DE4218467C2 - Rotierender Bohrkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen rotierenden Bohrkopf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Bei einer bekannten Ausführungsform eines solchen Bohr­ kopfes ist das Abtriebsglied eine Vorsprünge aufweisen­ de und auf diesen aufliegende Platte, auf deren abge­ wandter Seite der in der exzentrischen Bohrung der Bohrstange befindliche Stößel aufliegt und bei seiner Beaufschlagung in Achsrichtung bewirkt, daß die Bohr­ stange längs ihrer dünneren Wandung gedehnt wird, so daß die Bohrstange zur dickeren Wandung hin schwenkt und dabei den Schneidmeißel eine quer zur Rotationsach­ se liegende im µm-Bereich liegende kreisbogenförmige Zustellbewegung 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 1.000 µm von einer exakt zylindrischen Mantel­ fläche mit einer Toleranz im 1 µm-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 Abtriebsglied 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 µm-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 µm; 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 x 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 µm. 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 Abtriebsgliedes 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 eines solchen, Bohrstange und Abtriebsglied umfassenden Bohrkopfes zu schaffen, der reibungsarm oder mit praktisch vernachlässigbar ge­ ringem 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 Abtriebs­ gliedes erzielbar sind.

Ausgehend von einem Bohrkopf der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Merk­ male des Patentanspruches 1 gelöst. Damit wird beim Wirksamwerden des Druckmittels durch eine gegensinnig zur Auslenkung der Bohrstange wirkende Auslenkung des Stößels eine annähernd achsenparallele Bewegung des Abtriebsgliedes erzwungen.

In 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.

Im einfachsten Falle sind Abtriebsglied 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 Abtriebsgliedes 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 rotierender Bohrkopf umfaßt ein im Querschnitt darge­ stelltes einspannbares Basisteil 11 mit einem zylindri­ schen Fortsatz 13 als Teil eines hier nicht dargestell­ ten Werkzeug-Wechselsystems und eine zylindrische Bohrstange 12, die an ihrem dem Basisteil 11 zugewand­ ten Ende einen Flansch 14 aufweist, der einen eine zylindrische Ausnehmung 15 begrenzenden zentrischen Fortsatz 16 besitzt und mit diesem in einer Ausnehmung 17 des zugewandten Endes des Basisteils 11 eingreift. Das Basisteil 11 und die Bohrstange 12 sind an ihren radial vorstehenden flanschartigen Rändern 21 und 22 miteinander mittels Gewindeschrauben 23 aneinander­ liegend 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 Basisteil 11 zugewandtes Ende radial vorspringt und ein kolbenförmiges Abtriebsglied 28 bildet, das in die zy­ lindrische Ausnehmung 15 der Bohrstange 12 mit vorbe­ stimmtem Spiel eingreift. Das in die Sackbohrung 24 ra­ gende 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 triebsglied 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 Basisteil 11 und die Dicke des kolbenförmigen Abtriebsgliedes 28 sind so bemessen, daß der Stößel 26 seinen maximalen achsensenkrechten Hub von einigen 100 µm beim Wirksamwerden eines durch eine Zuflußöff­ nung 60 in die genannte Druckkammer zugeführten Druck­ mittels 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 Dichtung 40, bestehend aus einem O-Ring 41 und einem Lippen-Ring 42, befindet sich in einer ringför­ migen Ausnehmung 44 an der zylindrischen Außenmantel­ fläche 45 des Abtriebsgliedes 28 zwischen Abtriebsglied und der zylindrischen Mantelfläche 46 der Ausnehmung 15. Die eine Wandung der Ausnehmung 44 ist von einer Scheibe 47 gebildet, die in eine entsprechende kreis­ ringförmige Ausnehmung 48 an der Stirnfläche 35 des Abtriebsgliedes 28 bündig mit der Stirnfläche 35 ein­ gesetzt 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 Abtriebsgliedes 28 und verhindert im Betrieb eine Rotationsbewegung des Stößels 26, so daß die in der Zeichnung dargestellte geometrische Zuordnung von Stößel 26 und Bohrstange 12 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 12 und Basisteil 11 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 Abtriebsgliedes 28 sind so bemessen, daß beim Wirksamwerden des Druckmittels in der von den Stirnseiten 35 und 36 von Abtriebsglied 28 und Ausneh­ mung 17 im Basisteil 11 begrenzten Druckkammer die ela­ stische Verformung des hierbei auf Druck beanspruchten Stößels 26 in axialer Richtung etwa gleich ist wie die elastische Verformung der hierbei auf Zug beanspruchten Bohrstange 12 in axialer Richtung und sind die exzentrischen Sackbohrungen 24 und 29 so angeordnet, daß die Biegelinien des Stößels 26 gleich oder nahezu gleich der Biegelinie der Bohrstange 12 ist, so daß zwi­ schen Stößel 26 und Bohrstange 12 keine oder nur kleine achsensenkrechte Kräfte auftreten können. Auf diese Weise wird eine nahezu achsenparallele Bewegung des Ab­ triebsgliedes 28 erzwungen und damit die Gefahr von Klemmungen des Abtriebsgliedes 28 in der Ausnehmung 15 und von Stößel 26 und Bohrstange 12 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 26 und von Bohrstange 12 in Richtung zur dünneren 64 bzw. dickeren Wandung, wobei sichergestellt wird, daß die Biegeline des Stößels 26 gleich oder nahezu gleich der Biegeline der Bohrstange 12 ist, so daß zwischen Stößel 26 und Bohrstange 12 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 µm-Bereich bewegt. Durch die be­ schriebene Anordnung und Ausbildung von Abtriebsglied 28, Stößel 26 und Bohrstange 12 ist sichergestellt, daß die Bewegung des Schneidmeißels 18 größer ist als der durch den Druckwechsel hervorgerufene Weg des Abtriebs­ schwerpunktes des Abtriebsgliedes 28 gegenüber dem Basisteil 11.

Die zur Erzeugung des notwendigen Steuerdruckes erfor­ derliche Steuerdruckquelle ist, da nicht zur Erfindung gehörend und an sich bekannt, weder dargestellt noch beschrieben.

Bezugszeichenliste

10

Bohrkopf

11

Basisteil

12

Bohrstange

13

Fortsatz

14

Flansch

15

Ausnehmung

16

Fortsatz

17

Ausnehmung

18

Schneidmeißel

21

Rand

22

Rand

23

Gewindeschrauben

24

Sackbohrung (Bohrstange

12

)

25

Stirnfläche (der Sackbohrung

24

)

26

Stößel

27

in die Sackbohrung ragendes Ende

28

Abtriebsglied

29

Sackbohrung (Stößel

26

)

32

Endstück

35

Stirnseite zur Druckkammer

36

Stirnseite zur Druckkammer

37

Einstich

39

Führung

40

Dichtung

41

O-Ring

42

Lippen-Ring

44

Ausnehmung

45

Außenmantelfläche

46

Mantelfläche

47

Scheibe

48

Ausnehmung

49

Gewindeschrauben

50

Zylinderstift

51

Ende (des Zylinderstiftes)

52

Bohrung

53

Stirnfläche (der Ausnehmung

15

)

54

freies Ende (des Zylinderstiftes)

55

Sackloch

56

Fläche (des Abtriebsgliedes

28

)

57

Dichtung

58

Dichtung

60

Zuflußöffnung

62

Abflußbohrung

63

Pfeil

64

Wandung (von Bohrstange

12

)

65

Wandung (von Stößel

26

)

70

Rotationsachse

Claims (3)

1. Rotierender Bohrkopf (10) mit einer mittels eines als Druckmittel wirkenden Fluids um kleine Verstell­ beträge quer zur Rotationsachse (70) schwenkbaren, einen Schneidmeißel (18) aufweisenden Bohrstange (12), einem Basisteil (11), einem diesem gegenüber dichten und federnd beweglichen Abtriebsglied (28), einer zwischen Basisteil (11) und Abtriebsglied (28) angeordneten Druckfluidkammer (35, 36) mit einer Fluidzufuhr, sowie mit einem exzentrisch gebohrten Stutzen zur Aufnahme eines Stößels (26), der vom Abtriebsglied derartig bewegbar ist, daß sich der Schneidmeißel (18) um eine etwa senkrecht zur Rota­ tionsachse (70) verlaufenden, gekrümmten Bahn be­ wegt, wobei das Abtriebsglied (28), der Stößel (26) und die Bohrstange (12) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von gegenüber der Rotationsachse (70) achssenkrechter Kräfte in der Bohrstange (12) die Biegelinie des Stößels (26) gleich oder nahezu gleich der Biege­ linie der Bohrstange (12) gewählt ist, indem im Stößel (26) eine gegenüber der Druckfluidkammer (35, 3 6) mit einem Endstück (32) abgeschlossene achsen­ parallele und exzentrische Bohrung (29) angeordnet ist.

2. Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit von Stößel (26) und Bohrstange (12) derart gewählt ist, daß die elastische Verfor­ mung des Stößels (26) in axialer Richtung etwa gleich der elastischen Verformung der Bohrstange (12) in axialer Richtung ist.

3. Bohrkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Stößel (26) und Abtriebsglied (28) einstückig ausgebildet sind.