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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Globoidschrauben bzw. Globoidschnecken
zur Verwendung als Hauptrotoren in Kompressoren, Expandern und dergleichen,
und insbesondere ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung einer Globoidschraube zu diesem Verwendungszweck
nach dem Oberbegriff der Ansprüche
1 bzw. 12.
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Ein
Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung
von Hauptrotoren für Ein-Schraubenkompressoren
oder -Expander, obwohl die Grundsätze der vorliegenden Erfindung
auf verschiedene Weise anwendbar sind. In einem Ein-Schraubenkompressor
oder -Expander hat der Hauptrotor die Form einer Globoidschraube,
deren spiralförmige
Nut ein spiralförmiges
Gewinde entlang der Länge
des Rotors begrenzt, und ist aus einem zylindrischen Körper eines
geeigneten Materials, üblicherweise
Metall, hergestellt.
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Bei
der Herstellung solcher Hauptrotoren ist der Bearbeitungsprozeß mit zahlreichen Überlegungen
verbunden. Das Herstellungsverfahren sollte einen schnellen Schneidvorgang
ermöglichen,
um die Bearbeitungszeit auf eine Weise zu reduzieren, die unzulässige Werkzeugbelastungen
und -Abnutzung vermeidet. Außerdem
sollte das Schneidwerkzeug ein hohes Maß an Variabilität beim Schneidvorgang gewähren. Es
ist zudem wünschenswert,
daß bei
einem Bearbeitungsverfahren und der zugehörigen Vorrichtung die endgültig angestrebte
Hauptrotornutgeometrie nicht durch die Geometrie, d. h. das Profil und
die Form des Schneidwerkzeuges diktiert oder begrenzt ist, so daß ein vorgegebenes
Schneidwerkzeug die Möglichkeit
eröffnet,
unterschiedliche Hauptrotorgeometrien zu erzeugen, und zwar mit
unterschiedlichzulässigen
Toleranzen.
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Aus
dem gattungsbildenden Stand der Technik gemäß der
DD 42 421 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Schneiden und Schaben von Globoidschnecken bekannt. Bei diesem
Verfahren wird zunächst
das Schneidwerkzeug bis auf Zahntiefe auf den zylindrischen Rotorkörper zugestellt.
Sodann werden zylindrischer Rotorkörper und Schneidwerkzeug tangential,
das heißt
ohne Veränderung
des Abstandes zwischen der Rotorlängsachse und der Drehachse
des Schneidwerkzeugs, zueinander bewegt.
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Ein
vergleichbares Verfahren ist aus der Literaturstelle G. Spur und
T. Stöferle,
Handbuch der Fertigungstechnik, Bd. 3, Spanen, Teil 2, München, Carl Hanser
Verlag 1980, Abschnitt 16.7.2, Seiten 497 und 498 bekannt.
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Aus
der
DE 1 119 082 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum spanabhebenden Formen eines
Globoidpumpenlaufrads bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Schneidwerkzeug
schwenkbar relativ zu dem Rotorkörper
ausgebildet und relativ zu diesem verschwenkt.
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Ein
weiteres Verfahren zum Herstellen eines Schraubenrotors sowie eine
korrespondierende Vorrichtung sind aus der
DE 28 21 433 C2 bekannt.
Der Schraubenrotor wird dadurch hergestellt, dass der Rotorkörper um
eine Drehachse gedreht wird und schräg dazu mit einem Stirnmesserkopf
bearbeitet wird. Die Verwendung eines Stirnmesserkopfes hat jedoch
den Nachteil, dass die von dessen Stirnseite vorstehenden Messer
hohen Biegemomenten und damit starken Verschleißkräften ausgesetzt sind.
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Aus
der
FR 2 505 415 ist
eine Globoidschraubenkompressor bekannt, bei dem ein globoidförmiger Hauptrotor
mit korrespondierenden Absperrrotoren zum Einsatz kommt.
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Schließlich sind
aus der
DD 22 998 und
DE 1 652 798 Schneidwerkzeuge
zum Bearbeiten von Globoidschnecken bekannt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues
und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
einer Globoidschraube zur Verwendung als Hauptrotor in einem Kompressor
oder Expander anzugeben. Dabei soll die endgültige Hauptrotornutgeometrie
durch die Geometrie des Schneidwerkzeugs nicht diktiert oder begrenzt
sein. Der Bearbeitungsvorgang soll schnell und ohne unzulässige Werkzeugbelastung und
Werkzeugabnutzung ablaufen, wobei ein hohes Maß an Variablität des Schneidvorganges
gewährleistet
sein soll. Schließlich
soll das erfindungsgemäße Verfahren
effizient, effektiv und wirtschaftlich sein.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12
gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung einer Globoidschraube zur Verwendung als Hauptrotor
in einem Kompressor oder Expander an, bei der bzw. dem ein zylindrischer
Rotorkörper
drehbar um seine Längsachse
befestigt wird, ein Schneidwerkzeug mehrere Zähne in Umfangsrichtung beabstandet
in einer Ebene aufweist und eine Drehachse hat, die senkrecht zu dieser
Ebene verläuft,
und um diese Achse drehbar befestigt und so angeordnet ist, daß die Ebene
parallel zur Rotorkörperlängsachse
verläuft,
so daß die Schneidwerkzeugdrehachse
senkrecht zur Rotorlängsachse
angeordnet ist, wobei der Rotorkörper und
das Schneidwerkzeug mit synchronisierten Geschwindigkeiten gedreht
werden. Der Rotorkörper und
das Schneidwerkzeug werden so zueinander positioniert, daß die Drehachse
des Schneidwerkzeugs und die Längsachse
des Rotorkörpers
relativ zueinander bewegt werden, um den Abstand zwischen den Achsen
während
der Drehung des Schneidwerkzeugs und des Rotorkörpers zu verringern, so daß die Schneidwerkzeugzähne den
Rotorkörper
während
jeder Schneidwerkzeugdrehung berühren,
um spanabhebend Material von dem Rotorkörper abzutragen und ein Globoidschraubenprofil
mit einer Nut auszubilden, die zwei voneinander beabstandete Seitenwände hat
und sich auf einer spiralförmigen Bahn
entlang des Rotorkörpers
erstreckt. Die relative Geschwindigkeit zwischen dem Rotorkörper und dem
Schneidwerkzeug wird über
eine vorgegebene Zeitspanne um einen vorgegebenen Betrag geändert, um
eine positionelle Änderung
zwischen den Schneidwerkzeugzähnen
und dem Material des Rotorkörpers
hervorzurufen, was zu einer gewünschten Änderung
in dem Globoidschraubenprofil führt,
wobei die relative Ge schwindigkeit erhöht oder verringert wird, abhängig davon,
welche Nutseitenwand bearbeitet werden soll, wobei die Geschwindigkeitsänderung
ein Ausmaß hat,
das von der Lage der gewünschten
Nutseitenwand abhängt.
Im Ergebnis eröffnet
ein einziges Schneidwerkzeug die Möglichkeit, unterschiedliche
Hauptrotorgeometrien mit unterschiedlichen Toleranzzielen zu erzeugen.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des Hauptrotors und der Absperrotoren eines Ein-Schraubenkompressors
mit weggelassenen Teilen;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang einer Linie 2-2 in 1;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Hauptrotor-Herstellungsverfahrens;
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4 eine
Aufsicht auf eine Form eines Schneidwerkzeugs zur Verwendung in
der Vorrichtung gemäß 3;
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5 eine
Aufsicht auf das Schneidwerkzeug gemäß 4 von der
entgegengesetzten Seite;
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6 eine
Aufsicht auf eine andere Ausführungsform
eines Schneidwerkzeugs zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß 3;
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7 eine
Aufsicht auf die andere Seite des Schneidwerkzeugs gemäß 6;
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8 eine
Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform
eines Schneidwerkzeuges zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß 3;
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9 eine
Aufsicht auf die andere Seite des Schneidwerkzeugs gemäß 8;
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10 eine
fragmentarische radiale Ansicht zur Verdeutlichung einer Anfangsstufe
in der Ausbildung der Nut des Rotorkörpers;
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11 und 12 eine
fragmentarische Radialansicht und Seitenansicht zur Verdeutlichung der
Stufe der Ausbildung der Nut, in der die endgültige Nuttiefe erreicht ist;
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13 und 14 eine
fragmentarische Radialansicht und Seitenansicht zur Verdeutlichung eines
Aspektes der relativen Geschwindigkeitsänderung zwischen dem Rotorkörper und
dem Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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15 und 16 eine
fragmentarische Radialansicht und Seitenansicht zur Erläuterung
eines weiteren Aspektes der relativen Geschwindigkeitsänderung
zwischen dem Rotorkörper
und dem Schneidwerkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die 1 und 2 zeigen
einen Ein-Schraubenkompressor, der allgemein mit 10 bezeichnet
ist und einen Hauptrotor 12 und zwei Absperrotoren 14 und 16 aufweist.
Der Hauptrotor 12 hat die Form eines Globoidalschraube
bzw. -schnecke und weist eine Welle 18 auf, die drehbar
um eine Achse 20 (1) ist,
wobei der Hauptrotor mit einer spiralförmigen Nut 22 versehen
ist, die ein spiralförmiges
Gewinde 24 in einem Rotorkörper 26 begrenzt. Der
Hauptrotor 12 ist ein Beispiel für Hauptrotoren, die nach dem
nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Die Spitze
des Gewindes 24 befindet sich auf einer zylindrischen Fläche, die
symmetrisch zur Drehachse 20 ist, und wirkt mit einem Gehäuse zusammen,
von dem ein Teil in 20 mit dem Bezugszeichen 30 versehen
ist.
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Die
Absperrotoren 14 und 16 haben die Form von Flügelrädern mit
Wellen 36 und 38, die um Achsen 40 bzw. 42 drehbar
angeordnet sind, wie 1 zeigt. Der Absperrrotor 14 hat
mehrere Zähne 46 entlang
seines Umfangs, die sich radial nach außen erstrecken und in einer
gemeinsamen Ebene liegen, die im wesentlichen senkrecht zur Drehachse 40 liegt.
Auf gleiche Weise hat der Absperrotor 16 mehrere Zähne 48 an
seinem Umfang, die sich radial nach außen erstrecken und in einer
gemeinsamen Ebene liegen, die im wesentlichen senkrecht zur Drehachse 42 verläuft. Die
Drehachsen 40 und 42 der Absperrotoren 14 bzw. 16 liegen
im wesentlichen parallel zueinander und sind im wesentlichen senkrecht
zur Drehachse 20 des Hauptrotors 12 angeordnet.
Die Absperrrotoren 14 und 16 sind drehbar in dem
Gehäuse 30 mittels
Lageranordnungen 50, 52 und 54, 56 gehalten.
Bei diesem in 2 dargestellten Kompressor liegen
die Zähne 46 und 48 der
Absperrotoren 14 und 16 in Ebenen, die geringfügig versetzt
sind.
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Im
Betriebszustand begrenzen die Zähne 46 und 48 der
Absperrotoren 14 und 16 mit dem Rotorgewinde 24 Fluidexpansions-
oder -Kompressionskammern, die nacheinander in Verbindung mit einer Auslaßöffnung für das Hochdruckfluid
gebracht werden, wie dies allgemein bekannt ist. Während in
den 1 und 2 ein Ein-Schraubenkompressor
abgebildet ist, ist die vorliegende Erfindung auf die Herstellung
von Globoidschraubenhauptrotoren zur Verwendung in dynamischen Fluidenergieumwandlern mit
Kompressoren und Expandern geeignet.
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3 zeigt
eine Vorrichtung zur Ausführung des
Hauptrotor-Herstellungsverfahrens. Ein zylindrischer Rotorkörper 60,
der zu bearbeiten ist, ist an einer Welle 62 befestigt,
die drehbar von einem Arm 64 gehalten ist. Ein allgemein
mit 68 bezeichnetes Schneidwerkzeug ist auf einer Welle 70 befestigt,
deren Achse im rechten Winkel zur Achse der Welle 62 liegt.
Das Schneidwerkzeug 68 kann so wie in 3 abgebildet mit
oben liegenden Schneidkanten ausgerichtet werden, oder umgekehrt
mit unteren Schneidkanten. Die Welle 70 ist mit dem Ausgang
eines Rechtwinkelgetriebekastens 72 verbunden, der das Schneidwerkzeug 68 um
die Achse der Welle 70 dreht. Der Rotorkörper 60 wird
von einer geeigneten Einrichtung (nicht dargestellt) gehalten und
die Drehung der Welle 62 wird durch eine Folge von Rädern 80a bis 80f auf
die Eingangswelle 82 einer Geschwindigkeitssteuereinrichtung
oder Phasenwechslers 84 übertragen. Die Ausgangswelle 86 der
Phasenabgleichvorrichtung 84 ist über eine Folge von Rädern 88a bis 88c mit
der Eingangswelle des Getriebekastens 72 verbunden. Bei
dieser Anordnung wird während
des Schneidvorgangs der Rotorkörper 60 in
Richtung eines Pfeils 90 gedreht, das Schneidwerkzeug 68 wird
in Richtung eines Pfeils 92 gedreht, und die Kombination
der Phasenabgleichvorrichtung 84, des Getriebekastens 72 und
des Schneidwerkzeugs 68 wird linear in Richtung des Pfeils 94 auf
den Rotorkörper 60 zu
bewegt.
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Im
einzelnen bilden die Räder 80a bis 80f eine
Parallelogramm-Transmmission, so daß dann, wenn sich die Phasenabgleichvorrichtung,
der Getriebekasten 72 und das Schneidwerkzeug 68 auf den
Körper 60 bewegen,
keine Winkelbewegung des Schneidwerkzeugs 68 infolge der
Relativbewegung des Getriebes bzw. Zahnradvorgeleges 80 auftritt.
In diesem Zusammenhang ist der Getriebezug 80a bis 80b in
zwei Sätze
mit Rädern
bzw. Zahnrädern 80a bis 80c eines
Satzes, der drehbar auf einem ersten Arm 81a gehalten ist,
der schwenkbar an einem Ende der Welle 62 befestigt ist,
und mit Rädern 80d bis 80f des
zweiten Satzes unterteilt, der drehbar an einem zweiten Arm 81b befestigt
ist, der seinerseits schwenkbar an einem Ende der Welle 82 angebracht ist,
wobei die anderen Enden der Arme 81a, 81b aneinander
angelenkt sind.
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Das
bei dem Hauptrotor-Herstellungsverfahren verwendete Schneidwerkzeug 68 ist
ein sternförmiges
Mehr-Zahn-Schneidwerkzeug,
das das erforderliche Hauptrotorprofil erzeugt. Das Schneidwerkzeug 68 entfernt
Material durch eine Schleif-, Fräs-, Hobel-
und Drechselwirkung. Das Hauptrotorwerkstück 60 und das Schneidwerkzeug 68 werden
synchron gedreht. Im einzelnen wird die relative Drehung zwischen
dem Schneidwerkzeug 68 und dem Rotorkörper 60, die zur Materialentfernung
erforderlich ist, dadurch erreicht, daß der Körper 60 und das Schneidwerkzeug 68 mit
Geschwindigkeiten gedreht werden, die proportional zu dem Verhältnis der Hauptrotornuten
zu den Absperrrotorzähnen
sind. Beispielsweise hat der Hauptrotor 12 gemäß den 1 und 2 6
Nuten, wie am besten aus 2 zu ersehen ist, während jeder
Absperrotor 14, 16 elf Zähne hat, weshalb die Geschwindigkeit
des Schneidwerkzeugs 68 6/11 der Geschwindigkeit des Körpers 60 beträgt. Außerdem bewegt
sich am Anfang der Bearbeitung die Drehachse des Schneidwerkzeugs 68 relativ
zur Drehachse des Rotorkörpers 60.
Diese Bewegung in Richtung des Hauptrotorkörpers 60 ist in 3 durch
den Pfeil 94 angezeigt. Während dieser Bewegung verbleibt
der Drehradius des Schneidwerkzeugs 68 jedoch konstant. Die
Vorschubgeschwindigkeit in Richtung des Pfeils 94 ist durch
das Material des Blocks 60, das Material und die Festigkeit
des Schneidwerkzeugs 68, die Art des Schneidwerkzeugs 68,
die Stabilität
der Halterung des Körpers 60 und
des Schneidwerkzeugs 68, durch die aufgebrachte Kraft und
dadurch bestimmt, ob Kühlung
angewandt wird oder nicht.
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Der
Mehrpunkt-Bearbeitungsprozeß unter Verwendung
des Mehrzahn-Schneidwerkzeugs 68 ist eine schnelle Lösung, da
mehrere Zähne
zur selben Zeit Material abtragen. Diese Lösung bringt ferner signifikant
niedrige Werkzeugspannungen und Werkzeugabnutzung mit sich. Wenn
zudem ein oder zwei Zähne
brechen, muß die
Bearbeitung nicht aufgeschoben werden. Außerdem hat das Mehrpunkt-Schneidwerkzeug Schneidkanten,
die Material durch die Wirkung der Werzeugflanken und der Vorderkante
entfernen, wobei der Hauptschneidvorgang an den Flanken auftritt.
Dies führt
zu einem hohen Maß an
Variabilität
bei dieser Mehrpunktlösung.
Jeder Zahn kann an jeder Seite schneiden, wechselweise aufeinanderfolgende
Zähne können wechselweise
aufeinanderfolgende Flanken der Hauptrotornut 22 schneiden
und einige Zähne
können
so ausgebildet sein, daß sie
nur leichten Feinschliff ausführen, wobei
dies in näheren
Einzelheiten beschrieben wird. Das Schneidwerkzeug 68 hat
typischerweise eine Anzahl von Zähnen,
die der Anzahl der Zähne
des Absperrotors bzw. Torrotors entspricht, der mit dem herzustellenden
Hauptrotor verwendet wird. Das Schneidwerkzeug 68 könnte weniger
Zähne haben, was
zu einer geringeren Materialmenge und damit zu einer längeren Bearbeitungszeit
führen
würde.
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Das
Profil und die Form jedes Schneidwerkzeugzahns ist nicht äquivalent
mit der Form der endgültigen
gewünschten
Hauptrotornutgeometrie. Die endgültige
Geometrie wird durch einen zusätzlichen Grad
an Freiheit erhalten, die das Schneidwerkzeug 68 während der
Synchrondrehung mit dem Hauptrotorkörper 60 erhält. Dieser
extra-Freiheitsgrad ist eine relative Geschwindigkeitsänderung
zwischen dem Schneidwerkzeug 68 und dem Hauptrotorkörper 60,
bewirkt durch die Phasenabgleichvorrichtung 84 während des
Schneidvorgangs. Im einzelnen ruft die Phasenabgleichvorrichtung 84 eine
kleine und kurzzeitige, jedoch wichtige Änderung in der Drehgeschwindigkeit
des Schneidwerkzeugs 68 hervor, während die Drehgeschwindigkeit
des Hauptrotorkörpers 60 konstant
bleibt, wodurch die Position der Schneidkante des Schneidwerkzeugs 68 relativ
zu dem Material des Körpers 60 während des
Bearbeitungsvorgangs verlagert wird, wobei die Geschwindigkeitsänderung
eine Winkelphasenänderung
hervorruft. Dies kann als Positionsphasenänderung betrachtet werden,
wobei die Geschwindigkeitsänderung
eine Winkelphasenänderung
hervorruft. Alternativ könnte
die Geschwindigkeit des Hauptrotorkörpers 60 geändert werden,
während
die Geschwindigkeit des Schneidwerkzeugs 68 konstant gehaltn
wird, um dieselben Ergebnisse zu erhalten. Das Vorstehende ermöglicht die
Verwendung eines Mehrpunktwerkzeugs oder Schneidwerkzeugs 68 auf
sehr flexible Weise mit dem Ergebnis, daß ein vorgegebenes Schneidwerkzeug
die Möglichkeit
hat, unterschiedliche Hauptrotorgeometrien zu erzeugen, und zwar
mit unterschiedlichen zulässigen
Toleranzen.
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Der
Hauptrotorherstellungsprozeß ermöglicht viele
Kombinationen der Parameter des Schneidwerkzeugprofils und damit
der Nutgeometrie. Der Schneidwerkzeugaufbau ist eine Funktion des
zu schneidenden Hauptrotormaterials, der zum Schneiden verfügbaren Kraft,
der Ge schwindigkeit, mit der geschnitten werden soll, des Grades
der erforderlichen Vorbearbeitung und der Oberflächenfeinheit der Nut, um einige
Faktoren zu erwähnen.
Jedes Mehrpunktwerkzeug hat die Möglichkeit, eigenartige Variationen
der Hauptrotoren herzustellen. Beispielsweise ist es möglich, mit
demselben Schneidwerkzeug auf derselben Werkzeugmaschine und mit
demselben Aufbau, d. h. ohne Entfernung des Schneidwerkzeugs, Hauptrotoren
zu erzeugen, die unterschiedliche Abstände zu passenden Bauteilen
und unterschiedlich zulässige
Toleranzbereiche haben.
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Der
Hauptrotor-Herstellungsvorgang kann mit einem einzigen Schneidwerkzeug
oder mit mehreren Schneidwerkzeugen ausgeführt werden. Als Beispiel für letzteres
würde der
Prozeß mit
einem ersten oder groben Schneidwerkzeug beginnen, gefolgt von einem
zweiten oder Zwischenschneidwerkzeug, und mit einem dritten oder
Feinbearbeitungsschneidwerkzeug enden. Dies ist in den 4 bis 9 abgebildet,
wobei die gegenüberliegenden Flächen eines
ersten oder groben Schneidwerkzeugs 100 in den 4 und 5 abgebildet
sind. Das Schneidwerkzeug 100 hat einen scheibenähnlichen
Hauptkörper 102 und
mehrere identische Zähne 104,
die in Umfangsrichtung beabstandet sind und sich von dem Körper 102 radial
nach außen
erstrecken. Jeder Zahn 104 hat relativ kurze Flanken 106, eine
im wesentlichen konstante Breite und endet in einer relativ breiten
Vorder- oder Außenkante 108.
An einer Fläche
jedes Zahns 104 ist eine Anflächung bzw. flache Schicht ausgespart,
die einen Karbideinsatz 110 aufnimmt, der mit einer geeigneten
Befestigungseinrichtung 112 angebracht ist, um den Abrieb zu
verringern und die Schneidwirkung zu erhöhen.
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Die 6 und 7 zeigen
ein Zwischenschneidwerkzeug 116 mit einem scheibenähnlichen Hauptkörperabschnitt 118 und
mehreren im wesentlichen identischen Zähnen 120, die in Umfangsrichtung
beabstandet sind und sich von dem Körper 118 radial nach
außen
erstrecken. Jeder Zahn hat relativ längere Flanken 122 im
Vergleich zu dem Schneidwerkzeug 100, hat eine radial nach
außen
schräg
zulaufende Breite und endet in einer relativ kürzeren Außenkante 124. Die 8 und 9 zeigen
ein Feinbearbeitungsschneidwerkzeug 126 mit einem scheibenähnlichen
Hauptkörperteil 128 und
mehreren identischen Zähnen 130,
die in Umfangsrichtung beabstandet sind und sich radial von dem
Körper 128 nach
außen
erstrecken. Jeder Zahn hat eine glatte Flanke 132 und eine
gezackte Flanke 134. Die Flanken sind etwas länger als
diejenige des Schneidwerkzeugs 116 mit dem Ergebnis, daß sich jeder
Zahn zu einer relativ kürzeren
Außenkante 138 verjüngt.
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Die
gezackten Kanten des Schneidwerkzeugs 126 erzeugen kleinere
Metallchips bzw. -Späne
während
des Schneidvorgangs, wodurch die Belastung des Werkzeugs reduziert
wird. Außerdem
hat gemäß den 8 und 9 jeder
Zahn des Schneidwerkzeugs 126 nur eine Schneidkante, d.
h. die Kante mit den Zacken 134. Dies hat den Zweck, die
Belastung zu reduzieren. Wenn es andererseits kein Belastungsproblem
gibt, kann jeder Schneidwerkzeugszahn zwei Schneidkanten haben.
Dies hätte
andererseits den Vorteil, daß die
Notwendigkeit vermieden ist, das Schneidwerkzeug umzukehren, wenn
der Schneidvorgang von einer Nutflanke zur anderen umgeschaltet
wird, was noch näher
beschrieben wird. Bei dem in den 8 und 9 abgebildeten
Schneidwerkzeug 126 mit einer einzigen Kante ist es erforderlich,
das Schneidwerkzeug umzukehren, wenn der Schneidvorgang von einer
Nutflanke zur anderen geändert
wird.
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Aus
dem Vorstehenden ergibt sich, daß eine breite Vielzahl von
Schneidwerkzeuggrößen, -Geometrien
und Ausgestaltungen möglich
ist. In den 8 und 9 sind Einzel-Schneidkanten
zur Verringerung der Belastung dargestellt. Eine andere Lösung zur
Verringerung der Belastung sind abwechselnde Schneidkanten. Beispielsweise
können,
mit Bezug auf die 6 und 7, abwechselnde Schneidkanten
erreicht werden, indem die rechten Flanken jedes zweiten Zahns 120 Schneidkanten sind.
Wenn außerdem
die linken Flanken jeden zweiten Zahns 120 ebenfalls Schneidkanten
sind, müßte das
Schneidwerkzeug 126 nicht umgekehrt werden, wenn der Schneidvorgang
von einer Nutflanke zur anderen geändert wird. Alternierende Schneidkanten werden
zur Verringerung der Belastung verwendet, wenn jedoch ein Belastungsproblem
nicht besteht, können
Schneidkanten an beiden Flanken jedes Schneidwekzeugszahns vorgesehen
sein.
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Die 10 bis 16 zeigen
verschiedene Zustände
während
der Ausbildung der Nut 22 in dem Körper 60 durch das
erfindungsgemäße Hauptrotorherstellungsverfahren.
In jeder dieser Ansichten enthält
die Nut 22 zwei Seitenwandflächen, die sich von einer Nutbodenwand
erstrecken, und diese sind in entsprechenden Ansichten der verschiedenen
Zustände
ihrer Aus bildung dargestellt. Während
jede Ansicht nur einen einzigen Schneidwerkzeugszahn zur Erleichterung
der Abbildung zeigt, trifft diese Abbildung für alle Schneidwerkzeugzähne zu. 10 zeigt
den Anfangszustand bei der Bildung der Nut in dem Körper 60,
wenn jeder Schneidwerkzeugzahn beginnt, allmählich Material von dem Körper 60 zu entfernen.
Im einzelnen ist ein einziger Zahn 150 eines Schneidwerkzeugs 152 während eines
frühen Zustandes
des fortschreitenden Eindringens in den Körper 60 dargestellt,
wenn das Schneidwerkzeug 152 und der Körper 60 mit sychronisierten
Geschwindigkeiten gedreht werden, sowie während des frühen Zustandes
der fortschreitenden linearen Bewegung des Schneidwerkzeugs 152 in
Richtung des Körpers 60.
Der Zahn 150 hat zwei Flanken 154, 156,
die sich radial von dem scheibenähnlichen
Schneidwerkzeugkörper
nach außen
erstrecken und in einer Außenkante 158 enden.
Die in 10 abgebildete Nut hat zwei
Seitenwände 160 und 162,
die durch die Schneidwirkung der Zahnflanken 154 bzw. 156 gebildet
sind, und eine Innen- oder Bodenwand 164, die durch die
Schneidwirkung der Zahnkante 158 gebildet ist. Während nur
ein einziger Zahn 150 abgebildet ist, versteht es sich,
daß das
SchneidWerkzeug 152 mehrere Zähne hat, die mit dem Zahn 150 identisch sind
und sich radial von dem Körper
des Schneidwerkzeugs 152 im Umfangsabschnitt nach außen erstrecken, ähnlich wie
dies bei den Schneidwerkzeugen gemäß den 4 bis 9 abgebildet
ist. Wenn der Körper 60 und
das Schneidwerkzeug 152 relativ zueinander gedreht werden,
und das Schneidwerkzeug 152 linear zunehmend in Richtung
des Körpers 60 bewegt
wird, werden im Ergebnis die Nutseitenwände 160, 162 und
die Innenwand 164 entlang des Körpers 60 in einer
spiralförmigen
Bahn ausgebildet. Während
das in 10 abgebildete Schneidwerkzeug 100 gemäß den 4 und 5 ähnelt, kann dieser
Vorgang mit jedem ausgewählten
Schneidwerkzeug sternförmiger
Mehrzahngestalt ausgeführt werden.
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Die 11 und 12 zeigen
den Zustand bei der Ausbildung der Nut, bei der die endgültige Nuttiefe
erreicht ist. Im einzelnen ist ein einziger Zahn 170 eines
Schneidwerkzeugs 172 am Ende des progressiven Eindringens
in den Körper 160 abgebildet, wenn
das Schneidwerkzeug 172 und der Körper 60 mit sychronisierten
Geschwindigkeiten relativ zueinander gedreht werden, und demnach
am Ende der progressiven linearen Bewegung des Schneidwerkzeugs 172 in
Richtung des Pfeils 173 auf den Körper 60 zu. Der Zahn 170 hat
eine radial nach außen
sich verjüngende
Breite und zwei Zahnflanken 174, 176, die sich
von dem scheibenähnlichen
Schneidwerkzeugkörper
radial nach außen
erstrecken und in einer Außenkante 178 enden.
Die in den 11 und 12 dargestellte
Nut hat zwei Seitenwände 180 und 182,
die durch die Schneidwirkung der Zahnflanken 174 bzw. 176 ausgebildet
sind, sowie eine Innenwand oder Boden 184, die durch die
Schneidwirkung der Zahnkante 178 ausgebildet ist. Die endgültige Tiefe
der Nut wird zwischen der Nutinnenwand 184 und der Außenfläche des
Körpers 60 gemessen
und wird durch die Dimension angezeigt, die in 11 mit 188 bezeichnet
ist. Während
nur ein einziger Zahn 170 abgebildet ist, versteht es sich,
daß das
Schneidwerkzeug 172 mehrere Zähne hat, die mit dem Zahn 170 identisch
sind und sich von dem Körper
des Schneidwerkzeugs 152 im Umfangsabstand radial nach
außen
erstrecken, wie dies bei den Schneidwerkzeugen gemäß den 4 bis 9 der
Fall ist. Wenn der Körper 60 und
das Schneidwerkzeug 172 relativ zueinander gedreht werden
und das Schneidwerkzeug 172 allmählich auf den Körper 60 zu
bewegt wird, werden die Nutseitenwände 180, 182 und Innenwand 184 in
einer spiralförmigen
Bahn entlang des Körpers 60 ausgebildet.
Während
das Schneidwerkzeug 172 in den 11 und 12 dem Schneidwerkzeug 116 in
den 6 und 7 ähnelt, kann der vorstehende
Vorgang mit jedem ausgewählten
Schneidwerkzeug einer sternförmigen Mehrzahngestalt
ausgeführt
werden. Außerdem kann
die Ausbildung der Nut von dem in 10 abgebildeten
Anfangszustand bis zu dem Zustand endgültiger Tiefe gemäß den 11 und 12 mit
anderen Schneidwerkzeugen in anderen Stufen als bei dem dargestellten
Beispiel ausgeführt
werden, oder unter Verwendung eines einzigen Schneidwerkzeugs von
einer Anfangstiefe zur Endtiefe.
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Aus
der Betrachtung der 11 ist ersichtlich, daß in dieser
Ausbildungsstufe der Nut deren Geometrie im wesentlichen mit dem
Profil und der Form der Schneidwerkzeugzähne übereinstimmt. In diesem Zusammenhang
und mit Ausnahme der oben beschriebenen Schneidwerkzeuge mit alternierenden
Flanken hat jedes in dem Hauptrotor-Herstellungsverfahren verwendete
Schneidwerkzeug Zähne mit
identischer Form, Größe und Profil.
Wie jedoch schon oben erwänt,
besteht ein wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Hauptrotor-Herstellungsverfahrens
darin, daß das
Profil und die Form jedes Schneidwerkzeugzahns nicht äquivalent
ist mit der Form der endgültigen,
gewünschten
Hauptrotornutgeometrie. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die endgültige
Nutgeometrie durch einen zusätzlichen
Freiheitsgrad erhalten, den das Schneidwerkzeug während seiner
sychronisierten Drehung bezüglich
des Hauptrotorkörpers 60 erhält. Dieser
Zusatzfreiheitsgrad basiert auf einer momentanen relativen Geschwindigkeitsänderung
zwischen der Drehung des Schneidwerkzeugs und der Drehung des Hauptrotorkörpers 60,
bewirkt durch die Phasenabgleichvorrichtung 84. Im einzelnen
ruft die Phasenabgleichvorrichtung 84 eine kleine, jedoch
bedeutende, kurzzeitige Änderung,
d. h. momentane Erhöhung oder
Verringerung der Drehgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs hervor,
während
die Drehgeschwindigkeit des Hauptrotorkörpers 60 konstant bleibt,
wodurch die Position der Schneidkante des Schneidwerkzeugs relativ
zu dem Material des Körpers 60 während des
Bearbeitungsprozesses verlagert wird, was die endgültige Geometrie
der Nutseitenwände
bestimmt. Dies kann als Positionsphasenänderung betrachtet werden,
wobei die Geschwindigkeitsänderung
eine Winkelphasenänderung
hervorruft. Abhängig
davon, welche Nutseitenwand bearbeitet werden soll, wird die Schneidwerkzeugsdrehgeschwindigkeit
gegenüber
der Drehgeschwindigkeit des Hauptrotorkörpers 60 erhöht oder verringert,
wie dies in den 13 bis 16 dargestellt
ist.
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Die
vorstehenden Ausführungen
werden durch die folgende Erläuterung
näher erklärt. Es sei angenommen,
daß zwei
Fahrzeuge mit 60 m. p. h. Seite an Seite entlang einer Autobahn
fahren. Für
einen kleinen Moment erhöht
der Fahrer des einen Fahrzeugs die Geschwindigkeit auf 65 m. p.
h., während
das andere Fahrzeug weiterhin mit 60 m. p. h. fährt. Das schnellere Fahrzeug
wird gegenüber
der Position des anderen Fahrzeugs vorrücken. Wenn die Geschwindigkeit
des einen Fahrzeugs wieder auf 60 m. p. h. zurückkehrt, fahren die Fahrzeuge
mit einem festen Abstand voneinander weiter. Somit führt die
momentane relative Geschwindigkeitsänderung zu einer relativen
Positionsänderung.
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In
den 13 und 14 ist
zur Vereinfachung der Darstellung dasselbe Schneidwerkzeug 172 dargestellt,
das zur Herstellung der endgültigen Nuttiefe
verwendet wurde, wie dies im Zusammenhang mit den 11 und 12 beschrieben
ist. Das Schneidwerkzeug 172 wird in Richtung des Pfeils 196 gedreht,
während
der Rotorkörper 60 in Richtung
des Pfeils 198 umläuft.
Während
der in den 13 und 14 abgebildeten
Stufe des Bearbeitungsverfahrens wird die Drehgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs 172 kurzzeitig
gegenüber
ihrer synchronisierten Geschwindigkeit oder Phasengeschwindigkeit
erhöht,
mit der die endgültige
Nuttiefe erreicht wurde, mit dem Ergebnis, daß die Schneidwerkzeugflanke 176 und
die Kante 178 weiteres Material von dem Körper 60 einwärts der
ursprünglich ausgebildeten
Nutseitenwand 182 antragen, um eine neue und endgültige Nutseitenwand 202 zu
bilden. Eine teilweise fertige Nutinnenwand 204 wird ebenfalls
erhalten. Die Lage der endgültigen
Nutseitenwand 202 wird durch das von der Phasenabgleichvorrichtung 84 hervorgerufene
Maß der
Erhöhung der
Drehgeschwindigkeit der Schneid vorrichtung 172 bestimmt.
Außerdem
wird dies stufenweise oder auf wachsende Weise aus mehreren Gründen ausgeführt. Zum
einen soll ein Über-schneiden
vermieden werden, zweiten im Einklang mit der Festigkeit und der
Schneidkapazität
des Werkzeugs stehen, und drittens erfordert es Zeit, die gesamte
spiralförmige Bahn
mit mehreren Rotornuten zu schneiden. Beispielsweise enthält in einer
Ausführungsform
die Phasenabgleichvorrichtung 84 einen Phasenpositionierer,
der kommerziell von Candy Corp. unter der Bezeichnung Modell Pos
1–2 erhältlich ist,
mit einer manuell betätigbaren
Drehsteuerung, die eine Skala mit Gradeinteilung enthält, um eine
Gradanzeige der voreilenden oder nacheilenden Beziehung zwischen der
Drehung der Einganswellen und Ausgangswellen der Phasenabgleichvorrichtung 84 anzugeben.
Somit wird eine gewünschte
Phasenänderung,
d. h. voreilende oder nacheiligende Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit
des Rotorkörpers
und der Schneideinrichtung durch ensprechende Einstellung der Steuerung
ausgewählt.
Im einzelnen wird von der Bedienungsperson eine wachsende Phasenänderung
ausgewählt,
und das Geräusch
des Schneidvorgangs wird von der Bedienungsperson akustisch überwacht,
um festzustellen, wann der Zuwachs oder Teil des Schneidvorgangs
beendet ist, wodurch die nächste
wachsende Phasenänderung
eingeleitet werden kann.
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Da
die Winkellage, d. h. der Neigungsgrad der Schneidwerkzeugflanke 176,
bekannt ist, kann die erforderliche Winkelphasenänderung zur Festlegung paralleler
Nutseitenwände
bestimmt werden. Dies ist aus einem Vergleich der Winkeländerung
in der Position der Flanken 176 gemäß den 11 und 13 ersichtlich.
In diesem Zusammenhang müssen
die endgültigen
Nutseitenwände
parallel in der Ebene der Absperrotoren liegen, damit der Betrieb einwandfrei
funktioniert. Während
des vorhergehenden Vorgangs verbleibt die Drehachse des Schneidwerkzeugs 172 stationär gegenüber der
Drehachse des Rotorkörpers 60.
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Während in
den 13 und 14 nur
ein einziger Zahn 170 abgebildet ist, geschieht das vorstehend
beschriebene mit jedem der zahlreichen Zähne, so daß dann, wenn das Schneidwerkzeug 172 und
der Rotorkörper 60 rotieren,
die Nutseitenwand 202 und Innenwand 204 in einer
spiralförmigen Bahn
entlang des Körpers 60 ausgebildet
werden. Während
zum Zwecke der Vereinfachung das Schneidwerkzeug 172 dargestellt
ist, kann der vorstehende Vorgang mit jedem ausgewählten Schneidwerkzeug
ausgeführt
werden, das mit der Nutgeometrie kompatibel ist, wenn die endgültige Nuttiefe
erreicht ist.
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Mit
Bezug auf die 15 und 16 wird das
Schneidwerkzeug 172 in Richtung des Pfeils 210 gedreht,
und der Rotorkörper 60 dreht
in Richtung des Pfeils 212. Während der in den 15 und 16 dargestellten
Stufe des Bearbeitungsvorgangs ist die Drehgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs 172 gegenüber ihrer
früheren
Geschwindigkeit oder Phasengeschwindigkeit verringert, in der die endgültige Nuttiefe
erhalten wurde, mit dem Ergebnis, daß die Schneidwerkzeugflanke 174 und
Kante 178 zusätzliches
Material von dem Körper 60 einwärts der
ursprünglich
ausgebildeten Nutseitenwand 180 abtrage, um eine neue und
endgültige
Nutseitenwand 218 zu bilden. Die endgültige Nutinnenwand 220 wird
auch erhalten. Das Vorstehende wird in Stufen ausgeführt unter
manueller Steuerung der Phasenabgleichvorrichtung 84, wie
weiter oben beschrieben. Die Lage der endgültigen Nutseitenwand 218 wird
durch die Größe und Dauer
der Verringerung der Drehgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs 172, hervorgerufen
durch die Phasenabgleichvorrichtung 84, bestimmt. Die Winkelphasenänderung,
die zur Erzielung paralleler Nutseitenwände erforderlich ist, wird
durch die Neigung der Flanke 174 bestimmt, wie weiter oben
beschrieben, und dies ist durch Vergleich der Winkeländerung
in der Position der Lage 174 in den 11 und 15 ersichtlich.
Während
des vorstehenden Vorgangs verbleibt die Drehachse des Schneidwerkzeugs 172 stationär zu der
Drehachse des Rotorkörpers 60.
Während
in den 15 und 16 nur
ein einziger Zahn 170 abgebildet ist, tritt der vorstehende
Vorgang bei jedem der zahlreichen Schneidwerkzeugzähne auf,
so daß während der Drehung
des Schneidwerkzeugs 172 und des Rotorkörpers 60 die Nutseitenwand 218 und
Innenwand 220 in einer spiralförmigen Bahn entlang des Körpers 60 ausgebildet
werden. Während
das Schneidwerkzeug 172 zur Vereinfachung der Darstellung
abgebildet ist, kann der vorstehende Vorgang mit jedem ausgewählten Schneidwerkzeug
ausgeführt
werden, das mit der Nutgeometrie kompatibel ist, die mit Erreichen
der endgültigen
Nuttiefe existiert.
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Somit
hat die endgültige
oder fertig bearbeitete Nut mit Seitenwänden 202 und 218 und
Innenwand 220 eine Geometrie, die sich von dem Profil und
der Form der Schneidwerkzeugzähne 170 unterscheidet.
Die endgültige
Nutgeometrie ist in vorteilhafter Weise un abhängig von der Schneidwerkzeugzahngeometrie
und nicht auf diese beschränkt,
so daß eine
beträchtliche
Flexibilität
und Variation in der endgültigen
Geometrie der Nuten möglich
ist, die durch das erfindungsgemäße Hauptrotor-Herstellungsverfahren
ausgebildet sind. Während
bei den vorhergehenden Vorgängen
beschrieben ist, daß die Schneidwerkzeuggeschwindigkeit
zuerst kurzzeitig erhöht
und dann kurzzeitig verringert wird, um die Nutseitenwand 202 vor
der Seitenwand 218 auszubilden, kann die Reihenfolge auch
umgekehrt sein, um die Seitenwand 218 vor der Seitenwand 202 auszubilden,
indem zuerst die Schneidwerkzeuggeschwindigkeit kurzzeitig gesenkt
und anschließend kurzzeitig
erhöht
wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel weiter
erläutert.
Ein Hauptrotorkörper
aus Aluminium mit einem Außendurchmesser
von 7,1 inch wurde mit 110 r. p. m gedreht. Zwei Schneidwerkzeuge
wurden während
aufeinanderfolgender Stufen des Bearbeitungsvorgangs eingesetzt.
Das erste Schneidwerkzeug oder Vorbearbeitungsschneidwerkzeug mit
relativ breiteren Zähnen bestand
aus Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und hatte eine Außendurchmesser
von 6,6 inches. Dieses Schneidwerkzeug wurde mit 60 r. p. m. gedreht,
und die Vorschubgeschwindigkeit des Schneidwerkzeuges in Richtung
des Rotorkörpers betrug
0,05 inch/min. Die auf dieses Schneidwerkzeug nach der endgültigen Eindrigung
von 1,2 inches ausgeübte
Phasenänderung
betrug 0,06° für alle 13 Drehungen
des Rotorkörpers.
Ein zweites Schneidwerkzeug oder Endbearbeitungswerkzeug mit relativ schmaleren
Zähnen,
ebenfalls aus Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl, mit einem Außendurchmesser
von 7,1 inch, wurde dann eingesetzt und mit 60 r. p. m. gedreht.
Die Vorschubgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs in Richtung des
Rotorkörpers
betrug 0,03 inch/min. Das Schneidwerkzeug drang zusätzlich 0,25
inch für
eine endgültige
Nuttiefe von 1,45 inch ein. Die auf dieses Schneidwerkzeug nach dem
endgültigen
Eindringen ausgeübte
Phasenänderung
betrug 0,06° für alle dreizehn
Drehungen des Rotorkörpers.
Die Phasenabgleichvorrichtung 84 war ein Candy Corp. Modell
Pos 1–2,
wie oben erwähnt, und
die Rechtwinkelgetriebebox 72 war von Boston Gear kommerziell
erhältlich.
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In
der Anordnung gemäß 2 ist
das Geschwindigkeitsverhältnis
zwischen dem Rotorkörper 60 und
dem Schneidwerkzeug 68 durch die Transmission einschließlich der
Zahnräder 80 und 86 bestimmt,
die der Geschwindigkeitsänderung
unterworfen sind, die von der Phasenabgleichvorrichtung 84 hervorgerufen
wird. Alternativ können
der Körper 60 und
das Schneidwerkzeug separat von bürstenlosen Gleichstrommotoren
mit einem Geschwindigkeitsverhältnis
angetrieben werden, das von einer geeigneten elektronischen Servosteuereinrichtung
gesteuert wird. Die elektronische Steuerung ruft auch die Phasenänderung
hervor, die für
eine gewünschte
Nutgeometrie erforderlich ist. Da bürstenlose Gleichstrommotoren
mit relativ hoher Geschwindigkeit laufen, wird eine die Geschwindigkeit
verringernde Transmission wie ein Riemen oder ein Getriebe zwischen dem
Schneidwerkzeug 68 und seinem Antriebsmotor verwendet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.