Hochgeschwindigkeitsloslager, insbesondere zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeitsloslager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 , welches insbesondere vorteilhaft zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine oder zur Lagerung anderer schnell umlaufender Maschinenteile eingesetzt werden kann.

Hintergrund der Erfindung

Dem Fachmann auf dem Gebiet der Wälzlagertechnik ist es allgemein bekannt, dass zur Führung und Abstützung eines umlaufenden Maschinenteils zumindest zwei in bestimmten Abständen voneinander angeordnete Lager erforderlich sind. Erfolgt dabei die Abstützung der Welle in üblicher Weise in zwei Ra- diallagem, tritt das Problem auf, dass die Abstände der Lagersitze auf der Welle und im Gehäuse nur im Rahmen der Fertigungstoleranzen übereinstimmen. Außerdem erwärmt sich die Welle unter Betriebsbedingungen in der Regel

stärker als das Gehäuse, so dass auch die temperaturbedingten Längendifferenzen der Welle in den Lagerstellen ausgeglichen werden müssen. Die seit langem bewährteste Möglichkeit zum Ausgleich dieser Fertigungstoleranzen und Längendifferenzen ist es daher, die Welle nur in einem Festlager in axialer Richtung zu führen, während an der anderen Lagerstelle durch ein Loslager die unterschiedlichen Abstände entweder an der Sitzstelle des Innenrings, an der Sitzstelle des Außenrings oder im Lager selbst durch Verschieben der Lagerringe zueinander ausgeglichen werden. Während sich als Festlager einer solchen Wellenlagerung je nach geforderter Genauigkeit der axialen Führung der Welle vor allem Rillenkugellager, Pendel- oder Kegelrollenlager oder auch zweireihige oder zwei einreihige Schrägkugellager als besonders geeignet erwiesen haben, sind Loslager am einfachsten durch Zylinderrollenlager oder Nadellager realisierbar, da bei diesen Lagertypen eine Verschiebung des RoII- körperkranzes auf der Laufbahn des jeweils bordlosen Lagerringes bzw. der Welle möglich ist.

Vor allem beim Einsatz von Zylinderrollen- oder Nadellagern als Loslager einer wassergekühlten Werkzeugmaschinen-Hauptspindel hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, dass diese Lager zumeist eine hohe radiale Steifigkeit aufweisen, die sich bei Temperaturunterschieden zwischen Innen- und Außenring oder zwischen Welle und Spindelgehäuse durch unterschiedliche Wärmeausdehnung in einer zunehmenden Radialverspannung im Lager bemerkbar macht. Die durch diese temperaturbedingte Radialverspannung immer weiter zunehmende Reibung zwischen den Lagerringen und den Rollkörpern kann dabei so stark werden, dass durch die entstehende Reibungswärme die zulässige Betriebstemperatur des Lagers überschritten wird und der erforderliche Schmierfilm zwischen den Rollen und den Lagerringen bis hin zum teilweisen Verbrennen des Schmierstoffs und dem vorzeitigen Ausfall des Lagers örtlich abreißt. Eine bekannte Möglichkeit zur Vermeidung eines solchen vorzeitigen Lagerausfalls ist es zwar, das Radialspiel des Lagers entsprechend voreinzustellen, jedoch ist eine derartige Radialspieleinstellung über einen kostenintensiven Kegelsitz des inneren Lagerrings auf der Werkzeugmaschinen-Haupt-

Spindel sehr zeitaufwändig und bedarf zudem sehr kostenaufwändiger Hüllkreis-Messgeräte.

Eine andere Möglichkeit zur Realisierung eines Loslagers bei der Lagerung einer Werkzeugmaschinen-Hauptspindel stellt auch das in der EP 926 368 A2 offenbarte einreihige Kugellager dar, bei dem der äußere Laufring mit einer rillenförmigen Kugellaufbahn und der innere Laufring mit einer im Längsschnitt ebenen Kugellaufbahn ausgebildet ist und die zwischen den Laufringen angeordneten Lagerkugeln aus Keramik bestehen. Durch die Ausbildung des Lagers mit einer definierten Radialluft soll dabei erreicht werden, dass das Lager sowohl einen ausreichenden Sitz auf der Welle und im Gehäuse als auch ein günstiges Betriebsspiel aufweist, während die Loslagerfunktion durch die Möglichkeit der Axialverschiebung des inneren Lagerrings im Bereich seiner ebenen Lauffläche gewährleistet ist.

Ein derart ausgebildetes Kugellager wirkt zwar betriebsbedingten radialen Wärmedehnungen der Lagerringe durch dessen definierte Radialluft entgegen, es hat demgegenüber jedoch den Nachteil, dass es nur eine niedrige Belastbarkeit aufweist und damit in so genannten Crashfällen, bei dem das Lager schlagartig einer extrem hohen Punktbelastung ausgesetzt ist, zu Materialschäden sowie letztendlich zum Totalausfall neigt. Darüber hinaus hat es sich in der Praxis gezeigt, dass auch die definierte Radialluft des Lagers nicht ausreicht, bei einem größeren Wärmegefälle vom Lagerinnenring zum Lageraußenring eine Überbelastung des Lagers zu vermeiden, so dass es mit einem solchen Lager selbst in zweireihiger Ausführung nicht möglich ist, bei jedem Betriebszustand des Lagers eine gleichmäßig präzise radiale Spindelführung zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein

Hochgeschwindigkeitsloslager, insbesondere zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, zu konzipieren, mit welchem es neben der Funktion temperaturbedingte Längendifferenzen der Hauptspindel gegenüber deren Festlager auszugleichen auch möglich ist aus betriebsbedingten radialen Wärmedehnungen der Lagerringe resultierende Überbelastungen des Lagers zu vermeiden sowie bei jedem Temperatur- und Betriebszustand des Lagers eine gleichmäßig präzise radiale Spindelführung zu gewährleisten.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Hochgeschwindigkeitsloslager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass das Hochgeschwindigkeitsloslager als betriebsbedingte radiale Wärmedehnungen der Lagerringe selbsttätig ausgleichendes Kugelloslager mit mehreren nebeneinander angeordneten Kugelreihen ausgebildet ist, dessen Lagerringe im kalten Zustand des Hochgeschwindigkeitsloslagers durch eine konvexe Ausführung der Lauffläche für die Wälzkörper am inneren Lagerring über lediglich eine Kugelreihe miteinander in Tragkontakt stehen, wobei mit zunehmender Wärmedehnung und Fliehkraftaufweitung beider Lagerringe durch eine radialelastisch nachgiebige Ausbildung eines oder beider Lagerringe die weiteren Kugelreihen nacheinander in eine derartige Kontaktposition mit beiden Lagerringen treten, dass die Lagerringe bei Betriebstemperatur des Hochgeschwindigkeitsloslagers über alle Kugelreihen miteinander in Tragkontakt stehen.

In zweckmäßiger Weiterbildung weist das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwindigkeitsloslager dabei bevorzugt fünf nebeneinander angeordnete Kugelreihen mit durchmessergleichen Stahl- oder Keramikkugeln als Wälzkörper auf, von denen nur die Wälzkörper der mittleren Kugelreihe im kalten Zustand des Hochgeschwindigkeitsloslagers mit beiden Lagerringen in Tragkontakt stehen. Die Anordnung von fünf Kugelreihen nebeneinander hat dabei den Vorteil, dass äußere Radialbelastungen nahezu gleichmäßig auf die einzelnen Kugel-

reihen verteilt werden und dass das Lager insgesamt wesentlich robuster ist als bekannte ein- oder zweireihige Kugelloslager. Je nach Anwendungsfall ist es jedoch auch möglich, das Hochgeschwindigkeitsloslager mit weniger oder mehr als fünf Kugelreihen auszubilden. Bei der Auswahl des Werkstoffes und der Form für die Wälzkörper hat sich vor allem die Verwendung von Keramikkugeln als vorteilhaft erwiesen, da Kugeln aufgrund ihrer idealen Form präziser herstellbar sind als beispielsweise Zylinderrollen und sich mit diesen eine ausgezeichnete Laufruhe des Loslagers ergibt. Zudem sind Keramikkugeln im Vergleich zu Zylinderrollen aus Keramik ähnlich kostengünstig herstellbar wie die alternativ auch verwendbaren bekannten Kugeln aus einem Wälzlagerstahl oder dergleichen.

Damit ein mit einer solchen Anzahl an Kugelreihen ausgebildetes Loslager nicht wesentlich mehr axialen Bauraum als herkömmliche Loslager benötigt, wird es als vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindigkeitsloslagers des Weiteren vorgeschlagen, die Wälzkörper der einzelnen Kugelreihen jeweils in Umfangsrichtung gleichmäßig zueinander beabstandet in einem gemeinsamen Lagerkäfig ineinander verschachtelt anzuordnen, so dass die Axialbreite des Hochgeschwindigkeitsloslagers geringer als die Summe der Durchmesser einer Querreihe von fünf Wälzkörpern ist. In der Praxis hat es sich dabei gezeigt, dass die Axialbreite eines mit fünf ineinander verschachtelten Kugelreihen ausgebildeten Loslagers etwa der doppelten Breite des im Stand der Technik beschriebenen einreihigen Kugelloslagers entspricht und dass sich dies durch den bei den meisten Anwendungen Vorhände- nen axialen Bauraum nicht nachteilig auswirkt.

Die verschachtelte Anordnung der Kugelreihen ist dabei in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindigkeitsloslagers derart realisierbar, dass die Wälzkörper der mittleren und der axial äußeren Kugel- reihen und die Wälzkörper der beiden der mittleren Kugelreihe benachbarten Kugelreihen jeweils auf gemeinsamen, in Umfangsrichtung wechselweise aufeinander folgenden Querachsen angeordnet werden. Dabei ist zwischen den

auf einer Querachse angeordneten Wälzkörpern der mittleren und der axial äußeren Kugelreihen nur ein deren Kugeltaschen im Lagerkäfig begrenzender Steg angeordnet, während die ebenfalls nur durch einen deren Kugeltaschen im Lagerkäfig begrenzenden Steg voneinander getrennten Wälzkörper der bei- den der mittleren Kugelreihe benachbarten Kugelreihen jeweils zwischen den Querachsen der mittleren und der axial äußeren Kugelreihen auf der Höhe der die Kugeltaschen dieser Kugelreihen begrenzenden Stege angeordnet sind.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindig- keitsloslagers ist es darüber hinaus, dass in die bevorzugt eben ausgebildete Innenfläche des äußeren Lagerrings entsprechend der Anzahl der Kugelreihen fünf nebeneinander angeordnete Laufrillen als Führung für die Wälzkörper eingearbeitet sind. Diese, aufgrund der Wälzkörperschmiegung einen etwas größeren Radius als der Radius der Wälzkörper aufweisenden Laufrillen sind im Querschnitt jeweils mit der gleichen Breite und der gleichen Tiefe ausgebildet und gehen unmittelbar ineinander über, so dass die Wälzkörper mit etwa einem Viertel ihres Umfangs in den Laufrillen geführt werden.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwin- digkeitsloslagers wird es schließlich noch vorgeschlagen, dass aufgrund des besonders hohen Wärmegefälles zwischen der Hauptspindel und dem Spindelgehäuse einer Werkzeugmaschine bevorzugt beide Lagerringe zur radialelastisch nachgiebigen Ausbildung an ihren Außenflächen mit jeweils einer im Querschnitt konkaven Ringvertiefung ausgebildet sind, die sich nahezu über die gesamte Axialbreite der Lagerringe erstreckt und deren größte Tiefe etwa der halben Dicke der Lagerringe entspricht. Diese umlaufenden Vertiefungen in den Außenflächen der Lagerringe bewirken somit eine Verringerung des Materialquerschnitts der Lagerringe, durch die die Steifigkeit der Lagerringe zu deren Axialmitte hin abnimmt und durch die gleichzeitig die radiale Elastizität der La- gerringe zu deren Axialmitte hin zunimmt. Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, die Oberflächen der konkaven Ringvertiefungen zusätzlich durch Feinschleifen zu bearbeiten, um einen gegebenenfalls aus der Kerbwirkung von

Oberflächenrauheiten resultierenden Überlastungsbruch der Lagerringe zu vermeiden. Die sich an die konkaven Ringvertiefungen anschließenden axialen Randbereiche beider Lagerringe sind dagegen wieder eben und bevorzugt ohne Feinschliff ausgebildet, so dass die Lagerringe über diese als ringförmige Lagersitze ausgebildeten Randbereiche problemlos im Spindelgehäuse bzw. auf der Hauptspindel befestigt werden können. In Anwendungsfällen mit weniger hohem Wärmegefälle zwischen den Lagerringen ist es jedoch auch möglich, nur den äußeren oder nur den inneren Lagerring in der genannten Weise radialelastisch auszubilden, so dass bei dem jeweils anderen in herkömmlicher Weise ausgebildeten Lagerring die aus der Kerbwirkung von Oberflächenrauheiten resultierende Bruchgefahr entfällt.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwindigkeitsloslager, insbesondere zur Lagerung der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Wälzlagern den Vorteil auf, dass es durch die spezielle Ausbildung seiner Lagerringe sowie durch Ausbildung als mehrreihiges Kugellager neben der Fähigkeit temperaturbedingte Längendifferenzen der Hauptspindel gegenüber deren Festlagersitz ausgleichen zu können auch in der Lage ist, betriebsbedingte radiale Wärmedehnun- gen und Fliehkraftaufweitungen der Lagerringe selbsttätig auszugleichen und somit bei jedem Betriebs- und Temperaturzustand des Lagers eine gleichmäßig präzise Spindelführung zu gewährleisten. Durch die konvexe Ausführung der Lauffläche für die Wälzkörper am inneren Lagerring und eine entsprechende Auslegung der Lagerradialluft ist dabei im kalten Zustand des Lagers eine prä- zise Spindelführung zunächst über die mittlere, mit beiden Lagerringen in Tragkontakt stehende Kugelreihe gewährleistet. Mit zunehmenden Fliehkräften und betriebsbedingten Wärmedehnungen der Lagerringe treten dann auch die beiden der mittleren Kugelreihe benachbarten Kugelreihen in Tragkontakt mit beiden Lagerringen. Erreicht das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwin- digkeitsloslager schließlich seine Betriebstemperatur, treten durch die radialelastisch nachgiebige Ausbildung der Lagerringe dann auch die beiden axial äußeren Kugelreihen in Tragkontakt mit beiden Lagerringen, wobei die mittlere

Kugelreihe nicht überlastet wird und in jedem Temperaturzustand des Lagers eine ausreichende Lagersteifigkeit gegeben ist. Die Ausbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Hochgeschwindigkeitsloslager als fünfreihiges Kugellager ist zwar im Vergleich zu bekannten einreihigen Kugellagern ursächlich für eine geringfügig erhöhte Lagerreibung, die Hochgeschwindigkeitseignung dieses Lagers bleibt jedoch erhalten. Gleichzeitig wird damit beispielsweise im Vergleich zu zweireihigen Zylinderrollenlagern erreicht, dass das erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitsloslager wesentlich unempfindlicher gegenüber Verkippungen des inneren Lagerrings zum äußeren Lagerrings ist. Des Weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäß ausgebildete Hochgeschwindigkeitsloslager durch die Möglichkeit des Einsatzes von berührungsfreien Dichtscheiben zur Schmierstoffspeicherung durch Wartungsfreiheit sowie durch die Verwendung kostengünstig herstellbarer Keramikkugeln anstelle teurer Keramikrollen durch niedrige Herstellungskosten aus.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Hoch- geschwindigkeitsloslagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch den Antrieb einer Werkzeugmaschine mit einer in einem Festlager und in einem erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitsloslager gelagerten Hauptspindel;

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung einer Hälfte eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Hochgeschwindigkeitsloslager.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist schematisch der Antrieb einer Werkzeugmaschine dargestellt, der im Wesentlichen aus einem Elektromotor 26 und aus einer von diesem ange- triebenen Hauptspindel 27 besteht. Diese Hauptspindel 27 ist deutlich sichtbar mit einem Ende in zwei Schrägkugellagern 29, 30 gelagert, die als Festlagersitz 31 innerhalb eines Spindelgehäuses 28 ausgebildet sind. Das andere Ende der Hauptspindel 10 ist dagegen in einem Loslagersitz 32 gelagert, welcher durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Hochgeschwindigkeitsloslager 1 gebildet wird. Wie dazu Figur 2 entnehmbar ist, besteht dieses Hochgeschwindigkeitsloslager 1 im Wesentlichen aus einem auf der Hauptspindel 27 befestigten inneren Lagerring 2 und aus einem im Spindelgehäuse 28 befestigten äußeren Lagerring 3 sowie aus einer Anzahl zwischen diesen Lagerringen 2, 3 angeordneten Wälzkörpem 4 und weist als Loslagerfunktion die Möglichkeit der Axial- Verschiebung des inneren Lagerrings 2 im Bereich seiner Lauffläche 5 für die Wälzkörper 4 auf.

Darüber hinaus geht aus Figur 2 deutlich hervor, dass das Hochgeschwindigkeitsloslager 1 erfindungsgemäß als betriebsbedingte radiale Wärmedehnun- gen der Lagerringe 2, 3 selbsttätig ausgleichendes Kugelloslager ausgebildet ist, welches fünf nebeneinander angeordnete Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 mit durchmessergleichen Keramikkugeln als Wälzkörper 4 aufweist. Lediglich andeutungsweise wird dabei aus Figur 2 ersichtlich, dass die Lagerringe 2, 3 des Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 im kalten Zustand des Lagers durch eine konvexe Ausführung der Lauffläche 5 für die Wälzkörper 4 am inneren Lagerring 2 lediglich über die mittlere Kugelreihe 8 miteinander in Tragkontakt stehen, während mit zunehmender Wärmedehnung und Fliehkraftaufweitung beider Lagerringe 2, 3 durch eine radialelastisch nachgiebige Ausbildung beider Lagerringe 2, 3 die weiteren Kugelreihen 6, 7, 9, 10 nacheinander in eine derar- tige Kontaktposition mit beiden Lagerringen 2, 3 treten, dass die Lagerringe 2, 3 bei Betriebstemperatur des Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 über alle Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 miteinander in Tragkontakt stehen.

Die Wälzkörper 4 der einzelnen Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 sind zu diesem Zweck, wie ebenfalls nur andeutungsweise aus Figur 2 hervorgeht, jeweils in Umfangsrichtung gleichmäßig zueinander beabstandet in einem gemeinsamen Lagerkäfig 11 ineinander verschachtelt angeordnet, so dass die Axialbreite des Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 geringer als die Summe der Durchmesser einer Querreihe von fünf Wälzkörpern 4 ist. Zur verschachtelten Anordnung der Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 sind dabei die Wälzkörper 4 der mittleren und der axial äußeren Kugelreihen 6, 8, 10 auf einer gemeinsamen Querachse ange- ordnet, während die Wälzkörper 4 der beiden der mittleren Kugelreihe 8 benachbarten Kugelreihen 7, 9 ebenfalls auf einer gemeinsamen Querachse angeordnet sind, die in Umfangsrichtung jeweils zwischen den Querachsen der Wälzkörper 4 der mittleren und der axial äußeren Kugelreihen 6, 8, 10 angeordnet sind. Die axiale Führung der im Lagerkäfig 11 fixierten Kugelreihen 6, 7, 8, 9, 10 zwischen den Lagerringen 2, 3 erfolgt darüber hinaus über fünf nebeneinander angeordnete und in Figur 2 deutlich sichtbare Laufrillen 13, 14, 15, 16, 17,die in die eben ausgebildete Innenfläche 12 des äußeren Lagerrings 3 eingearbeitet sind und im Querschnitt jeweils die gleiche Breite und die gleiche Tiefe aufweisen sowie mit einem geringfügig größeren Radius als der Radius der Wälzkörper 4 ausgebildet sind.

Ebenso ist in Figur 2 schließlich noch erkennbar, dass beide Lagerringe 2, 3 des Hochgeschwindigkeitsloslagers 1 zur radialelastisch nachgiebigen Ausbildung an ihren Außenflächen 18, 19 mit jeweils einer im Querschnitt konkaven Ringvertiefung 20, 21 ausgebildet sind, die sich nahezu über die gesamte Axialbreite der Lagerringe 2, 3 erstreckt und deren größte Tiefe etwa der halben Dicke der Lagerringe 2, 3 entspricht. Diese konkaven Ringvertiefungen 20, 21 in den Außenflächen 18, 19 der Lagerringe 2, 3 bewirken eine Verringerung des Materialquerschnitts der Lagerringe 2, 3, durch die die Steifigkeit der La- gerringe 2, 3 zu deren Axialmitte hin abnimmt und durch die gleichzeitig die radiale Elastizität der Lagerringe 2, 3 zu deren Axialmitte hin zunimmt. Die sich an diese Ringvertiefungen 20, 21 anschließenden axialen Randbereiche 22,

23, 24, 25 beider Lagerringe 2, 3 sind dagegen eben ausgebildet und bilden jeweils ringförmige Lagersitze, über welche die Lagerringe 2, 3 im Spindelgehäuse 28 bzw. auf der Hauptspindel 27 befestigt sind.

Bezugszahlenliste

1 Hochgeschwindigkeitsloslager 18 Außenfläche von 2

2 innerer Lagerring 19 Außenfläche von 3 3 äußerer Lagerring 20 Ringvertiefung

4 Wälzkörper 21 Ringvertiefung

5 Lauffläche von 2 22 Randbereich von 18

6 Kugelreihe 23 Randbereich von 18

7 Kugelreihe 24 Randbereich von 19 8 Kugelreihe 25 Randbereich von 19

9 Kugelreihe 26 Elektromotor

10 Kugelreihe 27 Hauptspindel

11 Lagerkäfig 28 Spindelgehäuse

12 Innenfläche von 3 29 Schrägkugellager 13 Laufrille 30 Schrägkugellager

14 Laufrille 31 Festlagersitz

15 Laufrille 32 Loslagersitz

16 Laufrille

17 Laufrille