-
Werkzeugkopf
insbesondere für
Maschinen zur Herstellung von Gewindeanschlüssen an Rohrenden.
-
Beispielsweise
Gas- und Ölfeldrohre
weisen an ihren Enden konische Gewindeanschlüsse auf. Um diese zu erzeugen
werden rotierende Werkzeugköpfe
eingesetzt, bei denen während
der Bearbeitung an dem Werkzeugkopf angeordnete Werkzeugschieber
radial zugestellt werden. Ein derartiger Werkzeugkopf für Rohrgewindeschneidmaschinen ist
beispielsweise aus der
DE
44 28 049 A1 bekannt. Der dort offenbarte Werkzeugkopf
weist drei Paare von miteinander gekoppelten Werkzeugschiebern auf.
Innerhalb der Paare von Werkzeugschiebern sind zwei Werkzeugschieber
derart miteinander gekoppelt, daß, wenn der eine Werkzeugschieber
radial nach innen verstellt wird, der zweite Werkzeugschieber um
das gleiche Maß radial
nach außen
verstellt wird. Die radiale Verstellung der Werkzeugschieber erfolgt
durch eine Schubstange, welche über
eine Schrägverzahnung
mit einem der beiden Werkzeugschieber in Eingriff ist. Der zweite
Werkzeugschieber wird durch die Kopplung mit dem ersten Werkzeugschieber
entgegengesetzt zu diesem bewegt. Durch die Kopplung der beiden
Werkzeugschieber wird erreicht, daß die auf die Werkzeugschieber
wirkenden Zentrifugal- bzw. Fliehkräfte in einem gewissen Maß kompensiert
werden. Diese Kompensation ist jedoch ungenügend, weil sich bei radialer
Verstellung der Werkzeugschieber die auf die Werkzeugschieber wirkenden
Fliehkräfte ändern. Da
der erste Werkzeugschieber sich radial nach innen bewegt und der
zweite Werkzeugschieber sich gleichzeitig radial nach außen bewegt,
nimmt die auf den ersten Werkzeugschieber wirkende Fliehkraft ab;
während
die auf den zweiten Werkzeugschieber wirkende Fliehkraft zunimmt.
In diesem Zustand sind die Fliehkräfte somit nicht mehr im Gleichgewicht.
Aus diesem Grund sind bei dem bekannten Werkzeugkopf immer noch
große Verstellkräfte zum
radialen Verstellen der Werkzeugschieber erforderlich, um die auftretenden
Fliehkräfte zu überwinden.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Werkzeugkopf mit einer verbesserten
Kompensation einer auf einen Werkzeugschieber wirkenden Zentrifugalkraft
zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Werkzeugkopf mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst.
-
Der
erfindungsgemäße Werkzeugkopf
eignet sich insbesondere zur Herstellung von Gewindeanschlüssen an
Rohrenden und weist zusätzlich
zu zumindest einem radial bezüglich
der Rotationsachse des Werkzeugkopfes verstellbaren Werkzeugschieber
ein Ausgleichsgewicht auf. Das Ausgleichsgewicht ist schwenkbar
um eine Drehachse und über eine
Getriebeeinrichtung mit dem radial verstellbaren Werkzeugschieber
gekoppelt. Die Drehachse des Ausgleichsgewichtes ist beabstandet,
d.h. radial beabstandet zu der Rotationsachse des Werkzeugkopfes
angeordnet. Das Ausgleichsgewicht weist einen Schwerpunkt auf, der
beabstandet zu der Drehachse des Ausgleichsgewichtes ist, d.h. der
Schwerpunkt des Ausgleichsgewichtes liegt exzentrisch bezüglich der
Drehachse. Das Ausgleichsgewicht ist so angeordnet, daß zumindest
in einem Teil seines Schwenkbereiches der Schwerpunkt in seiner
Winkellage von der Winkellage der Drehachse bezüglich der Rotationsachse des
Werkzeugkopfes um einen Winkel beabstandet ist. Diese Anordnung
bewirkt, daß eine Zentrifugal-
bzw. Fliehkraft, welche bei Rotation des Werkzeugkopfes um die Rotationsachse
an dem Schwerpunkt angreift, um einen Hebel beabstandet von der
Drehachse an dem Ausgleichsgewicht angreift. Die Fliehkraft erzeugt
somit ein Drehmoment um die Drehachse des Ausgleichsgewichtes. Dieses Drehmoment
wird über
die Getriebeeinrichtung auf den Werkzeugschieber übertragen.
Dabei wird das Drehmoment in eine Kompensationskraft umgesetzt, welche
radial bezüglich
der Rotationsachse des Werkzeugkopfes wirkt, d.h. in der Verstellrichtung des
Werkzeugschiebers. Weiter bewirkt die Kopplung von Werkzeugschieber
und Ausgleichsgewicht, daß das
Ausgleichsgewicht bei radialer Verstellung des Werkzeugschiebers
verschwenkt wird. Beim Verschwenken des Ausgleichsgewichts ändert sich
der Winkel zwischen den Winkellagen der Drehachse und des Schwerpunkts
bezüglich
der Rotationsachse, so daß sich
die Länge
des wirksamen Hebelarmes zwischen dem Angriffspunkt der Fliehkraft,
d.h. dem Schwerpunkt des Ausgleichsgewichtes, und der Drehachse ändert. Daher ändert sich
mit radialer Verstellung des Werkzeugschiebers auch das Drehmoment
um die Drehachse, welches durch die auf das Ausgleichsgewicht wirkende
Zentrifugal- bzw. Fliehkraft erzeugt wird. Auf diese Weise kann
in dem erfindungsgemäßen Werkzeugkopf
erreicht werden, daß eine
Kompensation der auf den Werkzeugschieber wirkenden Fliehkraft in
Abhängigkeit
der radialen Position des Werkzeugschiebers erfolgt. Wenn sich der Werkzeugschieber
in einer radial äußeren Position des
Werkzeugkopfes befindet, ist die auf ihn wirkende Fliehkraft größer, als
wenn er sich in einer radial innen liegenden Position befindet.
Entsprechend ändert
sich auch die durch das Ausgleichsgewicht erzeugte Kompensationskraft,
um ein Gleichgewicht mit der auf den Werkzeugschieber wirkenden
Fliehkraft zu erzeugen. Vorzugsweise wird der Schwenkwinkel des
Ausgleichgewichtes möglichst
klein gewählt,
um beim Verschwenken des Ausgleichsgewichtes eine radiale Verlagerung
des Schwerpunktes des Ausgleichsgewichtes bezüglich der Rotationsachse möglichst
gering zu halten, da die radiale Verlagerung des Schwerpunktes zu
einer Änderung
der auf das Ausgleichsgewicht wirkenden Fliehkraft führt.
-
Bevorzugt
ist die Drehachse des Ausgleichsgewichtes parallel zu der Rotationsachse
des Werkzeugkopfes angeordnet. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau
des Werkzeugkopfes, da die auftretenden Kräfte im wesentlichen in einer
Ebene oder in parallel zueinander liegenden Ebenen verlaufen, so daß sie leicht übertragen
bzw. umgesetzt werden können.
-
Vorzugsweise
ist die Getriebeeinrichtung ein Zahnradgetriebe. Ein solches Getriebe
ermöglicht eine
weitgehend spiel- bzw. schlupffreie Kopplung von Ausgleichsgewicht
und Werkzeugschieber, welche eine sichere Kraftübertragung bewirkt.
-
Weiter
bevorzugt ist an dem Ausgleichsgewicht zumindest ein Zahnradsegment
ausgebildet und an dem Werkzeugschieber ist zumindest eine Zahnstange
ausgebildet, welche mit dem Zahnrad zusammenwirkt. Dabei ist das
Zahnradsegment vorzugsweise so ausgebildet, daß es einen Bogenabschnitt eines
Zahnrades bildet, welcher konzentrisch zu der Drehachse des Ausgleichsgewichtes
verläuft. Die
Verzahnung kann in Form einer Geradverzahnung oder auch einer Schrägverzah nung
ausgebildet sein. Das Zusammenwirken von Zahnradsegment und Zahnstange
ermöglicht
die Umsetzung des Drehmomentes, welches auf das Ausgleichsgewicht wirkt,
in eine annähernd
lineare Kompensationskraft, welche auf den Werkzeugschieber wirkt.
Entsprechend wird eine lineare Bewegung des Werkzeugschiebers in
eine Schwenkbewegung des Ausgleichsgewichtes umgesetzt.
-
Vorzugsweise
ist in dem Werkzeugkopf zumindest ein zweiter Werkzeugschieber vorgesehen, welcher
bezüglich
der Rotationsachse des Werkzeugkopfes radial verstellbar ist und
der mit dem ersten Werkzeugschieber über ein Übertragungselement derart gekoppelt
ist, daß eine
radiale Verstellung des ersten Werkzeugschiebers eine entgegengesetzt
gerichtete radiale Verstellung des zweiten Werkzeugschiebers bewirkt.
Diese Anordnung eines Paares von Werkzeugschiebern entspricht der
in
DE 44 28 049 A1 offenbarten
Kopplung zweier Werkzeugschieber. Durch diese Kopplung kann ein
zusätzlicher
Fliehkraftausgleich zwischen den beiden gekoppelten Werkzeugschiebern
erreicht werden. Wenn beide Werkzeugschieber im wesentlichen die gleiche
Masse aufweisen und sich in Positionen befinden, in denen sie im
wesentlichen denselben radialen Abstand von der Rotationsachse aufweisen,
heben sich die auf die beiden Werkzeugschieber wirkenden Fliehkräfte im wesentlichen
auf. Wird ein Werkzeugschieber radial zugestellt, d.h. radial nach innen
bewegt, bewegt sich der zweite Werkzeugschieber um ein entsprechendes
Maß radial
nach außen.
Durch diese Radiusänderung
verändern
sich die auf die Werkzeugschieber wirkenden Fliehkräfte. Die
auf den radial nach innen zugestellten Werkzeugschieber wirkende
Fliehkraft wird geringer, während die
auf den anderen Werkzeugschieber wirkende Fliehkraft größer wird.
Somit kann keine vollständige Kompensation
der Fliehkräfte
zwischen den beiden Werkzeugschiebern mehr stattfinden. Dies kann durch
eine zusätzliche
Kompensation der auftretenden Zentrifugal- bzw. Fliehkräfte mit
Hilfe des Ausgleichsgewichts erfolgen. Dabei kompensiert das Ausgleichsgewicht
vorzugsweise im wesentlichen nur die Differenz der auf die beiden
Werkzeugschieber wirkenden Fliehkräfte. Dadurch, daß das Ausgleichsgewicht
abhängig
von der radialen Stellung der Werkzeugschieber verschwenkt wird, ändert sich auch
die durch das Ausgleichsgewicht aufgebrachte Kompensationskraft.
Die gesamte Anordnung kann somit so eingestellt werden, daß die auf
die Werkzeugschieber wirkenden Fliehkräfte sowie die von dem Ausgleichsgewicht
erzeugte Kompensationskraft immer im wesentlichen im Gleichgewicht
sind.
-
Vorzugsweise
ist das Übertragungselement ein
Zahnrad und die beiden Werkzeugschieber weisen jeweils eine Zahnstange
auf, welche mit dem Zahnrad in Eingriff sind. Dies ermöglicht eine
weitgehend schlupffreie Kopplung der beiden Werkzeugschieber miteinander.
Das Zahnrad muß dabei
nicht als vollständiges
Zahnrad ausgebildet sein. Es ist ausreichend, daß das Übertragungselement Bogenabschnitte
aufweist, welche mit Zähnen
versehen sind, die jeweils mit einer der Zahnstangen kämmen. Das
Zahnrad weist somit zumindest ein, vorzugsweise zwei Zahnradsegmente
auf, welche konzentrisch zu dem Drehpunkt des Zahnrades bzw. Übertragungselement
sind. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine sehr kompakte Anordnung
beider Werkzeugschieber. Das Übertragungselement
kann jedoch auch anders ausgebildet sein. Verschiedene Ausgestaltungen
derartiger Übertragungselemente sind
in der
DE 44 28 049
A1 offenbart.
-
Bevorzugt
ist zwischen dem Zahnradsegment an dem Ausgleichsgewicht und der
Zahnstange an dem Werkzeugschieber zumindest ein weiteres Zahnrad
angeordnet. Die Anordnung eines weiteren Zahnrades ermöglicht die
Wirkungsrichtung der von dem Ausgleichsgewicht erzeugten Kompensationskraft
umzukehren. Dies ist insbesondere bei der Anordnung von zwei gekoppelten
Werkzeugschiebern erforderlich, um eine Kompensation der auf die
beiden Werkzeugschieber wirkenden Fliehkräfte zu erreichen.
-
Bevorzugt
ist nur der erste Werkzeugschieber direkt mit einem Zustellantrieb
gekoppelt, während
der zweite Werkzeugschieber nur indirekt über das Übertragungselement durch den
Zustellantrieb bewegbar ist. Diese Anordnung entspricht im wesentlichen
der in
DE 44 28 049
A1 offenbarten Anordnung. Der Zustellantrieb erfolgt somit
vorzugsweise über
eine mit einer Schrägverzahnung
versehene Zugstange. Je nach Bewegungsrichtung der Schubstange wird
der erste Werkzeugschieber zugestellt und gleichzeitig wird der
gekoppelte zweite Werkzeugschieber zurückgezogen. Wird die Zugstange
in umgekehrter Richtung bewegt, wird der erste Werkzeugschieber
zurückgezogen,
während
er zweite gekoppelte Werkzeugschieber gleichzeitig über das Übertragungselement
radial zugestellt wird.
-
Bevorzugt
wirkt das Ausgleichsgewicht über die
Getriebeeinrichtung mit dem ersten Werkzeugschieber zusammen. Diese
Anordnung hat den Vorteil, daß die
durch das Übertragungselement
zwischen den beiden Werkzeugschiebern zu übertragenden Kräfte gering
gehalten werden können,
da die von dem Ausgleichsgewicht erzeugte Kraft direkt an dem ersten
Werkzeugschieber angreift. Der erste direkt betätigte Werkzeugschieber ist
auch bevorzugt der für
die Schlichtbearbeitung verantwortliche Werkzeugschieber. Daher
ist bevorzugt, daß sämtliche Zustell-
und Ausgleichskräfte
vorzugsweise direkt an diesen angreifen, um einen Schlupf und Lageabweichungen
so gering wie möglich
zu halten. Auf diese Weise kann eine größtmögliche Bearbeitungsgenauigkeit
erreicht werden.
-
Alternativ
kann jedoch das Ausgleichsgewicht über die Getriebeeinrichtung
auch mit dem zweiten Werkzeugschieber zusammenwirken. Dabei kann
lediglich ein Ausgleichsgewicht vorgesehen sein, welches mit dem
zweiten Werkzeugschieber zusammenwirkt. Es ist jedoch auch denkbar,
zwei Ausgleichsgewichte derart anzuordnen, daß das erste Ausgleichsgewicht
mit dem ersten Werkzeugschieber zusammenwirkt, während das zweite Ausgleichsgewicht
mit dem zweiten Werkzeugschieber zusammenwirkt. Derart abgewandelte
Ausführungsformen
ermöglichen
es, die Einrichtungen für
den Fliehkraftausgleich optimal an den in dem Werkzeugkopf zur Verfügung stehenden
Bauraum anzupassen.
-
Gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
kann das Ausgleichsgewicht auch mit dem Übertragungselement gekoppelt
sein. Auch bei dieser Anordnung kann beispielsweise nur ein Ausgleichsgewicht
vorgesehen sein, welches mit dem Übertragungselement gekoppelt
ist. Diese Kopplung kann dadurch erfolgen, daß das Ausgleichsgewicht in
das Übertragungselement
integriert ist oder daß das
Ausgleichsgewicht über
eine Getriebeeinrichtung mit dem Übertragungselement gekoppelt
ist. Auch hier ist es denkbar, daß zusätzlich zu dem mit dem Übertragungselement
gekoppelten Ausgleichsgewicht auch noch Ausgleichsgewichte vorgesehen werden,
welche, wie oben beschrieben, direkt mit dem ersten und/oder dem
zweiten Werkzeugschieber zusammenwirken. Da dabei die beiden Werkzeugschieber
immer über
das Übertragungselement miteinander
gekoppelt sind, bilden die beiden Werkzeugschieber mit sämtlichen
an diesen angeordneten Ausgleichsgewichten ein Gesamtsystem, in
dem die auftretenden Fliehkräfte
im wesentlichen kompensiert werden, so daß ein Kräftegleichgewicht zwischen den
einzelnen Elementen vorliegt.
-
Bevorzugt
ist das Ausgleichsgewicht derart angeordnet, daß es aus einer Ausgangslage
bei einer radialen Verstellung des ersten Werkzeugschiebers so verschwenkt
wird, daß der
Winkel zwischen den Winkellagen von Schwerpunkt und Drehachse des
Ausgleichsgewichts bezüglich
der Rotationsachse des Werkzeugkopfes zunimmt. Bei einer derartigen
Schwenkbewegung vergrößert sich
der wirksame Hebel zwischen dem Schwerpunkt und der Drehachse des
Ausgleichgewichtes, so daß das
von der Fliehkraft erzeugte Drehmoment bezüglich der Drehachse zunimmt.
Auf diese Weise kann eine größer werdende
Kompensations- bzw.
Ausgleichskraft mit Verstellung des Werkzeugschiebers zur Verfügung gestellt
werden. Die Zu- und/oder Abnahme der Ausgleichskraft wird so eingestellt,
daß sie
im wesentlichen der Änderung
der auf den Werkzeugschieber wirkenden Fliehkraft entspricht, welche
durch die radiale Verstellung des Werkzeugschiebers hervorgerufen
wird. Bei der bevorzugten Anordnung von zwei miteinander gekoppelten
Werkzeugschiebern ist das Ausgleichsgewicht so eingestellt, daß es sich
in seiner Ausgangslage befindet, wenn sich die beiden Werkzeugschieber
in derartigen radialen Positionen befinden, daß sich die auf die Werkzeugschieber
wirkenden Fliehkräfte
aufgrund der Kopplung der beiden Werkzeugschieber aufheben bzw.
gegenseitig kompensieren. Dabei ist die Ausgangslage des Ausgleichsgewichts
so gewählt,
daß der
wirksame Hebel zwischen Angriffspunkt der auf das Ausgleichsgewicht
wirkenden Fliehkraft und dem Drehpunkt des Ausgleichsgewichtes im
wesentlichen null ist. Somit wird in der Ausgangslage des Ausgleichsgewichts von
diesem im wesentlichen kein Drehmoment und somit keine Ausgleichskraft
erzeugt. Je nachdem in welche Richtung der erste Werkzeugschieber
radial verstellt wird, verschwenkt das Ausgleichsgewicht aus der
Ausgangslage in entgegengesetzte Richtungen, wobei der Winkel zwischen
den Winkellagen von Schwerpunkt und Drehachse des Ausgleichsgewichts
bezüglich
der Rotationsachse des Werkzeugkopfes zunimmt. Abhängig von
der Schwenkrichtung des Ausgleichsgewichtes ändert sich die Wirkungsrichtung
des Drehmomentes und somit der Ausgleichskraft, d.h. je nach Schwenkrichtung
des Ausgleichsgewichtes be züglich
der Ausgangslage wird eine radial nach innen oder eine radial nach
außen gerichtete
Kompensations- bzw. Ausgleichskraft erzeugt.
-
Vorzugsweise
sind drei erste Werkzeugschieber mit jeweils einem Ausgleichsgewicht
und einer Getriebeeinrichtung gemäß der obigen Beschreibung in
dem Werkzeugkopf vorgesehen. Jede Einheit von Werkzeugschieber mit
zugehörigem
Ausgleichsgewicht und Getriebeeinrichtung bildet dabei ein System,
wie es oben beschrieben wurde. Die drei Werkzeugschieber sind vorzugsweise
derart in dem Werkzeugkopf angeordnet, daß ihre Längsachsen, welche radial zu
der Rotationsachse verlaufen, jeweils um 120° voneinander beabstandet sind.
Diese Anordnung ermöglicht
eine gleichmäßige Massenverteilung
in dem Werkzeugkopf.
-
Weiter
bevorzugt sind ebenfalls drei zweite Werkzeugschieber vorgesehen,
die jeweils mit einem der drei ersten Werkzeugschieber über ein Übertragungselement
gekoppelt sind. Es gibt somit in dem Werkzeugkopf drei Einheiten,
welche jeweils aus zwei miteinander gekoppelten Werkzeugschiebern und
zumindest einem zugehörigen
Ausgleichselement gemäß der obigen
Beschreibung bestehen. Diese drei Einheiten sind gleichmäßig über den
Umfang des Werkzeugkopfes verteilt, d.h. die zweiten Werkzeugschieber
sind in ihren Winkellagen bezüglich
der Rotationsachse ebenfalls vorzugsweise jeweils um 120° voneinander
beabstandet. Die Anordnung der ersten und zweiten Werkzeugschieber
mit dem koppelnden Übertragungselement
entspricht dabei im wesentlichen der in
DE 44 28 059 A1 gezeigten
Anordnung. Zusätzlich
sind lediglich die oben erläuterten
Ausgleichsgewichte vorgesehen.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand beiliegender Figuren beschrieben.
In diesen zeigt:
-
1 eine
schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Werkzeugkopf gemäß einer ersten
Ausführungsform,
-
2 eine
vergrößerte Detailansicht
des Werkzeugkopfes in 1
-
3 eine
schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Werkzeugkopf gemäß einer zweiten
Ausführungsform,
und
-
4 eine
vergrößerte Detailansicht
der Ansicht in 3.
-
1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Werkzeugkopf
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungform.
Der Werkzeugkopf weist drei erste Werkzeugschieber 2 sowie drei
zweite Werkzeugschieber 4 auf. Die ersten und zweiten Werkzeugschieber 2 und 4 sind
abwechselnd gleichmäßig über den
Umfang des Werkzeugkopfes verteilt, d.h. die Längsachsen der Werkzeugschieber 2 und 4,
welche sich radial zu der Rotationsachse R des Werkzeugkopfes erstrecken,
sind jeweils im wesentlichen um 60° bezüglich der Rotationsachse R
voneinander beabstandet. Zwischen zwei ersten Werkzeugschiebern 2 liegt
immer jeweils ein zweiter Werkzeugschieber 4. Die ersten
und zweiten Werkzeugschieber sind ähnlich aufgebaut und weisen
bevorzugt in wesentlichen die gleiche Masse auf.
-
Die
ersten Werkzeugschieber
2 sind jeweils direkt mit einem
Verstellantrieb in Form einer Schubstange
6 verbunden.
Die Schubstangen
6 weisen an ihrem Ende eine Schrägverzahnung
auf, welche mit einer Schrägverzahnung
in den Werkzeugschiebern
2 in Eingriff ist. Auf diese Weise
kann eine Linearbewegung der Schubstangen
6 in Richtung
der Rotationsachse R des Werkzeugkopfes in eine radiale Verstellbewegung
der Werkzeugschieber
2 umgewandelt werden. Dies ist genauer
in
DE 44 28 049 A1 offenbart.
-
Die
zweiten Werkzeugschieber
4 sind jeweils mit einem zugehörigen ersten
Werkzeugschieber
2 über
ein Zahnrad
8 gekoppelt. Die Zahnräder
8 sind jeweils
mit einer Zahnstange an einem zugehörigen Werkzeugschieber
2 und
einem zugehörigen
Werkzeugschieber
4 in Eingriff, um diese miteinander zu koppeln.
Diese Kopplung bewirkt, daß,
wenn ein erster Werkzeugschieber
2 radial auf die Rotationsachse
R zu bewegt wird, sich der zugehörige
zweite Werkzeugschieber 4 um das gleiche Maß radial nach außen bewegt.
Diese Kopplung ermöglicht
zum einen eine sehr leichte Zustellung der beiden Werkzeugschieber
2 und
4 über ein
gemeinsames Verstellelement, d.h. eine gemeinsame Schubstange
6.
Ferner wird durch diese Kopplung ein erster Fliehkraftausgleich
zwischen den Werkzeugschiebern
2 und
4 erreicht.
Wenn die zwei gekoppelten Werkzeugschieber
2 und
4 radial
gleich weit von der Rotationsachse R entfernt sind und im wesentlichen
dieselbe Masse aufweisen, heben sich die auf den Werkzeugschieber
2 und
die auf den Werkzeugschieber
4 wirkenden Fliehkräfte auf,
so daß ein
Kräftegleichge wicht herrscht.
Dies ist in
DE 44 28
049 A1 bereits näher beschrieben.
-
Wenn
jedoch die Werkzeugschieber 2 und 4 aufgrund der
radialen Zustellung nicht mehr denselben radialen Abstand von der
Rotationsachse R haben, sind die auf sie wirkenden Fliehkräfte nicht
mehr gleich groß und
gleichen sich somit nicht mehr aus, so daß eine zusätzliche Kompensation erforderlich ist.
Diese wird durch Ausgleichseinrichtungen 10 erreicht. Jeder
der drei Werkzeugschieber 2 weist eine zugehörige Ausgleichseinrichtung 10 auf,
so daß drei Ausgleichseinrichtungen 10 in
dem Werkzeugkopf vorgesehen sind.
-
Die
Ausgleichseinrichtungen 10 sind jeweils in den Zwischenräumen zwischen
einem Werkzeugschieber 2 und einem Werkzeugschieber 4 angeordnet,
in dem sich kein Zahnrad befindet. Dies bedeutet, die Ausgleichseinrichtungen 10 befinden
sich immer zwischen zwei nicht miteinander gekoppelten Werkzeugschiebern 2 und 4.
Da die drei Ausgleichseinrichtungen 10 sowie die mit diesen
zusammenwirkenden Werkzeugschieber 2 und 4 jeweils
identisch sind, wird nur eine der Anordnungen bestehend aus den
Werkzeugschiebern 2 und 4, Zahnrad 8 und
der Ausgleichseinrichtung 10 nachfolgend detaillierter beschrieben.
-
Die
Ausgleichseinrichtung 10 besteht aus einem keulenförmigen Ausgleichsgewicht 12,
welches um eine Drehachse D schwenkbar gelagert ist. Das keulenförmige Ausgleichsgewicht 12 weist
einen Schwerpunkt S auf, welcher von der Drehachse D beabstandet
ist. Die Drehachse D ist radial von der Rotationsachse R des Werkzeugkopfes
beabstandet und im wesentlichen parallel zu dieser. Das Ausgleichsgewicht 12 weist
eine zu der Drehachse D konzentrische Verzahnung 14 auf,
welche mit einem Zahnrad 16 in Eingriff ist. Das Zahnrad 16 ist
mit einer Zahnstange (hier nicht gezeigt) an dem Werkzeugschieber 2 in
Eingriff. Die nicht gezeigte Zahnstange erstreckt sich parallel
zu der Längs-
bzw. Bewegungsachse des Werkzeugschiebers 2. Die Längsachse
des Werkzeugschiebers 2 verläuft radial zu der Rotationsachse
R des Werkzeugkopfes. Auf diese Weise wird das Ausgleichsgewicht 12 über das Zahnrad 16 mit
dem Werkzeugschieber 2 gekoppelt. Diese Kopplung bewirkt,
daß bei
einer radialen Bewegung des Werkzeugschiebers 2 über die
nicht gezeigte Zahnstange das Zahnrad 16 gedreht wird und über das
Zahnrad 16 das Ausgleichsgewicht 12 um die Drehachse
D verschwenkt wird. Zusätzlich
ist der Werkzeugschieber 2, wie oben beschrieben, über das
Zahnrad 8 mit dem Werzeugschieber 4 gekoppelt,
so daß gleichzeitig über das
Zahnrad 8, wie beschrieben, der Werkzeugschieber 4 radial
verstellt wird.
-
Wird
der Werkzeugkopf um die Rotationsachse R gedreht bzw. rotiert, um
eine Bearbeitung durchzuführen,
wirken Flieh- bzw. Zentrifugalkräfte auf
die Werkzeugschieber 2 und 4 sowie auf das Ausgleichsgewicht 12 radial
nach außen.
An dem Ausgleichsgewicht 12 wirkt die Fliehkraft in seinem Schwerpunkt
S. In 1 findet sich das Ausgleichsgewicht 12 in
einer Position, in welcher der Schwerpunkt S und die Drehachse D
von einer gemeinsamen radialen Linie r ausgehend von der Rotationsachse
R geschnitten werden. Das bedeutet Drehachse D und Schwerpunkt S
haben dieselbe Winkelposition bezüglich der Rotationsachse R.
Eine auf den Schwerpunkt S wirkende Fliehkraft verläuft somit
genau durch den Drehpunkt bzw. die Drehachse D, so daß kein Moment
um die Achse D durch die Fliehkraft erzeugt wird. Diese Lage des
Ausgleichsgewichtes 12 wird vorzugsweise dann erreicht,
wenn die gekoppelten Werkzeugschieber 2 und 4 jeweils
denselben radialen Abstand von der Rotationsachse R haben, so daß sich die
auf die Werkzeugschieber 2 und 4 wirkenden Fliehkräfte durch
die Kopplung über
das Zahnrad 8 gegenseitig kompensieren.
-
Wird
einer der Werkzeugschieber 2 und 4 radial nach
innen zugestellt, bewegt sich der mit diesem gekoppelte Werkzeugschieber
radial nach außen,
so daß die
auf den Werkzeugschieber 2 und den Werkzeugschieber 4 wirkenden
Fliehkräfte
nicht mehr identisch sind. Diese Differenz zwischen den Fliehkräften wird
durch eine auf das Ausgleichsgewicht 12 wirkende Fliehkraft
kompensiert. Bei einer radialen Verstellung des Werkzeugschiebers 2 wird über das
Zahnrad 16 das Ausgleichsgewicht 12 aus der zuvor
beschriebenen Ausgangs- bzw. Mittellage, in der es kein Moment um
die Drehachse D erzeugt, verschwenkt. Wenn das Ausgleichsgewicht 12 aus der
in 1 gezeigten Position, d.h. der Mittellage verschwenkt
wird, liegt der Schwerpunkt S nicht mehr auf der die Rotationsachse
R und Drehachse D schneidenden Radiuslinie r. Das heißt, der
Schwerpunkt S hat bezüglich
der Rotationsachse R eine Winkelposition, welche von der Winkelposition
der Drehachse D beabstandet ist. Somit greift die Fliehkraft an
dem Schwerpunkt S um einen Hebelarm beabstandet von dem Drehpunkt
D an, so daß die
auf den Schwerpunkt S wirkende Fliehkraft ein Moment um die Drehachse
D erzeugt. Dieses Moment wird über
die Verzahnung 14 und das Zahnrad 16 auf den Werkzeugschieber 2 übertragen,
wo es eine in radialer Richtung zu der Rotationsachse R wirkende
Ausgleichskraft bildet.
-
Dies
ist in der vergrößerten Detailansicht
gemäß 2 deutlicher
dargestellt. In 2 ist das Ausgleichsgewicht 12 in
einer bezüglich
der in 1 gezeigten Position verschwenkten Position dargestellt.
Die in 2 dargestellte Position des Ausgleichsgewichts 12 wird
erreicht, wenn der Werkzeugschieber 2 radial nach innen,
d.h. in Richtung auf die Rotationsachse R zugestellt wird. Eine
solche Zustellung wird über
die nicht gezeigte Zahnstange auf das Zahnrad 16 und die
Verzahnung 14 übertragen,
was zu einem Verschwenken des Ausgleichsgewichtes 12 entgegen
dem Uhrzeigersinn um die Drehachse D führt. In diesem Zustand liegen
der Schwerpunkt S und der Drehpunkt D nicht mehr auf der gemeinsamen
Radiuslinie r. Der Schwerpunkt S liegt auf einer Radiuslinie r', welche um einen
Winkel von der Radiuslinie r, welche die Winkellage des Drehpunktes
D bezüglich
der Rotationsachse R kennzeichnet, beabstandet ist. Die auf das
Ausgleichsgewicht 12 wirkende und in dem Schwerpunkt S
angreifende Fliehkraft verläuft
entlang der Linie r' radial
nach außen.
Diese Fliehkraft greift um den Hebelarm a beabstandet von dem Drehpunkt
D an dem Ausgleichsgewicht 12 an. Aus diesem Grund erzeugt die
Fliehkraft ein Moment M um die Drehachse D. Dieses Moment M wird über das
Zahnrad 16 auf den Werkzeugschieber 2 übertragen.
Es erzeugt dabei eine Ausgleichskraft, welche radial nach außen gerichtet
auf den Werkzeugschieber 2 wirkt. Auf den Werkzeugschieber 2 wirkt
zusätzlich
eine durch seine Masse verursachte Fliehkraft. Diese Fliehkraft und
die Ausgleichskraft stehen im Gleichgewicht mit der auf den Werkzeugschieber 4 wirkenden
Fliehkraft.
-
Da
bei einer radial nach innen gerichteten Zustellung des Werkzeugschiebers 2,
wie oben beschrieben, der Werkzeugschieber 4 radial nach
außen
bewegt wird, erhöht
sich bei dieser Zustellung die auf den Werkzeugschieber 4 wirkenden
Fliehkraft, während
sich die auf den Werkzeugschieber 2 wirkende Fliehkraft
verringert. Um diese Differenz zwischen den beiden Fliehkräften auszugleichen
ist eine Ausgleichskraft erforderlich, welche radial nach außen gerichtet
auf den Werkzeugschieber 2 wirkt. Da das Ausgleichsgewicht 12 in
Abhängigkeit
von der radialen Bewegung des Werkzeugschiebers 2 verschwenkt
wird, ändert
sich der Hebelarm a und somit das erzeugte Moment M und die erzeugte
Ausgleichskraft. Dabei kann sichergestellt werden, daß die von
dem Ausgleichsgewicht 12 erzeugte Ausgleichskraft immer
im wesentlichen der Differenz zwischen den auf die Werkzeugschieber 2 und 4 wirkenden
Fliehkräften
entspricht. Auf diese Weise kann annähernd ein Kräftegleichgewicht
zwischen der auf das Ausgleichsgewicht 12 an dem Schwerpunkt
S wirkenden Fliehkraft und den auf die Werkzeugschieber 2 und 4 wirkenden
Fliehkräfte
für jede
radiale Position der Werkzeugschieber 2 und 4 erreicht
werden.
-
Der
Schwenkwinkel, um den das Ausgleichsgewicht 12 bei radialer
Verstellung des Werkzeugschiebers 2 verschwenkt, soll vorzugsweise
nicht zu groß sein,
da eine radiale Verlagerung des Schwerpunktes S des Ausgleichsgewichtes 12 möglichst
gering gehalten werden soll. Eine solche radiale Verlagerung des
Schwerpunktes S bewirkt eine Änderung der
auf den Schwerpunkt S wirkenden Fliehkraft, welche bei einem zu
großen
Schwenkwinkel die von dem Ausgleichsgewicht 12 erzeugte
Ausgleichskraft verringert oder sogar übersteigt. Bei kleinen Schwenkwinkeln
ist die Änderung
der radialen Position des Schwerpunktes S jedoch gegenüber der Änderung
des Hebelarmes a vernachlässigbar,
da die Änderung
des Hebelarmes a eine Funktion des Sinus des Schwenkwinkels ist,
während
die Änderung
der radialen Position des Schwerpunktes S eine Funktion des Kosinus
des Schwenkwinkels ist. Bei kleinen Schwenkwinkeln kann eine nahezu
lineare Änderung der
Ausgleichskraft erreicht werden.
-
Wenn
der Werkzeugschieber 4 radial nach innen bewegt wird, in
dem der Werkzeugschieber 2 radial nach außen bewegt
wird, verringert sich die auf den Werkzeugschieber 4 wirkende
Fliehkraft, während
sich die auf den Werkzeugschieber 2 wirkende Fliehkraft
erhöht.
Bei dieser Bewegung verschwenkt das Ausgleichsgewicht 12 ausgehend
von der in 1 gezeigten Lage auf den Werkzeugschieber 2 zu.
Dabei entsteht ein wirksamer Hebelarm entgegengesetzt zu dem in 2 gezeigten
Hebelarm a bezüglich
der Radiuslinie r. Auf diese Weise erzeugt die an dem Schwerpunkt
S angreifende Fliehkraft ein Moment um die Drehachse D, welches
dem Moment M entgegengesetzt gerichtet ist. Es wird somit eine Ausgleichskraft
erzeugt, welche auf den Werkzeugschieber 2 radial nach
innen ge richtet wirkt. Auch diese Kraft entspricht dabei im wesentlichen
der Differenz zwischen den auf die Werkzeugschieber 2 und 4 wirkenden
Fliehkräfte.
Es kann somit auch in dem Fall, daß der Werkzeugschieber 4 radial
nach innen bewegt wird ein entsprechender Ausgleich der wirksamen
Fliehkräfte
erreicht werden.
-
Da
in dem erfindungsgemäßen Werkzeugkopf
die auf die Werkzeugschieber 2 und 4 wirkenden Fliehkräfte gegenseitig
und mit Hilfe des Ausgleichsgewichts 12 ausgeglichen bzw.
kompensiert werden, sind wesentlich geringere Verstellkräfte zum
radialen Zustellen der Werkzeugschieber 2 und 4 erforderlich.
-
3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf einen Werkzeugkopf gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform.
Der in 3 gezeigte Werkzeugkopf entspricht im wesentlichen
dem in 1 gezeigten Werkzeugkopf. Insbesondere ist die Anordnung
der Werkzeugschieber 2 und 4 mit den dazwischen
liegenden Zahnrädern 8 identisch
zu der anhand von 1 beschriebenen Anordnung. Lediglich
die Ausgleichseinrichtungen 10 sind in dem Werkzeugkopf
gemäß 3 anders
angeordnet als in dem Werkzeugkopf gemäß 1 und 2.
Während
im Werkzeugkopf gemäß 1 und 2 die Ausgleichseinrichtungen 10 jeweils
direkt auf die ersten Werkzeugschieber 2 wirken, sind die
Ausgleichseinrichtungen 10 in 3 so angeordnet,
daß sie
direkt auf die zweiten Werkzeugschieber 4 wirken. Im übrigen entspricht
die Funktionsweise der Ausgleichseinrichtungen 10 der anhand
der 1 und 2 erläuterten Funktionsweise der
Ausgleichseinrichtungen. Da die drei Ausgleichseinrichtungen 10 identisch
sind, wird nachfolgend nur eine Ausgleichseinrichtung 10 im
Zusammenwirken mit einem zugehörigen
gekoppelten Paar von Werkzeugschiebern 2 und 4 detaillierter
beschrieben.
-
Die
Ausgestaltung des Ausgleichsgewichtes 12 mit der Verzahnung 14 und
dem Zahnrad 16 entspricht der anhand von 1 und 2 erläuterten Ausgestaltung.
In der Ausführungsform
gemäß 3 sind
das Ausgleichsgewicht 12 und das Zahnrad 16 jedoch
spiegelverkehrt zu der Ausgestaltung in 1 und 2 angeordnet.
Das Zahnrad 16 greift hier in eine an dem Werkzeugschieber 4 ausgebildete
Verzahnung (nicht gezeigt) ein. Diese Verzahnung verläuft im wesentlichen
parallel zu der Längsrichtung
des Werkzeugschiebers 4, d.h. parallel zu dem Radius der
Werkzeugkopfes. Auch in dem in 3 gezeigten
Zustand liegen der Schwer punkt S des Ausgleichsgewichtes 12 und
die Drehachse bzw. der Drehpunkt D auf einer gemeinsamen Radiuslinie r
bezüglich
der Rotationsachse R des Werkzeugkopfes. In diesem Zustand erzeugt
eine auf den Schwerpunkt S wirkende Fliehkraft kein Moment um den Drehpunkt
D. Diese Lage des Ausgleichsgewichtes 12 wird vorzugsweise
dann erreicht, wenn die gekoppelten Werkzeugschieber 2 und 4 jeweils
denselben radialen Abstand von der Rotationsachse R haben, so daß sich die
auf die Werkzeugschieber 2 und 4 wirkenden Fliehkräfte durch
die Kopplung über
das Zahnrad 8 gegenseitig kompensieren. Wird einer der Werkzeugschieber 2 und 4 radial
nach innen zugestellt, bewegt sich der mit diesem gekoppelte Werkzeugschieber
radial nach außen,
so daß die
auf den Werkzeugschieber 2 und den Werkzeugschieber 4 wirkenden
Fliehkräfte
nicht mehr identisch sind. Diese Differenz zwischen den Fliehkräften wird
durch eine auf das Ausgleichsgewicht 12 wirkende Fliehkraft
kompensiert. Dies wird anhand von 4 näher erläutert.
-
4 zeigt
eine vergrößerte Detailansicht des
in 3 gezeigten Werkzeugkopfes. Dabei entspricht die
in 4 gezeigte Darstellung im wesentlichen der anhand
von 2 erläuterten
Anordnung, mit dem Unterschied, daß bei der in 4 gezeigten Anordnung
die Ausgleichseinrichtung 10 an dem zweiten Werkzeugschieber 4 und
nicht wie in 2 an dem ersten Werkzeugschieber 2 angreift.
Die Funktionsweise des Fliehkraftausgleiches ist bei der Ausführungsform
gemäß 3 und 4 genauso wie
anhand der 1 und 2 erläutert. Wenn
der Werkzeugschieber 2 über
die Zugstange 6 radial nach außen bewegt wird, wird aufgrund
der Kopplung durch das Zahnrad 8 der zugehörige Werkzeugschieber 4 um
ein entsprechendes Maß radial
nach innen auf die Rotationsachse R zu bewegt. Der Werkzeugschieber 4 ist über eine
nicht gezeigte Zahnstange bzw. Verzahnung mit dem Zahnrad 16 gekoppelt.
Daher führt
die Bewegung des Werkzeugschiebers 4 nach innen zu einer
Drehung des Zahnrades 16 gegen den Uhrzeigersinn. Durch
die Drehung des Zahnrades 16 wird das Ausgleichsgewicht 12 in
Richtung des Uhrzeigersinns um den Drehpunkt D verschwenkt. Ein
solcher verschwenkter Zustand ist in 4 gezeigt.
Der Schwerpunkt S des Ausgleichsgewichtes 12 liegt dabei
nicht mehr auf der Radiuslinie r des Drehpunktes D, sondern auf
einer Radiuslinie r',
welche von der Radiuslinie r um einen Winkel beabstandet ist. Somit
entsteht ein wirksamer Hebel a zwischen dem Schwerpunkt S und dem
Dreh punkt D für
eine an dem Schwerpunkt S angreifende Fliehkraft. Bei Rotation des
Werkzeugskopfes um die Rotationsachse R erzeugt somit die auf den
Schwerpunkt S des Ausgleichsgewichtes 12 wirkende Fliehkraft
ein Moment M um den Drehpunkt. Dieses Moment wird über die
Verzahnung 14 und das Zahnrad 16 auf den Werkzeugschieber 4 übertragen.
Dabei erzeugt das Moment M an dem Werkzeugschieber 4 eine
Ausgleichskraft, welche radial nach außen gerichtet ist. Diese Ausgleichskraft
gleicht eine Differenz zwischen den auf die Werkzeugschieber 2 und 4 wirkenden
Fliehkräften
aus. Diese Differenz zwischen den Fliehkräften entsteht, da sich bei
einer radialen Verstellung des Werkzeugschiebers 4 nach
innen die auf diesen wirkende Fliehkraft verringert, während sich
die auf den Werkzeugschieber 2 wirkende Fliehkraft erhöht, da letzterer
sich radial nach außen
bewegt.
-
Umgekehrt
erfolgt eine entsprechende Kompensation der Fliehkraft, wenn der
Werkzeugschieber 2 radial nach innen zugestellt wird, wobei
der Werkzeugschieber 4 über
das Zahnrad 8 entsprechend radial nach außen bewegt
wird. In diesem Fall verschwenkt das Ausgleichsgewicht 12 aus
der in 3 gezeigten Lage gegen den Uhrzeigersinn, so daß ein dem
Hebelarm a entgegengesetzter Hebelarm ausgebildet wird, über den
die an den die an den Schwerpunkt S angreifende Fliehkraft auf den
Drehpunkt D wirkt. Auf diese Weise wird ein dem Moment M entgegengesetzt
gerichtetes Moment erzeugt.
-
Die
in 1 und 2 sowie in 3 und 4 gezeigten
Ausführungsformen
können
auch miteinander kombiniert werden, so daß an jedem Paar von Werkzeugschiebern 2 und 4,
welche über ein
Zahnrad 8 miteinander gekoppelt sind, zwei Ausgleichsgewichte 12 angreifen.
Dabei verringern sich die Massen der einzelnen Ausgleichsgewichte
um die Hälfte.
Es ist ferner denkbar, die Ausgleichsgewichte in die Zahnräder 8 zu
integrieren oder mit diesen zu koppeln. Derartige Abwandlungen des
erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes
hängen
im wesentlichen von den durch den Werkzeugkopf vorgegebenen Größenverhältnissen
ab. Die Ausgleichseinrichtungen 10 können dort angeordnet werden,
wo der erforderliche Bauraum in dem Werkzeugkopf zur Verfügung steht.
Dabei sollten die Ausgleichseinrichtungen wie auch die Werkzeugschieberpaare
symmetrisch über
den Umfang des Werkzeugkopfes verteilt werden, damit keine Unwuchten
im Werkzeugkopf entstehen.
-
- 2,
4
- Werkzeugschieber
- 6
- Schubstange
- 8
- Zahnrad
- 10
- Ausgleichseinrichtung
- 12
- Ausgleichsgewicht
- 14
- Verzahnung
- 16
- Zahnrad
- R
- Rotationsachse
- D
- Drehachse
- S
- Schwerpunkt
- a
- Hebelarm
- M
- Moment
- r;
r'
- Radiuslinien