DE10129501B4

DE10129501B4 - Vorrichtung zur Kühlung und Schmierung eines spanend arbeitenden, rotierenden Werkzeuges

Info

Publication number: DE10129501B4
Application number: DE10129501A
Authority: DE
Inventors: Karlhermann Sus; Günther SPÄTH
Original assignee: Cross Hueller GmbH
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: DE10129501A1; DE10129501B8

Abstract

Vorrichtung zur Kühlung und Schmierung eines spanend arbeitenden, rotierend antreibbaren Werkzeuges (14)
– mit in einem rotierend antreibbaren, einen Werkzeughalter (1) und einen Spannbolzen (4) aufweisenden Spindelkörper (8) angeordneten getrennten Zuführungskanälen für ein Kühlschmiermittel (23) und ein Trägergas (24),
– mit einer durch einen mit porösem Füllmaterial (5) im Spannbolzen (4) angeordneten Kühlschmiermittel-Speicherraum gebildeten Mischeinheit, in der Kühlschmiermittel und Trägergas miteinander vermischt werden und
– mit Kanälen (20 bis 22) zur Einleitung des Gemisches in das Werkzeug (14),
dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit relativ zum Werkzeug (14) und/oder zum Werkzeughalter (1) im Spannbolzen (4) axial verschiebbar gelagert ist und im Bearbeitungszustand gegen das Werkzeug (14) oder einen zwischengeschalteten Kanal (21, 22) zur Anlage gebracht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE 195 38 762 C1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung und Schmierung eines Werkzeuges bekannt, wobei in einem Kühlschmiermittel-Speicherraum ein Gemisch aus Kühlschmiermittel und Trägergas erzeugt wird und das Gemisch durch werkzeugintegrierte Zuführungskanäle der Schneide und/oder dem Bearbeitungsbereich zugeführt wird.
Bei dieser sogenannten Minimalmengenschmierung besteht das Problem, dass der Übergang für das Kühlschmiermittel-Trägergas-Gemisch zwischen der Stelle der Erzeugung und den Zuführungskanälen des Werkzeuges derart zu gestalten, dass möglichst wenig Kühlschmiermittel aus dem Gemisch abgeschieden wird. Dabei sollte der Übergang möglichst kurz gestaltet und es sollten Querschnittsvergrößerungen vermieden werden, da beides das Abscheiden von Kühlschmiermittel begünstigt. Bei automatischem Werkzeugwechsel muss aber jeweils der Zuführungskanal im Werkzeug mit dem zugehörigen, in der Spindel befindlichen Kanal gefügt werden. Hierbei entsteht üblicherweise durch den Hub des Spannbolzens im Werkzeug-Spannsystem an der Übergabestelle eine Querschnittsveränderung bzw. durch die feste Anordnung des Speicherraumes bei dem oben genannten Stand der Technik muss dieser einen ausreichenden Abstand zum Werkzeug bzw. Werkzeughalter haben, damit Platz für den Hub des Spannbolzens bleibt.
Aus der DE 198 35 677 A1 ist eine Einrichtung zur Zufuhr von Medien an ein Werkzeug bekannt, wobei zwischen dem Werkzeug und dem Medienanschluss der Werkzeugmaschine eine axial verschiebbar gelagerte Verbindungshülse in der Werkzeugaufnahme gelagert ist. Hierbei werden federnde Rohrelemente in jedem Werkzeug angeordnet, um den Übergang zu optimieren. Das hat zur Folge, dass teure Sonderwerkzeuge entstehen. Werkzeug verschleißen bei der Bearbeitung und werden mehrfach nachgeschliffen und dadurch verkürzt. Zum Ausgleich der Verkürzung ist in der Werkzeughalterung üblicherweise eine Nachstell-Einrichtung vorgesehen. Diese Nachstell-Einrichtung muss bei dem Gegenstand nach der DE 198 35 677 A1 mit der federnden Verbindungshülse kombiniert werden. Außerdem ist eine Herstellung eines Kühlschmiermittel-Trägergas-Gemisches hierbei nur außerhalb und nicht in der Spindel vorgesehen.
In der DE 196 32 472 C2 ist eine Kühl-/Schmiervorrichtung für eine Werkzeugmaschine beschrieben, wobei Luft und Flüssigkeit getrennt in die Spindel eingeführt und einer Nebelerzeugungseinrichtung zugeführt werden. Die Nebelerzeugungseinrichtung ist fest in einem Endbereich der Spindel oder in dem Werkzeughalter angeordnet, wobei die Austrittsdüse einen erheblichen und wechselnden Abstand von den werkzeuginternen Zuführungskanälen besitzt. Eine Ausführungsform hierzu zeigt in der WO 00/66321 A1 ein bewegliches Röhrchen zum Ausgleich des wechselnden Abstandes zwischen der Düse und dem Werkzeug.
In der EP 1 072 356 A2 ist schließlich eine Zuführung für Medien an ein Werkzeug beschrieben, wobei im Werkzeug eine Zerstäuberdüse vorgesehen ist, die jeweils auf das zugehörige Werkzeug abgestimmt und mit diesem auswechselbar ist. Auch hierbei müssen Sonderwerkzeuge eingesetzt werden, die in der Regel teuer sind.
Aus der WO 01/03884 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung und Schmierung eines spanend arbeitenden, rotierend antreibbaren Werkzeuges bekannt, die in einem rotierend antreibbaren Spindelkörper angeordnete getrennte Zuführungskanäle für ein Kühlschmiermittel und ein Trägergas aufweist. Das Trägergas und das Kühlschmiermittel werden durch eine a tomisierende Düse geblasen und strömen dann durch Kanäle zum Werkzeug. Die Kanäle sind in verschiedenen verschiebbaren Hülsen ausgebildet, die beim Verschieben des Spannbolzens federnd nachgeben. Auch diese Ausgestaltung weist Räume auf, in denen eine Entmischung von Trägergas und Kühlschmiermittel während des rotierenden Betriebes auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Übergang für das Kühlschmierstoff-Trägergas-Gemisch von der Mischeinheit zum Werkzeug zu schaffen, der die genannten Nachteile nicht aufweist und insbesondere eine Entmischung weitgehend verhindert, sowie Sonderwerkzeuge nicht erforderlich macht.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche 2 bis 5 enthalten sinnvolle Ausführungsformen dazu.
Erfindungsgemäß wird die Mischeinheit relativ zum Werkzeug und/oder zum Werkzeughalter im Spannbolzen axial verschiebbar gelagert und im Bearbeitungszustand gegen das Werkzeug oder einen zwischengeschalteten Kanal zur Anlage gebracht. Die Mischeinheit kann dabei aus dem an sich bekannten Kühlschmiermittel-Speicherraum bestehen, der mit porösem Füllmaterial gefüllt und in einer zylindrischen Hülse angeordnet ist. Wichtig ist hierbei, dass erfindungsgemäß erstmalig die Austrittsstelle des Gemisches in axialer Richtung verschiebbar ist und für die Bearbeitung jeweils soweit wie möglich an das Werkzeug herangebracht wird. Es hat sich als günstig erwiesen, die Hülse federnd, pneumatisch oder hydraulisch verschiebbar in dem Spannbolzen anzuordnen, sodass die Austrittsstelle für das Gemisch immer automatisch für den Bearbeitungszustand gegen das Werkzeug gedrückt wird. Dadurch ist gewährleistet, dass immer ein gleichmäßiger, möglichst geringer Abstand eingehalten und insbesondere eine Entmischung weitgehend verhindert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Hülse neben dem mit porösem Füllmaterial gefüllten Kühlschmiermittel-Speicherraum auch eine Dosiereinheit für das Kühlschmiermittel angeordnet, sodass auch die gesamte Dosiereinheit axial verschiebbar ist. Die Dosiereinheit enthält ein vorzugsweise pulsierendes Dosierelement zur Zuführung des Kühlschmiermittels und vorzugsweise eine Drosselstelle, die als auswechselbare Kapillare ausgebildet ist, wobei der Durchmesser dieser Kapillare vorzugsweise weniger als 1 mm beträgt. Die Drosselstelle ist derart gestaltet, dass bei konstant anstehendem äußeren Kühlschmiermitteldruck der maximale Kühlschmiermittelstrom fließt. Da die Menge des Kühlschmiermittels möglichst gering sein sollte, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Drosselstelle einen Durchmesser von weniger als 1 mm besitzt. Da eine derartige Drosselstelle schwer zu fertigen ist, werden erfindungsgemäß Kanülen aus medizinischen Anwendungen benutzt, die leicht auswechselbar in der Drosselstelle angeordnet werden. Zusätzlich kann der Strom des Kühlschmiermittels durch ein Rückschlagventil unterbrochen werden, das bei Verminderung des außen anstehenden Kühlschmiermitteldruckes die Zufuhr zum Speicherraum unterbricht. Dabei ist jeweils das Verhältnis des Zufuhrimpulses zu den Pausenzeiten derart zu wählen, dass unter Berücksichtigung der Speicherwirkung des Speicherraumes ein nahezu konstantes Gemisch dem Werkzeug zugeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten 1 bis 4 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch das vordere Ende einer Werkzeugmaschinenspindel mit einer erfindungsgemäß verschieblich gelagerten Mischeinheit (5, 9 bis 13)
2 eine vergrößert ausschnittsweise Darstellung zu 1
3 eine andere Ausführungsform zu 1 und
4 eine weitere Ausführungsform mit der als Kapillare ausgebildeten Drosselstelle 25.
In 1 ist der rotierende Spindelkörper 8 über Rollenlager 29 im Spindelgehäuse 7 gelagert. Für die spanende Bearbeitung wird an der Stirnseite ein Werkzeughalter 1 eingespannt, in den ein auswechselbares Werkzeug 14 eingespannt ist. Werkzeughalter 1 und Werkzeug 14 bilden üblicherweise eine vormontierte und voreingestellte Einheit und werden über eine nicht dargestellte Handhabungseinrichtung in die Spindel eingewechselt. Das Werkzeug 14 wird durch eine in dem Spindelkörper 8 befindliche Spanneinrichtung eingespannt. Die Spanneinrichtung besteht aus einem Spannbolzen 4 und einer Spannzange 6. Durch Verschieben des Spannbolzens 4 in Richtung der dem Werkzeug 14 abgewandten Seite wird die Spannzange 6 radial aufgeweitet und umgreift über die Spannschräge 16 das Werkzeug 14 und zieht dieses in den Spindelkörper 8 ein. Dabei kommt es über den Konus 15 für die Werkzeug-Aufnahme zu einer formschlüssigen Verbindung zwischen Spindelkörper 8 und Werkzeughalter 1.
Beim Bearbeitungsverfahren mit Minimalmengen-Kühlschmierung wird das Kühlschmierstoff-Trägergas-Gemisch durch das Werkzeug 14 über die Kanäle 20, 21 und 22 dem Werkzeug 14 zugeführt. Zur Schmierung des Werkzeuges 14 an der Werkzeugschneide befinden sich im Werkzeug 14 ein oder mehrere Kanäle 20 für das Gemisch. Die Aufbereitung des Gemisches erfolgt möglichst nahe am Werkzeug 14 in dem Speicherraum, der in der Hülse 9 angeordnet ist und mit porösem Füllmaterial 5 aus Sintermetall gefüllt ist.
Damit nach einem Werkzeugwechsel innerhalb kürzester Zeit an der Werkzeugschneide Kühlschmiermittel-Gemisch zur Verfügung steht, ist die Mischeinheit als Kühlschmiermittel-Speicherraum ausgebildet und um insbesondere bei hohen Drehzahlen eine Entmischung zu verhindern, sind die Kanäle 21 und 22 für die Zuführung des Gemisches zum Werkzeug möglichst kurz gehalten und ohne größere Querschnittserweiterungen ausgebildet.
Auf Grund der Geometrie von Werkzeughalter 1, Spannzange 6 und Spannbolzen 4 ist der für den Spannvorgang erforderliche axiale Weg des Spannbolzens 4 anders als der des Werkzeughalters. Die Übergabe des Kühlschmiermittel-Trägergas-Gemisches in den Werkzeughalter 1 erfolgt über das Übergaberohr 3. Dieses kommt beim Werkzeugwechsel mit der Hülse 9 in Berührung und verschiebt diese dabei in axialer Richtung innerhalb des Spannbolzens 4. Idealerweise ist das Übergaberohr 3 so gestaltet, dass ein kontunierlicher Übergang des Gemisches gewährleistet ist. In den 1 bis 4 sind jeweils die verschiedenen Hübe von Werkzeughalter 1 und Spannbolzen 4 beim Spannvorgang in der oberen und unteren Hälfte dargestellt.
In der Hülse 9 ist neben dem mit porösem Füllmaterial 5 gefüllten Speicherraum das Rückschlagventil 10 und die Dosiereinheit 11 angeordnet. Die Hülse 9 wird durch ein Verschlussstück 12 verschlossen. Die Druckfeder 13 erzeugt eine axial wirkende Anpresskraft und drückt die Hülse 9 gegen das Übergaberohr 3. Das Verschlussstück 12 beinhaltet einen Teil des Kühlschmiermittelkanales 23, durch den Kühlschmiermittel von außen zugeführt wird. Der äußere Durchmesser des Verschlussstückes 12 wird über eine Dichtung 17 und das Dichtungsgehäuse 18 sowie die Hülse 19 gegen den Luftkanal 24 abgedichtet. Innerhalb des Spindelkörpers 8 sind die beiden Zuführungskanäle 23 und 24 gemeinsam in einer Zugstange 28 gelagert. Wie insbesondere aus den vergrößerten Darstellungen der 2 und 4 ersichtlich ist, wird die Luft als Trägergas über den Luftkanal 24 und den Ringspalt zwischen dem Spannbolzen 4 und den Hülsen 9 bzw. 26 bis zur Mischeinheit geführt und dort über die radialen Eintrittsöffnungen 30 in das poröse Füllmaterial 5 eingeleitet. Dieses poröse Füllmaterial 5 dient als Speicherraum für das über das Rückschlagventil 10 zugeführte Kühlschmiermittel, sodass auch nach Schließen dieses Rückschlagventil 10 und damit Abschalten der Kühlschmiermittelzufuhr das weiterhin zugeführte Trägergas sich mit dem im porösen Füllmaterial 5 gespeicherten Kühlschmiermittel vermischt und das Gemisch über die vordere Austrittsöffnung in der Hülse 9, 26 dem Kanal 22, 22' des Übergaberohres 3, 31 und anschließend über die Kanäle 21, 21' und 20, 20' zur Schneide des Werkzeuges 14, 14' geleitet werden kann.
Das Übergaberohr 3, die Verstellschraube 2 und die weiterführenden Kanäle 20, 20' bis 22, 22' im Werkzeughalter 1 müssen entsprechend den Erfordernissen der Bearbeitung mit Minimalmengen-Kühlschmierung ausgeführt sein. Dies bedeutet, dass im Prinzip jeder Werkzeughalter 1 mit allen seinen Komponenten für das Werkzeug 14, 14' optimiert werden muss. Erfahrungsgemäß gibt es Werkzeuge 14, 14', die bei nicht optimierten Querschnitten die geforderten Leistungsdaten nicht erreichen. Andere Werkzeuge sind sehr unkritisch, sodass bei ihnen auch Standard-Werkzeughalter verwendet werden können. In 3 ist daher die Form der Hülse 9 so ausgeführt, dass bei Verwendung von Standard-Werkzeugen die Hülse in das nicht optimierte Übergaberohr 3 hineinragt und nicht, wie in den 1 und 2 dargestellt, gegen den Federdruck verschoben wird.
Eine weitere Variante für die Ausführung der Mischeinheit ist in 4 dargestellt. Die Zumessung des Kühlschmiermittels zum Rückschlagventil 10 erfolgt hierbei über eine Kapillare 25, die in einem Verschlussstück 27 gelagert ist. Dieser Kapillare 25 wird unter Druck kontinuierlich oder diskontinuierlich über den Kanal 23 das Kühlschmiermittel zugeführt. Durch die Drosselwirkung der Kapillare 25 kann durch Veränderung des Druckes und/oder durch die Vorauswahl des Kapillar-Durchmessers und/oder durch die zeitliche Veränderung des Druckverlaufes die für jeden Bearbeitungsprozess erforderliche Kühlschmiermittelmenge zugeführt werden. Nach dem Einleiten des Kühlschmierstoffes in das poröse Filtermaterial 5 wird dort in der gleichen Art und Weise wie vorher beschrieben das Gemisch erzeugt. Diese Ausführung der Mischeinheit ist in der Hülse 26 angeordnet, die im Spannbolzen 4 verschiebbar geführt ist. Das Verschlussstück 27 wird wie in 1 durch eine Feder an das Übergaberohr des Werkzeughalters gedrückt.

1: Werkzeughalter
2: Verstellschraube
3, 3': Übergaberohr
4: Spannbolzen
5: poröses Füllmaterial
6: Spannzange
7: Spindelgehäuse
8: Spindelkörper
9: Hülse für 5, 10, 11 und 25
10: Rückschlagventil
11: Dosiereinheit
12: Verschlussstück
13: Druckfeder
14, 14': Werkzeug (auswechselbar)
15: Konus für Werkzeug-Aufnahme
16: Spannschräge
17: Dichtring
18: Dichtungsgehäuse
19: Hülse
20, 20': Kanal für Gemisch in 14
21, 21': Kanal für Gemisch in 2
22, 22': Kanal für Gemisch in 3
23: Zuführungskanal für Kühlschmiermittel
24: Zuführungskanal für Luft bzw. Trägergas
25: Drosselstelle (Kapillare)
26: Hülse für 5
27: Verschlussstück
28: Zugstange
29: Lager zwischen 7 und 8
30: radiale Eintrittsöffnung in 9 bzw. 26 für 24

Claims

Vorrichtung zur Kühlung und Schmierung eines spanend arbeitenden, rotierend antreibbaren Werkzeuges (14) – mit in einem rotierend antreibbaren, einen Werkzeughalter (1) und einen Spannbolzen (4) aufweisenden Spindelkörper (8) angeordneten getrennten Zuführungskanälen für ein Kühlschmiermittel (23) und ein Trägergas (24), – mit einer durch einen mit porösem Füllmaterial (5) im Spannbolzen (4) angeordneten Kühlschmiermittel-Speicherraum gebildeten Mischeinheit, in der Kühlschmiermittel und Trägergas miteinander vermischt werden und – mit Kanälen (20 bis 22) zur Einleitung des Gemisches in das Werkzeug (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit relativ zum Werkzeug (14) und/oder zum Werkzeughalter (1) im Spannbolzen (4) axial verschiebbar gelagert ist und im Bearbeitungszustand gegen das Werkzeug (14) oder einen zwischengeschalteten Kanal (21, 22) zur Anlage gebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit federnd, pneumatisch oder hydraulisch verschiebbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinheit in einer Hülse (9, 26) angeordnet ist, in der neben dem Kühlschmiermittel-Speicherraum auch eine Dosiereinheit (11) für das Kühlschmiermittel angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (11) eine Drosselstelle (25) und/oder ein pulsierendes Dosierelement enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (25) als auswechselbare Kapillare ausgebildet ist und/oder einen Durchmesser von weniger als 1 mm besitzt.