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Die Erfindung betrifft einen Verstell-Bohrkopf zum, vorzugsweise messgesteuerten, Feinbohren mit einem ringförmigen, an einer hohlen Bohrspindel zur Bohrspindeldrehachse koaxial befestigbaren, äusseren Bohrkopfgrundkörper und einem gegenüber diesem elastisch verschwenkbaren, an seiner Vorderseite einen mit zumindest einem Schneidwerkzeug versehenen Werkzeugträger tragenden, inneren Bohrkopfgrundkörper, der mit dem äusseren Bohrkopfgrundkörper über zwei radiale, eine zur Bohrspindeldrehachse senkrechte Schwenkachse bildende, elastische Drehstäbe verbunden ist und an seinem hinteren Ende einen Eingriffsabschnitt besitzt, der zum Verschwenken des Werkzeugträgers mit einer in der hohlen Bohrspindel angeordneten Verstelleinrichtung in Eingriff bringbar ist.
Die Feinbohrtechnologie mit dem Feinbohren bzw. messgesteuerten Feinbohren in hochspezialisierten Sonderwerkzeugmaschinen und Transfermaschinen wird beispielsweise in der Automobil- und Motorenindustrie zur maschinellen Bearbeitung von Bohrungen in Zylinderkurbelgehäusen, Zylinderköpfen, Pleuel, Zylinderlaufbüchsen, Getriebegehäusen, Radnaben, Differentialgehäusen, Steuergehäusedeckeln etc. verwendet, wobei sehr hohe Anforderungen an Rundheit. Zylindrizität und Oberflächengüte gestellt werden.
Bei Bohrungen in Pleueln mit Bohrungsdurchmessern von 15 mm bis 50 mm werden beispielsweise Anforderungen an die Rundheit der bearbeiteten Bohrung von 2 um bis 4 um (0, 002 mm bis 0, 004 mm) und an die Oberflächenrauhigkeit von Ra = 0, 6 um (0, 0006 mm) gestellt.
Die beim Feinbohren eingesetzten Sonderwerkzeugmaschinen sehen zumeist eine Bearbeitung der jeweiligen horizontal angeordneten Bohrung am stillstehenden Werkstück vor, wobei das die Bohrung bearbeitende Schneidwerkzeug von einem Verstell-Bohrkopf getragen wird, der stirnseitig an einer um eine horizontale Achse rotierenden hohlen Bohrspindel angebracht ist, die in einem horizontal verfahrbaren Maschinenschlitten absolut ruhig und schwingungsfrei gelagert ist und in deren Innenbohrung eine mit dem Bohrkopf in Eingriff bringbare Verstellvorrichtung zum Verstellen bzw. Verschwenken des Schneidwerkzeuges um etwa 1 bis 2 Winkelgrade angeordnet ist.
Es sind Verstell-Bohrköpfe zum Feinbohren bekannt, welche einen an einer hohlen Bohrspindel befestigbaren, zur Bohrspindeldrehachse koaxialen, äusseren ringförmigen Bohrkopfgrundkörper und einen gegenüber diesem elastisch verschwenkbaren, an seiner Vorderseite einen mit zumindest einem Schneidwerkzeug versehenen Werkzeugträger tragenden, inneren Bohrkopfgrundkörper besitzt, der mit dem äusseren Bohrkopfgrundkörper über zwei radiale, eine zur Bohrspindeldrehachse senkrechte Schwenkachse bildende, elastische Drehstäbe verbunden ist und an seinem hinteren Ende einen Eingriffsabschnitt besitzt, der zum Verschwenken der Bohrstange mit einer in der hohlen Bohrspindel angeordneten Verstelleinrichtung in Eingriff bringbar ist.
(DE-OS 20 40 020, DE-OS 2 239 601, DE-OS 29 15 976)
Bei diesen bekannten Verstell-Bohrköpfen ist der innere Bohrkopfgrundkörper durch zwei sichelförmige Spalten von dem äusseren Bohrkopfgrundkörper getrennt und mit diesem nur durch die beiden radialen elastischen Drehstäbe verbunden, deren Elastizität und Torsionsquerschnitte das Ausmass der Verschwenkbarkeit des inneren Bohrkopfgrundkörpers bestimmen. Innerhalb der für das Feinbohren erforderlichen Steifigkeit des Verstell-Bohrkopfes ist das Ausmass der möglichen Verschwenkbarkeit des inneren Bohrkopfgrundkörpers auf einen sehr kleinen Bereich beschränkt, der ohne Verlust der Stabilität der von den beiden elastischen Drehstäben gebildete Schwenkachse nicht vergrössert werden kann.
Aus der US-PS 2 412 038 ist weiters eine Bohrkopfkonstruktion mit einem Abhebesystem bekannt, welches aus einer, den an der Bohrspindel befestigten äusseren Bohrkopfgrundkörper mit dem inneren Bohrkopfgrundkörper verbindenden, elastisch deformierbaren Scheibe oder Glocke und aus einem am hinteren Ende des inneren Bohrkopfgrundkörpers vorgesehenen, zur Bohrspindeldrehachse exzentrischen, steilen Aufnahmekonus für den Eingriff mit dem konischen Vorderende einer zur Bohrspindeldrehachse koaxialen Druckstange besteht.
Dieses Bohrkopfkonstruktion ist nur zum Abheben des Werkzeugs zur Vermeidung von Rückzugsriefen geeignet, weil sowohl die, die beiden Bohrkopfgrundkörper miteinander verbindende, elastisch deformierbare Scheibe oder Glocke als auch der Eingriff der Druckstange mit dem zu ihr exzentrischen Aufnahmekonus nur eine sehr ungenaue Bewegung des Werkzeuges aus seiner Arbeitsstellung in eine nicht näher definierte zurückgezogene Stellung und wieder zurück in die Arbeitssteilung zulassen. Dazu kommt noch, dass sich diese Bewegungen des inneren Bohrkopfgrundkörpers von Bewegungsspiel zu Bewegungsspiel geringfügig verändern und keinerlei Steuerung zulassen.
Diese aus der US-PS 2 412 038 bekannte Bohrkopfkonstruktion ist daher für das Feinbohren bzw. messgesteuerte Feinbohren, für das ja eine präzise Steuerung der Bewegungen des inneren Bohrkopfgrundkörpers Voraussetzung ist, grundsätzlich nicht geeignet.
Aus der DE-OS 35 25 516 ist weiters eine, an der Stirnseite einer hohlen Bohrspindel direkt befestigte Werkzeugaufnahme mit einem zur Bohrspindeldrehachse koaxialen, äusseren Ringkörper bekannt, der über eine radiale, elastische, ringförmige Membrane in eine ins Innere der Bohrspindel ragende Büchse übergeht, an deren Vorderseite die Bohrstange befestigt ist und von deren Rückseite ein zur Bohrspindeldrehachse exzentrisches Zapfenende vorsteht, das in einer zur Bohrspindeldrehachse exzentrischen Auf-
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nahme einer zur Bohrspindeldrehachse koaxialen Lagerbüchse geführt ist, die im inneren der Bohrspindel drehbar gelagert und mit einer zur Bohrspindeldrehachse koaxialen, verdrehbaren Verstellstange drehfest verbunden ist.
Beim Verdrehen der Verstellstange führen die Aufnahme der an ihr befestigten Lagerbüchse und das in dieser aufgenommene Zapfenende der Büchse der Werkzeugaufnahme Exzenterbewegungen um die Bohrspindeldrehachse aus, bei denen sich Grösse und Richtung der Exzentrizität ständig ändern, sodass die durch diese Exzenterbewegungen des Zapfenendes der Büchse der Werkzeugaufnahme in der elastischen Membrane der Werkzeugaufnahme hervorgerufenen elastischen Verformungen nicht näher bestimmbar sind. Den äusseren Ringkörper mit der inneren Büchse verbindende, radiale Drehstäbe, die eine zur Bohrspindeldrehachse senkrechte Schwenkachse bilden könnten, sind bei dieser Werkzeugaufnahme nicht vorgesehen.
Aus der DE-OS 36 30 126 ist weiters eine Bohrvorrichtung bekannt, die einen, in einen Aufnahmekonus einer Bohrspindel einzusetzenden, hohlen, konischen Schaft und einen, mit seinem hinteren Ende in die Bohrung dieses Schaftes hineinragenden und sich an diesem an zwei Stellen abstützenden Werkzeugträger besitzt. Diese Bohrvorrichtung wird mit ihrem konischen Schaft in einen Aufnahmekonus einer Bohrspindel eingesetzt und in diesem durch eine, die Bohrspindel axial durchsetzende und in das hintere Schaftende eingeschraubte Zugstange festgespannt. Das vordere Schaftende ist als Befestigungsflansch für den Werkzeugträger ausgebildet. der sich an seinem hinteren Ende über eine Kugel auf einem in die Schaftbohrung eingeschraubten Gewindering und an seiner Mitte über einen Spannring am Befestigungsflansch abstützt.
Dieser Spannring weist einen am Befestigungsflansch angeschraubten äusseren Ringkörper auf, der über eine elastische ringförmige Membrane mit einem inneren Ringkörper verbunden ist, der sich mittels einer konischen Innenfläche an einer konischen Aussenfläche des Werkzeugträgers abstützt oder einstückig mit dem Werkzeugträger ausgebildet ist. Diese Bohrvorrichtung weist weder eine hohle Bohrspindel mit einer im Hohlraum der Bohrspindel angeordneten Verstelleinrichtung noch den äusseren Ringkörper des Spannringes mit dessen innerem Ringkörper verbindende radiale Drehstäbe auf, die eine zur Schaftachse senkrechte Schwenkachse bilden könnten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verstell-Bohrkopf mit grösserem Verstellbereich und einer für das messgesteuerte Feinbohren ausreichenden Steifigkeit anzugeben.
Dies wird bei einem Verstell-Bohrkopf der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass zwischen dem inneren Bohrkopfgrundkörper und dem ringförmigen, äusseren Bohrkopfgrundkörper, zusätzlich zu den beiden radialen, die beiden Bohrkopfgrundkörper miteinander verbindenden und eine zur Bohrspindeldrehachse senkrechte Schwenkachse bildenden, elastischen Drehstäben zumindest ein, beim Verschwenken des inneren Bohrkopfgrundkörpers um die beiden radialen Drehstäbe auf Zug beanspruchtes, zu den radialen Drehstäben im wesentlichen senkrecht angeordnetes, zusätzliches elastisches Verbindungselement vorgesehen ist.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung wird eine von den Drehstäben unabhängige Lagefixierung der Bohrkopfschwenkachse erreicht, die es erlaubt die von der Schwenkachse aufzunehmende Biege- und Torsionsbeanspruchung in von einander im wesentlichen unabhängig dimensionierbaren Bauelementen des Bohrkopfes aufzunehmen. Dadurch wird es möglich, den Torsionsquerschnitt der Drehstäbe zur Vergrösserung des Schwenkbereiches des inneren Bohrkopfgrundkörpers weiter als bisher zu verringern und die Biegesteifigkeit der Schwenkachse durch eine entsprechende Dimensionierung des jeweiligen auf Zug beanspruchten, zusätzlichen elastischen Verbindungselementes sicherzustellen bzw. weiter als bisher möglich zu vergrössern. Der erfindungsgemässe Verstell-Bohrkopf ermöglicht ein präziseres messgesteuertes Feinbohren mit einem vergrösserten Schwenkbereich.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung können zwischen dem inneren Bohrkopfgrundkörper und dem ringförmigen, äusseren Bohrkopfgrundkörper zwei einander diametral gegenüberliegende, zur Bohrspindeldrehachse radial angeordnete, zusätzliche elastische Verbindungselemente vorgesehen sein.
Diese Ausbildung ist insbesonders bei Verstell-Bohrköpfen mit einander diametral gegenüberliegenden Schneidwerkzeugen von Vorteil.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann zwischen dem inneren Bohrkopfgrundkörper und dem ringförmigen, äusseren Bohrkopfgrundkörper als zusätzliches elastisches Verbindungselement zumindest eine dünne, scheibenförmige, elastische Membrane vorgesehen sein. Durch diese Ausbildung wird eine weitere Steigerung der Biegesteifigkeit der Schwenkachse ermöglicht, ohne deren Torsionssteifigkeit zu erhöhen.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die elastische Membrane mit den beiden Drehstäben und den beiden Bohrkopfgrundkörpern einstückig ausgebildet sein, wobei die beiden Drehstäbe aus der scheibenförmigen Membrane an deren Vorder- und Rückseite gleich weit herausragen.
Vorteilhafterweise kann die elastische Membrane nur 0, 6 mm bis 1, 2 mm dick sein.
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Die erfindungsgemässe Ausbildung des Verstell-Bohrkopfes erlaubt eine Vergrösserung des Verstellbereiches bei gleichzeitiger Optimierung der Steifigkeit, sodass mit ein und demselben Bohrkopf nicht nur ein Abheben der Werkzeugschneide zur Vermeidung von Rückzugsriefen und ein Kompensieren der Schneidenabnützung durch messgesteuertes Nachstellen möglich ist, sondern auch ein gezieltes Anfahren eines definierten Durchmessers und darüberhinaus ein noch weitergehendes Verschwenken des inneren Bohrkopfgrundkörpers zum Fasen bzw. Hinterdrehen. Durch die vorliegende Erfindung können Bohrungen der Toleranzklasse IT 7 und kleiner mit Fasen oder Hinterdrehungen am Ende der Bohrungen mit einem einzigen Bohrkopf messgesteuert feingebohrt werden.
Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 einen auf einer Bohrspindel befestigten Bohrkopf mit aufgesetztem Werkzeugträger beim Feinbohren einer Bohrung eines Werkstückes im Aufriss und Fig. 2 eine Stirnansicht des Bohrkopfes ohne Werkzeugträger.
Fig. 1 zeigt schematisch den vorderen Abschnitt einer hohlen Bohrspindel 1, die in einem Spindelgehäuse 2 über Lager 3 um eine horizontale Bohrspindel-Drehachse 4 drehbar gelagert ist und an ihrem vorderen Ende 5 einen Verstell-Bohrkopf 6 trägt, der mit dem an seiner Vorderseite angebrachten Werkzeugträger 7 in die Bohrung 8 eines stillstehenden Werkstückes 9 ragt. Der Werkzeugträger 7 trägt ein Schneidwerkzeug 10 zum Bearbeiten der Bohrung 8 und ein diesem diametral gegenüberliegendes Schneidwerkzeug 11 zum Bearbeiten der Hinterdrehung 12 an dem von der Bohrspindel 1 abgewandten Ende der Bohrung 8.
Der Verstell-Bohrkopf 6 weist einen zur Bohrspindeldrehachse 4 koaxialen, ringförmigen, äusseren Bohrkopfgrundkörper 13 und einen von diesem umgebenen und gegenüber diesem elastisch verschwenkbaren inneren Bohrkopfgrundkörper 14 auf, an dessen Vorderseite der die Schneidwerkzeuge 10, 11 tragende Werkzeugträger 7 befestigt ist. Der äussere Bohrkopfgrundkörper 13 ist an seiner zum vorderen Ende 5 der Bohrspindel 1 weisenden Rückseite mittels einer Zentrierschulter 15 auf das vordere Ende 5 der Bohrspindel 1 aufgesetzt und an diesem mit vier um die Bohrspindeldrehachse 4 gleichmässig verteilten axialen Befestigungsschrauben 16 befestigt.
Der zylindrisch ausgebildete innere Bohrkopfgrundkörper 14 weist an seinem vorderen Ende eine Aufnahme 17 für den Werkzeugträger 7 und an seinem in die hohle Bohrspindel 1 hineinragenden hinteren Ende einen Eingriffsabschnitt 18 auf, der mittels eines Führungssteines 19 in einem, mit zur Bohrspindeldrehachse 4 geneigt verlaufenden Führungsflächen 20 versehenen Gabelstück 21 einer, in der Innenbohrung der Bohrspindel 1 verschiebbaren, zur Bohrspindeldrehachse 4 koaxialen Gabelstück-Zugstange 21 geführt ist.
In dem ringförmigen Zwischenraum zwischen den beiden Bohrkopfgrundkörpern 13, 14 sind diese miteinander verbindende, elastisch deformierbare Elemente angeordnet. Diese elastisch deformierbaren Elemente bestehen einerseits aus zwei radialen Drehstäben 23, 24, die längs eines Bohrkofdurchmessers einander diametral gegenüberliegen und eine zur Bohrspindeldrehachse 4 senkrechte Schwenkachse 25 für den inneren Bohrkopfgrundkörper 14 definieren, und anderseits aus zwei zu beiden Seiten dieser Schwenkachse 25 angeordneten, in einer zur Bohrspindeldrehachse 4 senkrechten Ebene liegenden elastischen Verbindungselementen 26,27, welche beim Verschwenken des inneren Bohrkopfgrundkörpers 14 gegen- über dem äusseren Bohrkopfgrundkörper 13 auf Zug beansprucht werden und als dünne elastische Membranen ausgebildet sind.
Je nach den jeweiligen Anforderungen an den erfindungsgemässen Verstell-Bohrkopf können zwischen den beiden Bohrkopfgrundkörpern 13, 14 ein oder mehrere beim Verschwenken des inneren Bohrkopfgrundkörpers 14 gegenüber dem äusseren Bohrkopfgrundkörper 13 auf Zug beanspruchte, zu den Drehstäben 23, 24 und zur Bohrspindeldrehachse 4 im wesentlichen senkrecht angeordnete elastische Verbindungselemente 26, 27 vorgesehen sein. Diese elastischen Verbindungselemente können als mit den Drehstäben 23, 24 und den beiden Bohrkopfgrundkörpern 13, 14 einstückige, scheibenförmige, federnde Membranen ausgebildet sein. Eine solche, bei unverschwenktem inneren Bohrkopfgrundkörper 14 ebene Membrane kann in einer zur Bohrspindeldrehachse 4 senkrechten, mit den Mittelachsen der beiden Drehstäbe 23, 24, oder mit deren Vorder- oder Rückseiten fluchtenden Ebene liegen.
In den Zeichnungen ist eine Ausführungsform des Verstell-Bohrkopfes 6 dargestellt, bei der die als elastische Membranen ausgebildeten, beim Verschwenken des inneren Bohrkopfgrundkörpers 14 jeweils auf Zug beanspruchten, elastischen Verbindungselemente 26, 27 in der die Mittelachsen der die Schwenkachse 25 bildenden Drehstäbe 23, 24 enthaltenden zur Bohrkopfachse bzw. zu Bohrspindeldrehachse senkrechten Radialebene angeordnet sind, sodass die beiden Drehstäbe 23, 24 mit ihren Vorder- und Rückseiten aus den Membranen axial gleich weit herausragen.
Dieser Verstell-Bohrkopf 6 wird bevorzugterweise aus einem Stück hergestellt, wobei der vom zylindrischen inneren Bohrkopfgrundkörper 14 nach aussen radial vorspringende im wesentlichen scheibenförmige Teil des Bohrkopfes von hinten und von vorne so gefräst wird. dass aussen der kreisringförmige äussere Bohrkopfgrundkörper 13 und innen zwischen den beiden Bohrkopfgrundkörpem 13, 14 nur mehr die beiden radialen Drehstäbe 23, 24 und die beiden als dünne, nur etwa 0, 8 mm dicke, ebene radiale
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