DE4143450C2 - Feinausbohrwerkzeug, insbesondere für Durchgangsbohrungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Feinausbohrwerkzeug, insbesondere für Durchgangsbohrungen, mit hohlzylindrischem Werkzeuggrundkörper, in der Zylinderbohrung des Werkzeuggrundkörpers axial bewegbarem Zahnsegment und in einer Radialbohrung des Werkzeuggrundkörpers verschiebbar geführtem zylindrischen Werkzeugschaft mit Werkzeugschneide, wobei das Zahnsegment zahnstangenartige Einkerbungen aufweist, die in ihren Längserstreckungen unter einem spitzen Winkel zur Längsmittenachse der Zylinderbohrung an einer ebenen Zahnsegmentfläche angeordnet sein, und wobei der Werkzeugschaft mit einer Verzahnung ausgerüstet ist, die an den Einkerbungen des Zahnsegments gleitend anliegt.

Durch Rotation mit sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten ist eine Endbearbeitung beim Bohren von Durchgangsbohrungen durchführbar. Vorzugsweise, aber nicht beschränkend, ist das Werkstück dabei stationär bezüglich einer Rotationsbewegung.

Das aus der DE 32 45 195 A1 bekannte Bohrwerkzeug, von dem die Erfindung ausgeht, ermöglicht eine automatisierte Verstellung der Werkzeugschneide. Eine Feder ermöglicht eine Vorspannung einer inneren Verstellhülse gegen eine äußere Verstellhülse über einen Schneidenträger-Verstellstab, welcher mit der inneren Verstellhülse verbunden ist. Zwar kann damit eine spielfreie Anlage von Gewindeflanken der Verstellhülsen in Vorspannrichtung gewährleistet sein, jedoch geht nicht hervor, wie eine Spielfreiheit des Schneidenträgers gewährleistet sein soll. Bei einem weiteren aus DE 24 09 143 A1 bekannten Feinbohrwerkzeug ist dem Werkzeugschaft unmittelbar ein Skalenglied mit Feingewinde zugeordnet. Die Werkzeugschneide ist in Schritten einstellbar, die beachtlich größer sind als ein Mikrometer. Aus dieser bekannten Vorrichtung geht kein Hinweis in Richtung auf eine Feineinstellung im Nanometerbereich hervor. Auch die Reproduzierbarkeit der Einstellung der Werkzeugschneide ist nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feinausbohrwerkzeug für die Endbearbeitung von Präzisionsbohrungen anzugeben, dessen Werkzeugschneide in reproduzierbaren Schritten mit Schrittweiten von weniger als einem Mikrometer verstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einem Feinausbohrwerkzeug der eingangs beschriebenen Art,
daß in der Zylinderbohrung des Werkzeuggrundkörpers eine Stellschraube mit Feingewinde drehbewegbar und axialunbewegbar gelagert ist und daß die Stellschraube eine Axialbohrung des Zahnsegments durchfaßt,
daß auf das Feingewinde der Stellschraube eine Gewindebuchse aufgesetzt ist, die in einer mit dem Zahnsegment verbundenen Spannbuchse, welche aus zwei miteinander verschraubbaren Spannbuchsenteilen besteht, drehfest angeordnet und durch Drehung der Stellschraube axialbewegbar ist, wobei die Gewindebuchse endseitige Außenkonusflächen sowie von beiden Endseiten ausgehende Längsschlitze aufweist,
daß die Spannbuchsenteile jeweils den Außenkonusflächen der Gewindebuchse zugeordnete Spannflächen aufweisen, wobei die Gewindebuchse durch Verschrauben der Spannbuchsenteile elastisch in radialer Richtung stauchbar und dadurch das Gewindespiel zwischen der Gewindebuchse und der Stellschraube reduzierbar ist,
daß die Stellschraube stirnseitig aus dem Werkzeuggrundkörper herausgeführt ist sowie an ihrem äußeren Ende einen Einstell-Drehknopf mit einer Skala aufweist, durch dessen Betätigung die Werkzeugschneide in Schritten von weniger als einem Mikrometer radial feinverstellbar ist,
daß der Werkzeugschaft in Werkzeugschaftlängsrichtung eine Bohrung mit einer Fensteröffnung im Bereich der Verzahnung aufweist, wobei die Verzahnung des Werkzeugschaftes an einer Sekantenfläche randseitig von der Fensteröffnung angeordnet ist,
daß in der Bohrung des Werkzeugschaftes ein Spannbolzen geführt ist, der eine zur Verzahnung coplanare Spannbolzenverzahnung aufweist, wobei sowohl die Verzahnung des Werkzeugschaftes als auch die Spannbolzenverzahnung in die zahnstangenartigen Einkerbungen des Zahnsegments eingreifen, und
daß der Spannbolzen zum Zwecke einer Totgangbeseitigung zwischen dem Zahnsegment und dem Werkzeugschaft durch einen in die Bohrung endseitig eingesetzten Gewindestopfen verstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Lehre ermöglicht präzise und reproduzierbare Einstellung des Werkzeugschaftes im Nanometerbereich. Die Übertragung zwischen bewegbaren Teilen des Feinausbohrwerkzeuges erfolgt spielfrei, und zwar unabhängig von der Drehrichtung der Stellschraube.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Feinausbohrwerkzeuges sind Gegenstand der nachgeordneten Patentansprüche. Die Patentansprüche 2 und 3 betreffen eine bevorzugte Ausgestaltung der Spannbolzenverzahnung sowie Maßnahmen zur Sicherung des Spannbolzens in der Bohrung des Werkzeugschaftes. Die dort beschriebenen konstruktiven Maßnahmen fördern eine totgangsfreie Bewegungsübertragung zwischen dem Zahnsegment und dem Werkzeugschaft. Die Patentansprüche 4 bis 6 beschreiben bevorzugte konstruktive Ausgestaltungen, die eine spielfreie Lagerung der Stellschraube sowie eine für die präzise Verstellung der Stellschraube ebenfalls erforderliche drehsichere Befestigung des Drehknopfes auf der Stellschraube gewährleisten. Eine ungewollte Verstellung der Stellschraube kann durch die in Patentanspruch 7 beschriebene konstruktive Maßnahme verhindert werden. Auch dies trägt dazu bei, daß Präzisionsbohrungen mit einer im Nanometerbereich liegenden Genauigkeit hergestellt werden können. Für die Präzisionsbearbeitung tiefer Bohrungen empfiehlt die Erfindung schließlich in den Patentansprüchen 8 und 9 beschriebene Maßnahmen für die Lagerung des Werkzeuggrundkörpers an einer Antriebsmaschine.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Längsansicht eines Feinausbohrwerkzeugs, welches vorzugsweise zur Endbearbeitung von Durchgangsbohrungen bestimmt ist,

Fig. 2 Längsansicht des Feinausbohrwerkzeugs in der Schnittebene A-A der Fig. 1,

Fig. 3 Querschnitt des Feinausbohrwerkzeugs in der Schnittebene B-B der Fig. 2,

Fig. 3a Querschnitt in der Schnittebene C-C der Fig. 3,

Fig. 3b vergrößerte Ausschnittszeichnung der Fig. 3,

Fig. 3c vergrößerte Ausschnittszeichnung des Querschnitts der Fig. 3b, wobei die Wirkungsweise der Teile während der spielfreien Einstellung dargestellt ist,

Fig. 3d Querschnitt des Feinausbohrwerkzeugs in der Schnittebene B-B der Fig. 2, und zwar ausschnittsweise in einer weiteren Ausgestaltung,

Fig. 4 Detailansicht der Befestigung im Bereich der Werkzeugspitze,

Fig. 5 alternative Detailansicht der Befestigung im Bereich der Werkzeugspitze.

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Feinausbohrwerkzeug dient vorzugsweise der Endbearbeitung von Durchgangsbohrungen. Durch die in den Fig. 4, 5 dargestellte Befestigungsanordnung kann der Arbeitsbereich zwischen dem kleinsten und dem größten möglichen Bearbeitungsdurchmesser erhöht werden, wodurch ein Feinausbohrwerkzeug für Bohrungsdurchmesser mit größerem Arbeitsbereich benutzt werden kann.

Das Feinausbohrwerkzeug besteht aus einem zylindrischen Werkzeuggrundkörper 10 mit einer durchgehenden Bohrung 1, die entlang der Längsausdehnung des Körpers gestuft ist sowie ein Zahnsegment 20, im folgenden kurz als Segment bezeichnet, aufnimmt, und aus einer Stellschraube 30 mit Feingewinde, nachfolgend auch Mikrometerschraube genannt. Das Zahnsegment 20 und die Mikrometerschraube 30 sind auf einer gemeinsamen geometrischen Achse angeordnet. Die Mikrometerschraube 30 ist an einem Ende mit einem als Außengewinde ausgeführten Gewindestück 31 ausgestattet. Dieses Ende der Mikrometerschraube 10 ist frei durch eine axiale Bohrung in dem verzahnten Segment 20 hindurchführbar und mit einem Innengewinde 21, welches in einer Gewindebuchse 24 nachfolgend kurz Buchse genannt, eingerichtet ist, gekoppelt, wobei die Buchse 24 zwischen zwei miteinander verschraubbaren Spannbuchsenteilen 25, 26 gehalten ist. Das Spannbuchsenteil 25 ist an einem Ende des verzahnten Segmentes 20 mittels eines Gewindes 20a fixiert. Das Feinausbohrwerkzeug weist weiterhin einen Ring 40, welcher die Mikrometerschraube 30 führt, einen Abstandsring 41 und einen Stellschraubenstützring 42, im folgenden als Mikrometerschraubenstützring bezeichnet, welche ebenfalls die Mikrometerschraube 30 führen, einen drehbaren Einstelldrehknopf 43, im folgenden kurz als Einstellknopf bezeichnet, eine gesicherte Mutter 44, welche mit einem Gewindestift 44a sowie mit einem Sicherungselement 44b ausgestattet und auf ein Gewindeende 32 der Mikrometerschraube 30 aufgeschraubt ist, sowie einen Positionierungsring 13, welcher an dem Ende des Werkzeuggrundkörpers 10 angeordnet ist und durch eine Schutzhülle 14 abgedeckt ist, auf.

Der Fig. 3 ist entnehmbar, daß der Werkzeuggrundkörper 10 eine weitere Bohrung 2 aufweist, welche vorzugsweise, aber nicht beschränkend, im rechten Winkel zur Werkzeuggrundkörper-Längsmittenachse angeordnet ist, und wobei in der Bohrung 2 ein Werkzeugschaft 50 eingerichtet ist, welcher eine mit einer Befestigungsschraube 55 und Klammer 55a′ befestigte Werkzeugspitze 51 aufweist.

Gemäß Fig. 2 ist die Buchse 24 mit Außenkonen 24a an ihren Enden ausgestattet, welche mit korrespondierenden Spannflächen 25a, 26a, die in den Spannbuchsenteilen 25, 26 innenseitig eingerichtet sind, in Verbindung stehen. Die Buchse 24 ist ferner mit geschlitzten Sektionen 24b, welche in Längserstreckung in sie eingebracht sind, auf beiden Seiten ausgestattet. Die geschlitzten Sektionen 24b sind zwischeneinander in einer solchen Weise eingesetzt, daß die Schlitze, welche an einem Ende beginnen, nicht durch das andere Ende gehen.

Eine Totgangreduzierung zwischen dem Außengewinde der Mikrometerschraube 30 und dem Innengewinde 21 in der Buchse 24 ist durch Anziehen des Spannbuchsenteils 26 einrichtbar. Bei Drehung des mit einem Außengewinde versehenen Spannbuchsenteils 26 in einem entsprechenden Innengewinde, welches in dem anderen Spannbuchsenteil 25 eingerichtet ist, preßt dieses die Buchse 24 an die Spannflächen 25a, 26a. In Zusammenwirkung mit den geschlitzten Sektionen 24b wird dadurch eine Kontraktion bewirkt, welche eine elastische Abnahme des Außendurchmessers der Außenbuchse 24 bewirkt und folglich den Durchmesser des Innengewindes 21 reduziert, welches das Gewinde der Mikrometerschraube 30 umfaßt, und zwar bis der Totgang zwischen besagten Gewinden völlig eliminiert ist, wobei jedoch eine leichte Drehbarkeit der Mikrometerschraube 30 noch möglich ist.

Ein Verriegelungsstift 27 ist radial in dem Spannbuchsenteil 25 angeordnet, wobei sein freies Ende in eine der geschlitzten Sektionen 24b in der Buchse 24 eingreift. Hierdurch wird verhindert, daß die Buchse 24 relativ zum Spannbuchsenteil drehbar ist.

In dem Bereich mit größerem Durchmesser des in Längserstreckung verlaufenden Bohrungsabschnittes 3 des zylindrischen Werkzeugkörpers 10 sind ein Ring 40, ein Abstandsring 41 und ein Mikrometerschraubenstützring 42 ohne Spiel angeordnet, welche ein Führungssystem bilden, in dem die Mikrometerschraube 30 drehbar und radial sowie axial geführt ist, wobei der Ring 40, der Abstandsring 41 und der Mikrometerschraubenstützring 42 mittels Schrauben 45 fixiert sind, die durch besagte Ringe hindurchgreifen und in die rückseitige Wand, welche Bohrungsabschnitt begrenzt, eingeschraubt sind.

Auf diese Weise wirken der Ring 40 und Mikrometerschraubenstützring 42 als radiale Führung bezüglich der Mikrometerschraube 30 in ihrem mittleren Bereich, wobei die Führung in radialer Richtung als spielfreie Führung eines Stellschraubenteilstückes 33, im folgenden als Mikrometerschraubenteilstück bezeichnet, der Mikrometerschraube 30 in der entsprechenden Bohrung des Ringes 40 wirkt. Eine Anschlagführung in axialer Richtung besteht aus gegenüberliegenden Stirnflächen des Rings 40 und des Mikrometerschraubenstützringes 42, die beabstandet sind durch den Abstandsring 41, wobei die Stirnflächen einen Ringlagerkragen 35 der Mikrometerschraube 30 zwischen den Mikrometerschraubenteilstücken 33, 34 halten und dadurch axiales Spiel der Mikrometerschraube 30 unterdrücken.

Die Mikrometerschraube 30 weist an ihrem äußeren Ende bezüglich des Werkzeuggrundkörpers 10 einen kegelförmigen Sitz 36 auf, wobei der Durchmesser in Richtung des äußeren Endes der Mikrometerschraube 30 abnimmt. Auf den kegelförmigen Sitz 36 ist ein Einstellknopf 43 aufgeschoben und durch eine gesicherte Mutter 44 fixierbar, welche ihrerseits auf einem extremen Gewindeende 32 der Mikrometerschraube 30 mittels eines Gewindestiftes 44a eines Sicherungselementes 44b gesichert ist. Das Sicherungselement 44b besteht aus Messing oder einem anderen Werkstoff vergleichsweise geringer Härte und ist geeignet, eine gesicherte Fixierung zu gewährleisten, ohne daß Gewindegänge des Gewindeendes 32 beschädigt werden.

Wie in der Fig. 1 dargestellt, ist am Randbereich des drehbaren Einstellknopfes 43 eine Skala 43a angeordnet, welche entweder auf den Einstellknopf 43 graviert oder auf einer mit dem Einstellknopf 43 drehfest verbundenen Scheibe aufgebracht ist, wobei die Skala 43a mit gleichmäßig beabstandeten Teilstrichen versehen ist. Die Skala 43a dient zur Ablesung einer Verschiebung der Werkzeugspitze 51, wenn der Einstellknopf 43 mit der Hand gedreht wird. In der Schutzhülle 14 ist eine Referenzmarkierung 43b gegenüber der Skala 43a eingraviert.

Mit dieser Art von Konusverbindung zwischen der Mikrometerschraube 30 und dem Einstellknopf 43, d. h. der Anordnung des Einstellknopfes 43 auf dem kegelförmigen Sitz 36, ist es möglich, in einer wählbaren Weise die Skala 43a bezüglich der Referenzmarkierung 43b auf Null zu setzen oder zurückzudrehen, wobei eine bestimmte Position der Werkzeugspitze 51 bezüglich der geometrischen Mitte des Werkzeuggrundkörpers 10 einstellbar ist und der Nullpunkt der Skala 43a mit der Referenzmarkierung 43b zur Deckung kommt. Nach dem Nullsetzen oder Zurücksetzen wird der Einstellknopf 43 auf dem kegelförmigen Sitz 36 mittels der gesicherten Mutter 44 festgesetzt, wodurch der zur Werkzeugverstellung drehbare Einstellknopf 43 drehfest mit der Mikrometerschraube 30 verbunden ist.

Der Fig. 2 ist entnehmbar, daß eine Drehung des Einstellknopfes 43 per Hand und folglich der Mikrometerschraube 30 bzw. des Gewindestückes 31 der Mikrometerschraube 30, welches in das Innengewinde 21 der Buchse 24 eingreift, ein axiales Gleiten des Segmentes 20 entlang der durchgehenden Bohrung 1 des Werkzeuggrundkörpers 10 bewirkt, wobei das Gleiten in beiden Richtungen, welche durch die Pfeile X und Y angegeben sind, wählbar ist in Abhängigkeit von der Drehrichtung des drehbaren Einstellknopfes 43.

Den Fig. 2 und 3 kann entnommen werden, daß mit dem axialen Gleiten des Segmentes 20 relativ zum Werkzeuggrundkörper 10 eine radiale Verschiebung des Werkzeugschaftes 50 bewirkt wird, mittels eines Übersetzungsmechanismus ins Langsame. Der Übersetzungsmechanismus ins Langsame ist gebildet durch zahnstangenartige Einkerbungen 22, welche außen an dem verzahnten Segment 20 in einer Sekantenebene seines zylindrischen Körpers angebracht sind, wobei die zahnstangenartigen Einkerbungen 22 in Längsrichtung unter einem spitzen Winkel α zur Längsmittenachse der Zylinderbohrung angeordnet sind, und wobei die zahnstangenartigen Einkerbungen 22 gleitend und spielfrei in die zugeordnete Verzahnung 52, welche in einer Sekantenebene des zylindrischen Körpers des Werkzeugschaftes 50 eingerichtet ist, eingreifen.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist eine radiale Verschiebung des Werkzeugschaftes 50 durchführbar, indem der Einstellknopf 43 per Hand in die Richtung des Pfeiles I gedreht wird, so daß das Gewindestück 31 eine axiale Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 in Richtung des Pfeiles X bewirkt. Dadurch werden die zahnstangenartigen Einkerbungen 22, die unter einem spitzen Winkel angeordnet sind und in engem Winkel mit der Verzahnung 52 des Werkzeugschaftes 52 des Werkzeugschaftes 50 stehen, axial verschoben und bewirken eine radiale Verschiebung des Werkzeugschaftes 50 bezüglich des Werkzeuggrundkörpers 10 in Richtung des Pfeiles Z. In entsprechender Weise wird ein Zurückzug des Werkzeugschaftes 50, d. h. seine Verschiebung in Richtung des Pfeiles W, durch Drehung des Einstellknopfes 43 in Richtung des Pfeiles R bewirkt.

Die beschriebene Einstellvorrichtung ermöglicht Verschiebungen des Werkzeugschaftes im Nanometerbereich und kann sowohl direkt an eine Hauptspindel einer Maschine gekoppelt werden als auch mit einem Verlängerungsschaft 70 gekoppelt werden im Falle der Bearbeitung tiefer Löcher, wobei der Verlängerungsschaft 70 mit der Hauptspindel der Maschine verbunden ist.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, ist zur Kopplung der Vorrichtung mit dem Verlängerungsschaft 70 das Kupplungsende des zylindrischen Werkzeuggrundkörpers mit einem Einschraubzapfen ausgerüstet. Der Einschraubzapfen weist einen Gewindeabschnitt 5 und einen Zentrierabschnitt 6 auf.

Demgemäß ist der Werkzeuggrundkörper 10 in dem Verlängerungsschaft 70 fest verbunden, indem der Gewindeabschnitt 5 in das entsprechende Innengewinde des Verlängerungsschaftgewindes 71 des Verlängerungsschaftes 70 eingeschraubt ist, wobei die feste Verschraubung dadurch gewährleistet ist, daß eine Verriegelungsschaftstirnfläche 72 des Verlängerungsschaftes 70 an einer Anschlagfläche 7 an diesem Ende des Werkzeuggrundkörpers 10 anschlägt.

Eine Zentrierung und Ausrichtung des Werkzeuggrundkörpers 10 mit dem Verlängerungsschaft 70 ist durch eine präzise Passung des um die Längsmittenachse des Werkzeuggrundkörpers 10 konzentrischen Zentrierabschnittes 6 in einer zugeordneten Bohrung gewährleistet. Diese ist in dem Inneren des Werkzeugschaftes 70 konzentrisch um die Längsmittenachse des Werkzeugschaftes 70 vorgesehen. Dabei steht der Anschlag der Verlängerungsschaftstirnfläche 72 an der Anschlagfläche 7 in einem rechten Winkel zur Längsachse des Werkzeuggrundkörpers 10.

Bei der Bearbeitung von tiefen Bohrungen und wenn das Feinausbohrwerkzeug stationär bleibt bezüglich einer Vorschubbewegung, ermöglicht ein Sitz 37, welcher konzentrisch an dem freien Ende der Mikrometerschraube 30 eingerichtet ist, daß das Feinausbohrwerkzeug an einem Reitstock 73 lagern kann, womit eine einseitige Lagerung verhindert und durch die zweiseitige Lagerung eine entsprechende Steifheit des Bohrwerkzeuges gewährleistet ist, was eine wichtige Bedingung für eine präzise Bearbeitung ist.

Selbst wenn der Reitstock 73 mit einer mitlaufenden Spitze ausgerüstet ist, kann ein leichter Widerstand aufgrund von Reibung in dem Konus des Sitzes 37 zu einer Drehung der Mikrometerschraube 30 bezüglich des Werkzeuggrundkörpers 10 führen, wodurch unbeabsichtigt der radiale Abstand GF-EG während der Bearbeitung verändert werden kann. Um eine unbeabsichtigte Veränderung des eingestellten Abstandes GF-RG zu verhindern, ist der drehbare Einstellknopf 43 mit einer Stirnflächenverzahnung 43c in seiner Stirnfläche gegenüber der Stirnfläche des Werkzeuggrundkörpers 10 ausgerüstet, wobei die Zähne in eine Verzahnung 13a eingreifen, welche an der Stirnfläche eines federbelasteten Positionierungsringes 13 vorgesehen ist, wobei dieser gleitend an dem Ende des Werkzeuggrundkörpers 10 angebracht ist und gegen die Stirnflächenverzahnung 43c mittels Federn 15 gedrückt wird sowie durch einen radial eingreifenden Stift 16 gehalten wird, welcher verhindert, daß der Positionierungsring 13 sich relativ zum Werkzeuggrundkörper 10 dreht.

Mit einer Drehung des Einstellknopfes 43 per Hand wird bewirkt, daß aufgrund der Drehung der Stirnflächenverzahnung 43c, deren Zähne ein Profil mit zur Zahnspitze zulaufenden Zahnflanken aufweisen und die in die Verzahnung 13a, deren Zähne ebenfalls zur Zahnspitze zulaufende Zahnflanken aufweisen, eingreift, der Positionierungsring 13 in Richtung des Pfeiles 13b (Fig. 2) bewegt wird, wodurch die Verbindung der Stirnflächenverzahnung 43c mit der Verzahnung 13a aufgehoben wird. Dadurch, daß die Stirnflächenverzahnung 43c und die Verzahnung 13a eine Anzahl Zähne haben, welche entweder doppelt so groß oder ein Vielfaches der Unterteilungen auf der Skala 43a ist, ist gewährleistet, daß bei einem erneuten Eingriff der Verzahnungen 43c, 13c mit aufeinanderfolgenden Zähnen eine maximale Drehung des Einstellknopfes 43 stattfindet, welche die Hälfte oder ein ganzteiliger Bruchteil eines ablesbaren Wertes zwischen zwei benachbarten Teilstrichen auf der Skala 43a ist.

Unter Berücksichtigung, daß das Feinausbohrwerkzeug für Präzisionsbearbeitungen einsetzbar ist, bei welchen das Feinausbohrwerkzeug bei sehr hohen Geschwindigkeiten arbeitet, und daß nur ein extrem niedriges Niveau an Vibrationen während des Betriebs zulässig ist, ist der Werkzeuggrundkörper 10 mit einem Auswuchtsystem für rotierende Massen wie in Fig. 3d gezeigt, ausgerüstet. Das Auswuchtsystem besteht beispielhaft aus zwei Gewichtsstücken 80, 81, welche in einem Schlitz 8 in Mitte des Werkzeuggrundkörpers 10 befestigt und in einer Sekantenebene parallel bezüglich der geometrischen Achse der Bohrung 2 angeordnet sind. Die Gewichtsstücke 80, 81 sind mit Langlöchern 82 ausgerüstet, durch welche Arretierungsschrauben 83 durchgreifen. Dadurch ist es möglich, daß die Gewichtsstücke 80, 81 in dem Schlitz 8 während des Auswuchtvorganges verschoben, positioniert und befestigt werden können.

Der Werkzeuggrundkörper 10 weist fernerhin an der Peripherie in einer Sekantenposition, aber in einem im wesentlichen rechten Winkel der Bohrung 2, einen abgerundeten Einschnitt 9 auf, wodurch der erforderliche Freiraum für die Befestigungsschraube 55 eingerichtet ist, welche die Werkzeugspitze 51 an dem Werkzeugschaft 50 klammert, wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt.

Zur Totgangreduzierung zwischen den zahnstangenartigen Einkerbungen 22, welche in dem verzahnten Segment 20 eingerichtet sind, und der Verzahnung 52′, welche in dem Werkzeugschaft 50′ eingerichtet ist, ist ein Spannbolzen 90 vorgesehen (Fig. 3b). Der Spannbolzen ist präzise und verschiebbar in einer Bohrung 53′ innerhalb des Werkzeugschaftes 50′ eingebaut. Der Spannbolzen 90 ist mit Zähnen oder einer Spannbolzenverzahnung 91 in der gleichen Ebene der Verzahnung 52′ des Werkzeugschaftes 50′ ausgestattet und wirkt auf Zähne oder zahnstangenartige Einkerbungen 22 des verzahnten Segments 20.

Eine Totgangreduzierung zwischen Zähnen, wie schematisch in der Fig. 3b gezeigt, ist erreichbar durch Justierung eines Gewindebolzens 92, welcher in ein Innengewinde des Werkzeugschaftes 50′ eingeschraubt ist, wobei die Justierung des Gewindebolzens 92 den verzahnten Spannbolzen 90 bezüglich des Werkzeugschaftes 50′ in die Richtung des Pfeiles 93 verschiebt, wodurch Flanken 94 der Verzahnung 52′, welche im Werkzeugschaft 50′ eingerichtet sind, gegen Flanken 22a der zahnstangenartigen Einkerbungen 22, welche in dem verzahnten Segment 20 eingerichtet sind, anliegen und Flanken 95 der Spannbolzenverzahnung 91, welche in dem Spannbolzen 90 eingerichtet sind, gegen Flanken 22b der zahnstangenartigen Einkerbungen 22, welche im verzahnten Segment 20 eingerichtet sind, anliegen. Sobald die Justierung mittels des Gewindebolzens 92 in solch einer Weise durchgeführt ist, daß die Zahnflanken in metallischen Kontakt dergestalt gebracht sind, daß keinerlei Totgang vorhanden ist und dennoch ein sanftes Gleiten des verzahnten Segments 20 und des Werkzeugschaftes 50′ gewährleistet ist, wird der Gewindebolzen 92 durch Anzug eines Sperrstiftes 96 verriegelt.

Unter Berücksichtigung des Bauteilesatzes 20, 90, 50′ und 92, wie in den Fig. 3, 3a und 3b dargestellt und beschrieben, wird deutlich, daß mit einer Vorwärtsbewegung des Gewindebolzens 92 durch Drehung in dem Inneren des Werkzeugschaftes 50′ der verzahnte Spannbolzen 90 vorwärts geschoben wird und bewirkt wird, daß dieser sich in die Richtung des Pfeiles 93 bewegt, während der Körper des Werkzeugschaftes 50′, in welchem sich der Gewindebolzen 92 dreht, gleichzeitig in eine Richtung, welche durch den Pfeil 93a angegeben ist, bewegt wird, d. h., in umgekehrter Richtung der Bewegung des verzahnten Spannbolzens 90.

Gemäß der Fig. 3b bewirkt die relative Bewegung des Spannbolzens 90 und des Werkzeugschaftes 50′ in entgegengesetzten Richtungen bezüglich ihrer Zähne, d. h., der Verzahnung 52′ des Werkzeugschaftes 50′ und der Spannbolzenverzahnung 91 des verzahnten Spannbolzens 90, welche auf gegenüberliegende Flanken 22a, 22b der zahnstangenartigen Einkerbungen 22 des verzahnten Segments 20 wirken, einen Rückzug des verzahnten Segmentes 20 in die Richtung des Pfeiles 100 und einen Rückzug des Spannbolzens 90 und des Werkzeugschaftes 50′ in die Richtungen der Pfeile 101 bzw. 102, wobei der Rückzug des Spannbolzens 90 und des Werkzeugschaftes 50′ entgegengesetzt zur Richtung des Rückzuges des verzahnten Segmentes 20 erfolgt. Dabei weisen die Zahnflanken konvergierende Profile auf. Die Zähne können eine dreieckig prismatische Form, die Form einer Evolvente, eine Form mit ungleichen Flankenprofilen oder eine andere Form haben, sofern die Zahndicke in Richtung der konvergierenden Linie an der Zahnspitze abnimmt.

Sobald eine Verschiebung des verzahnten Segments 20 und des Werkzeugschaftes 50′ erreicht ist und die beweglichen Teile ohne Spiel metallisch aufeinander gleiten, ist eine Bedingung für die Verhinderung einer winkligen Versetzung des verzahnten Segmentes 20 bezüglich des Werkzeuggrundkörpers 10 gewährleistet, da der tragende Kontakt an den gegenüberliegenden Flanken 22a, 22b der Zähne des verzahnten Segmentes 20 in seinem äußeren Bereich mit der Mittelachse der Mikrometerschraube 30 rechtwinklige Dreiecke A-B-C und D-B-C bildet, wie in Fig. 3c gezeigt, gemäß welcher die Zähne des verzahnten Segmente 20 in den Punkten A und D der Hypotenusen A-B und D-B in metallischem Kontakt mit zugeordneten Zähnen der Spannbolzenverzahnung 91 des verzahnten Spannbolzens 90 und der Verzahnung 51( des Werkzeugschaftes 50′ bei den Punkten E und F sind. Dadurch ist eine winklige Bewegung des verzahnten Segmentes 20 verhindert.

Den Fig. 2, 3 und 3b entnimmt man, daß die gleitende Bewegung frei von Totgang oder Spiel des Werkzeugschaftes 50′ und des verzahnten Segmentes 20 in den Bohrungen 2 bzw. 1 ist, daß die gleitende Bewegung auch frei von Totgang zwischen den Flanken der Zähne 22, 52′ und 91 ist, daß die Drehung der Mikrometerschraube 30 frei von Totgang im Bereich des Innengewindes 21 ist, und daß diese frei von axialem Totgang ist. Da alle bewegenden Teile in ihrer Verschiebung frei von Totgang sind, ist eine reproduzierbare Positionierung der Werkzeugspitze 51 sichergestellt, wobei der radiale Abstand GF-EG, welcher von dem weitesten Punkt der Werkzeugspitze zur Längsmittenachse des Werkzeuggrundkörpers 10 gemessen ist, mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer einstellbar ist.

Der Grad der Einstell- und Ablesungsauflösung des erfindungsgemäßen Feinausbohrwerkzeuges hängt von der aus zwei Einzelübersetzungen resultierenden Gesamtübersetzung ab.

Die erste Einzelübersetzung betrifft die Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 entlang einer Achse in Richtung der Mikrometerschraube 30, welche mit einer vollständigen Umdrehung des drehbaren Einstellknopfes 43 und folglich der Mikrometerschraube 30 erfolgt, und kann mathematisch durch einen Quotienten QI angegeben werden, der als das Verhältnis zwischen der Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 je Umdrehung der Mikrometerschraube 30 (aufgrund seiner Gewindesteigung) und der Zahl der Unterteilungen oder Teilstriche der Skala 43a Einstellknopfes 43 definiert ist.

Als Beispiel "a" für die erste Einzelübersetzung QI sei angeführt, daß eine Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 von 0,5 mm bei jeder vollständigen Umdrehung des Einstellknopfes 43 zusammen mit der Scheibe und der Skala 43a, welcher eine Funktion der Gewindesteigung der Mikrometerschraube 30 ist, d. h. 0,5 mm Umdrehung, und daß die drehbare Skala 43a fünfzig (50) Unterteilungen oder Teilstriche hat. Dann ist eine Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 auf 0,01 mm ablesbar, d. h. ein hundertstel eines Millimeters, für jede Unterteilung (Teilstrich) des mit der Skala 43a versehenen drehbaren Einstellknopfes 43. QI ist daher 0,5/50=0,01 mm Teilstrich.

Die zweite Einzelübersetzung kann mathematisch dargestellt werden durch einen Quotienten QII, der als das Verhältnis zwischen der Größe der Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 und der Größe der radialen Verschiebung aufgrund erstgenannter Verschiebung des Werkzeugschaftes 50′ und folglich der Werkzeugspitze 51 gegeben ist. Der Quotient QII ist eine Funktion des Winkels α.

Als Beispiel "b" für die zweite Einzelübersetzung QII sei angeführt, daß die Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 0,01 mm für jede Unterteilung (Teilstrich) der mit der Skala 43a versehenen Scheibe ist, und daß die radiale Verschiebung des Werkzeugschaftes 50′ beispielsweise 0,0005 mm je Unterteilung (Teilstrich) ist, wobei das Übersetzungsverhältnis ins Langsame gegeben durch den Ausdruck 0,01/0,0005=20 oder 1 : 20 ist, d. h., daß die radiale Verschiebung der Werkzeugspitze 51 um so viel Mal kleiner ist als die Verschiebung des verzahnten Segmentes 20, wie das Übersetzungsverhältnis ins Langsame angibt.

Eine bestimmte Größe der Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 bewirkt eine radiale Verschiebung des Werkzeugschaftes 50′ in einer Größe, die vom Betrag der Verschiebung des verzahnten Segmentes 20 und vom Wert des Winkels α abhängt.

Die resultierende Gesamtübersetzung, mit anderen Worten die radiale Verschiebung des Werkzeugschaftes 50′ bzw. der Werkzeugspitze 51, die mit der Drehung des drehbaren Einstellknopfes 43 und folglich der Mikrometerschraube 30 erhalten wird, besteht aus der Zusammenwirkung der beiden vorstehend beschriebenen Einzelübersetzungen und kann mathematisch durch einen Quotient QIII beschrieben werden, der das Verhältnis zwischen den Quotienten QI und QII angibt. Im Ausführungsbeispiel - mit den Zahlenbeispielen "a" und "b" - ist QI=0,5/50=0,01 mm/Teilstrich und QII= 0,01/0,0005=20. Der Quotient QIII ergibt sich dann als QI/QII= 0,01/20=0,01/20=0,0005 mm/Teilstrich, womit die Auflösung des Systems angegeben ist.

Das Feinausbohrwerkzeug (Submicron-System) gemäß der Erfindung ist für die Endbearbeitung von Präzisionsbearbeitungen bestimmt und ermöglicht eine besonders feine Werkzeugeinstellung, d. h. eine sehr feine Verschiebung des Werkzeugschaftes 50′ im Mikrometerbereich bei einer bestimmten Ablesung der Skala 43a der drehbaren Scheibe. Der Arbeitsbereich U zwischen dem kleinsten und dem größten bearbeitbaren Durchmesser gemäß Fig. 4 ist begrenzt, da der Arbeitsbereich von dem maximal zulässigen Vorschub des Werkzeugschaftes 50′ aufgrund des Winkels α der Zähne im Rahmen des erforderlichen Grades der Präzision abhängt.

Den Fig. 4 und 5 entnimmt man, daß zur Erweiterung des Arbeitsbereiches U zwischen den minimalen und maximalen Durchmessern eine Vorrichtung zur Klammerung der Werkzeugspitze 51, 51′ vorgesehen ist, bei dem die Werkzeugspitze 51, 51′ in einem Halter 130 befestigt ist, welcher die Form eines "L" aufweist und an der Rückseite durch ein Maß M gegeben ist. Ein solcher Halter 130 ermöglicht die Bearbeitung von Bohrungen, deren Durchmesser zwischen d und d′ liegen. Wird ein Halter 130 gegen einen Halter 131 gemäß Fig. 5 ausgetauscht, so ist es möglich, Bohrungen endzubearbeiten, deren Durchmesser zwischen d′ und d′′ in dem Arbeitsbereich U liegen. Der Arbeitsbereich, welcher durch den Werkzeugschaft 50, 50′, 50′′ gegeben ist, kann somit durch den Einsatz entsprechend längerer Halter mit "L"-Form mehrfach genutzt werden.

Dadurch, daß die Differenz zwischen den Maßen M und M′ geringfügig kleiner als der maximale Verstellbereich des Werkzeugschaftes 50, 50′ und 50′′ ist, ist es möglich, lediglich durch Austausch eines Halters 130 durch einen Halter 131 Bohrungen mit Durchmessern zwischen d und d′′ endzubearbeiten.

Eine Vielzahl von Haltern, bei denen die Differenz zwischen M und M′ zu jedem neuen Halter addiert ist, ermöglicht eine wiederholte Vergrößerung des Arbeitsbereiches U um ein Vielfaches.

Der maximale Totgang von 0,002 mm zwischen dem Ringlagerkragen 35 der Mikrometerschraube 30 und den Ringen 40, 42 kann durch die Ausnutzung von elastischen Eigenschaften der Materialien, aus denen die Ringe 40, 40′, 41, 41′, 42 gefertigt sind, reduziert werden, indem diese durch geeigneten Anzug der Schrauben 45 komprimiert werden. Durch diese Maßnahme kann der maximale Totgang von 0,002 m progressiv zu sehr minimalen Maßen in der Größenordnung von 0,0001 mm reduziert werden, mit der Tendenz Richtung Null.

Claims (9)

1. Feinausbohrwerkzeug, insbesondere für Durchgangsbohrungen, mit
hohlzylindrischem Werkzeuggrundkörper,
in der Zylinderbohrung des Werkzeuggrundkörpers axial bewegbarem Zahnsegment und
in einer Radialbohrung des Werkzeuggrundkörpers verschiebbar geführtem zylindrischen Werkzeugschaft mit Werkzeugschneide,
wobei das Zahnsegment zahnstangenartige Einkerbungen aufweist, die in ihren Längserstreckungen unter einem spitzen Winkel zur Längsmittenachse der Zylinderbohrung an einer ebenen Zahnsegmentfläche angeordnet sind, wobei der Werkzeugschaft mit einer Verzahnung ausgerüstet ist, die an den Einkerbungen des Zahnsegments gleitend anliegt, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Zylinderbohrung (1, 3) des Werkzeuggrundkörpers (10) eine Stellschraube (30) mit Feingewinde drehbewegbar und axialunbewegbar gelagert ist und daß die Stellschraube (30) eine Axialbohrung des Zahnsegments (20) durchfaßt,
daß auf das Feingewinde der Stellschraube (30) eine Gewindebuchse (24) aufgesetzt ist, die in einer mit dem Zahnsegment (20) verbundenen Spannbuchse, welche aus zwei miteinander verschraubbaren Spannbuchsenteilen (25, 26) besteht, drehfest angeordnet und durch Drehung der Stellschraube (30) axialbewegbar ist, wobei die Gewindebuchse (24) endseitige Außenkonusflächen (24a) sowie von beiden Endseiten ausgehende Längsschlitze (24b) aufweist,
daß die Spannbuchsenteile (25, 26) jeweils den Außenkonusflächen (24a) der Gewindebuchse (24) zugeordnete Spannflächen (25a, 26a) aufweisen, wobei die Gewindebuchse (24) durch Verschrauben der Spannbuchsenteile (25, 26) elastisch in radialer Richtung stauchbar und dadurch das Gewindespiel zwischen der Gewindebuchse (24) und der Stellschraube (30) reduzierbar ist,
daß die Stellschraube (30) stirnseitig aus dem Werkzeuggrundkörper (10) herausgeführt ist sowie an ihrem äußeren Ende einen Einstelldrehknopf (43) mit einer Skala (43a) aufweist, durch dessen Betätigung die Werkzeugschneide (51) in Schritten von weniger als einem Mikrometer radial feinverstellbar ist,
daß der Werkzeugschaft (50′) in Werkzeugschaftlängsrichtung eine Bohrung (53′) mit einer Fensteröffnung im Bereich der Verzahnung (52′) aufweist, wobei die Verzahnung (52′) des Werkzeugschaftes (50′) an einer Sekantenfläche randseitig von der Fensteröffnung angeordnet ist,
daß in der Bohrung (53′) des Werkzeugschaftes (50′) ein Spannbolzen (90) geführt ist, der eine zur Verzahnung (52′) coplanare Spannbolzenverzahnung (91) aufweist, wobei sowohl die Verzahnung (52′) des Werkzeugschaftes (50′) als auch die Spannbolzenverzahnung (91) in die zahnstangenartige Einkerbungen (22) des Zahnsegments (20) eingreifen, und
daß der Spannbolzen (90) zum Zwecke einer Totgangbeseitigung zwischen dem Zahnsegment (20) und dem Werkzeugschaft (50′) durch einen in die Bohrung endseitig eingesetzten Gewindestopfen (92) verstellbar ist.

2. Feinausbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zahnstangenartigen Einkerbungen (22) des Zahnsegments (20), die Spannbolzenverzahnung (91) und die Verzahnung (52′) des Werkzeugschaftes (50′) Zähne mit zur Zahnspitze konvergierenden Zahnflanken (22a, 22b, 94, 95) aufweisen, wobei der Spannbolzen (90) in der Bohrung (53′) des Werkzeugschaftes (50′) so eingestellt ist, daß ein metallischer Kontakt zwischen Zahnflanken (95) der Spannbolzenverzahnung (91) und ersten Zahnflanken (22b) der Einkerbungen (22) des Zahnsegments (20) sowie zwischen Zahnflanken (94) der Verzahnung (52′) des Werkzeugschaftes (50′) und zweiten Zahnflanken (94) der Einkerbungen (22) hergestellt ist und daß außerdem das Zahnsegment (20) einerseits und der Werkzeugschaft (50′) sowie der Spannbolzen (90) andererseits in entgegengesetzten Richtung (100, 101, 102) unter Beseitigung eines radialen Spiels jeweils an der Innenwand der zugeordneten Bohrung anliegen.

3. Feinausbohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindestopfen (92) durch ein gewindegeführtes Sperrelement (96) sicherbar ist.

4. Feinausbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbohrung (1, 3) des Werkzeuggrundkörpers (10) eine stufenförmig anschließende endseitige Erweiterung (3) aufweist, in die eine Lagerringanordnung für die Axial- und Radiallagerung der Stellschraube (30) bestehend aus innenseitigem Ring (40), Abstandsring (41) und außenseitigem Stellschraubenstützring (42) eingepaßt ist, und daß die Stellschraube (30) einen Ringlagerkragen (35) zwischen Ringlagerflächen, welche an Stellschraubenteilstücken (33, 34) vorgesehen sind, aufweist, der dem Abstandsring (41) zugeordnet ist und stirnseitig zwischen dem inneren Ring (40) sowie dem äußeren Stellschraubenstützring (42) axial geführt ist.

5. Feinausbohrwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerringanordnung (40, 41, 42) in der Zylinderbohrung des Werkzeuggrundkörpers (10) durch Schrauben (45) an der Ringfläche der stufenförmigen Erweiterung (3) befestigt ist.

6. Feinausbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellschraube (30) an ihrem außenseitigen Ende einen kegelförmigen Sitz (36) sowie einen daran anschließenden Gewindezapfen (32) aufweist, und daß der Einstellknopf (43) auf den Kegelsitz (36) aufgeschoben und durch eine auf dem Gewindezapfen (32) aufgeschraubte, gesicherte Mutter (44) fixierbar ist.

7. Feinausbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mantelaußenseite des Werkzeuggrundkörpers (10) eine Muffe (14) angeordnet ist, die mit dem Werkzeuggrundkörper (10) einen stirnseitig offenen Ringraum bildet, daß in den Ringraum ein Positionierungsring (13) drehfest und federnd nachgiebig eingesetzt ist, an dessen äußerer Stirnfläche eine Verzahnung (13a) angeordnet ist, und daß der Einstelldrehknopf (43) eine Stirnflächenverzahnung (43c) aufweist, die in die Verzahnung (13a) an der Stirnfläche des Positionierungsringes (13) eingreift, wobei die Zahnteilung so eingerichtet ist, daß der Drehbewegung des Einstelldrehknopfes (43) um einen Zahn eine Radialverstellung der Werkzeugschneide (51) von weniger als einem Mikrometer zugeordnet ist.

8. Feinausbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeuggrundkörper (10) einen Ringschraubenzapfen (5, 6) zum Anschluß an einen mit der Spindel einer Drehmaschine verbundenen Verlängerungsschaft (70) aufweist, wobei der Einschraubzapfen (5, 6) einen gewindefreien Zentrierabschnitt (6) zum spielfreien Einpassen in den Verlängerungsschaft (70) aufweist und von einer Anschlagfläche (7) begrenzt ist, die sich an der Stirnfläche (72) des Verlängerungsschaftes (70) abstützt.

9. Feinausbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die außenseitige Stirnfläche der Stellschraube (30) einen Sitz (37) zur Aufnahme eines Reitstockes (73) aufweist.