DE102017112351A1

DE102017112351A1 - Spannvorrichtung sowie Ultraschall-Bohrmaschine

Info

Publication number: DE102017112351A1
Application number: DE102017112351.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Sitzberger; Christian Trum
Original assignee: Schott Diamantwerkzeuge GmbH
Current assignee: Schott Diamantwerkzeuge GmbH
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2018-12-06
Also published as: WO2018224215A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannvorrichtung zur Kopplung eines Bohrwerkzeugs (3) mit einer Bohrmaschine (1) umfassend eine einen Bodenbereich (10.1) aufweisende Ausnehmung (10), in die abschnittsweise das Bohrwerkzeug (3) freiendseitig einsetzbar ist. Dabei sind Spannmittel (S) zum Einspannen des Bohrwerkzeugs (3) in der Ausnehmung (10) vorgesehen. Diese Spannmittel (S) sind derart bewegbar in der Ausnehmung (10) vorgesehen, dass beim Einspannen das Bohrwerkzeug (3) radial verspannt und ein freies Ende des Bohrwerkzeugs (3) an den Bodenbereich (10.1) der Ausnehmung (10) angepresst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für Ultraschall-Bohrmaschinen, insbesondere Ultraschall-Handbohrmaschinen, eine Ultraschall-Bohrmaschine mit einer derartigen Spannvorrichtung sowie ein Verfahren zum Einspannen eines Bohrwerkzeugs.
Eine handgeführte Ultraschall-Bohrmaschine ist bereits aus der Druckschrift DE 20 2017 100 736 U1 bekannt. Diese weist im Unterschied zu Schlagbohrmaschinen anstelle eines Schlagwerks einen Schwingungserreger zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen auf, um unterstützt durch diese Ultraschallschwingungen die Bohrleistung zu erhöhen.
Problematisch hierbei ist, dass im Stand der Technik bekannte Spannvorrichtungen, mittels denen ein Bohrwerkzeug an der Bohrmaschine eingespannt wird, eine nur unzureichende Übertragung der Ultraschallschwingungen auf das Bohrwerkzeug ermöglichen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Spannvorrichtung anzugeben, die eine effektive Übertragung der von der Schwingungseinheit erzeugten Ultraschallschwingungen auf das Bohrwerkzeug ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine Ultraschall-Bohrmaschine ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 15 und ein Verfahren zum Einspannen eines Bohrwerkzeugs ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 16.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Spannvorrichtung zur Kopplung eines Bohrwerkzeugs mit einer Bohrmaschine. Die Spannvorrichtung umfasst eine einen Bodenbereich aufweisende Ausnehmung, in die abschnittsweise das Bohrwerkzeug freiendseitig einsetzbar ist. Die Ausnehmung ist dabei vorzugsweise in einer Sonotrode eingebracht, die unmittelbar mit dem Schwingungserreger koppelbar ist. Weiterhin sind Spannmittel zum Einspannen des Bohrwerkzeugs in der Ausnehmung vorgesehen, wobei diese Spannmittel derart bewegbar in der Ausnehmung vorgesehen sind, dass beim Einspannen das Bohrwerkzeug radial verspannt und ein freies Ende des Bohrwerkzeugs durch die Spannmittel veranlasst an den Bodenbereich der Ausnehmung angepresst wird. In anderen Worten weist die Spannvorrichtung Spannmittel auf, die relativ zum Bohrwerkzeug bewegbar sind, um dieses neben einer radialen Verspannung auch in axialer Richtung gegen den Bodenbereich der Ausnehmung zu verspannen.
Der wesentliche Vorteil der Spannvorrichtung besteht darin, dass das Bohrwerkzeug nicht nur in radialer Richtung sondern insbesondere auch axial eingespannt wird, so dass das freie Ende des Bohrwerkzeugschafts gegen den Bodenbereich fest anliegt. Dadurch kann eine effektive Schwingungsübertragung auf das Bohrwerkzeug erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Spannmittel zum Anpressen des freien Endes des Bohrwerkzeugs an den Bodenbereich der Ausnehmung axial in Bezug auf die Mittellängsachse der Spannvorrichtung bewegbar. In anderen Worten sind die Spannmittel translatorisch entlang einer oder mehrerer Verschiebeachsen bewegbar, und zwar entlang der Mittellängsachse. Dadurch kann sowohl ein radiales als auch ein axiales Einspannen des Bohrwerkzeugs erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die ersten Spannmittel durch mehrere Spannbacken gebildet, die durch eine translatorische Zustellbewegung gegenüber dem Bohrwerkzeugschaft zustellbar sind. Hierzu sind beispielsweise in der die Ausnehmung ausbildenden Sonotrode Öffnungen vorgesehen, durch die hindurch die Spannbacken in die den Bohrwerkzeugschaft aufnehmende Ausnehmung vorstehen, um das Bohrwerkzeug dadurch einzuspannen. Dadurch kann eine effektive Übertragung von Ultraschallschwingungen auf das Bohrwerkzeug erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Spannmittel mit einer axial zur Mittellängsachse der Spannvorrichtung verlaufenden ersten Bewegungsrichtungskomponente und mit einer radial zur Mittellängsachse der Spannvorrichtung verlaufenden zweiten Bewegungsrichtungskomponente gegenüber dem Bohrwerkzeugschaft zustellbar. Dies kann entweder durch Spannbacken erreicht werden, die entlang mehrerer unterschiedlicher Verschiebeachsen verschiebbar geführt sind und dadurch in unterschiedlichen Richtungen translatorisch verschiebbar sind oder die Spannbacken sind jeweils entlang einer einzigen Verschiebeachse verschiebbar geführt, die in einem spitzen Winkel quer zur Mittellängsachse des Spannfutters verläuft. Durch eine derartige Bewegbarkeit der Spannbacken kann eine sowohl in radialer als auch in axialer Richtung wirkende Einspannung des Bohrwerkzeugs erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Spannbacken sowohl entlang einer axial oder im Wesentlichen axial zur Mittellängsachse der Spannvorrichtung verlaufenden ersten Verschiebeachse als auch entlang einer radial oder im Wesentlichen radial zur Mittellängsachse der Spannvorrichtung verlaufenden zweiten Verschiebeachse verschiebbar geführt. Eine derartige Führung der Spannbacken ermöglicht zugleich eine radiale und eine axiale Einspannung mittels des Paars von Spannbacken.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Spannbacken jeweils mittels zumindest eines ersten, stiftartigen Führungselements in axialer Richtung bezogen auf die Mittellängsachse der Spannvorrichtung verschiebbar geführt. Vorzugsweise ist pro Spannbacke ein einziges erstes Führungselement vorgesehen, das die Spannbacke mittig führt. Dadurch kann auf technisch einfache Art und Weise eine translatorische Verschiebbarkeit der Spannbacken in axialer Richtung erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Spannbacken jeweils mittels zumindest eines zweiten, stiftartigen Führungselements in radialer Richtung bezogen auf die Mittellängsachse der Spannvorrichtung verschiebbar geführt. Zur radialen Führung der Spannbacke ist vorzugsweise ein Paar von zweiten Führungselementen vorgesehen, die in Bezug auf das erste Führungselement auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Insbesondere erfolgt die radiale Führung der Spannbacken über zumindest ein Koppelelement. Dabei sind beispielsweise ein erstes Koppelelement oberhalb der Spannbacke und ein zweites Koppelelement unterhalb der Spannbacke vorgesehen. Alternativ ist in der Spannbacke eine Spannbackenausnehmung vorgesehen, durch die ein Koppelelement hindurchgeführt ist. Dieses zumindest eine Koppelelement steht seitlich gegenüber den Spannbacken vor. An den überstehenden Bereichen des zumindest einen Koppelelements sind diese über die zweiten Führungselemente mit der Sonotrode verbunden, um die radial verschiebbare Führung zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform sind elastische Rückstellmittel, insbesondere Federelemente zur Rückstellung der Spannbacken beim Ausspannen des Bohrwerkzeugs vorgesehen. Diese Federelemente sind vorzugsweise um die ersten bzw. zweiten Führungselemente herum angeordnet und wirken dabei entweder direkt oder indirekt über zumindest ein Verbindungselement auf die Spannbacke ein, um die Rückstellung dieser Spannbacken und damit ein Aufheben der Klemmung des Bohrwerkzeugs zu erreichen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Spannbacken schräg in Bezug auf die Mittellängsachse der Spannvorrichtung in die Ausnehmung auf den Bodenbereich der Ausnehmung hin gerichtet einschiebbar. Dadurch können die Spannbacken jeweils durch eine Bewegung entlang einer einzigen schräg verlaufenden Verschiebeachse ein radiales und axiales Einspannen des Bohrwerkzeugs erreichen.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Spannmittel durch zumindest drei Spannbacken, insbesondere durch genau drei Spannbacken gebildet, die in gleichmäßigen Winkelabständen verteilt um die Ausnehmung angeordnet sind. Dadurch kann eine vorteilhafte Spannung von konturlosen Bohrwerkzeugschäften erreicht werden, die gewöhnlich unterschiedliche Schaftdurchmesser aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Spannmittel, insbesondere die Spannbacken, eine Konturierung, eine Zahnung, eine Wellung oder Einkerbungen auf. Dadurch kann der Kraftschluss der Spannbacken gegenüber dem Bohrwerkzeugschaft und damit die Klemmung des Bohrwerkzeugs entscheidend verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine axial verschiebbare Spannhülse vorgesehen, die zumindest mittelbar mit den Spannmitteln, insbesondere den Spannbacken in Wirkverbindung steht, und zwar derart, dass bei einer axialen Verschiebung der Spannhülse ein Einschieben der Spannbacken in Ausnehmung erfolgt. Über die entlang der Mittellängsachse der Spannvorrichtung verschiebbare Spannhülse kann so eine konstruktiv einfache und zuverlässige Bewegung der Spannbacken sichergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind an den Spannbacken Schrägflächen vorgesehen, die als Gleitflächen gegenüber einem Anlagebereich der Spannhülse oder einem mit der Spannhülse in Wirkverbindung stehenden Gleitabschnitt ausgebildet sind. Bei axialer Bewegung der Spannhülse gleitet der Anlagebereich bzw. der Gleitabschnitt an den Schrägflächen entlang und bewirkt damit eine zunächst im Wesentlichen radiale Einschubbewegung der Spannbacken und anschließend, nachdem eine radiale Klemmung des Bohrwerkzeugs erreicht wurde, ein axiales Anpressen des freien Endes des Bohrwerkzeugs an den Bodenbereich der Ausnehmung.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Ausnehmung in einer einstückig ausgebildeten Sonotrode ausgebildet. Damit kann der Bohrwerkzeugschaft unmittelbar in die Sonotrode eingesteckt werden, was die Effektivität der Ultraschallübertragung wesentlich verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Spannmittel, insbesondere die Spannbacken, durch in der Sonotrode ausgebildete Öffnungen in die Ausnehmung einführbar. Durch diese Öffnungen hindurch können die Spannbacken in die Ausnehmung radial eingeschoben werden, bis sich eine Klemmung des Bohrwerkzeugschafts ergibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Ultraschall-Handbohrmaschine umfassend eine Spannvorrichtung zur Aufnahme eines Bohrwerkzeugs und Antriebsmittel in Form eines elektrischen Motors zum Bewegen des Bohrwerkzeugs. Die Antriebsmittel umfassen zudem einen Schwingungserreger, mittels dem das Bohrwerkzeug in Schwingungen im Ultraschallbereich versetzbar ist. Die Spannvorrichtung ist dabei gemäß einem der vorher beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet.
Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einspannen eines Bohrwerkzeugs in einer Spannvorrichtung einer Handbohrmaschine. Die Spannvorrichtung weist eine einen Bodenbereich aufweisende Ausnehmung auf, in die abschnittsweise das Bohrwerkzeug freiendseitig einsetzbar ist. Ferner sind Spannmittel vorgesehen, die in der Ausnehmung bewegbar sind und mittels denen das Bohrwerkzeug in der Ausnehmung eingespannt wird, und zwar derart, dass ein freies Ende des Bohrwerkzeugs durch die Spannmittel radial verspannt und an den Bodenbereich der Ausnehmung angepresst wird.
Unter „Sonotrode“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Element verstanden, das durch das Einleiten von hochfrequenten mechanischen Schwingungen, insbesondere Ultraschallschwingungen, in Resonanzschwingungen versetzt werden kann. Dabei stellt die Sonotrode die Verbindung vom Schwingungserreger (z.B. den Piezoelementen eines Ultraschallgenerators) zum Bohrwerkzeug her.
Die Ausdrücke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 beispielhaft und grob schematisch eine Ultraschall-Handbohrmaschine in einer seitlichen Schnittdarstellung;
2 beispielhaft eine an einer Sonotrode vorgesehene Spannvorrichtung;
3 beispielhaft eine Ausführungsform einer Spannvorrichtung in einer Schließstellung in einer Schnittdarstellung entlang einer durch die Mittellängsachse verlaufenden Schnittebene;
4 beispielhaft die Spannvorrichtung gemäß 3 in einer Schnittdarstellung, bei der die Schnittebene senkrecht zur Mittellängsachse im Bereich der Spannbacken verläuft;
5 beispielhaft die Spannvorrichtung analog zur Darstellung in 3 in einer Offenstellung bei einer Schnittdarstellung entlang einer durch die Mittellängsachse verlaufenden Schnittebene; und
6 beispielhaft die Spannvorrichtung gemäß 5 in einer Schnittdarstellung, bei der die Schnittebene senkrecht zur Mittellängsachse im Bereich der Spannbacken verläuft.

1 zeigt beispielhaft und schematisch eine Handbohrmaschine 1. Die Handbohrmaschine 1 weist in an sich bekannter Weise ein Gehäuse 1.1 auf, an dem ein Handgriff 1.2 vorgesehen ist, um die Handbohrmaschine händisch führen zu können. An dem Handgriff 1.2 sind Steuermittel 1.3 vorgesehen, mittels denen die Drehzahl der Handbohrmaschine 1 steuerbar ist.
Zudem weist die Handbohrmaschine 1 eine Werkzeugaufnahme in Form einer Spannvorrichtung 2 auf, die zur Halterung eines Bohrwerkzeugs 3 ausgebildet ist. Die Spannvorrichtung 2 kann insbesondere eine Schnellspannvorrichtung zur drehfesten Verbindung des Bohrwerkzeugs 3 mit einer drehend im Gehäuse gelagerten Welle 7 sein. Unter Bohrwerkzeug werden sämtliche Werkzeuge mit geradem Werkzeugschaft verstanden, insbesondere solche, die eine geometrisch bestimmte Schneide zur Erstellung von Bohrlöchern aufweisen. Mit derartigen Bohrwerkzeugen lassen sich unterstützt durch die Ultraschallschwingung vorteilhaft Löcher in spröde Materialien, beispielsweise Ziegel, Beton oder aber auch Verbundwerkstoffe einbringen.
Die Welle 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch mehrere Lagerstellen 8 rotativ gelagert, so dass die Welle 7 um eine Drehachse DA drehbar ist. Die Welle 7 steht mit einem Motor 4 in Wirkverbindung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Motor 4 versetzt zur Welle 7 vorgesehen. Zur Einleitung eines Drehmoments in die Welle 7 ist ein Getriebe 6 vorgesehen, mittels dessen eine Drehbewegung des Motors 4 auf die Welle 7 übertragen wird. Das Getriebe 6 kann insbesondere ein aus kämmend ineinandergreifenden Zahnrädern 6.1, 6.2 gebildetes Getriebe 6 sein. Dadurch wird eine vom Motor bewirkte Drehbewegung über die Welle 7 und die Spannvorrichtung 2 auf das Bohrwerkzeug 3 übertragen.
Zur Erzeugung von Schwingungen am Bohrwerkzeug 3 ist ein Schwingungserreger 5 vorgesehen. Dieser Schwingungserreger 5 weist mehrere Piezoelemente 5.1 auf, die stapelartig hintereinander entlang einer Längsachse LAS des Schwingungserregers 5 angeordnet sind. Die Längsachse LAS des Schwingungserregers 5 kann dabei parallel zur Drehachse DA angeordnet sein, insbesondere aber mit der Drehachse DA zusammenfallen, d.h. die Längsachse LAS des Schwingungserregers 5 und die Drehachse DA der Welle 7 bzw. des Bohrwerkzeugs 3 bilden eine gemeinsame Achse. Die Schwingungserzeugung kann mittels zumindest eines Piezoelements unter Nutzung des piezoelektrischen Effekts oder durch zumindest ein magnetostriktives Element unter Nutzung des Effekts der Magnetostriktion erfolgen.
Der Schwingungserreger 5 ist mit einer Ansteuereinheit 9 verbunden, die zur elektrischen Ansteuerung des Schwingungserregers 5 ausgebildet ist. Insbesondere beaufschlagt die Ansteuereinheit 9 den Schwingungserreger 5 mit einem elektrischen Signal, um diesen in Schwingungen im Ultraschallbereich zu versetzen. Die Schwingfrequenz kann dabei im Bereich zwischen 20 kHz und 60 kHz liegen, bevorzugt im Bereich zwischen 20 kHz und 40 kHz.
Über die Spannvorrichtung 2 ist das Bohrwerkzeug 3 mit dem Schwingungserreger 5 schwingungsgekoppelt, d.h. die vom Schwingungserreger 5 erzeugten Schwingungen werden auf das Bohrwerkzeug 3 übertragen, so dass der Bohrvorgang schwingungsunterstützt erfolgt.
Das Bohrwerkzeug 3 kann insbesondere derart auf den Schwingungserreger 5 bzw. das in/an der Bohrmaschine 1 schwingende System abgestimmt sein, dass das gesamte schwingende System einschließlich des Bohrwerkzeugs 3 mit einer Longitudinaleigenmode im betrachteten Frequenzspektrum schwingt. Die durch den Schwingungserreger 5 erzeugte stehende Welle kann so abgestimmt sein, dass die Lagerung 8 und die Einleitung des Drehmoments (beispielsweise durch Zahnrad 6.2) jeweils in einem Schwingungsknotenpunkt angreifen. Die durch den Schwingungserreger 5 erzeugte stehende Welle kann dabei x Nulldurchgänge aufweisen, wobei x zwischen 1 und 3 liegt.
Der Schwingungserreger 5 kann insbesondere zur Erzeugung von longitudinalen Ultraschallschwingungen ausgebildet sein. Durch diese longitudinalen Ultraschallschwingungen wird das Bohrwerkzeug 3 in axialer Richtung (axial in Bezug auf die Drehachse DA) ähnlich einem mechanischen Schlagwerk einer Schlagbohrmaschine in Bewegung versetzt. Dadurch kann durch die Ultraschallschwingungen unterstützt ein hoher Materialabtrag an dem zu bohrenden Material erreicht werden.
Die Ansteuereinheit 9 kann dazu ausgebildet sein, die Frequenz der vom Schwingungserreger 5 erzeugten Schwingungen an die Drehzahl des Motors 4 anzupassen. In anderen Worten wird die Frequenz der Ultraschallschwingung mit der Drehzahl des Motors 4 verändert. Alternativ ist es möglich, dass die Frequenz der Ultraschallschwingung unabhängig von der Drehzahl des Motors 4 gewählt wird, insbesondere fest ist. Weiterhin alternativ ist es möglich, die Frequenz unabhängig von der Drehzahl des Motors 4 zu variieren, um diese an das jeweilige Bohrwerkzeug bzw. das zu bohrende Material anzupassen. Die Einstellung kann stufenlos oder basierend auf mehreren vorgegebenen Frequenzstufen erfolgen. Die Frequenz kann insbesondere derart gewählt werden, dass sich abhängig von der Länge bzw. des Durchmessers des Bohrers im Bereich dessen freien Endes eine maximale Schwingungsamplitude (Schwingungsmaximum) ergibt.
In 2 ist eine Ausführungsform einer Spannvorrichtung 2 gezeigt. Vorzugsweise ist die Spannvorrichtung 2 freiendseitig an einer Sonotrode 2.1 vorgesehen. Auf diese Sonotrode 2.1 wirkt der Schwingungserreger 5, um die Ultraschallschwingungen auf die Sonotrode 2.1 zu übertragen. Vorzugsweise ist der Schwingungserreger 5 an dem der Spannvorrichtung 2 gegenüberliegenden freien Ende der Sonotrode 2.1 vorgesehen und wirkt direkt auf diese ein. Die Spannvorrichtung 2 ist vorzugsweise als Schnellspannvorrichtung ausgebildet, d.h. ein Bohrwerkzeug 3 kann werkzeuglos und allein durch händische Krafteinwirkung in der Spannvorrichtung 2 eingespannt werden. Alternativ kann die Spannvorrichtung 2 dazu ausgebildet sein, durch Hilfsmittel, beispielsweise Spannschlüssel o.ä., eine Spannwirkung am Bohrwerkzeug 3 zu erzeugen.
Wie in 2 ersichtlich, weist die Spannvorrichtung 2 umfangsseitig einen Betätigungsabschnitt 2.2 auf, der beispielsweise als Betätigungsring ausgebildet ist. Durch Drehen des Betätigungsabschnitts 2.2 um die Mittellängsachse MLA herum kann, wie nachfolgend näher erläutert, eine Spannwirkung an dem Bohrwerkzeug 3 erreicht werden.
3 bis 6 zeigen den inneren Aufbau einer Spannvorrichtung 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die 3 und 4 einen geschlossenen Zustand der Spannvorrichtung 2 zeigen, bei dem ein Bohrwerkzeugschaft 3.1 in der Spannvorrichtung 2 eingespannt ist und die 5 bis 6 einen offenen Zustand der Spannvorrichtung 2 zeigen, bei dem kein Bohrwerkzeugschaft 3.1 in der Spannvorrichtung 2 aufgenommen ist.
Die Spannvorrichtung 2 ist insbesondere zum Spannen von Bohrwerkzeugen 3 mit einem konturlosen oder im Wesentlichen konturlosen Bohrwerkzeugschaft 3.1 ausgebildet, d.h. insbesondere Bohrwerkzeugen 3 mit einem zylindrischen Bohrwerkzeugschaft 3.1 und ohne Ausnehmungen, wie sie beispielsweise an Bohrwerkzeugen 3 gemäß dem SDS- oder SDS-plus-System vorgesehen sind.
Die Spannvorrichtung 2 umfasst Spannmittel S, die durch den Betätigungsabschnitt 2.2 aktiviert werden. Die Spannmittel S werden im gezeigten Ausführungsbeispiel durch mehrere Spannbacken 11 gebildet, durch deren Zusammenwirken ein Einspannen des Bohrwerkzeugschafts 3.1 erreicht wird. Insbesondere können die Spannmittel S durch Verdrehen des Betätigungsabschnitts 2.2 gegenüber dem Bohrwerkzeugschaft 3.1 bzw. der Sonotrode 2.1 derart bewegt werden, dass sich ein festes Einspannen des Bohrwerkzeugs 3 in der Spannvorrichtung 2 ergibt, und zwar insbesondere derart, dass das Bohrwerkzeug 3 nicht nur in radialer Richtung bezogen auf die Mittellängsachse MLA der Spannvorrichtung 2 eingespannt wird sondern auch in axialer Richtung bezogen auf die Mittellängsachse MLA gegen einen Bodenbereich 10.1 einer Ausnehmung 10 in der Spannvorrichtung 2 angepresst wird.
Wie zuvor bereits erwähnt, weist die Spannvorrichtung 2 eine Sonotrode 2.1 auf, in welche die von dem Schwingungserreger 5 erzeugten Ultraschallschwingungen eingeleitet werden. Die Ausnehmung 10, in die der Bohrwerkzeugschaft 3.1 einbringbar ist, ist vorzugsweise in dieser Sonotrode 2.1 ausgebildet. Die Ausnehmung 10 ist dabei nach oben hin offen, so dass das freie Ende des Bohrwerkzeugschafts 3.1 über diese Öffnung in die Ausnehmung 10 eingeschoben werden kann. In der Sonotrode 2.1 sind Öffnungen 2.1.1 eingearbeitet, durch die hindurch die Spannbacken 11 in die Ausnehmung 10 zumindest abschnittsweise eingeschoben werden können, um dadurch den Bohrwerkzeugschaft 3.1 klemmend zu fixieren, und zwar zentriert in Bezug auf die Mittellängsachse MLA.
Der Betätigungsabschnitt 2.2 ist drehbar um die Mittellängsachse MLA gelagert und weist innenseitig ein Gewinde 2.2.1 auf, mittels dem der Betätigungsabschnitt 2.2 mit einer Spannhülse 12 in Wirkverbindung steht. Insbesondere weist die Spannhülse 12 ein Außengewinde 12.1 auf, das in Eingriff mit dem Gewinde 2.2.1 des Betätigungsabschnitts 2.2 steht. Bei Drehung des Betätigungsabschnitts 2.2 wird die Spannhülse 12 translatorisch bewegt und zwar parallel zur Mittellängsachse MLA der Spannvorrichtung 2, wie dies in 3 mittels des Doppelpfeils angedeutet ist. Diese translatorische Bewegung bzw. axiale Verschiebung der Spannhülse 12 bewirkt ein Einspannen des Bohrwerkzeugs 3 mittels der Spannmittel S.
Mehr im Detail weist die Spannhülse 12 einen Anlagebereich 12.2 auf, mittels dem diese gegenüber den Spannmitteln S, im gezeigten Ausführungsbeispiel gebildet durch mehrere Spannbacken 11, zur Anlage gelangt. Insbesondere sind umfangsseitig um die Ausnehmung herum verteilt mehrere Spannbacken 11, beispielsweise drei Spannbacken 11 vorgesehen, die in der Sonotrode 2.1 beweglich geführt sind und durch die ein radiales sowie axiales Verklemmen („radial“ und „axial“ in Bezug auf die Mittellängsachse MLA) des Bohrwerkzeugs 3 in der Spannvorrichtung 2 ermöglicht wird.
Die Spannbacken 11 sind vorzugsweise sternförmig bzw. in gleichgroßen Winkelbeträgen umfangsseitig verteilt um die Ausnehmung 10 herum angeordnet und können zum Spannen des Bohrwerkzeugschafts 3.1 in diese Ausnehmung radial von außen her eingeschoben werden. Die Spannbacken 11 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils entlang mehrerer in unterschiedlichen Richtungen verlaufenden Verschiebeachsen VA1, VA2 verschiebbar in der Spannvorrichtung 2 angeordnet, und zwar derart, dass die Spannbacken 11 mittels der ersten Verschiebeachsen VA1 parallel zur Mittellängsachse MLA und mittels der zweiten Verschiebeachsen VA2 radial zu dieser Mittellängsachse MLA verschiebbar sind. Über die zweiten Verschiebeachsen VA2 können die Spannbacken 11 insbesondere von einer zurückgezogenen Stellung in eine vorgeschobene Stellung gebracht werden, in der diese in die Ausnehmung 10 seitlich hineinragen und dabei die radiale Klemmung des Bohrwerkzeugs 3 bewirken. Über die Verschiebung entlang der ersten Verschiebeachsen VA1 kann das Andrücken des freien Endes des Bohrwerkzeugs 3 an dem Bodenbereich 10.1 der Ausnehmung 10 erreicht werden.
Zum Einleiten der vorbeschriebenen Verschiebebewegungen entlang der ersten und zweiten Verschiebeachsen VA1, VA2 weisen die Spannbacken 11 jeweils eine Schrägfläche 11.1 auf, die mit dem Anlagebereich 12.2 der Spannhülse 12 zusammenwirkt. Alternativ kann dieses Zusammenwirken auch indirekt erfolgen, beispielsweise durch einen zwischen der Spannhülse 12 und der Spannbacke 11 angeordneten Gleitabschnitt. Die Schrägfläche 11.1 kann dabei eben oder aber auch gewölbt ausgebildet sein. Insbesondere wird der Anlagebereich 12.2 beim Verdrehen des Betätigungsabschnitts 2.2 zur Anlage gegenüber der Schrägfläche 11.1 gebracht. Die Schrägflächen 11.1 verlaufen jeweils in einem spitzen Winkel α gegenüber der Mittellängsachse MLA, wobei sich dieser Winkel α nach unten hin, d.h. in Richtung des Bodenbereichs 10.1 öffnet. Bei der translatorischen Bewegung der Spannhülse 12 gleitet deren Anlagebereich 12.2 an den Schrägflächen 11.1 der Spannbacken 11, wodurch zunächst eine quer zur Mittellängsachse MLA gerichtete Verschiebung der Spannbacken 11 erfolgt. In anderen Worten werden die Spannbacken 11 durch die Spannhülse 12 zunächst in radialer Richtung auf das Bohrwerkzeug 3 zubewegt und die Spannbacken 11 bleiben in axialer Richtung in einer oberen Position oder werden nur geringfügig in axialer Richtung verschoben. Dies kann beispielsweise durch unterschiedlich stark dimensionierte Federelemente mit unterschiedlich großen Federkräften bewirkt werden, die radial nach außen bzw. nach oben gerichtete Rückstellkräfte auf die Spannbacken 11 ausüben.
Nach der zunächst zumindest überwiegenden radialen Zustellung der Spannbacken 11 kommen diese gegenüber dem Bohrwerkzeugschaft 3.1 zur Anlage, und zwar derart, dass ein Kraftschluss entsteht. Wie in 3 und 5 ersichtlich können die Spannbacken 11 an den dem Bohrwerkzeugschaft 3.1 zugewandten Seiten eine Konturierung aufweisen. Diese Konturierung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass die Anlagefläche gegenüber einem konturlosen Bohrwerkzeugschaft 3.1 reduziert und damit der Kraftschluss verbessert wird. Die Konturierung kann insbesondere durch eine Zahnung, eine Wellung oder Einkerbungen gebildet werden. Sobald die Spannbacken 11 gegenüber dem Bohrwerkzeug 3 angepresst werden, wird eine weitere radiale Verschiebebewegung der Spannbacken 11 verhindert. Durch das Anliegen des Anlagebereichs 12.2 gegenüber den Schrägflächen 11.1 der Spannbacken 11 wird nunmehr durch die Spannbacken 11 eine Spannkraft in axialer Richtung (bezogen auf die Mittellängsachse MLA der Spannvorrichtung 2) auf das Bohrwerkzeugs 3 ausgeübt, so dass dessen freies Ende an den Bodenbereich 10.1 der Ausnehmung 10 angepresst wird.
Es versteht sich, dass die radiale und axiale Verschiebung der Spannbacken 11 entlang der ersten und zweiten Verschiebeachsen VA1, VA2 nicht nur zeitlich nacheinander sondern auch zumindest teilweise zeitgleich erfolgen kann.
Die Rückstellung der Spannbacken 11 aus einer klemmenden Position in eine geöffnete Position erfolgt vorzugsweise unterstützt durch Federelemente, die die Spannbacken 11 in eine der geöffneten Position entsprechende Stellung rückstellen. Vorzugsweise sind mehrere Federelemente vorgesehen, die eine Rückstellung der Spannbacken 11 sowohl in Richtung der ersten Verschiebeachse VA1 als auch der zweiten Verschiebeachse VA2 bewirken. Insbesondere ist zumindest ein erstes Federelement vorgesehen, das eine Rückstellung in axialer Richtung bewirkt, d.h. die jeweilige Spannbacke 11 in die vom Bodenbereich 10.1 abgewandte Richtung nach oben drückt. Des Weiteren ist zumindest ein zweites Federelement vorgesehen, das eine Rückstellung in radialer Richtung bewirkt, d.h. die Spannbacke 11 zumindest abschnittsweise aus der Ausnehmung 10 herausbewegt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Spannbacken 11 jeweils durch ein Koppelelement 11.2 mit der Sonotrode 2.1 verbunden. Dabei ist die Spannbacke 11 verschiebbar an dem Koppelelement 11.2 gehalten und das Koppelelement 11.2 selbst ist verschiebbar gegenüber der Sonotrode 2.1 geführt. Das Koppelelement 11.2 durchdringt dabei die Spannbacke 11 in einer Spannbackenausnehmung. Die Spannbacke 11 ist beispielsweise über ein erstes Führungselement 11.3 mit dem Koppelelement 11.2 verbunden. Zwischen der Spannbacke 11 und dem Koppelelement 11.2 ist ein erstes Federelement vorgesehen, das eine Rückstellung der Spannbacke 11 in axialer Richtung bewirkt. In anderen Worten sind damit die Spannbacken 11 jeweils an einem ersten Führungselement 11.3 bzw. Führungsstift in axialer Richtung verschiebbar geführt. Die Kopplung des Koppelelements 11.2 mit der Sonotrode 2.1 erfolgt über ein Paar von zweiten Führungselementen 11.4, insbesondere Führungsstiften, so dass dieses Koppelelement 11.2 und damit auch die an diesem vorgesehene Spannbacke 11 in radialer Richtung verschiebbar ist. Die Kopplung des Koppelelements 11.2 mit der Sonotrode 2.1 ist vorzugsweise ebenfalls federbelastet realisiert, so dass das Koppelelement 11.2 beim Lösen der Klemmung durch die Federkräfte in eine radial außenliegende Position gedrückt werden. Das erste Führungselement 11.3 ist dabei vorzugsweise zwischen den zweiten Führungselementen 11.4 angeordnet. Es versteht sich, dass hier auch andere Konfigurationen der Führungselemente möglich sind.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der durch die Patentansprüche definierte Schutzbereich verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Handbohrmaschine
1.1: Gehäuse
1.2: Handgriff
1.3: Steuermittel
2: Spannvorrichtung
2.1: Sonotrode
2.1.1: Öffnung
2.2: Betätigungsabschnitt
2.2.1: Gewinde
3: Bohrwerkzeug
3.1: Bohrwerkzeugschaft
4: Motor
5: Schwingungserreger
5.1: Piezoelement
6: Getriebe
6.1: Zahnrad
6.2: Zahnrad
7: Welle
8: Lagerstelle
9: Ansteuereinheit
10: Ausnehmung
10.1: Bodenbereich
11: Spannbacke
11.1: Schrägfläche
11.2: Koppelelement
11.3: erstes Führungselement
11.4: zweites Führungselement
12: Spannhülse
12.1: Außengewinde
12.2: Anlagebereich
DA: Drehachse
DAM: Drehachse Motor
MLA: Mittellängsachse
LAS: Längsachse des Schwingungserregers
S: Spannmittel
VA1: erste Verschiebeachse
VA2: zweite Verschiebeachse
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202017100736 U1 [0002]

Claims

Spannvorrichtung zur Kopplung eines Bohrwerkzeugs (3) mit einer Bohrmaschine (1) umfassend eine einen Bodenbereich (10.1) aufweisende Ausnehmung (10), in die abschnittsweise das Bohrwerkzeug (3) freiendseitig einsetzbar ist, wobei in die Ausnehmung (10) einführbare Spannmittel (S) zum Einspannen des Bohrwerkzeugs (3) vorgesehen sind, und wobei die Spannmittel (S) derart bewegbar in der Ausnehmung (10) vorgesehen sind, dass beim Einspannen das Bohrwerkzeug (3) radial verspannt und ein freies Ende des Bohrwerkzeugs (3) an den Bodenbereich (10.1) der Ausnehmung (10) angepresst wird.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (S) zum Anpressen des freien Endes des Bohrwerkzeugs (3) an den Bodenbereich (10.1) der Ausnehmung (10) axial in Bezug auf die Mittellängsachse (MLA) der Spannvorrichtung (2) bewegbar sind.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (S) durch mehrere Spannbacken (11) gebildet sind, die durch eine translatorische Zustellbewegung gegenüber dem Bohrwerkzeugschaft (3.1) zustellbar sind.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (S) mit einer axial zur Mittellängsachse (MLA) der Spannvorrichtung (2) verlaufenden ersten Bewegungsrichtungskomponente und mit einer radial zur Mittellängsachse (MLA) der Spannvorrichtung (2) verlaufenden zweiten Bewegungsrichtungskomponente gegenüber dem Bohrwerkzeugschaft (3.1) zustellbar sind.
Spannvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbacken (11) sowohl entlang einer axial zur Mittellängsachse (MLA) der Spannvorrichtung (2) verlaufenden ersten Verschiebeachse (VA1) als auch entlang einer radial zur Mittellängsachse der Spannvorrichtung (2) verlaufenden zweiten Verschiebeachse (VA2) verschiebbar geführt sind.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbacken (11) jeweils mittels zumindest eines ersten, stiftartigen Führungselements in axialer Richtung bezogen auf die Mittellängsachse (MLA) der Spannvorrichtung (2) verschiebbar geführt sind.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbacken (11) jeweils mittels zumindest eines zweiten, stiftartigen Führungselements in radialer Richtung bezogen auf die Mittellängsachse (MLA) der Spannvorrichtung (2) verschiebbar geführt sind.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass elastische Rückstellmittel zur Rückstellung der Spannbacken beim Ausspannen des Bohrwerkzeugs (3) vorgesehen sind.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (S) durch zumindest drei Spannbacken (11), insbesondere durch genau drei Spannbacken (11) gebildet werden, die in gleichmäßigen Winkelabständen verteilt um die Ausnehmung (10) angeordnet sind.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (S), insbesondere die Spannbacken (11), eine Konturierung, eine Zahnung, eine Wellung oder Einkerbungen aufweisen.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine axial verschiebbare Spannhülse (12) vorgesehen ist, die zumindest mittelbar mit den Spannmitteln (S), insbesondere den Spannbacken (11) in Wirkverbindung steht, und zwar derart, dass bei einer axialen Verschiebung der Spannhülse (12) ein Einschieben der Spannbacken (11) in die Ausnehmung (10) erfolgt.
Spannvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an den Spannbacken (11) Schrägflächen (11.1) vorgesehen sind, die als Gleitflächen gegenüber einem Anlagebereich (12.2) der Spannhülse (12) oder einem mit der Spannhülse (12) in Wirkverbindung stehenden Gleitabschnitt ausgebildet sind.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (10) in einer einstückig ausgebildeten Sonotrode (2.1) ausgebildet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (S), insbesondere die Spannbacken (11), durch in der Sonotrode (2.1) ausgebildete Öffnungen (2.1.1) in die Ausnehmung einführbar sind.
Ultraschall-Handbohrmaschine umfassend eine Spannvorrichtung (2) zur Aufnahme eines Bohrwerkzeugs (3) und Antriebsmittel in Form eines elektrischen Motors (4) zum Bewegen des Bohrwerkzeugs (3), wobei die Antriebsmittel zudem einen Schwingungserreger (5) umfassen, mittels dem das Bohrwerkzeug (3) in Schwingungen im Ultraschallbereich versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Verfahren zum Einspannen eines Bohrwerkzeugs (3) in einer Spannvorrichtung (2) einer Handbohrmaschine (1), wobei die Spannvorrichtung (2) eine einen Bodenbereich (10.1) aufweisende Ausnehmung (10) aufweist, in die abschnittsweise das Bohrwerkzeug (3) freiendseitig einsetzbar ist, wobei Spannmittel (S) vorgesehen sind, die in der Ausnehmung bewegbar sind und mittels denen das Bohrwerkzeug (3) in der Ausnehmung (10) eingespannt wird, und zwar derart, dass ein freies Ende des Bohrwerkzeugs (3) durch die Spannmittel (S) radial verspannt und an den Bodenbereich (10.1) der Ausnehmung (10) angepresst wird.