DE69928895T2

DE69928895T2 - Hochgeschwindigkeitsbohrspindel mit einer hin- und hergehenden keramischen Welle und einem doppeltgreifenden Zentrifugalspannfutter

Info

Publication number: DE69928895T2
Application number: DE69928895T
Authority: DE
Inventors: Wojciech B. Kosmowski
Original assignee: Westwind Air Bearings Ltd
Current assignee: Novanta Technologies UK Ltd
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2019-09-11
Also published as: EP1475184A2; DE69928895D1; EP0997226A2; EP1475184A3; US6227777B1; EP0997226B1; EP0997226A3; US5997223A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Hochgeschwindigkeits-Bohrsysteme zum Präzisionsbohren von Werkstücken, wie beispielsweise gedruckte Leiterplatten und dergleichen, und insbesondere Systeme zum Bohren von Löchern mit sehr kleinen Durchmessern in derartigen Werkstücken bei hohen Geschwindigkeiten.
Hintergrund der Erfindung
Gedruckte Leiterplatten sind typischerweise mit vielen oberflächenmontierten Schaltungsvorrichtungen bestückt. In den Platten sind viele kleine Löcher zur Verbindung der Schichten der Leiterplatte miteinander ausgebildet. Gedruckte Leiterplatten sind ebenfalls mit anderen Typen von Vorrichtungen bestückt, die ebenfalls in den Platten ausgebildete Löcher benötigen.
Typischerweise werden Bohrmaschinen verwendet, um die Löcher in den gedruckten Leiterplatten zu bohren. Ein beispielhafter Typ eines solchen Systems ist im US-Patent 4,761,876 beschrieben.
Die Zahl der Löcher in gedruckten Leiterplatten hat dramatisch zugenommen, was dazu führt, dass die Kosten für das Bohren der Löcher einen signifikanten Teil der gesamten Produktionskosten ausmachen. Darüber hinaus werden die Löcher kleiner. Kleine Bohrer sind teurer und sie können nicht mit der gleichen Geschwindigkeit zugeführt werden wie größere Bohrer. Aufgrund dieser Tatsache verlängert sich die Bohrzeit und die Kosten steigen.
Um die Durchsatzleistung zu erhöhen, können höhere Bohrkronen-Drehgeschwindigkeiten angewendet werden. Es gibt jedoch eine Grenze für die Drehgeschwindigkeit der Spindel, was der Wirkung der hohen Zentrifugalkräfte zuzuschreiben ist, die bei sehr hohen Drehgeschwindigkeiten auf die Spindelrotoren einwirken. Die Spindel ist typischerweise als ein massiver Stahlstab hergestellt, bei dem der Rotordurchmesser aufgrund der Zentrifugalkräfte bei sehr hohen Drehgeschwindigkeiten zunimmt. Weil der Rotor typischerweise mit sehr kleinem Spalt zwischen dem Lageraufbau und dem Rotor auf Luftlagern gelagert ist, schließen sich durch die Zunahme des Rotordurchmessers diese Lagerspalte oder sie werden wesentlich enger, was zum Festfressen des Rotors in den Lagern führt.
Bohrspindeln verwenden zum Halten des Bohrwerkzeugs bei dessen Drehung typischerweise ein Spannfutter, beispielsweise ein Zentrifugal-Spannfutter. Zentrifugal-Spannfutter sind vorteilhaft, da das Werkzeug gewechselt werden kann, ohne dass mechanisch ein Freigabemechanismus betätigt werden muß, da keine zentrifugale Greifkraft vorhanden ist, wenn das Spannfutter nicht gedreht wird. Kleine Bohranwendungen können sehr kleine Bohrkronen-Unrundheitstoleranzen aufweisen, die mit Zentrifugal-Spannfuttern in einer einzigen Greifkonfiguration nur schwer zu erreichen sein können.
WO 98/43764, die gemäß Regel 54(3) EPÜ entgegengehalten werden kann, offenbart eine Spindel für Werkzeugmaschinen. Die Spindel ist aus Siliciumnitrid-Keramik. WO 98/43764 offenbart aber nicht die Verwendung eines bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotors in einer Hochgeschwindigkeitsbohrspindel.
US 4,761,876 offenbart ein Hochgeschwindigkeitsbohrsystem zum Bohren von sehr kleinen Löchern in Werkstücken, beispielsweise in gedruckten Leiterplatten, bei hohen Geschwindigkeiten. Die Rotoren der in US 4,761,876 offenbarten Spindeln sind eine Stahlkonstruktion und sind somit nicht aus einem Material hergestellt, das bei hohen Geschwindigkeiten eine signifikant geringere Durchmessergrößenzunahme als Stahl hat.
Es wäre daher ein Vorteil auf diesem Gebiet der Technik, eine Spindel anzugeben, die zu extrem hohen Bohrgeschwindigkeiten befähigt ist.
Es wäre ferner ein Vorteil, ein Zentrifugal-Spannfutter anzugeben, das zum Halten von Werkzeugen mit signifikant verringerter Unrundheit befähigt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Hochgeschwindigkeitsbohrspindel, wie in Anspruch 1 definiert, angegeben.
In einer Weiterentwicklung ist zur Verringerung der Größe der Druckfläche für eine bessere dynamische Stabilität und zur Verringerung von Materialspannungen eine Kombination von Luftlager und Magnet-Axialdrucklager eingesetzt.
In einer anderen Weiterentwicklung enthält die Bohrspindel eine Keramikspindelwelle zur Verringerung der Bewegungsmasse und zur Steigerung der Steifigkeit der Welle für eine verbesserte dynamische Stabilität. Für eine direkte Bohrbewegung kann in der Spindel ein eingebauter Linearmotor verwendet werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfaßt die Hochgeschwindigkeitsbohrspindel einen Spindelkörper, eine drehbare Rotorwelle, die im Spindelkörper zur Hochgeschwindigkeitsdrehung um eine Rotorachse gelagert ist. Die Rotorwelle ist aus einem Material hergestellt, das befähigt ist, den während der hohen Drehgeschwindigkeiten einwirkenden Zentrifugalkräften ohne eine signifikante Zunahme des Durchmessers der Rotorwelle standzuhalten. Ein Drehluftlager lagert die Rotorwelle zur Hochgeschwindigkeitsdrehung mit niedrigem Friktionswiderstand im Spindelkörper. Ein Drehantriebssystem beaufschlagt die Rotorwelle mit Drehantriebskräften, um die Welle auf dem Drehlager mit hohen Geschwindigkeiten zu drehen. Ein lineares Antriebssystem beaufschlagt die Rotorwelle zur Ausführung der Bohrbewegungen mit einer axial gerichteten Antriebskraft. Ein Axialdrucklager koppelt das lineare Antriebssystem an die Rotorwelle und es umfaßt ein Luftlager und ein Magnet-Axialdrucklager.
Das Drehantriebssystem enthält einen bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit einem Permanentmagneten, angeordnet in einer in der Rotorwelle ausgebildeten Öffnung.
Die Spindel kann ein in der Rotorwelle montiertes Zentrifugal-Spannfutter enthalten, das zur Durchführung von Werkzeugoperationen ein Werkzeug mit einem eingesetzten Werkzeugschaft während der Hochgeschwindigkeitsdrehung hält. Das Spannfutter kann zum Halten des Werkzeugschaftes an zwei getrennten Punkten entlang des Schaftes angepaßt sein, um zwischen dem Schaft und der Drehachse eine Parallele zu gewährleisten. Das Spannfutter kann eine Einkörper-Biegung aufweisen, die zwei Greifsegmente hat, das erste Greifsegment an einem vorderen Ende des Spannfutters und das zweite Greifsegment am hinteren Ende des Spannfutters. Jedes Greifsegment kann mehrere Gewichte enthalten, die um die Achse des Spannfutters herum verteilt und durch die Biegungen verbunden sind und so eine Einkörper-Konstruktion bilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Vorrichtung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, illustriert in den beigefügten Zeichnungen, anschaulicher, in denen zeigt:
1A eine Seitenansicht einer Bohrspindel im Querschnitt, die die vorliegende Erfindung darstellt,
1B eine Teilquerschnittsansicht der Bohrspindel von 1A, die in Bezug auf 1A gedreht ist und Elemente des Linearmotors im einzelnen zeigt,
2 eine schematische Darstellung, die die allgemeinen Magnetelemente des Motors zeigt, der den Drehantrieb für die Bohrspindel von 1 liefert,
3 ein Funktionsblockdiagramm der Spindel und der Elemente des Hilfssystems für den Betrieb der Spindel,
4 eine Isomeransicht eines die Spindel von 1 enthaltenden Zentrifugal-Spannfutters, die das vordere Ende des Spannfutters zeigt,
5 eine teilweise ausgeschnittene Isomeransicht des Zentrifugal-Spannfutters von 4,
6 eine Isomeransicht des Zentrifugal-Spannfutters, das das innere Ende des Spannfutters zeigt,
7 eine teilweise ausgeschnittene Isomeransicht des vorderen Endes des Zentrifugal-Spannfutters.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die Spindel
1 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Bohrspindel 50 im Querschnitt, die die vorliegende Erfindung darstellt. Die Spindel umfaßt ein Spindelgehäuse 52, das in einer beispielhaften Ausführungsform im Drehsinn stationär ist. Die Spindel 50 ist typischerweise auf einem Deckenbalken oder einem Krangerüst in der Art und Weise montiert, wie in US 4,761,876 dargestellt ist. Auf einem Arbeitstisch unterhalb des Krangerüsts befindet sich ein Werkstück, das von einem X-Y-Positioniersystem relativ zur Spindel bewegt wird. In dieser Ausführungsform ist die Spindel in X-Y-Richtung festgelegt, obwohl sie in anderen Anwendungen sowohl in X-Y- als auch in Z-Richtung bewegt werden kann, um zur Positionierung der Spindel und des Werkstücks und für andere Funktionen, wie dem Werkzeugwechsel, die relative Bewegung auszuführen.
Im Spindelkörper 52 ist eine hin- und hergehende Spindelwelle 60 montiert, die mit einem Drehantriebssystem drehbar und mit einem linearen Antriebssystem bewegbar ist, um die Welle entlang der Spindelachse 54 vor- und zurückzubewegen. In 1 ist die Welle in der vorgeschobenen (unteren) Position gezeigt. Statt aus Stahl, ist die Welle aus einem Material gefertigt, das sehr steif ist und sich durch eine signifikant geringere Größenzunahme des Durchmessers bei hohen Geschwindigkeiten als eine Stahlwelle auszeichnet. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist die hin- und hergehende Welle 60 aus einem Keramikmaterial hergestellt, um eine Welle hoher Biegefestigkeit (eines hohen Young-Moduls) mit einem relativ geringen Gewicht und einer niedrigen Größenzunahme des Durchmessers bei hohen Geschwindigkeiten zu erhalten. Ein beispielhaftes Keramikmaterial ist das Produkt UL 600 der Coors Ceramic Comany, 600 Ninth Street, Golden, Colorado 80401, von dem angenommen wird, dass es zu 96 % aus Aluminium besteht und einen Young-Modul-Wert von 44 Millionen aufweist und das zur Erzeugung eines gesinterten Aluminiumoxyd-Keramikrohrs hergestellt wird. Im Gegensatz dazu hat Werkzeugstahl einen typischen Young-Modul-Wert von 30 Millionen, und somit weist das Keramikrohr eine weit höhere Biegefestigkeit auf. Für diesen Zweck geeignete Keramikrohre können von Fachleuten auf dem Gebiet der Industriekeramik hergestellt werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Welle ein Hohlrohr mit einem Außendurchmesser von 17,8 mm (0,7 Inch), einem Innendurchmesser von 12,7 mm (0,5 Inch) und einer Länge von 15,2 mm (6 Inch).
Dieses Rohr hat ein typisches Gewicht von 136 g (0,3 Pound), im Gegensatz dazu kann eine Stahlwelle ein Gewicht von 340 g (0,75 Pound) oder mehr haben. Die Welle wird entlang der Wellenachse in der Spindel in einem Bereich von 10,2 mm (0,4 Inch) hin- und herbewegt. Eine herkömmliche Spindel mit einer nicht hin- und hergehenden Welle, bei der die gesamte Spindel nach oben und unten bewegt werden muß, kann 5,4 bis 9 kg wiegen (12 bis 20 Pound).
Die Welle wird in zwei radialen Luftlagern 70, 72 gehalten. Das erste Luftlager 70 befindet sich am vorderen (dem distalen) Ende 62 der Welle. Das zweite Luftlager 72 befindet sich am hinteren (dem inneren) Ende 64 der Welle. Das Luftlager 70 wird von einer Luftzufuhr, die mit einer Öffnung 74 verbunden ist, über einen Durchgang 70A und Queröffnungen, nämlich den Öffnungen 70B, 70C, die im Körper ausgebildet sind und sich radial um die Wellenöffnung erstrecken, mit Druckluft versorgt. Das Luftlager 72 wird von einer Luftzufuhr, die mit der Öffnung 122 verbunden ist, über einen Durchgang 72A und Queröffnungen, nämlich die Öffnungen 72B, 72C, die im Körper ausgebildet sind und die sich radial um die Wellenöffnung erstrecken, mit Druckluft versorgt. Die radialen Luftlager stützen die Welle 60 während der Drehung und sie ermöglichen ebenfalls, dass sie sich entlang der Drehachse 54 nach oben und unten bewegt.
Die Keramikwelle 60 ist hohl und ein Loch 62 erstreckt sich durch ihr Zentrum. In einer Stahlhülse 148 ist ein Zentrifugal-Spannfutter angeordnet, das in das vordere Ende der Welle im Loch 62 angebracht ist. Die Hülse hat die Aufgabe, lokale Belastungen zu verteilen und einen Bruch der Keramikwelle 69 zu verhindern. Die Hülse kann sehr einfach an der Verwendungsstelle im Loch 62 eingepreßt oder, bevorzugt, mit Epoxy an der Verwendungsstelle befestigt werden.
Die Welle ist für Drehungen, die 200.000 Umdrehungen pro Minute überschreiten können, gelagert. Die Welle wird durch ein Drehantriebssystem angetrieben, das einen bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotor 80 umfaßt.
Der Motor enthält einen Seltenerde-Permanentmagneten 82, der in der Mitte der Welle 60 im Loch 62 angeordnet und bevorzugt mit Epoxy an der Verwendungsstelle befestigt ist. Der Permanentmagnet-Gleichstrommotor 80 umfaßt ferner eine Statorschaltung 84, die in der Bohrung des Spindelgehäuses 52 zwischen den radialen Luftlagern 70, 72 montiert ist. Die Statorschaltung 84 enthält mehrere Statoranordnungen 84A, jede von ihnen ist um eine Statorwicklung 84B gewickelt. Der Magnet 82 weist einen axial ausgerichteten Nord- und Südpol auf. Ein Gleichstrommotortreiber liefert die Anregungssignale zu den Statorwicklungen 84B, die elektromagnetische Felder erzeugen, die auf den Magneten 82 einwirken und diesem, und somit der Welle, eine Drehkraft erteilen.
1 ist eine schematische Darstellung, die die allgemeinen Magnetelemente des Drehantriebsmotors 80 zeigt. In dieser schematischen Endansicht ist der Nordpol mit N und der Südpol mit S bezeichnet. Der Laminataufbau 84A des Stators und die Wicklungen 84B sind schematisch dargestellt. Wie dort gezeigt ist, befindet sich der Magnet 82 in der Öffnung im Hohlwellenrohr. Eine Metallhülse (nicht gezeigt) könnte in der Region, in der sich der Magnet befindet, zur Innenauskleidung des Wellenrohrs verwendet werden. Bei dieser beispielhaften Form des Motors handelt es sich um einen zweipoligen Dreiphasenmotor, obwohl alternativ dazu auch andere Typen elektrischer Motoren verwendet werden könnten.
Es wird angemerkt, dass bürstenlose Seltenerdemagnet-Gleichstrommotoren auf diesem Gebiet der Technik allgemein bekannt sind und dass die Techniken des Antriebs solcher Motoren ebenfalls bekannt sind. Die Anordnung des Magneten in einer hohlen Spindelwelle ist nicht bekannt. Bei hohen Drehgeschwindigkeiten besteht die Tendenz, dass infolge der hohen Zentrifugalkräfte, die während der Drehung auf den Magneten ausgeübt werden, der Durchmesser des Magneten zunimmt. Würde der Magnet auf dem Außenumfang der Welle angebracht werden, so könnte diese Durchmesserzunahme des Magneten dazu führen, dass der Magnet beschädigt oder der Rotor sich festklemmen würde. Die Keramikwelle 60 ist jedoch biegefest genug, um die Zentrifugalkraft ohne eine wesentliche Durchmesservergrößerung auszuhalten und den Magneten in der Wellenöffnung zu halten.
Es wird erneut auf 1A Bezug genomen, wo eine Stahldruckplatte 88 am hinteren Ende der Welle 60, z.B. mit Hilfe von Epoxy, angebracht ist. Die Platte 88 gibt einen Flansch 88A vor, der einen Durchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser der Welle 60 ist. Zweck dieses Flansches ist es, zu verhindern, dass die Welle 60 aus dem Spindelkörper herausgleitet. Der Flansch 88A berührt den Luftlageraufbau und gibt einen unteren Anschlag für die axiale Bewegung der Welle vor.
Die Spindel 50 umfaßt somit eine Wellenanordnung 90 mit mehreren Komponenten, wie der Keramikhohlwelle 60, dem Zentrifugal-Spannfutter 150 zum Halten der Bohrkrone, dem Permanentmagneten 82 für eine Drehung der Welle und der Druckplatte 88. Die Druckplatte 88 nimmt die Z-Achsen-Antriebsbewegung auf, die vom linearen Antriebssystem 110 durch ein Axialdrucklager 100 auf die Welle 60 aufgebracht wird. Das Axialdrucklager 100 enthält eine Axialdrucklagergleitstruktur 104.
Zur Reduzierung der für das Axialdrucklager benötigten Fläche bietet das Axialdrucklager 100 in dieser Ausführungsform eine Kombination aus magnetisch angezogenem und durch Luftdruck zurückgedrängtem Axialdrucklager. Diese Flächenreduzierung des Axialdrucklagers verringert den Belastungspegel im Flansch 88A des Axialdrucklagers. Die Druckplatte 88 wird zu einer Magnetplatte 102 hin angezogen, die am vorderen Ende der Axialdrucklagergleitstruktur 104 installiert ist, und wird gleichzeitig durch ein Luftdrucklager 106 zurückgedrängt, welches in die Magnetplatte 102 eingebaut ist. Der Luftdruck zwischen der Magnetplatte 102 und der Druckplatte 88 erzeugt einen Zwischenraum an der Grenzfläche 108 zwischen diesen beiden Komponenten und ermöglicht, dass die Welle 62 sich in Bezug auf die Axialdrucklagergleitstruktur 104 dreht, die sich selbst nicht dreht. Bei der Magnetplatte 102 handelt es sich um einen Permanentmagnetaufbau. Das Luftlager 106 erhält an der Öffnung 122 Druckluft.
Die Axialdrucklagergleitstruktur 104 wird von zwei radialen Luftlagern 104B, 104C gehalten, die dieselbe in Position halten und zum Antrieb der Spindelwelle 60 und der Bohrkrone ins Werkstück eine hin- und hergehende Bewegung nach oben und unten ermöglichen. Diese Bewegung wird durch den hinten an der Spindel angeordneten Linearmotor 110 erzeugt.
Das Antriebssystem 110 enthält einen Linearmotor, der einen Motorwicklungsaufbau 112 umfaßt, der eine schalenförmige Konfiguration aufweist, wobei die Spulenwicklungen 112A und 112B um den Umfang des schalenförmigen Aufbaus herumgewickelt sind, wie in den 1A und 1B gezeigt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Spulenaufbau 112 aus Aluminium und wird mit Luft gekühlt. Die Axialdrucklagergleitstruktur 104 ist mit Befestigungen 104A an den Spulenaufbau 112 angebracht und mit einer Antirotationseinrichtung versehen, die an der Linearmotorspule 112 befestigt ist und mit der Wand des Linearmotor-Adapters 114 zusammenwirkt. Die Antirotationseinrichtung ist ein Stift 115, der in einem im Linearmotorgehäuse ausgebildeten Schlitz 117 gleitet. Zur Führung des Stiftes im Schlitz ist ein Paar Teflon-Dübel an jeder Seite des Stifts im Schlitz angeordnet. Der Stift 115 erstreckt sich vom Spulenaufbau, der sich in einem im Adaptergehäuse ausgebildeten Schlitz hinauf- und hinunterbewegt.
Eine Linearmotor-Magnetanordnung 116 ist mit einer Klemmvorrichtung 118 im Linearmotor-Adapter 114 befestigt, die am oberen Ende des Spindelgehäuseaufbaus 52 befestigt ist. Die Linearmotor-Magnetanordnung 116 enthält einen Eisenzylinder 116A und im Zylinder 116A gelagerte Eisenkernelemente 116D, 116C, welche die Permanentmagnete 116D und 116E zwischen sich einschließen. Die Linearmotor-Magnetanordnung 116 ist ortsfest, während sich der Spulenaufbau 112 axial längs der Achse 54 in einem Raum zwischen dem Zylinder 116A und den eingeschlossenen Eisenkernelementen 115 und dem Magneten 116C als Reaktion auf die Antriebssignale des Linearmotors bewegt, die an die Spulenwicklungen angelegt werden. In dieser beispielhaften Ausführungsform liefert der Linearmotor an die Welle einen axialen Bewegungsbereich von 0,4 Inch, in anderen Anwendungen können aber andere Bewegungsbereiche erforderlich sein. Die Antriebssignale zur Anregung des Linearmotors werden über einen Satz Leitungen 119 zugeführt, die mit dem Antrieb des Linearmotors verbunden sind.
Über die Fittings an der Öffnung 122 wird allen Luftlagern Luft zugeführt. Um die Spindel auf einer gleichbleibenden Temperatur zu halten, wird über ein Eingangsfitting 124 ebenfalls Kühlwasser im Spindelkörper verteilt und durch das Ausgangsfitting 126 ausgegeben und wird in den Durchgangskanälen 128 im Spindelkörper rund um die Luftlagerenden zum bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotor 80 geführt.
3 ist ein Funktionsblockdiagramm der Spindel 50 und der Elemente des Hilfssystems für den Betrieb der Spindel. Bei diesen Elementen des Hilfssystems handelt es sich um eine Steuereinrichtung/ein Motorantriebssystem 30, das die Motorantriebssignale für den Drehantriebsmotor 80 und den linearen Antriebsmotor 110 erzeugt. Mit dem Spindelgehäuse ist zur Versorgung der Luftlager eine Druckluftzufuhr 32 verbunden. Für den Umlauf eines flüssigen Kühlmittels durch das Spindelgehäuse ist eine Rezirkulations-Kühlmittelzufuhr ebenfalls mit dem Spindelgehäuse verbunden.
Das Zentrifugal-Spannfutter
Das Zentrifugal-Spannfutter 150 ist in den 4 bis 7 im einzelnen gezeigt. Das Zentrifugal-Spannfutter 150 hält die Bohrkrone 10 während der Drehoperationen an Ort und Stelle und ist so gestaltet, das es gewährleistet, dass der Bohrschaft 12 an zwei Punkten 152, 154 gehalten wird, die entlang der Drehachse des Werkzeugschaftes voneinander getrennt sind.
Durch den Eingriff mit dem Schaft an zwei Punkten wird gewährleistet, dass der Schaft mit der Drehachse parallel ist.
Das Spannfutter 150 hat die Form einer Einkörper-Biegung, die zwei Greifsegmente 160 und 170 aufweist, das erste Greifsegment 160 am vorderen Ende des Spannfutters 50 und das zweite Greifsegment 170 am hinteren Ende desselben. Jedes Greifsegment enthält vier Gewichte, die durch Biegungen verbunden sind eine Einkörper-Konstruktion bilden. D.h., das erste Greifsegment 160 enthält die vier Gewichte 162A, 162B, 162C und 162D, die neben einem Greifende durch die Biegungen 164A, 164B, 164C und 164D verbunden sind. Das zweite Greifsegment 170 enthält die vier Gewichte 172A, 172B, 172C und 172D, die durch die Biegungen 174A, 174B, 174C und 174D verbunden sind. Die Verbindungsbiegungen sind vom Massenlängenzentrum der jeweiligen Gewichte gutes Stück entfernt angeordnet, was eine Drehbewegung der Gewichte als Reaktion auf die Zentrifugalkräfte erlaubt.
Die vorderen und hinteren Greifsegmente sind miteinander durch vier dünne Wandbiegungen 180A, 180B, 180C und 180D verbunden. Jedes Gewicht, wenn es der Spindeldrehung unterworfen wird, wird der Zentrifugalkraft ausgesetzt, die es nach außen bewegt. Es dreht sich dann um einen Drehpunkt, der durch einen Metallring vorgegeben ist, der von den Biegungen hervorragt, die die vier Gewichte jedes Greifelements verbinden, und ruht an der Innenhülse 148, die in die Bohrung i der Spindelwelle eingepaßt ist. Während dieser Bewegung schließt sich das Greifende des Gewichts am Schaft 12 der Bohrkrone 10 und bringt zur Erteilung des Drehmoments für die Bohrkrone und zur Überwindung des Widerstandes der Bohrkrone, wenn diese in das Material eintritt, Kraft auf den Bohrschaft auf. So hat beispielsweise das Gewicht 162A ein gewichtetes Ende 162A1 und ein Greifende 162A2. Das gewichtete Ende 162A1 bewegt sich in Reaktion auf die Zentrifugalkraft nach außen und dreht sich um den Ring 165 an den Biegungen 164A, 164B, um Hebelkraft aufzubringen und das Greifende 162A2 nach innen gegen den Schaft 12 zu bewegen. Die Ringoberfläche ragt, um ein paar Hundertstel Millimeter (ein paar Tausendstel Inch) ein wenig von der Außenfläche des Spannfutters hervor. In ähnlicher Weise hat auch das beispielhafte Gewicht 172C (6) ein gewichtetes Ende 17C1 und ein Greifende 17C2. Das gewichtete Ende 17C1, sich bei den Biegungen 174C, 174D um den Ring 175 drehend, bewegt sich nach außen in Reaktion auf die Zentrifugalkraft und bringt Hebelkraft auf, um das Greifende 17C2 nach innen gegen den Schaft 12 zu bewegen. Die anderen Gewichte arbeiten auf die gleiche Weise.
Das Spannfutter ist aus einem Block Werkzeugstahl hergestellt, der zur Erzeugung des Einkörperaufbaus maschinell bearbeitet wurde.
In eine Nut 194 des vorderen Segments des Spannfutters ist zum Reibungseingriff mit dem Schaft 12 ein Gummi-O-Ring 192 eingelegt, der die Bohrkrone im Zentrifugal-Spannfutter hält, wenn sie sich nicht dreht. Der vordere Ring 165 hat einen etwas größeren Außendurchmesser (z.B. 2,5 mm (0,1 Inch) als der Außendurchmesser des Rings 175 und ist in die Hülse 148 eingepreßt. Das hintere Segment des Spannfutters, am Ring 175, paßt gleitend in die Hülse 148, damit es bei Betätigung in der Bohrung schwimmt. Hinter dem Spannfutter 150 befindet sich eine Scheibe 200 mit einem Gewindeloch im Zentrum, welches ein Herausnehmen des Spannfutters ermöglicht, ohne dass Beschädigungen verursacht werden.
Das vordere Segment 160 des Spannfutters 150 wird in die Hülse in der Spindelwelle gepreßt und zur Gewährleistung von Mittenrichtigkeit zwischen Bohrschaft und Drehachse wird die Bohrung des Spannfutters an der Anordnung geschliffen. Das Vorderteil des Spannfutters wird mit einem Drahtring 196 (1) gesichert, der sich in einer Nut 198 befindet, wodurch verhindert wird, dass das Spannfutter aus der Spindelnase herausgedrückt wird.
Das Spannfutter kann aus der Rotorwelle dadurch entfernt werden, dass eine Gewindewelle in das Spannfutter eingeführt und in die Spannfutter-Entfernungsscheibe eingedreht wird und dass dann von außen auf die Welle Kraft aufgebracht wird. In dieser Stellung bringt die Scheibe auf das Spannfutter Kraft auf und zwingt sie so aus der Bohrung der Spindelwelle heraus.
Der Eingriff mit dem Bohrschaft verstärkt sich mit der Zunahme der Umdrehungen pro Minute und ist bei den höchsten Umdrehungen pro Minute am stärksten. Der Eingriff mit dem Bohrschaft ist äquivalent der Befähigung, mit einer Rauting-Fräsmaschine eines Durchmessers von 0,062 in einen Dreifach-Stapel von Platten, von denen jede 0,062 dick ist, zu fräsen.
Es ist anzumerken, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen die möglichen speziellen Ausführungsformen, die das Prinzip der vorliegenden Erfindung darstellen, nur veranschaulichen. In Übereinstimmung mit diesem Prinzip sind für die Fachleute auf diesem Gebiet der Technik auch andere Anordnungen leicht vorstellbar.

Claims

Hochgeschwindigkeitsbohrspindel (50) für ein Bohrsystem, die umfaßt: einen Spindelkörper (52), eine drehbare Rotorwelle (60), die im Spindelkörper zur Hochgeschwindigkeitsdrehung um eine Rotorachse gelagert ist, wobei die Rotorwelle aus einem Material hergestellt ist, das befähigt ist, den während der hohen Drehgeschwindigkeiten einwirkenden Zentrifugalkräften unter einer signifikant geringeren Zunahme des Durchmessers der Rotorwelle, als das der Fall wäre, wenn die Rotorwelle aus Stahl hergestellt wäre, standzuhalten, ein Drehlager (70, 72) zur Lagerung der Rotorwelle zur Hochgeschwindigkeitsdrehung mit niedrigem Friktionswiderstand im Spindelkörper und ein Drehantriebssystem (80) zur Aufbringung von Drehantriebskräften auf die Rotorwelle, um die Welle auf dem Drehlager mit hohen Geschwindigkeiten zu drehen, wobei das Drehantriebssystem (80) einen bürstenlosen Permanentmagnet-Gleichstrommotor enthält.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 1, wobei die drehbare Welle (60) für Drehungen bei Geschwindigkeiten gelagert ist, die 200.000 Umdrehungen pro Minute übersteigen.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rotorwelle aus einem Keramikmaterial hergestellt ist.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 1, die ferner durch ein lineares Antriebssystem (110) gekennzeichnet ist, welches zur Ausführung von Bohrbewegungen der Rotorwelle eine axial gerichtete Antriebskraft erteilt.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 4, die ferner durch ein Axiallager (100) gekennzeichnet ist, welches das lineare Antriebssystem an die Rotorwelle koppelt, wobei das Axiallager ein Luftlager und magnetisch angezogene Druckflächen (88, 102) umfaßt.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 5, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die magnetischen Druckflächen eine Druckplatte (88), die an einem inneren Ende der Welle angebracht ist, einen Magneten (102), der an die Druckplatte angrenzend angeordnet und an einer Axiallager-Gleitstruktur (104) befestigt ist, umfassen, wobei der Magnet und die Druckfläche voneinander magnetisch angezogen werden und das Luftlager die magnetische Anziehungskraft abwehrt, um zu verhindern, dass sich Magnet und Druckplatte berühren.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach den Ansprüchen 4 bis 6, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das lineare Antriebssystem aufweist: einen Linearantriebsmotor, der eine axial bewegliche Spulenstruktur (112) umfaßt, die Spulenwicklungen (112A, 112B) aufweist, die um die Spulenstruktur herum angeordnet sind, eine Linearmotor-Magnetanordnung (116), die Kernelemente aufweist, die aus einem magnetischen Material und aus Permanentmagneten gefertigt sind, wobei die Magnetanordnung in Bezug auf das Spindelgehäuse stationär ist und sich die Spulenstruktur axial in Reaktion auf die an die Spulenwicklungen angelegten Linearmotor-Antriebssignale bewegt.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 7, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spulenstruktur eine zylindrische schalenförmige Struktur mit einem offenen und einem geschlossenen Ende ist, wobei die Spulenwicklungen um den Umfang der schalenförmigen Struktur herum angeordnet sind.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 8, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Linearmotor-Magnetanordnung im offenen Ende der schalenförmigen Struktur gelagert ist.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, das es sich bei dem Material der Rotorwelle um Keramikmaterial handelt.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Welle eine Hohlwellenstruktur ist, in der eine Öffnung (62) ausgebildet ist.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 11, ferner gekennzeichnet durch ein Spannfutter (150) zum Halten eines Werkstücks, das in einem distalen Ende der Welle angeordnet ist.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 12, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Welle eine keramische Hohlwellenstruktur ist, und dass das Spannfutter in einem Hülsenelement (148) angeordnet ist, das in das distale Ende der Keramikwelle eingeführt ist, wobei das Hülsenelement aus einem Metallmaterial hergestellt ist, um die lokalen Belastungen abzumildern, die durch das Spannfutter auf die Keramikwelle ausgeübt werden.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 12 oder 13, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das Spannfutter (50) so ausgeführt ist, dass es einen Bohrschaft (12) während der Drehung an einem ersten und einem zweiten separaten Punkt entlang des Schaftes hält, um zwischen dem Schaft und der Drehachse eine Parallele zu gewährleisten, wobei das Spannfutter eine Einkörper-Biegung ist, die zwei Greifsegmente aufweist, das erste Greifsegment (160) an einem vorderen Ende des Spannfutters und das zweite Greifsegment (170) am hinteren Ende des Spannfutters, wobei jedes Greifsegment mehrere Gewichte (162A bis 162D, 172A bis 172D) enthält, die um die Achse des Spannfutters herum verteilt und durch Biegungen (164A bis 164D) verbunden sind und eine Einkörper-Konstruktion bilden.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bürstenlose Permanentmagnet-Gleichstrommotor umfaßt: eine Statoranordnung, die mehrere Statorwicklungen (84B) aufweist, wobei die Statoranordnung im Spindelkörper angeordnet ist, und einen Permanentmagneten (82), der in einer Öffnung (62) montiert ist, die in der Rotorwelle ausgebildet ist, wobei der Magnet, sich axial erstreckend, einen Nordpol und einen Südpol aufweist, auf die durch Magnetfelder eingewirkt wird, die infolge von Anregungssignalen aufgebaut werden, die zur Verleihung von Drehkräften auf die Rotorwelle an die Statorwicklungen angelegt werden.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 15, wobei die Rotorwelle ein Keramikrohr ist, in dem eine zentrale Öffnung ausgebildet ist, und der Permanentmagnet in der Öffnung angeordnet ist.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 14, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die mehreren Gewichte für das erste Greifsegment aus vier Gewichtssegmenten (162A bis 162D) bestehen, die an ein erstes Greifende des Spannfutters angrenzend durch einen ersten Satz entsprechender Biegungen (164A bis 164D) verbunden sind, und dass die mehreren Gewichte für das zweite Greifsegment vier Gewichtssegmente (172A bis 172D) aufweisen, die an ein zweites Greifende angrenzend durch einen zweiten Satz entsprechender Biegungen (174A bis 174D) verbunden sind.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 14 oder 17, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verbindungsbiegungen vom Längenzentrum der Masse der jeweiligen Gewichte ein gutes Stück entfernt angeordnet sind, was eine Drehbewegung der Gewichte als Reaktion auf die Zentrifugalkräfte erlaubt.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach einem der Ansprüche 14, 17 und 18, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass das vordere und das hintere Greifsegment miteinander durch mehrere dünne Wandbiegungen (180A bis 180D) verbunden sind.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach einem der Ansprüche 14 und 17 bis 19, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes Gewicht ein Greifende aufweist und dass jedes der zwei Greifsegmente einen Drehring (165, 175) aufweist, der von den die mehreren Gewichte verbindenden Biegungen hervorragt, und jedes der mehreren Gewichte wird den Zentrifugalkräften unterworfen, wenn es der Spindeldrehung ausgesetzt wird, die es nach außen bewegen, indem es sich um den Drehring dreht, und während dieser Bewegung wird das Greifende des Gewichts nach innen gedreht, schließt sich um einen Werkzeugschaft und beaufschlagt denselben mit Kraft.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 20, die ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass der Drehring eine Außenfläche aufweist, die ein wenig über die Außenfläche des Spannfutters hinausragt.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach Anspruch 20 oder 21, in der der Drehring des ersten Greifsegments einen etwas größeren Außendurchmesser als der entsprechende Außendurchmesser des Greifrings des zweiten Greifsegments aufweist.
Hochgeschwindigkeitsbohrspindel nach einem der Ansprüche 14 und 17 bis 22, die ferner ein Druckelement (192) aufweist, das in einer Nut angebracht ist, die für einen reibschlüssigen Eingriff mit dem Schaft und zum Halten des Werkzeugs im Zentrifugal-Spannfutter, wenn dieses sich nicht dreht, im Einkörper-Spannfutter ausgebildet ist.