Vorrichtung mit einem drehbaren Teil zur Halterung einer Spindel oder dergleichen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem drehbaren Teil zur Halterung einer Spindel oder dergleichen, bestehend aus einem Vakuum-betätigten, hydrostatischen Lager, welches seinerseits aus einem Stator und einem zugeordneten Rotor besteht.
Eine Spindel wird gewöhnlich zur Halterung von Werkzeugen, beispielsweise Schleifscheiben, verwendet.
Die Schleifscheibe wird gegenüber der Spindel abgezogen und ausgerichtet. Infolge der Abnützung muss die Schleifscheibe häufig ausgewechselt werden. Während des Einbauens, Abziehens und Ausrichtens der Austausch-Schleifscheibe ist die Werkstückbearbeitung unterbrochen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, mit welcher die vorgenannten Nachteile überwunden werden.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Lager eine mit dem Stator und dem Rotor in Verbindung stehende Kammer und einen Kanal aufweist, der mit der Kammer und einer Vakuumquelle in Verbindung steht.
Mit dieser Vorrichtung ist eine verhältnismässig billige, auswechselbare Spindel geschaffen worden; somit kann ein Vorratslager von einsatzfertigen Spindeln angelegt werden und das Auswechseln erfolgt ohne weitere Einstellung durch Aufstecken einer Spindel auf dem Träger. Die Spindel ist äusserst rasch abnehmbar, so dass einsatzbereite, identische Spindeln einfach und ohne Einstellzeiten austauschbar sind, wodurch der stattfindende Bearbeitungsvorgang nur sehr kurz unterbrochen werden muss. Der Rotor (die Spindel) wird hydrostatisch in der Betriebslage ausgerichtet und in Verbindung mit einer vakuumbeaufschlagten Ausnehmung durch den Atmosphärendruck in seiner Lage gehaltert. Dabei ergibt sich die schnelle Austauschbarkeit der Spindel daraus, dass diese aus ihrer Betriebslage lösbar ist, indem sie lediglich bei Abschalten des Vakuums vom Träger abgezogen werden muss.
Trotz einer sehr einfachen Bauweise sind das Werkzeug und seine Halterung schnell und genau auswechselbar, und an dem überraschend erfolgreichen Betriebsverhalten hat sich ihre störungsfreie Konstruktion erwiesen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine verkleinerte Ansicht einer Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 2 einen senkrechten vergrösserten Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1,
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Teildarstellung der Vorrichtung im auseinandergebauten Zustand,
Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung, in der ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt ist,
Fig. 5 einen Teil der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung in einer anderen Betriebsstellung und
Fig. 6 einen Horizontalschnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 4.
Gemäss den Zeichnungen, und insbesondere der Fig. 1, wird das Lager 20 mittels eines herkömmlichen Trägers 10 in der Betriebsstellung gehaltert und besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 20, dessen oberer Abschnitt in Fig. 2 nicht dargestellt ist und dessen unterer Abschnitt in einem Ringflansch 23 endet. Ein Mantelring 28, der als zylinderförmiger Kragen ausgebildet ist und eine Seitenwand 29 aufweist, hängt vom Flansch 23 herab und ist an diesem beispielsweise durch Schrauben 26 befestigt.
Das Gehäuse 22 ist von einem axialen Kanal 33 durchsetzt, in den eine Hülse 33 eingepresst ist, die einen mit einem Aussengewinde versehenen, nach unten vorstehenden Abschnitt 35 aufweist.
Ein im wesentlichen zylindrischer Stator 37, der einen Lagerkörper bildet, ist mit einem oberen zylindrischen Flansch 38 versehen, der bei diesem Ausführungsbeispiel ein Drucklagerpolster bildet, und von einem axial verlaufenden Kanal 33a durchsetzt, der als Verlängerung des Kanals 33 ausgebildet ist. Der Stator 37 hat eine obere Senkbohrung 40 mit einem unteren mit einem Innengewinde versehenen Abschnitt 40a, der mit dem Gewindeabschnitt 35 verschraubt wird.
Der Durchmesser des Flansches 38 ist so bemessen, dass der Flansch vom Mantelring 28 aufgenommen werden kann. Der Stator 37 weist am unteren Endabschnitt eine kegelstumpfförmige Axialausnehmung 37a auf.
Im wesentlichen in der Mitte ist der Stator 37 mit einer Ringnut 42 versehen und beidseitig der Nut verläuft eine relativ lange, flache Ausnehmung 43, die an jedem Ende des Stators von einem ringförmigen Begrenzungssteg 45 bzw. 46 begrenzt wird. Gegenüber diesen Begrenzungsstegen hat die Ausnehmung 43 vorzugsweise eine Tiefe in der Grössenordnung von 0,005 mm.
Die Unterseite des Flansches oder Lagerpolsters 38 kann verschieden ausgebildet sein und ist gemäss den Fig. 2 und 3 mit einer verhältnismässig breiten Ausnehmung 47 versehen, die von einem ringförmigen Steg 48 begrenzt wird. Die Tiefe dieser Ausnehmung gegenüber dem Steg kann ebenfalls in der Grössenordnung von 0,005 mm liegen.
Auf dem Stator 37 ist ein Rotor 50, der eine Spindel bildet, drehbar gelagert. Die gezeigte Spindel ist im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet und von einer Axialbohrung 52 durchsetzt, in der der Stator 37 aufgenommen wird. Der Durchmesser der Bohrung ist vorzugsweise derart bemessen, dass sie gegenüber den ringförmigen Begrenzungsstegen 45 und 46 ein Spiel in der Grössenordnung von 0,005 mm aufweist. Infolgedessen werden zwischen den einander zugekehrten Flächen der Spindel 50 und des Stators 37 sowie seines Drucklagerpolsters 38 Kanäle gebildet. Die Kanäle sind mit den Bezugszeichen versehen, die die entsprechenden Begrenzungsstege und Ausnehmungen, welche diese Kanäle bilden, kennzeichnen.
Der obere Abschnitt des Rotors besteht aus einer Ringschulter 53, die einen dem Durchmesser des Lagerpolsters 38 entsprechenden Durchmesser hat. Um den Umfang der Seitenwand dieser Schultern sind Ausnehmungen 56 (die im folgenden als Becherzellen bezeichnet werden) ausgebildet, die gemäss der herkömmlichen Form einer Turbinenbeschaufelung gebogen ausgebildet sind. In gleicher Weise können auch Schaufelblätter verwendet werden. Wirkungsmässig kann der Rotor 50 daher als Läufer einer Turbine oder als Turbinenspindel betrachtet werden. Die Spindel hat eine obere Fläche 54, die der entsprechenden Fläche des Drucklagerpolsters 38 gegenüberliegt, und eine Unterfläche 55, die die Schulter nach unten begrenzt.
Die Spindel 50 verläuft nach unten geringfügig über den Stator 37 hinaus und ist am unteren Ende gemäss den Fig. durch eine Kappe 60 verschlossen, die eine konvexe Aussenfläche 62 und eine im Pressitz auf der Spindel aufsitzende Ringschulter 61 aufweist, wobei ein kegelstumpfförmiger Nabenabschnitt 63 in die Axialausnehmung 37a verläuft und mit dieser einen Kanal 33b bildet. Gemäss der Darstellung dient die Kappe 60 zur Halterung eines Werkzeuges oder Werkstückes, und zu diesem Zweck ist sie mit einer Axialbohrung 64 versehen, in die der Schaft 67 eines Werkzeuges 66, beispielsweise der gezeigten Schleifscheibe, einsetzbar ist. Der Schaft kann in der Bohrung durch Pressitz oder Bindemittel gehaltert sein.
Zur Halterung der Spindel 50 dient ein Ring 69, der unterhalb des Mantelringes 28 angeordnet ist und so weit nach innen verläuft, dass er einen Abschnitt der Schulter 53 untergreift. Der Haltering kann beispielsweise durch Schrauben 70 am Mantelring 28 befestigt sein.
Das obere Ende des Gehäuses 22 ist durch einen Deckel 22a verschlossen. Vom Deckel steht ein Anschlusstück 71 vor, das an eine Vakuumleitung 72 angeschlossen ist und mit den Kanälen 33, 33a und 33b in Verbindung steht. Diese Kanäle bilden eine Vakuumröhre. Der untere Röhrenabschnitt 33b ist kegelstumpfförmig und wird zwischen dem unteren Endabschnitt des Stators 37 und dem nach oben vorstehenden Nabenabschnitt 63 der Kappe 60 gebildet. Die Vakuumleitung verläuft zu einer geeigneten nicht gezeigten Vakuumpumpe.
Durch den Hauptabschnitt des Gehäuses 22 nach unten und abgewinkelt durch den Flansch 23 verläuft ein Kanal 75, der in einem unten offenen Ringkanal 75a in der Unterfläche des Flansches endet. Eine Anzahl von mit dem Ringkanal 75a ausgerichteten Kanälen 76 verläuft innerhalb des Mantelringes 28 und weist nach innen abgewinkelte Endabschnitte 76a auf, die in die innere Ringwand des Mantelringes einmünden. In diesen Endabschnitten 76a sind beispielsweise durch Pressitz Ausstossdüsen 78 angeordnet, die mit den Becherzellen 56 der Ringschulter 53 ausgerichtet sind. Infolgedessen bildet der Mantelring das Düsengehäuse einer Turbine. Am oberen Ende des Kanales 75 ist ein Anschlusstück 79 angeordnet, von dem eine Leitung 82 zu einer geeigneten Druckluftquelle verläuft.
Ein durch das Gehäuse 22 führender dritter Kanal 88 ist an seinem oberen Ende durch ein Anschlusstück 90 verschlossen, von dem eine Leitung 92 zu einer geeigneten Druckluftquelle verläuft. Der Kanal 88 weist einen Abschnitt 88a auf, der durch das Drucklagerpolster 38 verläuft, und einen weiteren Abschnitt 88b, der durch den Stator 37 führt und in die Ringnut 42 einmündet.
Der Durchmesser der Schulter 53 ist kleiner als der Innendurchmesser des Mantelringes 28, wodurch zwischen beiden ein Kanal 95 gebildet wird. Eine Verlängerung 95a des Kanals 95 verläuft zwischen dem Haltering 69 und der benachbarten Aussenfläche der Spindel 50 und mündet in die Atmosphäre.
Die Kanäle 43 und 33b stehen über den Steg 45 miteinander in Verbindung. Der Kanal 47 steht mit dem Kanal 43 über den Steg 46 und mit dem Kanal 95 über den Steg 48 in Verbindung.
Aus dem vorhergehenden ergibt sich, dass zwischen Flächenabschnitten des Lagerkörpers oder Stators 37 und den zugekehrten Flächenabschnitten der Spindel oder des Rotors 50 ein abgestufter Spalt gebildet wird. Dieser Spalt misst im Kanal 43 vorzugsweise etwa 0,01 mm und an den Stegen 45 und 46 vorzugsweise 0,005 ml. Die Druckluftversorgung erfolgt durch die Leitung 92 über die Kanäle 88, 88b und die Ringnut 42. Der Stufenspalt in der Aussenfläche des Druckpolsters, der durch die Ausnehmung 47 und die Stege 48 gebildet wird, und die gegenüberliegende Aussenfläche der Spindel 50 bilden ein ähnliches Lager, das als Drucklager wirkt und die Spindel 50 im Betrieb in Axialrichtung positioniert.
Im Betrieb muss der Spalt zwischen den Stufenflächen des Lagerkörpers oder Stators 37 und den gegen überliegenden Flächen der Spindel 50 innerhalb der für von aussen beaufschlagte Stufenlager geltenden Betriebsgrenzen liegen. Eine bevorzugte Spaltweite zur Ausrichtung der Spindel gegenüber dem Lager ist oben angegeben. Der Luftdruck, bei dem das Lager für den angegebenen Zweck betriebsfähig ist, liegt geeigneterweise in der Grössenordnung von 10 kp/cm2. Somit können auswechselbare Spindeln auf den Lagerkörper oder Stator 37 aufgeschoben oder montiert werden, und die Betriebsweise der Schleifscheibe 66 gewährleistet ein ständig gleichförmiges Ergebnis. Es gibt keine Lager, die angepasst, eingestellt oder erneuert werden müssen. Somit ist ein ungewöhnlich präzises Arbeitsgerät geschaffen worden.
Die hier beschriebene Spindel wird durch die über die Ausstossdüsen 78 ausgeblasene Druckluft angetrieben. Je nach der gewünschten Drehzahl und dem auszuführenden Bearbeitungsschritt kann dazu Druckluft im Bereich zwischen 1,5 und 7,0 kp/cm2 erforderlich sein.
Die Spindel wird mittels Atmosphärendruckes in der Betriebsstellung am hydrostatischen Drucklager 38 gehalten. Dies wird durch Anlegen eines Vakuums an den Kanal 33, 33a und 33b des Gehäuses und des Lagerkörpers erreicht. Zur Halterung der Spindel in der Betriebsstellung reicht ein Vakuum in der Grössenordnung von 500mm W. S. aus. Der Atmosphärendruck drückt die Spindel gegen das Drucklagerpolster 38. Das Drucklagerpolster legt die Spindel sehr genau in Axialrichtung fest. Daraus ergibt sich ein ruhiges Laufverhalten und ein verhältnismässig störungsfreier Betrieb.
Um die Spindel 50 zu entfernen, wird der Haltering 69 abgenommen und das Vakuum abgeschaltet, und bei Abschaltung des Vakuums gleitet oder fällt die Spindel einfach vom Lagerkörper oder Stator 37 fort.
Anschliessend wird eine Austauschspindel auf den Lagerkörper aufgesteckt, Vakuum angelegt und die gerade durchgeführte Bearbeitung fortgesetzt. Der Haltering haltert die Spindel in den Zeiten, in denen das Vakuum abgeschaltet ist.
Der hier gebrauchte Ausdruck Luft soll jedes verwendbare Gas umfassen. Weiterhin können auch Flüssigkeiten als Lagermittel und zum Antrieb der Turbine verwendet werden. Bei Verwendung von Flüssigkeiten sind entsprechende Änderungen erforderlich.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig.4-6 gezeigt und betrifft hauptsächlich eine konstruktive Änderung des Drucklagers.
Alle Teile des abgewandelten Ausführungsbeispieles, die mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel identisch sind, sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht weiter beschrieben.
Der Ringflansch 23 und der Mantelring 28 sind ebenso wie der Haltering 69 nur teilweise gezeigt.
Die Unterfläche des Flansches 38 ist abgewandelt ausgebildet und anstelle der Ausnehmung 47 und des Begrenzungssteges 48 als ebene Fläche 47' ausgeführt.
Die kegelstumpfförmige Ausnehmung 37a am unteren Ende des Lagerkörpers 37 ist erweitert ausgebildet und durch das Bezugszeichen 37a' gekennzeichnet. Am inneren Ende dieser Ausnehmung ist eine Ringschulter 37b' ausgebildet, an der ein Drucklager 100 befestigt ist, das auf unterschiedliche Weise ausgeführt sein kann und bei diesem Ausführungsbeispiel ein Armkreuz ist, das aus einem ebenen, unterhalb der Schulter angeordneten Kreisring 101 besteht und nach unten vorstehende Radialfinger 102 aufweist, die einen Käfig 103 haltern; der Käfig liegt oberhalb einer Kugel 104, die er teilweise umschliesst und festhält, wobei der untere Abschnitt der Kugel frei liegt und die Kugel im Käfig drehbar gelagert ist.
Die Kappe 60 ist insoweit abgeändert, als ihr nach innen vorstehender kegelstumpfförmiger Abschnitt 63' etwas verkürzt ausgebildet ist. In die obere Stirnfläche des Abschnittes 63' und mittig unterhalb der Kugel 104 ist eine Gleitplatte 106 eingesetzt.
Der Schaft 67 des Werkzeuges 66 verläuft in diesem Fall nur teilweise in die Kappe 60 und ist in der Axialbohrung 64' angeordnet und befestigt.
Die Betriebsweise dieses abgewandelten Ausführungsbeispieles ist im wesentlichen die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispieles. Die Verwendung des Kugel-Drucklagers 100 führt offenbar zu einer steiferen Abstützung als bei der Stufenlager-Anordnung des ersten Ausführungsbeispieles. Infolgedessen ist die Axiallage des Schleifwerkzeuges 66 genauer und gleichbleibender festgelegt.
In der Betriebsstellung des Rotors 50 liegt die Gleitplatte 106 am Lager 104 an. Während der Abschaltzeiten wird das Lager mit Sicherheit ausreichend im Käfig 103 bewegt, so dass durch Abrieb der Gleitplatte am Lager hervorgerufene Abflachungen verhindert werden.