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Technisches Gebiet: Werkzeuge und Handhabungstechnik
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Die Erfindung zeigt eine Vorrichtung in verschiedenen Ausführungen für die Herstellung, Handhabung oder Bearbeitung hinterschnittener, kreisförmiger axialer Nuten, im Wesentlichen mit einem Schwalbenschwanzprofil, was auch für engen Nuten geeignet ist, unabhängig davon, ob als Werkzeug, Greifer, tragender Körper oder Halter. Im Text wird „Werkzeug” synonym für diese Vorrichtungen verwendet.
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Typische zerspanende Werkzeuge werden voll oder als Schneidplatten und Trägersystem gebaut. Hier wird die Funktion in Träger, der nicht ins Werkstück bzw. in die Nut eintaucht, in Unterbau, der ins Werkstück eintaucht, und in arbeitende Elemente, die auf das Werkstück wirken oder das Profil abtasten, separiert, auch wenn das reale Werkzeug dies Funktionen teilweise oder gesamt integral erfüllten kann.
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Die hier gezeigten Werkzeuge tragen also ganz allgemein arbeitende Elemente, wenn auch im Text hauptsächlich Schneidplatten oder Schneiden, die hohe Kräfte übertragen müssen, erwähnt werden. Anders arbeitende Elemente könnten beispielsweise erodieren, umformen oder abschmelzen, oder können messen, greifen, tasten oder können kühlen, reinigen, spritzen.
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Stand der Technik
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Kreisförmige axiale Nuten mit hinterschnittenen Flanken in Flanschen nehmen z. B. O-Ringe auf.
EP000002273048A2 verwendet solche Nuten mit Zapfen oder Federn zur platzsparenden und schaltbaren Verbindung zweier Teile.
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Für die Herstellung von hinterschnittenen Nuten muss das Werkzeug mit der arbeitenden Schneide durch eine lichte Enge, um dahinter räumen zu können. Bekannt sind Werkzeuge, die Nuten herstellen, wo die lichte Weite groß ist gegenüber dem Hinterschnitt. Damit lässt sich in der lichten Weite eintauchen und dann seitlich oder direkt schräg verfahren. Hier wird mit einer Nut eine mit Hinterschnitt gemeint, wenn aus dem Kontext nichts anderes hervorgeht.
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Zum vollen Kreis geschlossene Nuten erlauben kein seitliches Eintauchen mit Solltiefe, so dass ein Konturfräser für enge Nuten erst durch ein „Einfädelloch” in die Nut eintauchen muss. Beim Drehen muss die Platte und ihr Unterbau gegenüber den ablaufenden Flanken frei bleiben, was ihre Geometrie bei engen, konischen Nuten nicht oder nicht stabil leisten kann.
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Bekannt sind Werkzeuge, bei den der Unterbau entfällt und die Konturplatten bis zur Eintauchtiefe über den Träger heraus ragen. Nachteilig ist, dass damit kein Unterbau für hohe Steifheit sorgt und sie so schmale Nuten nicht oder nur beschränkt taugen.
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Bekannt sind verstellbare Schneiden auf Plan- und Ausdrehköpfen, angetriebenen Fräsern oder Brückenträgern. Sie können nur geringe Kräfte oder nur langsam höhere Kräfte radial übertragen und dienen mehr dem Schlichten und der Feinbearbeitung, zum Räumen enger, hinterschnittener Nuten sind sie nicht geeignet.
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DE 10 2008 049 196 A1 zeigt ein Werkzeug für axial drehend gestochene T-Nuten, das als Hakenmeisel verdreht kollisionsfrei senkrecht in die vorgestochene Nut bis zum Grund eingeführt werden kann, um danach um die Meisellängsachse gedreht seinen Haken in die Flanken zu fahren. Nachteilig ist, dass kein versteifender Unterbau für enge Nuten gegeben ist. Andere Profile schränkt die Drehung des Hakenmeisels ein.
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Bekannt sind sehr steife Löchsägen oder Bohrkronen mit vollem Unterbau als Hohlzylinder, die schmale, gerade, kreiszylindrische Nuten herstellen lassen. Ähnliche Werkzeuge, die ein seitliches Verfahren während der axialen Bewegung vorsehen, sind nicht bekannt.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine leistungsfähige Vorrichtung für die Herstellung, Bearbeitung oder Handhabung auch für eine oder mehrere konzentrische (enge) hinterschnittene Nuten zu zeigen. Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 und seinen Unteransprüchen gelöst.
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Beschreibung
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Zu sehen ist:
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in 1 ein erfindungsgemäßes Werkzeug bei der Herstellung einer Nut im Querschnitt und mit der Nut in der axialen Projektion
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in 2 eine Erweiterung für tiefe Nuten
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in 3 die Herstellung konzentrischer Nutsätze in einem Arbeitsgang
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in 4 zwei Verfahrwege mit dem vorher beschriebenem Werkzeug
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und in 5 Erweiterungen des Werkzeugs für speziell profilierte Nuten.
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1a bis c zeigt ein Werkzeug 1 mit seinem nicht eintauchenden Teil als Träger 2, seinem in die Nut 8 kollisionsfrei eintauchende Teil als Unterbau 3 und seiner linearen Verstellung 4, zudem ein Werkstück 7 im Querschnitt und in der Projektion in Spindelachse 11 in den Positionen Start (1a) und Ende (1c). In der Projektion sind die arbeitende Elemente 13, 14, die der Unterbau 3 trägt, in der Endposition zu sehen. Die 1d zeigt das fertige Werkstück mit der hinterschnittenen Nut 8 mit ihren Flanken 17, die innere 16 und die äußere 15, ihrem Nutgrund 10 und ihrer Nuttiefe 18. Ihre lichte Fläche 9 ist im Querschnitt 9.1 (1c, d) und in der Projektion 9.2 als radial schmalste Stelle im Werkstück 7 zu sehen (1b).
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2a bis d entspricht der 1 mit der Erweiterung um weitere arbeitende Elemente 21, 22 für die Herstellung tiefer Nuten, bei denen der Nutgrund durch die schräg zur Spindelachse laufende Verstellung 4 mehr als doppelt so breit wird, als ihre lichte Fläche 9 bzw. als die arbeitenden Elemente 13, 14 axial in Startposition 11 unter Drehung überstreichen.
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3 zeigt Ausführungen für die Herstellung von konzentrischen Nuten in einem Arbeitsgang als Satz in einer Ebenen (36) und als Satz in verschiedenen axialen Ebenen (37) mit einem Träger und parallel und konzentrischen Unterbauten 30a, b (3a) und mit zwei eigenständig verstellbaren Werkzeugen 31, 35 (3b), die schräg gegeneinander verstellbar sind und so eine Greifbewegung ermöglichen.
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4 stellt den Ablauf in zwei Sequenzen a1 bis c1 bzw. a2 bis c2 dar, bei dem das Werkstück erst ruht und das Werkzeug um seine eigene Achse wie ein Frästopf dreht, bis es eingetaucht ist, und dann erst die relative Rotation zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgt (c1 bzw. c2). Die Sequenz a1 bis c1 arbeitet mit der linearen Verstellung 4 wie in 1 zu sehen, die Sequenz a2 bis c2 zerlegt die Verstellung in ihre axiale und radiale Komponenten 4.1 und 4.2, um sie hintereinander auszuführen. 4d verdeutlicht, dass der spezielle, rotationssymmetrische Unterbau 3' einer Teilmenge des vorher beschriebenen allgemeinen einhüllenden Unterbau 3 entspricht.
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Extrudiert man die lichte (kreisförmige) Fläche 9 einer symmetrisch und gerade hinterschnittenen Nut 8 in einer Flankenrichtung 15 bzw. 16, erhält man geometrisch einen schrägen Hohlzylinder mit elliptischem Querschnitt. Der Querschnitt eines Zylinders ist senkrecht zur Zylinderachse 5 definiert, die wiederum liegt parallel zur Flankenrichtung. Der Hohlzylinder kann bei voller Ausnutzung der lichten Nutfläche 9 frei in die Nut 8 in Achsrichtung eintauchen, wie in 1c bzw. 2c zu sehen. Rotiert der eingetauchte Hohlzylinder um die Spindel- bzw. Werkstückachse 6, ergibt sich ein Rotationskörper, der der Nut entspricht (1d). Der elliptische Hohlzylinder begrenzt hier vorteilhaft den Unterbau 3 für die arbeitenden Elemente 13, 14 oder 21, 22, z. B. für die Schneidplatten.
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Beim Drehen wird solch ein Unterbau ins drehende Werkstück eingeschwenkt linear verstellt. Das Verstellen 4 kann direkt in Achsrichtung erfolgen oder kombiniert über X-Z-Verstellungen oder anderen Kombinationen. Dreht sich das (angetriebene) Werkzeug, ist es beim axialen Eintauchen ohne Änderung der Drehachse zusätzlich gegenüber der Spindel- bzw. Werkstückachse (!), radial um den Hinterschnitt zu verfahren. So führen beide Fälle die gleiche relative Bewegung zueinander aus.
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Soll die Nut geräumt werden, sind die arbeitenden Elemente, z. B. die Haupt- und Nebenschneiden, auf der Stirnseite und nur auf der Flankenspitze oder auf der Stirnseite und der vollen Flanke auszubilden. Vorteilhaft wirkt der Hebel der inneren Herstellung dem der äußeren Herstellung entgegen, was das Kippmoment des Werkzeugs reduziert. Wird eine bestehende Nut bearbeitet oder gehandhabt, können die arbeitenden Elemente zweckdienlich irgendwo auf oder im Unterbau liegen, je nachdem, welche Spur auf der Mantelfläche der Nut gewünscht wird. 2b) zeigt beispielhaft vier arbeitende Elemente 13, 14, 21, 22 mit einigen Kantenspuren 23, 24 im versetzter Endstellung (2, 12), um eine tiefe Nut mit flachem Grund zu erstellen 2d, 8.
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In 5 trägt der Unterbau 3 arbeitende Elemente derart, dass sie nur Teile der Nut profilieren bzw. erreichen. In 5a arbeiten gegenüber derjenigen in 2 die Elemente an den extremen Stellen 13, 14 tiefer als die Elemente 21, 22, wodurch erstgenannte im Nutgrund eine W-förmige Kerbung ab der kritischen Tiefe erreichen. Eine andere Ausgestaltungen zum Profilieren des Nutgrundes zeigt 5b, während die Ausgestaltung in 5c eine asymmetrischen Nutgrund bewirkt.
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Die asymmetrischen Flächenmomente des schrägen Zylinders des Unterbaus 3 löst bei rotierenden Werkzeugen eine Taumelbewegung aus, die Halter und Werkzeugspindel (Frässpindel) aufzunehmen haben oder die sich herkömmlich auswuchten lässt. Eine rotationssymmetrische Ausführung als Teilmenge 3' des allgemeinen Unterbaus 3 vermeidet eine Unwucht (4, insbesondere 4d).
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Mit dem vollen Unterbau ist die Steifigkeit des Werkzeugs vorteilhaft optimiert und es kann größere Kräfte aufnehmen, wie auch die Lasten vorteilhaft relativ symmetrisch wirken. Der Unterbau für z. B. zerspanende Werkzeuge erhält Ausschnitte oder Kanäle für die Späne und für die Aufnahmen der Platten, wie er auch dünner als die lichte Weite ausgelegt hervorstehende Schneiden den Freiraum gibt, um ohne Klemmen zu arbeiten.
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Solche Werkzeuge können mit einem herkömmlichen Verstellelement, beispielsweise einem angetriebenen Fräser oder Ausdrehkopf, gegenüber der Spindel- bzw. Werkstückachse eingesetzt werden. Auf Drehmaschinen wird die schräge Verstellung über gleichzeitig verstellende X- und Z-Achse oder über den eingeschwenkten Werkzeugschlitten erreicht. Der Träger bleibt senkrecht zur Spindel- bzw. Werkstückachse. Beim Fräsprozess dreht sich die Verstellung während der linearen Zustellung um die Spindel- bzw. Werkstückachse.
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In einer anderen Ausführung dreht der Träger sich um seine Achse 41 zusätzlich selbst und kann so auch in ein stehendes Werkstück eintauchen, um dann anschließend durch die Drehung relativ zum Werkstück um die Werkstückachse die Nut fertigzustellen bzw. insgesamt zu bearbeiten (4). Der Unterbau ist zwar dafür dünner als die lichte Weite der Nut erlaubte auszuführen, bleibt aber dennoch vorteilhaft geschossen und steif (4d).
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Die schräge Verstellung 4 kann direkt oder als Folge einer axialen 4.1 und anschließenden radialen 4.2 Verstellung erfolgen. In 4 wird die Aufteilung ohne Beschränkung der Allgemeinheit am Beispiel eines Fräsvorgangs gezeigt.
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Für die vorteilhafte Herstellung mehrerer konzentrischer Nuten 36, 37 in einem Arbeitsgang können mehrere Unterbauten in gleicher Schräge parallel angeordnet arbeiten (3a). Die Nuten können in unterschiedlichen Ebenen liegen (3b, 37).
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Um solche konzentrische Nuten in einem Arbeitsgang zudem mit geringer radialen Belastung handzuhaben, können mehrere eigenständig verstellbare Werkzeuge ineinander arbeiten, dabei um z. B. 180° axial geschwenkt und damit gegeneinander verfahrbar 32, 4, mehrere Nuten als einen Satz 37 gleichzeitig und lastreduziert herstellen bzw. eine Greifbewegung ausführen. So kompensieren sich mindestens teilweise die radialen Kräfte.
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Mit (ausgewuchteten) Werkzeugen als Greifer und Halter lassen sich vorteilhaft auch drehende Werkstücke mit den hier betrachteten Nuten bei gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit, also relativ zueinander stehend, halten oder greifen und so Werkstücke „fliegend” aus dem Drehbankfutter definiert entnehmen oder zur Weiterbearbeitung einlegen. Da solche Greifer ein relativ geringes Gewicht aufzeigen, spart man die energieintensiven Beschleunigungen bei Start und Stopp des schwereren Paares Spindel und Futter.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Funktionseinheit der Vorrichtung
- 2
- Träger
- 3
- Unterbau
- 4
- translatorische Verstellung (Translationsachse)
- 5
- Zylinderachse
- 6
- Drehachse bzw. Werkstückachse
- 7
- Werkstück
- 8
- axiale Nut
- 9
- lichte Fläche der Nut mit 9.1 und 9.2
- 10
- Nutgrund
- 11
- Schnittpunkt der Achsen 5 und 6
- 12
- Mittelpunkt Deckfläche des Unterbaus 3
- 13
- innen arbeitendes Element (zentripedal)
- 14
- außen arbeitendes Element (zentrifugal)
- 15
- äußere Nutflanke
- 16
- innere Nutflanke
- 17
- Nutflanken
- 18
- Nuttiefe
- 21, 22
- zusätzliche arbeitende Elemente
- 23
- innere Spur des äußersten arbeitenden Elementes 14
- 24
- äußere Spur des innersten arbeitenden Elementes 13
- 30
- Doppeleinheit mit parallel laufenden Unterbauten 30a, 30b
- 31
- zweite Funktionseinheit
- 32
- zweite translatorische Verstellung
- 33
- zweiter Unterbau
- 34
- zweiter Träger
- 35
- erster Träger mit Freiraum für 31
- 36
- Nutensatz in einer Ebene
- 37
- Nutensatz in mehreren Ebenen
- 41
- Drehachse Werkzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 000002273048 A2 [0004]
- DE 102008049196 A1 [0009]
