DD262126A3

DD262126A3 - Hauptspindel, insbesondere eine hochgeschwindigkeitsfraesspindel, fuer werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DD262126A3
Application number: DD86298470A
Authority: DD
Inventors: Franz Scharnweber; Juergen Misselwitz
Original assignee: Werkzeugmaschinenbau Fz
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1988-11-23
Also published as: FR2608956A1; RU1832072C; CS639787A1; DE3727525A1; FR2608956B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hauptspindel, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitsfraesspindel, fuer Werkzeugmaschinen. Die Erfindung ist anwendbar bei Werkzeugmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel, wenn der Werkzeugwechsel unter Drehzahl erfolgen soll. Eine aus einer Rumpfspindel und einem Spindelkopf mit Werkzeug bestehende Hauptspindel wird erfinderisch so weiterentwickelt, dass das Gehaeuse des Spindelkopfes am Gehaeuse der Rumpfspindel spielfrei vorzentriert angeordnet ist, im Steilkegel der Rumpfspindel reibschluessige Mitnahmeringe und eine Umfangsnut mit Druckluftanschluss koaxial angeordnet sind sowie im Gehaeuse der Rumpfspindel die hydromechanische Spanneinrichtung, die dem Gehaeuse des Spindelkopfes zugeordnet ist, vorgesehen ist. Dadurch wird bewirkt, dass das Werkzeug mit Spindelkopf unter Drehzahl automatisch eingewechselt werden kann, wobei vor dem endgueltigen Formschluss Synchronlauf zwischen Werkzeug und Rumpfspindel erreicht wird. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar bei Werkzeugmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel, wenn der Werkzeugwechsel unter Drehzahl erfolgen soll. Eine besondere Eignung ist für Komplettbearbeitungsstationen gegeben. Durch optimale Abstimmung, von Bearbeitungsaufgabe, Werkzeug und Spindellagerung können Zerspanungsaufgaben zwischen Schruppen und Feinstbearbeitung realisiert werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Eine Hauptspindel, bestehend aus einer Rumpfspindel und einem daran befestigten Spindelkopf mit Werkzeug, für Werkzeugmaschinen ist aus dem Schutzrecht DE 3312571A1 bekanntgeworden. Hier wird ein Werkzeug mit einem konischen Einsteckabschnitt, dessen Konusgrößer kleiner als diejenige einer konischen Aussparung der Rumpfspindel ist, durch die Verwendung eines Spindelkopfes im Sinne eines Adapters bezüglich der Konusgrößen anbringbar. Nachdem das Werkzeug mit dem Adapter-Spindelkopf am Gehäuse der Rumpfspindel befestigt worden ist, wird das Drehmoment durch vollzogenen Formschluß übertragen.

Der Mangel dieser Lösung ist die nur im Stillstand der Rumpfspindel mögliche Montier- bzw. Wechselbarkeit des Spindelkopfes mit Werkzeug an der Rumpfspindel, wodurch relativ große Werkzeugwechselzeiten benötigt werden. Das Schutzrecht DE 32 04789 A1 offenbart einen Werkzeugwechsler für ein Tiefbohrwerkzeug. Das Tiefbohrwerkzeug ist längeneinstellbar in einer Werkzeugaufnahme aufgenommen, die an ihrem Aufnahmeteil eine Nut aufweist, in die Spannelemente eingreifen.Diese sind schwenkbar in einem Werkzeugadapter vorgesehen, zu dem der Aufnahmeteil gehört. Sie werden in der Spannstellung durch federbelastete Teile gehalten und können über eine Schaltmuffe gegen die Kraft der Feder entriegelt werden. Die Schaltmuffe weist eine Umfangsnut auf, in die eine Schaltgabel eingreift, die von einer Kolbenstange eines am Spindelgehäuse außen befestigten Hydraulikzylinders betätigt wird. Dieser Mechanismus ist also eine Entriegelungsvorrichtung für die von Federkraft selbsttätig aufrecht erhaltene Werkzeugspannung. Ein Werkzeugwechsel unter Drehzahl ist auch hier nicht möglich.

Eine formschlüssige Kupplung zwischen einem Werkzeug und einer Hauptspindel einer Werkzeugmaschine wird in dem Schutzrecht DE 3333646 A1 beschrieben. Die Kupplungshälften, von denen je eine vom Werkzeug und von der Hauptspindel getragen wird, weisen komplementäre radiale Verzahnungen auf. Die Zähne können gerade oder spiralförmig ausgebildet sein, wobei jede Zwischenform und unterschiedliche radiale Richtungen der Zähne möglich sind. Bei der Paarung der Kupplungshälften, also des Werkzeuges und der Hauptspindel, müssen beide stillstehen, da sonst kein Formschluß erreichbar ist. Technische Mittel zur Erzielung einer Synchrondrehzahl von Werkzeug und Hauptspindel vor Herstellung des Formschlusses sind nicht angegeben, wodurch auch bei dieser Lösung der automatische Werkzeugwechsel nur im Stillstand der Hauptspindel möglich ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine Erhöhung der technisch-ökonomischen Effektivität durch die Steigerung der Kapazität und damit der Produktivität an Bearbeitungsstationen mit der erfindungsgemäßen Hauptspindel.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hauptspindel nach der Art des Oberbegriffes des 1. Patentanspruches erfinderisch so weiterzuentwickeln, daß der automatische Werkzeugwechsel unter Drehzahl möglich ist und dadurch die Werkzeugwechselzeit als Hilfszeit gesenkt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse des Spindelkopfes am Gehäuse der Rumpfspindel spielfrei vorzentriert angeordnet ist, im Steilkegel der Rumpfspindel reibschlüssige Mitnahmeringe und eine Umfangsnut mit Druckluftanschluß koaxial angeordnet sind sowie im Gehäuse der Rumpfspindel die hydromechanische Spanneinrichtung, die dem Gehäuse des Spindelkopfes zugeordnet ist, vorgesehen ist.

Die Wirkungsweise ist folgende: Eine automatische Werkzeugwechseleinrichtung, die den Spindelkopf mit Werkzeug in einer peripheren Greiferringnut ergriffen hat, positioniert den Spindelkopf vor der Rumpfspindel und bewegt ihn auf sie zu. Durch beispielsweise eine Präzisionskugelbuchse zwischen den Gehäusen des Spindelkopfes und der Rumpfspindel wird der Spindelkopf auf einem Flansch des Gehäuses der Rumpfspindel spielfrei vorzentriert. Die Kopplung des Spindelkopfes mit der Rumpfspindel erfolgt über den Steilkegel des Werkzeuges und der Rumpfspindel. Dabei erfolgt die Mitnahme bis zur Synchrondrehzahl über reibschlüssige Mitnahmeringe im Steilkegel der Rumpfspindel. Gleichzeitig bilden die Mitnahmeringe die Stege für eine aerostatische Zentrierhilfe in Form einer Umfangsnut mit Druckluftanschluß. Dadurch wird im Zustand von Differenzdrehzahlen zwischen Werkzeug und Rumpfspindel ein Anlaufen verhindert. Nach Erreichen der Synchrondrehzahl zwischen Werkzeug und Rumpfspindel, ermittelt beispielsweise mittels Frequenzmarken am Werkzeug und der Rumpfspindel, erfolgen erstens die Spannung des Werkzeuges über Anzugsbolzen nach dem Prinzip einer hydraulisch betätigten Zangenspannung und zweitens die Gehäusespannung des Spindelkopfes über eine hydromechanische Spanneinrichtung, die eine definierte, feste Anlage garantiert. Die Drehmomentmitnahme erfolgt durch zwei Planverzahnungsringe am Werkzeug und der Rumpfspindel, wobei garantiert ist, daß die Verzahnung erst nach Erreichen der Synchrondrehzahl ineinandergreift. Das zusätzliche radial bewegliche Zentrierlager der Rumpfspindel verhindert ein Taumeln derselben bei hohen Drehzahlen. Zugleich werden durch diese elastische Gehäuseabstützung der Rumpfspindel Zwangskräfte vermieden, die sonst durch die Überbestimmung bei der Dreifachlagerung auftreten würden. Ein Schwingungssensor überwacht den Schwingungszustand der Rumpfspindel, insbesondere vor der formschlüssigen Kopplung.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Figur 1: einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Hauptspindel im gekoppelten Zustand von Rumpfspindel und

Spindelkopf mit Werkzeug und Figur2: den Axialschnitt nach Figur 1 in einem Zwischenzustand beim Entkoppeln oder Koppeln von Rumpfspindel und Spindelkopf mit Werkzeug.

Eine Rumpfspindel 1 wird durch die Führungslager 2 abgestützt. Für einen taumelfreien Lauf sorgt ein Zentrierlager 3, das radial eine elastische Abstützung 4 zur Vermeidung von Zwangskräften erhält. Im belastungsfreien Zustand ohne Spindelkopf ist diese Abstützung 4 als starr zu betrachten. Der Steilkegel 5 der Rumpfspindel 1 trägt Mitnehmeringe 6 und 7, die wiederum mit einer Umfangsnut 8 mit Druckluftanschluß 25 zur Ausbildung einer aerostatischen Zentrierung beitragen. Soll der Spindelkopf in die sich drehende Rumpfspindel 1 eingewechselt werden, so bringt der Greifer den Spindelkopf, eingreifend in die Greiferringnut 10, zum Zentrierbund 11 des Gehäuses 12 der Rumpfspindel 1 und drückt das Gehäuse 13 des Spindelkopfes spielfrei zentrierend über eine Präzisionskugelbuchse 14 in Richtung Rumpfspindel 1. Nachdem so eine genaue Zentrierung erfolgte, taucht der Steilkegel 15 des Werkzeuges 9 in den Steilkegel 5 der Rumpfspindel 1 ein. Das Festlager 16 gestattet eine sichere Rotation koaxial zum Zentrierbund 11, die über die Mitnahmeringe 6 und 7 eingeleitet wird. Die aus der Umfangsnut 8 ausströmende Luft reinigt erstens den Steilkegel 15 und übernimmt mit stärker werdender Paarung zweitens eine schonende Zentrierfunktion. Melden die Frequenzmarke 17 auf dem Werkzeug 9 und die Frequenzmarke 18 auf der Rumpfspindel 1 Synchronlauf, so schließen die Spannzangen 19 der mechanisch-hydraulischen Spanneinrichtung 20 durch Zurückfahren des Kolbens 21, der beaufschlagt wird durch die Zuleitung 22 über die Drehdurchführung 23, die auch die hydraulische Zuleitung 24 und den Druckluftanschluß 25 zur Umfangsnut 8 aufnimmt. Jetzt erfolgt.die Drehmitnahme erstens durch vollen Reibschluß der Steilkegel 15 und 5 und zweitens durch die Planverzahnungsringe 26 und 27. Zugleich mit der Kopplung der drehenden Teile greifen die Hebel 28 hinter den Gehäusebund 29 des Gehäuses 13 des Spindelkopfes und pressen ihn gegen die Planfläche 30 des Gehäuses 12 der Rumpfspindel 1. Betätigt und definiert angezogen wird der Hebel 28 über ein Gestänge 31, das mittels Kolben 32 betätigt wird. Über die Druckleitung 33 kann der Aripreßdruck gemäß Forderung reguliert werden. Der Antrieb der Rumpfspindel 1 erfolgt mittels Flachriemen 34, wobei der Spannzylinder 35 zugleich als Riemenscheibe ausgebildet ist. Gemäß einem Bearbeitungsspektrum gehören mehrere Spindelköpfe zu einem Bearbeitungssortiment, die in einem Spindelkopfspeicher analog dem Werkzeugspeicher untergebracht sind. Damit die Funktionen der Spindelköpfe auf Abruf präsent sein können, müssen sie komplett abgedichtet sein. Die Dichtungen 36 und 37 schützen die Festlagerung 16 vor eindringendem Prozeßschmiermittel. Ein Schwingungssensor 38 überwacht den Schwingungszustand der Rumpfspindel 1. Die spezifischen Vorteile dieser Lösung sind die Erhöhung der Werkzeugstandzeit auf Grund verbesserter Schwingfestigkeit der Hauptspindel mit gelagertem Werkzeug, die Verbesserung der Wechselgenauigkeit, die Möglichkeit der Voreinstellung von Werkzeug und Lagerung gemäß Bearbeitungsregime, die schonende Behandlung der Lagerung durch die Anpassung an das Werkzeug und die spezielle Zerspanungsaufgabe, die Verbesserung der Stabilität des Werkzeuges, die Erhöhung der Lebensdauer der Lagerung und die Verbesserung der Werkstückgenauigkeit. Da der Spindelkopf außerhalb der Hauptspindel .anforderungsgemäß genau eingestellt werden kann, beispielsweise durch Komplettauswuchtung des Spindelkopfes mit Werkzeug, und unter Drehzahl präzis einwechselbar ist, kann vor der Weiterarbeit auf Kontrollschnitt, Werkstückmessung und Schneidenkorrektur verzichtet werden. Die hohe Steifigkeit des Werkzeuges in der Ebene des Schneideneingriffes auf Grund des enorm geringen Kragarmes infolge der Lagerung des Werkzeugschaftes im Spindelkopf und die besondere Änpassungsmöglichkeit der Lagerung an das Werkzeug und die Bearbeitungsaüfgabe bedingen eine hohe Serienfertigungsgenauigkeit.

Claims

1. Hauptspindel, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitsfrässpindel, für Werkzeugmaschinen, bestehend aus erstens einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten und antreibbaren Rumpfspindel mit einem Steilkegel für die Aufnahme eines Werkzeuges, einer hydromechanischen Spanneinrichtung sowie einer automatischen Werkzeugspann- und -löseeinrichtung und zweitens einem am Gehäuse der Rumpfspindel spannbaren Spindelkopf mit dem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Werkzeug mit Steilkegel, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse (13) des Spindelkopfes am Gehäuse (12) der Rumpfspindel (1) spielfrei vorzentriert angeordnet ist, im Steilkegel (5) der Rumpfspindel (1) reibschlüssige Mitnahmeringe (6; 7) und eine Umfangsnut (8) mit Druckluftanschluß (25) koaxial angeordnet sind sowie im Gehäuse (12) der Rumpfspindel (1) die hydromechanische Spanneinrichtung (28,31,32,33), die dem Gehäuse (13) des Spindelkopfes zugeordnet ist, vorgesehen ist.

2. Hauptspindel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Gehäusen (12,13) des Spindelkopfes und der Rumpfspindel (1) die Präzisionskugelbuchse (14) angeordnet ist.

3. Hauptspindel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß am Werkzeug (9) und an der Rumpfspindel (1) oder an einem sich mit ihr drehenden Teil je eine Frequenzmarke (17,18) angebracht ist.

4. Hauptspindel nach Anspruch ^gekennzeichnet dadurch, daß an der Rumpfspindel (Dein Schwingungssensor (38) angeordnet ist