Funktionsprinzip des Spindelwerkzeugs – Lösen und Spannen in CNC-Bearbeitungszentren
Zusammenfassung: Dieser Artikel erläutert detailliert die Grundstruktur und das Funktionsprinzip des Spindelmechanismus zum Lösen und Spannen von Werkzeugen in CNC-Bearbeitungszentren, einschließlich der Zusammensetzung der verschiedenen Komponenten, des Arbeitsprozesses und der wichtigsten Parameter. Ziel ist es, den internen Mechanismus dieser wichtigen Funktion gründlich zu analysieren, dem zuständigen technischen Personal theoretische Referenzen zu bieten, ihnen zu helfen, das Spindelsystem von CNC-Bearbeitungszentren besser zu verstehen und zu warten und die hohe Effizienz und Präzision des Bearbeitungsprozesses sicherzustellen.
I. Einleitung
Das Lösen und Spannen der Spindel in Bearbeitungszentren ist eine wichtige Grundlage für die automatisierte Bearbeitung von CNC-Bearbeitungszentren. Obwohl es gewisse Unterschiede in Aufbau und Funktionsprinzip zwischen verschiedenen Modellen gibt, ist das Grundgerüst ähnlich. Eine eingehende Erforschung des Funktionsprinzips ist von großer Bedeutung, um die Leistung von Bearbeitungszentren zu verbessern, die Bearbeitungsqualität sicherzustellen und die Anlagenwartung zu optimieren.
II. Grundstruktur
Der Spindel-Werkzeuglöse- und -spannmechanismus in CNC-Bearbeitungszentren besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:
- Anzugsbolzen: Er befindet sich am Ende des konischen Schafts des Werkzeugs und ist ein wichtiges Verbindungselement für die Zugstange zum Festziehen des Werkzeugs. Er arbeitet mit den Stahlkugeln am Kopf der Zugstange zusammen, um die Positionierung und Klemmung des Werkzeugs zu erreichen.
- Zugstange: Durch die Interaktion mit dem Anzugsbolzen über Stahlkugeln überträgt sie Zug- und Schubkräfte, um die Spann- und Lösevorgänge des Werkzeugs zu realisieren. Ihre Bewegung wird durch Kolben und Federn gesteuert.
- Riemenscheibe: Dient üblicherweise als Zwischenkomponente für die Kraftübertragung. Im Werkzeuglöse- und Spannmechanismus der Spindel kann sie an den Übertragungsgliedern beteiligt sein, die die Bewegung zugehöriger Komponenten antreiben. Beispielsweise kann sie mit dem Hydrauliksystem oder anderen Antriebsvorrichtungen verbunden sein, um die Bewegung von Komponenten wie dem Kolben anzutreiben.
- Tellerfeder: Sie besteht aus mehreren Federblattpaaren und ist eine Schlüsselkomponente zur Erzeugung der Spannkraft des Werkzeugs. Ihre starke Federkraft sorgt dafür, dass das Werkzeug während des Bearbeitungsprozesses stabil in der konischen Bohrung der Spindel fixiert bleibt und so die Bearbeitungsgenauigkeit gewährleistet wird.
- Kontermutter: Dient zum Fixieren von Komponenten wie der Tellerfeder, um ein Lösen während des Arbeitsvorgangs zu verhindern und die Stabilität und Zuverlässigkeit des gesamten Werkzeuglöse- und Spannmechanismus zu gewährleisten.
- Einstellscheibe: Durch das Schleifen der Einstellscheibe lässt sich der Kontaktzustand zwischen Zugstange und Anzugsbolzen am Ende des Kolbenhubs präzise steuern, wodurch ein reibungsloses Lösen und Festziehen des Werkzeugs gewährleistet wird. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Präzisionseinstellung des gesamten Werkzeuglöse- und Spannmechanismus.
- Schraubenfeder: Sie spielt eine Rolle beim Lösen des Werkzeugs und unterstützt die Bewegung des Kolbens. Wenn sich beispielsweise der Kolben nach unten bewegt, um die Zugstange zum Lösen des Werkzeugs zu drücken, sorgt die Schraubenfeder für eine gewisse elastische Kraft, um die Laufruhe und Zuverlässigkeit der Aktion zu gewährleisten.
- Kolben: Er ist die kraftausführende Komponente im Werkzeuglöse- und -spannmechanismus. Angetrieben durch Hydraulikdruck bewegt er sich auf und ab und treibt dann die Zugstange an, um die Spann- und Lösevorgänge des Werkzeugs zu realisieren. Die präzise Steuerung von Hub und Schub ist entscheidend für den gesamten Werkzeuglöse- und -spannvorgang.
- Endschalter 9 und 10: Sie werden jeweils zum Senden von Signalen zum Spannen und Lösen des Werkzeugs verwendet. Diese Signale werden an das CNC-System zurückgemeldet, sodass das System den Bearbeitungsprozess präzise steuern, den koordinierten Ablauf jedes Prozesses sicherstellen und Bearbeitungsunfälle aufgrund einer Fehleinschätzung des Werkzeugspannzustands vermeiden kann.
- Riemenscheibe: Ähnlich wie die unter Punkt 3 oben erwähnte Riemenscheibe ist sie Teil des Übertragungssystems, um eine stabile Kraftübertragung zu gewährleisten und allen Komponenten des Werkzeuglöse- und -spannmechanismus die Zusammenarbeit gemäß dem vorgegebenen Programm zu ermöglichen.
- Endabdeckung: Sie schützt und versiegelt die innere Struktur der Spindel und verhindert, dass Verunreinigungen wie Staub und Späne in das Innere der Spindel gelangen und den normalen Betrieb des Werkzeuglöse- und Spannmechanismus beeinträchtigen. Gleichzeitig bietet sie eine relativ stabile Arbeitsumgebung für die internen Komponenten.
- Einstellschraube: Mit ihr können Feineinstellungen an den Positionen oder Abständen einiger Komponenten vorgenommen werden, um die Leistung des Werkzeuglöse- und -klemmmechanismus weiter zu optimieren und sicherzustellen, dass dieser bei längerem Gebrauch einen hochpräzisen Arbeitszustand beibehält.
III. Funktionsprinzip
(I) Werkzeugspannvorgang
Im normalen Bearbeitungszustand des Bearbeitungszentrums liegt am oberen Ende des Kolbens 8 kein Hydrauliköldruck an. Die Schraubenfeder 7 ist dann natürlich gespannt und bewegt mit ihrer Federkraft den Kolben 8 nach oben in eine bestimmte Position. Dabei spielt auch die Tellerfeder 4 eine Rolle. Aufgrund ihrer Elastizität drückt die Tellerfeder 4 die Zugstange 2 nach oben, sodass die vier Stahlkugeln am Kopf der Zugstange 2 in die Ringnut am Ende des Anzugsbolzens 1 des Werkzeugschafts gelangen. Durch die Einbettung der Stahlkugeln wird die Spannkraft der Tellerfeder 4 über die Zugstange 2 und die Stahlkugeln auf den Anzugsbolzen 1 übertragen, wodurch der Werkzeugschaft fest gehalten und eine präzise Positionierung und feste Einspannung des Werkzeugs in der konischen Bohrung der Spindel erreicht wird. Diese Klemmmethode nutzt die starke elastische potentielle Energie der Tellerfeder und kann eine ausreichende Spannkraft bereitstellen, um sicherzustellen, dass sich das Werkzeug bei der Einwirkung von Hochgeschwindigkeitsrotation und Schnittkräften nicht löst, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit und -stabilität gewährleistet wird.
(II) Werkzeuglösevorgang
Wenn das Werkzeug gewechselt werden muss, wird das Hydrauliksystem aktiviert. Hydrauliköl gelangt in das untere Ende des Kolbens 8 und erzeugt einen Aufwärtsschub. Unter der Wirkung des hydraulischen Schubs überwindet der Kolben 8 die elastische Kraft der Schraubenfeder 7 und beginnt sich nach unten zu bewegen. Die Abwärtsbewegung des Kolbens 8 drückt die Zugstange 2 synchron nach unten. Während sich die Zugstange 2 nach unten bewegt, lösen sich die Stahlkugeln aus der Ringnut am Ende des Anzugsbolzens 1 des Werkzeugschafts und gelangen in die Ringnut im oberen Teil der hinteren konischen Bohrung der Spindel. Zu diesem Zeitpunkt üben die Stahlkugeln keine Rückhaltewirkung mehr auf den Anzugsbolzen 1 aus und das Werkzeug wird gelöst. Wenn der Manipulator den Werkzeugschaft aus der Spindel zieht, strömt Druckluft durch die zentralen Bohrungen des Kolbens und der Zugstange, um Verunreinigungen wie Späne und Staub in der konischen Bohrung der Spindel zu entfernen und die Installation des nächsten Werkzeugs vorzubereiten.
(III) Die Rolle von Endschaltern
Die Endschalter 9 und 10 spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalrückmeldung während des Werkzeuglöse- und -spannvorgangs. Sobald das Werkzeug eingespannt ist, löst die Positionsänderung relevanter Komponenten den Endschalter 9 aus, der sofort ein Werkzeugspannsignal an das CNC-System sendet. Nach Empfang dieses Signals bestätigt das CNC-System die stabile Werkzeugspannung und kann anschließend mit den nachfolgenden Bearbeitungsvorgängen wie Spindelrotation und Werkzeugvorschub beginnen. Sobald der Werkzeuglösevorgang abgeschlossen ist, wird der Endschalter 10 ausgelöst und sendet ein Werkzeuglösesignal an das CNC-System. Zu diesem Zeitpunkt kann das CNC-System den Manipulator für den Werkzeugwechsel steuern und so die Automatisierung und Präzision des gesamten Werkzeugwechselprozesses gewährleisten.
(IV) Schlüsselparameter und Designpunkte
- Spannkraft: Das CNC-Bearbeitungszentrum verwendet insgesamt 34 Paar (68 Stück) Tellerfedern, die eine starke Spannkraft erzeugen. Unter normalen Umständen beträgt die Spannkraft zum Festziehen des Werkzeugs 10 kN und kann maximal 13 kN erreichen. Diese Spannkraftauslegung ist ausreichend, um die verschiedenen Schnitt- und Fliehkräfte zu bewältigen, die während des Bearbeitungsprozesses auf das Werkzeug wirken. Sie gewährleistet die stabile Fixierung des Werkzeugs in der konischen Bohrung der Spindel, verhindert ein Verschieben oder Herunterfallen des Werkzeugs während des Bearbeitungsprozesses und garantiert so Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität.
- Kolbenhub: Beim Werkzeugwechsel beträgt der Hub von Kolben 8 12 mm. Während dieses 12-mm-Hubs ist die Bewegung des Kolbens in zwei Phasen unterteilt. Nachdem sich der Kolben zunächst etwa 4 mm vorgeschoben hat, beginnt er, die Zugstange 2 zu bewegen, bis die Stahlkugeln in die 37 mm große Ringnut im oberen Teil der konischen Bohrung der Spindel eintreten. Jetzt beginnt sich das Werkzeug zu lösen. Anschließend senkt sich die Zugstange weiter ab, bis ihre Oberfläche „a“ die Oberseite des Zugbolzens berührt und das Werkzeug vollständig aus der konischen Bohrung der Spindel drückt, sodass der Manipulator das Werkzeug problemlos entfernen kann. Durch die präzise Steuerung des Kolbenhubs können die Löse- und Klemmvorgänge des Werkzeugs präzise ausgeführt werden. Probleme wie ein zu kleiner oder zu großer Hub, der zu einer lockeren Klemmung oder einem Unvermögen, das Werkzeug zu lösen, führen kann, werden vermieden.
- Kontaktspannung und Materialanforderungen: Da die vier Stahlkugeln, die konische Oberfläche des Anzugsbolzens, die Oberfläche der Spindelbohrung und die Bohrungen, in denen sich die Stahlkugeln befinden, während des Arbeitsprozesses erheblicher Kontaktspannung ausgesetzt sind, werden an die Materialien und die Oberflächenhärte dieser Teile hohe Anforderungen gestellt. Um eine gleichmäßige Krafteinwirkung auf die Stahlkugeln zu gewährleisten, muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die Bohrungen, in denen sich die vier Stahlkugeln befinden, in einer Ebene liegen. Normalerweise werden für diese Schlüsselteile hochfeste, hochharte und verschleißfeste Materialien verwendet und präzisen Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsprozessen unterzogen, um ihre Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit zu verbessern. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kontaktflächen der verschiedenen Komponenten auch bei längerem und häufigem Gebrauch in gutem Zustand bleiben, was Verschleiß und Verformungen reduziert und die Lebensdauer des Werkzeuglöse- und -spannmechanismus verlängert.
IV. Fazit
Die Grundstruktur und das Funktionsprinzip des Werkzeuglöse- und -spannmechanismus der Spindel in CNC-Bearbeitungszentren bilden ein komplexes und anspruchsvolles System. Alle Komponenten arbeiten eng zusammen und sind aufeinander abgestimmt. Präzises mechanisches Design und ausgeklügelte mechanische Strukturen ermöglichen ein schnelles und präzises Spannen und Lösen der Werkzeuge und gewährleisten so eine effiziente und automatisierte Bearbeitung in CNC-Bearbeitungszentren. Ein umfassendes Verständnis des Funktionsprinzips und der wichtigsten technischen Aspekte ist für die Konstruktion, Fertigung, Nutzung und Wartung von CNC-Bearbeitungszentren von entscheidender Bedeutung. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der CNC-Bearbeitungstechnologie wird auch der Werkzeuglöse- und -spannmechanismus der Spindel kontinuierlich optimiert und verbessert, um den wachsenden Anforderungen der High-End-Fertigungsindustrie durch höhere Präzision, höhere Geschwindigkeit und zuverlässigere Leistung gerecht zu werden.