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Die
Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 ein Kühlsystem
für die
maschinelle Bearbeitung von Werkstücken mit einem Werkzeug, das
von einer rotierbaren Arbeitsspindel angetrieben wird.
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Werkzeugkühlsysteme
benötigt
man insbesondere in der zerspanenden Industrie. Seit Jahren steigert
man die Bearbeitungsgeschwindigkeiten, unter anderem mit raschem
Werkzeugwechsel sowie schnellem Spannen und Lösen der Werkstücke. Diese
werden allgemein während
der Bearbeitung an der Angriffsstelle des Werkzeugs gekühlt, um
dessen Verschleiß zu
mindern und im Werkstück
einer thermischen Randzonen-Schädigung entgegenzuwirken. Übliche Kühlschmierstoffe
können
mit Wasser mischbar sein oder nicht, doch ergeben sich bei der Zu-
und Abfuhr der notwendigen, oft beträchtlichen Flüssigkeitsmengen
stets Probleme, zumal in ökologischer
Hinsicht. Sehr hohe Drehzahlen z. B. oberhalb 10.000 min
–1 erreicht
man mit einer Minimalmengenschmierung, indem man etwa ein Aerosol
mittig durch eine Bearbeitungsspindel hindurchfährt, wie es beispielsweise
in der
DE-A-42 44 026 oder
in der
DE-A-196 32
472 offenbart ist. Das erfordert allerdings höheren konstruktiven
Aufwand und kann sich nachteilig auf die Spindelsteifigkeit auswirken.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, unter Überwindung
der Nachteile des Standes der Technik bei der Materialbearbeitung
eine verbesserte Kühlung
auf wirtschaftliche Weise zu bewirken. Mit neuartigen Kombinationen
von Arbeitsschritten und Arbeitsmitteln sollen Werkstücke schneller
und besser als herkömmlich
zu bearbeiten sein. Angestrebt werden ferner Einsparungen an Maschinen-
und Entsorgungsaufwand.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind in Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind
Gegenstand der Ansprüche
2 bis 5.
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Ein
Verfahren zum maschinellen Bearbeiten von Werkstücken mit einem von einer rotierbaren
Arbeitsspindel angetriebenen Werkzeug zeichnet sich durch Bereitstellung
von sauberer Druckluft aus, die nach Abkühlung und mit einem darin feinverteilten Schmiermittel
der Arbeitsspindel von außen
zugeführt
wird, speziell seitlich an und/oder in eine das jeweilige Werkzeug
aufnehmende Spannmechanik.
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Ein
insbesondere zur Durchführung
dieses Verfahrens geeignetes Kühlsystem
für die
maschinelle Bearbeitung von Werkstücken mit einem von einer rotierbaren
Arbeitsspindel angetriebenen Werkzeug weist erfindungsgemäß laut Anspruch
1 einen Drucklufterzeuger auf, der mit einer Filteranordnung verbunden
ist, welche mit einer Kühleinrichtung
in Strömungsverbindung
steht, der ein Zerstäuber
zur Feinverteilung eines Schmiermittels in der erzeugten Kaltluft
zugeordnet ist und von der eine Kaltluft-Zuleitung zu dem Werkzeug führt.
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Die
Bearbeitungszeiten vor allem von Leichtmetall- und Kunststoffteilen
lassen sich durch das neuartige Kühlverfahren und Kühlsystem
erheblich reduzieren. Die Schnittgeschwindigkeiten werden allgemein
erhöht,
und zwar bei sehr hohen Drehzahlen der Arbeitsspindeln und mit Werkzeugstandzeiten, die
das Mehrfache herkömmlicher
Vollmetall- oder Keramikwerkzeuge erreichen. Vorteilhaft ist auch, daß die Bearbeitungsspindeln
kleiner als bisher ausgebildet werden können. Man erzielt insgesamt
eine deutliche Herabsetzung des Maschinen- und Entsorgungsaufwandes
und daher außerordentlich
niedrige Werkstückkosten.
Der Materialabtrag, speziell ein Schneid- bzw. Spanvorgang, ist darüber hinaus
mit innerer Minimalmengenschmierung optimierbar, welche die intensive
Kühlung
wirkungsvoll ergänzt.
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Wichtig
ist die Bereitstellung sauberer Druckluft mit niedrigem Drucktaupunkt,
so daß die
Luft frei von Feuchtigkeit, Öl
und Schmutz ist. Geeignet ist Luft mit einem Betriebsdruck z. B.
bis 10 bar aus einer Druckluftquelle mit nachgeschaltetem Lufttrockner.
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Um
Vereisungen im Kühlsystem
zu vermeiden, stellt man vorzugsweise mittels Lufttrockner und Feinfilter
einen Drucktaupunkt von 0°C
bis –40°C ein. Mittels
einer Kaltluftdüse,
deren besonderer Vorzug Wartungsfreiheit ist und die außerhalb
der Spindel oder im Spindel-Inneren angebracht werden kann, wird
die erzeugte Kaltluft möglichst
direkt in den Spannbereich des Werkzeugs bzw. der Arbeitsspindel
eingeleitet. Eine beispielsweise seitlich in die Werkzeugaufnahme
mündende
Zuleitung gewährleistet
die Beibehaltung einer hohen Spindelsteifigkeit. Es werden keine
Lager und Spindelinnenteile beeinträchtigt. Die Kaltluft nimmt
den kürzesten
Weg zum Werkzeug und bleibt somit fast konstant. Alternativ führt man
die Kaltluft bei Werkzeugen mit Innenkühlung durch letztere hindurch
oder über
Spannzangenschlitze an die Werkzeugschneide(n). Ein weiterer Kaltluftstrom
kann zur Kühlung
eines Antriebsmotors verwendet werden.
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Die
Bearbeitung kann auch völlig
trocken erfolgen, d. h. das Werkzeug wird nur mit Luft gekühlt, besonders
effizient mit Kaltluft bis herab zu –40°C. Dadurch wird die Spanbildung
gefördert
und zugleich das Schneidbild verbessert. Hierfür werden zweckmäßig auf
den jeweils zu bearbeitenden Werkstoff abgestimmte, z. B. diamantbeschichtete
Werkzeuge verwendet.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Darin zeigt:
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1 schematisch
den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Kühlsystems,
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2 eine
Darstellung ähnlich 1,
mit Teil-Schnittansicht eines Spindelantriebs,
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3 eine
vergrößerte Axialschnittansicht eines
Gehäuses
mit Spindel und Antrieb,
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4 eine
Teil-Schnittansicht einer Spannmechanik mit Kühlanschlüssen und
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5 eine
Teil-Schrägansicht
einer aufgeschnittenen Werkzeugaufnahme mit Kühlanschlüssen.
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Aus 1 sind
die Grundkomponenten eines Kühlsystems
ersichtlich. Eine Druckluftquelle 10 z. B. herkömmlicher
Art liefert Druckluft mit einem Druck von vorzugsweise 6 bis 10
bar an eine Filteranordnung 12. Diese kann mehrstufig ausgebildet sein,
z. B. mit einem Öl-
und Schmutzfilter 14, an das ein Membranfilter 16 anschließt.
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Über eine
Druckluft-Zuleitung 17 gelangt die gefilterte, trockene
Druckluft an eine Kühleinrichtung 18,
die sie herunterkühlt,
bevorzugt auf –20°C bis –40°C. Die so
gewonnene saubere Kaltluft wird über eine
Kaltluft-Zuleitung 24 einem Anschluß 34 eines in einer
Aufnahme 26 gehaltenen (nicht gezeichneten) Bearbeitungswerkzeugs
zugeführt,
siehe 2 bis 5. Dies ist allgemein ein durch
einen Antriebsmotor 30 von einer rotierbaren Arbeitsspindel 28 angetriebenes
Werkzeug, namentlich ein (nicht dargestellter) Bohr-, Schneid- oder
Fräseinsatz,
mit dem eine Spannmechanik 32 zur spanabhebenden Materialbearbeitung
bestückt
wird. In 1 ist die Arbeitsspindel 28 samt Spannmechanik 32 von
einem breiten Pfeil verdeckt, der den Haupt-Kaltluftstrom andeutet.
In den Ausführungsbeispielen
der 2 bis 5 ist ein Kaltluft-Anschluß 34 seitlich
angeordnet. Eine Zuleitung 24' kann einen Kaltluft-Nebenstrom
an bzw. in den Antriebsmotor 30 führen.
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Im
Beispiel der 2 ist die Kühleinrichtung 18 ein
Wirbelrohr mit einem bevorzugt als Düse ausgebildeten Kaltluft-Auslaß 20 und
mit einem Warmluft-Auslaß 22,
der bis zu 100°C
warme Abluft ins Freie führt.
Der Kaltluft-Auslaß 20 verzweigt
sich auch hier, so daß ein
Teil der erzeugten Kaltluft über die
Zuleitung 24 zu dem Anschluß 34 und damit an die
Spannmechanik 32 gelangt. Ein anderer Kaltluft-Anteil kann über die
Zuleitung 24' an
und in den Antriebsmotor 30 gebracht werden, um diesen
bzw. seine Wicklung zu kühlen.
Ein dünnerer
Pfeil (rechts in 1 und 2) bezeichnet
die aus dem Motor 30 austretende Abluft.
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Innerhalb
eines Gehäuses 48 ist
die Spindel 28 von einem Sperrluftvolumen 44 umgeben,
das – bezogen
auf den Kaltluftdruck – unter
einem geringen Überdruck
von z. B. 0,2 bar steht. Daher kann die von dem Anschluß 34 her
einströmende
Kaltluft nicht ins Spindel-Innere hinein, sondern nur zu der Spannmechanik 32 hin
und aus ihr heraus strömen,
z. B. durch Spannzangenschlitze 50 hindurch, wie in 3 angedeutet.
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Die
durch Richtungspfeile veranschaulichten Strömungsverhältnisse gehen aus 4 hervor,
die in vergrößerter Teilansicht
die Kaltluft-Zufuhr zu der am Deckel 31 angeordneten Spannaufnahme 32 zeigt.
Vom Kaltluft-Auslaß 20 der
Kühleinrichtung 18 strömt die Kaltluft
durch die Zuleitung 24, die mit einer Steckverbindung 23 am
Gehäuse 48 festgelegt ist,
in einen Verteilerring 27, der die Spindel 28 vor der
Spannaufnahme 32 umschließt. Über aneinander beispielsweise
winkelig anschließende
Bohrungen 36, 37 gelangt die Kaltluft in eine
zentrische Bohrung 38 in der Spannaufnahme 32,
die in herkömmlicher Weise
mit einem Steil- oder Hohlschaftkegel versehen sein und mittels
Anzugsstange 33 sowie Anzugsbolzen 35 betätigt werden
kann. Eine Haltekugel 39 dient zur lösbaren Arretierung.
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5 gestattet
einen Einblick von hinten. Man sieht, daß der Verteilerring 27 mehrere,
z. B. vier sternförmig
angeordnete Radialbohrungen aufweist, von denen eine mit der Kaltluft-Zuleitung 24 in
Verbindung steht. Alle Radialbohrungen sind nach außen hin
durch einen Ringkanal miteinander strömungsverbunden; sie münden spindelseitig
im Anzugsbolzen-Bereich. Die Anzugsstange 33 ist von der
Arbeitsspindel 28 umschlossen und darin längsbeweglich
geführt.
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Wahlweise
kann ein Zerstäuber 25 (2) ein
Schmiermittel feinverteilt in die Kaltluft-Zuleitung 24, in den Kaltluft-Anschluß 34 oder
direkt an bzw. in die Spannaufnahme 32 bringen. Bevorzugt
benutzt man einen (nicht dargestellten) Minimalmengendosierer.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. Die Kühlung
geschieht zweckmäßig von
innen, weil bei Luftzufuhr von außen sich um das Werkzeug 26 herum
eine isolierende Luftglocke bilden würde, welche die Wärmeabfuhr
hemmt. Generell ist kein Lüfter
und keine Wasserkühlung
erforderlich, so daß Kosten
für herkömmliche
Kühl- und
Waschmittel entfallen. Bei dem Kühlsystem
nach der Erfindung ist es zwar keineswegs notwendig, immerhin aber
möglich,
Werkzeuge mit üblichen
Emulsionen oder anderen Schmiermitteln zu kühlen. Das Kühlsystem ist im Prinzip wartungsfrei,
bis auf den Umstand, daß sich
ein Auswechseln der Feinfilter am Membrantrockner 16 in größeren Zeitabständen empfiehlt,
je nach Beanspruchung z. B. einmal jährlich.
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Durch
die Verwendung von Kaltluft von z. B. –40°C erreicht man eine Versprödung des
Werkstoffs, so daß beispielsweise
Aluminiumspäne
besser brechen, nicht verkleben und daher auch bei tiefen Ausfräsungen leicht
abführbar
sind. Der rasche Späneabtransport
erlaubt ferner ihre Direktzuführung an
eine Wiederverwertungs-Einrichtung. Bei der Schnellbearbeitung von
so stark abgekühlten
Kunststoffen wird die sonst eintretende Schmelzwirkung an der Oberfläche gehemmt
oder ganz unterdrückt.
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Die
Vorteile der neuartigen Kühlung
sind beachtlich. Während
der Bearbeitung hat man freie Sicht zum Werkzeug und Werkstück. Mit
einer Arbeitsspindel 28, die beispielsweise mit 24.000
U/min umläuft,
kann ein zwei Schneiden aufweisender 6-mm-Fräser in Aluminium mit einem
Vorschub von 1.440 mm/min gefahren werden. Bei einer Drehzahl von
60.000 U/min ist bereits ein Vorschub von 3.600 mm/min möglich. Mit
einer 2,5 mal so schnell umlaufenden Spindel kann also der Arbeitsfortschritt
um denselben Faktor gesteigert werden. Verwendet man z. B. diamantbeschichtete
Werkzeuge, so ergibt sich zudem eine erhöhte Standzeit.
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Während die
Arbeitsspindel 28 im Normalfall ein in der Aufnahme 26 gehaltenes
Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks antreibt, das z. B. in
einem Schraubstock, einer Zwinge o. dgl. eingespannt ist, kann die
Erfindung prinzipiell auch umgekehrt angewandt. werden, indem ein
in der Spannaufnahme 32 gehaltertes Werkstück an ein
stationäres
Werkzeug herangeführt
wird. Auch dann kann die Kühlung im
Bearbeitungsbereich erfolgen, d. h. an der jeweiligen Arbeitsfläche Werkstück/Werkzeug.
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Zusammenfassend
ist festzuhalten, daß bei einem
Verfahren zum maschinellen Bearbeiten von Werkstücken mit einem von einer rotierbaren
Arbeitsspindel angetriebenen Werkzeug erfindungsgemäß saubere
Druckluft bereitgestellt wird, die nach Abkühlung auf bis zu -40°C und gegebenenfalls
mit einem darin feinverteilten Schmiermittel der Arbeitsspindel
von außen
zugeführt
wird, z. B. seitlich an und/oder in eine das jeweilige Werkstück aufnehmende
Spannmechanik. Bevorzugt verwendet man Betriebs-Druckluft bis ca.
10 bar, die vor der Abkühlung
gereinigt und getrocknet wird. Der Kaltluft kann ein feinverteiltes,
flüchtiges
Schmiermittel in solch minimaler Menge zugegeben werden, daß sich während der
Bearbeitung zwischen Werkstück
und Werkzeug ein dünner
Schmierfilm bildet, der unter lokal konzentriertem Wärmeentzug
rückstandsfrei
verdunstet. Ein Kühlsystem
für die
maschinelle Bearbeitung von Werkstücken nach diesem Verfahren
zeichnet sich erfindungsgemäß durch
einen Drucklufterzeuger 10 aus, der mit einer Filteranordnung 12 verbunden
ist, welche zur Erzeugung von Kaltluft in Strömungsverbindung mit einer Kühleinrichtung 18 steht, der
ein Zerstäuber 25 zur
Feinverteilung eines Schmiermittels in der erzeugten Kaltluft zugeordnet ist
und von der eine Kaltluft-Zuleitung 24 zu dem Werkzeug 26 führt. Die
Filteranordnung 12 weist einen Membran-Lufttrockner 16 auf
und die Kühleinrichtung 18 eine
Kaltluftdüse 20.
Die Kaltluft-Zuleitung 24 ist mit einem Anschluß 34 zu
einer Spannaufnahme 32 einer Werkzeugspindel 28 verbunden.
Zur Kühlung
des Antriebsmotors 30 der Spindel 28 kann ein
Abzweiganschluß vorhanden
sein. Ferner ist eine Dosiereinrichtung 38 für ein Schmiermittel
vorgesehen, namentlich für
ein Minimalmengen-Schmiermittel.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile,
einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher
Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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- 10
- Druckluftquelle
- 12
- Filteranordnung
- 14
- Öl-/Schmutzfilter
- 16
- Membranfilter
- 17
- Druckluft-Zuleitung
- 18
- Kühleinrichtung/Wirbelrohr
- 20
- Kaltluft-Auslaß/-Düse
- 22
- Warmluft-Auslaß
- 23
- Steckverbindung
- 24
- Kaltluft-Zuleitung
- 25
- Zerstäuber
- 26
- Werkzeug(aufnahme)
- 27
- Verteilerring
- 28
- Arbeitsspindel
- 29
- Lager
- 30
- Antriebsmotor
- 31
- Deckel
- 32
- Spannmechanik/-aufnahme
- 33
- Anzugsstange
- 34
- Kaltluft-Anschluß
- 35
- Anzugsbolzen
- 36,
37, 38
- Bohrungen
- 39
- Haltekugel
- 40
- Warmluft-Zuleitung
- 44
- Sperrluftvolumen
- 48
- Gehäuse
- 50
- Spannzangenschlitz