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Die Erfindung betrifft ein Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug zum Aufbohren, Schälen und Glattwalzen eines Werkstücks in einer Aufspannung, mit (a) einem Grundkörper, der zumindest ein Führungselement zum Führen des Grundkörpers in einem Rohr aufweist, (b) vorzugsweise einem Aufbohrkopf zum Aufbohren des Rohrs, wobei der Aufbohrkopf relativ zum Grundkörper angeordnet ist, (c) zumindest einem Schälmesser zum Erzeugen einer Innenoberfläche durch Schälen einer Innenseite des Rohrs und (d) einer Glattwalzvorrichtung zum Glattwalzen der Innenoberfläche des Rohrs.
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Ein derartiges Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug wird beispielsweise zum Fertigen von Hydraulikzylindern eingesetzt. Dazu werden Rohre, beispielsweise kalt gezogene oder warm gewalzte Rohre an ihrer Innenseite mit einem Kombinationswerkzeug zunächst aufgebohrt, dann geschält und nachfolgend festgewalzt. Insbesondere warm gewalzte Rohre besitzen oft eine geringe Formgenauigkeit, das heißt sie weisen Kreisformfehler und/oder Geradheitsfehler auf. Es hat sich herausgestellt, dass Hydraulikzylinder, die aus wenig maßhaltigen Rohren hergestellt werden, oft nur mit relativ hohen Oberflächenrauheiten auf der Innenseite des Zylinders gefertigt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
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Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug, bei dem die Glattwalzvorrichtung mit radialem Spiel am Grundkörper befestigt ist.
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Vorteilhaft an einem derartigen Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug ist, dass auch Rohre mit relativ großen Zylinderformfehlern, also insbesondere Geradheitsfehlern oder Kreisformfehlern, so bearbeitet werden, dass die entstehende Bohrung relativ geringe Zylinderformfehler aufweist. Das macht es beispielsweise möglich, warm gewalzte und damit kostengünstig herstellbare Rohre zur Fertigung von Hydraulikzylindern einzusetzen.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug gegenüber herkömmlichen Werkzeugen eine erhöhte Standzeit besitzt.
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Vorteilhaft ist zudem, dass mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug höhere Oberflächengüten erreichbar sind.
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Ein weiterer Vorteil ist es, dass das Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug modular aufgebaut und – wie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen – einen Aufbohrkopf umfassen sein kann, der lösbar am Grundkörper befestigt ist. Durch die schwimmende Lagerung der Glattwalzvorrichtung führt der Aufbohrkopf nicht zu einer mechanischen Überbestimmtheit des Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeugs und damit zu einer hohen Oberflächengüte. Das Werkzeug kann aber auch ohne Aufbohrkopf verwendet werden, wenn Rohre mit hinreichend hoher Formgenauigkeit bearbeitet werden, insbesondere gezogene Rohre. Der Aufbohrkopf verfügt vorzugsweise über Führungsteile, mittels denen er im Betrieb an der Innenseite des Rohrs geführt wird.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeuge zumeist mechanisch überbestimmt im Rohr gelagert sind. Durch unvermeidliche Fluchtungsfehler im Werkzeug wirken signifikante Zwangskräfte auf das Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug, wenn das Rohr einen Zylinderformfehler hat. Dadurch schwankt die von der Glattwalzvorrichtung auf die Innenoberfläche des Rohrs aufgebrachte Glattwalzkraft. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug kann die Glattwalzvorrichtung hingegen relativ zum Grundkörper radial ausweichen und so unter stets in guter Näherung gleichbleibenden Bedingungen die Innenoberfläche des Rohrs glattwalzen.
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Während daher bekannte Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeuge entweder zu Gestaltabweichungen der gefertigten Zylinder oder zu einer unbefriedigenden Oberflächenrauheit der Innenfläche des Zylinders führen, wenn das Ausgangsrohr größere Gestaltabweichungen besitzt, sind mit dem erfindungsgemäßen Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug hohe Oberflächengüten und zudem geringe Zylinderformfehler erreichbar, auch wenn das Ausgangsrohr einen größeren Zylinderformfehler besitzt.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Aufbohrkopf insbesondere ein Teil des Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeugs verstanden, mittels dem eine vorhandene Bohrung in einem Rohr-Rohling aufgebohrt werden kann. Es ist möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, wenn der Aufbohrkopf lösbar ausgebildet ist. In diesem Fall kann der Aufbohrkopf leicht ausgetauscht werden. Es ist aber auch möglich, dass der Aufbohrkopf einen integralen Teil des Grundkörpers oder de darstellt.
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Ist der Aufbohrkopf vom Grundkörper lösbar, so ist er vorzugsweise biegestarr in Bezug auf den Grundkörper.. Beispielsweise ist der Aufbohrkopf formschlüssig mit dem Grundkörper oder einem Schälkopf verbunden, insbesondere verschraubt.
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Unter dem zumindest einen Schälmesser wird insbesondere ein Messer verstanden, das so relativ zum Aufbohrkopf angeordnet ist, dass beim Betrieb des Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeugs eine Spanungsdicke von vorzugsweise unter 2 mm, insbesondere höchstens 1 mm, entsteht.
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Unter dem Merkmal, dass die Glattwalzvorrichtung mit radialem Spiel am Grundkörper befestigt ist, wird insbesondere verstanden, dass die Glattwalzvorrichtung in radialer Richtung so wenig starr am Grundkörper befestigt ist, dass die Glattwalzvorrichtung der Innenoberfläche des Rohrs folgt, auch wenn das Rohr einen Geradheitsfehler von mehr als 1,5 Millimeter pro Meter Rohrlänge, insbesondere 2,5 Millimeter pro Meter Rohrlänge, besitzt. Da das Spiel begrenzt ist, existiert eine Obergrenze für den Geradheitsfehler, bis zu dem die Glattwalzvorrichtung der Innenoberfläche des Rohrs folgen kann, wobei diese Obergrenze bei beispielsweise 2 Millimeter pro Meter Rohrlänge liegt.
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Die Glattwalzvorrichtung umfasst zumindest einen Walzkörper, insbesondere zumindest zwei Walzkörper. In der Regel ist es günstig, wenn die Glattwalzvorrichtung drei oder mehr als Walzkörper aufweist. Die Walzkörper sind bevorzugt in äquidistanten Winkelschritten um einen Außenumfang der Glattwalzvorrichtung angeordnet.
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Es ist möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass die die Glattwalzvorrichtung ungefedert mit radialem Spiel am Grundkörper befestigt ist. In diesem Fall wirkt innerhalb des Bereichs des Spiels auf die Glattwalzvorrichtung keine mit zunehmender Auslenkung von einer zentrierten Lage zunehmende Kraft.
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Alternativ ist die Glattwalzvorrichtung mittels zumindest eines Federelements mit dem Grundkörper verbunden. Es können dann zumindest zwei Federkonstanten unterschieden werden, nämlich eine erste Federkonstante bezüglich einer Bewegung eines Walzkörpers auf eine gemeinsame Drehachse zu, um die die Walzkörper beim Betrieb des Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeugs planetenähnlich drehen. Diese erste Federkonstante ist in der Regel für alle Walzkörper zumindest im Wesentlichen gleich. Die Glattwalzvorrichtung hat zudem eine zweite Federkonstante bezüglich einer kollektiven Bewegung der zumindest zwei Wälzkörper. Diese zweite Federkonstante bezieht sich damit auf eine Bewegung, die zu gleichen Versätzen aller Wälzkörper in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung führen und zu einer Deformation des zumindest einen Federelements führt. Die zweite Federkonstante ist deutlich kleiner als die erste Federkonstante und beträgt beispielsweise höchstens ein Drittel, insbesondere höchstens ein Zehntel der ersten Federkonstante. Das führt dazu, dass die Glattwalzkraft eine sehr hohe Rückstellkraft auf die Innenoberfläche des entstehenden Zylinders ausübt, wenn dessen Durchmesser abnimmt. Gleichzeitig entstehen nur geringe zusätzliche Kräfte, wenn die Innenoberfläche des entstehenden Hydraulikzylinders lediglich einen Fluchtungsfehler besitzt.
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Besonders bevorzugt ist das zumindest eine Federelement so ausgebildet, dass es die Glattwalzvorrichtung in eine zentrierte Position vorspannt. In einer zentrierten Position liegt ein Mittelpunkt des Umkreises, auf dem die Schneidkanten der Schälmesser liegen, auf der Längsachse des Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeugs oder dicht bei dieser, insbesondere in einem Abstand von höchstens einem Viertel des Spiels.
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Es ist möglich und günstig, wenn die Glattwalzvorrichtung ausschließlich mit radialem Spiel am Grundkörper befestigt ist, das heißt, dass erst die Glattwalzvorrichtung in einer Radialführung geführt ist, die eine axiale Bewegung unterdrückt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Glattwalzvorrichtung mit einem radialem und einem axialen Spiel am Grundkörper befestigt. In diesem Fall ist es günstig, wenn das axiale Spiel höchstens ± 1 mm beträgt, insbesondere höchstens ± 0,7 mm
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist es günstig, wenn das zumindest eine Schälmesser schwimmend an einem Schälkopf gelagert ist. Unter dem Schälkopf wird derjenige Bereich des Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeugs verstanden, in dem die Schälmesser angeordnet sind. In diesem Fall können die Schälmesser sich selbsttätig so anordnen, dass sie stets zumindest ungefähr gleich Spannungsdicken besitzen. Das führt zu geringen Rundheitsfehlern. Schwimmend gelagerte Schälmesser und die mit radialem Spiel am Grundkörper befestigte Glattwalzvorrichtung wirken folglich synergistisch. Vorzugsweise ist der Schälkopf biegestarr am Grundkörper befestigt. Der Aufbohrkopf ist biegestarr relativ zum Grundköper angeordnet, vorzugsweise ist der Aufbohrkopf biegestarr am Schälkopf befestigt. Beispielsweise ist der Aufbohrkopf am Schälkopf festgeschraubt.
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Vorzugsweise umfasst der Schälkopf zumindest einen Führungskörper, mittels denen er im Betrieb an der Innenseite des Rohrs geführt wird. Vorzugsweise umfasst der Schälkopf zumindest Führungskörper, mittels denen er im Betrieb an der Innenseite des Rohrs geführt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das radiale Spiel zumindest ± 150 Mikrometer. Alternativ oder zusätzlich beträgt das radiale Spiel höchstens 700 Mikrometer. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass jenseits der angegebenen Grenzen die zweite Federkonstante um zumindest den Faktor drei ansteigt.
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Vorzugsweise besitzt die Glattwalzvorrichtung einen ersten Walzkörper, zumindest einen zweiten Walzkörper und einen Dorn, wobei die Walzkörper auf dem Dorn ablaufen. Der Dorn kann insbesondere kegelförmig oder kegelabschnittsförmig sein. Dieser Aufbau führt zu einer geringen Federkonstante bezüglich einer kollektiven Bewegung der Walzkörper und zu einer großen Federkonstante bezüglich einer Bewegung eines Walzkörpers auf die gemeinsame Drehachse zu. So kann die Glattwalzvorrichtung die Innenoberfläche des Rohrs mit einer großen Walzkraft glattwalzen und zudem in axialer Richtung dem Verlauf des Rohrs folgen.
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Vorzugsweise besitzt die Glattwalzvorrichtung einen Käfig, in dem die Walzkörper belagert sind, wobei der Dorn mittels einer Drehmomentübertragungsvorrichtung, insbesondere einer Klauenkupplung oder einer Kreuzscheibenkupplung, mit dem Grundkörper und – wie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen – mit einer mit dem Grundkörper verbundenen Bohrstange drehmomentstarr gekoppelt ist. Die Kopplung kann unmittelbar oder mittelbar, also über Zwischenbauteile erfolgen. Die Kopplung ermöglicht es, das Antriebsdrehmoment über den Dorn auf die Walzkörper zu übertragen. Der Käfig ist radial drehbar am Grundkörper befestigt, nicht aber in radialer Richtung beweglich. Bewegt sich der Dorn, so bewegen sich folglich die Walzkörper relativ zum Käfig. Es wird so eine besonders einfache Konstruktion erreicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Dorn mit radialem Spiel am Grundkörper befestigt. In diesem Fall kann der Käfig eine geringere radiale Dicke haben, so dass kleinere Rohrdurchmesser bearbeitet werden können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeugs in einem schematisch angedeuteten Rohr und
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2 einen Querschnitt durch das Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug gemäß 1.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug 10 zum Aufbohren, Schälen und Glattwalzen eines Werkstücks 12, im vorliegenden Fall eines Rohrs, in einer Aufspannung. Das Werkzeug 10 besitzt einen Grundkörper 14, der Führungselemente 16 zum Führen des Grundkörpers 14 im Werkstück 12 aufweist, wobei die Führungselemente 16.1, ..., 16.4 eingezeichnet sind (Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen jeweils alle Objekte mit dem gleichen Bezugszeichen).
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Das Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug 10 besitzt einen Aufbohrkopf 18, der zumindest eine Aufbohrschneide, mittels der das Werkstück 12 aufgebohrt wird. Vorzugsweise umfasst der Aufbohrkopf 18 eine Schneidplatte 20, an der die Aufbohrschneide ausgebildet ist. Der Aufbohrkopf 18 besitzt zudem Führungsvorrichtungen 22 in Form von Führungsleisten, mittels derer der Aufbohrkopf 18 selbstzentrierend gelagert ist. Zusätzlich ist der Schälkopf 25 ebenfalls mit Führungskörpern 27.1, 27.2, ... ausgerüstet, die konzentrisch zu den Führungsvorrichtungen 22 angeordnet sind.
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Bezüglich einer Bearbeitungsrichtung B hinter dem Aufbohrkopf 18 sind Schälmesser 24 angeordnet, von denen die Schälmesser 24.1, 24.2 eingezeichnet sind. Die Schälmesser 24 sind radial einfahrbahr ausgebildet und stehen im ausgefahrenen Zustand um eine Schnitttiefe von beispielsweise ap = 0,2 bis 1 mm radial über die Fläche über, die von der Schneidplatte 20 erzeugt wird. Der Bereich, in dem die Schälmesser 24 angeordnet sind, kann als Schälkopf 25 bezeichnet werden. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass der Schälkopf 25 vom Grundkörper 14 lösbar ist. Beispielsweise ist der Schälkopf 25 am Grundkörper 14 angeschraubt.
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In Bearbeitungsrichtung B hinter den Schälmessern 24 ist eine Glattwalzvorrichtung 26 angeordnet, die auch als Walzkopf bezeichnet werden kann. Die Glattwalzvorrichtung 26 umfasst eine Mehrzahl an Walzkörpern 28.1, 28.2, 28.3, .... Die Walzkörper 28 können in äquidistanten Winkelschritten um den Umfang der Glattwalzvorrichtung 26 angeordnet sein, wobei aber auch eine nicht-äquidistante Anordnung möglich ist und vorteilhaft sein kann.
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Der Grundkörper 14 ist drehmomentstarr mit einer Bohrstange 30 verbunden, über die ein Antriebsdrehmoment M eingeleitet wird, das von einem schematisch eingezeichneten Motor 32 einer ebenfalls nur schematisch eingezeichneten Tiefbohrmaschine 34 angetrieben wird. Eine Tiefbohrmaschine, die einen Motor 32 hat, der mit dem Grundkörper 14 drehmomentstarr verbunden ist, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es ist möglich, dass eine in der vorliegenden Beschreibung angesprochene drehmomentstarre Verbindung ein Spiel in Drehrichtung aufweist, maßgeblich ist lediglich, dass das Antriebsdrehmoment schlupffrei übertragbar ist.
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2 zeigt einen Querschnitt durch das Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug 10. Es ist zu erkennen, dass der Grundkörper 14 eine Passfeder 36 aufweist, mittels der das Antriebsdrehmoment M auf einen Mitnehmer 38 übertragen wird. Der Mitnehmer 38 ist drehmomentstarr mit einer Drehmomentübertragungsvorrichtung 40 verbunden, die im vorliegenden Fall durch eine Klauenkupplung gebildet ist. Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 40 ist drehmomentstarr mit einem Dorn 42 gekoppelt, der auch als Innenkegel bezeichnet werden kann, da er eine kegelstumpfförmige Außenkontur besitzt.
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Auf dem Dorn 42 laufen die Walzkörper 28 ab, die ebenfalls im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet sind. Die Mantelflächen der Walzkörper 28 bilden einen Rollenfreiwinkel α mit einer Längsachse L des Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeugs. Die Längsachse L ist gleichzeitig die Drehachse, um die der Aufbohrkopf 18 und der Grundkörper 14 im Betrieb rotieren. Der Rollenfreiwinkel α ist in anderen Worten derjenige Winkel zwischen einer Tangente T in axialer Richtung an die Mantelfläche des jeweiligen Walzkörpers 28 am in Bewegungsrichtung B mittleren Abschnitt des Walzkörpers 28 einerseits und der Innenoberfläche 48 (vgl. 1) des Werkstücks 12 nach dem Glattwalzen andererseits.
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Die Längsachse L ist zudem die kollektive Drehachse, um die sich die Walzkörper 28 planetenähnlich drehen. Die Walzkörper 28 sind in einem Käfig 44 gefangen. Das Antriebsdrehmoment M, das über die Bohrstange 30 anliegt, wird vom Grundkörper 14 über die Passfeder 36 und den Mitnehmer 38 auf den Dorn 42 übertragen, der dadurch synchron mit dem Grundkörper 14 rotiert. Die Walzkörper 28 sind zwischen dem Dorn 42 und einer Innenoberfläche 48 (vgl. 1) des Werkstücks 12 eingespannt und rotieren um die eigene Achse. Die Walzkörper 28 beschreiben mit dem Käfig 44, der ungefähr mit halber Drehgeschwindigkeit des Grundkörpers 14 dreht, einen Orbit.
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Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 40 ist so ausgebildet, dass die Glattwalzvorrichtung 26 ein radiales Spiel s relativ zum Grundkörper 14 besitzt. In anderen Worten kann sich die Glattwalzvorrichtung 26 in einem ersten Freiheitsgrad F1 bewegen.
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Das radiale Spiel s entspricht einer Spaltbreite s zwischen dem Dorn 42 und der gegenüberliegenden Oberfläche des Mitnehmers 28. Es beträgt im vorliegenden Fall ± 400 µm. Die Glattwalzvorrichtung 26 ist zudem mit einem axialen Spiel a am Grundkörper 14 befestigt. Dazu ist in der vorliegenden Ausführungsform der Dorn 42 mit axialem Spiel a zum Stützring 46 montiert.
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Der Dorn 42 wird von einem Stützring 46 axial geführt. Aufgrund eines axialen Spiels s kann die Glattwalzvorrichtung 26 in einem zweiten Freiheitsgrad F2 um einen Kippwinkel kippen, wobei dieser Kippwinkel kleiner ist als der Rollenfreiwinkel α. Das stellt sicher, dass ein Wirkpunkt W der Walzkörper stets an der bezüglich der Bearbeitungsrichtung B vorderen Kante liegt, so dass eine geringen Oberflächenrauheit der Innenoberfläche 48 (vgl. 1) des Werkstücks 12 erreicht wird.
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2 zeigt zudem ein gestrichelt eingezeichnetes, optionales Federelement 45, mittels dem der Dorn 42 mit radialem Spiel s relativ zum Grundkörper 14 befestigt ist. Im vorliegenden Fall ist der Dorn 42 federnd am Mitnehmer befestigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Aufbohr-Schäl-Glattwalzwerkzeug
- 12
- Werkstück
- 14
- Grundkörper
- 16
- Führungselemente
- 18
- Aufbohrkopf
- 20
- Schneidplatte
- 22
- Führungsvorrichtung
- 24
- Schälmesser
- 25
- Schälkopf
- 26
- Glattwalzvorrichtung
- 27
- Führungskörper
- 28
- Walzkörper
- 30
- Bohrstange
- 32
- Motor
- 34
- Tiefbohrmaschine
- 36
- Passfeder
- 38
- Mitnehmer
- 40
- Drehmomentübertragungsvorrichtung
- 42
- Dorn
- 44
- Käfig
- 45
- Federelement
- 46
- Stützring
- 48
- Innenoberfläche
- α
- Rollenfreiwinkel
- a
- axiales Spiel
- B
- Bearbeitungsrichtung
- F
- Freiheitsgrad
- L
- Längsachse
- M
- Antriebsdrehmoment
- s
- radiales Spiel
- T
- Tangente
- W
- Wirkpunkt
