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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter zum passiven Ausgleich eines radialen Versatzes zwischen einer Bohrlochachse und einer Werkzeugachse, wobei sich der Werkzeughalter in einer Längsrichtung erstreckt und ein maschinenseitiges erstes Halterteil sowie ein werkzeugseitiges zweites Halterteil aufweist, die in Radialrichtung senkrecht zur Längsrichtung zueinander versetzbar sind.
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Derartige Werkzeughalter werden auch als sogenannte Pendelhalter beispielsweise bei Reibwerkzeugen zur Feinbearbeitung von Bohrlöchern eingesetzt. Bei der hochgenauen Werkstück-Endbearbeitung ist eine exakt fluchtende Ausrichtung der Bohrlochachse mit der Werkzeugachse erforderlich. Bei dem Werkzeug handelt es sich üblicherweise um ein stehendes Werkzeug, das z.B. in einer Drehmaschine eingesetzt wird. Dabei wird das Werkstück von einem Werkstückhalter gehalten und rotiert bei der Bearbeitung um eine Halterachse. Das Werkzeug wird über den Werkzeughalter an einem Maschinenhalter gehalten. Insbesondere bei Drehmaschinen mit einem Revolver, der also mehrere Maschinenhalter für verschiedene Werkzeuge bereitstellt, besteht das Problem, dass die Achse des Maschinenhalters nicht exakt mit der Halterachse fluchtet, so dass also ein radialer Versatz zwischen einer Werkstückachse, insbesondere Bohrlochachse, und einer Werkzeugachse vorliegt. Über den Werkzeughalter lässt sich ein solcher radialer Versatz zwischen den Achsen ausgleichen.
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Bei bekannten derartigen Werkzeughaltern sind die beiden Halterteile üblicherweise über eine Kupplungsscheibe und Drehmomentmitnehmer, die in Langlöcher der Kupplungsscheibe eingreifen, miteinander drehfest verbunden. Ein derartiger Werkzeughalter ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 011 193 B3 oder der
DE 100 29 953 A1 zu entnehmen. Zur Reduzierung der im Betrieb auftretenden Reibungskräfte zwischen den beiden Halterteilen und der Kupplungsscheibe können zusätzlich Kugel- oder Wälzlager vorgesehen sein, wie dies beispielsweise aus der
DE 10 2008 043 652 B3 zu entnehmen ist.
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Diese bekannten Werkzeughalter sind jedoch aufgrund der verschiedenen Reibpartner empfindlich gegen Verschmutzungen, zeigen daher auch altersbedingt unterschiedliches Verhalten. Darüber hinaus verändern sich aufgrund der Kupplungsscheibe bei einer axialen Belastung die Reibkräfte und damit die Kupplungseigenschaften.
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Ergänzend zu dem radialen Ausgleich ist zusätzlich oftmals auch noch ein Einstellmechanismus für einen Winkelausgleich zwischen einer Spindelachse und einer Bohrlochachse vorgesehen. Ein derartiger Einstellmechanismus ist beispielsweise in der
DE 10 2011 104 982 B4 beschrieben
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeughalter zum passiven Ausgleich eines radialen Versatzes zwischen einer Bohrlochachse und einer Werkzeugachse anzugeben, welcher im Vergleich zu den bekannten Werkzeughaltern schmutzunempfindlicher ist und dessen Kupplungseigenschaften von Axialkräften weniger beeinflusst sind.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Werkzeughalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Werkzeughalter dient allgemein zum passiven Ausgleich eines radialen Versatzes zwischen einer Bohrlochachse und einer Werkzeugachse, weist daher keine aktiv angetriebenen Stellglieder wie Motoren etc. auf. Er erstreckt sich allgemein in Längsrichtung und weist ein maschinenseitiges erstes Halterteil zum Befestigen an einer Werkzeugmaschine sowie ein werkzeugseitiges zweites Halterteil zum zumindest mittelbaren Befestigen eines Bearbeitungswerkzeugs auf. Bei dem Bearbeitungswerkzeug handelt es sich allgemein um ein Feinbearbeitungswerkzeug, wie beispielsweise Reibwerkzeug, oder um ein sonstiges Zerspanungswerkzeug oder auch einen Gewindeschneider. Die beiden Halterteile sind dabei in Radialrichtung senkrecht zur Längsrichtung zueinander um einen Radialversatz versetzbar. Dies erfolgt im Betrieb automatisch bei einer nicht exakt fluchtenden Ausrichtung der Bohrlochachse zur Werkzeugachse aufgrund der beim Eindringen des Werkzeugs in das Bohrloch wirkenden radialen Abdrängkraft.
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Die beiden Halterteile sind dabei über ein in Radialrichtung elastisches Verbindungselement miteinander verbunden. Die radiale Ausgleichsbewegung wird daher vorzugsweise allein durch die Elastizität des Verbindungselements in Radialrichtung ermöglicht. Es ist daher keine aufwendige Kupplung mit Kupplungsscheibe und Drehmomentmitnehmern erforderlich, die zwischen den beiden Halterteilen angeordnet sind. Auf derartige Halterteile ist daher verzichtet.
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Aufgrund des Fehlens derartiger miteinander in Reibverbindung stehender Halterteile ist die Verschmutzungsgefahr und die Beeinträchtigung der Funktion durch Verschmutzungen zumindest weitgehend vermieden. Ein weiterer besonderer Vorteil ist die Unabhängigkeit von Axialkräften, die beispielsweise bei einer Zerspanungsoperation auftreten können. Da nämlich das Verbindungselement selbst in Radialrichtung elastisch beweglich ist, ist eine druckfeste Verbindung zwischen den beiden Halterteilen über das Verbindungselement ermöglicht und auch vorgesehen, so dass also das Verbindungselement und seine Wirkung unbeeinflusst von Axialkräften ist. Unter in Radialrichtung elastisches Verbindungselement wird allgemein verstanden, dass die beiden gegenüberliegenden an beiden Halterteilen befestigten Enden des Verbindungselements in Radialrichtung gegeneinander allein aufgrund der Elastizität des Materials des Verbindungselements zueinander versetzbar sind. Insbesondere weist das Verbindungselement zur Ermöglichung dieses radialen Versatzes daher auch keinerlei Gelenke oder Scharniere etc. auf.
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Im Hinblick auf eine möglichst einfache konstruktive Ausgestaltung ist das Verbindungselement dabei an den beiden Halterteilen jeweils unbeweglich befestigt, was insgesamt zu der gewünschten robusten und unempfindlichen Ausgestaltung beiträgt.
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Das Verbindungselement ist darüber hinaus zweckdienlicherweise als ein rein passives Rückstellelement ausgebildet, welches bei einem radialen Versatz eine definierte radiale Rückstellkraft alleine durch seine Elastizität ausübt. Die durch die Steifigkeit des Verbindungselements definierte Rückstellkraft liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 30 N bis 100 N und liegt insbesondere im Bereich von etwa 50 N. Diese Rückstellkraft entspricht dabei vorzugsweise einer typischen Auslenkkraft bei einem Versatz der Bohrlochachse zur Werkzeugachse. Die Rückstellkraft ist daher allgemein ausreichend klein, um ein rein passives radiales Abdrängen bei einem Achsenversatzes zu gewährleisten, so dass sich die beiden Achsen automatisch beim Betrieb fluchtend zueinander ausrichten. Gleichzeitig ist die Rückstellkraft ausreichend groß, um ein Hin- und Herpendeln beim Einführen des Werkzeugs zu vermeiden.
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Im Hinblick auf einen möglichst einfachen Aufbau ist das Verbindungselement zweckdienlicherweise durch mehrere, vorzugsweise durch zumindest drei Stäbe gebildet, die gleichverteilt um den Umfang angeordnet sind. Bei den Stäben handelt es sich dabei vorzugsweise um massive Stäbe mit definiertem Elastizitätsmodul, vorzugsweise um Metallstäbe. Die Stäbe weisen dabei vorzugsweise eine kreisrunde Querschnittsfläche auf. Durch diese spezielle Ausgestaltung mit den insbesondere kreisrunden und vorzugsweise zumindest drei Stäben ist insgesamt eine isotrope Elastizität des Verbindungselements geschaffen, so dass die elastische Rückstellkraft in jede Richtung identisch ist.
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Zweckdienlicherweise sind dabei die Stäbe in den Halterteilen in Bohrungen eingesteckt und dort vorzugsweise unbeweglich befestigt, insbesondere stoffschlüssig durch Löten oder auch durch Kleben.
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Weiterhin weisen die Halterteile bevorzugt Bohrungen mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern auf, so dass Stäbe mit unterschiedlichen Durchmessern zur Einstellung unterschiedlicher Rückstellkräfte einsetzbar sind. Dadurch besteht die Möglichkeit, trotz der Verwendung von identischen Halterteilen Werkzeughalter für unterschiedliche Einsatzzwecke bereitzustellen. Vorzugsweise sind die Stäbe in den Bohrungen austauschbar befestigt.
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Bei der Verwendung von mehreren Stäben besteht unter Umständen die Gefahr, dass sich die beiden Halterteile relativ zueinander um eine Längsachse verdrehen. Insbesondere um diesen unerwünschten Effekt zu vermeiden ist ergänzend zu dem Verbindungselement ein Verbindungsrohr vorgesehen, welches die Halterteile drehfest miteinander verbindet. Das Rohr ist hierbei vorzugsweise zentral und achsparallel zu einer gemeinsamen Längsachse angeordnet und insbesondere von den Stäben umgeben.
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Um den gewünschten radialen Versatz zu ermöglichen, ist das Verbindungsrohr an den Halterteilen in bevorzugter Weiterbildung beweglich gelagert. Das Verbindungsrohr selbst übt auf die Halterteile dabei zweckdienlicherweise keine radiale Rückstellkraft aus.
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Zur Lagerung des Verbindungsrohrs ist dieses an seinen beiden Stirnseiten jeweils über eine Drehgelenkverbindung mit dem jeweiligen Halterteil verbunden. Über die beiden Drehgelenkverbindungen ist dabei insbesondere eine Drehung um zwei zueinander senkrechte Drehachsen ermöglicht, so dass insgesamt das Verbindungsrohr nach Art einer kardanischen Aufhängung zwischen den beiden Halterteilen befestigt ist. Zur Ausbildung dieser Drehgelenkverbindungen sind dabei vorzugsweise jeweils Gelenkbolzen vorgesehen, die formschlüssig in Ausnehmungen, insbesondere Nuten oder auch Bohrungen am Verbindungsrohr und am jeweiligen Halterteil gelagert sind. Insbesondere ist dabei an dem einen Teil eine Bohrung vorgesehen, in die der Gelenkbolzen einsteckt. Korrespondierend sind am anderen Teil Nuten stirnseitig ausgebildet.
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Das Verbindungsrohr ist ergänzend vorzugsweise als Kühlmittelrohr ausgebildet und ist hierzu jeweils dichtend an einem werkzeugseitigen Kühlmittelkanal im ersten Halterteil sowie an einem maschinenseitigen Kühlmittelkanal im zweiten Halterteil angeschlossen. Zur Abdichtung des Kühlmittelrohrs zu den beiden Kühlmittelkanälen ist dabei zweckdienlicherweise zumindest ein Dichtelement, insbesondere ein O-Ring vorgesehen.
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Aufgrund der elastischen Rückstellkraft des Verbindungselements ist insgesamt ein schwingungsfähiges System ausgebildet. Um ein unerwünschtes Schwingen bei ungünstigen Betriebsbedingungen zu unterdrücken, ist weiterhin zweckdienlicherweise ein Dämpfungselement zur Dämpfung angeordnet. Dieses dämpft daher die elastische Auslenkung des Verbindungselements.
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Hierzu ist vorzugsweise zumindest ein Dämpfungselement angeordnet, welches allgemein zwischen den beiden Halterteilen wirksam ist. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante ist das Dämpfungselement zwischen Verbindungsrohr und zumindest einem der Halterteile angeordnet, so dass das Verbindungsrohr über das Dämpfungselement vorzugsweise an beiden Halterteilen gelagert ist. Alternativ oder ergänzend stützen sich die beiden Halterteile auch unmittelbar aneinander unter Vermittlung des Dämpfungselements ab. Das Dämpfungselement kann dabei vorzugsweise zugleich als Dichtelement ausgebildet sein.
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Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
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1 in einer perspektivischen Ansicht einen kombinierten Werkzeughalter umfassend einen Werkzeughalter zum passiven Ausgleich eines radialen Versatzes mit einem daran befestigten und für einen Winkelausgleich ausgebildeten Spannfutter,
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2 eine Seitenansicht des kombinierten Werkzeughalters gemäß 1,
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3 eine Schnittansicht durch den kombinierten Werkzeughalter gemäß der Schnittlinie A-A in 2,
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4 eine Schnittansicht durch den kombinierten Werkzeughalter in einer bzgl. der 3 um 90° gedrehten Schnittebene,
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5 eine zu 4 vergleichbare Schnittansicht eines kombinierten Werkzeughalters gemäß einer weiteren Ausführungsvariante sowie
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6 eine vereinfachte Prinzipskizze zur Erläuterung des passiven Ausgleichs eines radialen Versatzes zwischen einer Bohrlochachse und einer Werkzeugachse
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In den Figuren sind jeweils gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Der in den 1 bis 5 dargestellte kombinierte Werkzeughalter 2 setzt sich zusammen aus einem maschinenseitigen Werkzeughalter 4 sowie einem werkzeugseitigen Spannfutter 6, welches sich in Längsrichtung 8 über eine Flanschverbindung an den Werkzeughalter 4 anschließt.
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Das Spannfutter 6 weist frontseitig eine Aufnahme 10 für ein Werkzeug 12 (vgl. hierzu 6) auf, welches im Spannfutter 6 eingespannt ist. Bei dem Werkzeug 12 handelt es sich beispielsweise um ein Reibwerkzeug oder auch ein Bohrwerkzeug, Fräswerkzeug oder auch einen Gewindeschneider.
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Das Spannfutter
6 weist einen ersten Befestigungsflansch
14 an seinem hinteren Ende auf, mit dem es an dem Werkzeughalter
4 an einem zugeordneten zweiten Befestigungsflansch
16 befestigt ist. Im ersten Befestigungsflansch
14 sind um den Umfang verteilt mehrere Einstellschrauben
18 angeordnet, über die eine Winkeljustage einer Mittenachse des Spannfutters
6 bezüglich einer Mittenachse des Werkzeughalters
4 eingestellt werden kann. Der Einstellmechanismus ist dabei insbesondere ausgebildet entsprechend dem Einstellmechanismus, wie er aus der
DE 10 2011 104 982 B4 zu entnehmen ist.
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Der Werkzeughalter 4 ist zum passiven Ausgleich eines radialen Versatzes zwischen einer Bohrlochachse 20 und einer Werkzeugachse 22 ausgebildet (zu den Achsen 20, 22 vgl. insbesondere 6). Der Werkzeughalter 4 umfasst hierzu ein erstes maschinenseitiges Halterteil 24 sowie ein gegenüberliegend angeordnetes zweites, werkzeugseitiges Halterteil 26. An diesem ist das Spannfutter 6 befestigt. Das erste Halterteil 24 weist im Ausführungsbeispiel einen Haltezapfen 27 zur Aufnahme in einer hier nicht dargestellten Werkzeugmaschine, insbesondere zur Aufnahme in einem Maschinenhalter einer Drehmaschine auf. Die beiden Halterteile 24, 26 sind über ein durch drei Stangen 28 gebildetes Verbindungselement sowie durch ein Verbindungsrohr 30 miteinander verbunden. Die Stangen 28 weisen jeweils einen kreisrunden Querschnitt auf und sind insbesondere als massive Metallstäbe ausgebildet. Sie sind um den Umfang gleichverteilt angeordnet, bei drei Stangen daher jeweils um 120° drehversetzt zueinander. Die Stangen 28 sind dabei an den gegenüberliegenden Halterteilen 24, 26 jeweils unbeweglich befestigt. Hierzu sind jeweils an einer innenseitigen Ringfläche der Halterteile 24, 26 um den Umfang verteilt mehrere Bohrungen 32 angeordnet, in die die jeweiligen Stangen 28 eingesteckt und beispielsweise durch Löten befestigt sind. Die Bohrungen 32 können dabei unterschiedliche Durchmesser aufweisen, so dass unterschiedlich starke Stangen 28 aufgenommen werden können.
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Das zentral angeordnete Verbindungsrohr 30 dient zur drehfesten Verbindung der beiden Halterteile 24, 26. Im Ausführungsbeispiel ist ergänzend noch vorgesehen, dass das Verbindungsrohr 30 nach Art eines Kühlmittelrohrs einen Verbindungskanal für eine Kühlmittelführung zwischen den beiden Halterteilen 24, 26 bildet.
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Zur drehfesten Verbindung des Verbindungsrohrs 30 mit den beiden Halterteilen 24, 26 ist das Verbindungsrohr 30 mit seinen Stirnseiten jeweils drehfest an dem jeweiligen Halterteil 24, 26 befestigt. Aufgrund der Möglichkeit eines radialen Versatzes zwischen den beiden Halterteilen 24, 26 ist eine gewisse Kippbeweglichkeit des Verbindungsrohrs 30 bezüglich der beiden Halterteile 24, 26 erforderlich. Im Ausführungsbeispiel wird dies durch zwei Drehgelenkverbindungen 34 gewährleistet. Diese sind jeweils gebildet durch einen Gelenkbolzen 36, der sich quer zur Längsrichtung 8 erstreckt und der einerseits in dem jeweiligen Halterteil 24, 26 und andererseits im Verbindungsrohr 30 gelagert ist. Die beiden Gelenkbolzen 36 sind im Ausführungsbeispiel um 90° drehversetzt zueinander angeordnet, so dass eine Kippbewegung um zwei 90° zueinander versetzte Kippachsen möglich ist. Insgesamt ist das Verbindungsrohr 30 daher nach Art einer kardanischen Aufhängung zwischen den beiden Halterteilen 24, 26 gehalten.
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Die Gelenkbolzen 36 sind im Ausführungsbeispiel in Bohrungsaufnahmen 38 sowie im Verbindungsrohr 30 in nutförmigen Ausnehmungen 40 drehbar gelagert.
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Die nutförmigen Ausnehmungen 40 sind dabei stirnseitig in das Verbindungsrohr 30 eingearbeitet, wodurch eine einfache Montage ermöglicht ist.
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Das im Ausführungsbeispiel als Kühlmittelrohr ausgebildete Verbindungsrohr 30 ist zu den beiden Halterteilen 24, 26 jeweils über ein Dichtelement 42, welches vorzugsweise zugleich auch als Dämpfungselement ausgebildet ist, abgedichtet. Im Ausführungsbeispiel sind hierzu O-Ringe in entsprechenden Ringnuten der Halterteile 24, 26 angeordnet. Der durch das Verbindungsrohr 30 gebildete Kühlmittelkanal wird im werkzeugseitigen Halterteil 26 durch einen werkzeugseitigen Kühlmittelkanal 44 und im maschinenseitigen Halterteil 24 durch einen maschinenseitigen Kühlmittelkanal 46 weitergeführt. Über das Verbindungsrohr 30 sind daher die beiden Kühlmittelkanäle 44, 46 miteinander verbunden.
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Das Verbindungsrohr 30 ist allgemein in einer topfartigen Aufnahme der beiden Halterteile 24, 26 angeordnet. Die beiden Halterteile 24, 26 sind in Längsrichtung 8 betrachtet voneinander beanstandet. In den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 sind sie lediglich über die Stangen 28 sowie das Verbindungsrohr 30 miteinander verbunden.
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Beim Ausführungsbeispiel der 5 stoßen die beiden Halterteile 24, 26 demgegenüber in Längsrichtung 8 ergänzend unter Vermittlung eines Dämpfungselements 50 aneinander an. Hierzu ist zumindest an einem Halterteil 24, 26 ein die topfförmige Aufnahme umschließender Ringkragen in Längsrichtung 8 zu dem jeweils anderen Halterteil 24, 26 gezogen.
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Das Funktionsprinzip des passiven radialen Ausgleiches eines Versatzes wird anhand der 6 erläutert:
Das maschinenseitige erste Halterteil 24 ist mit seinem Haltezapfen 27 im Betrieb mit einem hier nicht näher dargestellten Maschinenhalter einer Werkzeugmaschine, insbesondere Drehmaschine verbunden. Der Maschinenhalter definiert die Werkzeugachse 22. Ein zu bearbeitendes Werkstück 52 mit einem vorgebohrten Bohrloch 54 ist gegenüberliegend von einem hier nicht näher dargestellten Werkstückhalter gehalten, der das Werkstück 52 beim Bearbeitungsprozess um eine Bohrlochachse 20 rotiert. Für den Fall, dass die Werkzeugachse 22 nicht mit der Bohrlochachse 20 fluchtet, erfolgt beim Einführen des Werkzeugs 12 in das Bohrloch 54 durch den speziellen Aufbau des Werkzeughalters 4 automatisch und in passiver Weise ein radialer Versatz des vorderen, werkzeugseitigen Halterteils 26 in Relation zu dem rückwärtigen, maschinenseitigen Halterteil 24, wie dies in 6 illustriert ist. Aufgrund der Stangen 28 erfolgt hierbei eine Parallelverschiebung der beiden Halterteile 24, 26 zueinander.
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Der radiale Versatz wird hierbei ausschließlich durch die Elastizität der Stangen 28 ermöglicht. Diese üben daher aufgrund ihrer Elastizität auch eine passive Rückstellkraft aus, so dass das werkzeugseitige Halterteil 24 über diese elastische Rückstellkraft in Richtung zur Werkzeugachse 22 gedrückt wird. Diese Rückstellkraft liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 50 N.
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Über die Dichtelemente 42 und insbesondere auch das Dämpfungselement 50 erfolgt eine Dämpfung, so dass das Werkzeug 12 im Betrieb nicht aufschwingt. Das Dämpfungselement 50 ist bevorzugt aus Kunststoff mit einer geeigneten Härte und insbesondere als ein Ringelement ausgebildet.
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Aufgrund des durch die Stangen 28 gebildeten elastischen Verbindungselements, welches keine beweglichen Teile und keine Reibpartner aufweist, ist der Werkzeughalter 4 sehr robust. Zum Einen ist er verschmutzungsunempfindlich. Zum Anderen ist die elastische, radiale Ausweichbewegung auch unabhängig von evtl. Axialkräften, die beim Betrieb auftreten können.
