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GEBIET DER ERFINDUNG
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Allgemein betrifft die Erfindung einen Werkzeughalter und genauer einen Werkzeughalter wie eine Bohrstange mit einer abstimmbaren passiven Schwingungstilgeranordnung mit einer Teilchendämpfung für passive Schwingungsunterdrückung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Während eines Metallschneidevorgangs kann jede vibrierende Bewegung zwischen einem Werkzeughalter und einem Werkstück zu unerwünschten Schneidleistungen, wie schlechter Oberflächengüte des Werkstücks und zu fertigen Werkstücken, die außerhalb der Toleranz liegen, führen. Außerdem kann solche Schwingung bewirken, dass der Werkzeughalter oder die Werkzeugmaschine beschädigt wird.
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Um diese Schwingungen zu verringern, kann die Zerspanungsleistung verringert werden. Jedoch behindert diese Herangehensweise die Produktion und verringert das Maß der Schwingung nur minimal.
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Versuche zur Eliminierung der Schwingung in einem Werkzeughalter können auch die Verwendung einer Bohrstange beinhalten, die aus massivem Carbid gefertigt ist. Massives Carbid verringert wegen seiner von Natur aus hohen Dichte das Maß des Ratterns und der Schwingung, das bzw. die auf die Bohrstange übertragen wird. Jedoch ist massives Carbid ausgesprochen teuer. Außerdem, obwohl Rattern und Schwingung durch die von Natur aus hohe Dichte der massiven Carbidstange verringert werden, kann sich eine Schwingung dennoch auf einen nicht hinnehmbaren Pegel aufschaukeln. Außerdem ist massives Carbid ziemlich brüchig, und schon ein kleiner Schlag auf die Bohrstange während des Verwendens oder des Vorbereitens kann zu einer unbeabsichtigten Beschädigung der Stange führen.
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Eine weitere Herangehensweise zur Verringerung der Schwingung in Bohrstangen beinhaltet den An- bzw. Einbau eines dynamischen Schwingungstilgers auf oder in der Stange, beispielsweise des Tilgers, der im
US-Patent Nr. 3,774,730 offenbart ist, welcher aus einer zylindrischen Masse aus einem hochdichten Material besteht, das auf Gummidurchführungen gelagert ist. Wenn sie optimal abgestimmt ist, oszilliert die Masse als Reaktion auf Schwingungen, die in der Bohrstange erzeugt werden, um die Schwingungen auszulöschen. Der Tilger kann so abgestimmt werden, dass er der Bohrstange in Bezug auf die Drehzahl, mit der sich das Werkstück oder die Bohrstange dreht, die Länge der Bohrstange und die Art des Schneidwerkzeugs, das mit dem Ende der Stange verbunden ist, gerecht wird. Eine solche Anpassung wird durch Aufdrücken von Druckplatten an einander entgegengesetzten Enden der zylindrischen Masse in Längsrichtung vorgenommen, wodurch die Gummidurchführungen gegen die Masse zusammengedrückt werden, wodurch gleichzeitig die Position der Masse verlagert und die Steifigkeit der Gummidurchführungen verändert wird, wodurch die Dynamik der zylindrischen Masse verändert wird.
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Aber auch wenn ein solches Design verfügbar ist, muss die Bohrstange jedes Mal, wenn sie unter unterschiedlichen Bedingungen verwendet wird, unter Verwendung von anspruchsvoller Ausrüstung, die in der Werkstatt nicht unbedingt zur Verfügung steht, abgestimmt werden.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Das Problem der Schwingungsunterdrückung in einem Werkzeughalter besteht darin, Metall- oder Keramikteilchen oder -pulver von kleiner Größe innerhalb eines oder mehrerer Hohlräume einer passiven Schwingungstilgeranordnung eine Teilchendämpfung für eine passive Schwingungstilgung bereitzustellen.
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In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Werkzeughalter ein Schneidwerkzeug, das an einem Kopf befestigt ist, der an einem Hals an einem ersten Ende des Werkzeughalters angebracht ist. Ein Schaft ist an einem zweiten, entgegengesetzten Ende des Werkzeughalters angeordnet. Ein zentraler Hohlraum erstreckt sich vom ersten Ende einwärts zum Schaft. Eine passive Schwingungstilgeranordnung ist in dem zentralen Hohlraum angeordnet. Die passive Schwingungstilgeranordnung umfasst einen Tilgerkörper und eine Tilgerabdeckung, die am Tilgerkörper angebracht ist. Der Tilgerkörper weist ein erstes Ende, ein zweites, dem ersten Ende gegenüberliegendes Ende, und mehrere Hohlräume auf, die im zweiten Ende ausgebildet sind. Die Vielzahl von Hohlräumen des Tilgerkörpers sind zum Teil oder vollständig mit Metall- oder Keramikteilchen oder -pulvern gefüllt, um eine Teilchendämpfung zur Unterdrückung der Schwingung des Werkzeughalters bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht werden, sind die konkret dargestellten Ausführungsformen nicht als Beschränkung der Ansprüche auszulegen. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich dieser Erfindung abzuweichen.
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1 ist eine Endansicht eines Werkzeughalters mit einer passiven Schwingungstilgeranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 ist eine Querschnittsansicht des Werkzeughalters mit der passiven Schwingungstilgeranordnung entlang einer Linie 2-2 von 1;
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3 ist eine Endansicht eines Tilgerkörpers der passiven Schwingungstilgeranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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4 ist eine Querschnittsansicht des Tilgerkörpers der passiven Schwingungstilgeranordnung entlang einer Linie 4-4 von 3;
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5 ist eine Endansicht einer Tilgerabdeckung der passiven Schwingungstilgeranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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6 ist eine Querschnittsansicht der Tilgerabdeckung der passiven Schwingungstilgeranordnung entlang einer Linie 6-6 von 5;
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wird nun auf 1 und 2 Bezug genommen, wo ein Werkzeughalter 10, beispielsweise eine Bohrstange, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Obwohl die vorliegende Erfindung auf eine Bohrstange 10 zum Bohren tiefer Löcher in Werkstücke gerichtet ist, können die Grundlagen der Erfindung auf jeden Werkzeughalter angewendet werden, der Schwingungen erzeugt, wenn ein Werkstück geschnitten wird.
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Ein Schneidwerkzeug, beispielsweise ein Schneidwerkzeug 12, wie ein Schneideinsatz, kann auf herkömmliche Weise an einem Kopf 14 befestigt werden, der an einem Hals 16 an einem Ende 18 der Bohrstange 10 angebracht ist. Ein Schaft 20 ist am entgegengesetzten Ende 22 der Bohrstange 10 angeordnet. Die Bohrstange 10 weist einen zentralen Hohlraum 24 auf, der sich vom Ende 18 einwärts zum Schaft 20 erstreckt. In der veranschaulichten Ausführungsform weist die Bohrstange 10 eine Kühlrohranordnung 26 auf, die sich entlang einer zentralen Längsachse 28 der Bohrstange 10 erstreckt, um Kühlmittel in die Nähe des Schneideinsatzes 12 bereitzustellen. Man beachte, dass die Kühlrohranordnung 26 optional ist und weggelassen werden kann. Zum Beispiel kann das Kühlrohr durch einen Gewindezapfen oder einen massiven Zapfen mit Gewinden an den Enden ersetzt werden.
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Durch die Verwendung der Bohrstange 10 in einer Metallbearbeitungsoperation entstehen Schwingungen, die sich durch die Bohrstange 10 fortpflanzen, wodurch die Stabilität des Schneidprozesses beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund ist die Bohrstange 10 mit einer bei 30 dargestellten passiven Schwingungstilgeranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung versehen, welche die Schwingungen dämpft, die sich durch die Bohrstange 10 fortpflanzen. Die passive Schwingungstilgeranordnung 30 umfasst einen allgemein zylindrischen Tilgerkörper 32 und eine Tilgerabdeckung 34, die am Tilgerkörper 32 angebracht ist. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Tilgerabdeckung 34 auf den Tilgerkörper 32 geschraubt. Jedoch sei klargestellt, dass die Tilgerabdeckung 34 anhand beliebiger Mittel, die in der Technik bekannt sind, am Tilgerkörper 32 angebracht werden kann, beispielsweise durch Kleben, Löten und dergleichen.
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Nun wird auf 3 und 4 Bezug genommen, der Tilgerkörper 32 weist ein erstes Ende 36, ein zweites, dem ersten Ende 36 gegenüberliegendes Ende 38 und einen oder mehrere im zweiten Ende 38 ausgebildete zylindrische Hohlräume 40 auf. Der eine oder die mehreren Hohlräume 40 haben die Form von Sacklöchern, die sich vom zweiten Ende 38 nicht ganz bis zum ersten Ende 36 erstrecken. Zum Beispiel weist in der veranschaulichten Ausführungsform der Tilgerkörper 32 eine Länge von etwa 87,63 mm (3,45 Zoll) auf, und die Hohlräume 40 weisen eine Länge von etwa 78,74 mm (3,10 Zoll) auf.
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In der veranschaulichten Ausführungsform weist der Tilgerkörper 32 insgesamt acht (8) Hohlräume 40 auf, die in Umfangsrichtung gleichmäßig um das zweite Ende herum beabstandet sind. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht durch die Anzahl der Hohlräume 40 beschränkt ist und dass die Erfindung mit jeder wünschenswerten Anzahl von Hohlräumen 40 verwirklicht werden kann. Zum Beispiel kann die Erfindung mit einem einzigen Hohlraum 40 verwirklicht werden, der einen ringförmigen Hohlraum bildet. Das erste Ende 36 weist eine V-förmige Umfangsnut 42 auf, um eine erste elastomere Auflage 44, beispielsweise einen O-Ring und dergleichen, zu stützen (2).
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In einem Aspekt der Erfindung ist die Vielzahl von Hohlräumen 40 des Tilgerkörpers 32 zum Teil oder vollständig mit Metall- oder Keramikteilchen oder -pulvern 62 (2) von geringer Größe gefüllt, um eine Tilgermasse für die passive Schwingungstilgung des Werkzeughalters 10 zu bilden. Im Allgemeinen weisen die Teilchen oder Pulver 62 einen Durchmesser von weniger als 1/5 eines Durchmessers des jeweiligen Hohlraums 40 auf. Zum Beispiel kann jeder Hohlraum 40 einen Durchmesser von etwa 6,35 mm (0,25 Zoll) aufweisen, und die Teilchen 62 können einen Durchmesser im Bereich zwischen etwa 0,05 mm bis etwa 5,00 mm aufweisen. Innerhalb dieses Größenbereichs werden die Teilchen 62 als nichtbindig betrachtet und werden als kugelig und gleichmäßig im Durchmesser betrachtet. In einem anderen Beispiel können keramische Pulver 62 einen Durchmesser in einem Bereich zwischen etwa 0,5 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer aufweisen.
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In einer Ausführungsform weist das Volumen eines Teilchens oder Pulvers 62 einen Bereich zwischen etwa 0,000524 mm3 für ein Teilchen oder Pulver 62 mit einem Durchmesser von etwa 0,05 mm und etwa 65,45 mm3 für ein Teilchen oder Pulver 62 mit einem Durchmesser von etwa 5,00 mm auf. In der veranschaulichten Ausführungsform weist jeder Hohlraum 4 eine Länge von etwa 78,74 mm und einen Durchmesser von etwa 6,35 mm auf und weist daher ein Volumen von etwa 2495 mm3 auf. Somit enthält jeder Hohlraum 40 eine sehr große Anzahl von Teilchen oder Pulvern 62. Zum Beispiel kann jeder Hohlraum 40 tausend oder mehr Teilchen oder Pulver 62 die einen Durchmesser von etwa 5,00 mm aufweisen, enthalten. In einem anderen Beispiel kann jeder Hohlraum 40 eine Million oder mehr Teilchen oder Pulver 62 enthalten, die einen Durchmesser von etwa 0,05 mm aufweisen.
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In einer Ausführungsform sind Metallteilchen hoher Dichte, beispielsweise aus Blei, Wolframcarbid-Cobalt und dergleichen, innerhalb jedes Hohlraums 40 der passiven Schwingungstilgeranordnung 30 angeordnet. Im Gegensatz zu viskoelastischen Materialien, welche die gespeicherte elastische Energie zerstreuen, zielt die Teilchendämpfung auf eine Energiedissipation in einer Kombination aus Kollision, Reibung und Scherdämpfung ab. Die Teilchendämpfung beinhaltet das Potential der Energieabsorption und -dissipation durch Momentaustausch zwischen sich bewegenden Teilchen und Schwingungswänden, Reibung, Stoßrestitution und Scherverformungen. Wegen der Einfachheit ihres Konzepts, ihrer potentiellen Wirksamkeit über einen breiten Frequenzbereich, ihrer Temperatur- und Verschlechterungsunempfindlichkeit und ihrer sehr geringen Kosten ist die Teilchendämpfung eine attraktive Alternative zu anderen Formen der passiven Dämpfung.
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Die Teilchendämpfung ist ein Abkömmling des Einzelmassenstoßdämpfers, der seit Jahren gründlich erforscht wird. Im Falle der Einzelmasse gibt es direkte Analysen, die Design-Kriterien für eine optimale Effizienz auf Basis einer Reduzierung der Systemantwort enthüllen. Durch Experimente wurde beobachtet, dass ein Kunststoff-„Bean Bag“, der mit Bleischrot gefüllt ist, eine viel größere Dämpfungswirkung und „weichere“ Stöße zeigte als ein einzelnes Stück Blei gleicher Masse. Weitere Vorteile der Nutzung granulärer Materialien anstelle einer einzelnen Masse beinhalten die Eliminierung von zu lauten Geräuschen und einer möglichen Beschädigung der Innenwand des Hohlraums.
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Es wird nun auf 5 und 6 Bezug genommen, die Tilgerabdeckung 34 weist ein erstes Ende 46 und ein zweites Ende 48 gegenüber dem ersten Ende 46 auf. Das erste Ende 46 wird unter Verwendung von in der Technik bekannten Mitteln, wie Kleben, Löten und dergleichen am zweiten Ende 38 des Tilgerkörpers 32 angebracht. Ähnlich wie das erste Ende 36 des Tilgerkörpers 32 weist das zweite Ende 48 der Tilgerabdeckung 34 eine V-förmige Umfangsnut 50 zur Aufnahme einer zweiten elastomeren Auflage 52 (2), beispielsweise eines O-Rings und dergleichen, auf.
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Es wird erneut auf 2 Bezug genommen, die passive Schwingungstilgeranordnung 30 ist mittels eines Stellkeils 54, der nahe des ersten Endes 36 des Tilgers 32 angeordnet ist, abstimmbar. Ähnlich wie beim Tilgerkörper 32 und der Tilgerabdeckung 34 weist der Stellkeil 54 eine V-förmige Umfangsnut 56 zur Aufnahme der ersten elastomeren Auflage 44 auf. Ebenso weist der Hals 16 eine V-förmige Umfangsnut 58 auf zur Aufnahme der zweiten elastomeren Auflage 52 nahe des zweiten Endes 48 der Tilgerabdeckung 34. Infolgedessen bewirken die ersten und die zweiten elastomeren Auflagen 44, 52, dass die passive Schwingungstilgeranordnung 30 innerhalb des zentralen Hohlraums 24 des Werkzeughalters 10 mit einem kleinen Abstand 60 aufgehängt wird, wenn die passive Schwingungstilgeranordnung 30 im zentralen Hohlraum 24 des Werkzeughalters 10 eingebaut ist.
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Der Stellkeil 54 ist im zentralen Hohlraum 24 in einer axialen Richtung entlang der zentralen Längsachse 28 des Werkzeughalters 10 bewegbar, wodurch ein Maß an Druck, das an die erste und die zweite Auflage 44, 52 angelegt wird, selektiv eingestellt wird, um die passive Schwingungstilgeranordnung 30 auf eine gewünschte Frequenz abzustimmen. Der Stellkeil 54 wird auf die Kühlrohranordnung 26 geschraubt. Um die jeweilige Bohrstange 10 zu stimmen, war es bisher nötig, die Schwingung der Bohrstange 10 zu überwachen und den Stellkeil 54 anzuziehen oder zu lockern, um dadurch den Druck der elastomeren Auflagen 44, 52 gegen die passive Schwingungstilgeranordnung 30 anzupassen. Jedoch ist diese Herangehensweise mühsam, und in der Bohrstange 10 der Erfindung ist es möglich, das Maß der nötigen Kompression der elastomeren Auflagen 44, 52 gegen die passive Schwingungstilgeranordnung 30 vorab zu definieren, um unter verschiedenen Werkzeugbedingungen Schwingung zu minimieren (d.h. Schwingungsunterdrückung zu maximieren). Auf diese Weise kann eine Person, die eine Maschine bedient, einfach die Kompression der elastomeren Auflagen 44, 52 anpassen, um Abstimmhöhen durch selektives Anpassen das Maßes des Drucks, der vom Stellkeil 54 gegen die elastomeren Auflagen 44, 52 ausgeübt wird, und dann Drehen einer Feststellmutter 64, um eine axiale Bewegung des Stellkeils 54 entlang der zentralen Längsachse 28 zu verhindern, vorab zu bestimmen.
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Wie oben beschrieben, weist der Werkzeughalter 10, beispielsweise eine Bohrstange, eine passive Schwingungstilgeranordnung 30 auf, die eine Teilchendämpfung für die Schwingungsunterdrückung verwendet. Die passive Schwingungstilgeranordnung 30 ist durch selektives Positionieren des Stellkeils 54 entlang der zentralen Längsachse 28 des Werkzeughalters 10 abstimmbar, so dass eine gewünschte Kraft gegen die elastomeren Auflagen 44, 52 ausgeübt wird. Das Verfahren der Teilchendämpfung zum Unterdrücken von Schwingungen, die vom Werkzeughalter erzeugt werden, sorgt für eine überlegene Dämpfungsleistung im Vergleich zu herkömmlichen Dämpfungsverfahren, die eine massive Tilgermasse verwenden.
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Die Patente und Veröffentlichungen, auf die in diesem Dokument Bezug genommen wird, werden hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
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Obwohl derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, kann die Erfindung innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Patentansprüche auch anderweitig ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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