DE10239670B4

DE10239670B4 - Schwingungsgedämpftes, insbesondere vibrationsgedämpftes formgebendes Werkzeug

Info

Publication number: DE10239670B4
Application number: DE10239670A
Authority: DE
Inventors: Heinz Adams
Original assignee: HEINRICH ADAMS WERKZEUGMASCHIN
Current assignee: HEINRICH ADAMS WERKZEUGMASCHIN
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: DE10239670A1; WO2004024389A1; AU2003258618A1; AU2003258618A8

Abstract

Schwingungsgedämpftes insbesondere vibrationsgedämpftes Werkzeug mit einem Hohlraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum ganz oder teilweise mit einer Mischung aus einer Flüssigkeit und diskreten Teilchen eines Feststoffs gefüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein schwingungsgedämpftes, insbesondere vibrationsgedämpftes formgebendes Werkzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Beim Bearbeiten von Werkstücken mit Werkzeugen entstehen stets Schwingungen bzw. Vibrationen. Dies ist der Fall, sowohl wenn das Werkzeug sich selbst bewegt, z. B. rotiert, um dem Werkstück eine Form zu geben, sei es nun beispielsweise beim Fräsen oder Bohren, als auch, wenn das Werkzeug selbst feststehend angeordnet ist und das zu bearbeitende Werkstück selbst bewegt wird.

Diese Schwingungen und Vibrationen sind von großem Nachteil, sei es nun, dass man mit mehr oder weniger kompliziert aufgebauten Werkzeugmaschinen arbeitet oder auch mit einer einfachen Bohrmaschine. So werden durch die Schwingungen, die beim Bearbeiten mit dem Werkzeug am Werkzeug entstehen, auch die Teile wie die Baugruppen von Werkzeugmaschinen in Schwingungen versetzt, die Schwingungen in den Baugruppen können ihrerseits wieder nachteilig auf das sich bewegende Werkzeug einwirken. Dadurch wird einmal die Präzision beim Arbeiten in Mitleidenschaft gezogen, ferner wird durch die ständige Beeinträchtigung durch die Schwingungen die Lebenszeit der Werkzeugmaschinen und Werkzeuge reduziert. Auch können sich die Schwingungen nachteilig auf die Gebäude auswirken, in denen die Werkzeugmaschinen aufgestellt sind. Schließlich führen Schwingungen häufig auch zu unzumutbaren Lärmbelästigungen.

Man hat bereits auf verschiedene Weise versucht, die Schwingungen, welche bei den Werkzeugmaschinen insbesondere bei den verschiedenen Baugruppen auftreten, zu verringern. Eine der Methoden wird in der DE 100 46 868 A1 beschrieben.

Die Lehre dieser Patentanmeldung betrifft Werkzeugmaschinen insbesondere Drehmaschinen, welche Baugruppen umfassen, welche ganz oder teilweise gefüllt sind, wobei die Baugruppen in Schweißkonstruktionen ausgebildet sind und die Hohlräume der Baugruppen ganz oder teilweise mit einer Mischung aus Flüssigkeit und körnigem Feststoff gefüllt sind.

Durch die in dieser Anmeldung beschriebenen Maßnahmen wird das Dämpfungsverhalten der Werkzeugmaschinen sehr vorteilhaft beeinflußt, jedoch wird durch die dort beschriebene Erfindung nicht verhindert, dass zunächst bei dem Bearbeiten von Werkstücken das Werkzeug selbst in Schwingungen bzw. Vibrationen versetzt wird.

Es gibt allerdings auch bereits Vorschläge, auch die Werkzeuge selbst zu dämpfen. So gibt es Bohrstangen, welche im Kern des Bohrwerkzeuges einen Zuganker installiert haben, der das Bohrwerkzeug unter Spannung hält. Dadurch wird die Eigenschwingung des Bohrwerkzeuges während der Bearbeitung eines Werkstücks gedämpft. Jedoch lässt das Dämpfungsverhalten der Bohrstange noch zu wünschen übrig. Außerdem ist die Installation eines Zugankers in ein Bohrwerkzeug sehr kompliziert und mit hohen Kosten verbunden. Abgesehen davon, dass die Dämpfung nur mäßig ist, muss der Zuganker, der meistens unter hoher Spannung steht, regelmäßig ausgetauscht werden. Zudem muss der Zuganker auch regelmäßig gewartet werden.

Obwohl bereits eine Reihe von Möglichkeiten bekannt sind, die Dämpfung beim Bearbeiten von Werkstücken mit Werkzeugen zu verbessern, besteht noch ein Bedürfnis (Aufgabe) nach Werkzeugen, die selbst über eine verbesserte Eigendämpfung verfügen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein schwingungsgedämpftes, insbesondere vibrationsgedämpftes formgebendes Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der Feststoff hat vorzugsweise körnige Struktur. Es ist vorteilhaft, wenn die Mischung aus Flüssigkeit und diskreten Teilchen breiige Konsistenz hat.

Vorzugsweise weist der Feststoff eine mittlere Körnung von 0,01 bis 5 mm auf. Die Flüssigkeit kann ein Gemisch aus verschiedenen Flüssigkeiten sein. Auch die diskreten Teilchen des Feststoffs können sich aus einem Gemisch aus verschiedenen Feststoffen zusammensetzen.

Es ist vorteilhaft, wenn der Feststoff ganz oder teilweise aus Sand insbesondere aus Quarzsand besteht. Vorzugsweise ist der Sand oder der Quarzsand ein gemahlener Sand oder ein gemahlener Quarzsand.

Die Flüssigkeit ist vorteilhaft ein Öl. Bevorzugt ist die Flüssigkeit biologisch abbaubar.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs besitzt der Hohlraum eine Zuleitung zwecks Zufuhr eines Gases, um im Inneren des Hohlraums den Druck zu variieren. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hohlraum einen aufblasbaren ballonartigen Gasbehälter aufweist, mittels dessen der Druck im Hohlraum des Werkzeugs variiert werden kann.

Das Werkzeug ist bevorzugt eine Bohrstange, ein Bohrwerkzeug oder ein Ausdrehwerkzeug.

Die schwingungsgedämpften formgebenden Werkzeuge wie Bohrwerkzeuge, Bohrstangen und Ausdrehwerkzeuge können auf Drehmaschinen, Tieflochbohrmaschinen, Fräsmaschinen und dergleichen eingesetzt werden.

Die Werkzeuge wie Bohrwerkzeuge, Bohrstangen und Ausdrehwerkzeuge können sowohl rotierend als feststehend eingesetzt werden. Im Falle des Rotierens wird das Werkzeug, das Bohrwerkzeug usw. in eine Spindel eingesetzt und das Werkstück bleibt stehen. Zu diesen Werkzeugmaschinen gehören z. B. Fräsmaschinen, Hohnmaschinen und dergleichen.

Bei einem feststehenden Bohrwerkzeug wie einer Bohrstange oder Ausdrehwerkzeug dreht sich das Werkstück (Drehmaschine, Tieflochbohrmaschine).

Die schwingungsgedämpften Werkzeuge wie Bohrwerkzeuge usw. bestehen aus entsprechend harten Metallen insbesondere aus Stahl. Sie sind innen hohl, wobei der Hohlraum etwa 10 bis 90% des Volumens des Werkzeuges ausmachen kann. Der Hohlraum ist erfindungsgemäß mit einem Gemisch aus Feststoffen und Flüssigkeiten entweder ganz oder teilweise gefüllt.

Die erfindungsgemäßen schwingungsgedämpften Werkzeuge können überall dort eingesetzt werden, wo Schwingungen beim Bearbeiten entstehen oder vorliegen. Es werden Schwingungen gedämpft, die von den Drehmaschinen, Tieflochbohrmaschinen und Fräsmaschinen selbst ausgehen, es werden aber insbesondere die Schwingungen gedämpft, die an der Schneide des Werkzeuges entstehen. Durch das Dämpfen der Schwingungen erhöht sich die Einsatzzeit der Schneide gegenüber ungedämpften Bohrwerkzeugen um ein Mehrfaches. Es können höhere Vorschübe und Drehzahlen realisiert werden, die Kosten der Werkzeuge werden drastisch gesenkt. Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit erfindungsgemäßen Werkzeugen werden die Bearbeitungszeiten verkürzt, die Bruchgefahr der Schneide wird reduziert, die Oberfläche und die Genauigkeit des bearbeiteten Werkstücks werden erheblich verbessert.

Mit schwingungsgedämpften Werkzeugen gemäß der Erfindung können auch unruhig rotierende Werkstücke wesentlich besser bearbeitet werden. Die Schläge, die auf die Schneide durch den unruhigen Lauf von Werkstücken auftreffen, werden von schwingungsgedämpften Bohrwerkzeugen erheblich besser absorbiert. Die Schwingungen werden somit auch deutlich geringer an den Werkzeughalter einer Maschine weitergegeben, was dann auch zu dem Ergebnis führt, daß die Maschine in sich ruhiger bzw. schwingungsarmer arbeitet.

Auch Schwingungen, die durch unrunde Oberflächen von geschmiedeten Werkstücken oder durch unterbrochenen Schnitt beim Fräsen oder Drehen entstehen, können besser von gedämpften Werkzeugen aufgenommen werden.

Die Herstellung der schwingungsgedämpften formgebenden Werkzeuge gemäß der Erfindung ist sehr einfach, darüber hinaus müssen die Werkzeuge nicht gewartet werden, wie das z. B. bei Werkzeugen der Fall ist, in denen ein Zuganker installiert ist. Die Füllung der Hohlräume mittels des Gemisches Flüssigkeit diskrete Festkörperteilchen läßt sich sehr einfach durchführen.

Bei großen schwingungsgedämpften Bohrwerkzeugen mit Bohrlängen bis zu 3 500 mm und einem Durchmesser von 400 mm und mehr macht sich beispielsweise die Reduzierung des Gewichtes ganz erheblich bemerkbar. So wird das Gewicht bis zum 4-fachen reduziert. Bei einem Doppelrohrsystem gemäß 3 kann zusätzlich durch die Mitte ein Kühlmittel oder Schmiermittel durchgeführt werden.

Bohrwerkzeuge, die voll aus Metall bestehen, sind häufig zu schwer für die Werkzeugträger. Eine Bohrstange mit 400 mm Durchmesser und 3 500 mm Drehlänge und 3 × Durchmesser Einspannlänge hat ein Gewicht von ca. 4 725 kg.

Bohrstangen, die hohl sind, erzeugen so starke Schwingungen, daß es äußerst schwierig ist, eine glatte Oberfläche zu erzeugen. Hier hilft die Erfindung diese Schwierigkeiten zu beseitigen.

Durch den Einsatz des Dämpfungsmaterials in die Hohlräume wird gezielt eine Dämpfung erreicht. Je nach Anordnung der Größe der Feststoffe und Flüssigkeiten kann das Dämpfungsverhalten größer oder kleiner ausgelegt werden.

Der Hohlraum kann durch Schweißen oder mit einem Verschraubungssystem verschlossen werden.

Das dämpfende Material besteht aus einer Mischung aus Feststoffen, bevorzugt aus Quarzsand, und aus einer Mischung Flüssigkeiten, bevorzugt aus Öl. Die Öle können biologisch abbaubar sein.

Die breiige Mischung besteht aus körnigem Quarzsand, der zur benötigten Korngröße gemahlen wird. Bevorzugt werden Korngrößen von 0,01 mm bis 5,00 mm mit glatter oder bevorzugter rauher oder kantiger Oberfläche. Die Feststoffe können aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen. Bevorzugt wird ein Quarzsand.

Auch die zum Einsatz gebrachten Flüssigkeiten, die die Hohlräume der Körnungen der Feststoffe füllen, können unterschiedlich sein. Bevorzugt wird ein biologisch abbaubares Öl.

Es ist vorteilhaft, wenn das Gemisch aus körnigem Feststoff und Flüssigkeiten weitere Additive, vorzugsweise ein Antikorrosionsmittel enthält.

Der körnige Feststoff kann ein einziges Material umfassen, wie beispielsweise Sand oder Quarzsand, es kann aber auch eine Mischung von verschiedenen Feststoffen eingesetzt werden.

Als Flüssigkeit können grundsätzlich alle Flüssigkeiten genommen werden. Hierzu gehören Wasser und insbesondere Öle. Die eingesetzten Flüssigkeiten sollen den körnigen Feststoff nicht lösen. So sind Kombinationen wie Sand, Quarzsand, Metalle, Holz, Schlacken mit Wasser sehr geeignet. Für Salze sind Flüssigkeiten geeignet, welche die Salzen nicht auflösen, z. b. Öle.

Das Verhältnis von Flüssigkeiten zu körnigen Feststoffen in der Mischung kann in verhältnismäßig weiten Grenzen variiert werden.

Breiige Konsistenz im Sinne der Erfindung ist besonders gegeben, wenn in der Mischung die Hohlräume zwischen den einzelnen Körnern im wesentlichen mit Flüssigkeiten ausgefüllt sind, die Körner selbst aber noch miteinander in Kontakt stehen und an den Berührungsflächen lediglich eine mehr oder weniger dünne, filmartige Schicht Flüssigkeit vorhanden ist, die aber auch unterbrochen sein kann.

Die Teile des Werkzeugs, welche insbesondere aus dem mittleren Rohr, rechter Anschluß und linker Anschluß, bestehen vorwiegend aus Stahl, welche verschweißt oder verschraubt werden.

Das Füllgut (1) ist in dem Hohlraum (20) eingefüllt, es kann auch nur ein Teil des Hohlraumes gefüllt sein.

Bevorzugt weist das Werkzeug in einer Außenwand eine verschließbare Öffnung (5) auf, durch welche das Füllgut (1) in Form eines Breies oder Suspension in den Hohlraum einfüllbar ist. Das Gemisch aus Flüssigkeit und körnigem Feststoff kann vorteilhaft zusätzlich ein Antikorrosionsmittel enthalten.

Andere Additive wie oberflächenaktive Mittel, bakterizid wirkende Stoffe, Thixotropiermittel u. dgl. können ebenfalls eingesetzt werden.

Das formgebende Werkzeug ist so gestaltet, daß die einzelnen Komponenten die mechanische Festigkeit gewährleisten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1, 2 und 3 näher erläutert: Es zeigen:
1 stellt in ein nicht rotierendes formgebendes Bohr- und Werkzeug (1) dar, das mit einem Gemisch (2) teilweise oder ganz gefüllt ist. Das Mittelteil des Bohr-Werkzeuges besteht aus einem Rohr (3), das auf der linken Seite mit der Anschlußseite links (4) mit einer Schweißnaht (6) dicht verschweißt ist. Auf der Anschlußseite (4) ist die Werkzeugschneide (8) befestigt. Auf der rechten Seite des Rohrs (3) ist die Anschlußseite rechts (5) mit der Verschraubung (7) verbunden.
In der Anschlußseite rechts (5) ist ein Ventil (11) eingeschraubt, über das Luft, Gas oder eine Flüssigkeit (12) in den Ballon (9) eingefüllt werden kann, um das Gemisch (2) unter Druck zu setzen. Der Ballon wird über die Klemmung (10) festgehalten.
Durch das Füllen des Ballons werden alle Hohlräume, die sich außerhalb des Ballons befinden, komplett ausgefüllt und das Gemisch ist formschlüssig mit der inneren Mantelfläche des Bohr-Werkzeuges, dadurch entsteht eine optimale Dämpfung.
2 stellt ein formgebendes Bohr-Werkzeug (1) dar, daß sich beim Bearbeiten um sich selbst drehen kann. Das Bohr-Werkzeug (1) kann teilweise oder komplett mit dem Gemisch (2) gefüllt sein. Das Bohr-Werkzeug (1) besteht aus einem Grundkörper, dessen Werkzeugaufnahme (13) in Steilkegel- bzw. Kurzkegelausführung oder sonstige, ausgelegt sein kann. Mit dem Anzugsbolzen (14) wird der die Werkzeugaufnahme in den Konus eingezogen. Die Anschlußseite links (4) kann mittels durchgehender Schweißnaht oder über eine Verschraubung (7) absolut dicht befestigt werden.
Die 3 stellt ein nicht rotierendes formgebendes Bohr-Werkzeug (17) dar, das mit einem Gemisch (2) teilweise oder ganz gefüllt ist. Die Doppelrohr-Bohrstange (17) besteht aus 2 Rohren (3) + (18), die jeweils an den Enden mit Anschlußseite (4) versehen sind. Die Anschlußseiten (4) sind mit den Rohren (3) und (18) verschweißt (6) oder verschraubt (7).
Um eine höhere Stabilität zu erhalten sind Rohr (3) und Rohr (18) über ein oder mehrere Stege (16) miteinander verbunden. Die Stege (16) sind auf dem inneren Rohr (18) durchgehend am Durchmesser verschweißt. Die Stege (16) sind mit dem äußeren Rohr (3) über Lochschweißung (15) verschweißt. Die Loch-Schweißnähte (15) sind alle 120 Grad über eine Länge von ca. 40 mm verschweißt. Alle Schweißnähte können aber variabel ausgelegt werden. Auf der Anschlußseite links (4) ist die Werkzeugschneide befestigt. Auch in dieser Ausführung kann über ein Ventil (11), ein Ballon (9) mit Luft, Gas oder Flüssigkeit (12) gefüllt werden, um somit das Gemisch in alle Hohlräume zu drücken und dadurch optimale Dämpfung zu erhalten.
Durch die Doppelrohranordnung wird die Stabilität des Bohrwerkzeuges wesentlich erhöht.
Es war besonders überraschend, dass es mit Hilfe der Erfindung möglich ist, die Probleme, welche bei Schwingungen und Vibrationen auftreten, auf einfache Weise zu lösen und zwar mit Konstruktionen, die schnell, einfach und kostengünstig hergestellt werden können, die ein erheblich verbessertes Dämpfungsverhalten gegenüber herkömmlichen Dämpfungssystemen zeigen.
Es war besonders überraschend, dass die gedämpften Werkzeuge auch auf Werkzeugmaschinen, die ihrerseits kein besonderes Dämpfungssystem aufweisen, sehr vorteilhaft auf das gesamte Dämpfungsverhalten einwirken. So laufen entsprechende Werkzeugmaschinen wesentlich ruhiger und weisen einen erheblich geringeren Verschleiß auf als das beim Einsatz von Werkzeugen gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.
Besonders überraschend war es ferner, dass durch das gedämpfte Werkzeug entsprechend der vorliegenden Erfindung und Kombination mit einer gedämpften Werkzeugmaschine gemäß der DE 100 46 868 A1 ein optimaler Effekt erreichen lässt.
Bei dem formgebenden Werkzeug gemäß der Erfindung kann es sich insbesondere handeln um ein Bohrwerkzeug, eine Bohrstange oder Ausdrehwerkzeug und dergleichen.

1: Formgebende Bohr-Werkzeuge
2: Dämpfungsgemisch
3: Rohr
4: Anschlußseite links
5: Anschlußseite rechts
6: Schweißnaht
7: Verschraubung
8: Werkzeugschneide
9: Ballon
10: Klemmung Ballon
11: Ventil zum Aufblasen des Ballons mit Gas, Luft, Flüssigkeiten
12: Luft, Gas, Flüssigkeiten
13: Werkzeugaufnahme SK, HSK oder andere
14: Anzugsbolzen
15: Lochschweißung alle 120 Grad 40 mm auf dem Durchmesser
16: Steg zur Verstärkung
17: Doppelrohr-Bohrstange
18: Doppel-Rohr
19: Durchgangsbohrung für Kühlflüssigkeit oder zur Laservermesssung
20: Hohlraum

Claims

Schwingungsgedämpftes insbesondere vibrationsgedämpftes Werkzeug mit einem Hohlraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum ganz oder teilweise mit einer Mischung aus einer Flüssigkeit und diskreten Teilchen eines Feststoffs gefüllt ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff körnige Struktur hat.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus Flüssigkeit und diskreten Teilchen breiige Konsistenz hat.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff eine mittlere Körnung von 0,01 bis 5 mm aufweist.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Gemisch verschiedener Flüssigkeiten ist.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Teilchen des Feststoffs ein Gemisch aus verschiedenen Feststoffen sind.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff ganz oder teilweise aus Sand insbesondere aus Quarzsand besteht.
Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sand oder der Quarzsand ein gemahlener Sand oder ein gemahlener Quarzsand ist.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Öl ist.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit biologisch abbaubar ist.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum eine Zuleitung zwecks Zufuhr eines Gases aufweist, um im Inneren des Hohlraums den Druck zu variieren.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum einen aufblasbaren ballonartigen Gasbehälter aufweist, mittels dessen der Druck im Hohlraum des Werkzeugs variiert werden kann.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Bohrstange ist.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein Bohrwerkzeug ist.
Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein Ausdrehwerkzeug ist.