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GEBIET DER ERFINDUNG
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Der vorliegende Gegenstand bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Fertigen von Gewinden unter Verwendung von Schlagschraubern. Der Gegenstand bezieht sich auch auf Adapter zur Benutzung mit Schlagschraubern und Gewindefertigungswerkzeugen.
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HINTERGRUND
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Eine Vielzahl von Techniken ist bekannt, um spiralförmige Gewinde auf Werkstücken, wie Rohren oder mechanischen Komponenten zu fertigen. Subtraktive Verfahren beinhalten Gewindeschneiden unter Verwendung von Gewindebohrern oder Gewindeschneidern. Gewindebohrer werden typischerweise verwendet, um Innengewinde entlang einer inneren Oberfläche einer Öffnung oder eines Sacklochs zu fertigen. Gewindeschneider werden typischerweise verwendet, um Außengewinde entlang äußeren Oberflächen von Werkstücken, wie beispielsweise Rohren oder anderen zylindrischen Teilen zu fertigen. Einstahlwerkzeuge, welche dazu benutzt werden können Gewinde zu fertigen sind ebenfalls bekannt.
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Beim Fertigen von Gewinden und insbesondere in relativ harten Materialien und/oder auf Werkstücken wie beispielsweise Rohren, werden üblicherweise große bodenstehende Gewindemaschinen verwendet. In erster Linie ist dies so, um das relativ hohe Drehmomentniveau, welches zum Gewindefertigen benötigt wird kontrolliert auf das Werkstück oder das Gewindefertigungswerkzeug übertragen zu können. Dies ist auch so wegen des relativ hohen Reaktionsmoments, welches vom Gewindefertigen resultiert. Da ein Drehmoment von der Maschine während des Gewindefertigungsvorgangs auf ein Rohrende übertragen wird, wird ein resultierendes Reaktionsmoment, welches auf den Antrieb und/oder das Rohr wirkt, vom Maschinenrahmen und/oder von der Verbindung zwischen Rohr und der Maschine gekontert.
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Gewinde können auch gefertigt werden ohne die Verwendung solcher großen, bodenstehenden Maschinen. Es ist dennoch notwendig das resultierende Reaktionsmoment zu kontern. Zum Beispiel sind handgehaltene angetriebene Antriebe bekannt welche mit einem oder mehreren Gewindeschneidköpfen genutzt werden können, um Gewinde auf einem Rohrende zu fertigen. Das kann erreicht werden, indem das Rohr in einer Spannbacke oder einer anderen Fixierungsvorrichtung gesichert wird, so dass ein Bediener eine Kraft aufbringen kann, um das resultierende Reaktionsmoment beispielsweise während der Verwendung des handgehaltenen angetriebenen Antriebs zu kontern. Unter gewissen Umständen, beispielsweise während der Verwendung des handgehaltenen angetriebenen Antriebs, werden Stützarme oder andere Handhabungsmittel auf dem Rohr verwendet, so dass der Stützarm die erforderliche Kraft aufbringen kann, um das Reaktionsmoment zu kontern.
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Es verbleibt ein Bedarf für neue Strategien zum Fertigen von Gewinden, welche das relativ hohe Reaktionsmoment, welches von konventionellen Gewindefertigungstechniken und Ausrüstungen resultiert vermeiden. Insbesondere wäre es wünschenswert, ein Verfahren zum Fertigen von Außengewinden auf Werkstücken, wie beispielsweise Rohre bereitzustellen, welches kein relativ hohes Reaktionsmoment und verbundene Kräfte erzeugt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Schwierigkeiten und Nachteile, welche mit den vorbekannten Verfahren zum Fertigen von Gewinden und Gewindefertigungseinrichtungen verbunden sind, werden mit den vorliegenden Verfahren und Systemen zum Fertigen von Gewinden auf Werkstücken, wie beispielsweise Rohren adressiert.
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Gemäß einem Aspekt, stellt der vorliegende Gegenstand ein Verfahren zum Fertigen eines spiralförmigen Außengewindes entlang einer äußeren bogenförmigen Oberfläche eines Werkstücks bereit. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Werkstücks, welches ein Ende und eine äußeren bogenförmigen Oberfläche in der Nähe des Endes bestimmt. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bestimmen einer Mittelachse um welche das spiralförmige Gewinde in dem Werkstück gefertigt werden soll. Das Verfahren umfasst zusätzlich das Bereitstellen eines Schlagschraubers, umfassend eine drehbare Abtriebs-Ambosswelle, welche sich aufgrund von Schlägen einer rotierenden Hammermasse dreht. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bereitstellen eines Gewindefertigungswerkzeugs, welches so dimensioniert und konfiguriert ist, um das spiralförmige Außengewinde zu fertigen. In einigen Varianten des vorliegenden Gegenstandes kann das Gewindefertigungswerkzeug mit der Abtriebswelle des Schlagschraubers in Eingriff gebracht werden. Das Verfahren umfasst weiterhin das Positionieren des Werkzeugkopfs in Gewindefertigungseingriff mit dem Ende des Werkstücks. Und das Verfahren umfasst das Rotieren von zumindest einem von des Werkzeugkopfs und des Werkstücks um die Mittelachse unter Verwendung des Schlagschraubers, um dabei ein spiralförmiges Außengewinde entlang der bogenförmigen Oberfläche des Werkstücks zu fertigen.
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In einem weiteren Aspekt, stellt der vorliegende Gegenstand ein System zum Fertigen eines spiralförmigen Außengewindes entlang einer bogenförmigen Oberfläche bereit. Das System umfasst einen Schlagschrauber, umfassend eine drehbare Abtriebs-Ambosswelle, welche sich aufgrund von Schlägen einer rotierenden Hammermasse dreht. Das System umfasst auch ein Gewindefertigungswerkzeug, welches so dimensioniert und konfiguriert ist, um das spiralförmige Außengewinde zu fertigen. Das Gewindefertigungswerkzeug kann mit der Abtriebswelle des Schlagschraubers in Eingriff gebracht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt der vorliegende Gegenstand auch einen Adapter für die axiale Übertragung von Drehmoment zu einem Gewindefertigungswerkzeug bereit. Der Adapter umfasst eine Endplatte, welche Kupplungsvorrichtungen zum Verbinden des Gewindewerkzeugkopfs aufweist. Der Adapter umfasst weiterhin, eine Antriebsaufnahme welche so dimensioniert und konfiguriert ist um mit der Abtriebs-Ambosswelle eines Schlagschraubers lösbar verbunden zu werden. Der Adapter umfasst zusätzlich einen Hauptteil, welcher sich zwischen der Endplatte und der Antriebsaufnahme erstreckt. Die Endplatte bestimmt eine Stirnseite und eine entgegengesetzte Rückseite und die Kupplungsaufnahmen weisen eine Vielzahl von länglichen Öffnungen auf, welche sich durch die Endseite zwischen der Stirnseite und der Rückseite erstrecken.
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Wie festzustellen ist, ist der hier beschriebene Gegenstand in der Lage andere Ausführungsformen zu umfassen, und seine etlichen Details sind geeignet in unterschiedlichen Arten modifiziert zu werden, ohne dabei von dem beanspruchten Gegenstand abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und die Beschreibung als Veranschaulichung anzusehen und nicht als Einschränkung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine schematische perspektivische Rückansicht des gewindefertigenden Adapters, in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand.
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2 ist eine schematische Seitenansicht des Adapters, welcher in 1 dargestellt ist.
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3 ist eine schematische Rückseitenansicht von der Linie III-III aus gesehen, welche in 2 gezeigt ist.
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4 ist eine schematische Ansicht eines Systems zum Fertigen von Gewinden auf einem Werkstück in Übereinstimmung mit dem vorlegenden Gegenstand.
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5 ist eine detaillierte schematische Teilquerschnittsansicht, welche einen Adapter, Kopf und Werkstück aus 4 detaillierter zeigt.
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6 ist ein Graph eines repräsentativen Drehmomentenprofils eines typischen Schlagschraubers.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGEN DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Schlagschrauber oder Werkzeuge, welche mit Befestigungsvorrichtungen wie Nüssen oder Bolzen genutzt werden sind typischerweise durch Luft- oder Elektromotoren angetrieben. Ein Schlagwerkzeug ist eines, bei welchem eine Abtriebswelle (üblicher Weise als „Amboss” bezeichnet) von einer rotierenden Masse (üblicherweise im Stand der Technik als „Hammer” bezeichnet) geschlagen wird. Die Antriebswelle ist mit der Befestigungsvorrichtung gekoppelt um angezogen oder gelöst zu werden, und jeder Schlag des Hammers auf den Amboss überträgt Drehmoment auf die Befestigungsvorrichtung. Wegen der Natur von Stoßbelastungen verglichen mit Dauerbelastungen, kann ein Schlagwerkzeug ein relativ hohes Drehmoment aufbringen, welches üblicherweise so hoch ist wie das eines entsprechenden Konstantantriebs, jedoch mit signifikant niedrigerem Reaktionsmoment.
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Ein weiterer Aspekt von Schlagschraubern und insbesondere im Vergleich mit angetriebenen Antrieben welche einen relativ konstanten Antrieb bereitstellen, z. B. ein Elektromotor, ist das Schlagschrauber ein signifikant geringeres Reaktionsmomentniveau erzeugen als vergleichbare Konstantantriebe.
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Der vorliegende Gegenstand stellt die Benutzung eines Schlagschraubers in Systemen und Verfahren zum Fertigen von Gewinden, und insbesondere von Außengewinden, auf Werkstücken bereit. Der vorliegende Gegenstand stellt auch Adapter bereit, welche es ermöglichen Schlagschrauber mit einer Vielzahl von Gewindefertigungswerkzeugen zu benutzen. Diese und andere Aspekte sind hier alle näher beschrieben.
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Schlagschrauber
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Wie in der Industrie bekannt ist, stellt ein Schlagschrauber eine Dreh-Stopp-Dreh-Stopp Bewegung mit relativ hoher Geschwindigkeit bereit. Das erlaubt dem Schlagschrauber ein signifikant höheres Niveau von Drehmoment bereitzustellen als vergleichbare Konstantantriebsvorrichtungen, mit signifikant geringeren Reaktionsmomentniveaus, welche andernfalls von einem Bediener oder einem Maschinenrahmen oder einer Unterstützungsstruktur gekontert werden müssten.
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Der vorliegende Gegenstand kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Typen von Schlagschraubern verwenden. Zum Beispiel, kann der vorliegende Gegenstand pneumatisch angetriebene Schlagschrauber, elektrisch angetriebene Schlagschrauber, oder hydraulisch angetriebene Schlagschrauber verwenden. Der vorliegende Gegenstand kann nahezu jeden Typ von Schlagschrauber verwenden. Für die meisten Varianten des vorliegenden Gegenstands ist der Schlagschrauber elektrisch angetrieben.
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Ein weites Feld von Schlagschrauber ist bekannt, welche sich unterschiedliche Mechanismen und Aufbauten bedienen, um Stoßbelastungen oder das Aufbringen der Kräfte zu erreichen. Der vorliegende Gegenstand kann nahezu jeden Typ von Schlagschrauber-Mechanismus verwenden solange der Schlagschrauber eine drehbare Abtriebswelle oder „Ambosswelle” welche sich aufgrund von Schlägen von einer rotierenden Masse oder eines „Hammer” dreht. Nicht einschränkende Beispiele von typischen Schlagschraubern umfassen solche, welche in den
US Patenten 8,430,185 ;
7,562,720 ;
6,223,834 ;
5,848,655 ;
2,196,589 ; und
2,049,273 beschrieben sind.
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Die Schlagschrauber, welche in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand verwendet werden, können nahezu jede Größe aufweisen, solange der Antrieb in der Lage ist das erforderliche Drehmomentniveau aufzubringen, welches für den Gewindefertigungsvorgang nötig ist.
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Typischerweise, umfassend die Schlagschrauber einen 3/8 Quadratzoll (inch square), 1/2 Quadratzoll (inch square), 3/4 Quadratzoll (inch square), 1 Quadratzoll (inch square), oder 1–1/2 Quadratzoll (inch square) Antrieb, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Schlagschrauber kann andere Antriebs- oder Verbindungskonfigurationen nutzen, wie beispielsweise ein 1/4 Zoll Sechskant (inch hex drive), andere Sechskant Antriebe oder eine Keilwellenkonfiguration.
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In einigen Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands, weißt der Schlagschrauber besondere Betriebscharakteristika, wie solche, welche in der unten stehend in Tabelle 1 für ein typischen 1/2 Zoll (inch) Schlagschrauber aufgeführt sind. Tabelle 1: typische Schlagschrauber Betriebscharakteristika
| Parameter | Typisch | Speziell |
| Schläge/Hammerschläge pro Minute | Zumindest 200 | Zumindest 1.000 |
| Leerlaufdrehzahl (RPM) | Zumindest 1.000 | Zumindest 1.500 |
| Maximales Moment (foot pounds) | Zumindest 100 | Zumindest 200 |
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Die Schläge (beats) oder Hammerschläge (hammer strikes) pro Minute sind im Stand der Technik auch als „impacts per minute” bekannt. Die Leerlaufdrehzahl (free speed) ist im Stand der Technik auch als „no load speed” bekannt. Es versteht sich, dass der vorliegende Gegenstand ein weites Feld von Schlagschraubern umfasst und nicht auf Schlagschrauber begrenzt ist, welche die Betriebscharakteristika, welche in Tabelle 1 notiert sind aufweisen.
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Schlagschrauber erzeugen eine angetriebene drehende Ausgangsgröße, d. h. ein Drehmomentenprofil, welches als eine Serie von Drehmoment „Spitzen” beschrieben werden kann, welches in einem sich sukzessive akkumulierenden oder sich steigernden Betrag von bereitgestelltem Drehmoment resultiert. 6 ist ein repräsentativer Graph von, einer Befestigungsvorrichtung bereitgestelltem Drehmoment (siehe „Gelenkdrehmoment”), welches von einem Schlagschrauber bereitgestellt wird. Wie gezeigt, resultiert eine Serie von Hammerschlägen auf eine Ambosswelle (siehe „Wellendrehmoment”) in einem schnell steigenden bereitgestellten Drehmoment an einem Gelenk oder einer Befestigungsvorrichtung zum Beispiel von ungefähr 51 Nm (38 foot-pounds) in 0,050 Sekunden. Es versteht sich, dass 6 lediglich beispielhaft ist und in keiner Weise den vorliegenden Gegenstand beschränkt.
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Gewinde
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Grundsätzlich ist der vorliegende Gegenstand auf Verfahren zur Fertigung von Außengewinden gerichtet. Das Fertigen von Außengewinden entlang bogenförmiger Oberflächen von Werkstücken, d. h. nach außen gebogener Oberflächen beinhaltet verschiedene Überlegungen, technische Schwierigkeiten und beinhaltet andere Zielsetzungen als das Fertigen von Innengewinden, wie beispielsweise entlang innerer Wände d. h. nach innen gebogener Oberflächen einer Bohrung oder eines Sacklochs in einem Werkstück. Daher bezieht sich der Begriff „Außengewinde” wie er hier verwendet wird ausschließlich auf Gewinde, welche entlang äußeren Oberflächen von Werkstücken wie beispielsweise Rohrenden oder mechanischen Befestigungsvorrichtungen gefertigt sind; und der Begriff schließt die vorher genannten Innengewinde nicht mit ein. Jedoch umfasst der Begriff „Außengewinde” unterschiedliche Gewindekonfigurationen, wie beispielsweise zylindrische Gewinde, Kegelgewinde und Gewinde wie sie von den British Standard Pipe Threads (BSPT) und den Nationalen Rohr Gewinden (National Pipe Threads (NPT)) spezifiziert werden.
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Gewindeformwerkzeug
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Der vorliegende Gegenstand kann zusammen mit nahezu jedem Typ von gewindefertigenden oder gewindeschneidenden Werkzeug verwendet werden. Der vorliegende Gegenstand bezieht sich auch auf gewindeerneuernde Werkzeuge und gewindesäubernde Vorgänge. Typischerweise umfasst ein Gewindefertigungswerkzeug zum Fertigen von Außengewinden auf einem Werkstück ein Gehäuse oder ein Teil, welches eine oder mehrere gewindeschneidende Klingen, Werkzeuge oder Gewindestähle wie aus dem Stand der Technik bekannt, umfasst. Nicht-einschränkende Beispiele von Patenten, welche Gewindefertigungswerkzeuge beschreiben, umfassen die
US Patente 4,743,146 ;
2,014,312 ; und
2,054,745 .
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Reaktionsmoment
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Wie zuvor angemerkt, ist ein bedeutender Unterschied zwischen Schlagschraubern und Konstantantrieben, dass Schlagschrauber ein signifikant geringeres Niveau von Reaktionsmoment verglichen mit Konstantantrieben für gleichartig dimensioniert und konfigurierte Systeme aufweisen. Zum Beispiel, wenn keglige Außengewinde (d. h. NPT) entlang eines Endes eines ein-Zoll-Durchmesser Rohres unter Verwendung eines Konstantantriebs gefertigt werden, liegen typische Reaktionsmomente, welche während des Vorgangs beobachtet werden im Bereich von etwa 169 Nm (125 foot pounds). Im Gegensatz dazu, ist in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand und wenn keglige Außengewinde entlang eines Endes eines ein-Zoll-Durchmesser Rohres unter Verwendung eines Schlagschraubers gefertigt werden, das beobachtete Reaktionsmoment kleiner als 34 Nm (25 foot pounds) und typischerweise kleiner als 14 Nm (10 foot pounds). Zudem ist das beobachtete Reaktionsmoment, wenn keglige Außengewinde entlang eines Endes eines 3/4 Zoll Rohres unter Verwendung eines Schlagschraubers gefertigt werden, kleiner als 27 Nm (20 foot pounds) und typischerweise kleiner als 14 Nm (10 foot pounds). Darüber hinaus, ist das beobachtete Reaktionsmoment, wenn keglige Außengewinde entlang eines Endes eines 1/2 Zoll Rohres unter Verwendung eines Schlagschraubers gefertigt werden, kleiner als 20 Nm (15 foot pounds) und typischerweise kleiner als 14 Nm (10 foot pounds).
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Tabelle 2, wie untenstehend angegeben, führt typische Reaktionsmomentniveaus auf, welche während Gewindefertigungsvorgängen unter Verwendung eines konventionellen Konstantantriebs und eines Schlagschraubers in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand aufgetreten sind. Wie bemerkt werden wird, führt die Verwendung eines Schlagschraubers bei Gewindefertigungsvorgängen zu geringeren Reaktionsmomentniveaus verglichen mit der Verwendung eines Konstantantriebs. Tabelle 2: Vergleich von Reaktionsmoment während des Gewindefertigens unter Verwendung unterschiedlicher Antriebe
| Fertigung eines Außengewindes auf ein Rohr | Typisches Reaktionsmoment, aufgetreten unter Verwendung eines Schlagschraubers (foot pound) | Typisches Reaktionsmoment, aufgetreten unter Verwendung eines Konstantantriebs (foot pound) |
| 1/2 Zoll (inch) | Kleiner als 10 (14 Nm) | 60 (81 Nm) |
| 3/4 Zoll (inch) | Kleiner als 10 (14 Nm) | 70 (95 Nm) |
| 1 Zoll (inch) | Kleiner als 10 (14 Nm) | 130 (176 Nm) |
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Verfahren
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Der vorliegende Gegenstand stellt auch eine Vielzahl von Verfahren zum Gewindefertigen unter Verwendung von Schlagschraubern bereit. Insbesondere stellt der Gegenstand ein Verfahren zur Fertigung eines spiralförmigen Außengewindes entlang einer bogenförmigen Oberfläche eines Werkstücks, wie beispielsweise eines Rohres bereit. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Werkstücks, welches ein Ende und eine äußere bogenförmigen Oberfläche in der Nähe des Endes bestimmt. Die äußere bogenförmige Oberfläche ist typischerweise eine umfängliche äußere Oberfläche, welche nahe des Endes des Werkstücks ist oder an dieses angrenzt. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bestimmen einer Mittelachse, um welche das spiralförmige Außengewinde in dem Werkstück gefertigt werden soll. Das Verfahren umfasst zusätzlich das Bereitstellen eines Schlagschraubers, umfassend eine drehbare Antriebs-Ambosswelle, welche sich aufgrund von Schlägen einer rotierenden Hammermasse dreht. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bereitstellen eines Gewindefertigungswerkzeugs, welches so dimensioniert und konfiguriert ist, um das spiralförmige Außengewinde zu fertigen. Das Gewindefertigungswerkzeugs kann mit der Abtriebswelle des Schlagschraubers in Eingriff gebracht werden. Das Verfahren umfasst weiterhin das Positionieren des Werkzeugkopfs in Gewindefertigungseingriff mit dem Ende des Werkstücks. Beim Positionieren des Werkzeugkopfs und/oder des Werkstücks sind die Komponenten typischerweise axial zueinander verschoben. Und das Verfahren umfasst das Rotieren von zumindest einem von des Werkzeugkopfs und des Werkstücks um die Mittelachse unter Verwendung des Schlagschraubers, um dabei ein spiralförmiges Außengewinde entlang der bogenförmigen Oberfläche des Werkstücks zu fertigen. Wie erkannt werden wird, wird vor, während oder nach der Initiierung eines solchen Rotierens Kontakt zwischen dem Werkzeugkopf und dem Werkstück hergestellt.
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Bei der Festlegung bestimmter Parameter zum Gewindefertigen auf Werkstücken, in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand, hängt das erforderliche Drehmoment, welches benötigt wird von einigen Faktoren wie beispielsweise Material des Werkstücks, Gewindegröße und Größe des Werkstücks ab. Die Geschwindigkeit oder Drehzahl der Werkzeugköpfe und/oder des Werkstücks liegt typischerweise in einem Bereich von ungefähr 5 RPM bis zu ungefähr 120 RPM, wobei viele Gewindefertigungsvorgänge unter Verwendung einer Gewindefertigungsgeschwindigkeit von ungefähr 20 RPM bis ungefähr 60 RPM, und insbesondere von ungefähr 20 RPM bis ungefähr 40 RPM durchgeführt werden. Es versteht sich, dass diese Parameter eher zur Verdeutlichung dienen und in keiner Weise den Bereich des vorliegenden Gegenstands beschränken.
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Gewindeadapter
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Unter einem anderen Aspekt, stellt der vorliegende Gegenstand auch einen Adapter bereit, welche in Verbindung mit einem oder mehreren Standard oder konventionellen Gewindefertigungswerkzeugen oder Werkzeugköpfen verwendet werden können. Der Adapter erlaubt die axiale Übertragung von Drehmoment auf den Werkzeugkopf von einem Schlagschrauber. Der Adapter erlaubt auch die Verwendung des Werkzeugkopfs in relativ kleinen Arbeitsräumen, und insbesondere in solchen, in welchem eine konventionelle Kraftantriebseinheit nicht verwendet werden kann. Der Adapter ist passenden dimensioniert und umfasst Einrichtungen, welche es dem Adapter erlauben eine Reihe von unterschiedlichen großen Werkzeugköpfen aufzunehmen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen eine Sammlung von Eingriffselementen, welche verschiebbar in radial ausgerichteten Vertiefungen im Adapter angeordnet sind dazu verwendet werden, es dem Adapter zu ermöglichen mit einem von vielen unterschiedlich großen Werkzeugköpfen verwendet zu werden. Es versteht sich, dass der vorliegende Gegenstand ein breites Feld von Adapteraufbauten und Konfigurationen umfasst und nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
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In einigen Ausführungsformen, werden ein oder mehrere Befestigungsmittel dazu verwendet den Adapter an dem Werkzeugkopf zu fixieren oder anderweitig zu kuppeln. Die Befestigungsmittel oder das Befestigungsmittel können eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen und Konfigurationen aufweisen. Ein typisches Beispiel ist ein Gewindebefestigungsmittel wie beispielsweise ein Bolzen oder ein Gewindeeingriffselement, wie beispielsweise eine Nuss oder dergleichen. In einigen Anwendungen kann der Werkzeugkopf Gewindebohrungen umfassen, welche die Gewindebefestigungsmittel aufnehmen, wodurch Gewindeeingriffselemente wie beispielsweise Nüsse nicht benötigt werden. Der vorliegende Gegenstand umfasst weiterhin Adapter, welche an einem Werkzeugkopf befestigt oder an diesen gekoppelt werden können ohne Gewindebefestigungsmittel zu benutzen.
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In einigen Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands können Keil- oder andere verriegelnde Eingriffsvorrichtungen verwendet werden um die Verbindung zwischen Adapter und Werkzeugkopf zu unterstützen oder zu vereinfachen. Solche Keilvorrichtungen unterstützen die Übertragung von Drehmoment auf den Werkzeugkopf. Zum Beispiel umfasst ein 12 R Werkzeugkopf, welcher im Handel unter Ridgid®-Bezeichnung von Ridge Tool Company erhältlich ist, eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Elementen, welche die Gewindefertigungswerkzeuge aufnehmen und halten. Ein Gewindefertigungsadapter in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand kann Aufnahmebereiche entlang seiner axialen Oberfläche umfassen welche mit den Gewindeschneider aufnehmenden Elementen das 12 R Werkzeugkopfs in einander greifen. Die Kopplungsschnittstelle zwischen dem Adapter und dem Werkzeugkopf bilden die Keilvorrichtungen.
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Eine Rückseite des Adapters umfasst eine Innenvierkantaufnahme, in Übereinstimmung mit konventionellen 1/2 Zoll (inch) oder 3/4 Zoll (inch) Antrieben oder anderen Größen wie solche, welche mit zur Zeit verfügbaren Schlagschraubern oder Handratschen oder Steckschlüsseln verwendet werden. Es versteht sich das die Rückseite des Adapters nahezu jede Größe oder Typ von Antriebsaufnahmen umfassen kann, um eine Kupplung zwischen dem Adapter und dem Schlagschrauber, welcher von Interesse ist zu ermöglichen.
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Wie bereits erwähnt, bezieht sich der vorliegende Gegenstand auf die Verwendung von angetriebenen Schlagschraubern um den Adapter beispielsweise während eines Gewindefertigungsvorgangs zu rotieren. Der Adapter könnte ebenso in einem manuellen Modus verwendet werden, in welchem der Adapter (und der entsprechende Werkzeugkopf) unter Verwendung eines Ratschenschlüssels oder eines anderen benutzerbetriebenen Werkzeugs rotiert wird.
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1 bis 3 zeigen schematisch einen Adapter in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand. Insbesondere umfasst der Adapter 10 eine Endplatte 20, eine Antriebsaufnahme 40 und einen Hauptteil oder Gehäuse 30, welcher sich zwischen der Endplatte 20 und der Antriebsaufnahme 40 erstreckt. Die Endplatte 20 kann in einer Vielzahl von Formen und Konfigurationen bereitgestellt werden. Jedoch ist in den Ausführungsformen, welche in den referenzierten Figuren gezeigt ist, die Endplatte 20 kreisförmig und bestimmt eine Stirnseite 22 und eine entgegengesetzte orientierte Rückseite 24. Die Platte 20 bestimmt auch eine Vielzahl von Öffnungen 25 welche sich zwischen den Seiten 22 und 24 erstrecken. Die Öffnungen 25 können jede Form und Größe aufweisen, jedoch sind sie typischerweise in ihrer Form länglich oder geschlitzt wie hierin beschrieben. Der Hauptteil 30 kann eingeschlossen sein oder mehrere Öffnungen oder Zugangsbereiche 32 umfassen, welche zwischen den Unterstützungselementen 34 bestimmt sind. Die Antriebsaufnahme 40 ist in Bezug auf die Vielzahl von Öffnungen 25 zentral angeordnet, und bestimmt einen Kupplungsbereich 42, welcher so dimensioniert und geformt ist um mit herkömmlichen Vierkantantrieben, welche typischerweise von Schlagschraubern bereitgestellt werden, lösbar verbunden zu werden. Der Adapter 10 bestimmt eine Mittelachse 15, welche hierin detaillierter angesprochen ist.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Endplatte 20 Kupplungsvorrichtungen in Form einer Vielzahl von länglichen Öffnungen 25, welche sich durch die Endplatte zwischen der Innenseite und der Außenseite erstrecken. Jede der Öffnungen 25, bestimmt eine Hauptachse, falls sie länglich ist, wie beispielsweise die Hauptachse 17 welche in 3 gezeigt ist, welche radial zur Mittelachse 15 des Adapters 10 ausgerichtet ist.
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In dem Fall, dass Gewindebefestigungsmittel verwendet werden um den Adapter 10 an dem Werkzeugkopf zu fixieren, erstrecken sich die Befestigungsmittel durch die Öffnungen 25. Bei Gewindebefestigungsmitteln mit Gewindebohrungen im Werkzeugkopf, oder mit Gewindeeingriffselementen wie beispielsweise Nüssen, sind der Adapter und der Werkzeugkopf fixiert oder anderweitig miteinander gekoppelt.
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Der Adapter 10 ist aus Materialien gefertigt, welche ausreichend stark und steif sind, um das relativ hohe Drehmomentniveau zu übertragen und um der relativ hohen Frequenz von Stoßbelastungen, welche mit den Schlagschrauber verbunden ist standzuhalten. Nicht beschränkende Beispiele solcher Materialien umfassen gehärtete Stähle, wie beispielsweise Stahl 4140.
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Systeme
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4 und 5 zeigt schematisch ein System 200 zum Fertigen von Gewinden auf einem Rohr oder einem Werkstück in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand. Insbesondere umfasst das System 200 einen Schlagschrauber 100 wie hierin beschrieben, und ein Gewindefertigungswerkzeug oder einen Werkzeugkopf wie hierin beschrieben und schematisch als Teil 150 dargestellt, und einen Adapter, welcher dazwischen bereitgestellt ist, wie der vorangehend beschriebene Adapter 10. Der Werkzeugkopf 150 umfasst ein oder mehrere Gewindeschneideisen 155. Der Schlagschrauber 100, der Adapter 10 und der Werkzeugkopf 150 sind gekoppelt oder anderweitig miteinander verbunden und dann mit der Mittelachse 180 des Werkstücks 175, welches beispielsweise ein Rohr sein kann, orientiert oder ausgerichtet. Insbesondere ist die Mittelachse 15 des Adapters 10 mit der Mittelachse 180 des Werkstücks 175 ausgerichtet. Der Schlagschrauber 100 wird betätigt um dabei den Adapter 10 und den Werkzeugkopf 150 zu rotieren. Der rotierende Werkzeugkopf 150 wird mit einem Ende oder einem Bereich des Werkstücks 175, in welchem ein oder mehrere Gewinde gefertigt werden sollen in Kontakt gebracht. Axialkraft wird auf den Werkzeugkopf 150 in Richtung des Werkstücks 175 aufgebracht und der Kontakt zwischen den Gewindeschneideisen 155 und dem Werkstück während der Rotation des Werkzeugkopfs 150 resultiert in der Fertigung von Gewinden im Werkstück 175.
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Beispiele
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Untersuchungen wurden durchgeführt um typische Reaktionsmomente zu erfassen und zu vergleichen, welche während des Gewindefertigens auf Rohren unterschiedlicher Durchmesser beobachtet wurden, unter Verwendung einiger im Handel erhältlicher Werkzeugköpfe und Motorantrieben, verglichen mit dem Gewindefertigen in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Gegenstand unter Verwendung von Schlagschraubern.
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Insbesondere wurden drei Motorantriebe welche von Ridge Tool Company verfügbar sind in Verbindung mit Ridgid
® 12 R Werkzeugköpfen verwendet. Zwei Arten von Außengewinden, d. h. NPT Gewinde und BSPT Gewinde wurden unter Verwendung von Gewindefertigungswerkzeugen auf verschiedene Rohre, welche in Tabelle 3 aufgeführt sind gefertigt. Während des Gewindefertigens auf jedem Rohr, wurden der minimale und der maximale Gewindefertigungsmomentwert gemessen. Untere Drehmomentwerte, obere Drehmomentwerte und Gesamtdrehmomentdurchschnittswerte bezüglich jedes Rohrdurchmessers wurden bestimmt und sind in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3 Gewindefertigungsmomentwerte während des Gewindefertigens unter Verwendung von Motorantrieben
| Rohrgröße | Daten BSPT
Unteres
Drehmoment (ft – lbs) | Daten BSPT
Oberes
Drehmoment (ft – lbs) | Daten NPT
Unteres
Drehmoment (ft – lbs) | Daten NPT
Oberes
Drehmome nt (ft – lbs) | Berechnetes
Gesamtdurchschnittsdrehmoment
(ft – lbs) |
| 1/4'' | 20
(27 Nm) | 25
(34 Nm) | - | - | 22,5
(30,6 Nm) |
| 3/8'' | 25
(34 Nm) | 40
(54 Nm) | 30
(41 Nm) | 35
(48 Nm) | 32,5
(44,2 Nm) |
| 1/2'' | 45
(61 Nm) | 55
(75 Nm) | 30
(41 Nm) | 100
(136 Nm) | 57,5
(78,2 Nm) |
| 3/4'' | 65
(88 Nm) | 80
(109 Nm) | 50
(68 Nm) | 70
(95 Nm) | 66,25
(90,1 Nm) |
| 1'' | 85
(116 Nm) | 200
(272 Nm) | 90
(122 Nm) | 120
(163 Nm) | 123,75
(168,3 Nm) |
| 1–1/4'' | 140
(190 Nm) | 210
(286 Nm) | 130
(177 Nm) | 260
(354 Nm) | 185
(251,6 Nm) |
| 1–1/2'' | 175
(238 Nm) | 245
(333 Nm) | 175
(238 Nm) | 270
(367 Nm) | 216,25
(294,1 Nm) |
| 2'' | 230
(313 Nm) | 300
(408 Nm) | 310
(422 Nm) | 390
(530 Nm) | 307,5
(418,2 Nm) |
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Für die in Tabelle 3 aufgelisteten Drehmomentwerte, wurden die unteren und oberen Drehmomentwerte unter der Verwendung des genannten Ridgid® 12 R Werkzeugkopfs erzielt. Alle Fallkopf-Werkzeugköpfe nutzen die gleichen Typen von Gewindeschneideisen.
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Entsprechende Schlagwerkzeuge wurden beschafft, nämlich von Milwaukee Tools unter der Bezeichnung 2662-20, von DeWalt Tools unter der Bezeichnung DW-292, und von Ingersoll-Rand unter der Bezeichnung W360. Das maximale Drehmoment für jedes der Schlagwerkzeuge wurde aus den Informationen des Lieferanten bestimmt. Als nächstes wurde die Hand-Reaktionskraft für jedes Schlagwerkzeug bei maximalem Ausgangsdrehmoment gemessen. Die Reaktionslängen der unterschiedlichen Schlagwerkzeuge waren im Bereich von 4 Inch (10 cm) bis 5 Inch (12,7 cm). Ein Durchschnitt von 4, 5 Inch (11,4 cm) wurde verwendet. Das berechnete Drehmoment wurde dann bestimmt. Diese Daten sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Wie in Tabelle 5 gezeigt ist die gemessene Hand-Reaktionskraft und das berechnete Reaktionsmoment sehr niedrig im Vergleich zum maximalen Drehmoment jedes Schlagschraubers. Tabelle 5: maximales Drehmoment der Schlagwerkzeuge, Hand-Reaktionskraft, und berechnetes Reaktionsmoment bei maximalem Drehmoment der Schlagwerkzeuge
| Schlagwerkzeug
Marke | Maximales
Drehmoment laut Hersteller
(ft – lbs) | Gemessene Hand-Reaktionskraft bei maximalem
Ausgangsdrehmoment
(lbs) | Berechnetes
Reaktionsmoment
(ft – lbs) |
| Milwauke | 450
(612 Nm) | 20
(88 N) | 7,5
(10,2 Nm) |
| Dewalt | 345
(470 Nm) | 14
(62 N) | 5,25
(7,1 Nm) |
| Ingersoll-Rand | 360
(490 Nm) | 9
(40 N) | 3,375
(4,6 Nm) |
| Durchschnitt | - | 14,3
(63 N) | 5,4
(7,3 Nm) |
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Grundsätzlich ist für eine Rohrgröße von etwa 1/2 Zoll (Inch) bis etwa 3/4 Zoll (Inch), das Drehmoment, das ein Bediener während des Schlag-Gewindefertigens erfährt geringer als 25% und in vielen Ausführungsformen geringer als 15% verglichen mit dem Drehmoment, welches erfahren wird wenn ein konventioneller Motorantrieb verwendet wird. Während des Gewindefertigens bei Rohren größeren Durchmessers ist das Drehmoment das ein Bediener während des Schlag-Gewindefertigens erfährt geringer als 25% und in vielen Fällen geringer als 15% oder sogar geringer als 10% verglichen mit dem Drehmoment welches auftritt wenn ein konventioneller Motorantrieb verwendet wird. Die Verwendung eines Schlagschrauber bei einem Gewindefertigungsvorgang reduziert das Drehmoment, welches ein Bediener kontern muss signifikant.
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Wie bereits bemerkt, kann abhängig von den Parametern eines bestimmten Vorgangs, z. B. dem Rohrdurchmesser, wenn ein im Handel erhältlicher Motorantrieb verwendet wird ein zusätzlicher Unterstützungsarm in Kombination mit dem Motorantrieb verwendet werden. Dieser unterstützt den Bediener beim Kontern der relativ hohen Reaktionskraft/Reaktionskräfte, welche am Griff des Motorantriebs entstehen und welche im Bereich von 60 bis 70 Pfund (pound; 260–310 N) oder höher für Rohre mit einem Durchmesser von 3/4 bis 1 Zoll (Inch) liegen. Reaktionskräfte an einem Griff des Motorantriebs können signifikant höher sein, wenn Gewinde auf Rohre mit größeren Durchmessern wie 1–1/4 Zoll (Inch), 1–1/2 Zoll (Inch) und 2 Zoll (Inch) gefertigt werden. Die Verwendung eines Schlagschraubers würde die Notwendigkeit eines Unterstützungsarms oder ähnlicher Komponenten zur Unterstützung des Bedieners beim Gewindefertigen beseitigen oder zumindest signifikant reduzieren.
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Wenngleich der vorliegende Gegenstand bezüglich des Fertigen von Gewinden auf zylindrischen Werkstücken wie beispielsweise Rohren beschrieben wurde, versteht es sich, dass der vorliegende Gegenstand auf ein weites Feld von anderen Formen und Konfigurationen von Werkstücken angewandt werden kann. Zum Beispiel kann der vorliegende Gegenstand auf konisch geformte Werkstücke oder andere nicht zylindrische Formen angewandt werden.
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Viele weitere Vorteile werden ohne Zweifel in Erscheinung treten aufgrund zukünftiger Anwendungen und Entwicklungen dieser Technologie.
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Alle Patente, veröffentlichte Anwendungen, und Artikel welche hierin genannt sind, sind hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit einbezogen.
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Wie vorhergehend beschrieben, löst der vorliegende Gegenstand viele Probleme, welche mit vorherigen Strategien, Systemen oder anderen Vorrichtungen verbunden waren. Jedoch versteht es sich das unterschiedliche Änderungen in Details, Materialien und Anordnungen von Komponenten welche hier beschrieben wurden und verdeutlicht wurden um die Natur des vorliegenden Gegenstands zu erläutern von mit der Technik vertrauten Fachleuten vorgenommen werden können ohne vom Prinzip und dem Umfang des beanspruchten Gegenstand abzuweichen wie er in den angehängten Ansprüchen ausgedrückt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8430185 [0022]
- US 7562720 [0022]
- US 6223834 [0022]
- US 5848655 [0022]
- US 2196589 [0022]
- US 2049273 [0022]
- US 4743146 [0029]
- US 2014312 [0029]
- US 2054745 [0029]
