DE69711892T2 - Vorrichtung für hochgeschwindigkeit schneidwerkzeug - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine zu Hochgeschwindigkeitswerkzeugen, wie etwa Fräswerkzeugen und Bohrwerkzeugen, gehörende Anordnung.
• Das erfindungsgemäße Werkzeug bildet einen Teil eines Systems, und die Erfindung und die Systemkomponenten werden daher separat beschrieben. Es ist bekannt, dass hohe Schneidgeschwindigkeiten im Hinblick auf die Oberflächenstruktur und Toleranzen zu einem besseren Ergebnis führen als niedrige Schneidgeschwindigkeiten. Hohe Schneidgeschwindigkeiten führen normalerweise zu einem schnelleren Entfernen des Materials von dem Werkstück, d. h. zu einer größeren Bearbeitungskapazität.
• Das Fräsen von Leichtmetallteilen in der Flugzeugindustrie, um ihr Gewicht zu reduzieren, ist in diesem Bezug ein praktisches Beispiel. Im Hinblick hierauf kann es erwünscht sein, Material zwischen dem gefrästen oder bearbeiteten Teil zu belassen, um Versteifungsrippen oder Flansche zu bilden. Abgesehen davon, dass es relativ zeitaufwendig ist, ist es mit der Hilfe derzeitiger Fräsgeräte nicht möglich, Rippen gewünschter Dünne zu formen. Schlatplatinen-Bearbeitungsvorgänge sind in diesem Bezug ein anderes praktisches Beispiel. Die Schaltplatinen werden normalerweise mit der Hilfe sogenannter Spiralbohrer bearbeitet, die, nachdem sie die Faserplatine durchdrungen haben, in der Ebene der Platine bewegt werden, um eine Nut darin auszubilden.
• Fräswerkzeuge und die Bohrwerkzeuge unterliegen beim Betrieb beide Biegebelastungen und axial wirkenden Kräften (aufgrund der Schrägstellung des Bohrwerkzeugs und des Bohrstücks). Das Werkzeug unterliegt daher Kräften, die, wenn die Kräfte konstant sind und die Drehzahl erhöht wird, die Bearbeitungsleistung der Werkzeugspindel erhöhen. Eine Werkzeugspindel, die bei 1.000 Upm und einer Leistung von 10. kW dreht, erzeugt die gleichen Werkzeugschneidkräfte wie eine Werkzeugspindel, die bei 100.000 Upm mit einer Bearbeitungsleistung von 100 kW dreht. Jedoch liegt ein technisches Problem in der Fähigkeit, bei den hohen Werkzeuggeschwindigkeiten diese Kräfte in Lagern und Gelenken aufzunehmen. Gegenwärtig liegt die technische Grenze in Bezug auf ein typisches Werkzeugspindellager, das aus Hybridkugellagern (Stahlringen und Keramikkugeln) aufgebaut ist, bei etwa 50.000 Upm und 50 kW, womit ein weiteres Problem in der Handhabung der kritischen Geschwindigkeiten liegt, die durch das System erzeugt werden.
• Die vorliegende Erfindung, wie sie in den kennzeichnenden Teilen der jeweiligen Ansprüche definiert ist, ermöglicht den Betrieb des Werkzeugs bei Geschwindigkeiten von über 100.000 Upm und bei einer Leistung von 100 kW mit sehr hoher Präzision und schneller Bearbeitung des Werkstücks.
• Die Erfindung wird nun im näheren Detail in Bezug auf ein Ausführungsbeispiel davon und auch in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Anordnung ist; Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1 ist; Fig. 3 und 4 schematische Schnittansichten von Beispielen einer alternativen Ausführung der Erfindung sind; und Fig. 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist.
ANTRIEBSEINHEIT
• Das System enthält ein erfindungsgemäßes Werkzeug 25, das in einem Adapter 1 aufgenommen ist, der wiederum mit einer Antriebseinheit 2 verbunden ist. Im dargestellten Fall ist die Antriebseinheit 2 ein Elektromotor, dessen Rotor 3 von einer Werkzeugspindel 4 gehalten ist, die in Lagern in zwei Endwänden 5 des Motors (vordere und hintere Endschildlager) angebracht ist, von denen nur eines gezeigt ist. Die Bezugszahl 6 identifiziert den Stator und dessen Wicklungen. Die Spindel 4 ist in jeweiligen Endwänden 5 in einem Radiallager 7 und einem Schublager 8 angebracht, die mit einem Flüssigschmiermittel geschmiert werden, das Wasser sein kann. Das Schmiermittel wird unter Druck in das Radiallager 7 und das Schublager 8 durch jeweilige Kanäle 9 und 10 eingespritzt, die radial um die Endwand 5 herum angeordnet sind. Die Schmiermittelausgabekanäle 9, 10 sind an ihren jeweiligen Einlässen mit einer Verengung in der Form eines Nippels 9' versehen, das dis Funktion hat, den gewünschten Druck und Schmiermittelfluss in den Schmiermittelkanälen 9, 10 zu erzeugen. Der Nippel 9' ist austauschbar, um zu ermöglichen, dass der gewünschte Druck und Fluss in den Lagern erhalten wird, wobei die Funktion der Lager teilweise vom dynamischen Effekt abhängig ist, der durch die Drehung der Spindel erzeugt wird, und teilweise durch den Druck des Fluids, das zu den Lagern geliefert wird. Wie schematisch bei 10' angegeben, kann ein Drucksensor mit den jeweiligen Kanälen 9, 10 verbunden sein. Ringförmige Drainagenuten 11 sind in der Endwand 5 an der Verknüpfung zwischen dem Radiallager 7 und dem Schublager 8 und auch an dem Umfang des Schublagers vorgesehen, wobei die Drainagenuten mit der Außenseite der Endwand 9 durch einen Drainagekanal 12 in Verbindung stehen, wo das drainierte Schmiermittel gesammelt werden kann. Um sicherzustellen, dass Schmiermittel nicht zur Innenseite der Endwand 5 eindringt, ist die Endwand mit einer ringförmigen Nut 13 versehen, die mit unter Druck stehendem Gas, z. B. Druckluft, über eine Leitung 14 in Verbindung steht. Etwaiges Schmiermittel, das nach innen lecken könnte, wird daher zu der nächsten Drainagenut 11 zurückgedrückt. Die andere Endwand (nicht gezeigt) der Antriebseinheit 2 ist mit einer entsprechenden Anordnung versehen.
• Obwohl im oben beschriebenen Beispiel die Spindel 4 der Antriebseinheit durch einen Elektromotor angetrieben wird, versteht es sich, dass andere drehenden und Drehmoment erzeugenden Maschinen verwendet werden können, wie etwa Luftturbinen oder Fluidturbinen, oder irgendeine andere Antriebsquelle, die im vorliegenden Kontext geeignet ist.
• Die vorgenannten Lager sind Radiallager und Schublager, die zwei Oberflächen aufweisen, die durch Fluid voneinander getrennt sind. Es versteht sich, dass die beschriebenen Spindellager lediglich Beispiele möglicher Lager sind, und dass die Spindel 4 der Antriebseinheit in einem anderen Lagertyp angebracht werden kann, z. B. einem Kugellager, Rollenlager, Luftlager oder Magnetlager.
ADAPTER
• Die erfindungsgemäße Werkzeuganordnung enthält einen Adapter 1, der aus einem Basisteil 15 in der Form einer Platte (Fig. 1) aufgebaut ist, die an der Endwand 5 z. B. mit der Hilfe von Schrauben (mit 16 bezeichnet) befestigt ist. Integral mit dem Basisteil 15 ist ein Stützteil 17 in der Form einer Hülse ausgebildet, deren Bohrung koaxial mit der Spindel 4 übereinstimmt, wenn der Adapter 1 in Position angebracht ist. An der Innenseite des freien Endes der Hülse 17 ist ein Lager 18 angebracht, im dargestellten Fall ein Radiallager, dessen Durchmesser ein wenig kleiner ist als der Innendurchmesser der Hülse. Eine Mehrzahl von Schmiermittelkanälen 19 sind parallel zur Achse des Stützteils 17 angeordnet (im dargestellten Fall ist die Anzahl der Kanäle fünf; siehe Fig. 2). Die Kanäle 19 stehen mit den jeweiligen Ausgabekanälen 20 in Verbindung, die radial um das Basisteil 15 herum angeordnet sind und die Funktion haben, Schmiermittel zu dem Lager 18 zu leiten, und zwar durch Löcher 21, die im Außenende der jeweiligen Kanäle 19 vorgesehen sind. Die Einlässe der jeweiligen Ausgabekanäle 20 sind mit einer Verengung in der Form eines Nippels 22 versehen, der die Funktion hat, in dem Schmiermittelkanal 19 den gewünschten Druck und Fluss zu erzeugen. Der Nippel 22 ist austauschbar, um zu ermöglichen, dass der gewünschte Fluss und Druck leicht erhalten werden kann, indem ein geeigneter Nippel eingesetzt wird. Es versteht sich, dass die Ausgabekanäle 20 mit einer unter Druck stehenden Schmiermittelquelle verbunden sind, wobei die Funktion der Lager teilweise von dem dynamischen Effekt abhängig ist, der durch die Drehung des Werkzeugs erzeugt wird, und teilweise von dem Druck des ausgegebenen Fluids. Das Schmiermittel kann z. B. Wasser sein. Mit den jeweiligen Kanälen 20 kann ein Drucksensor verbunden sein, wie bei 23 angegeben.
• Die Lagerfläche 18, die dazu dient, mit der Lagerfläche 26 des erfindungsgemäßen Werkzeugs, das später beschrieben wird, zusammenzuwirken, bildet ein Radiallager, dessen Oberflächen durch ein Fluid voneinander getrennt sind. Dieser Lagertyp zum Halten des Werkzeugs in dem Adapter ist nur als Beispiel angegeben, und es sind auch andere Lagertypen denkbar, wie etwa Luftlager, Magnetlager oder Rollenlager. Der Adapter kann entweder ein integrales Teil des vorderen Endschilds 5 der Antriebseinheit 2 sein oder kann ein separates Teil sein, das an dem Endschild befestigt ist. Der Adapter kann aufgebaut sein, um ein leichtes Lösen des hierdurch getragenen Werkzeugs zu ermöglichen und um in Bezug auf Werkzeugwechsel ausgelegt zu sein. Wenn der Fräskopf oder die Schneidkanten des Werkzeugs (später beschrieben) dazu dienen soll/sollen, tief in ein Werkstück A einzuschneiden, sollte das Stützteil 17 in der Nähe des Fräskopfs 24 und somit auch in der Nähe der Lagerflächen 26 und 18 ein Teil enthalten, das eine radiale Erstreckung hat, die kleiner ist als die Hälfte des Schneiddurchmessers D der Schneidkanten des Fräswerkzeugs. Im Hinblick auf Fig. 2 zeigen somit die Fig. 3 und 4, dass das Stützteil 17 in der Nähe des Werkzeugs 24 und den Lagerflächen 26 und 18 eine Querschnittsform hat, die ein Teil enthält, dessen radiale Erstreckung kleiner ist als die Hälfte des Schneiddurchmessers D des Werkzeugs 24, sowie ein Stützteil, dessen radiale Erstreckung größer ist als die Hälfte des Schneiddurchmessers D. Fig. 4 zeigt den Fräskopf 24, der eine gewünschte Tiefe in eine Werkstück A schneidet, wobei diese Tiefe durch das Stützteil 17 ermöglicht wird.
WERKZEUG
• Das erfindungsgemäße Werkzeug, das Teil des Systems bildet, ist klarer in Fig. 5 dargestellt, und umfasst, wie zu sehen ist, ein Fräswerkzeug mit einem Fräskopf 24, der typischerweise mit Schneidkanten versehen ist, einen Schaft 25 und ein Befestigungsmittel 27. Der Schaft 25 ist zylindrisch und weist eine Lagerfläche 26 auf, die in der Nähe des Fräskopfs 24 ausgebildet ist, der die Schneidkanten trägt. Das Fräswerkzeug ist bevorzugt eine einstückige Hartmetallstruktur. Das Befestigungsmittel 27 hat eine konische Führungsfläche 25', mit der Funktion, das Werkzeug in der Spindel 4 zu zentrieren, wobei die Spindel eine Vertiefung hat, die der konischen Führungsfläche 25' entspricht. Der Werkzeugschaft 25 hat eine Gewindebohrung 28, in die eine entsprechende Gewindezugstange 4' eingeschraubt werden kann, um das Werkzeug an der Spindel 4 zu befestigen und um axiale Zug- oder Spannkräfte aufzunehmen, die auf das Werkzeug einwirken. Das Befestigungsmittel 27 enthält auch einen Spannergriff 29, der, im Zusammenwirken mit einem entsprechenden Spannergriff an der Spindel 4, mechanisch ein Drehmoment zwischen der Spindel 4 der Antriebseinheit und dem Werkzeug mit seinem Fräskopf 24 überträgt.
• Es versteht sich, dass durch das Zusammenwirken zwischen den Radiallagern 18, 26 sowie der radialen Führung 25' zwischen dem Werkzeug und der Antriebseinheit-Spindel 4 ein Kraftmoment erzeugt wird, das einem Kraftmoment entgegenwirkt, das infolge des Werkzeugüberhangs und der auf das Werkzeug wirkenden Schneidkräfte auftritt.
• Aufgrund seiner Konstruktion und der Art und Weise, in der es in dem Adapter 1 gehalten wird, wird das erfindungsgemäße Fräswerkzeug, dessen Lagerfläche 26 mit dem Lager 18 in der Stützhülse 17 zusammenwirkt, radialen Schneidkräften widerstehen, die bei im vorliegenden Kontext betreffenden Geschwindigkeiten auftreten. Die axial wirkenden Schneidkräfte, die durch das Werkzeug erzeugt werden, werden natürlich von den Schublagern an der Spindel 4 (8 und entsprechenden Schublager an dem anderen Ende der Spindel 4) über Axialkraft übertragende Oberflächen - die Oberfläche 25' -, die mit der Spindel zusammenwirkt, sowie die Schraubgewinde an dem Werkzeug - Zugstange - aufgenommen.
ZUSAMMENFASSUNG
• Mithilfe der vorliegenden Erfindung wird ein Werkzeug wirkungsvoll durch das Stützteil 17 infolge des Zusammenwirkens der Lagerflächen 18 und 26 gehalten oder gestützt. Weil ferner die Lagerflächen so nahe wie möglich an den Werkzeugschneidkanten angeordnet worden sind, werden sowohl Biegekräfte als auch radial wirkende Lagerkräfte in Bezug auf die radial wirkenden Schneidkräfte minimiert, um hierdurch eine größere radial wirkende Schneidkraft bei einer höheren Geschwindigkeit lagern zu können, als es bisher im vorliegenden Kontext möglich war.
• Weil die radiale Erstreckung des Adapters in zumindest eine Richtung weniger als die Hälfte des Schneiddurchmessers des Werkzeugs beträgt, können Versteifungs- oder Verstrebungselemente in einem Werkstück A auf eine Tiefe gefräst werden, die die axiale Dicke des Werkzeugs überschreitet, Fig. 4.
• Durch Auslesen der Druckänderungen, die in den Lagern 18, 26 durch die Drucksensoren 23 erfühlt werden, ist es möglich, die Biegelasten und die Richtungen zu bestimmen, in denen diese auf den Werkzeugschaft 25 und auf das Stützteil 17 einwirken. Es versteht sich, dass zum selben Zweck auch ein Dehnungsmessgerät an dem Stützteil 17 angebracht werden kann.
• Es versteht sich auch, dass die Erfindung bei anderen Werkzeugtypen angewendet werden kann, z. B. Spiralbohrern, deren Führungskanten hiermit Gegenlager für das Lager 18 an dem Stützteil 17 bilden.
• Im Falle bestimmter Anwendungen der Erfindung kann es geeignet sein, ein axial erstreckendes Lager oder mehr als ein Lager in dem Stützteil (und dem Werkzeugschaft) vorzusehen, wobei sich das Lager gegebenenfalls von der dargestellten und beschriebenen Art unterscheidet. Durch den Ausdruck "eine Lagerfläche" und "ein Lager", wie er in Bezug auf das Werkzeug und auf den Adapter verwendet wird, ist die gesamte Lagerfläche und das gesamte Lager gemeint, unabhängig davon, ob die Lagerfläche oder das Lager einheitlich oder unterteilt sind.

Claims (10)

1. Hochgeschwindigkeitswerkzeuge, wie etwa Fräswerkzeuge und Bohrwerkzeuge, betreffende Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung in der Nähe eines Schneidteils in Form eines Schneidkopfs (24) des sich drehenden Werkzeugs ein Lager (18) aufweist, welches radial auf das Werkzeug einwirkende Schneidkräfte aufnimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein Basisteil (15), das in bezug auf die Werkzeugantriebsspindel (4) fest ist, sowie ein Stützteil (17), das von dem Basisteil (15) absteht und das Lager (18) trägt, aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützteil (17) die Form einer Hülse hat, die mit dem Basisteil integriert ist, und wobei die Innenfläche des freien Endes derselben das Lager (18) aufnimmt.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützteil (17) einen Schmiermittelkanal oder mehrere Schmiermittelkanäle (19, 20) aufweist, der/die sich in das Lager (18) hinaus öffnet/öffnen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schmiermittelkanal (20) mit einer jeweiligen Verengung in Form eines austauschbaren Nippeis (22) versehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schmiermittelkanal oder mehrere Schmiermittelkanäle (20) mit Mitteln (23) zum Anschluß an einen Drucksensor versehen ist/sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung direkt an der Basisplatte (5) der Werkzeugantriebsspindel (4) angebracht werden kann.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ein integrales Teil der Basisplatte (5) ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützteil (17), zumindest in enger Nachbarschaft des Schneidkopfs (24), ein Teil aufweist, dessen radiale Ausdehnung kleiner ist als die Hälfte des Schneiddurchmessers (D) des Schneidkopfs (24).

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (18) eine Lagerfläche ist, die zum Zusammenwirken mit einer Werkzeugträger-Lagerfläche dient, wobei die zwei Lagerflächen (18, 26) durch ein Fluid getrennt sind.