DE4218467A1 - Umlaufender Bohrkopf mit einer fluidisch um kleine Beträge senkrecht zur Rotationsachse schwenkbaren Bohrstange - Google Patents
Umlaufender Bohrkopf mit einer fluidisch um kleine Beträge senkrecht zur Rotationsachse schwenkbaren BohrstangeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen umlaufenden Bohrkopf mit
einer fluidisch um kleine Beträge senkrecht zur Rota
tionsachse schwenkbaren Bohrstange zur Aufnahme eines
Schneidmeißels und mit einer Druckkammer zur Aufnahme
eines Abtriebgliedes, das über einen in einer exzentri
schen achsenparallelen Bohrung der Bohrstange befindli
chen zylindrischen Stößel auf die Bohrstange einwirkt.
Bei einer bekannten Ausführungsform eines solchen Bohr
kopfes ist das Abtriebglied eine Vorsprünge aufweisende
und auf diesen aufliegende Platte, auf deren abgewand
ter Seite der in der exzentrischen Bohrung der Bohr
stange befindliche Stößel aufliegt und bei seiner Be
aufschlagung in Achsrichtung bewirkt, daß die Bohrstan
ge längs ihrer dünneren Wandung gedehnt wird, so daß
die Bohrstange zur dickeren Wandung hin schwenkt und
dabei den Schneidmeißel eine quer zur Rotationsachse
liegende im µ-Bereich liegende kreisbogenförmige Zu
stellbewegung aufprägt; vgl. US 3,007,356, Fig. 2.
Da der Stößel außermittig auf der Platte aufliegt bil
den Platte und Stößel ein mehrfach reibungsbehaftetes
Hebelgetriebe. Ferner wird der Stößel aufgrund dieser
Ausbildung schräg beaufschlagt und erfährt hierdurch
seitliche Auslenkungen, die zum Verklemmen des Stößels
in der Bohrung führen. Die Reibungs- und Klemmkräfte
verhindern, daß ein solcher Bohrkopf kleinen Druckände
rungen, deren Wirkung die Reibkräfte nicht übersteigt,
folgen kann und auch bei größeren Kräften die Schneid
meißelstellung nicht reproduzierbar mit dem Steuerdruck
verknüpft werden kann, so daß auch bei gleichem Steuer
druck, je nachdem ob er fallend oder steigend ist, ver
schiedene Schneidmeißelstellungen die Folge sind.
In der modernen Fertigungstechnik tritt immer häufiger
die Forderung auf, insbesondere innere Zylindermantel
flächen möglichst schnell und maßgenau herzustellen,
deren Oberflächenkontur abhängig vom Weg des Schneid
meißels parallel zur Drehachse und in Abhängigkeit von
seinem Drehwinkel gegenüber dem Werkstück um maximal
500 bis 1000 µ von einer exakt zylindrischen Mantel
fläche mit einer Toleranz im 1 µ-Gebiet ± 50% ab
weicht. Solche unrunden Löcher, deren Oberfläche dem
nach polar und/oder axial von einer achsparallelen Ge
raden bzw. einem achskonzentrischen Kreis abweichen,
können also mit einem solchen Bohrkopf nicht herge
stellt werden.
Hierzu müssen, unter der Voraussetzung, daß die Steuer
druckquelle den notwendigen Steuerdruck zur richtigen
Zeit und in richtiger Höhe bereitstellt, die mechani
schen Stellmittel derart ausgebildet sein, daß der
Schneidmeißel dem Steuerdruck hinreichend genau und
ohne Hysterese folgen kann und muß darüber hinaus die
von der Steife der mechanischen Stellmittel beeinflußte
Eigenfrequenz des Bohrkopfes deutlich über der Steuer
druckfrequenz liegen. Unterscheiden sich diese Frequen
zen nur wenig, so kommt es zu Resonanzerscheinungen,
welche den Bohrkopf für einen Einsatz oberhalb dieses
Frequenzbereiches unbrauchbar machen.
Um die störenden Reibungskräfte zu vermeiden und um die
gewünschte Steife der mechanischen Stellmittel zu er
halten, ist es bekannt, das Antriebsglied und die Bohr
stange einstückig auszubilden; vgl. DE 39 29 472-A1,
Fig. 1.
Hierzu umfaßt der Bohrkopf ein flaches Drehteil von
kreisförmigem Querschnitt, das durch einen exzentri
schen Einstich in zwei Abschnitte unterteilt ist, näm
lich in einen eine dünne Platte und einen eine dicke
Platte bildenden Abschnitt, die durch den beim Einstich
entstehenden, runden, exzentrisch liegenden Abschnitt
miteinander verbunden sind. Die durch den Einstich ent
stehende relativ dünne Platte ist federnd gegenüber der
relativ dicken Platte und dient gleichzeitig als beweg
liche Druckabdichtung für einen Druckmotor, dessen
starre Basis die dicke Scheibe bildet. Ferner weist die
dünne Platte einen abgewandten zylindermantelförmigen
Fortsatz auf, in den ein mit der Bohrstange einstücki
ger kolbenförmiger Fortsatz, der das Abtriebglied bil
det, eingreift und mittels Schrauben mit der dünnen
Platte fest verbunden ist. Infolge der Exzentrizität
des verbleibenden Abschnittes zwischen dicker und dün
ner Platte ergibt sich bei einem Druckwechsel des dem
Druckmotor zuzuführenden Druckmediums ein im µ-Bereich
liegender Abtriebsweg, der durch den Weg des Abtriebs
schwerpunktes der dünnen Platte gegenüber der dicken
Platte gegeben ist.
Ein solcher Bohrkopf besitzt zwar keine im Reibungs
schluß miteinander in Verbindung stehende Bauelemente
und sind seine mechanischen Stellglieder hinreichend
steif, jedoch ist der Fertigungsaufwand erheblich, da
die Dicke der durch den exzentrischen Einstich entste
henden dünnen Platte sehr maßgenau sein muß unter Be
rücksichtigung der Tatsache, daß bei linear zunehmender
Dicke die Steife stärker als linear, nämlich etwa mit
der dritten Potenz zunimmt. Wird eine Steife mit einer
Toleranz von 1% angestrebt, so muß die Dicke der dün
nen Platte mit einer Toleranz von ca. 0,33% herge
stellt werden. Ist die Soll-Dicke z. B. 5 mm, so beträgt
die Toleranz demnach ca. 16 2/3 µ; es ist einzusehen,
daß diese Toleranz mit einem Einstichwerkzeug nur durch
besondere Maßnahmen erzielt werden kann.
Darüber hinaus weist ein solcher Bohrkopf noch folgen
den Nachteil auf.
Bekanntlich ist die für das Verstellung des Schneidmei
ßels notwendige mechanische Arbeit das Produkt aus
Kraft×Weg und ist die Kraft durch den zur Verfügung
stehenden Druck pro Flächeneinheit multipliziert mit
der wirksamen Fläche des hydraulischen Motors bestimmt.
Für jeden Schneidmeißelhalter gilt ferner die Forde
rung, daß die Federsteife zwischen der Einspannregion
und dem Schneidmeißel möglichst groß sein soll, z. B.
eine Tonne/mm und soll der Schneidmeißel um einen
möglichst großen Betrag verstellt werden können, z. B.
500 µ. Zur Bereitstellung der notwendigen Kraft sind
daher möglichst große wirksame Flächen des hydrauli
schen Motors erwünscht. Andererseits ist aber der Ar
beitsraum für solche Bohrköpfe zur maßgenauen Nachar
beitung von Innenmantelflächen in aller Regel sehr be
grenzt, so daß den geometrischen Abmessungen der Bohr
köpfe enge Grenzen gesetzt sind.
Bei dem aus der DE 39 29 472-A1, Fig. 4 und 5, be
kannten Bohrkopf benötigen die für das Schwenken des
Abtriebgliedes notwendigen Biegefedern beispielsweise
bereits etwa die Hälfte des zur Verfügung stehenden Be
reichs der Querschnittsfläche des Bohrkopfes, so daß
für die Druckkammer wenig Wirkfläche zur Verfügung
steht, was bei einem gegebenen maximalen Arbeitsdruck
des Druckmediums eine Verringerung der Federsteife be
dingt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe
durch eine neue Ausbildung der mechanischen Verbin
dungsmittel zwischen die Bohrstange aufweisendem Ab
triebglied und Basis des Bohrkopfes zu schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe
durch eine neue Ausbildung eines solchen, Bohrstange
und Abtriebglied umfassenden Bohrkopfes zu schaffen,
der ohne Reibungsschluß arbeitet, bei dem die mechani
schen Stellmittel genügend steif derart ausgebildet und
auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit herstellbar
sind, daß möglichst parallele Bewegungen des Abtrieb
liedes erzielbar sind.
Ausgehend von einem Bohrkopf der eingangs genannten Art
ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß der Abtrieb, der Stößel und die Bohrstange rei
bungsfrei miteinander verbundene Teile bilden.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Stößel
eine achsenparallele und exzentrische Bohrung derart
angeordnet, daß beim Wirksamwerden des Druckmittels
durch eine gegensinnig zur Auslenkung der Bohrstange
wirkende Auslenkung des Stößels eine annähernd achsen
parallele Bewegung des Abtriebgliedes erzwungen wird.
Vorteilhafter Weise sind die Abmessungen und ist die
Anordnung von Stößel und Bohrstange derart gewählt, daß
die elastische Verformung des Stößels in axialer Rich
tung etwa gleich der elastischen Verformung der Bohr
stange in axialer Richtung ist.
Ferner sind erfindungsgemäß die exzentrischen Sackboh
rungen von Bohrstange und Stößel so angeordnet und der
art bemessen, daß die Biegelinie des Stößels gleich
oder nahezu gleich der Biegelinie der Bohrstange ist,
so daß zwischen Stößel und Bohrstange keine oder nur
kleine achsensenkrechte Kräfte auftreten können.
Im einfachsten Falle sind Abtriebglied und Stößel ein
stückig ausgebildet, sofern diese aber genügend starr
miteinander verbindbar sind, können diese auch als von
einander getrennte Bauteile hergestellt werden.
Eine solche Bohrstange erfüllt die vorstehend erläuter
ten Forderungen im hohen Maße, da die einzelnen Bautei
le auf einfache Art hochgenau herstellbar sind und in
folge ihrer geometrischen Gestaltung eine annähernd pa
rallele Bewegung des Abtriebgliedes sowie einen größt
möglichen Durchmesser für die Druckkammer und damit ei
ne maximal mögliche Volumenaufnahmemöglichkeit für das
Druckmittel bei vorgegebenen geometrischen Abmessungen
des Bohrkopfes bieten. Beim Wirksamwerden des Druckmit
tels wird der Stößel auf Druck und die Bohrstange auf
Zug beansprucht, so daß Stößel und Bohrstange jeweils
das Bestreben haben, sich zu deren dünneren bzw. stär
keren Seite zu neigen und bei entsprechender Bemessung
der Steifigkeit sich etwa gleich in radialer Richtung
elastisch verformen. Hierzu sind Stößel und Bohrstange
derart bemessen, daß die Verformung des Stößels in axi
aler Richtung etwa gleich der elastischen Verformung
der Bohrstange in axialer Richtung ist.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der
Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten
Ausführungsbeispieles beschrieben.
Ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneter um
laufender Bohrkopf umfaßt ein im Querschnitt darge
stelltes Einspannteil 11 mit einem zylindrischen Fort
satz 13 als Teil eines hier nicht dargestellten Werk
zeug-Wechselsystems und eine zylindrische Bohrstange
12, die an ihrem dem Einspannteil zugewandten Ende ei
nen Flansch 14 aufweist, der einen eine zylindrische
Ausnehmung 15 begrenzenden zentrischen Fortsatz 16 be
sitzt und mit diesem in einer Ausnehmung 17 des zuge
wandten Endes des Einspannteils 11 eingreift. Das Ein
spannteil 11 und die Bohrstange 12 sind an ihren radial
vorstehenden flanschartigen Rändern 21 und 22 miteinan
der mittels Gewindeschrauben 23 aneinanderliegend fest
verbunden.
Die Bohrstange 12 weist eine achsenparallele exzentri
sche Sackbohrung 24 mit ebener Stirnseite auf, in die
ein zylindrischer Stößel 26 eingreift, dessen dem Ein
spannteil 11 zugewandtes Ende radial vorspringt und ein
kolbenförmiges Abtriebglied 28 bildet, das in die zy
lindrische Ausnehmung 15 der Bohrstange 12 mit vorbe
stimmtem Spiel eingreift. Das in die Sackbohrung ragen
de Ende 27 greift flächig an der ebenen Stirnfläche 25
der Sackbohrung 24 an.
Auch der Stößel 26 weist eine achsenparallele exzentri
sche Sackbohrung 29 auf, die mittels eines Endstückes
32 gegenüber der von den Stirnseiten 35 und 36 von Ab
triebglied 28 und Ausnehmung 17 gebildeten Druckkammer
abgeschlossen ist.
Die zylindrische Ausnehmung 15 am abgewandten Ende der
Bohrstange 12, die zugewandte, zylindrische Ausnehmung
17 in dem Einspannteil 11 und die Dicke des kolbenför
migen Abtriebgliedes 28 sind so bemessen, daß der Stö
ßel 26 seinen maximalen achsensenkrechten Hub von eini
gen 100 µm beim Wirksamwerden eines durch eine Zufluß
öffnung 60 in die genannte Druckkammer zugeführten
Druckmittels bei dessen maximalem Druck ausführen kann.
In einem am freien Ende der Sackbohrung 24 befindlichen
Einstich 37 ist eine Führung 39 zwischen dem Stößel 26
und der Wandung der Sackbohrung 24 angeordnet.
Eine weitere Dichtung 40, bestehend aus einem O-Ring 41
und einem Lippen-Ring 42, befindet sich in einer ring
förmigen Ausnehmung 44 an der zylindrischen Außenman
telfläche 45 des Abtriebgliedes 28 zwischen Abtrieb
glied und der zylindrischen Mantelfläche 46 der Ausneh
mung 15. Die eine Wandung der Ausnehmung 44 ist von ei
ner Scheibe 47 gebildet, die in eine entsprechende
kreisringförmige Ausnehmung 48 an der Stirnfläche 35
des Abtriebgliedes 28 bündig mit der Stirnfläche 35
eingesetzt und mittels Gewindeschrauben 49 befestigt
ist.
Ein Zylinderstift 50, der mit seinem einen Ende 51 in
einer von der Stirnfläche 53 der Ausnehmung 15 ausge
henden Bohrung 52 festgelegt ist, greift mit seinem
freien Ende 54 in ein Sackloch 55 der zugewandten Flä
che 56 des Abtriebgliedes 28 und verhindert im Betrieb
eine Rotationsbewegung des Stößels 26, so daß die in
der Zeichnung dargestellte geometrische Zuordnung von
Stößel und Bohrstange aufrechterhalten wird.
Ferner ist eine Dichtung 57 zwischen der Außenmantel
fläche des Fortsatzes 16 und der Innenmantelfläche der
Ausnehmung 17, sowie eine Dichtung 58 zwischen den ein
ander zugewandten Stirnseiten der Ränder 21 und 22 von
Bohrstange und Einspannteil vorgesehen.
Schließlich ist eine die in der Bohrstange 12 befindli
che Sackbohrung 24 mit Atmosphäre verbindende Abfluß
bohrung 62 vorgesehen.
Die einen Schneidmeißel 18 tragende Bohrstange 12 und
deren Sackbohrung 24, der Stößel 26 und dessen Sackboh
rung 29, sowie die dem Druckmittel ausgesetzte, wirksa
me Fläche des Abtriebgliedes 28 sind so bemessen, daß
beim Wirksamwerden des Druckmittels in der von den
Stirnseiten 35 und 36 von Abtriebglied 28 und Ausneh
mung 17 im Einspannteil 11 begrenzten Druckkammer die
elastische Verformung des hierbei auf Druck beanspruch
ten Stößels 26 in axialer Richtung etwa gleich ist wie
die elastische Verformung der hierbei auf Zug bean
spruchten Bohrstange 12 in axialer Richtung und sind
die exzentrischen Sackbohrungen 24 und 29 so angeord
net, daß die Biegelinien des Stößels 26 gleich oder na
hezu gleich der Biegelinie der Bohrstange 12 ist, so daß
zwischen Stößel und Bohrstange keine oder nur kleine
achsensenkrechte Kräfte auftreten können. Auf diese
Weise wird eine nahezu achsenparallele Bewegung des Ab
triebgliedes erzwungen und damit die Gefahr von Klem
mungen des Abtriebgliedes in der Ausnehmung 15 und von
Stößel und Bohrstange vermieden.
Da beim Wirksamwerden des Druckmittels die jeweils dün
nere Wandung 64 von Bohrstange 12 und 65 von Stößel 26
mehr gestreckt bzw. gedrückt werden als die stärkere
Wandung, erfolgt ein Verbiegen von Stößel und von Bohr
stange in Richtung zur dünneren bzw. dickeren Wandung,
wobei sichergestellt wird, daß die Biegelinie des Stö
ßels gleich oder nahezu gleich der Biegelinie der Bohr
stange ist, so daß zwischen Stößel und Bohrstange keine
oder nur kleine achsensenkrechte Kräfte wirken.
Der Schneidmeißel 18 wird beim vorstehend beschriebenen
Wirksamwerden des Druckmittels aus der in der Zeichnung
dargestellten Ruhelage in Richtung des Pfeiles 63 auf
einer etwa senkrecht zur Rotationsachse 70 verlaufenden
gekrümmten Bahn im µ-Bereich bewegt. Durch die be
schriebene Anordnung und Ausbildung von Abtriebglied,
Stößel und Bohrstange ist sichergestellt, daß die Bewe
gung des Schneidmeißels größer ist als der durch den
Druckwechsel hervorgerufene Weg des Abtriebschwerpunk
tes des Abtriebgliedes 28 gegenüber der durch das Ein
spannteil 11 gebildeten Basis.
Die zur Erzeugung des notwendigen Steuerdruckes erfor
derliche Steuerdruckquelle ist, da nicht zur Erfindung
gehörend und an sich bekannt, weder dargestellt noch
beschrieben.
Claims (5)
1. Schneidmeißelhalter mit einspannbarem
Schneidmeißel, insbesondere hydraulisch feineinstellba
rer rotierender Bohrkopf, mit einer Basis, einem dieser
gegenüber dichten und federnd beweglichen Abtrieb, ei
ner zwischen Basis und Abtrieb angeordneten Druckfluid
kammer mit einer Fluidzufuhr, sowie mit einem exzen
trisch gebohrten Stutzen zur Aufnahme eines Stößels,
der von Abtrieb derartig bewegbar ist, daß sich der
Schneidmeißel um eine etwa senkrecht zur Rotationsebene
verlaufenden, gekrümmten Bahn bewegt, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Abtrieb (28), der Stößel (26) und die
Bohrstange (12) reibungsfrei miteinander verbundene
Teile bilden.
2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwecks Vermeidung achsensenkrechter
(Drehachse 70) Kräfte in der Bohrstange (12) die Biege
linie des Stößels (26) gleich oder nahezu gleich der
Biegelinie der Bohrstange (12) gewählt ist.
3. Bohrkopf nach den Ansprüchen 1 und 2, da
durch gekennzeichnet, daß im Stößel (26) eine gegenüber
der Druckkammer (35/36) abgeschlossene (Endstück 32)
achsenparallele und exzentrische Bohrung (29) angeord
net ist.
4. Bohrkopf nach den Ansprüchen 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit von Stößel
(26) und Bohrstange (12) derart gewählt ist, daß die
elastische Verformung des Stößels (26) in axialer Rich
tung etwa gleich der elastischen Verformung der Bohr
stange (12) in axialer Richtung ist.
5. Bohrkopf nach den Ansprüchen 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß Stößel (26) und Abtriebglied
(28) einstückig ausgebildet sind.
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