DE102018107444A1

DE102018107444A1 - Auslegergestützter abgestimmter dynamischer Dämpfer

Info

Publication number: DE102018107444A1
Application number: DE102018107444.1A
Authority: DE
Inventors: Samuel Lawrence Eichelberger; Tony Schmitz; Shi Chen; Ruy Frota De Souza Filho; Jeremy Canonge
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2018-10-04
Also published as: CN108723407A; US20180281074A1

Abstract

Eine Vibrationsdämpferanordnung, die eine Auslegerbalkenkomponente umfasst, die ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei sich die Auslegerbalkenkomponente entlang einer Längsachse zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende erstreckt. Ein distales Stützelement stützt das distale Ende der Auslegerbalkenkomponente, und eine Absorbermasse ist in zumindest einer radialen Richtung in Bezug auf die Längsachse beweglich. Ein erstes und ein zweites Stützmedium stützen die Absorbermasse in Bezug auf die Auslegerbalkenkomponente. Das erste Stützmedium berührt die Auslegerbalkenkomponente an einem ersten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente, und das zweite Stützmedium berührt die Auslegerbalkenkomponente an einem zweiten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente, wobei sich der erste und der zweite Stützbereich an verschiedenen Längspositionen entlang der Auslegerbalkenkomponente befinden. Weitere Varianten und Ausführungsformen werden hier ausführlich behandelt.

Description

HINTERGRUND
Bei Metallzerspanungsarbeitsvorgängen werden oft Bohrstangen verwendet, um tiefe Bohrungen auszubilden und/oder um vorhandene Löcher zu vergrößern. Basierend auf Arbeitsanforderungen können oft enge Toleranzen bei solchen Bohrungen oder Löchern benötigt werden. Im Allgemeinen stützt eine Bohrstange einen Bohrkopf, der selbst einen darauf montierten Schneideinsatz aufweisen kann, oder eine oder mehrere Schneidkanten aufweisen kann, die anderenfalls in den Bohrkopf integriert oder mit diesem verknüpft sind. In Betrieb kann sich ein Werkstück drehen, während die Bohrstange stationär bleibt, oder alternativ kann sich die Bohrstange drehen, während sich das Werkstück dreht oder stationär ist.
Standardbohrstangen (z. B. aus Stahl und/oder Carbid ausgebildet) sind oft für eine Bearbeitung von „schwer erreichbaren“ tiefen Bohrungen nicht geeignet, da in der Regel ein verlängertes Verhältnis von Länge zu Durchmesser benötigt wird, wodurch die Steifigkeit und Stabilität der Bohrstange stark reduziert werden kann. Insbesondere während eines Metallzerspanungsvorgangs kann jegliche Vibration (oder eine Vibrationsbewegung) zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück zu einer stark beeinträchtigten Schneidleistung führen, was zu einer mangelhaften Oberflächengüte des Werkstücks oder zu einem fertigen Werkstück, das sich außerhalb der Toleranz befindet, führen kann. Außerdem kann eine solche Vibration bewirken, dass das Schneidwerkzeug oder die Werkzeugmaschine beschädigt wird oder sogar physisch bricht. Als ein veranschaulichendes Beispiel für eine mögliche Beschädigung kann eine Vibration eine Mikrosplitterung einer Schneidkante verursachen und dadurch die Werkzeuglebensdauer verkürzen. Nachteilige Effekte wie diese können gemildert oder verhindert werden, indem die Schneidparameter (z. B. die Metallentfernungsrate) verringert werden, aber dies kann selbstverständlich die Produktivität stark reduzieren und kann bestenfalls nur eine nominelle oder vernachlässigbare Auswirkung auf die Verringerung des Vibrationsbetrags haben.
Um die oben genannten Herausforderungen anzugehen, wurden abgestimmte Bohrstangen entwickelt, die eine Vielzahl von internen dynamischen Dämpfern verwenden. Bei einigen bekannten Implementierungen werden Gummielemente verwendet, um Steifigkeit und viskose Dämpfung in einem internen dynamischen Dämpfersystem bereitzustellen. Da jedoch die viskose Dämpfung eine materialspezifische Eigenschaft ist, kann es schwierig sein, den internen dynamischen Dämpfer in Übereinstimmung mit spezifischen Parametern für eine gewünschte Leistung lediglich unter Verwendung von Gummielementen zu konzipieren.
Dementsprechend haben andere Implementierungen von internen dynamischen Dämpfern die Verwendung einer schwereren Masse einbezogen, die an beiden Enden durch Gummielemente gestützt wird. Dies kann jedoch zu mehreren Problemen führen, die die Aufspaltung einer Reaktionskraft von dem Dämpfer in zwei Stellen umfassen, wodurch eine effektive Gesamtreaktion von dem eigentlichen Ursprung der Vibration (z. B. der Schneidkante eines an der Bohrstange oder einem anderen Werkzeug montierten Schneideinsatzes) wegbewegt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Zusammenfassend stellt ein Gesichtspunkt der Erfindung eine Vibrationsdämpfungsanordnung bereit, umfassend: eine Auslegerbalkenkomponente, die ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei sich die Auslegerbalkenkomponente entlang einer Längsachse zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende erstreckt; ein distales Stützelement, das das distale Ende der Auslegerbalkenkomponente stützt; eine Absorbermasse, die in zumindest einer radialen Richtung in Bezug auf die Längsachse bewegbar ist; und ein erstes und zweites Stützmedium, die die Absorbermasse in Bezug auf die Auslegerbalkenkomponente stützen; wobei das erste Stützmedium die Auslegerbalkenkomponente an einem ersten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente berührt und das zweite Stützmedium die Auslegerbalkenkomponente an einem zweiten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente berührt; wobei der erste und der zweite Stützbereich an verschiedenen Längspositionen entlang der Auslegerbalkenkomponente angeordnet sind.
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung stellt eine Schneidwerkzeuganordnung bereit, umfassend: einen Schaftabschnitt, der einen größeren Hohlraum darin definiert; eine Vibrationsdämpferanordnung, die innerhalb des größeren Hohlraums angeordnet ist, wobei die Schwingungsdämpferanordnung umfasst: eine Auslegerbalkenkomponente, die ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei sich die Auslegerbalkenkomponente entlang einer Längsachse zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende erstreckt; ein distales Stützelement, das das distale Ende der Auslegerbalkenkomponente stützt; eine Absorbermasse, die in zumindest einer radialen Richtung in Bezug auf die Längsachse bewegbar ist; und ein erstes und zweites Stützmedium, die die Absorbermasse in Bezug auf die Auslegerbalkenkomponente stützen; wobei das erste Stützmedium die Auslegerbalkenkomponente an einem ersten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente berührt und das zweite Stützmedium die Auslegerbalkenkomponente an einem zweiten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente berührt; wobei der erste und der zweite Stützbereich an verschiedenen Längspositionen entlang der Auslegerbalkenkomponente angeordnet sind.
Zum besseren Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Merkmalen und Vorteilen davon wird auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, und der Umfang der beanspruchten Ausführungsformen der Erfindung wird in den beigefügten Ansprüchen angeführt.
Figurenliste

1 stellt eine Draufsicht auf eine Bohrstange bereit.
2 stellt einen vorderen Aufriss der Bohrstange von 1 bereit.
3 stellt eine ebene Querschnittsansicht einer Bohrstange mit einem auslegergestützten abgestimmten dynamischen Dämpfer bereit.
4 stellt eine ebene Querschnittsansicht eines auslegergestützten abgestimmten dynamischen Dämpfers für eine Bohrstange gemäß einer Ausführungsformvariante bereit.
5 stellt eine ebene Querschnittsansicht eines Bohrstangenschafts mit einem auslegergestützten abgestimmten dynamischen Dämpfer gemäß einer anderen Ausführungsformvariante bereit.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es ist leicht zu verstehen, dass die Komponenten der Ausführungsformen der Erfindung, wie sie allgemein in den Figuren hier beschrieben und dargestellt sind, zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen in einer großen Vielzahl von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und gestaltet werden können. Daher ist die nachstehende ausführlichere Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, wie in den Figuren repräsentiert, nicht als eine Beschränkung des beanspruchten Umfangs der Ausführungsformen der Erfindung gedacht, sondern soll lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung repräsentieren.
Verweise in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ (oder dergleichen) bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Charakteristik, das/die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung aufgenommen ist. Daher beziehen sich Erscheinungen des Ausdrucks „in einer Ausführungsform“ oder dergleichen an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform.
Des Weiteren können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Charakteristika auf jegliche geeignete Weise in mindestens einer Ausführungsform kombiniert werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche konkrete Details bereitgestellt, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der Offenbarung zu liefern. Ein Fachmann auf dem relevanten Gebiet kann jedoch gut erkennen, dass Ausführungsformen der Erfindung ohne mindestens eines der spezifischen Details davon praktiziert werden können oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. praktiziert werden können. In anderen Fällen sind allgemein bekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht dargestellt oder ausführlich beschrieben, um ein Verschleiern von Gesichtspunkten der Erfindung zu vermeiden.
Die Beschreibung wendet sich nun den Figuren zu. Die dargestellten Ausführungsformen der Erfindung werden am besten durch Bezug auf die Figuren verstanden. Die nachstehende Beschreibung ist lediglich als ein Beispiel gedacht und veranschaulicht einfach bestimmte ausgewählte Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie hier beansprucht. Um eine einfachere Bezugnahme zu erleichtern, wird beim Fortschreiten von 1 und bis 5 ein Bezugszeichen um ein Vielfaches von 100 erhöht, um eine im Wesentlichen ähnliche oder analoge Komponente oder ein Element in Bezug auf mindestens eine Komponente oder ein Element anzuzeigen, die/das in einer oder mehreren früheren Figuren von 1 bis 5 zu finden ist.
Hierin wird gemäß mindestens einer Ausführungsform ein interner dynamischer Dämpfer für eine Bohrstange allgemein in Betracht gezogen, wobei eine Absorbermasse mithilfe von Gummielementen (oder elastomeren Elementen) gestützt wird, die auf einem Auslegerbalken angeordnet sind. Wenn die Bohrstange ein Werkstück berührt, schwingt die Absorbermasse in Bezug auf den Auslegerbalken, was an sich die meiste oder die gesamte resultierende Reaktionskraft zur Vorderseite der Bohrstange hin umlenkt. Eine Überhanglänge des Auslegerbalkens kann angepasst oder eingestellt werden, um eine Druckkraft in Bezug auf Stützelemente (z. B. O-Ringe) zu erhöhen oder zu verringern. Ein viskoses Fluid, das einen Hohlraum zwischen der Absorbermasse und dem Auslegerbalken füllt, kann dem System eine viskose Dämpfung verleihen. Verwandte Ausführungsformen und andere Varianten werden aus der folgenden Diskussion besser verständlich.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist eine Bohrstange 10 gemäß mindestens einer Ausführungsform gezeigt. Obwohl sich Ausführungsformen, wie sie hier beschrieben und in Betracht gezogen werden, auf eine Bohrstange 10 zum Bohren tiefer Löcher in Werkstücken richten, können Gesichtspunkte und Merkmale, wie sie hier besprochen werden, im Wesentlichen auf jedes Schneidwerkzeug oder einen Werkzeughalter angewendet werden, das/der Vibrationen beim Schneiden eines Werkstücks erzeugt (ungeachtet dessen, ob das Werkzeug oder der Werkzeughalter in Bezug auf ein rotierendes Werkstück stationär ist oder sich in Bezug auf ein stationäres oder rotierendes Werkstück dreht). Zum Beispiel können Ausführungsformen, wie sie hier beschrieben und in Betracht gezogen werden, in Fräsadaptern verwendet werden.
Daher kann ein Schneideinsatz 12 auf eine geeignete Weise an einem Kopf 14 montiert werden, der selbst an einem Kragen 16 an einem distalen Ende 18 der Bohrstange 10 befestigt ist. Ein Schaft 20 ist in Richtung des entgegengesetzten proximalen Endes 22 der Bohrstange 10 angeordnet. Eines oder beide von dem Kopf 14 und dem Schaft 20 können aus Stahl ausgebildet werden, während der Schneideinsatz 12 aus Carbid oder dergleichen ausgebildet werden kann. Eine Längsachse L, die mittig in Bezug auf den Schaft 20 definiert ist, erstreckt sich entlang der Länge der Bohrstange 10. Das proximale Ende 22 kann mit einer Stützstruktur, wie z. B. einer Stützstruktur einer Metallbearbeitungsmaschine (ansonsten in 1 nicht dargestellt), fest verbunden sein. Der Schneideinsatz 12 kann eine im Wesentlichen beliebige geeignete Form oder Ausgestaltung, einschließlich der dargestellten (jedoch nicht darauf beschränkt), aufweisen. Außerdem kann er aus einem im Wesentlichen beliebigen geeigneten harten Schneidmaterial ausgebildet werden, das Carbid umfassen kann, jedoch alternativ eine Keramik, superharte Materialien oder dergleichen umfassen könnte.
Daher kann gemäß mindestens einer Ausführungsform die Bohrstange 10 im Allgemeinen als ein auskragender Balken betrachtet werden, wobei das proximale Ende 22 an der vorstehend erwähnten Stützstruktur gesichert ist und das distale Ende 18 frei ist. 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. Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird die Bohrstange 10 mit einem dynamischen Dämpfer bereitgestellt, der eine Absorbermasse und stützende Elastomerelemente umfasst, die nachstehend ausführlicher besprochen werden, und der zum Dämpfen der sich durch die Bohrstange 10 bewegenden Vibrationen dient. (Die hier besprochenen Elastomerelemente, wie z. B. durch 330/332, 430/432 und 530/532 in den Figuren angezeigt, können aus Gummi oder einem ähnlich/analog elastischen oder elastomeren Material ausgebildet werden).
Unter Bezugnahme auf 3, die eine Bohrstange 310 gemäß mindestens einer Ausführungsform zeigt, definiert ein Schaft 320 einen zentralen Hohlraum 322 darin, der sich von einem Kragen 316 zu einem proximalen Ende des Schafts 320 erstreckt. Insbesondere stellt eine hohle (im Allgemeinen) zylinderförmige Hülse 321 des Schaftes 320, die sich vom proximalen Ende des Schaftes 320 erstreckt, einen Raum für den zentralen Hohlraum 322 und für den Großteil des oder den gesamten Kragen 316 darin bereit. Die Hülse 321 kann eine Form annehmen, die im Allgemeinen, im Wesentlichen oder annähernd zylindrisch ist, sie kann jedoch alternativ jede von einer großen Vielzahl anderer geeigneter Formen annehmen. Vorzugsweise ist eine äußere zylindrische Oberfläche von mindestens einem Hauptabschnitt des Kragens 316 in Bezug auf die innere zylindrische Oberfläche der Hülse 321 pressgepasst oder steht auf eine andere Weise mithilfe eines anderen geeigneten Befestigungsmechanismus, wie z. B. Hartlöten, in gegenseitigem physischem Eingriff damit.
Es ist auch ein Kühlmittelrohr 324 (z. B. aus einem Stahl ausgebildet) gezeigt, das sich entlang der zentralen Längsachse L erstreckt, um Kühlmittel in der Nähe des Schneideinsatzes 312 bereitzustellen. An einem proximalen Ende wird das Kühlmittelrohr 324 durch einen proximalen Endabschnitt des Schafts 320 über einen Kühlmittelrohradapter 325 gestützt, der in den Schaft 320 eingeführt und konzentrisch in Bezug auf diesen angeordnet ist. Unter anderem kann der Adapter 325 mit einem proximalen Kühlmitteleinlass 327 des Schafts 320 in Verbindung stehen, um zu helfen, Kühlmittel in das proximale Ende des Kühlmittelrohrs 324 zu leiten. Gemäß mindestens einer Ausführungsformvariante kann das Kühlmittelrohr 324 weggelassen werden.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform erstreckt sich, wie dargestellt, ein zylinderförmiger, hohler Auslegerbalken 326 in Längsrichtung durch den zentralen Hohlraum 322. Der Auslegerbalken weist einen Innendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser des Kühlmittelrohrs 324, und ist in Bezug auf das Kühlmittelrohr 324 konzentrisch. Ein distales Ende des Balkens 326 kann in eine kompatible zylindrische Aussparung im Kragen 316 eingesetzt werden, wobei ein proximales Ende des Balkens 326 (nach rechts in der Figur) im Wesentlichen frei ist. Der Auslegerbalken 326 kann an dem Kragen 316 durch Presspassung, Hartlöten, Schweißen und/oder dergleichen befestigt werden. In der dargestellten Ausführungsform ist der Auslegerbalken 326 in den Kragen 316 eingepresst.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann daher eine zylinderförmige, hohle Absorbermasse 328 auf dem Auslegerbalken 326 mithilfe einer Einfügung von Gummi-/Elastomer-O-Ringen 330/332 abgestützt werden. Die Absorbermasse 328 weist einen Innendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser des Auslegerbalkens 326, und ist in Bezug auf den Auslegerbalken 326 konzentrisch. Als veranschaulichendes und nicht einschränkendes Beispiel kann die Absorbermasse 328 aus einem Material höherer Dichte, wie z. B. einem Schwermetall, z. B. Kupfer, Blei oder einem anderen Metall, gebildet sein. Ein ringförmiger Hohlraum 329 wird dadurch zwischen einer inneren zylindrischen Oberfläche der Absorbermasse 328, einer äußeren zylindrischen Oberfläche des Auslegerbalkens 326 und, auf jeder axialen Seite, durch jeweils einen oder mehrere der O-Ringe 330/332 definiert und begrenzt. Dieser ringförmige Hohlraum 329 kann mit einem geeigneten viskosen Dämpfungsfluid gefüllt werden, um in einem Kontext einer relativen Bewegung zwischen der Absorbermasse 328 und dem Auslegerbalken 326 eine viskose Dämpfung zu bewirken. (Es sollte klar sein und verstanden werden, dass die O-Ringe, die überall in den Figuren gezeigt sind, und wie mit 330/332, 430/432 und 530/532 in den 3 bis 5 gekennzeichnet, auf eine Weise dargestellt sind, die lediglich Veranschaulichungszwecken dient, und sie in einem tatsächlichen zusammengebauten Zustand einer Bohrstange jeweils in Bezug auf benachbarte Objekte zusammengedrückt sind, und dadurch wahrscheinlich jeweils eine Querschnittsform annehmen, die nicht notwendigerweise kreisförmig ist.)
Wie gezeigt, kann ein erstes Paar von konzentrischen, einander berührenden und verschachtelten O-Ringen 330 zwischen einem distalen axialen Ende der Absorbermasse 328 und einer proximalen axialen Fläche des Kragens 316 angeordnet sein. In einer radialen Richtung (in Bezug auf die Achse L) können die O-Ringe 330 auch durch einen kleinen, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Flansch 334 der Absorbermasse 328 und die äußere zylindrische Oberfläche des Auslegerbalkens 326 begrenzt sein. Ferner kann ein zweites Paar von konzentrischen, einander berührenden und verschachtelten O-Ringen 332 zwischen einem proximalen axialen Ende der Absorbermasse 328 und einer distalen axialen Fläche einer Kappe 336 angeordnet sein. In einer radialen Richtung (in Bezug auf die Achse L) können die O-Ringe 332 auch durch einen (zweiten) kleinen, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Flansch 338 der Absorbermasse 328 und die äußere zylindrische Oberfläche des Auslegerbalkens 326 begrenzt sein.
Es sollte somit erkannt werden, dass gemäß mindestens einer Ausführungsform die Absorbermasse 328 innerhalb des Hohlraums 332 allein durch den Auslegerbalken 326 gestützt wird. In der dargestellten Ausführungsform ist der Auslegerbalken 326 aus einem geeigneten Material hergestellt, um eine gewisse Festigkeit oder Steifigkeit bereitzustellen, aber um es der Absorbermasse 328 zu ermöglichen, sich innerhalb des Hohlraums 332 zu bewegen. Somit ist der Balken 326 vorzugsweise aus einem Material gebildet, das eine hohe Steifigkeit, aber eine geringe Dichte aufweist. Zum Beispiel kann der Auslegerbalken 326 aus einem verhältnismäßig starken Metallmaterial, wie z. B. Wolfram oder dergleichen, gefertigt sein. In der dargestellten Ausführungsform, die das Kühlmittelrohr 324 umfasst, ist der Auslegerbalken 326 zylinderförmig und hohl, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittelrohr 324 durch den Auslegerbalken 326 hindurchtreten kann. Vorzugsweise stellt das Kühlmittelrohr 324 keine zusätzliche Abstützung für die Absorbermasse 328 bereit. Außerdem sollte beachtet werden, dass die Absorbermasse 328 einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Innendurchmesser des zentralen Hohlraums 322, wodurch ermöglicht wird, dass sich die Absorbermasse 328 frei im Wesentlichen in jeder radialen Richtung in Bezug auf die Längsachse L bewegt.
Für Anwendungen, in denen die Bohrstange 310 besonders groß ist, kann Stahl anstelle eines schwereren Metalls für den Auslegerbalken 326 verwendet werden. Anders ausgedrückt kann sich für solche Anwendungen eine signifikante Überhanglänge des Balkens 326 (d. h. die Länge jenes Abschnitts des Balkens 326, der nicht gestützt wird) besser für ein Metall, wie z. B. Stahl, eignen, das weniger dicht ist und einen niedrigeren Elastizitätsmodul aufweist. Gemäß noch einer anderen Ausführungsformvariante kann der Balken 326 aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff gebildet sein. Gemäß noch einer anderen Ausführungsformvariante kann, insbesondere bei Anwendungen im kleineren Maßstab, der Balken 326 aus einer Keramik (z. B. Siliziumcarbid) gebildet sein.
Daher und insbesondere bei Anwendungen, bei denen der Auslegerbalken 326 aus einer Keramik ausgebildet ist, kann die Kappe 336 einen sich axial erstreckenden, hohlzylindrischen Vorsprung umfassen. Abhängig von der gewünschten Anwendung oder Implementierung kann eine innere zylindrische Oberfläche dieses sich axial erstreckenden, hohlzylindrischen Vorsprungs mit der äußeren zylindrischen Oberfläche des Kühlmittelrohrs 324 berührend in Eingriff kommen oder nicht. In einer Ausführungsform berührt die Kappe 336 (über ihren sich axial erstreckenden, hohlzylindrischen Vorsprung) den Außendurchmesser des Kühlmittelrohrs 324 nicht. In einer Ausführungsformvariante kann ein Kontakt vorhanden sein, wie in 3 dargestellt, wonach ein geringer Unterstützungsbetrag am proximalen/freien Ende des Auslegerbalkens 326 bereitgestellt wird, aber vorzugsweise ist eine solche zusätzliche Stütze weniger steif als die Steifheit des distalen/festen Endes des Auslegerbalkens 326, um den Großteil (vorzugsweise den überwiegenden Großteil) der Reaktionskraft in Richtung des vorderen/distalen Endes der Bohrstange 310 zu übertragen. In einer oder mehreren Ausführungsformvarianten, die den zuvor erwähnten Kontakt umfassen, kann die innere zylindrische Oberfläche des sich axial erstreckenden, hohlzylindrischen Vorsprungs der Kappe 336 z. B. mithilfe von Epoxidharz an einer äußeren zylindrischen Oberfläche des Kühlmittelrohrs 324 angehaftet sein.
Unabhängig davon, ob ein Kontakt mit dem Kühlmittelrohr 324 besteht oder nicht, kann der zuvor erwähnte, sich axial erstreckende, hohlzylindrische Vorsprung (der Kappe 336) eine zylindrische Außenfläche aufweisen, die mit einem Gewinde versehen ist, um mit einem passend mit einem Gewinde (auf der Innenseite) versehenden Adapterring 339 in Eingriff zu kommen, der selbst in 3 gezeigt ist. Der Adapterring 339 weist eine ringförmige oder zylindrische Form auf, und seine äußere zylindrische Oberfläche kann in Bezug auf eine innere zylindrische Oberfläche des Auslegerbalkens 326 formschlüssig sein.
Es versteht sich, dass es bei der Konfiguration, wie sie in 3 gezeigt ist, und in analog funktionierenden Konfigurationen, da ein dynamischer Dämpfer, der eine Absorbermasse 328 und O-Ringe 330/332 umfasst, lediglich den Auslegerbalken 326 berührt, der Fall ist, dass während des Betriebs (und resultierender Vibration der Bohrstange 310 im Allgemeinen) der Auslegerbalken 326 die gesamte oder nahezu die gesamte resultierende Reaktionskraft liefert. Daher werden alle oder nahezu alle Kräfte, die von der Absorbermasse 328 an den Auslegerbalken 326 übertragen werden, wiederum zu dem distalen, festen Ende des Balkens 326 übertragen (d. h. von rechts nach links in der Figur und im Wesentlichen parallel zur Achse L). Effektiv sind der Großteil der Reaktionskraft oder die gesamte Reaktionskraft und ein Reaktionsmoment, die sich aus der Werkzeugvibration ergeben, am distalen, festen Ende des Balkens 326 konzentriert. Da sich das distale, feste Ende des Balkens 326 seinerseits vergleichsweise nahe an der Schneidkante des Einsatzes 312 befindet, von der die Vibration während des Betriebs vom Kontakt mit einem Werkstück ausgeht, sind die Vibrationsdämpfung und die Stabilität der Bohrstange 310 im Vergleich mit einer Anordnung, in der die Reaktionskräfte nicht so übertragen werden und konzentriert sind, stark verbessert.
Vorzugsweise wird möglichst viel der vorstehend erwähnten Reaktionskraft von der Absorbermasse 328 an den Auslegerbalken 326 und dann zum distalen Ende des Balkens 326 übertragen. Im Allgemeinen kann diese Übertragung im Wesentlichen 100 % der beteiligten Reaktionskraft darstellen. Gemäß mindestens einer Ausführungsvariante kann eine Form zusätzlicher physischer Unterstützung dem Auslegerbalken 326 an einem proximalen Ende davon bereitgestellt werden, die ausreicht, um eine übermäßige Auslenkung des Balkens 326 zu verhindern, wo ein kleiner Teil der Reaktionskraft aufgenommen wird (z. B. weniger als ungefähr 5 % der Reaktionskraft, oder in mindestens einer Variante, weniger als ungefähr 10 % der Reaktionskraft). Eine solche physikalische Stütze könnte im Wesentlichen jede geeignete Form annehmen, z. B. eine kleine Komponente, die durch ein proximales Ende des Schafts 321 gestützt wird, das wiederum einen Abschnitt des Balkens 326 an oder nahe dem proximalen Ende des Balkens 326 stützt. Eine mögliche konkrete Implementierung einer solchen zusätzlichen physischen Stütze (nur als veranschaulichendes und nicht einschränkendes Beispiel) wird vorstehend in Bezug auf den sich axial erstreckenden, hohlzylindrischen Vorsprung der Kappe 336 besprochen. Unabhängig von der Form, die durch die zusätzliche physikalische Stütze angenommen wird, kann weiterhin ein Vorteil aufrechterhalten werden, indem der Großteil der zuvor erwähnten Reaktionskraft (z. B. ungefähr 90 % oder mehr bis ungefähr 95 % oder mehr) in Richtung des distalen Endes des Balkens 326 und näher dem Bereich des physischen Kontakts zwischen der Stange 310 und einem Werkstück gelenkt wird. Es sollte jedoch allgemein anerkannt werden, dass eine ausreichende Abstützung des Balkens 326 an seinem distalen festen Ende dazu beitragen kann, sicherzustellen, dass eine zusätzliche physische Stütze an (oder nahe) dem proximalen Ende des Balkens 326 im Wesentlichen überflüssig oder unnötig wird.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann der Auslegerbalken 326 angepasst oder eingestellt werden, um die Druckkraft anzupassen, die den Gummi-/Elastomerelement-(O-Ring)-Stützen 330/332 bereitgestellt wird. Eine solche Anpassung oder Einstellung kann das Anpassen der Länge des Auslegerbalkens 326 oder jenes Abschnitts des Auslegerbalkens 326, der sich vom Kragen 316 weg erstreckt und somit frei ist („Überhanglänge“), oder beides umfassen. Es ist auch möglich, die Dämpfung und die Ableitung von Reaktionskräften während der Vibration durch Einstellen oder Anpassen der Steifigkeit der O-Ringe 330/332 anzupassen; eine nützliche Anwendung würde hier das Abstimmen auf eine spezifizierte Eigenfrequenz der Absorbermasse 328 vor dem Einführen eines viskosen Fluids in den Hohlraum 329 umfassen.
Daher ist der Hohlraum 329 vorzugsweise mit einem geeigneten viskosen Fluid gefüllt, um eine viskose Dämpfung der Bewegung der Absorbermasse 328 in Bezug auf den Auslegerbalken 326 bereitzustellen. Der Betrag oder der Grad einer viskosen Dämpfung kann über die Viskosität des tatsächlich verwendeten Fluids und den Grad der Füllung des Hohlraums 329 mit dem viskosen Fluid angepasst werden. Zusätzlich zu der Wahl des viskosen Fluids könnte daher der Hohlraum 329, wie es für die vorliegende Anwendung als geeignet erachtet wird, z. B. auf volle 100 % seines Volumens oder in einem geringeren Ausmaß (z. B. zwischen ungefähr 70 % bis ungefähr 80 % seines Volumens), gefüllt werden.
Im Allgemeinen wird die maximale, dem Auslegerbalken 326 zur Verfügung stehende Überhanglänge weitgehend durch die Steifheit der O-Ringe 330/332 bestimmt, da die O-Ringe 330/332 anfänglich den Großteil der durch die Bewegung der Absorbermasse 328 übertragenen Kräfte aufnehmen. Wenn daher die O-Ringe 330/332, als ein veranschaulichendes Beispiel, (gemeinsam) mit einer Steifigkeit von 2 N/m konfiguriert sind, dann könnte der Auslegerbalken 326 derart konfiguriert sein, dass sein proximales, freies Ende eine Steifigkeit von bis zu 6 N/m aufweist, wobei jedoch seine Vibration (und mögliche Auslenkung) weiterhin in nicht nachteiligen Grenzen gehalten wird. Bei verschiedenen Parametern oder Eigenschaften, die konstant angenommen werden, wie z. B. das Material des Balkens 326, der innere und äußere Durchmesser des Balkens 326 und die Länge des Balkens 326, der durch eine Stütze (z. B. Kragen 316) an einem distalen Ende des Balkens 326 fixiert gehalten wird, kann die zulässige maximale Überhanglänge des Balkens 326 derart verstanden werden, dass sie eine Steifigkeit an ihrem proximalen/freien Ende aufweist, die durch einen Multiplikator (z. B. ungefähr 3) der Steifigkeit der O-Ringe 330/332 bestimmt wird. Selbstverständlich kann das Umgekehrte in gegebenen Anwendungen zutreffen; z. B. kann die Überhanglänge des Balkens 326 als konstant verstanden werden, wobei ein oder mehrere andere Parameter (z. B. Nichtüberhanglänge des Balkens 326, Material des Balkens 326, innerer/äußerer Durchmesser des Balkens 326) im Kontext der durch die Überhanglänge des Balkens 326 bereitgestellten Beschränkung als variable verstanden werden.
Im Allgemeinen können die Ausführungsform von 3 und jegliche und alle analoge Ausführungsformen derart verstanden werden, dass die „voreingestellte“ Parameter bereitstellen, die mehr oder weniger als „fest“ verstanden werden können, nachdem die Stange 326 vollständig zusammengebaut ist. Jedoch veranschaulicht 4 eine Ausführungsformvariante, in der ein oder mehrere „einstellbare“ Parameter benutzt werden. (Ein Kopf, ein Schneideinsatz und ein Schaft sind in 4 nicht dargestellt, da sie sonst in der Ausführungsform von 3 gezeigt wurden. Außerdem ist kein Kühlmittelrohr, wie in der Ausführungsform von 3, dargestellt, aber es versteht sich, dass im Grunde ein beliebiges Kühlmittelrohr, das auf eine geeignete Weise konfiguriert und angeordnet ist, wie z. B. jenes, das bei 324 in 3 angezeigt ist, hier verwendet werden kann). Daher zeigt das Ausführungsbeispiel von 4 auch Komponenten 440/442, die verwendet werden können, um eine Längsposition des Auslegerbalkens 426 in Bezug auf die Achse L anzupassen und einzustellen. Insbesondere können eine oder mehrere Stellschrauben 440 jeweils in ihren eigenen sich radial erstreckenden Bohrungen im Kragen 416 angeordnet sein, die derart ausgelegt sind, dass sie eine Längsposition des Auslegerbalkens 426 verriegeln (der selbst eine oder mehrere entsprechende Aussparungen zum Aufnehmen der Stellschraube[n] 440 umfassen kann). Außerdem kann eine Buchse 442 zum Aufnehmen eines Inbusschlüssels (oder dergleichen) innerhalb des distalen Endes des Auslegerbalkens 426 angeordnet sein. Daher kann eine Gewindeverbindung zwischen dem Kragen 416 und dem distalen Ende des Auslegerbalkens 426 vorhanden sein, wobei eine relative Längsposition zwischen den beiden über einen Eingriff eines Inbusschlüssels mit der Buchse 442 angepasst und dann durch Eingriff der Stellschraube[n] 440 mit dem Balken 426 fixiert werden kann.
5 veranschaulicht eine andere Ausführungsformvariante, die jener von 3 ähnlich ist und in der einige Komponenten modifiziert sind. (Ein Kopf und ein Schneideinsatz sind in 5 nicht dargestellt, da sie sonst in der Ausführungsform von 3 gezeigt wurden). Hier begrenzt wiederum eine Endkappe 536 den Auslegerbalken 526, die Absorbermasse 528 und die O-Ringe 530/532 in Bezug aufeinander, sie ist jedoch hier mit Innengewinde versehen, um mit Außengewinden an einem verengten Flansch-/Halsabschnitt 543 des Balkens 526 in Eingriff zu kommen. (Alternativ könnte die Endkappe 536 an dem verengten Flansch-/Halsabschnitt 543 des Balkens 526 auf eine andere Weise, z. B. über eine kraftschlüssige Verbindung, angeordnet sein.) Somit weist die Kappe 536 keinen sich axial erstreckenden, hohlzylindrischen Vorsprung auf wie im Fall von 3, noch ist ein Adapterring (wie bei 339 in 3) vorhanden, mit dem ein solcher Vorsprung in Eingriff käme.
Einen anderen Unterschied in Bezug auf 3 stellt ein auch in dem Ausführungsbeispiel von 5 gezeigter zweiter Kühlmittelrohradapter 544 dar, der in das distale Ende des Auslegerbalkens 526 eingeführt und konzentrisch in Bezug auf diesen angeordnet ist. Analog zum Adapter 525 kann der distale Adapter 544 mit einem distalen Kühlmittelauslass 545 des Schafts 520 in Verbindung stehen, um dazu beizutragen, Kühlmittel zu einem Kopf zu leiten, der einen Schneideinsatz stützt (z. B. der Kopf und der Einsatz, die mit 314/312 in 3 angezeigt sind). Ein Vorteil besteht hier darin, dass es bei dem Rohr 544, das im Allgemeinen nicht zur Vorderseite der Bohrstange hin vorsteht, weniger wahrscheinlich ist, dass es beschädigt wird. Außerdem sind Öffnungen 546 und 548 gezeigt, die, mit entfernbaren Gewindekappen, bereitgestellt sein können, um das Einführen von Öl oder einem anderen viskosen Dämpfungsfluid in den Hohlraum 529 zu ermöglichen.
In einer kurzen Wiederholung kann aus dem Vorhergehenden ersichtlich sein, dass gemäß mindestens einer Ausführungsform, wie sie hier allgemein betrachtet wird, eine Vibrationsdämpfungsanordnung eine Auslegerbalkenkomponente (z. B. einen Auslegerbalken, wie hier besprochen) umfasst, die ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei sich die Auslegerbalkenkomponente entlang einer Längsachse zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende erstreckt. Ein distales Stützelement (z. B. ein Kragen, wie hier besprochen) stützt das distale Ende der Auslegerbalkenkomponente, und eine Absorbermasse ist in zumindest einer radialen Richtung in Bezug auf die Längsachse beweglich.
In einer weiteren Wiederholung stützen gemäß mindestens einer Ausführungsform, wie sie hier allgemein in Betracht gezogen wird, ein erstes und ein zweites Stützmedium die Absorbermasse in Bezug auf die Auslegerbalkenkomponente. Diese Stützmedien können einen oder mehrere O-Ringe, wie hier besprochen, an jeder von zwei verschiedenen Stellen umfassen, oder sie können andere Arten von Stützmedien umfassen, die mit der Absorbermasse einstückig oder von ihr getrennt sind. Zum Beispiel könnten ein oder mehrere integrale Verlängerungen der Absorbermasse selbst, die auf einer Auslegerbalkenkomponente gestützt sind, Stützmedien bilden. Das erste Stützmedium berührt die Auslegerbalkenkomponente an einem ersten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente, und das zweite Stützmedium berührt die Auslegerbalkenkomponente an einem zweiten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente, wobei sich der erste und der zweite Stützbereich an verschiedenen Längspositionen entlang der Auslegerbalkenkomponente befinden.
Diese Offenbarung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert, soll jedoch nicht erschöpfend oder einschränkend sein. Viele Modifikationen und Variationen werden für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich sein. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um Prinzipien und praktische Anwendung zu erklären und es anderen Durchschnittsfachleuten zu ermöglichen, die Offenbarung zu verstehen.
Obwohl Ausführungsbeispiele der Erfindung hier unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurden, versteht es sich, dass die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf diese präzisen Ausführungsformen beschränkt sind und dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen durch einen Fachmann daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang oder Geist der Offenbarung abzuweichen.

Claims

Vibrationsdämpferanordnung, umfassend: eine Auslegerbalkenkomponente, die ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei sich die Auslegerbalkenkomponente entlang einer Längsachse zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende erstreckt, ein distales Stützelement, das das distale Ende der Auslegerbalkenkomponente stützt, eine Absorbermasse, die in zumindest einer radialen Richtung in Bezug auf die Längsachse beweglich ist, und ein erstes und ein zweites Stützmedium, die die Absorbermasse in Bezug auf die Auslegerbalkenkomponente stützen, wobei das erste Stützmedium die Auslegerbalkenkomponente an einem ersten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente berührt, und das zweite Stützmedium die Auslegerbalkenkomponente an einem zweiten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente berührt, wobei sich der erste und der zweite Stützbereich an verschiedenen Längspositionen entlang der Auslegerbalkenkomponente befinden.
Anordnung nach Anspruch 1, umfassend: einen inneren Hohlraum, der zwischen der Absorbermasse, der Auslegerbalkenkomponente und dem ersten und dem zweiten Stützmedium definiert ist, wobei der innere Hohlraum ein viskoses Dämpfungsfluid aufnimmt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens ungefähr 90 % einer durch Bewegung der Absorbermasse erzeugten Kraft an die Auslegerbalkenkomponente und zum distalen Ende der Auslegerbalkenkomponente hin übertragen werden.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens ungefähr 95 % einer durch Bewegung der Absorbermasse erzeugten Kraft an die Auslegerbalkenkomponente und zum distalen Ende der Auslegerbalkenkomponente hin übertragen werden.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei im Wesentlichen eine gesamte durch Bewegung der Absorbermasse erzeugte Kraft an die Auslegerbalkenkomponente und zum distalen Ende der Auslegerbalkenkomponente hin übertragen wird.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das proximale Ende der Auslegerbalkenkomponente frei und nicht gestützt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Stützmedium jeweils eine oder mehrere Komponenten umfassen, die von der Absorbermasse getrennt sind.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei eines oder beide von dem ersten und dem zweiten Stützmedium einen oder mehrere O-Ringe umfassen.
Anordnung nach Anspruch 8, wobei der eine oder die mehreren O-Ringe aus einem elastomeren Material ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei jedes von dem ersten und dem zweiten Stützmedium einen oder mehrere O-Ringe umfassen.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Auslegerbalken aus einem Material mit einer hohen Steifigkeit und einer geringen Dichte ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei der Auslegerbalken aus einem Material ausgebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Wolfram und einem von Wolfram verschiedenen Schwermetallmaterial.
Anordnung nach Anspruch 11, wobei der Auslegerbalken aus einem Material ausgebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Stahl, einer Keramik und einem Kohlefaserverbundwerkstoff.
Anordnung nach Anspruch 1, umfassend: eine Endkappe, die an dem proximalen Ende der Auslegerbalkenkomponente angeordnet und mit ihm fest in Eingriff gebracht ist, wobei die Endkappe das zweite Stützmedium berührt, um die Auslegerbalkenkomponente und die Absorbermasse in Bezug aufeinander in einer festen Ausgangsposition zu halten.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Absorbermasse um die Auslegerbalkenkomponente angeordnet und konzentrisch in Bezug auf diese ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der erste Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente benachbart zu dem distalen Stützelement angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der zweite Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente benachbart zu dem proximalen Ende der Auslegerbalkenkomponente angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Auslegerbalken eine Stütze für die Absorbermasse lediglich mithilfe des ersten und des zweiten Stützmediums bereitstellt.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das distale Stützelement einen Kragen zum Verbinden mit einem Schneidwerkzeugkopf umfasst.
Schneidwerkzeuganordnung, umfassend: einen Schaftabschnitt, der einen größeren Hohlraum darin definiert, eine Vibrationsdämpferanordnung, die innerhalb des größeren Hohlraums angeordnet ist, wobei die Vibrationsdämpferanordnung umfasst: eine Auslegerbalkenkomponente, die ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei sich die Auslegerbalkenkomponente entlang einer Längsachse zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende erstreckt, ein distales Stützelement, das das distale Ende der Auslegerbalkenkomponente stützt, eine Absorbermasse, die in zumindest einer radialen Richtung in Bezug auf die Längsachse beweglich ist, und ein erstes und ein zweites Stützmedium, die die Absorbermasse in Bezug auf die Auslegerbalkenkomponente stützen, wobei das erste Stützmedium die Auslegerbalkenkomponente an einem ersten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente berührt, und das zweite Stützmedium die Auslegerbalkenkomponente an einem zweiten Stützbereich der Auslegerbalkenkomponente berührt, wobei sich der erste und der zweite Stützbereich an verschiedenen Längspositionen entlang der Auslegerbalkenkomponente befinden.