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Dokumentenidentifikation DE3720630C2 02.11.1989
Titel Werkzeuganordnung zur Bearbeitung zylindrischer Flächen an Werkstücken, insbesondere zum Ausbohren
Anmelder Bauer, Walter, Dr.-Ing., 7257 Ditzingen, DE
Erfinder Bauer, Walter, Dr.-Ing., 7257 Ditzingen, DE
Vertreter Wilhelm, H., Dr.-Ing.; Dauster, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 23.06.1987
DE-Aktenzeichen 3720630
Offenlegungstag 05.01.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.11.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.1989
Free division/divided out on the grounds of lack of unity 37448234
IPC-Hauptklasse B23B 29/03
Zusammenfassung Bei der spanabhebenden, umfangsschneidenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere beim Bohren, wird der Vorschub des Bohrwerkzeuges in das Werkstück hinein und die anschließende Rückbewegung bei bekannten Bauarten zu den Bearbeitungsvorgängen des Schruppens und des Schlichtens ausgenützt. Die Einstellung der Werkzeugschneide, die an einem Exzenter gelagert ist, erfolgt durch mechanisches Zustellen einer zentral im Bohrwerkzeug gelagerten Spindel. Um diesen Verstellaufwand zu vermeiden, wird erfindungsgemäß ausgenützt, daß die beim Schruppen auftretenden, auf das Werkzeug wirkenden Drehmomente wegen der höheren Zerspanungskräfte auch wesentlich größer sind als die beim anschließenden Schlichten auftretenden Drehmomente. Der die Schneide lagernde Exzenter wird daher durch eine Feder in die Anschlagstellung gedrückt, in der die Schneide den größeren radialen Abstand für die Schlichtbearbeitung einnimmt und die Kraft der Feder wird so groß gewählt, daß das auf den Exzenter ausgeübte Drehmoment im ausreichenden Maß größer ist als das beim Schlichten auftretende, aber deutlich kleiner ist als das beim Schruppen auftretende Drehmoment. Durch diese Ausgestaltung kann eine selbständige Umstellung der Schneidenlage in Abhängigkeit von der Vorschubrichtung erreicht werden. Das neue Werkzeug eignet sich insbesondere zum Bohren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung zur Bearbeitung zylindrischer Flächen an Werkstücken, insbesondere zum Ausbohren, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Werkzeuganordnungen dieser Art sind bekannt (DE-OS 14 02 911). Bei diesen Bauarten ist die die Bearbeitung durchführende Schneide exzentrisch zur Drehachse des Bohrfutters gelagert. Der Exzenter wird durch eine Feder gegen einen Anschlag gedrückt, an dem er während der Vorschubbewegung des Werkzeuges für das Bohren anliegt. Dies wird zum einen in der Ausgangsstellung bewirkt durch die Andrückfeder, zum anderen während der Bearbeitung durch das zusätzlich von der beim Zerspannen auftretenden Kraft bewirkte Drehmoment auf den Exzenter. Ist der Bohrvorgang, d. h. die Schruppbearbeitung, beendet, dann kann durch eine zentrisch im Bohrfutter geführte Verstellspindel der Exzenter entgegen der Wirkung seiner Rückstellfelder verdreht werden, und zwar so, daß die Scheide dann auf einen größeren Durchmesser um die Bohrfutterachse umläuft. Während des Zurückziehens des Bohrwerkzeuges kann daher bei den bekannten Bauarten die Schlichtbearbeitung auf einen etwas größeren Durchmesser erfolgen und es wird gleichzeitig vermieden, daß beim Zurückziehen des Werkzeuges eine Schneidenkante eine unerwünschte wendelförmige Riefe in der hergestellten Bohrung hinterläßt.

Bei anderen Bauarten (DE-OS 27 15 234) ist es auch bekannt, die Schneide eines Bohrwerkzeuges nach Beendigung des Bearbeitungsvorganges in eine Radialstellung zurückzufahren, in der eine Berührung der fertig bearbeiteten Innenfläche der Bohrung durch die Schneide beim Zurückziehen des Werkstückes nicht möglich ist.

Muß aber vor der Endbearbeitung eine Schruppbearbeitung vorgenommen werden, so muß das Werkzeug neu eingestellt oder ausgewechselt und erneut in die Bohrung vorgeschoben werden. Dies ist aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeuganordnung zur Bearbeitung zylindrischer Flächen an Werkstücken der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Vorschub- und die Rückzugbewegung des Werkzeuges zur Bearbeitung ausgenutzt werden kann, ohne daß jedoch eine mechanische Verstellvorrichtung notwendig wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Werkzeug der eingangs genannten Art die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß beim Schruppen und beim Schlichten unterschiedliche Zerspankräfte auftreten, die um Größenordnungen voneinander verschieden sind. Diese unterschiedlichen Kräfte und die von diesen ausgelösten Drehmomente nützt die Erfindung dazu aus, um eine selbständige Verstellung der Schneide eines Bohrwerkzeuges zu erreichen, das somit automatisch den Bohrvorgang und, beim Zurückziehen einen Feinbearbeitungsvorgang ausführen kann. Analog könnte auch ein Werkzeug zur Bearbeitung zylindrischer Außenflächen ausgelegt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Ansprüche 5 und 6 umreißen dabei zwei verschiedene Realisierungsmöglichkeiten.

In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und im nachfolgenden beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Bohrfutter gemäß der Erfindung, bei dem das Bohrwerkzeug an einem Exzenter innerhalb des Bohrfutters angebracht ist,

Fig. 2 den Schnitt durch die Ausführungsform der Fig. 1 längs der Linie II-II,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der durch die Exzenterverdrehung bewirkbaren unterschiedlichen Lagen der Schneide,

Fig. 4 eine schematische Vorderansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brückenwerkzeuges, in Richtung des Pfeiles IV der Fig. 5,

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht des Werkzeuges der Fig. 4, teilweise geschnitten,

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich Fig. 3, jedoch für das in den Fig. 4 und 5 dargestellten Brückenwerkzeug.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Bohrfutter (1) gezeigt, das in an sich bekannter Weise - wie in der linken Hälfte der Fig. 1 gezeigt - über eine zylindrische Welle (16) mit einem nicht gezeigten Antrieb verbunden und in einer Lagerung (17) einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine angeordnet ist. Das Bohrfutter (1) kann aber auch - wie die rechte Hälfte von Fig. 1 zeigt - mit einem Befestigungskonus (19) versehen sein, der ebenfalls in bekannter Weise in einer entsprechenden Aufnahme einer Bearbeitungsmaschine befestigbar ist.

In dem Bohrfutter (1) ist ein als Exzenterhülse (4) ausgebildeter Exzenter gelagert, dessen Mittelachse (4a) parallel zur Drehachse (1a) des Bohrfutters (1) angeordnet ist, aber um den Betrag (e) exzentrisch zu dieser verläuft. In der Exzenterhülse (4), deren Bohrung in bekannter Weise auch zur Kühlmittelzufuhr zum Betriebswerkzeug (2) benutzt werden kann, ist ein Bohrwerkzeug (2), das handelsüblich sein kann, in einer Aufnahmebohrung (20) mit einem zylindrischen Zapfen (21) gehalten, an dem eine Klemmschraube (22) angreift, die gegen eine leicht gegenüber der Drehachse (1a) geneigten Fläche (23) des Zapfens (21) anliegt. An dem von dem Zapfen (21) abgewandten Ende des Bohrwerkzeuges (2) ist eine als Platte ausgebildete Schneide (3) fest angeordnet. Anstelle einer Schneide können auch zwei- oder mehrere Schneiden vorgesehen werden. Hierauf wird noch eingegangen.

Die Exzenterhülse (4) ist axial innerhalb des Bohrfutters (1) durch eine Sicherungsschraube (24) gehalten, die in eine umlaufende Nut (25) in der Exzenterhülse eingreift. Eine Wendelfeder (7) ist mit ihrem Ende (7a) fest im Bohrfutter (1) gehalten, in einer Ausnehmung (26) geführt und mit ihrem anderen Ende (7b) fest mit der Exzenterhülse (4) verbunden. Die Wendelfeder (7) ist so ausgebildet und angeordnet, daß sie die Exzenterhülse (4), wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, im Gegenuhrzeigersinn verdreht und sie mit einer Anschlagfläche (27) gegen die in das Innere der zylindrischen Führung (28) hereinragenden Anschlagschraube (5) drückt, die von außen durch eine Gewindebohrung (29) im Bohrfutter (1) hindurchgreift. Sie drückt dabei die Exzenterhülse (4) in der Antriebsrichtung (30) des Werkzeuges, die ebenfalls im Gegenuhrzeigersinn erfolgt, gegen die Anschlagschraube (5). Die Exzenterhülse (4) besitzt eine zweite Anschlagfläche (31), die mit einer zweiten Anschlagschraube (6) in Eingriff kommen kann, die ebenfalls von außen durch eine Gewindebohrung (32) im Bohrfutter (1) hindurchgreift. Diese Anschlagschraube (6) weist einen größeren Durchmesser als die Anschlagschraube (5) auf. Sie hat, worauf noch eingegangen werden wird, größere Kräfte aufzunehmen.

Wie anhand der Fig. 3 deutlich wird, wird bei einer Drehung des Werkzeuges der Fig. 1 und 2 ind Richtung des Pfeiles (30), d. h. im Gegenuhrzeigersinn, die mit der Exzenterhülse (4) fest verbundene Schneide (3) beim Eingriff in das Werkstück von einer entgegen der Drehrichtung (30) wirkenden Kraft beaufschlagt, die bestrebt ist, die Exzenterhülse um ihre Achse (4a) im Uhrzeigersinn zu verschwenken. Durch eine solche Verschwenkung würde die Schneide (3) aus der in der Fig. 3 ausgezogen gezeichneten Lage, in der ihre äußerste Schneidkante auf dem Radius (R) liegt, in die zurückgeschwenkte Lage (3&min;), in der ihre äußere Schneidkante auf den kleineren Radius (r) gelangt. Die Anordnung der Schneide (3) am Exzenter (4) muß dabei so erfolgen, daß ihre in Schneidrichtung weisende Fläche (3a) in beiden Endstellungen, d. h. in der Lage (3) und in der Lage (3&min;) jeweils nahe den Radialebenen zur Drehachse (1a) des Bohrkopfes liegt. Die geringfügigen Abweichungen der Fläche (3a) zu den Radialebenen sind für die Praxis ohne Bedeutung.

Die in der Fig. 3 ausgezogen gezeichnete Stellung der Schneide (3) entspricht beim Ausführungsbeispiel der in Fig. 2 dargestellten Lage der Exzenterhülse (4) innerhalb des Bohrfutters (1). Sie stellt die Lage dar, in der die Schneide (3) mit ihren äußerer Schneidkante auf dem größeren Radius (R) liegt, welche dem Bearbeitungsradius für das Schlichten entspricht. Die Lage (3&min;) der Schneide (3) ist dann gegeben, wenn die Exzenterhülse (4) aus der in der Fig. 2 gezeigten Lage im Uhrzeigersinn an die Stirnfläche der Anschlagschraube gedrückt ist. Diese Stellung entspricht daher der Schruppbearbeitung.

Die Kraft der Wendelfeder (7) ist so ausgelegt, daß sie bei den gegebenen Abmessungen der Exzenterhülse (4) nur ein Drehmoment erzeugen kann, welches wesentlich kleiner ist als das bei der Schruppbearbeitung wirkende, d. h. das beim Ausführungsbeispiel beim Bohrvorschub auftretende, im Uhrzeigersinn wirkende Drehmoment, das sich aus der Krafteinwirkung an der Schneide (3) und dem nährungsweise als Radius (R) angesetzten Radialabstand von der Drehachse (1a) ergibt. Die Kraft der Wendelfeder (7) ist aber andererseits so groß ausgelegt, daß das von ihr im Gegenuhrzeigersinn, d. h. auch in Drehrichtung (30) bewirkte Drehmoment ausreichend größer ist, als das bei der beim Zurückziehen des Bohrwerkzeuges erfolgenden Schlichtbearbeitung auftretende Drehmoment. Dieses beim Schlichtvorgang auftretende Drehmoment ist, wie noch ausgeführt werden wird, wegen der dann wesentlich geringeren Spanstärke auch um Größenordnungen kleiner, als das Drehmoment bei der Schruppbearbeitung. Das neue Werkzeug wird daher, wenn der Bohrvorgang mit der größeren Spanabnahme beendet ist, während dem die Exzenterhülse (4) noch an der Anschlagschraube (6) anliegt und die Schneide die Lage (3&min;) einnimmt, beim Weiterdrehen des Werkzeuges selbsttätig durch die Kraft der Wendelfeder in die in der Fig. 2 gezeigte Lage zurückgedreht. Die Schneide (3) liegt dann auf dem größeren Radius (R) und führt die Schlichtbearbeitung während des Zurückziehens des Werkzeuges durch, ohne daß hierzu von außen eingegriffen werden muß.

Zur Verdeutlichung der auftretenden Kräfte sei eine beispielhafte Berechnung der Schnittdrehmomente aufgeführt, die am Beispiel einer Bohrung in Stahlguß (GS 52) mit vorgegossenem Loch von 23 mm Durchmesser und unter Verwendung eines einschneidigen Werkzeuges (Bohrstange) erläutert werden soll. Das Loch mit einem Durchmeser von 23 mm soll auf einem Durchmesser von 29,6 mm beim Bohrvorschub geschruppt und beim Rückhub des Bohrwerkzeuges auf 30 mm Durchmesser geschlichtet werden. Dabei sollen die Mittelachsen der Drehbewegung (die Drehachse 1a des Bohrfutters 1) und der Schwenkbewegung des Exzenters (die Exzenterachse 4a der Exzenterhülse 4) nur wenig auseinanderliegen (e=3 mm) und die Schneidenanordnung soll im Prinzip der Fig. 3 entsprechen. Für die Schnittkraftberechnung, die stets nur eine annähernde Berechnung sein kann, da nur ein Teil der Parameter erfaßbar ist, gelten folgende allgemein gültigen Formeln.

Fc = kc · A

A = s · a

MD = rE · Fc = rE · kc · s · a

Verwendete Formelzeichen und Einheiten


Angewendet auf das gewählte Beispiel gilt für das Schruppen:





kc (Schruppen) = 2320 N/mm²

s = 0,2 mm/U

a = 3,3 mm

MD (Schruppen) = 13,15 mm · 2320 N/mm² · 0,2 mm · 3,3 mm = 20,135 Nm.

Angewendet auf das gewählte Beispiel gilt für das Schlichten:



kc (Schlichten) = 2600 N/mm²

s = 0,1 mm/U

a = 0,2 mm

MD (Schlichten) = 14,9 mm · 2600 N/mm² · 0,1 mm · 0,2 mm = 0,775 Nm. Vergleich



Wenn die Feder ein Drehmoment von etwa 4 Nm erzeugt, ist sichergestellt, daß das Drehmoment zum Schlichten weniger als ein Fünftel des Feder-Drehmoments und das Schrupp-Drehmoment mehr als dessen Fünffaches beträgt, also ein jeweils deutlicher Unterschiede besteht.

Aus diesem Vergleich ergibt sich, daß die erfindungsgemäß ausgenützten unterschiedlichen Drehmomente um mehr als das 20fache verschieden sind. Die Wahl der Federkraft kann daher so erfolgen, daß der gewünschte automatische Umschaltvorgang von Schrupp- auf Schlichtbearbeitung selbsttätig ausgelöst wird.

Anstelle des in Fig. 1 gezeigten Bohrwerkzeuges (2) mit einer innen angreifenden Schneide könnte auch ein glockenförmig ausgebildetes Werkzeug zur Bearbeitung zylindrischer Außenflächen vorgesehen werden. Die Schneide muß dabei so angeordnet werden, daß sie bei dem exzentrischen Schwenkvorgang zur Schlichtbearbeitung auf einen kleineren Radius einschwenkt.

In den Fig. 4 bis 6 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Schneide (33) nicht an einer Exzenterhülse, sondern an einer exzentrisch zu der Drehachse (1a&min;) des Bohrwerkzeuges (1&min;) angeordneten Wippe (10) angebracht ist. Die Wippe (10) ist dabei um die Exzenterachse (4a&min;) schwenkbar. Sie wird mit einer Schraube (35) an einem zylindrischen Lagerstück (46) befestigt und mit diesem schwenkbar an dem Bohrwerkzeug (1&min;) gehalten, das aus einem fest mit einer Antriebswelle (36) verbundenen Träger (37) besteht, an dem nach unten abragende Spannklötze zum Befestigen der mit der Wippe verbundenen Schneide (33) und einer weiteren Schneide (18) angeordnet sind, die aber fest zwischen den beiden Klemmbacken (38 und 39) mit Hilfe einer Klemmschraube (40) wirkt, an dem die als Platte ausgebildete Schneide (18) befestigt ist. Die äußerste Kante der Schneide (18) liegt dabei auf einem Radius, der dem Radius entspricht, die die äußerste Kante der Schneide (33) der Wippe (10) in der Stellung (33&min;) einnimmt. Diese Stellung entspricht, analog zu den Fig. 1 bis 3, der Schruppbearbeitung. In dieser Stellung liegt der rechte Arm (10b) der Wippe (10) an der Fläche (14) des Befestigungsbackens (42) an. In der ausgezogen gezeichneten Stellung liegt die Schneide (33) auf dem größeren Radius, in der sie durch die Einwirkung einer Schraubendruckfeder (11) gehalten ist, die in einer Bohrung (43) des Backens (42) gehalten ist und einen Bolzen (13) gegen den rechten Arm (10b) der Wippe drückt. Dieser rechte Arm (10b) der Wippe wird dabei bis zum Anschlag an einer Stellschraube (15) gedrückt, die an den den Backen (42) gegenüberliegenden Backen (44) angeordnet ist. Die beiden Arme (10a und 10b) der Wippe (10) verlaufen daher zwischen den beiden Backen (42 und 44). Der linke Arm (10a) der Wippe mit der Schneide (33) bildet mit einer Aussparung (45) am Backen (42) eine Spanabfuhröffnung.

Je nach den auf die Schneide (33) ausgeübten Zerspanungskräften wird daher, analog dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3, bei einer Drehung des Werkzeuges (1&min;) im Sinn des Pfeiles (30) die Schneide die Stellung (33) einnehmen oder die Lage (33&min;) je nachdem, ob die Schruppbearbeitung oder Schlichtbearbeitung stattfindet. Auch in diesem Fall wird die Feder (11) so ausgelegt, daß das von ihr auf die Wippe (10) im Gegenuhrzeigersinn - und in Drehrichtung (30) - ausgeübte Drehmoment größer ist, als das im Uhrzeigersinn wirkende, von den Zerspanungskräften beim Schlichten hervorgerufene Drehmoment. Die Feder wird dabei auch so ausgelegt, daß das von ihr auf die Wippe (10) ausgeübte Drehmoment kleiner ist, als das bei der Schruppbearbeitung im Uhrzeigersinn wirkende Drehmoment. Die Wippe (10) schlägt dann mit ihrem Arm (10b) an der Fläche (14) an.


Anspruch[de]
  1. 1. Werkzeuganordnung zur Bearbeitung zylindrischer Flächen an Werkstücken, insbesondere zum Ausbohren, mit einem exzentrisch zur Drehachse eines Werkzeughalters, insbesondere eines Bohrfutters, gelagerten Exzenter, der ein Bearbeitungswerkzeug trägt, dessen Schneide durch Verstellen des Exzenters zwischen zwei Anschlägen in eine Vorbearbeitungsstellung und - beim Zurückziehen der Werkzeuganordnung - in eine Schlichtstellung überführbar ist, wobei der Exzenter durch eine Feder mit einem Drehmoment in Richtung auf den einen der beiden Anschläge vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine Anschlag (5, 15) der Schlichtstellung der Schneide (3, 33) entspricht und daß das Drehmoment der Feder (7, 11) größer ist als das beim Schlichten auftretende, aber kleiner als das bei der Vorbearbeitung auftretende Gegendrehmoment.
  2. 2. Werkzeuganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft der Feder (7, 11) einstellbar ist.
  3. 3. Werkzeuganordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Anschläge (5, 6, 15) für den Exzenter (4, 10) einstellbar ist.
  4. 4. Werkzeuganordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (5, 6) von Stellschrauben (8, 9) gebildet sind, die in Gewindebohrungen im Bohrfutter (1) eingeschraubt sind.
  5. 5. Werkzeuganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (7) als eine konzentrisch zur Exzenterachse (4a) angeordnete Wendelfeder ausgebildet ist, daß die Exzenterachse (4a) parallel zur Bohrfutterachse (1a) verläuft und daß um die Exzenterachse (4a) der Exzenter drehbar gelagert ist.
  6. 6. Werkzeuganordnung nach Anspruch 1 für ein Brückenwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, die Schneide (33) am radial nach außen weisenden Arm (10a) des als zweiarmige Wippe (10) ausgebildeten Exzenters angeordnet ist.
  7. 7. Werkzeuganordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der Schneide (33) gegenüberliegenden Arm (10b) der Wippe (10) die Feder (11) angreift.
  8. 8. Werkzeuganordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (11) eine Schraubendruckfeder ist, die in einer senkrecht zur Drehachse (1a) des Bohrfutters (1) verlaufenden Bohrung (43) angeordnet ist und über einen in der Bohrung verschiebbaren Bolzen (13) auf die Wippe (10) drückt.
  9. 9. Werkzeuganordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (43) in einer Werkzeugfläche (14) endet, die als Anschlag für die Wippe (10) bei der Schruppbearbeitung dient.
  10. 10. Werkzeuganordnung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Anschlag (15) eine gegenüber der Werkzeugfläche (14) verstellbare Anschlagschraube vorgesehen ist.






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