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Die
Erfindung betrifft einen Bohrkopf mit einer gegenüber einer
Rotationsachse schwenkbaren Bohrstange gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegebenen Art.
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Derartige
Bohrköpfe
finden insbesondere Anwendung beim Feinbearbeiten von Bohrungen, beispielsweise
um kegelige und/oder unrunde Bohrungen herzustellen, deren Oberfläche polar und/oder
axial von einer achsparallelen Geraden bzw. einem achskonzentrischen
Kreis abweichen.
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Ein
solcher Bohrkopf mit einer quer zu einer Rotationsachse schwenkbaren
Bohrstange ist aus der
DE
34 33 793 A1 bekannt. Der offenbarte Bohrkopf umfasst im
wesentlichen ein rotationssymmetrisch ausgebildetes Hauptteil, das
an einem Ende in eine rotationssymmetrische, ein Unwucht-Kompensationsglied
und ein Werkzeugträger
umfassende, Bohrstange übergeht.
Kennzeichnend für
den offenbarten Bohrkopf ist dabei, dass der Werkzeugträger und
das Unwucht-Kompensationsglied mittels eines federgelenkigen Spreizhebelgetriebes
miteinander verbunden sind. Über
einen hydraulisch betätigbaren Kolben
ist eine Bewegung der Schenkelglieder des Spreizhebelgetriebes initiierbar.
Hierdurch wird der Abstand der beiden äußeren Federgelenken des Spreizhebelgetriebes
vergrößert, was
im weiteren eine Schwenkung der Bohrstange quer zur Rotationsachse
bewirkt. Als nachteilig erweist sich bei dem offenbarten Bohrkopf
der Umstand, dass aufgrund des im Bohrkopf integrierten Spreizhebelgetriebes der
Bohrkopf eine aufwendige Fertigung erfordert, was mit hohen Herstellungskosten
verbundenen ist.
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Aus
der
DE 39 29 472 C2 ist
ein weiterer rotierender Bohrkopf zum Feinbearbeiten von Bohrungen
mit einer quer zur Rotationsachse fein einstellbaren Bohrstange
bekannt. Der rotierende Bohrkopf umfasst im Wesentlichen eine über einen
Druckmittelmotor beaufschlagbare Druckmittelkammer und ein Abtriebsglied.
Zur Übertragung
der Bewegung des Abtriebsgliedes in eine radiale Schwenkbewegung
der Bohrstange ist dem Abtriebsglied ein exzentrisch gegen eine
Federkraft wirkendes Übertragungsglied
zugeordnet. Der gattungsbildende Bohrkopf zeichnet sich dadurch
aus, dass die Federkraft durch eine federnde Verbindung in einem
ersten Abschnitt zwischen Abtriebsglied und dem Flansch als einem
zweiten Abschnitt verkörpert
ist, wobei die zwei Abschnitte unterschiedlich stark ausgebildet sind
und durch einen exzentrisch angeordneten, das Übertragungsglied bildenden
Steg miteinander verbunden sind, während die federnde Verbindung
von dem dünnen
elastischen Abschnitt gebildet ist, der als Druckmittelkammer-Wand
bei Druckmittelbeaufschlagung ausbrauchbar ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bohrkopf mit einer gegenüber einer
Rotationsachse schwenkbaren Bohrstange gemäß der im Oberbegriff des Anspru ches
1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass der Bohrkopf einfach
und kostengünstig
herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1
in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die
Unteransprüche
bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Reduktion des
Bohrkopfes auf einige wenige, einfach aufgebaute Bauteile eine kostengünstige Herstellung
und eine vereinfachte Montage gewährleistet.
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Hierzu
weist der Bohrkopf mit einer gegenüber einer Rotationsachse schwenkbaren
Bohrstange eine die Bohrstange aufnehmende, als Federelement ausgebildete
Werkzeugaufnahme und einen Werkzeugschaft zur drehfesten Verbindung
mit einer Abtriebsspindel auf. Erfindungsgemäß ist zwischen Werkzeugschaft
und Werkzeugaufnahme exzentrisch zur Rotati onsachse ein über ein
hydraulisches Medium betätigbarer
Membran-Stößel angeordnet. Durch
eine gezielte Zufuhr bzw. Abfuhr des hydraulischen Mediums zu dem
Membran-Stößel ist
der in dem Membran-Stößel resultierende
Steuerdruck einstellbar. Die resultierende Stellkraft des Membran-Stößels wirkt
auf die als Federelement ausgebildete Werkzeugaufnahme und bewirkt
ein Schwenken der als Federelement ausgebildeten Werkzeugaufnahme
um einen definierten Drehpunkt. Auf eine einfache Art und Weise
ist somit ein im wesentlichen lediglich drei Grundelemente, nämlich Werkzeugschaft,
Membran-Stößel und
Werkzeugaufnahme, umfassender, leicht zu montierender schwenkbarer Bohrkopf
realisiert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bohrkopfes
liegt darin, dass die Stellkraft über ein Membran-Stößel erzeugt
wird. Hierdurch wird der hydraulisch geregelte Druck hysteresefrei
in eine proportionale Kraft übersetzt,
die die eigentliche Bohrstange oder den Werkzeughalter über die
als Federelement ausgebildete Werkzeugaufnahme, nachfolgend auch
als Federgelenk bezeichnet, radial feinfühlig verstellt. Die erfindungsgemäße konstruktive
Anordnung und die Baugröße von Federgelenk
zu Membran-Stößel ermöglicht zudem eine
feinfühlige
und sehr schnelle Änderung
der Schneidpositionen, wie dies beispielsweise beim Konturbohren
für höchste Drehzahlen
gefordert wird. Aufgrund der geringen Massenverschiebung beim Verstellen
und der daraus resultierenden geringen Unwucht sind mit dem erfindungsgemäßen Bohrkopf Drehzahlen
bis zu 15.000 Umdrehungen pro Minute realisierbar.
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In
radiale Richtung (R) betrachtet weist die Werkzeugaufnahme jeweils
einen von radial außen nach
radial in nen verlaufenden ersten Einschnitt und einem im Wesentlichen
gegenüberliegenden
zweiten Einschnitt auf. Hierdurch ist auf eine einfache und preiswerte
Art und Weise die benötigte
federnde Eigenschaft der Werkzeugaufnahme realisiert.
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Dabei
weist der erste Einschnitt in radiale Richtung (R) betrachtet eine
größere Tiefe
als der zweite Einschnitt auf. Das erfindungsgemäße Vorsehen von Einschnitten
unterschiedlicher Tiefe stellt eine kostengünstige und fertigungstechnisch
unkompliziert zu realisierende Möglichkeit
zur Einstellung der gewünschten
Federsteifigkeit der Werkzeugaufnahme dar.
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Vorzugsweise
erstreckt sich dabei in radiale Richtung (R) betrachtet der tiefere
erste Einschnitt bis zur Rotationsachse.
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Eine
weitere Einstellmöglichkeit
der federnde Eigenschaft der Werkzeugaufnahme ist durch eine in
axiale Richtung (A) betrachtete versetzte Anordnung der beiden Einschnitte
zueinander gewährleistet.
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Vorzugsweise
ist dabei in axiale Richtung (A) betrachtet der erste Einschnitt
vor dem zweiten Einschnitt angeordnet.
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In
vorteilhafter Weise weisen zudem die beiden Einstiche in axiale
Richtung (A) betrachtet unterschiedliche Dicken auf. Vorzugsweise
ist hierbei der in axiale Richtung (A) betrachtete zweite Einschnitt dicker
als der erste Einschnitt ausgebildet.
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Durch
die beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Werkzeugaufnahme, nämlich
die in axiale Richtung (A) betrachtete versetzte Anordnung und Ausbildung
unterschiedlicher Dicke, sowie die in radiale Richtung (R) betrachtete
unterschiedliche Tiefe der beiden Einschnitte zueinander, sind mehrere
Parameter zur Dimensionierung der Federsteifigkeit der Werkzeugaufnahme
zur Verfügung
gestellt. So ist beispielsweise durch eine entsprechende Wahl des
axialen Abstandes der beiden Einstiche zueinander und einer darauf
abgestimmten Auswahl des Tiefen- und Dickenverhältnisses der beiden Einschnitte
zueinander, die Federsteifigkeit der Werkzeugaufnahme gezielt einstellbar.
Die Federsteifigkeit liegt in Größenordnungen
von ca. 70 N pro μm.
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Um
eine Versorgung des Membran-Stößels mit
dem hydraulischen Medium zu gewährleisten, weist
der Werkzeugschaft mindestens eine, in dem Werkzeugschaft integrierte,
Versorgungsleitung zur Zuführung/Abführung des
hydraulischen Mediums auf.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist die Versorgungsleitung zentral in dem Werkzeugschaft
angeordnet.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Versorgungsleitung exzentrisch zur Rotationsachse
in dem Werkzeugschaft angeordnet.
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Über an der
Abtriebsspindel angeordnete Drehverteiler ist eine Verbindung der
in der Werkzeugschaft angeordneten Versorgungsleitung mit einem
hydraulischen Kreis lauf sichergestellt. Hierfür weist die Abtriebsspindel
korrespondierende zentral und/oder exzentrisch zur Rotationsachse
angeordnete Zu- bzw. Abfuhrleitungen auf.
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Zur
Einstellung des Steuerdruckes und somit der resultierenden Stellkraft
des Membran-Stößels ist
in dem hydraulischen Kreislauf mindestens ein Steuer-/Regelventil angeordnet.
Dieses Ventil regelt den hydraulischen Druck nach Menge und Volumen mit
höchster
Präzision
und größter Stellgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
vom analogen oder digitalen Sollwert der Maschinensteuerung. Dies
ermöglicht eine
hysteresefreie Werkzeugnachstellung mit höchster Stellgeschwindigkeit
und einer Stellgenauigkeit von ≤ 0,0005
mm.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem hydraulischen Medium um Hydrauliköl.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung wird als hydraulisches Medium Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser,
verwendet.
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Um
bei der Verwendung von Kühlflüssigkeit als
hydraulisches Medium einen einwandfreien Betrieb des Bohrkopfes
sicherzustellen, ist ein Filter zur Filterung der Kühlflüssigkeit
vorgesehen. Der Filter kann dabei in Form einer externen Filterstation
ausgebildet sein, die mit dem vorhandenen Kühlmittelkreislauf verbindbar
ist. Hierdurch ist eine ausreichende Filterung und Überwachung
des hydraulischen Steuermediums Kühlflüssigkeit sichergestellt.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
hat gegenüber
der in der
DE 34 33
793 A1 offenbarten Lösung
vor allem auch den Vorteil, dass der Bohrkopf nur mit 80 bar Druck
beaufschlagt werden muss. Hierdurch ist er auch für die Ansteuerung
mit Kühlmittel
in Bearbeitungszentren einsetzbar.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung
mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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In
der Beschreibung, in den Patentansprüchen, in der Zusammenfassung
und in der Zeichnung werden die in der hinten angeführten Liste
der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen
verwenden. In der Zeichnung bedeutet:
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1 eine
vereinfachte Seitenansicht eines Bohrkopfes mit einer gegenüber einer
Rotationsachse schwenkbaren Bohrstange;
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2 eine
Schnittansicht des Bohrkopfes mit einer abweichenden Anordnung der
Versorgungsleitung,
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3 eine
weitere Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Bohrkopfes.
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In 1 ist
mehr oder minder schematisch ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneter Bohrkopf
dargestellt.
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Der
Bohrkopf 10 umfasst im Wesentlichen einen als Spannschaft
ausgebildeten Werkzeugschaft 12 zur drehfesten Verbindung
mit einer Abtriebsspindel 14 sowie eine Werkzeugaufnahme 16 zur
Aufnahme einer einen Schneidmeißel 18 aufweisende Feinbohrstange 20.
Zwischen Werkzeugschaft 12 und Werkzeugaufnahme 14 ist
exzentrisch zu einer Rotationsachse 22 ein Membran-Stößel 24 angeordnet.
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Zur
Versorgung des Membran-Stößels 24 mit
einem hydraulischen Medium weist der Werkzeugschaft 12 eine
exzentrisch zur Rotationsachse 22 angeordnete Versorgungsleitung 26 auf. Über einen
an der Stirnfläche
der Abtriebsspindel 14 angeordneten Drehverteiler ist die
Versorgungsleitung 26 über
eine, korrespondierend zur Versorgungsleitung 26, exzentrisch
zur Rotationsachse 22 angeordnete Zu bzw. Abfuhrleitung 28 mit
einem, hier Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellten, ein Regelventil aufweisenden Hydraulikkreislauf
verbindbar.
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Das
Regelventil regelt den hydraulischen Druck nach Menge und Volumen
mit höchster
Präzision
und größter Stellgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
vom analogen oder digitalen Sollwert der Maschinensteuerung. Das
Regelventil ist auf Grund der hohen magnetischen Stellkräfte und
dem Aufbau als Ventilschiebeantrieb schmutzunempfindlich. Daher kann
als hydraulisches Medium neben Hydrauliköl auch Kühlmittel als hydraulisches
Medium verwendet werden. Hierfür
muss lediglich eine normale Feinstation < 0,04 mm vorgeschaltet werden.
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Die
Werkzeugaufnahme 16 ist als Federelement ausgebildet. Hierzu
weist die Werkzeugaufnahme 16, nachfolgend auch als Federgelenk
bezeichnet, in radiale Richtung (R) betrachtet jeweils einen von
radial außen
nach radial innen verlaufenden ersten Einschnitt 30 und
einen im Wesentlichen gegenüberliegenden
zweiten Einschnitt 32 auf. Der erste Einschnitt 30 erstreckt
sich in radiale Richtung (R) betrachtet bis zur Rotationsachse 22.
Hingegen weist der zweite Einschnitt 32 in radialer Richtung
(R) betrachtet eine weit aus geringere Tiefe als der erste Einschnitt 30 auf.
In axiale Richtung (A) betrachtet ist der erste Einschnitt 30 vor
dem zweiten Einschnitt 32 angeordnet.
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Über die
in 1 dargestellten Parameter, nämlich Tiefe des ersten und
zweiten Einschnittes 20, 32 bzw. das Verhältnis der
beiden Einschnitte 30, 32 zueinander, sowie der
axiale Versatz und der beiden Einschnitte 30, 32 zueinander
ist die Federsteifigkeit des Federgelenks 16 dimensionierbar.
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Die
gewählte
Konstruktion des Federgelenks 16 bewirkt zudem, dass sich
in Richtung der Hauptschnittkraft das Werkzeug nicht verbiegen kann, während in
Richtung der sehr viel geringeren Passivkraft das Federgelenk 16 mit
der vorher dimensionierten Federsteifigkeit wirkt. Die Federsteifigkeit liegt
dabei in Größenordnungen
von ca. 70 N pro μm. Die
Stabilität
des Bohrkopfes 10 entspricht dabei der einer vergleichbaren
normalen Bohrstange.
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Der
eigentliche Verstellvorgang des Bohrkopfes ist nachfolgend erläutert: Wie
bereits ausgeführt
ist, weist der, hier aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellter, Hydraulikkreislauf ein Regelventil auf. Über das
Regelventil ist der hydraulische Druck nach Menge und Volumen in
Abhängigkeit
vom analogen oder digitalen Sollwert der Maschinensteuerung regelbar.
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Dieser
Steuerdruck wird über
die Zu-/Abfuhrleitung 28 und der Versorgungsleitung 26 dem
Membran-Stößel 24 zugeführt. Die
resultierende Stellkraft verbiegt über den Membran-Stößel 24 das
Federgelenk 16. Hierdurch schwenkt die Feinbohrstange 16 unter
dem Einfluss der Stellkraft um einen definierten Drehpunkt 34 in
die gewünschte
Stellposition. Der Schneidmeißel 18 wird
dabei um den Betrag ΔS
ausgelenkt Dies ist alles ohne messbaren Hysteresefehler bis zu
einer Stellauflösung ≤ 0,0005 mm
möglich, da
alle Bewegungen nur durch die elastische Verformung des Federgelenks
verursacht werden.
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Die
einfache Konstruktion des vorliegenden Bohrkopfes 10, nämlich der
Umstand, dass der Bohrkopf 10 im wesentlichen die drei,
leicht zu montierende Bauteile Werkzeugschaft 12, Membran-Stößel 24 und
Werkzeugaufnahme 16 umfasst, ist aus 2 ersichtlich.
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Entsprechend
zu dem in 1 dargestellten Bohrkopf 10 ist
der Werkzeugschaft 12 wieder als Spannschaft ausgebildet
und weist im Inneren die für die
Versorgung des Membran-Stößels 24 mit
Hydraulikflüssigkeit
notwendige Vorsorgungsleitung 26 auf. Im Gegensatz zu 1 ist vorliegend
die Versorgungsleitung 26 zentral im Werkzeugschaft 12 angeordnet.
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Die
Werkzeugaufnahme bzw. das Federgelenk 16 sind im Wesentlichen
gemäß dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel
nach 1 ausgebildet. Vorliegend weisen jedoch die beiden
Einschnitte 30, 32 in axiale Richtung (A) betrachtet
unterschiedliche Dicken auf. So ist, wie aus 2 deutlich
ersichtlich, der erste Einschnitt 30 wesentlich dünner als
der zweite Einstich 32 ausgebildet.
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Eine
Antriebsspindel und die entsprechende Verbindung der Versorgungsleitung 26 mit
einer in der Spindel integrierten Zu-/Abfuhrleitung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit
in der vorliegenden Schnittansicht nicht dargestellt.
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Der
eigentliche Verstellvorgang erfolgt analog zu dem bereits oben geschilderten:
durch das über
die zentral im Werkzeugschaft 12 angeordnete Versorgungsleitung 26 zugeführte hydraulische
Medium wird ein Steuerdruck erzeugt. Dieser Steuerdruck wirkt auf
den Membran-Stößel 24.
Die resultierende, auf das Federgelenk 12 wirkende Stellkraft bewirkt
ein kontrolliertes Verbiegen des Federgelenks 12 um einen
definierten Drehpunkt. Die im Federgelenk 12 geführte Feinbohrstange 20 schwenkt unter
Einfluss der Stellkraft in die gewünschte Sollposition.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des Bohrkopfes ist in 2 dargestellt. Entsprechend
zu 2 ist bei dieser Ausführungsform die Vorsorgungsleitung 26 zentral im
Werkzeugschaft 12 angeordnet. Im Gegensatz zu 2 und 1 ist
vorliegend der Werkzeugschaft 12 jedoch nicht als Spannschaft
ausgebildet.
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- 10
- Bohrkopf
- 12
- Werkzeugschaft
- 14
- Abtriebsspindel
- 16
- Werkzeugaufnahme/Federgelenk
- 18
- Schneidmeißel
- 20
- Feinbohrstange
- 22
- Rotationsachse
- 24
- Membran-Stößel
- 26
- Versorgungsleitung
- 28
- Zu-/Abfuhrleitung
- 30
- erster
Einschnitt
- 32
- zweiter
Einschnitt
- 34
- Drehpunkt
- R
- radiale
Richtung
- A
- axiale
Richtung