DE3929472A1 - Druckgesteuerter schneidmeisselhalter mit feinverstellbarem schneidmeissel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen druckgesteuerten Schneidmeißel­ halter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung dient der Lösung der in der modernen Fertigungstechnik zunehmend häufiger auftretenden Forderung, insbesondere innere Zylindermantelflächen möglichst schnell und maßgenau herzustellen, deren Oberflächenkontur abhängig vom Weg des Schneidmeißels parallel zur Drehachse und in Abhängigkeit von seinem Drehwinkel gegenüber dem Werkstück um maximal 500 bis 1000 µ von einer exakt zylindrischen Mantelfläche mit einer Toleranz im 1 µ-Gebiet ± 50% abweicht. Solche unrunden Löcher, deren Oberfläche demnach polar und/oder axial von einer achsparallelen Geraden bzw. einem achskonzentrischen Kreis abweichen, können mit den bisher bekanntgewordenen Schneidmeißelhaltern der hier in Frage stehenden Art - auch als Bohrköpfe bezeichnet - nur mangelhaft hergestellt werden.

Unter der Voraussetzung, daß die Steuerdruckquelle den notwendigen Steuerdruck zur richtigen Zeit und in richtiger Höhe bereitstellt, müssen die mechanischen Stellmittel dieser Bohrköpfe folgende Eigenschaften gleichzeitig haben:

• 1) Der Schneidmeißel muß dem Steuerdruck hinreichend genau und ohne Hysterese folgen und
• 2) die Eigenfrequenz des Bohrkopfes muß deutlich über der Steuerdruckfrequenz liegen. Unterscheiden sich diese Frequenzen nur wenig, so kommt es zu Resonanzerscheinun­ gen, welche den Bohrkopf für einen Einsatz oberhalb dieses Frequenzbereiches unbrauchbar machen.

Die Bohrköpfe nach dem Stande der Technik erfüllen entweder die eine oder die andere Voraussetzung, nicht jedoch beide zu gleicher Zeit.

So überträgt bei dem Bohrkopf nach der US-PS 30 07 356 der Abtrieb seinen Ausschlag mittels aneinander reibender Teile auf den Schneidmeißel. Wegen dieser Reibung kann ein solcher Bohrkopf kleinen Druckänderungen, deren Wirkung die Reibkräfte nicht übersteigt, nicht folgen und auch bei größeren Kräften ist die Schneidmeißelstellung nicht reproduzierbar mit dem Steuerdruck verknüpft, was sich darin äußert, daß gleicher Steuerdruck, je nachdem, ob er fallend oder steigend ist, verschiedene Schneidmeißelstellungen hervorruft.

Die Bohrköpfe nach der Lehre der DE 20 34 601-A2 und der DE 22 58 553-A1 besitzen zwar keine Reibung, stellen daher maßgenaue Werkstücke her, doch ist ihre Eigenfrequenz niedrig, denn das auf den Schneidmeißel bezogene reduzierte Massenträgheitsmoment aller gegenüber der Basis bewegten und daher an einer Schwingung teilhabenden Teile ist groß.

Alle Bohrköpfe nach dem Stand der Technik haben außerdem den Nachteil, daß sie eine große Fluidkammer besitzen. Bei großer Fluidkammer muß wegen der Kompressibilität des Druckfluids zum Aufbau eines bestimmten Druckes in der Fluidkammer eine relativ große Fluidmenge über die widerstandsbehaftete Fluidzuführung in die Fluidkammer ein bzw. aus ihr abfließen.Es bedarf also einer gewissen Zeit, bis der Druck in der Fluidkammer gleich dem Steuerdruck ist. Bei schnellwechselndem Steuerdruck weicht daher der Kammerdruck hinsichtlich Druckamplitude und Phase vom Steuerdruck vor der Fluidzuführung ab und es kommt zu Stellungsfehlern des Schneidmeißels.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten eingangs genannten druckgesteuerten Schneidmeißelhalter zu verbessern und so weiterzubilden, daß die Lageänderungen des Schneidmeißels einer vorgegebenen Volumenänderung in der zugeordneten Fluidkammer und damit Kraftänderungen des Abtriebs proportional mit möglichst kleiner Verzögerung folgen können, so daß insbesondere innere unrunde Zylinder­ mantelflächen mit Abweichungen von der exakten Zylinderman­ telform von 500 bis 1000 µ mit einer Toleranz in 1 µ- Bereich ± 50% besser und genauer als bisher herstellbar sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung und Ausbildung des Schneidmeißelhalters wird, bezogen auf gleiche Abmessungen und Massen der den Schneidmeißel mit dem Druckmotorabtrieb verbindenden Bohrstange nach dem Stande der Technik und nach der Erfindung das auf den Schneidmeißel bezogene reduzierte Massenträgheitsmoment aller gegenüber der Basis bewegten und daher an einer Schwingung teilhabenden Teile kleiner als jenes der bekannten druckgesteuerten Bohrköpfe, bei denen Schneidmeißel und Druckmotorabtrieb bei ihrer Verstellung denselben Weg durchlaufen. Dies führt dazu, daß dank der Erfindung bei sonst gleicher Federsteife des Schneidmeißels in Richtung seines Zustellweges die Bohrkopf-Eigenfrequenz höher ist als die der bekannten druckgesteuerten Bohrköpfe. Der Schneidmeißel des erfindungsgemäßen Schneidmeißelhalters folgt also wesentlich schneller maßstabgenau den Druckände­ rungen des ihn in seiner Einstellage beeinflussenden Fluids. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die am Drehmeißel meßbare und auf dessen Weg bezogene Federsteife im wesentlichen nur durch die Eigensteife des Druckmotors bestimmt ist.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Maßnahme der konstruk­ tiven Gestaltung des Schneidmeißelhalters und seiner Antriebsmittel in der Weise, daß das gesamte Volumen des Druckmittels im Druckmotor nur wenig größer als das zur Bewegung des Druckmotorabtriebes notwendige Volumen nicht nur bei Schneidmeißelhaltern nach der Erfindung besonders vorteilhaft.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungsbei­ spiele beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines als umlaufender Bohrkopf dargestellten Schneidmeißel­ halters gemäß der Erfindung,

Fig. 2 im verkleinerten Maßstab einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 im verkleinerten Maßstab einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht durch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel eines als umlaufender Bohr­ kopf ausgebildeten Schneidmeißelhalters gemäß der Erfindung und

Fig. 5 eine teilweise im Schnitt dargestellte Draufsicht auf den Schneidmeißelhalter gemäß Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zwei Teile 10 und 11 einen hydraulischen Bohrkopf Bk1 bilden. Das Teil 10 ist ein flaches Drehteil von kreisförmi­ gem Querschnitt, das durch einen exzentrischen Einstich 12 im Bereich der Schnittlinie II-II in zwei Abschnitte unterteilt ist, nämlich in einen eine dünne Platte 13 und einen eine dicke Platte 14 bildenden Abschnitt, die durch einen runden exzentrisch liegenden Abschnitt 15 miteinander verbunden geblieben sind. Diese durch den Einstich im oberen Teil des Teiles 10 entstehende, relativ dünne Platte 13 besitzt etwa die Gestalt einer geschlossenen "Sichel" - vgl. Fig. 3 - und ist federnd gegenüber dem die untere Platte 14 bildenden Abschnitt und dient gleichzeitig als bewegliche Druckabdich­ tung für den noch zu beschreibenden Druckmotor DM₁, wobei der breite Teil der Sichel in bezug auf Fig. 2 rechts, der schmale Teil links liegt. Dort weist die Platte 13 ferner einen auf der der Platte abgewandten Seite einen zylinderman­ telförmigen Fortsatz 16 auf, der koaxial zur Symmetrieachse 17 - die gleichzeitig die Rotationsache des Bohrkopfes bildet - angeordnet und Teil des Druckmotors DM₁ ist. Das Teil 10 bildet also die starre Basis des noch zu erläuternden Druckmotors.

Das Teil 11 trägt die zentrisch angeordnete, einen Schneidmeißel 20 aufweisende Bohrstange 21 und weist an der der Bohrstange abgewandten Seite einen ebenfalls zentrisch angeordneten, kolbenförmigen Fortsatz 23 auf, der in den zylindermantelförmigen Fortsatz 16 eingreift. Das Teil 11 ist mittels Schrauben 25 und einer Abdichtung in Form einer Rundschnurdichtung 26 zwischen den einander zugewandten Zylindermantelflächen der Fortsätze 16 und 23 fest und dicht mit dem Teil 10 verbunden. Zwischen dem kolbenförmigen Fortsatz 23 und dem zylindermantelförmigem Fortsatz 16 bildet sich ein Fluidraum oder Fluidkammer 27. Die Höhe dieses Raumes, bestimmt durch die unterschiedlichen Höhen von Fortsatz 16 und 23, ist wegen der nachteiligen Wirkung der Flüssigkeitskompressibilität möglichst niedrig gewählt. Die Fortsätze 16 und 23 sind Teile des genannten Druckmotors DM₁, wobei die dünne, elastische Platte 13 des Teils 10 mit dem Teil 11, das den Abtrieb des Druckmotors bildet, über die Schrauben 25 starr verbunden ist.

Das Teil 10 besitzt ferner nahe dem Außenrand Löcher 28 und einen Zentrierflansch 29 zum Befestigen des Bohrkopfes an der hier nicht dargestellten Bohrmaschinenspindel. Weiterhin weist das Teil 10 eine zentrale Druckmittel- oder Fluidzufüh­ rung 30 auf, die in dem flachen scheibenförmigen Flüssig­ keitsraum 27 mündet.

Ein solcher Druckmotor besteht also aus einer Basis, die mit der Rotationsachse starr verbunden ist. Der Abtrieb bewegt sich bei Druckwechsel des Druckfluids gegenüber der Basis.

Basis und Abtrieb umschließen die Fluidkammer, welche eine mit Strömungswiderstand behaftete Fluidzuführung besitzt. Damit die Fluidkammer trotz Bewegung des Abtriebes dicht bleibt, ist eine bewegliche Abdichtung vorgesehen. Der Abtriebsweg ist der durch Druckwechsel hervorgerufene Weg des Abtriebsschwerpunktes gegenüber der Basis.

Die zur Erzeugung des notwendigen Steuerdruckes erforderliche Steuerdruckquelle ist, da nicht zur Erfindung gehörend und an sich bekannt, weder dargestellt noch beschrieben.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende:

Erhöht sich der Druck des von der hier nicht dargestellten Druckquelle zur Verfügung gestellten Druckmittels, also eines Fluids, so wird das in den Raum 27 eintretende Fluid versuchen, ein größeres Volumen einzunehmen. Dabei wird infolge des durch den Einstich 12 geschwächten Widerstandsmo­ mentes der in Bezug auf Fig. 1 rechte Teil der federnden Platte 13 stärker verformt als der linke Teil. Das Teil 11 schwenkt daher näherungsweise im Uhrzeigersinn um eine in bezug auf die Symmetrie-Achse 17 sich außermittig einstel­ lende Schwenkachse nahe der Ebene des Druckmotors. Geht der Druck des Fluids auf den Ausgangsdruck zurück, so federt die Platte 13 in ihre Ausgangslage zurück und die Bohrstange nimmt ebenfalls ihre Ausgangslage wieder ein. Die Steifigkeit dieser Anordnung ist durch die Abmessungen ihrer Bauteile, insbesondere der federnden Platte 13 bestimmt.

Hierbei wird ersichtlich, daß das als Druckmotorabtrieb wirkende Teil 11 kleinere Wege macht als der längs einer gekrümmten Bahn bewegte Schneidmeißel 21 und daß das Fluidvo­ lumen der Gesamtanordnung klein ist und daher die Eigenfrequenz des beschriebenen Bohrkopfes höher als bei einer Vorrichtung mit einer Bohrstange ist, die sich bei der Schneidmeißelzustellung infolge eines Parellelfedergelenkes parallel zur Symmetrieachse 17 bewegt (DE 20 34 601 A2).

Selbstverständlich kann anstelle der beschriebenen starren Verbindung der Bohrstange mit der Platte 11 die Bohrstange auch mittels eines Werkzeugwechselsystems bekannter Bauart mit der Platte verbunden sein.

In den Fig. 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bohrkopfes - mit Bk2 bezeichnet -, dargestellt. Auch dort sind mit 10 das die Grundplatte bildende Teil und mit 11 das die Bohrstange 21 tragende Teil bezeichnet. Über das Teil 10 wird auch dort der Bohrkopf an der ebenfalls nicht dargestellten Bohrspindel einer Bohr- oder Werkzeugmaschine befestigt. Auch dort umfaßt der Druckmotor, mit DM₂ bezeichnet, einen Teil der Basis 10 bildenden zylindermantelförmigen Fortsatz 16 und einen kolbenförmigen Fortsatz 23, wobei beide miteinander korrespondierenden Fortsätze sich außerhalb der Symmetrie­ linie 17 auf den Teilen 10 und 11 befinden. Die Fortsätze 16 und 23 sind mit den zugehörigen Platten - unlösbar oder lösbar - fest verbunden und durch eine auf Walkung beanspruchte Elastomerdichtung 35 gegeneinander abgedichtet und schließen zwischen sich den Fluidraum 27 ein.

Die die Basis bildende Platte 10 ist mit der hier den kolbenförmigen Fortsatz 23 tragenden, den Abtrieb des Druckmotors bildenden Platte 11 vorzugsweise über runde Biegefedern 36 und 37 spielfrei verbunden. Die den Schneidmeißel 20 tragende Bohrstange 21 ist auf der Platte 11 starr oder mittels eines Werkzeug-Wechselsystems auswechsel­ bar fest verbunden. Das Druckmittel oder Fluid wird über eine axial und abgeknickt verlaufende Bohrung 31 zum Fluidraum 27 des Druckmotors geleitet.

Steigt der Druck des zugeführten Druckmittels, so schwenkt das Teil 11 gegen den Uhrzeigersinn um eine Achse, die etwa durch die Mitten der Biegefedern 36 und 37 in der Ebene des Druckmotors verläuft.

Die Steifigkeit der beschriebenen Anordnung nach den Fig. 4 und 5 wird im wesentlichen durch die Biegefestigkeit der Biegefedern 36 und 37 bestimmt, die auswechselbar ausgebildet sind. Auf diese Weise kann das durch die beiden Biegefedern gebildete Gelenk in seiner Steifigkeit verändert werden. Beispielsweise kann hierdurch erreicht werden, daß bei einem vorgegebenen maximalen Steuerdruck von 200 bar der Schneidmeißel bei großer Steifigkeit des Bohrkopfes und hoher Eigenfrequenz kleine Wege macht oder bei kleinerer Steifigkeit größere Wege. Dies ist bei der Anpassung des Bohrkopfes an verschiedene Werkstoffe, die vom Schneidmeißel bearbeitet werden, von Wichtigkeit oder dient zur Erhöhung der Eigenfrequenz, wenn mit kleineren maximalen Stellwegen gearbeitet werden kann.

Selbstverständlich kann als Druckmotor auch ein Federrohr oder eine Metallkapsel verwendet werden; auch andere bekannte Druckmotorausführungen, beispielsweise in Form einer abgestützten Gummi-Membrane, sind hierfür brauchbar.

Claims (7)

1. Druckgesteuerter Schneidmeißelhalter mit einspannbarem Schneidmeißel, insbesondere hydraulisch feinverstellbarer, rotierender Bohrkopf mit einem eine Basis, einen dieser gegenüber dichten und federnd beweglichen Abtrieb, eine bewegliche Druckabdichtung, eine Druckfluidkammer und eine Fluidzufuhr enthaltenden Druckmotor sowie mit einer Vorrichtung, welche die Bewegung des Abtriebs in eine Bewegung des Schneidmeißels auf einer etwa senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden gekrümmten Bahn umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Druckmotorabtrieb (11) und dem Schneidmeißel (20) ohne mechanisch aufeinander reibende Teile vorzugsweise starr ausgebildet ist, und die konstruktive Ausbildung so getroffen ist, daß der Weg des Abtriebs (11) kleiner ist als der Weg des Schneidmeißels (20).

2. Schneidmeißelhalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das gesamte Volumen des Druckmittels im Druckmotor (DM1, DM2) nur wenig größer ist als das zur Bewegung des Druckmotorabtriebs (11) notwendige Volumen.

3. Schneidmeißelhalter nach Anspruch 1 dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abtrieb eine steife, runde und gegenüber der Basis (14) um eine außerhalb der Symmetrie-Achse (17) des Bohrkopfes (Bk1) liegende Schwenkachse, kippbare Platte (11) ist, welche mittels einer als bewegliche und federnde Dichtung dienenden dünnen, biegeelastischen und exzentrisch versteiften runden Platte (13) mit der Basis dicht und starr verbunden ist.

4. Schneidmeißelhalter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrische Versteifung eine ebenfalls runde Platte (Abschnitt 15) ist, die mittels eines exzentrischen Einstiches (12) zwischen den runden Platten (14, 13) gebildet ist.

5. Schneidmeißelhalter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abtrieb eine steife, runde und gegenüber der Basis (10) kippbare Platte (11) ist, welche mittels einer auf Walkung beanspruchten Elastomer­ dichtung (35) gegen die Basis beweglich abgedichtet und mittels zweier elastischer, auswechselbarer Stäbe (36, 37) mit der Basis (10) federnd verbunden ist.

6. Druckgesteuerter Schneidmeißelhalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (10) als Grundplatte (10) ausgebildet ist, mit der die zwei außerhalb der Symmetrie-Achse (17) des Bohrkopfes angeordne­ ten elastischen Stäbe (Biegefedern 36, 37) verbunden sind.

7. Schneidmeißelhalter nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Federsteife und den Ausschlag des Druckmotorabtriebes bestimmenden elastischen Biegefedern (36, 37) durch spielfrei auswechsel­ bar ausgebildete Biegefedern anderer Federsteife ersetzbar sind.