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FLISGEWDER WEREZEUGDORN Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
den Maschinen bau und zwar auf ein Werkzeug zum Bearbeiten von Öffnungen in Metallen
und andern Werkstoffen.
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Die Erfindung kann am effektivsten zum Erhöhen der dynamischen Steifigkeit
und Vibrationsfestigkeit von langen und nicht steifen, fliegenden Werkzeugdornen
angewendet werden.
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Bekanntlich wird das Bearbeiten von langen Öffnungen, insbesondere
bei großen Verhältnissen von Öffnungslänge zum -durchmesser, durch Vibrationen erschwert,
die infolge unzureichender dynamischer Steifigkeit und Vibrationsfestigkeit des
Werkzeugs auftreten. Vibrationen beim Spanabheben haben Senkung der Bearbeitungsleistung
größeren Verschleiß des Zerspannungswerkzeugs, schlechtere Maßgenauigkeit und Oberflächengute
des
bearbeiteten Werkstücks zur Folge.
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Bekanntlich kann Erhöhung der Vibrationsfestigkeit des erwäbuten
Werkzeuge durch Vergrößern der Dämpfung im System erreicht werden; zu diesem Zweck
werden in das Werkzeug Schwingungs- und Vibrationsdämpfer eingebaut, Bei wesentlicher
Erhöhung der Vibrationsfestigkeit komplizieren diese Vorrichtungen jedoch die Werkzeugkonstruktion.
Außerdem soll die träge Masse des Vibrationsdämpfers einen bedeutenden Teil der
Masse des eigentlichen Werkzeuge ausmachen; je größer dieser Teil ist, desto höher
wird die Effektivität des Dämpfers. Diese Forderung kann entweder bei ausreichend
großen Werkzeugabmessungen oder bei einem bestimmten Verhältnis der Werkstoffdichten
des Werkzeuge und des Dämpfer-Auswuchtsgewichts erfüllt werden. Diese Forderungen
schränken natürlich den Anwendungsbereich der Schwingungs- und Vibrat ionsdämpfer
ein.
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Es ist auch bekannt, daß zum Erhöhen der Steifigkeit das fliegende
Werkzeug manchmal aus Werkzeug-Hartmetall hergestellt wird, das im Vergleich zu
Stahl einen hohen Elastizitätsmodul (5,6.106 kp/cm2) besitzt. Es sind Nachteile
dieses Verfahrens, daß Har#eta1l nur schwer spanend bearbeitet werden kann und daß
es sehr teuer ist, was besonders bei Werkzeugen mit großen Abmessungen eine Rolle
Spielt.
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Es ist auch bekannt, daß von zwei fliegenden Dornen mit gleichen
Abmessungen jener Dorn eine größere Vibrationsfestigkeit besitzt, der eine höhere
Frequenz seiner Eigenechwingungen hat (8. beispielsweise den Artikel von Robert
S.Hann
"Vibration Rosesroh: The production payoff is here", ~Machinory",
USA, 196?, v.73, Nr.5). In Verbindung hiermit ist die Herstellung von fliegenden
Werkzeugdornen aus Molybdän (Elastizitätsmoaul E r 3,51.106 kp/cm2, Dichte g = 10,2
g/cm³) weit verbreitet, wobei die Eigenfrequenz des Dorns 1,14mal höher als die
Eigenfrequenz eines Stahldorns (Elastizitätsmodul des Stahls E :2,1.106 kp/cm2,
Dichte α = 7,8 g/cm3) mit den gleichen Abmassungen ist. Die im Vergleich zu
Stahl größere Dichte des Molybdäns vergrößert jedoch die Werkzeug masse. Wenn das
Werkzeug rotiert und um ein vorgegebenes ließ in bezug auf die Drehachse verschoben
ist (beispielaueise Dorne von Ausbohrmaschinen, welche exzentrisch in die Auebohrfutter
eingesetzt sind), so werden die Zentrifugalkrafte unerwünnscht vergrößert und die
Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs muß vermindert werden. Wenn Vibrationsdämpfer
vorwen, det werden, welche in den Molybdän- oder Hartmetalldorn (Dichte 17 g/cm3),
beispielsweise nach dem USA-Patent Nr.3164041, eingebaut sind, so wird das Verhältnis
der Massen des inertialen Ausgleichsgewiohts des Dämpfers und des Dorns sowie deren
Dichten schlechter, wodurch die Effekt iv ität des Dämpfers vermindert wird. Dies
bezieht sich besonders auf ein Werkzeug mit großer Ausladung, da das Verhältnis
der Dichten bekanntlich folgendermaßen mit der relativen Dornausladung zusammenhägen
soll:
| Dichte des Ausgleichsgewichtwerkstoffs Konsolausladung des |
| Dichte des Dornwerkstoffs Dorns#Durcbiesser |
| 5 |
d.h. bei einer relativen Dornausladung von beispielsweise 10 soll
der Werkstoff des lusgleichsgewichts des Dämpfers mindestens zweimal schwerer als
der Dornwerkstoff sein, waslfals der Dorn aus Hartmetall hergestellt wird, praktisch
unmöglich ist.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die erwäbnten Nachteile
zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugruade, ein solches fliegendes
Werkzeug zu schaffen, welches im Vergleich zu den vorhandenen Werkzeugen infolge
rationellerer Verteilung der Masse und der Steifigkeit auf seiner ganzen Länge größere
Vibrationsfestigkeit beeftet, Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim
fliegenden Werkzeugdorn, der am freien Ende einen Kopf besitzt, in dem das ZerspanQungswerkzeug
befestigt ist, erfindungsgeiäß der erwähnte Dorn aus mindestens zwei Teilen, die
aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, hergestellt ist, von denen der Teil, welcher
sich an die Befestigungsstelle des Dorns anschließt, aus einem Werkstoff mit Elastizitätsmodul
gefertigt ist, der zumindest 1,5mal größer als der Elastizitätsmodul des Werkstoffs
ist, aus dem der andere Teil des Dorns, nämlich der am Kopf sich anschließende Dornteil,
gefertigt ist, welcher eine Werkstoffdichte hat, die zumindest 1,5mal geringer als
die Werkstoffdichte des Dornteils ist, welcher sich an die Befestigungsstelle des
Dorns anschließt, wobei das Verhältnis der Längen der erwähnten
Dornteile
gleich 0,4..0,6 ist.
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Der erfindungsgemäBe Dorn hat im Vergleich zu den bekannten Konstruktionen
folgende Vorteile: höhere Frequenz der Eigenschwingungen infolge rationellerer Verteauna
der Masse und der Steifigkeit längs über die Dornlänge. Bei im übrigen gleichen
bedingungen gewährleistet die Erhöhung der Frequenz der Eigenschwingungen des erfindunggemäßen
Dorns höhere Vibrationsfest igkeit; Möglichkeit effektiverer Ausnutzung der Schwingungsdämpfer
infolge eines vorteilhafteren Verhältnisses der Massen des trägen tusgleichgewichts
und des Dorns, was durch Vermindern der effektiven Dornmasse erreicht wird; Möglichkeit
der Verwendung von Vibrationsdämpfern mit leichteren inertialen Ausgleichsgewichten
infolge verbesserten Massenverhältnisses, was geringere Zentrifugalkräfte zur Folge
hat und es gestaut, die Drehgeschwindigkeit des Werkzeuge während des Betriebseinsatzes
und folglich die Leistung zu erhöhen.
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Der erfindungsgemäße mehrteilige Dorn gewährleistet einen hohen wirtschaftlichen
Nutzeffekt, indem er es möglich macht, - die Bearbeitungsgenauigkeit zu erhöhen
und die Bearbeitungsgüte der Oberfläche infolge größerer Vibrationsfestig keit zu
verbessern; - die Leistung durch Vermindern der Maschinenzeit (es kann mit höherer
Zerspa+ungsleistung gearbeitet werden) und der Hilfszeit (es können lange Öffnungen
bei einer Dorneinspannung
bearbeitet werden) zu erhöhen.
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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus folgender eingehender
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus beiliegenden Zeichnungen verständlich;
es zeigt Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Ausbohrdorn, der in der Ausbohraaschinenspindel
eingespannt ist und um die Spindelachse rotiert, Fig. 2 einen erfindungsgemäßen
Ausbohrmaschinendorn, der exzentrisch in den Ausbohrkopf eingespannt ist und mit
einer vorgegebenen Verschiebung in bezug auf die Spindelach se rotiert, und Fig.
3 einen erfindungsgemäßen Ausbohrdorn mit eingebautem Vibrationsdämpfer für eine
Drehmaschine.
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Bekanntlich wird der fliegende Dorn während des Betriebs durch eine
Querkraft beansprucht, welche am Werkzeug angreift, das am freien Dornende befestigt
ist. Das Biegemoment, durch welches der Dorn beansprucht wird, ist gleich dem Produkt
aus Querkraft und Abstand von dem betrachteten Dornquerschnitts bis zur Kraftangriffsstelle.
Das Moment erreicht seinen Höchstwert an der Einspannstelle, wo der erwähnte Abstand
maximal ist. An der Angriffsstelle der Querkraft ist das Moment gleich Null. In
Verbindung mit den obigen Darlegungen wird vorgeschlagen, den am stärksten beanspruchten
Dornteil, welcher sich an die Eiipannstelle anschließt, aus einem Werkstoff mit
hohem Elastizitätsmodul herzustellen. Der Dornteil, welcher verhältnismäßig weit
von der Einspaunstelle entfernt ist und durch ein bedeutend
geringeres
Biegemoment beansprucht wird, kann aus einem Werkstoff mit geringerem Elastizitätsmodul
ohne wesentlichen Steifigkeitsverlust des ganzen Dorns hergestellt werden.
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Die Frequenz der Eigenschwjngungen des fliegenden Dorns ist
wobei K - Dornsteifigkeit und M - wirksae Masse, d,h, die Masse, welche auf das
freie Ende reduziert und gleich 0,23 der Gesamtmasse des Dorns ist. Die Größe der
wirksamen Masse wird in der Hauptsache durch den Dornteil bestimmt, der sich an
das freie Ende anschließt, wo die Schwingungsamplituden am größten sind. Daher wird
vorgeschlagen, um die erwähnte Masse zu vermindern und die Eigenfrequenz des Dorns
zu erhöhen, diesen Teil aus einem Werkstoff mit geringer Dichte herzustellen. Der
Dornteil an der Einspannatelle, wo die Schwingungsamplituden bedeutend geringer
sind, hat wenig Einfluß auf die Größe der wirksamen Masse. Deshalb wird, selbst
wenn dieser Teil aus einem Werkstoff mit größerer Dichte hergestellt wird, die Frequenz
der Eigenschuingungen nicht wesentlich vermindert.
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Die Werkstoffe der erwähnten Teile können ganz unterschiedlich und
beispielsweise folgendermaßen kombiniert werden: Stabl + Aluminium~ oder Titanlegierung;
Werkzeug-Hartmetall + Stahl; Molybdän + Aluminium usw. (in allen Fällen ist zuerst
der Werkstoff des Dornteiles angegeben, der sich an die Einspannstelle anschließt).
Es wurde festgestellt, daß die Werte sowohl der Elastizitätsmoduln als auch der
Dichten der beiden Werkstoffe in einem Verhältnis zueinander
stehen
sollen, das mindestens gleich 1,5 ist.
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Die Effekt iv ität der erfindungagemäßen Lösung hangt von der richtigen
Wahl der Längen der zu verbindenden Teile ab. Es wurde festgestellt, daß die optimale
Größe des Verhältnisses der erwähnten Längen von der Kombination der Werkstoffe
abhängt und ungefähr O,4...O,6 betragen soll.
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Der Ausbohrdorn auf Fig. 1 besteht aus einem genormten Kegeischaft
1 und einem Körper, dessen freies Ende einen Meißel 2 trägt, welcher durch Schrauben
3 befestigt ist. Schaft 1 und Dornkörper können der Abbildung gemäß aus einem Ganzen
hergestellt werden, doch können sie natürlich auch zusammengesetzt und durch ein
ausreichend zuverlässiges Verfahren vorbunden sein. Erfindungsgemäß ist der Dorn
mehrteilig ausgeführt und besteht aus am Schaft 1 sich anschließendem Körperteil
4, welcher aus einem Werkstoff ait(zumindest 1,5mal) höherem Elastizitätsmodul hergestellt
ist, und aus Körperteil 5, welcher den Meißel trägt und aus einem Werkstoff mit
(zumindest 1,5mal) geringerer Dichte hergestellt ist. Das Verhältnis der Länge des
Teils 4 zu der des Teils 5 beträgt erfindungsgemäß O,4...0,6. Beide Teile sind durch
Gewinde 6 verbunden, doch kann natürlich auch ein beliebiges anderes1 ausreichend
zuverlässiges Verbindungsvorfahren angewendet worden.
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Der auf Fig. 2 abgebildete Dorn besteht aus Dornkörperteil 7, der
sich am Schaft 8 des Futters (letzteres selbst ist nicht abgebildet) anschließt,
und Körperteil 9, welcher sich an den Meißelkopf anschließt, sowie aus Meißolkopf
10
mit angelötetem Meißel 11. Der Körperteil 7 ist aus einem Werkstoff
mit (zumindest 1,5mal) höherem Elastizitätsmodul und der Teil 9 aus einem Werkstoff
mit (zumindest 1,5mal) geringerer Dichte hergestellt. Die Verbindung 12 der beiden
Teile wurde unter Vorspannung erzeugt (auch eine beliebige andere zuverlässige Verbindung
ist möglich). Das Verhältnis der Länge des Teile 7 zu der des Teils 9 ist gleich
O,4...O,6.
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Der auf Fig. 3 abgebildete Dorn besteht aus Meißelkopf 13, sich an
ihm anschließendem Körperteil 14 und Körperteil 15, der in einen Halter 16 eingesetzt
ist. Letzterer hat rechteckigen Querschnitt und wird mit Hilfe der Schrauben 17
im Meißelhalter qer Drehmaschine eingespannt. Im Meißelkopf 13 ist durch Schrauben
19 ein Meißel 20 befestigt. Der Meißelkopf 13 ist mittels einer Gewindeverbindung
21 am Körperteil 14 befestigt, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, welcher
eine zumindest 1,5 mal geringere Dichte als der Werkstoff des Teil 15 hat.
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Der erwähnte Teil 14 besitzt einen inneren zylindrischen Hohlraum
22, in den mit einem Luftspalt "a" das träge Auqgleichagewicht eines Vibrationsdämpfers
23 eingesetzt ist. Der Körperteil 15 ist aus einem Werkstoff hergestellt, welcher
einen zwsindest 1,5mal höheren Elastizitätsmodul als der Werkstoff des Teils 14
hat, und besitzt eine Durchgangsöffnung. Das Verhältnis der Länge des Teils 14 zu
der des Teils 15, wenn der Dorn maximal aus dem Halter ,herausgeschoben ist, soll
0,4...0,6 betragen. Die Teile 14 und 15 sind mittels eines Stabs 24 verbunden, welcher
einen Kopf 25 hat
sowie durch Scheiben 26, 27 und eine Bohrung
im Teil 15 geführt ist. Dieser Stab ist in den Teil 14 eingeschraubt.
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Der Teil 15 ist sehr einfach und erfordert keine komplizierte spanende
Bearbeitung, was in den Fällen wichtig ist, wenn er aus einem schwer zu bearbeitenden
Werkstoff wie Werkzeug-Hartmetall hergestellt wird.
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Beim Betriebseinsatz wird der Schaft 1 des Dorns (Fig.1) in die genormte
kegelige Bohrung der Maschinenspindel (letztere ist auf der Zeichnung durch die
Einspannung 28 gekennzeichnet) eingesetzt. Beim Ausbohren rotiert der Dorn um die
Spindel achse, welche mit der Dornachse 29 zusammenfällt. Der für die erforderliche
Schnittiefe nötige Vorschub wird durch Verschieben des Meißels 2 erzeugt f Der nach
Dorn#Fig. 2 setzt in einem (nicht abgebildeten) Ausbohrkopf, dessen Schaft 8 in
die genormte Maschinenspindelbohrung (letztere ist auf der Zeichnung durch die Einspannung
30 gekennzeichnet) eingesetzt ist. Die Achse 31 des Dorns ist in bezug auf die Drehachse
32 der Spindel mit dem Ausbohrkopf um ein gefordertes Maß ~e" verschoben Der nach
Dorn 1Fig.3 ist während des Zerspan ungsvorgangs unbeweglich. Das auszubohrende
Werkstück, welches in der (nicht abgebildeten) Drehmaschinenspindel e inge spannt
ist, rotiert.
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Die Ausladung des Dorns ist veränderlich. Bei stillstehender Maschine
kann der Dorn längs der Achse des Halters 16 verschoben werden, wonach er mittels
der Schrauben 17 in der erforderlichen Stellung eingespannt wird.
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Ex ist zu beachten, daß die auf den Fig. 1...3 abgebildeten Dorne
Beispiele sind, welche die vorliegende Erfindung illustrieren. Letztere gestattet
natürlich auch endere konstruktive luaführungen der mehrteiligen Dorne und ihrer
Bauteile, andere Vibrationadämpfer, Verbindungeverfahren der Dornteile usw.
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Die vorliegende Erfindung ist natürlich auch in vollem Umfange bei
anderen Arten von fliegend eingespannten Werkzeugen, beispielsweise Innensohleif-
und Fräsdornen, Senkern, Meßwerkzeugdornen usw., anwendbar.