapfen 34 schließt sich gegen den Elektromotor 40 hin eine präzise Zylinderfläche 35 an, an der die Teile 30, 30′ radial aneinander geführt sind. Das stirnseitige Ende der Spindelwelle 30 ist durch eine zur Achse senk­ rechte Fläche 36 gebildet, die gegen einen radial vor­ springenden Bund 37 des Teils 30′ der Spindelwelle 30 unter axialem Druck anliegt, der durch Betätigung des Gewindezapfens 34 erzeugt wird.

Der Teil 30′ der Spindelwelle 30 kragt also von deren Ende frei vor und trägt den Rotor 32, der keine eigene Lagerung aufweist. Die Anordnung kann so getroffen sein, daß sich der Elektromotor 40 an der Trennstelle 31 unmit­ telbar an das Ende des Gehäuseteils 1 anschließt.

Es ist erkennbar, daß der Gehäuseteil 4 mit dem Sta­ tor 33 an der Trennstelle 3 von dem Gehäuseteil 1 gemäß Fig. 1 nach rechts abgezogen werden kann. Sodann kann der Teil 30′ der Spindelwelle 30 mit dem Rotor 32 abgeschraubt und durch ein anderes Teil ersetzt werden.

An dem in Fig. 1 rechten Ende des Gehäuseteils 4 ist an der Trennstelle 5 der Gehäuseteil 6 abziehbar, der einen Betätiger 26 für die Werkzeugaufnahme 20 umfaßt. Der Betä­ tiger 26 umfaßt einen koaxial in den Gehäuseteil 6 einge­ setzten Zylinder 27 mit einem darin unter der Wirkung eines durch einen Einlaß 38 eingeleiteten Druckmediums ver­ schiebbaren Kolben 39, mit dem ein sich durch eine zen­ trale Bohrung 41 des Teils 30′ der Spindelwelle 30 hin­ durcherstreckender Druckstift 42 verbunden ist, der gegen das rechte Ende der Zugstange 12 wirkt. In der unteren Hälfte der Fig. 1 ist der Zustand dargestellt, in welchem Druckmedium eingeleitet und die Werkzeugaufnahme 20 auf Lösen betätigt ist. In der oberen Hälfte ist der Kolben 39 drucklos und wird die Werkzeugaufnahme 20 durch die Tel­ lerfeder 13 gespannt. Der Kolben 39 wird durch Federn 43 in diese Lage, in der das rechte Ende der Zugstange 12 nicht beaufschlagt ist, zurückgeholt.

Wichtig ist, daß die Schnellfrequenzspindel 100 an den Trennstellen 3 und 5 zerlegt und auch die Spindelwelle 30 an der Trennstelle 31 unterteilbar ist. Die Gehäusetei­ le 1, 4 und 6 bilden Module, die ausgetauscht und kombi­ niert werden können (Spindellagermodule, Antriebsmodule und Betätigungsmodule). Ein Beispiel hierfür ist in Ge­ stalt der Schnellfrequenzspindel 200 in Fig. 2 wiedergege­ ben. Die Gehäuseteile 1 und 6 stimmen mit ihrem inneren Aufbau mit den entsprechenden Gehäuseteilen der Schnell­ frequenzspindel 100 überein. Der Gehäuseteil 4′ jedoch weist einen vergrößerten Durchmesser auf und enthält einen Motor 40′ vergrößerter Leistung. Durch den modulartigen Aufbau des Systems können auf diese Weise verschiedene Typen von Schnellfrequenzspindeln zusammengestellt werden.

Die Trennstelle 31 in der Spindelwelle 30 muß präzise ausgeführt sein, um einen exakten Rundlauf des Rotors 32, der ja nur auf dem frei vorkragenden Teil 30′ gehalten ist, zu gewährleisten. Die Konstruktion im einzelnen kann jedoch unterschiedlich ausgebildet sein. In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der Trennstelle 31 wiedergege­ ben, bei der die Anlage der auch hier vorhandenen, zur Achse senkrechten Anlageflächen 36, 37 nicht durch einen Gewindezapfen 34, sondern durch eine Anordnung von von außen betätigbaren Zugklauen 44 herbeigeführt wird.

Bei der Schnellfrequenzspindel 300 der Fig. 4 ist die Spindelwelle 30 in Lageranordnungen 8, 9 an den Enden des Gehäuseteils 1 gelagert. Der Gehäuseteil 4 schließt sich an den Gehäuseteil 1 an und enthält den Elektromotor 40. In dem Ausführungsbeispiel ist allerdings für den Betätiger 26 für die Werkzeugaufnahme kein eigener Gehäuseteil 6 vorgesehen.

Der Unterschied zu den Schnellfrequenzspindeln 100 und 200 besteht insbesondere darin, daß die Trennstelle 31′ der Spindelwelle 30 nicht außerhalb der Lageranord­ nungen 8, 9 gelegen ist, sondern dazwischen. Der den Rotor 32 des Elektromotors 40 tragende Teil 30′ greift wiederum mit einem Gewindezapfen 34 in eine Ausnehmung der Spindel­ welle 30 ein. Die zur Achse senkrechten Anlageflächen 36, 37 liegen gemäß Fig. 4 links von der Lageranordnung 9. Das bedeutet, daß zwar der Modulaufbau immer noch gegeben ist, weil mit dem Gehäuseteil 1 unterschiedliche Gehäuse­ teile 4 mit entsprechend unterschiedlichen Elektromotoren 40 zusammengefügt werden können, doch bedarf es in diesem Fall einer Demontage der Lageranordnung 9, während bei den Schnellfrequenzspindeln 100 und 200 die Spindelwelle 30 mit ihren Lageranordnungen 8, 9 bei einem Wechsel des Ge­ häuseteils 4 unangetastet bleibt.

In den Wandungen des Gehäuses 10 verlaufen nicht dargestellte Kanäle für die Schmierung und gegebenenfalls Kühlung der Schnellfrequenzspindeln.

Claims (7)

1. Schnellfrequenzspindel für hohe Drehzahlen mit elektromotorischem Direktantrieb,
mit einem Gehäuse (10; 1, 4, 6),
mit einer in dem Gehäuse (10; 1, 4, 6) auf einen Abstand von­ einander aufweisenden Lageranordnungen (8, 9) gelagerten Spindelwelle (30),
mit einer Werkzeugaufnahme (20) an einem aus dem Gehäuse (10; 1, 4, 6) austretenden Ende der Spindelwelle (30),
mit einem an dem anderen Ende der Spindelwelle (30) angeordneten, mit der Spindelwelle (30) drehverbundenen, zu der Spindelwelle (30) gleichachsig umlaufenden Elek­ tromotor (40; 40′),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor (32; 32′) des Elektromotors (40; 40′) fliegend auf dem anderen Ende der Spindelwelle (30) lösbar befestigt ist und das Gehäuse (10; 1, 4, 6) im Bereich des der Werkzeugaufnahme (20) zugewandten Endes des Elektromo­ tors (40; 40′) an einer Trennstelle (3) senkrecht zur Achse geteilt ist.

2. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelwelle (30) an einer Trennstelle (31) senkrecht zur Achse geteilt ist und der dem Elektromotor (40; 40′) zugewandte Teil (30′) einen den Rotor (32; 32′) tragenden Wellenzapfen bildet.

3. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Spindelwelle (30; 30′) an der Trennstelle (31) senkrecht zur Achse verlaufende Anlage­ flächen (36; 37) umfassen und unter axialer Spannung in ausrichtender Anlage aneinander gehalten sind.

4. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (31) der Spin­ delwelle (30; 30′) axial außerhalb der beiden Lageranordnungen (8; 9) auf der dem Elektromotor (40; 40′) zugewandten Seite der Spindelwelle (30; 30′) gelegen ist.

5. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (31′) der Spindelwelle (30; 30′) axial zwischen den beiden Lageranord­ nungen (8; 9) gelegen ist.

6. Schnellfrequenzspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Werkzeug­ aufnahme (20) abgewandten Seite des Elektromotors (40; 40′) das Gehäuse (10; 1, 4, 6) an einer weiteren Trennstelle (5) senkrecht zur Achse geteilt ist.

7. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der außerhalb der weiteren Trennstelle (5) gelegene Teil (6) des Gehäuses (10; 1, 4, 6) zur Aufnahme eines Betätigers (26) für die Werkzeugaufnahme (20) dient.