Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lager und im besonderen bezieht sie sich auf Lager für Schleif-und Frässpindeln in Werkzeugmaschinen für die Zerspanungstechnik wie sie in den Ansprüchen definiert ist.

Bekanntlich werden Werkzeugmaschinen unter anderem zum Zerspanen von Bauteilen wie Metallhauteile eingesetzt. Solche Werkzeugmaschinen weisen oft eine Schleif-oder Frässpindel auf, die von einem schnelllaufenden Motor angetrieben wird und welche Arheitsspindel mit einem Adapter zur Aufnahme eines Werkstückes oder eines Werkzeuges verbindbar ist.

Solche Arheitsspindeln von Werkzeugmaschinen werden über Lager geführt.

Diese Lager erfüllen vielfältige Aufgahen. So gehen die Lager den zur Aus- führung der Schnitt-und Vorschubbewegungen bestimmten Bauteilen eine exakte Bewegungsbahn, auch tragen sie Gewichtskräfte von Spindelwelle und umliegenden Bauteilen und ferner nehmen die Lager auftretende Betriebs- kräfte schwingungsfrei auf. Daher sind eine hohe Steifigkeit und eine hohe Dämpfungsfähigkeit senkrecht und parallel zur Führungsbahn erforderlich.

Um eine hohe Dauergenauigkeit hei der Ausführung von Schleif-und Fräss-

bewegungen zu erhalten, bestehen ausserdem Forderungen an die Führung der Spindelwelle nach geringen Reibungskräften, wenig Verschleiss, guter Spieleinstellbarkeit und einem Schutz vor Spänen, Kühlwasser, Schmutz und Beschädigungen.

In der Praxis arbeiten schnelllaufende Spindeln in der Zerspanungstechnik im Bereich von 20-100'000 Umdrehungen pro Minute. Solche Arbeitsspindeln werden auf konventionellen Kugel-und Wälzlagern, Magnetlagern und hydro- statischen Lagern geführt. Üblicherweise gehen die Drehzahlkennzahlen, gebildet aus Durchmesser in mm mal Drehzahl in U/min (D*n), einen bes- seren Einblick in die herrschenden Geschwindigkeitsverhältnisse. So liegt der Bereich der Wälzlager bei einer Drehzahlkennzahl eher unter 2.5 Mio. und der Bereich der hydrostatischen Lager eher über 2.5 Mio..

Kugelgelagerte Wälzlager sind für den Arbeitshereich hei hohen Drehzahlen weniger gut geeignet. Sie sind recht voluminös und begrenzen somit eine Auf- nahme in die Werkzeugmaschine. Um mit Kugel-und Wälzlagern die Anfor- derungen nach geringer Reihung hei hoher Umdrehung zu erfüllen und um axiale und radiale Kräften aufzunehmen, werden oft mehrere kleine Kugel- lager zur Aufnahme von jeweils einer axialen oder radialen Kraftkomponente angeordnet.

Solche Kugel-oder Wälzlager weisen einen punkt-und linienförmigen Druck- kontakt mit der Arheitsspindel auf. Sie besitzen somit eine Liniensteifigkeit, was unter Momenthelastungen zum Verkanten und Ausschlagen und zu weite- ren, daraus folgenden Nachteilen führen kann. Diese Stossempfindlichkeit bestimmt im Wesentlichen die relativ kurze Lebensdauer der Kugel-bzw.

Wälzlagern. Um die Stossempfindlichkeit zu reduzieren, werden weitere, stabilisierende Lager angeordnet. All diese Nachteile machen den Einsatz von Kugel-und Wälzlagern bei den heutigen, immer höher werdenden Anforde- rungen an die Schnittgeschwindigkeiten umvirtschaftlich.

Magnetlager sind fiir die Anwendung in einem Fräswerkzeug nur bedingt einsatzfähig. Beim Fräsen werden hohe Kräfte erzeugt, was eine hohe Belast- barkeit und hohe radiale und axiale Steifigkeit des Lagers erfordert. Nachtei- lig bei Magnetlagern ist, dass sie relativ weich und nur gering belastbar sind.

Zudem sind sie recht teuer und aufwendig nur durch Elektronik ansteuerbar.

Hydrostatische Lager mit dem Druckmedium Hydrauiikö ! werden bevorzugt in Werkzeugmaschinen, die im unteren Drehzahlbereich arbeiten, verwendet.

Nachteilig für eine Anwendung bei Schnelllaufwerkzeugmaschinen ist, dass das Öl aufgrund seiner hohen Viskosität Reibungswärme erzeugt und die anfallende Reibungswärme schlecht abtransportiert. Zudem nehmen hydro- statische Lager nur Kraftkomponenten einer Richtung auf.

Es ist daher Aufgahe der vorliegenden Erfindung, ein Lager, beispielsweise zur Verwendung in Werkzeugmaschinen für die Zerspanungstechnik bereitzu- stellen, welches die vorgenannten Nachteile behebt. Insbesondere soll das Lager einen einfachen und kompakten Aufbau aufweisen und es soll in der Anschaffung und im Unterhalt wirtschaftlich sein. Das Lager soll mit gängigen Verfahren der Werkzeugindustrie kompatibel und integrierbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, gelost.

Die Idee der Erfindung heruht darin, ein einziges Lager zur Aufnahme der auftretenden Kraftkomponenten bereitzustellen. Bevorzugterweise ist das Lager einstückig ausgelegt und nimmt axiale und/oder radiale Kraftkompo- nenten auf, die an einer Welle und angrenzenden Elementen auftreten. Dies ist eine Abkehr von hekannten Konstruktionen, wo für solche Zwecke mehre- re, separate Lager verwendet werden.

Durch Verwendung eines einzigen Lagers lässt sich die Bewegung der Welle im Lager mit einer Kreiselbewegung vergleichen. Der Mittelpunkt der Welle im Bereich des Lagers stellt den Haltepunkt des Kreisels dar, weshalb sich Kreiselgleichungen zur Bewegungsheschreibung und zur Berücksichtigung von Präzession und Nutation heranziehen lassen. Als Folge von Bewegungsanaly- sen ist das Lager mit speziell angeordneten Lagerhereichen versehen, welche Präzession und Nutation der Welle effektiv kompensieren.

Durch Verwendung eines einzigen, hevorzugterweise einstiickigen Lagers wird eine kompakte Bauweise ermöglicht. Dies wiederum erlaubt einen Einsatz bei hohen Drehzahlkennzahlen >2.5 Mio.. Die vorliegende Erfindung kann somit in einer schnelllaufenden Werkzeugmaschine für die Zerspanungstechnik verwendet werden, wobei vorteilhaftwerweise eine direkte Kraftübertragung, über nur einen Flansch von der Welle an eine Werkzeugmaschine erfolgt.

Das Lager ist vorteilhafterweise hydrostatisch und wird mit Wasser betrieben.

So ist es möghch, das Lager durch turbulent strömendes Wasser, welches durch Düsen in einen Lagerspalt zwischen Welle und Lager strömt, im Ruhe- zustand der Welle vorzuspannen. Über den Wasserfilm ist die Welle flächsteif gelagert. Der Lagerspalt erlaubt einen Kraftausgleich der äusserer, auf die Spindelwelle wirkenden Kräften mit der Vorspannung der Lagereinheit. Dies ermöglicht somit eine hydrostatisch gesteuerte Kompensation der von aussen auf das Lager angreifenden Kräfte. Insbesondere lässt sich die Spaltbreite über einen Taschendruck auf einfache und unkomplizierte Weise steuern, ohne dass störende Resonanzen und/oder ein Aufschaukeln der Welle im Betrieb erfolgt.

Eine hevorzugte Ausführungsform wird anhand des nachstehenden zeichne- risch dargestellten Beispiels noch näher beschreibend erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 Gesamtansicht durch einen Teil einer bevorzugten Ausfüh- rungsform einer Werkzeugmaschine mit einer Arbeitsspindel und mit einem Lager im vertikalen Schnitt.

Fig. 2 und 2a das skizzierte Funktionsprinzip des Lagers gemäss Fig. 1.

Fig. 3 die Anordnung gegenüberliegender Bereiche eines Lagers gemäss Fig. I und 2.

Fig. 4 auftretende Kräfteverhältnisse in Abhängigkeit von der Spalt- hohe von zwei Bereichen eines Lagers gemäss den Fig. 1 bis 3.

Fig. 1 zeigt die Gesamtansicht eines Teils einer beispielhaften Ausführungs- form eines Lagers 2 gemäss der Erfindung in der heispielhaften Vewendung in einer Werkzeugmaschine mit Spindelwelle 3, mit Druckzuführflansch 9, einem Gehäuse 5 mit Hochfrequenz-Motor 1 und einem ersten Flansch 4.

Natürlich sind auch andere Verwendungszwecke des Lagers möglich, diese stehen dem Fachmann bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung frei zur Ver- fügung und werden hier nicht weiter erläutert.

Über die Spindelwelle 3 mit Achse AA'sind der Rotor des Motors 1, das Lager 2 und ein an das Lager 2 stirnseitig angrenzender ersten Flansch 4 miteinander verbunden. Auf der dem Flansch abgewandten Seite ist der Druckzuführflansch 9 mittels Schrauben 15 an das Gehäuse angeschraubt.

Diese Schrauben befinden sich im äusseren Bereich des Druckzuführflansches 9.

Das Lager 2 mit Achse BB'ist bevorzugt ein hydrostatisches Lager. Dieses Lager 2 nimmt über die Welle 3 radiale und axiale Kräfte und über den an das Lager 2 stirnseitig angrenzenden Element oder ersten Flansch 4 axiale Kräfte auf, die hei der Erzeugung von Schnitt-und Umformbewegungen der rotierenden Bauteile übertragen werden. Als Medium zum Betrieh des hydro- statischen Lagers 2 wird bevorzugt Wasser verwendet.

In einem Motorgehäuse 5 befindet sich die Motoreinheit 1, deren Rotor mit der Spindelwelle 3 direkt beispielsweise über eine Aufschrumpfung verbunden ist und diese später in Rotation bringt. Der Stator des Motors umschliesst den Rotor. Der Druckzuführflansch 9 ermöglicht das Zu-und Wegführen des Druckmediums über die Dichtung 10.

Das hydrostatische Lager 2 ist zum Motorgehäuse hin und nach aussen über Labyrinthe 7 und 13 ahgedichtet. Inshesondere hesteht das hydrostatische Lager 2 aus einem einstückigen Körper in der heispielhaften Form eines Flansches mit Zuführkanal 14 an deren Ende sich mehrere Kanake befinden.

Eine detaillierte Beschreibung des Lagers 2 und seiner Elemente erfolgt in der Beschreibung gemäss Fig. 2 und 2a. Dieser einstückige Körper leitet die Kräfte an die nächste Baugruppe wie zum Beispiel an die Werkzeugmaschine 11 weiter und wird mittels Schrauben 6 an die Werkzeugmaschine ange- schraubt. Dem Fachmann steht es bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung frei, den Lagerkörper mehrstückig zu gestalten, dies kann beispielsweise aus Montagegründen notwendig sein.

Die Durchmesser der SpindetweHe 3 ist im Kontaktbereich zwischen Lager und Motor verstärkt, so dass auf dieser Fläche die axialen Kraft, die im be- sonderen durch die Gewichtskraft des Motors erzeugt werden und über die Spindelwelle vom Lager aufgenommen werden können. Ein Deckel 8 sitzt auf dem Flansch 12 der mittels Schrauben 16 am Gehäuse 5 durch den Lager- flansch 2 befestigt wird.

Durch die einfache und kompakte Bauweise des Lagers 2 wird erreicht, dass ein Hochgeschwindigkeitsmotor mit der Spindelwelle direkt verbunden ist und dass das hydrostatischen Lager 2 im Bereich hoher Drehzahlkennzahlen be- rührungslos arbeitet. Berührungslos heisst, dass die Spindelwelle 3 keine Be- rührung mit dem Lagerwerkstoff hat. Da Welle und Lager berührungslos arbeiten ist eine lange Lehensdauer zu erwarten.

Fig. 2 und 2a zeigen das Funktionsprinzip des hydrostatischen Lagers 2 ge- mäss Fig. 1. Der Zuführkanal 14 des Lagers 2 weist mehrere Kanäle auf. Ein erster Kanal 17 bildet die Fortsetzung des Zuführkanals. Dieser Kanal 17 endet in einer Diise 18. Diese Diise ist eine feste Vordrossel. Weitere Kanäle 20,21, welche vom ersten Kanal abzweigen, enden in Düsen 22,23, die auch feste Vordrosseln sind. Diese Düsen 18,22,23 sind mittels bekannten Techni- ken nach aussen hin, d. h. zur Spindel 3 oder zum ersten Flansch 4 hin geöff- net. Zwischen Düsen 18, 22,23 und Spindelwelle 3 und/oder weiteren Elemen- ten wie beispielsweise der erste Flansch 4 befindet sich ein Spalt 19,24,25 mit verschiedenen Breiten H und h. Dieser Spalt 19,24,25 ist während der Be- triebsphase mit dem Medium Wasser durchstreimt. Vorteilhafterweise fliesst das Wasser durch diese Düsen. Die Lagerung der heispielhaft gezeigten Spin- delwelle 3 funktioniert somit über einen Wasserfilm, der sich in Spalten 19,24,25 zwischen Düsen 18,22,23 und Spindelwelle 3 sowie erstem Flansch 4 einstellt.

Die hohe Steifigkeit dieses Lagers 2 ist dadurch vorteilhaft gewährleistet, dass im Lager ringfiirmig angeordnete Lagerbereiche die axialen und radialen Kräfte aufnehmen. Vorteilhafterweise sind drei bis acht Lagerbereiche zuein- ander beabstandet angelegt und vorteilhaft einstückig ohne Trennkanäle aus- geführt. Die fehlenden Trennkanäle wirken einem Steifigkeitsverlust entgegen.

Erste Lagerbereiche die weitgehend senkrecht zur Achse AA'der Spindelwelle 3 zeigen, nehmen radial auf die Spindelwelle 3 wirkende Kräfte auf. Weitere Lagerbereiche, die weitgehend parallel zur Achse AA'der Spindelwelle 3 zeigen, nehmen axial wirkende Kräfte auf. Dieses Lager 2 nimmt somit über erste Lagerbereiche von der Spindel 3 radiale und axiale Kräfte auf und nimmt über weitere Lagerhereiche vom Flansch 4 axiale Kräfte auf und gibt

diese Kräfte über den weiteren Flansch 2, der mit der Werkzeugmaschine 11 verbunden ist, wieder ab. Diese Lagerhereiche sind als Folge der Analyse der Bewegungsgieichungen der Welle optimiert angehracht.

Ein erster Kanal 17 bildet entlang der Achse BB'die Fortsetzung der Zuführ- kanals 14 in Richtung Spindelwelle 3. Die beiden anderen Kanäle 20,21 ragen aus dem unteren Bereich des Zuführkanals senkrecht aus dieser heraus. Diese Kanäle enden über eine Düsenöffnung 22,23 jeweils ehenfalls in Spalten 24, 25. Der eine Kanal 21 ist flanschseitig, der andere Kanal 20 motorseitig orien- tiert. Diese Spalte 19,24,25 sind mit Wasser gefüllì und erlauben die Aufnah- me der radialen und axialen Kräfte, die bei der Werkzeughearheitung einer- seits auf den Flansch übertragen werden und nehmen andererseits die axialen Kräfte auf, die iiber die Spindelwelle übertragen werden. Aufgrund der hohen wirkenden Kräfte, die während des Schleif oder Fräsvorganges entstehen, sind hohe Ftächensteifigkeiten des Lagers gefordert, die über das Druckmedium Wasser erreicht werden. Wasser zeichnet sich durch einen geeigneten E-Mo- dul von ca. 2.1 10*s N/cm-'und eine geeignete kinematische Viskosität von 1.0 mm2/s hei 20°C aus. Dem Fachmann stehen hei Kenntnis der vorliegenden Erfindung natürlich auch weitere Druckmedien zur Verwendung frei, welche ähnliche Eigenschaftswerte in hezug auf E-Modul und Viskosität aufweisen wie Wasser, als Beispiel sei hier Glyzerin erwähnt.

Das Lager 2 ist im Ruhezustand über Wasserdruck vorgespannt. Der Kontakt zwischen Welle 3 und dem festen Werkstoff des Lagers 2 ist nur über Wasser gegeben und wird als herührungslos und damit als reihungsfrei hezeichnet.

Mit konstantem Pumpendruck und durch die feste Vordrossel eingestellte tur- bulente Strijmung gelangt das Wasser in den Hauptspalt 19,24,25 mit der beispielhaften Höhe H (H=100*h) und stömt über einen weitgehend senk-

recht zu diesem stehenden Spalt h seitlich, wie in der Fig. 2 zu erkennen ist, wieder über einen Rücklauflkanal aus. Die Fliessgeschwindigkeit und die Was- sermenge bleiben auch dann erhatten, wenn das Lager unter Last arbeitet.

Dem Fachmann steht es bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung frei, andere Dimensionen und Verhältnisse von Spalthöhe und Taschenbreite zu wählen.

Während des Betriebes wirken die äusseren axialen und radialen Kräfte auf das Lager 2. Die Betrachtung des Bereiches radialer Krafteinwirkung zeigt beispielhaft in Fig. 2a wie das Lager unter Krafteinwirkung arbeitet.

Die Welle 3 drückt mit der äusseren Kraft F, entiang der Achse BB'auf den kleinen Spalt h. Unter der Krafteinwirkung verringert der Spalt h seinen Abstand zur Welle 3 um delta h. Diese Verringerung der Spalthöhe reduziert die Abflussmenge des Wassers und erhöht den Taschendruck im grösseren Spaltbereich H. Diese Druckerhiihung wirkt der äusseren Kraft F, entgegen, die die Spaltverringerung verursacht. Der Spalt vergrössert sich somit wieder automatisch und der Taschendruck im Lager lässt nach. Die beschriebene Druckkompensation arbeitet reibungsfrei und hewirkt aus diesem Grund kaum eine Wärmebiidung. Durch die Zirkulation des nachfliessendes Wasser mit turhulenter Strömung wird die Temperaturerh9hung des Lagers vermie- den.

In Fig. 3 ist eine beispielhafte Anordnung des Lagers 2 um die Arbeitsspindel 3 herum zu entnehmen. Fig. 3 hasiert auf der vorherigen Beschreibung und verweist auf diese. Das Lager 2 liegt ringförmig um die Arheitswelle 3. Ge- mäss dem Schnitt BB'erfolgt eine Kompensation einer radialen Kraftbeauf- schlagung F, über mehrere erste Lagerhereiche, die weitgehend radial zur Achse AA'der Welle 3 liegen. Gemäss dem Schnitt AA'erfolgt eine Kom-

pensation einer axialen Kraftbeaufschlagung F, über mehrere weitere Lager- bereiche, die weitgehend axial zur Achse AA'der Welle 3 liegen.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm auf dem die Kraftverhältnisse von zwei beispielhaf- ten sich gegenüberliegenden Bereichen des Lagers 2 zu erkennen sind. Fig. 4 basiert auf der vorherigen Beschreibung und venveist auf diese. Die Spalt- breite h der Lagerbereiche verändern sich in Abhängigkeit von der einwirken- den äusseren Kraft F. Die Kraftachse zeigt nach ohen und mit F bezeichnet.

Die Achse der Spalthöhe ist nach rechts gezeichnet und mit h henannt. Steigt in einem beispielsweise ersten Lagerhereich die äussere Kraft F, an, so fällt in gleichem Masse die Kraft F, in einem gegenüberliegenden, beispielsweise in einem zweiten Lagerbereich ab. In dem Schnittpunkt der beiden Graphen ist die Mittellage des Spaltes h., abzulesen, der sich während der Phase der Vor- spannung F, in beiden Bereichen des Lagers 2 einstellt. Eine Betriebskraft FB stellt sich im Betrieb der rotierenden Welle 3, ein und ist die Summe der äusserer Kraft und der Taschenkraft, die sich im Lager 2 aufbaut. Bei dieser Betriebskraft weicht die neue Spaltenhöhe um ein delta h von der Mittellage des Spaltes h ah. In gleichem Masse wie der Spalt h, des ersten Lagerberei- ches kleiner wird, wird der gegengleiche Spalt h, des zweiten Lagerbereichs grosser.

Die Werkzeugmaschine und ihre Elemente sind beispielsweise aus bekannten und bewährten Materialien wie Metall (Cr-Ni-Stahl, usw.) hergestellt. Dem Fachmann stehen bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung natürlich auch andere Realisierungen einer Werkzeugmaschine und ihrer Elemente mit an- deren Materialien offen.