DE10026895A1

DE10026895A1 - Feinbohrwerkzeug

Info

Publication number: DE10026895A1
Application number: DE10026895A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Leifhelm
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: DE10026895C2

Abstract

Zur Herstellung hochgenauer Bohrungen ist es bekannt, Bohrstangen mit verstellbarer Schneide einzusetzen. Um hochformgenaue Bohrungen zu erhalten, ist eine Messung der Bohrlochgeometrie erforderlich, die möglichst während des Bohrvorganges erfolgen soll. DOLLAR A Es ist vorgesehen, neben der Bohrstange (4) Auslenkungssensoren (13) zur Feststellung der Auslenkung der Bohrstange (4) anzubringen, die während eines Feinbohrvorganges ohne Kontakt zum Werkstück (3) in das Bohrloch (2) einführbar sind. Hierfür sind die Sensoren (13) von Halteelementen (11) gehalten, die entlang der Bohrstange angeordnet und am Gehäuse (5) fixiert sind. Die Halteelemente (11) bieten somit ein von der Bohrstange (4) unabhängiges Bezugssystem. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist zudem mindestens ein Radiussensor (15) vorgesehen, der ebenfalls während des Feinbohrvorganges in das Bohrloch (2) einführbar ist. Damit können Radiusänderungen unabhängig von Auslenkungen der Bohrstange (4) festgestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Feinbohrwerkzeug (1) ist die Gestaltung von Bohrlöchern (2) mit anderer Geometrie als Zylinderform, z. B. konisch oder unrund, möglich. DOLLAR A Erzeugung hochgenauer Bohrungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Feinbohrwerkzeug, umfassend eine in einem Gehäuse unmittelbar oder mittelbar drehbar gelagerte Bohrstange, mindestens eine an der Bohrstange angeordnete, mittels einer Schneideverstellvorrichtung in zur Drehachse der Bohrstange radialer Richtung kontrolliert bewegbare Schneide und eine Messeinrichtung zur Feststellung von Auslenkungen der Bohrstange aus ihrer Ruhelage.

Für die Anfertigung hochgenauer Bohrungen wird die Mantelfläche einer groben Vorbohrung mit der Schneide eines Feinbohrwerkzeugs der eingangs genannten Art bearbeitet. Ein solches Feinbohrwerkzeug ist aus der DE 44 01 496 C2 bekannt. Bei diesem Stand der Technik ist die Schneide am vorderen Ende der Bohrstange angebracht, die ihrerseits an einem Schenkel eines u-förmigen Festkörpergelenks befestigt ist. Der andere Schenkel des Festkörpergelenks ist fest mit einer Werkzeugspindel oder einem Werkzeugträger verbunden. In der Werkzeugspindel bzw. in dem Werkzeugträger befindet sich ein Piezo-Translator, der mit dem die Bohrstange tragenden, elastisch beweglichen Schenkel gekuppelt ist. Mit einem Weg-Messglied ist die rela tive Auslenkung der beiden Schenkel des u-förmigen Festkörpergelenks feststellbar. Mit Aus lenkung des relativ zur Werkzeugspindel bzw. zum Werkzeugträger freien Schenkels wird auch die Bohrstange ausgelenkt und umgekehrt. Somit ist es möglich, mittels des Weg-Messgliedes Ungenauigkeiten im Lauf der Bohrstange festzustellen. Rundlaufabweichungen können z. B. durch geometrische Fehler der Maschinenspindel, durch das dynamische Verhalten (Schwingun gen) des Systems, durch Abdrängen des Werkzeugs durch die Bearbeitungskraft oder auch durch andere Einflüsse verursacht werden. Die mitrotierende Bearbeitungsschneide durchläuft eine entsprechende Flugbahn, so dass sich die Rundlaufabweichungen im Werkstück abbilden und Form- und Maßfehler ergeben. Mittels des Piezo-Translators ist es grundsätzlich möglich, den Rundlaufabweichungen durch kontrollierte Auslenkungen der Bohrstange entgegen zu wirken. Des weiteren können gezielt unrunde Bohrlöcher mit definierter Mantelgeometrie hergestellt werden.

Das vorgenannte Feinbohrwerkzeug hat allerdings den Nachteil, dass die Bewegung der Schneide allein durch Auslenkung der Bohrstange bewirkt wird. Mit der Bohrstange ist zwischen dem Piezo-Translator und der Schneide ein erheblicher Hebel gegeben. Durch evtl. auftretende Krümmungen der Bohrstange können Ungenauigkeiten hinsichtlich der Schneidenposition auf treten. Zudem ist das Weg-Messglied selbst in einem rotierenden Teil, nämlich in der Werkzeug spindel oder dem Werkzeugträger angeordnet, so dass Ungenauigkeiten im Rundlauf dieses Teils mit dem Sensor nicht festgestellt werden können.

Aus der DE 42 27 730 A1 ist ein Aufbohrkopf bekannt, der eine bewegliche Schneide zum Fer tigbohren sowie einen Messfühler aufweist. Mit der relativ zum Kopf beweglichen Schneide soll es möglich sein, definierte Geometrien der Bohrlöcher zu erzeugen, z. B. konische Bohrungen sowie Konturen und Auskammerungen oder Einstiche in den Bohrungen. Mit dem Messfühler können Abstände zwischen Bohrkopf und Bohrungswand festgestellt und die diesbezüglichen Signale zur Steuerung der Schneiden verwendet werden. Hierbei ist nachteilig, dass aufgrund des Fehlens eines geeigneten Bezugssystems mit dem Sensor nicht festgestellt werden kann, ob eine ungewollte Abstandsänderung zwischen Bohrkopf und Bohrlochwand aus einem Fehler im Werkstück oder aus einer Ungenauigkeit im Rundlauf des Bohrkopfes resultiert. Die radiale Schneidenbewegung soll über eine Zugstange mit einem Keil oder einer Zahnstange erfolgen, wobei die Zugstange die Bewegung, die durch einen Computer und z. B. einen Schrittmotor über eine Kugelumlaufspindel eingeleitet wird, überträgt. Es ist zu bezweifeln, dass diese Mechanik eine hinreichend genaue Regelung der Schneidenbewegung bei den gewünschten Drehzahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute erlaubt.

Des weiteren sind Systeme bekannt, bei denen Bohrlochbearbeitung und Vermessungen des Bohrloches nacheinander erfolgen. So weist das System M042 der Firma Komet (Friedrich, L. K., Die Maschine - dima, Band 48 (1994) Heft 3, S. 16-18) einen Feinverstellkopf für die Bohrungsbearbeitung und einen Messkopf für die Ermittlung der Bohrungsmaße an. Nach der Vorbearbeitung der Bohrung wird der Feinverstellkopf gegen den Messdorn ausgetauscht und mit diesem der Bohrungsdurchmesser ermittelt. Anschließend wird der Feinverstellkopf in die Werkzeugaufnahme zurückgewechselt. Die Werkzeugschneide wird um die mit dem Messdorn ermittelte Differenz zugestellt und die Bohrung in der Endbearbeitung auf den Solldurchmesser aufgebohrt. Hierdurch ist also ein zeitaufwendiger Werkzeugwechsel notwendig. Zur Kompensation möglicher Wechselfehler ist eine eigene Werkzeugvermessungseinrichtung vorgesehen, mit der der tatsächliche Flugkreis der Werkzeugschneide vor der Bearbeitung ermittelt werden kann.

Des weiteren ist ein Feinbohrwerkzeug der Firma Samson AG (Hirth, H., Schweizer Maschinenmarkt, Band 84 (1984) Heft 36, S. 36-39) bekannt, bei dem ein Bohrkopf mit einer Druckkammer vorgesehen ist, die durch einen unsymmetrischen Aufbau bei Druckbeaufschlagung an der Bohrstange relativ zur Drehachse ausschwenkt und damit die an der Bohrstange angeordnete Werkzeugschneide radial auslenkt. Die Rückstellung erfolgt durch die Federkraft der Druckkammer. Mit diesem System sollen Auslenkungen von 0,5 mm bis 1 mm erreicht werden. Das System ist für die Herstellung unrunder und/oder axial variabler Bohrungen konzipiert. Eine messtechnische Erfassung der Werkzeugschneidenauslenkung oder der Bohrungsgeometrie ist nicht vorgesehen.

Bei einem Feinbohrwerkzeug der Firma Mahle GmbH (PCT/DE89/00539 = WO 90/02010) ist eine Schneide in einem federnd gelagerten Schneidenhalter in der Bohrstange befestigt, wobei der Schneidenhalter über einen translatorisch wirkenden piezoelektrischen Stellmotor antreibbar ist. Die Antriebsrichtung verläuft senkrecht zur Zustellrichtung. Die Antriebskraft wirkt auf das eine Ende einer getrennt von dem Stellmotor gelagerten Schubstange, deren zweites Ende an dem Schneidenhalter befestigt ist. Der Stellweg des Piezoelements wird durch einen induktiven Messaufnehmer ermittelt und der Lageregelung zugeführt. Die tatsächliche Schneidenposition wird somit nur indirekt aufgenommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feinbohrwerkzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, das es erlaubt, unter Vermeidung der Nachteile des oben erwähn ten Standes der Technik Bewegungen der Bohrstange hochgenau festzustellen und während der Bearbeitung zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird bei einem Feinbohrwerkzeug der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Messeinrichtung mindestens zwei neben der Bohrstange, in Bezug auf die Ruhelängs achse der Bohrstange in unterschiedlichen radialen Richtungen angeordnete Auslenkungssenso ren umfasst, wobei die Auslenkungssensoren von jeweils einem oder einem gemeinsamen mit telbar oder unmittelbar am Gehäuse fixierten, entlang der Bohrstange angeordneten Halteelement gehalten und während eines Feinbohrvorganges ohne Kontakt zum Werkstück in das Bohrloch einführbar sind und die mindestens eine Schneide relativ zur Bohrstange bewegbar ist.

Aufgrund der von der Drehbewegung der Bohrstange unabhängigen Halteelemente können mit den Sensoren Ungenauigkeiten im Lauf der Bohrstange in Bezug auf das Gehäuse bestimmt werden. Es ist vorteilhaft, die Sensoren um 90° versetzt zueinander anzuordnen, so dass die Bohrstangenbewegung in zwei zueinander senkrechten Ebenen festgestellt werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, mit einer anderen Verteilung der Sensoren den Lauf der Bohrstange hinreichend komplett zu erfassen. Die Geometrie der Bohrstange und des mindestens einen Halteelements sowie der Schneidenposition sind derart vorgesehen, dass der von der Schneide vorgegebene Bohrradius den größten Abstand zwischen der Ruhedrehachse der Bohr stange und der Außenwand des Halteelements bzw. der Halteelemente übersteigt. Da das min destens eine Halteelement somit ohne weiteres in das Bohrloch eingeführt werden kann, ist es möglich, die die Bohrstange kontrollierenden Sensoren in großer Nähe zur Schneide und damit zum vorderen Bohrstangenende zu platzieren, wo Auslenkungen der Bohrstange die stärksten Auswirkungen haben. Mit den Messsignalen der Auslenkungssensoren ist die Lage der Schneide bei bekannter Stellung relativ zur Längsachse der Bohrstange zu jedem Zeitpunkt berechenbar. Die gemessenen Abweichungen von der Sollflugbahn der Schneide können durch geeignete Auswertealgorithmen zur Korrektur der Schneidenposition mittels der Schneideverstellvorrich tung genutzt werden.

Das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug kann auch so ausgebildet sein, dass zusätzlich min destens ein neben der Bohrstange angeordneter Radiussensor zur Bestimmung des Bohrungsra dius vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Radiussensor an einem mittelbar oder unmittel bar am Gehäuse fixierten, entlang der Bohrstange angeordneten Halteelement gehalten und wäh rend eines Feinbohrvorganges ohne Kontakt zum Werkstück in das Bohrloch einführbar ist.

Der Radiussensor misst den Abstand von seinem Stützpunkt am Halteelement zur erzeugten Bohrungsmantelfläche, gibt also Auskunft über den tatsächlich hergestellten Bohrungsradius, der z. B. durch Verschleiß der Schneide abnehmen kann. Der Schneidenverschleiß kann über eine Beobachtung der Rundlaufabweichung der Bohrstange nicht festgestellt werden. Eine Radiusab nahme aufgrund des Schneidenverschleißes kann durch eine entsprechendes Ausfahren der Schneide relativ zur Bohrstange kompensiert werden. Mit Hilfe des Radiussensors kann des Weiteren eine durch die Zerspankraft des Feinbohrwerkzeugs bedingte Auffederung einer nachgiebigen Bohrungswandung festgestellt werden. Ohne besondere Maßnahmen würde der nachgiebige Teil der Bohrungswandung vom Zerspandruck befreit zurückfedern, so dass an dieser Stelle der gewünschte Bohrradius unterschritten würde. Es ist jedoch möglich, durch eine gezielte Anpassung der Schneidenposition an entsprechender Stelle, nämlich durch ein Verfahren der Schneide nach radial außen, der Bewegung der Bohrungswand zu folgen und damit die gewünschte Bohrungsgeometrie zu erreichen.

Dabei kann es vorteilhaft sein, zur Radiusbestimmung das Messsignal des Sensors über dessen aktive Fläche zu mitteln. Damit ist es möglich, einen von der Oberflächenrauheit weitgehend unbeeinflussten Grundradius zu messen. Für die Ermittlung der genauen Bohrungsform kann dem gemessenen Grundradius die Bewegungsabweichung der Schneide aufgrund der Auslen kungen der Bohrstange überlagert werden. Da die Bohrungsgeometrie auf diese Weise hochge nau während der Bearbeitung festgestellt werden kann, ist auch eine Kompensation während der Bearbeitung möglich. Bei Rundlauffehlern unterscheidet man zwischen Abweichungen, die bei jeder Umdrehung in gleicher Weise auftreten, (wiederholbare oder synchrone Fehler) und solchen, die nicht bei jeder Umdrehung in gleicher Form auftreten (nicht-wiederholbare oder asynchrone Fehler). Die wiederholbaren Fehler weisen eine Frequenz auf, die ein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz der Spindel ist, und beeinflussen die Formgenauigkeit. Die nicht wiederholbaren Abweichungen hingegen weisen kein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz auf und beeinflussen die Oberflächenrauhigkeit. Wenn die Bewegungsabweichungen der Spindel drehzahlunabhängig im Zeitbereich betrachtet werden, können alle deterministischen Frequenzen, also alle nichtzufälligen Bohrschaftsverlagerungen, kompensiert werden. Somit können Steuerungsalgorithmen eingesetzt werden, die sowohl den Formabweichungen als auch der Oberflächenrauhigkeit entgegenwirken können. Ein solcher Algorithmus ist für spanabhebende Werkzeugmaschinen aus der DE 196 30 694 A1 bekannt. Dabei werden die die Verlagerungen an ihrer Wirkstelle zwischen Werkzeug und Werkstück unmittelbar bestimmenden Störgrößen ermittelt und aus den Störgrößen ein mathematisches Prozessmodel generiert, auf dessen Basis die nicht-statistischen Anteile der Störgrößen generiert werden. Auf der Basis dieses Prozessmodels wird eine voreilende Schätzung des zukünftigen Verhaltens der an der Wirkstelle auftretenden Störgröße vorgenommen und entsprechend diesem zukünftigen Störgrößenverhalten die Kompensation der Verlagerung gesteuert. Dieses Prädiktionsverfahren kann aufgrund der in der vorliegenden Erfindung gegebenen Sensorik erstmals auch für Bohrungen angewendet werden.

Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug so auszubilden, dass das Halteelement für den mindestens einen Radiussensor mit dem Halteelement oder einem der Hal teelemente für die Auslenkungssensoren identisch ist.

Beispielsweise kann eine zylindrische Hülse vorgesehen sein, die an ihrem oberen Ende am Ge häuse angebracht ist und an ihrem unteren, nahe der Schneide befindlichen Ende auf der Innenseite die Auslenkungssensoren und auf der Außenseite den mindestens einen Radiussensor aufweist.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, dass erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug so auszubilden, dass es Mittel zur kontrollierten Bewegung des mindestens einen Radiussensors auf einer zur Ruhelängsachse der Bohrstange konzentrischen Kreisbahn aufweist.

Hierdurch ist es möglich, mit einem einzigen Radiussensor den gesamten Umfang oder einen bestimmten Umfangsabschnitt des Bohrungsmantels abzutasten. Falls die Abtastung des gesam ten Umfangs erwünscht ist, lassen sich auf diese Weise zahlreiche Radiussensoren einsparen. Die Bewegung kann über ein Antriebselement erfolgen, das zwischen dem Halteelement und dem Gehäuse angeordnet ist. Es kann sinnvoll sein, unterschiedliche Halteelemente für den mindestens einen Radiussensor und die Auslenkungssensoren vorzusehen, so dass die Auslenkungssensoren in ihrer Position verbleiben können, während der mindestens eine Radiussensor bewegt wird. Es kann auch vorgesehen sein, mehrere Radiussensoren, z. B. drei, vorzusehen und die Bewegung des Halteelements nicht um volle 360° sondern nur zu einem Bruchteil, im vorliegenden Beispiel um 120°, durchzuführen. In diesem Fall führt das Halteelement eine Hin- und Herdrehung um die Ruhelängsachse der Bohrstange durch.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug so auszubilden, dass die Auslenkungssensoren und/oder der mindestens eine Radiussensor Wirbelstromsensoren sind.

Wirbelstromsensoren sind weitgehend unempfindlich gegen Schmutz und Kühlschmiermittel im Messspalt und daher vorliegend besonders geeignet.

Das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug kann auch so ausgebildet sein, dass die Schneidever stellvorrichtung ein Piezoelement umfasst.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug so ausgebildet sein, dass das Piezo element in der Bohrstange angeordnet und die Hubrichtung des Piezoelements parallel zur Längsachse der Bohrstange ist.

In diesem Fall muss der Hub um 90° in die radiale Richtung der Schneidenbewegung umgelenkt werden. Wegen der gegebenen Längsausdehnung von Piezoelementen würde eine Ausrichtung desselben mit der Längsachse in zur Bohrstange radialer Richtung einen entsprechenden Durchmesser der Bohrstange erfordern, so dass das System für Bohrungen mit kleinen Radien gegebenenfalls nicht einsetzbar wäre. Zudem würden bei den gegebenen hohen Umdrehungszahlen unerwünschte Fliehkräfte erzeugt, die die Rundlaufeigenschaften der Bohrstange negativ beeinflussen könnten.

Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug so auszubilden, dass der Hub des Piezoelements mittels mindestens eines Festkörpergelenks in Richtung der radialen Schnei denbewegung umgelenkt ist.

Das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug kann auch so ausgebildet sein, dass der Hub des Pie zoelements mittels einer Hydraulik in Richtung der radialen Schneidenbewegung umgelenkt ist.

Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug so ausgebildet sein, dass zusätzlich ein Sensor für die radiale Schneidenposition relativ zur Längsachse der Bohrstange vorgesehen ist. Hierdurch ist eine exakte Regelung der Schneidenposition möglich. Die Signalübertragung von der Bohrstange auf einen Messwertaufnehmer sowie die Versorgung des Sensors mit elektrischer Energie kann über Schleifkontakte oder auch berührungslos, z. B. induktiv, erfolgen. Der Sensor selbst kann eine Messbrücke aus Dehnungsmessstreifen sein oder berührungslos induktiv oder kapazitiv arbeiten. Für eine berührungslose Signalübertragung können die vom Sensor ausgehenden Messsignale durch einen Analog/Digitalwandler digitalisiert werden.

Das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug kann auch so ausgebildet sein, dass an der Bohrstange der mindestens einen Schneide gegenüberliegend eine Stützleiste zur Abstützung der Bohrstange an der Bohrungswand vorgesehen ist. Hierdurch kann die Bohrstange zum Erreichen guter Rundlaufeigenschaften stabilisiert werden.

Schließlich kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Feinbohrwerkzeug so auszubilden, dass ein Kühlmittel zur Kühlung der mindestens einen Schneide und des Werkstückes gleichzeitig zur Kühlung des Piezoelements dient. Hierfür kann es vorgesehen sein, die Kühlmittelzuleitung nahe am Piezoelement vorbeizuführen.

Im Folgenden werden vorteilhafte Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Feinbohrwerk zeugs anhand von Figuren beschrieben.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 im seitlichen Querschnitt und ausschnittsweise das Feinbohrwerkzeug beim Ein satz in einem Bohrloch,

Fig. 2 eine Anordnung mit Festkörpergelenken zur Umlenkung des Hubs eines Piezo elements,

Fig. 3 eine weitere Anordnung mit Festkörpergelenken zur Hubumlenkung,

Fig. 4 eine Hydraulikanordnung zur Hubumlenkung und

Fig. 5 im seitlichen Querschnitt eine alternative Ausbildungsform des Feinbohrwerk zeugs.

Fig. 1 zeigt schematisch im seitlichen Querschnitt ausschnittsweise ein Feinbohrwerkzeug 1 beim Einsatz in einem Bohrloch 2 eines Werkstückes 3. Eine Bohrstange 4 ist drehbar in einem nur zum Teil gezeigten Gehäuse 5 des Feinbohrwerkzeugs 1 gelagert. Die Lagerung kann auch mittelbar über eine hier nicht dargestellte drehbar im Gehäuse 5 gelagerte Spannvorrichtung erfolgen, in die die Bohrstange auswechselbar eingespannt werden kann. Die Bohrstange 4 wird mittels induktiver Leistungsübertragung über Stator 6 und Rotor 7 angetrieben. Alternativ kann die Leistungsübertragung über Schleifkontakte erfolgen. Am bohrseitigen Ende der Bohrstange 4 befindet sich der Bohrkopf 8, der eine radial nach außen wirkende Schneide 9 aufweist. Die Schneide 9 ist mittels eines in Fig. 1 nicht dargestellten Piezoelements 10 (siehe Fig. 2 bis 4) in radialer Richtung kontrolliert bewegbar. Auf die Art und Weise der Schneidenbewegung wird in der Beschreibung der Fig. 2 bis 4 näher eingegangen.

Konzentrisch um die Bohrstange 4 herum ist eine Hülse 11 angeordnet, die am Gehäuse 5 befes tigt ist. Die Hülse 11 erstreckt sich nahezu bis zum Bohrkopf 8 und weist einen Außendurchmes ser auf, der den durch die Schneide 9 vorgegebenen Bohrradius unterschreitet. Die Hülse 11 ist somit beim Bohrvorgang in das Bohrloch 2 einführbar. Auf der Innenwand 12 der Hülse 11 sind zwei Auslenkungssensoren 13 angeordnet, von denen in Fig. 1 nur einer zu sehen ist. Der zweite Auslenkungssensor ist in gleicher axialer Höhe in einer zur radialen Richtung des ersten Auslenkungssensors senkrechten Radialrichtung angebracht. Mit den Auslenkungssensoren 13 lassen sich Auslenkbewegungen der Bohrstange 4 relativ zur Hülse 11 feststellen. Die beschrie bene Anordnung der Auslenkungssensoren 13 in zueinander senkrechten radialen Richtungen ermöglicht die Bestimmung der Auslenkbewegungen der Bohrstange 4 in der zur Längsachse der Bohrstange 4 orthogonalen Ebene, womit sich jede Auslenkbewegung eindeutig bestimmen lässt. Die Auslenkungssensoren 13 sind nahe am Bohrkopf 8 angebracht, da sich dort die Auslenkungen am stärksten auswirken.

An der Außenwand 14 der Hülse 11 ist ein Radiussensor 15 vorgesehen, mit dem der Abstand der Außenwand 14 zur Mantelfläche 16 des Bohrloches 2 festgestellt wird. Mit gegebenem Au ßenradius der Hülse 11 kann also mit dem Radiussensor 15 der aktuelle Radius des Bohrloches festgestellt werden. Die Radiusbestimmung erfolgt dabei durch Mittelung über einen endlichen Teil der Mantelfläche 16, so dass mikroskopische Oberflächenrauhigkeiten weggemittelt werden. Sowohl die Auslenkungssensoren 13 als auch der Radiussensor 15 sind berührungslos arbeitende Wirbelstromsensoren, die weitgehend unempfindlich gegenüber Schmutz und Kühlschmierstoff im Messspalt sind.

Durch die Hülse 11 ist ein Bezugssystem für die Radiusmessung und die Auslenkungsmessung gegeben. Zur Feststellung der Bohrlochgeometrie wird dem mit dem Radiussensor 15 gemesse nen Grundradius die über die Auslenkungssensoren 13 festgestellte Werkzeugbewegung überla gert. Aus den festgestellten Daten lassen sich Aussagen zum zu erwartenden Auslenkungsver halten der Bohrstange 5 bei den nächsten Umdrehungen treffen. Alle nichtzufälligen Auslenkun gen der Bohrstange 4 können aufgrund ihrer Vorhersagbarkeit mittels geeigneter Bewegung der Schneide 9 kompensiert werden. Hierdurch können Rundlauffehler weitgehend vermieden und gewünschte Bohrlochgeometrien hochgenau realisiert werden.

Die Feststellung des Grundradius mittels des Radiussensors 15 lässt zudem einen den Bohrloch radius verringernden Verschleiß der Schneide 9 erkennen. Durch entsprechendes Ausfahren der Schneide 9 kann der Verschleiß kompensiert und eine unerwünschte konische Form der Bohrung verhindert werden. Des Weiteren erlaubt der Radiussensor 15 die Detektion einer durch den Zerspandruck des Feinbohrwerkzeugs 1 bewirkte Auffederung einer nachgiebigen Stelle in der Bohrungswand. Eine Kompensation der Auffederung mittels gezielter Anpassung der radialen Position der Schneide 9 ist möglich.

Die hochdynamisch verstellbare Schneide 9 erlaubt jedoch auch die gezielte Herstellung von Bohrlochgeometrien, die von der Zylinderform abweichen. Es ist möglich, konische Bohrlöcher herzustellen, aber auch Abweichungen von der runden Form, z. B. Auskammerungen und Strukturierungen. Die Auslenkungssensoren 13 und der Radiussensor 15 erlauben eine Regelung der Schneidenposition zu diesem Zweck. Hierfür kann auch ein hier nicht dargestellter Schneidensensor zur Bestimmung der radialen Position der Schneide 9 relativ zur Bohrstange 4 vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Umlenkeinrichtung für den Hub des Piezoelements 10, das in Fig. 2 nur zum Teil dargestellt ist. Der durch den Pfeil angedeutete Hub des Piezoelements 10 ist parallel zur Längsachse der Bohrstange 4, weshalb dieser Hub zur Bewegung der in Fig. 2 nicht dargestellten Schneide 9 um 90° umgelenkt werden muss. Der Umlenkmechanismus setzt sich zusammen aus einem Umlenkelement 17 und einer Blattfeder 18. Das Umlenkelement 17 ist am Bohrkopf 8 fixiert und weist ein erstes Festkörpergelenk 19 auf, das einen fixierten Teil 20 und einen beweglichen Teil 21 miteinander verbindet. Der bewegliche Teil 21 des Um lenkelements 17 ist über ein zweites Festkörpergelenk 22 mit der Blattfeder 18 verbunden, das am Bohrkopf 8 fixiert ist und in radialer Richtung federn kann. An der Blattfeder 18 ist - in Fig. 2 nicht sichtbar - die Schneide 9 fixiert. Alternativ könnte die Schneide 9 im Bohrkopf 8 auch mittels Wälzkörpern oder auf hydrostatische oder aerostatische Weise gelagert sein.

Fig. 3 zeigt eine alternative Form der Hubumlenkung. Wie in Fig. 2 wird auch hier der Hub des Piezoelements 10 auf eine Blattfeder 23 umgelenkt, die in radialer Richtung federnd am Bohrkopf 8 fixiert ist. Das Piezoelement 10 drückt auf ein Aufnahmeelement 24, das über je ein Festkörpergelenk 25 und 26 mit zwei Mittelstücken 27 und 28 verbunden ist. Das Mittelstück 28 ist über ein weiteres Festkörpergelenk 29 mit der Blattfeder 23 verbunden. Das Mittelstück 27 ist über ein weiteres Festkörpergelenk 30 mit einem Abstützelement 31 verbunden, das am Bohrkopf 8 fixiert ist.

Die Rückstellkräfte der betroffenen Festkörpergelenke 19, 22, 25, 26, 29 und 30 bewirken so wohl bei der Konstruktion gemäß Fig. 2 als auch bei der Ausbildungsform gemäß Fig. 3 ein Zurückfahren der Schneide in Richtung auf die Längsachse der Drehstange, sobald das Piezo element 10 hierfür den Weg freigibt. Darüber hinaus können auch hier nicht dargestellte zusätzliche Rückstellelemente, z. B. Federn, vorgesehen werden.

Fig. 4 zeigt schematisch eine hydraulische Hubumlenkung. Das Piezoelement 10 ist in der Bohrstange 4 fixiert. Der Hub des Piezoelements wirkt auf ein Federelement 32, das ein Hyd rauliksystem 33 abdeckt. Durch den im Hydrauliksystem 33 erzeugten Druck wird ein weiteres Federelement 32 nach radial außen ausgebeult und bewirkt somit einen radial gerichteten Hub eines Schubelements 35, das über ein Festkörpergelenk 36 am Bohrkopf 8 gehalten ist. Am Schubelement 35 ist die hier nicht dargestellte Schneide 9 fixiert. Eine Bewegung der Schneide 9 in Richtung auf die Längsachse der Bohrstange 4 zu wird durch die Rückstellkraft des Festkörpergelenks 36 bewirkt, sobald das Piezoelement 10 eine Rückstellung der Federelemente 32 und 34 zulässt.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Feinbohrwerkzeugs 1. Gegenüber der Ausbildungsform gemäß Fig. 1 unterscheidet sich der Gegenstand der Fig. 5 durch eine höhere Anzahl von Radiussensoren 15, die in gleichmäßigen Abständen auf der Au ßenwand 14 der Hülse 11 angeordnet sind. Die vorgesehenen acht Radiussensoren 15 reichen allerdings noch nicht aus, die Mantelfläche 16 des Bohrloches 2 in der gegebenen axialen Höhe lückenlos abzutasten. Hierfür ist die Hülse 11 über ein Lager 37 drehbar am Gehäuse 5 gelagert. Die Drehung kann über ein hier nicht dargestelltes Antriebselement kontrolliert durchgeführt werden. Bei acht Radiussensoren 15 ist eine Drehung um etwa 45° sinnvoll, die abwechselnd in den beiden möglichen Drehrichtungen durchgeführt wird. Mit dieser oszillierenden Drehbewe gung ist nun eine Erfassung des kompletten Umfangs möglich.

Bezugszeichenliste

1

Feinbohrwerkzeug

2

Bohrloch

3

Werkstück

4

Bohrstange

5

Gehäuse

6

Stator

7

Rotor

8

Bohrkopf

9

Schneide

10

Piezoelement

11

Hülse

12

Innenwand

13

Auslenkungssensor

14

Außenwand

15

Radiussensor

16

Mantelfläche

17

Umlenkelement

18

Blattfeder

19

Festkörpergelenk

20

fixierter Teil

21

beweglicher Teil

22

Festkörpergelenk

23

Blattfeder

24

Aufnahmeelement

25

Festkörpergelenk

26

Festkörpergelenk

27

Mittelstück

28

Mittelstück

29

Festkörpergelenk

30

Festkörpergelenk

31

Abstützelement

32

Federelement

33

Hydrauliksystem

34

Federelement

35

Schubelement

36

Festkörpergelenk

37

Lager

Claims

1. Feinbohrwerkzeug, umfassend

a) eine in einem Gehäuse (5) unmittelbar oder mittelbar drehbar gelagerte Bohrstange (4),
b) mindestens eine an der Bohrstange (4) angeordnete, mittels einer Schneideverstellvorrichtung in zur Drehachse der Bohrstange (4) radialer Richtung kontrolliert bewegbare Schneide (9) und
c) eine Messeinrichtung zur Feststellung von Auslenkungen der Bohrstange (4) aus ihrer Ruhe lage,

dadurch gekennzeichnet, dass

1. die Messeinrichtung mindestens zwei neben der Bohrstange (4), in Bezug auf die Ruhelängs achse der Bohrstange (4) in unterschiedlichen radialen Richtungen angeordnete Auslen kungssensoren (13) umfasst, wobei die Auslenkungssensoren (13) von jeweils einem oder einem gemeinsamen mittelbar oder unmittelbar am Gehäuse (5) fixierten, entlang der Bohr stange (4) angeordneten Halteelement (11) gehalten und während eines Feinbohrvorganges ohne Kontakt zum Werkstück in das Bohrloch einführbar sind und
2. die mindestens eine Schneide (9) relativ zur Bohrstange (4) bewegbar ist.

2. Feinbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens ein neben der Bohrstange (4) angeordneter Radiussensor (15) zur Bestimmung des Bohrungsradius vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Radiussensor (15) an einem mittelbar oder unmittelbar am Gehäuse (5) fixierten, entlang der Bohrstange (4) angeordneten Halteele ment (11) gehalten und während eines Feinbohrvorganges ohne Kontakt zum Werkstück in das Bohrloch einführbar ist.

3. Feinbohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (11) für den mindestens einen Radiussensor (15) mit dem Halteelement (11) oder einem der Halteelemente für die Auslenkungssensoren (13) identisch ist.

4. Feinbohrwerkzeug nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch Mittel zur kontrollierten Bewegung des mindestens einen Radiussensors auf einer zur Ruhelängsachse der Bohrstange (4) konzentrischen Kreisbahn.

5. Feinbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungssensoren (13) und/oder der mindestens eine Radiussensor (15) Wirbel stromsensoren sind.

6. Feinbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneideverstellvorrichtung ein Piezoelement (10) umfasst.

7. Feinbohrwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoele ment (10) in der Bohrstange (4) angeordnet und die Hubrichtung des Piezoelements (10) parallel zur Längsachse der Bohrstange (4) ist.

8. Feinbohrwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des Piezoelements (10) mittels mindestens eines Festkörpergelenks (19, 22, 25, 26, 29, 30) in Richtung der radialen Schneidenbewegung umgelenkt ist.

9. Feinbohrwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des Piezoelements (10) mittels einer Hydraulik (33) in Richtung der radialen Schneidenbewegung umgelenkt ist.

10. Feinbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Sensor für die radiale Schneidenposition relativ zur Längsachse der Bohrstange (4) vorgesehen ist.

11. Feinbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Bohrstange (4) der mindestens einen Schneide gegenüberliegend eine Stützleiste zur Abstützung der Bohrstange (4) an einer Bohrungswand vorgesehen ist.

12. Feinbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bohrstange (4) eine Kühlmittelzuleitung vorgesehen ist.

13. Feinbohrwerkzeug nach Anspruch 12 mit Rückbezug auf Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel zur Kühlung der mindestens einen Schneide (9) und des Werkstückes gleichzeitig zur Kühlung des Piezoelements (10) dient.