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Dokumentenidentifikation DE69715673T3 25.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000958082
Titel BOHRSTANGE
Anmelder Sandvik Intellectual Property AB, Sandviken, SE
Erfinder HEDBERG, Anna, S-802 52 Gävle, SE;
TJERNSTRÖM, Eric, S-802 67 Gävle, SE
Vertreter Dr. Weber, Dipl.-Phys. Seiffert, Dr. Lieke, 65183 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 69715673
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.07.1997
EP-Aktenzeichen 979321098
WO-Anmeldetag 07.07.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/SE97/01232
WO-Veröffentlichungsnummer 1998001250
WO-Veröffentlichungsdatum 15.01.1998
EP-Offenlegungsdatum 24.11.1999
EP date of grant 18.09.2002
EPO date of publication of amended patent 13.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse B23B 29/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bohrstange mit einem Schaftabschnitt und einem Stangenkopf gemäß Anspruch 1, siehe zum Beispiel DE-A-23 29 234, ein Verfahren für die Herstellung einer Bohrstange gemäß Anspruch 4 und die Verwendung solch einer Bohrstange für die Dämpfung von Vibrationen beim Innendrehen.

Gemäß DE-A-23 29 234 wird eine Bohrstange offenbart, die einen Schaftabschnitt und einen Stangenkopf aufweist, der aus einem leichteren Material als der Schaftabschnitt hergestellt ist, welcher seinerseits aus Stahl hergestellt sein kann, während der Schaftkopf aus einer Aluminium- oder Titanlegierung hergestellt sein kann.

Die DE 15 52 450 beschreibt eine Klebeverbindung zwischen einem Stangenschaft und einem Schneidkopf. Die DE 14 03 000 beschreibt eine Verbindung zwischen einem Stangenteil und einem Scheidelement, welche zwei konische Vorsprünge und entsprechende Aussparungen an ihren jeweiligen Verbindungsflächen aufweisen.

Drehtätigkeiten können in solche für das Außendrehen und solche für das innere Drehen unterteilt werden, wobei das letztere normalerweise Innendrehen genannt wird. Wie die Namen sagen, betreffen Außendrehtätigkeiten das Drehen auf einer äußeren Drehfläche eines Werkstücks, während das Innendrehen das Drehen auf einer inneren Drehfläche betrifft. Ein spezieller Fall des Außendrehens ist das Stirnflächendrehen.

Beim Außendrehen wird die Ausladung bzw. der Überhang des Werkzeugs durch die Länge des Werkstücks nicht beeinflußt, denn die außendrehenden Flächen sind gewöhnlich offen und frei zugänglich. Deshalb werden die Maße von Werkzeughaltern so ausgewählt, daß sie den Kräften und Beanspruchungen, die auftreten, widerstehen.

Beim Innendrehen ist die Werkzeugwahl jedoch durch das Äußere des Werkstücks beschränkt, denn diese Drehtätigkeit wird gewöhnlich bei vorgebohrten Löchern oder Löchern in gegossenen, geschmiedeten oder extrudierten Elementen angewendet. Beim Drehen in einem tiefen Loch ist deshalb eine lange Bohrstange mit einer langen Ausladung erforderlich, die selbstverständlich das Risiko der Durchbiegung oder Seitenabweichung und von Vibrationen erhöht, was seinerseits zu einer schlechteren Oberflächenglattheit und störendem Geräusch führt. Dieses Problem wird noch durch die Tatsache verstärkt, daß Innendrehtätigkeiten hauptsächlich für Anwendungen bei hohen Ansprüchen an Maßtoleranzen und Oberflächenglattheit verwendet werden.

Beim Innendrehen bestimmt deshalb die Tiefe des Loches die praktisch kleinstmögliche Ausladung. Für einen größeren Bohrstangendurchmesser (D) ist die Stabilität erhöht, aber auch hier sind die Möglichkeiten durch die Tatsache beschränkt, daß der Raum, der von dem Lochdurchmesser des Werkstücks angeboten wird, respektiert werden muß. Durch die speziellen Umstände, die es bei den langen Ausladungen (L) und einem beschränkten Stangendurchmesser gibt, beginnt die Stabilität gemäß Beschreibung von dem Verhältnis L/D. Je kleiner das Verhältnis L/D ist, eine um so bessere Stabilität wird erreicht.

Die Beschränkungen bezüglich der Stabilität für das Innendrehen bringen es mit sich, daß man besondere Sorgfalt walten lassen muß für die Produktion, Planung und Vorbereitung. Mit dem Wissen darüber, wie die Scherkräfte durch die Werkzeuggeometrie und die ausgewählten Schneiddaten beeinflußt werden, und wie unterschiedliche Arten von Bohrstangen und Werkzeugverbindungen die Stabilität beeinflussen, können Durchbiegungen und Vibrationen zu einem gewissen Grad minimiert werden. Es wäre jedoch wünschenswert, sie weiter zu reduzieren.

Zum Beispiel in der SE.B-385 797 (& US-A-3,838,936) ist eine Dämpfungsanordnung für unter anderem Bohrstangen beschrieben, die einen Dämpfungsabschnitt aufweist, der bei einem axialen Bohren in der Bohrstange angeordnet ist und an dieselbe über ein oder mehrere Federungselemente in der Form von zum Beispiel Platten oder Umfangsringen aus einem federnd elastischen Material, wie zum Beispiel Gummi, gekoppelt ist. Möglicherweise kann ein Fluid in den Raum zwischen dem Dämpfungsabschnitt und der Bohrung eingeführt werden, um zu dem Dämpfungseffekt beizutragen. Obwohl diese Konstruktion Vibrationen reduziert, ist sie doch kompliziert und raumaufwendig.

Deshalb ist es primär Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bohrstange mit einer verringerten Neigung zu Vibrationen zu schaffen.

Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung möglichst längerer Ausladungen, ohne die Neigung zu Vibrationen dadurch zu erhöhen.

Eine weitere andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Minimieren des Risikos von Vibrationen in Bohrstangen mit dem einfachst möglichen Aufbau.

Diese und weitere Aufgaben werden in überraschender Weise dadurch gelöst, daß man die Bohrstange mit einer Klebstoffverbindung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen versieht, die in Anspruch 1 bestimmt sind.

Es ist an sich bekannt, einen Klebstoff für einige andere Anwendungen für die Schneidbearbeitung zu verwenden. So beschreibt die DE-A-15 52 450, wie ein Klebstoff für das Befestigen von Schneideinsätzen eines hochlegierten Stahls oder eines Hochgeschwindigkeitsstahls in einem Halter verwendet werden kann und wie auch der betrieblich obere Abschnitt eines Räumgeräts an eine Welle angeklebt werden kann. Diese Werkzeuge sind aber keineswegs zwecks Vibrationsdämpfung konstruiert, sondern nur für die Vereinfachung des Austauschs betrieblicher Schneidteile.

Weiterhin sind in zwei Teile aufgeteilte Bohrstangen bekannt mit einem hinteren Schaftabschnitt und einem vorderen Stangenkopf, welcher dann auf den Schaftabschnitt aufgeschraubt wird. Eine solche Schraubenverbindung ist starr und erlaubt keineswegs Vibrationsdämpfungseffekte.

Zur Illustration, aber nicht zwecks Beschränkung, wird die Erfindung nun weiter unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Diese werden hier kurz vorgestellt:

1 zeigt eine zusammengeklebte Bohrstange gemäß der vorliegenden Erfindung perspektivisch schräg von oben.

2 zeigt dieselbe Bohrstange wie 1, wobei aber die zwei zusammengeklebten Teile voneinander getrennt sind.

3 zeigt einen Mittelachsenquerschnitt der demontierten Bohrstange gemäß 2.

4 zeigt eine andere Ausführungsform der Bohrstange gemäß der Erfindung in einer Projektion schräg von oben.

In der allgemeinen Darstellung in 1 weist eine Bohrstange 1 einen Schaftabschnitt 2 und einen Stangenkopf 3 auf. Der hintere Teil des Schaftes wird in an sich bekannter Weise in einen Halter eingeführt, wonach die notwendige Klemmkraft durch eine Schraubenverbindung oder eine hydraulische Hülse erhalten wird. Der Schaftabschnitt kann in einer Anzahl unterschiedlicher Arten gebildet werden je nachdem, welche Eigenschaften erwünscht sind, und ist nicht wesentliches Merkmal der Erfindung. Auf dem Stangenkopf 3 ist ein geeigneter Schneideinsatz 4 aus einem harten Material geklemmt, wie zum Beispiel Sinterkarbid. Der Schneideinsatz ist in seinem Einsatzsitz durch eine Sicherungsschraube, eine Klemmeinrichtung oder dergleichen befestigt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Schaftabschnitt aus Werkzeugstahl oder Federstahl hergestellt, wie z. B. SS 2230. Allgemein ist eine große Anzahl von Materialien sowohl für den Schaftabschnitt als auch den Stangenkopf möglich, solange diese die Erfordernisse bezüglich Festigkeit und Funktion erfüllen. Um ferner das Gewicht zu reduzieren und die natürliche Frequenz zu erhöhen, ist der Stangenkopf auch aus einem leichteren Material hergestellt, wie zum Beispiel Aluminium oder Magnesium oder einer Legierung, die auf einem oder beiden dieser zwei Metalle basiert.

In 2 sind der Schaftabschnitt und der Stangenkopf voneinander getrennt, wodurch man sehen kann, wie der Schaftabschnitt eine im wesentlichen konische Ausnehmung 5 und der Stangenkopf einen im wesentlichen konischen Vorsprung 6 hat, wobei letzterer vorgesehen ist, um in die konische Ausnehmung 5 zu passen. Gemäß dem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die einander zugewandten Oberflächen des Teils 6 und der Ausnehmung 5 durch eine Klebstoffverbindung aneinander befestigt. Außer der Tatsache, daß eine solche Klebeverbindung eine vollständig ausreichende Festigkeit hat und in der Praxis schnell und einfach zu realisieren ist, hat sich herausgestellt, daß sie betont vibrationsdämpfend ist. Der Scheitelwinkel &agr; der Klebeverbindung beträgt in zweckmäßiger Weise zwischen 2 und 50°, vorzugsweise zwischen 5 und 30°. Die Verbindungslänge d beträgt zweckmäßigerweise zwischen 10 und 200 mm, vorzugsweise zwischen 25 und 120 mm.

Wie man in den 2 und 3 sehen kann, kann der Schaftabschnitt und in gewissem Grad auch der Stangenkopf hohl sein, zweckmäßigerweise in der Form einer Mittelbohrung 7 bzw. 7'. Dies trägt auch zur Verringerung des Gesamtgewichts der Stange bei auf Kosten einer vernachlässigbar kleinen Schwächung. Der Durchmesser des Hohlraums kann entweder im wesentlichen konstant sein oder in axialer Richtung variieren. Dadurch wird es möglich, die natürliche Frequenz und Durchbiegung der Stange im Vergleich zu einer massiven Stange zu ändern. Somit kann der Durchmesser der Bohrung 7 in der Richtung des Stangenkopfes entweder zu- oder abnehmen. Außerdem kann der zentrale Hohlraum 7, 7' verwendet werden, um irgendein mögliches Schneidefluid zur Nachbarschaft des (nicht gezeigten) Betriebsschneidpunktes zu transportieren.

Die konische Klebeverbindung gemäß den 1 bis 3 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar.

Eine Vielzahl von Klebstoffarten hat man für die vorliegende Erfindung für geeignet gefunden. Somit sind in vorteilhafter Weise Klebstofftypen einsetzbar wie Epoxyklebstoff, Acrylatklebstoff, Polyurethanklebstoffe, ein Phenol-Vinylklebstoff, eine Nitrilklebstoff, Klebstoffe aus Natur- und/oder Chloropren-Kautschuk, Phenol-/Nitrilklebstoff, Acrylatkautschukklebstoff, Polyamidklebstoff oder Polyesterklebstoff und möglicherweise auch Phenoxyklebstoff. Diese können vom Einkomponenten- oder Zweikomponententyp sein und können mit oder ohne Wärmeaushärtung und einem Primer verwendet werden. In zweckmäßiger Weise sind sie anärobisch. Ein Beispiel eines zweckmäßigen Typs von Epoxyklebstoffen ist in der DE-A-11 07 400 beschrieben. Ein Beispiel eines zweckmäßigen Acrylatklebstoffs ist Araldit AV 118 (registrierte Marke), mittels deren eine Zugfestigkeit von mindestens 25 N/mm2 nach einer Härtung bei 150°C während 30 Minuten erhalten wird. Ein anderer geeigneter Klebstoff ist Loctite (registrierte Marke). Ferner kann die Dicke der Klebstoffverbindung in relativ breiten Grenzen variieren. Bei ein und demselben Klebstofftyp gibt eine dickere Klebstoffverbindung einen verbesserten Dämpfungseffekt. Auf der anderen Seite wird die Festigkeit der Klebstoffverbindung beeinträchtigt, wenn die Klebstoffverbindung zu dick ist. Eine zweckmäßige Dicke der Klebstoffverbindung für die konischen Teile 5 und 6 kann zwischen 0,05 und 0,8 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm liegen. In überraschender Weise ist auch gezeigt worden, daß im Prinzip die Klebstoffverbindung gleich fest wird, wenn die Verbindungsoberflächen schwarz-oxidiert oder „strahlbehandelt" („jetalized") sind.

Um einen weiter verbesserten Vibrationsdämpfungseffekt zu erhalten, kann der Schaftteil gemäß 4 ausgestaltet sein. Derselbe kann also einen äußeren rohr- oder hülsenartigen Teil 9 aufweisen, der einen Kern 10 einschließt, welcher zu dem Teil 9 konzentrisch ist. Dieser Kern kann entweder aus einer massiven Stange bzw. einem Stab bestehen oder kann eine zentrische Bohrung 11 haben. Zwischen dem Hülsenteil 9 und dem Kern 10 gibt es eine zweite Klebeverbindung 12, die auf eine vibrationsdämpfende Weise funktioniert. Die Dicke dieser Klebeverbindung kann zweckmäßig zwischen 0,05 und 1,5 mm sein und kann aus den oben erwähnten Klebstofftypen bestehen, in zweckmäßiger Weise einem solchen, der eine größere Belastbarkeit, Zähigkeit bzw. Festigkeit und eine größere Fähigkeit hat, Energie aufzunehmen. Der Hülsenteil und der Kern können sehr gut aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Obwohl einige der Klebstofftypen sowohl für den Stangenkopf als auch die Verbindung in dem Schaftabschnitt gemäß 4 verwendet werden können, gibt es einige Unterschiede. So sind Acrylatklebstoff, Epoxyklebstoffe und Phenoxyklebstoffe besonders nützlich für die Verbindung mit dem Stangenkopf, während für ein optimales Dämpfen Nitrilkautschukklebstoffe, Acrylkautschukklebstoffe, Chloropren-Kautschukklebstoffe und Naturkautschukklebstoffe für den Schaftabschnitt zweckmäßig sind. Wenn man in erster Linie nicht eine vibrationsdämpfende Stange zu haben wünscht, sondern eine Stange mit geringst möglicher Durchbiegung, kann man ein härteres Material und einen festeren Klebstoff auch in dem Schaftabschnitt verwenden.

Vergleichstests wurden durchgeführt zwischen massiven Stangen mit 25 mm Durchmesser aus Federstahl einerseits integral in einem einzigen Stück und andererseits mit einer konischen Klebeverbindung. Die Klebeflächen waren in der Form eines Konus mit einem Winkel &agr; von 12°. Der verwendete Klebstofftyp war Araldit AV 118 (registrierte Marke), und die Dicke der Klebstoffverbindung betrug ≤ 0,2 mm. Eine merklich verbesserte Dämpfung wurde erhalten. Außerdem war die nützliche Lebensdauer extrem gut: alle Stangen widerstanden > 2·106 Belastungszyklen von 3,4 kN ± 0,34 kN in einer Ermüdungstestmaschine (Dauerschwingversuch, Umlaufbiegeversuch). Außerdem kann die Klebstoffverbindung einer maximalen Belastung von mindestens 6,0 kN am Schneidpunkt widerstehen, welches ein beachtlich höherer Belastungsgrad ist als der, der bei normalem Bearbeiten auftritt.


Anspruch[de]
Bohrstange mit einem Schaftabschnitt (2) und einem Stangenkopf (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftabschnitt und der Stangenkopf durch Kleben miteinander verbunden sind, wobei die Klebeverbindung eine Dicke zwischen 0,05 und 1,5 mm hat und wobei der Stangenkopf aus einem leichteren Material als der Schaftabschnitt gefertigt ist, wobei der Stangenschaft aus Werkzeugstahl oder Federstahl hergestellt ist, der Schaftabschnitt (2) an seinem Vorderende eine konische Aussparung (5) hat und der Stangenkopf an seinem rückwärtigen Ende einen konisch vorspringenden Teil (6) und die Klebeverbindung zwischen den beiden konischen Teilen vorgesehen ist. Bohrstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftabschnitt (2) einen im wesentlichen zylindrischen Kern (10) und einen hülsen- oder rohrartigen Teil (9) außerhalb des Kernes hat, wobei diese beiden Teile durch eine Klebeverbindung miteinander verbunden sind. Bohrstange nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff ein Epoxid-Klebstoff, ein Acrylat-Klebstoff, ein Polyurethan-Klebstoff, ein Phenol/Vinyl-Klebstoff oder ein Polyester-Klebstoff ist oder aus chemisch kompatiblen Mischungen von zwei oder mehr der vorstehenden besteht. Verfahren zum Herstellen einer Bohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bohrstange einen Schaftabschnitt (2) und einen Stangenkopf (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stangenkopf an den Schaftabschnitt angeklebt wird, wobei die Klebeverbindung eine Dicke zwischen 0,05 und 1,5 mm hat und wobei der Stangenkopf aus einem leichteren Material als der Schaftabschnitt gefertigt wird, wobei der Schaftabschnitt aus Werkzeugstahl oder Federstahl gefertigt wird und die Klebeverbindung zwischen einer konischen Aussparung (5) am Vorderende des Schaftabschnittes (2) und einem konisch vorspringenden Teil (6) am hinteren Ende des Stangenkopfes (3) vorgesehen wird. Verwendung einer Bohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Dämpfen von Vibrationen während des Innendrehens.






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