DE4430331A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung des Verlaufs von Tieflochbohrungen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung des Verlaufs von TieflochbohrungenInfo
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Description
Das Einbringen von geraden und möglichst genau ausgerichteten Tieflochbohrungen
bei der spanenden Bearbeitung von Metallgegenständen wird für ein Verhältnis von
Durchmesser zu Bohrungstiefe bis etwa 1 : 100 mit dem sogenannten BTA-Verfahren
hinreichend gut beherrscht. Die Verbesserung der Richtungsstabilität und der Ge
radheit der Bohrung ist aber auch in diesem Größenbereich noch wünschenswert.
Bei sehr langen und dünnen Bohrungen sowie in inhomogenen Werkstoffen stellt das
Verlaufen der Bohrungen, d. h. die Abweichung vom idealen Verlauf, jedoch ein be
sonderes Problem dar. Dies sei im folgenden am Beispiel sog. peripher gebohrter
beheizter Walzen, wie sie bei der Papierherstellung und -veredelung eingesetzt
werden, näher erläutert.
Bei derartigen Walzen werden wünschenswerterweise axialparallele Bohrungen dicht
unter der Walzenoberfläche von einem flüssigen Wärmeträgermedium durchströmt
und die Walzenoberfläche so auf eine erhöhte Betriebstemperatur gebracht. Dadurch
lassen sich Verbesserungen der Qualität und der Wirtschaftlichkeit in der Herstellung
und Veredelung von Papieren und anderen bahnförmigen Materialien erreichen. Be
zogen auf den Walzenquerschnitt stellen die peripheren Bohrungen singuläre Wär
mequellen dar. Um eine möglichst gleichmäßige Oberflächentemperatur der Walzen
zu erreichen, sind möglichst viele periphere Bohrungen mit einem möglichst kleinen
Bohrungsdurchmesser vorteilhaft. Dies gilt auch im Hinblick auf die thermische
Verformung des Walzenquerschnitts im Betrieb.
Eine typische derartige beheizte Kalanderwalze hat z. B. einen Walzendurchmesser
von 1.350 mm bei einer Länge des Walzenkörpers von 8.000 mm. Etwa 45 periphere
Bohrungen mit einem Durchmesser von 32 mm sind auf einem Teilkreis von 1.220
mm Durchmesser angeordnet. Die peripheren Bohrungen müssen in einer solchen
Walze jeweils in zwei Schritten von beiden Walzenenden bis etwa zur Walzenmitte
hin gebohrt werden. Jedoch ist es häufig nicht möglich, sie so zu dimensionieren, daß
das genannte Durchmesser/Bohrungstiefen-Verhältnis von 1 : 100 eingehalten werden
kann. Die Bohrungen "verlaufen" deshalb, d. h., sie können von der geraden Verbin
dungslinie zwischen Ein- und Ausgang in nicht tolerierbarer Größe abweichen, und
zwar in verschiedenen Richtungen - zur Seite (in Richtung auf die nächstliegende
Bohrung), zur Walzenoberfläche oder zur Walzenmitte hin, in Kombination der ge
nannten Abweichungen auch spiralförmig oder völlig undefiniert.
Es versteht sich ohne weitere Erläuterung, daß für einen möglichst störungsfreien
Durchfluß des Wärmeträgermediums die zugehörigen Bohrungen in der Walzenmitte
sich möglichst gut treffen sollten. Verschiedene Gründe sind zusätzlich auch dafür zu
benennen, daß ein möglichst gerader Verlauf der peripheren Bohrungen erforderlich
ist.
Insbesondere bei Kalanderwalzen aus Hartguß, einem vorzugsweise verwendeten
Material, ist eine eindeutige Tendenz des Bohrers zu beobachten, in die Walze
"hineinzutauchen", d. h. die Bohrungen haben in der Walzenmitte einen größeren
Abstand zur Oberfläche als an den Walzenenden. Dadurch kommt es im Heizbetrieb
der Walze zu einer niedrigeren Oberflächentemperatur in der Walzenmitte, weil dem
Wärmestrom ein größerer Widerstand in Gestalt einer größeren Wanddicke entge
gensteht.
Als weiterer unerwünschter Effekt wird angesehen, daß individuell streuende Boh
rungsverläufe Unwuchten in die Walzen hineintragen, und zwar an der Stelle, wo sie
sich am ungünstigsten auf die Wuchtgüte der Walze auswirken, in der Walzenmitte.
Zusammen mit der Rundlaufverschlechterung kann die Walze bei hohen Betriebs
geschwindigkeiten Vibrationen verursachen und den Betrieb der Maschine erheblich
stören.
Hauptursache für das "Eintauchen" des Bohrers ist die Struktur der Hartgußwalze. Sie
weist eine äußerst harte "weiße" Schale auf und einen weicheren "grauen" Kern. Zwar
wird beim Gußvorgang eine möglichst begrenzte Schreckung angestrebt, so daß die
peripheren Bohrungen im "grauen" Bereich des Walzenquerschnitts angeordnet wer
den können, jedoch reicht die Schreckwirkung der Kokillen auch über die "weiße"
Schale hinaus. Das Gefüge des "grauen" Bereichs hat eine um so höhere Festigkeit,
je weiter außen man sich befindet. Auch sind vereinzelte mikroskopisch kleine harte
karbidische Einlagerungen weiter außen häufiger als innen. Dem Bohrer steht damit
außen ein größerer Widerstand entgegen als innen; er weicht in Richtung des wei
cheren Werkstoffes aus.
Es wird versucht, dem "Eintauchen" entgegenzusteuern, indem man vom Walzen
ende her zunächst in Richtung zur Walzenoberfläche hin bohrt. Die Bohrung nähert
sich dabei auf den ersten 1.000 bis 2.000 mm zunächst der Oberfläche, bevor die
Bohrrichtung wieder in Richtung Walzenmitte umschwenkt. Mit diesem Kunstgriff
werden deutliche Verbesserungen erreicht. Bei Walzen mit über 8.000 mm Körper
länge ist das Ergebnis aber nicht zufriedenstellend.
Unvermeidliche Toleranzbereiche bei den Werkstoff- und Werkzeugparametern (An
bohren, Geometrie, Abnutzung, etc.) führen ebenfalls zu Streuungen bei den Boh
rungsverläufen, deren Gesetzmäßigkeiten nicht immer vorherzusehen sind. Dies kann
dann örtliche Temperaturunterschiede auf der Walzenoberfläche zur Folge haben. Die
Walze verbiegt sich auf Grund unterschiedlicher Wärmedehnung und läuft weniger
rund.
Auch in gleichmäßigem Material verlaufen Bohrungen, und zwar mit einer Abwei
chung von der Geraden, die mit zunehmender Bohrlänge im Quadrat zunimmt. Des
sen Ursache ist wahrscheinlich der Umstand, daß die Bohrstange, die einen etwas
kleineren Durchmesser als der Bohrkopf hat, unter dem Bohrdruck bei Erreichen der
freien Knicklänge ausknickt. Die Bohrstange wird dann in der Bohrung taumeln und
die Führungen des Bohrkopfes verlieren zwangsläufig an Wirkung. Einen Hinweis,
daß diese Vermutung zutrifft, kann man daraus entnehmen, daß mit niedrigerem
Bohrdruck eine bessere Geradheit der Bohrung erreicht werden kann, weil dann das
Ausknicken später erfolgt. Niedrigerer Bohrdruck führt aber zur unerwünschten
Verlängerung der Bohrzeiten.
Es sind nicht viele Vorschläge bekannt geworden, wie sich der Verlauf von Tiefloch
bohrungen verbessern lassen kann. Ein solcher Vorschlag lief darauf hinaus, das
Ausknicken der Bohrstange von der Richtung des Bohrwerkzeuges dadurch zu ent
koppeln, daß man den vorderen Teil der Bohrstange etwa 500 mm hinter dem Bohr
kopf mit einem weiteren Satz Führungsleisten versieht, die an der Wand der Bohrung
anliegen, und danach eine "weiche" Verbindung zur übrigen Bohrstange schafft,
welche deren Taumelbewegung aufnehmen soll. Diese Konstruktion hat jedoch keine
erkennbare Verbesserung gebracht.
Ein weiterer Vorschlag sieht vor, den Druck des Bohröls, welches zur Schmierung und
zum Abtransport der Späne dient, mit einem umlauffrequenten Druckimpuls zu überla
gern und so dem Bohrwerkzeug immer wieder einen Schub in dieselbe Richtung zu
versetzen. Es ist nicht bekannt, ob dieser Vorschlag über Versuche je hinausgelangt
ist.
Beide Lösungen sind auch bereits theoretisch nicht geeignet, einen Anbohrfehler zu
Beginn der Bohrung zu korrigieren.
Mit der im folgenden beschriebenen Erfindung wird es möglich, den Verlauf von Tief
lochbohrungen bei spanender Bearbeitung gezielt zu beeinflussen. Dabei kommen
sowohl eine ständig während der Bohrung wirkende Einrichtung als auch weitere
laufende Beeinflussungen der Bohrrichtung in Abhängigkeit von Messungen des Boh
rungsverlaufs zur Anwendung.
Dargestellt werden soll die Erfindung zunächst in Fig. 1 am Beispiel eines BTA-
Bohrers mit einem Durchmesser des Bohrkopfes (1) von 38 mm. Der Drehantrieb des
Bohrkopfes erfolgt mittels einer hohlen Bohrstange (2) mit 28 mm Außendurchmesser
und 18 mm Innendurchmesser. Das Bohröl (4) wird dem Bohrkopf (1) über eine
Zuführung (3), den sog. BOZA (Bohröl-Zuführ-Apparat), im Spalt zwischen Bohrung
und Bohrstange (2) unter Druck zugeführt. Die Bohrspäne werden durch die Innen
bohrung der Bohrstange mit dem abfließenden Bohröl abgeführt (5).
Die beschriebene Richtung des Bohrölflusses hat den Vorteil, daß die Führung des
Bohrkopfes in spänefreiem Öl erfolgt und die Führungen darum weniger verschleißen.
Es gibt aber auch sog. Einlippenbohrer, bei denen der Ölzufluß durch die Bohrstange
erfolgt. Ein BOZA kann dann entfallen. Für die Erfindung selbst ist dieser Unterschied
prinzipiell belanglos.
Wie oben beschrieben, würde ohne weitere Maßnahmen bei entsprechender freier
Bohrstangenlänge (Bohrtiefe) die Bohrstange (2) in jedem Falle ausknicken und dann
unkontrolliert in der Bohrung taumeln.
Erfindungsgemäß wird diese Taumelbewegung durch ein in den Spalt zwischen Boh
rung und Bohrstange (2) definiert eingebrachtes Druckstück (6) unterdrückt. Die
Bohrstange (2) wird so gezielt verbogen und dem Bohrkopf damit eine gewünschte
Richtung aufgezwungen. Die Wirkungsweise soll am Beispiel einer zunächst geraden
Bohrung von 38 mm Durchmesser dargestellt werden, bei welcher die erfindungs
gemäße Korrekturvorrichtung dazu benutzt wird, den Bohrer von der geraden Rich
tung gezielt abzubringen. Selbstverständlich ist die eigentliche praktische Anwendung
der Erfindung die, eine bereits verlaufende Bohrung in die gewünschte Richtung
zurückzubringen, bzw. einen Verlauf in seiner Entstehung zu unterdrücken.
Im gewählten Beispiel (Fig. 1 und 2) wird das Druckstück (6) in einer Ausnehmung
eines Führungsrohres (nicht dargestellt) mit dem Abstand a = 500 mm zum Bohrkopf
(1) so positioniert, daß es auf einer Seite an der Bohrungswand selbst anliegt und auf
der anderen Seite die 28 mm starke Bohrstange (2) gegen die gegenüberliegende
Bohrungswand drückt. Aus der Biegelinie der Bohrstange (Fig. 2) folgt, daß sich am
Bohrkopf ein Winkel entsprechend einem Dreieck einstellt, dessen Grundseite gleich
dem Abstand Druckstück zu Bohrkopf a und dessen Höhe gleich dem 1,5-fachen der
Auslenkung c ist. Auf 1.000 mm weiteren Bohrweg hochgerechnet würde im darge
stellten Beispiel dann die Korrektur 9 mm betragen, wenn man unterstellt, daß der
Bohrer in der neuen Richtung weiterbohrt.
Die Größe der Korrektur kann man entweder dadurch beeinflussen, daß man ein
Druckstück geringerer Stärke verwendet oder den Abstand des Druckstückes vom
Bohrkopf verändert.
Eine kontinuierliche Veränderung des Abstandes eines Druckstückes (6) mit konstan
ter Stärke zum Bohrkopf (1) zeigt Fig. 3, in der das Führungsrohr (7) zusätzlich
dargestellt ist. Es ist in der Bohrung unabhängig von der Position des Bohrkopfes (1)
in axialer Richtung beweglich ausgestaltet. Dazu wird das Führungsrohr (7) durch den
BOZA (3) geführt und weiter hinten gegen die Bohrstange abgedichtet. Das Bohröl (4)
kann dann sowohl über den BOZA als auch direkt in das Führungsrohr (4a) zugeführt
werden.
In diesem Falle empfiehlt sich ein in axialer Richtung beweglicher Antrieb des Füh
rungsrohres, mit dem dieses im Normalfall synchron zum Vorschub des Bohrkopfes
bewegt wird. Zur Veränderung der Korrektur wird die Synchronisation unterbrochen
und der Abstand neu eingestellt.
Vorteilhafterweise kann man, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Druckstück (6a) ver
wenden, dessen Stärke kontinuierlich oder in Stufen verändert werden kann. Dies
kann beispielsweise durch eine dünne Druckölleitung (8) erfolgen, die im Führungs
rohr (7) bis zum Druckstück (6a) geführt wird, das dann beispielsweise als hy
draulischer Stempel oder als Druckkissen ausgeführt ist. Andere technische
Lösungen für die Veränderung der Stärke des Druckstückes, wie z. B. durch Ver
schiebung von Keilen, sind denkbar. In Kombination von Stellung und Stärke des
Druckstücks ergeben sich erheblich erweiterte Beeinflussungsmöglichkeiten für die
Bohrrichtung, die hier nicht näher dargestellt werden, da sie vom Fachmann unter
Anwendung ihm geläufiger technischer Regeln und Berechnungen erkannt werden
können.
Durch eine Drehung des Führungsrohres (7) in der in Fig. 3 bei (5) angezeigten Pfeil
richtung oder gegen diese ist es möglich, das Druckstück (6) in jede radiale Winkel
position zum Walzenkörper zu bringen. Damit sind Korrekturen des Bohrungsverlau
fes in jede beliebige Richtung möglich. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil,
weil sich beim Bohren von Schalenhartguß die beschriebene Inhomogenität des
Werkstoffes zusätzlich in der Weise auswirkt, daß der Bohrer auch in Umfangsrich
tung verläuft. Zusammen mit dem"Eintauchen" des Bohrers spricht man vom sog.
"Zwei-Uhr-Effekt", weil die Resultierende aus beiden Abweichungen in Richtung der
Zwei eines Zifferblattes weist, wenn man bezogen auf den Walzenquerschnitt in der
Sechs-Uhr-Position ein Tiefloch einbringt. Es wird sich bei diesem Effekt also
empfehlen, das Druckstück zweckmäßigerweise in eine "Acht-Uhr-Position" zu brin
gen, um den Bohrungsverlauf völlig zu beseitigen.
Die Drehbarkeit des Führungsrohrs (7) zur Beeinflussung der Korrekturrichtung ist
aber weit darüber hinaus bedeutsam, weil sie die Möglichkeit gibt, das Verlaufen der
Bohrung in alle Richtungen je nach Erscheinungsbild zu korrigieren.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung, dargestellt in Fig .5 und 6, ist es
möglich, auf das Führungsrohr zu verzichten, wenn man das Druckstück (6b) in die
Bohrstange (2) integriert. Der Druck des Druckstückes (6b) auf die Bohrungswand
wird beispielsweise durch eine in der Bohrstange (2) mitlaufende separate Druck
ölleitung (9) umlauffrequent variiert, die über eine Drehdurchführung (10) mit einem
Druckvariator (nicht dargestellt) verbunden ist. Allerdings wird diese Weise der
Beeinflussung der Bohrrichtung weniger effektiv sein als die zuvor dargestellten, weil
die gewünschte Biegung der Bohrstange (2) nur während des Teils ihrer Umdrehung
erzielt wird, in dem sie sich beim Taumeln an der der fehlerhaften Abweichung der
Bohrung abgewandten Seite der Bohrungswand befindet.
Eine vollständige Kontrolle über den Bohrungsverlauf wird dadurch gewonnen, daß
man in regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich die aktuelle Position des Bohr
kopfes ermittelt. Dies läßt sich z. B. durch Ultraschallmessungen oder andere in einem
Metallkörper wirksame berührungslose Meßverfahren bewerkstelligen. Mittels Rück
kopplung der so festgestellten Abweichungen zur Korrektureinrichtung hin läßt sich
ein fast idealer gerader Bohrungsverlauf, aber auch eine vorgegebene Bohrkurve au
tomatisch erzeugen. Die erfindungsgemäßen Einrichtungen und Verfahren eignen
sich damit insbesondere auch für die mechanisch und/oder elektronisch automatisier
te Verlaufskorrektur.
Alle dargestellten Vorrichtungen und Verfahren sind naturgemäß nicht auf die An
wendung bei den beispielhaft zur Verdeutlichung herangezogenen Hartguß- und
ähnlichen Walzen aus der Papierherstellung beschränkt. Sie sind grundsätzlich in
allen Fällen anwendbar, in denen in einem harten Material, das nicht zwangsläufig
metallischer Natur sein muß, diese aber meist aufweisen wird, lange und im
Verhältnis zur Länge relativ dünne Bohrungen eingebracht werden sollen, ohne daß
die Möglichkeit besteht, den Bohrkopf so zwangszuführen, daß er eine gerade oder
andere vorgegebene Richtung beibehalten wird.
Claims (13)
1. Vorrichtung der zerspanenden Bearbeitung zur Beeinflussung des Verlaufs von
Tieflochbohrungen in metallischem oder nichtmetallischem Material
- a) mit einem zerspanenden Bohrwerkzeug (1) mit einer oder mehreren Schneiden, welches formschlüssig mit der Spitze einer angetriebenen hohlen Bohrstange (2) mit einem Außendurchmesser kleiner als der Durchmesser der erzeugten Bohrung verbunden ist,
- b) sowie einer Zuführung (3) von Flüssigkeit oder Druckgas (4) im Spalt zwischen Bohrstange und erzeugter Bohrung für die Kühlung, Schmie rung und den Abtransport der Bohrspäne und Ableitung der Flüssigkeit oder des Druckgases mit den Bohrspänen durch die hohle Bohrstange (2) oder
- c) einer Fließrichtung der Flüssigkeit oder des Druckgases entgegenge setzt zu b),
dadurch gekennzeichnet, daß
in einem Abstand (a) hinter dem Bohrwerkzeug (1) zwischen Bohrstange (2)
und Innenwand der Bohrung ein Druckstück (6) positioniert ist, welches auf die
Bohrstange (1) einen Druck ausübt und ihre radiale Auslenkung in eine vor
gegebene Richtung bewirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Druckstück (6) durch eine aus der Bohrung herausgeführte Halterung (7),
vorzugsweise ein Rohr mit einem Außendurchmesser geringfügig kleiner als
der Bohrungsdurchmesser, in axialer Richtung und bezogen auf die Bohrung in
jedem Winkel fixiert bzw. geführt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Stärke des Druckstückes (6) bzw. die durch dieses auf die Bohrstange (2)
ausgeübte Kraft mittels hydraulischer, elektrischer, pneumatischer oder me
chanischer Mittel veränderbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ansprüche 2 und 3 gemeinsam verwirklicht werden.
5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Führungsrohr (7) für das Druckstück (6) durch die Zuführung (3) für das
Bohrfluid hindurch aus der Bohrung herausgeführt wird und die Zuführung
sowohl gegen das Werkstück als auch gegen das Führungsrohr abgedichtet ist
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Führungsrohr (7) für das Druckstück (6) außerhalb der Bohrung gegen die
Bohrstange abgedichtet ist und daß das Bohrfluid zusätzlich oder alternativ
umschaltbar zwischen Führungsrohr (7) und Bohrstange (2) dem Bohrwerk
zeug (1) zugeleitet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Druckstück (2b) mitdrehend in die Bohrstange (2) integriert ist und seine
Stärke und/oder Druckkraft umlauffrequent periodisch mittels hydraulischer,
elektrischer, pneumatischer oder mechanischer Mittel variiert werden kann.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand a zwischen Bohrkopf (1) und Druckstück (6) praktisch gleich Null
ist, das Druckstück also im oder am Bohrkopf selbst angebracht ist.
9. Verfahren der zerspanenden Bearbeitung zur Beeinflussung des Verlaufs von
Tieflochbohrungen in metallischem oder nichtmetallischem Material,
dadurch gekennzeichnet, daß
die das Bohrwerkzeug (1) antreibende Bohrstange (2) mittels eines in Stärke
und Position variablen Druckstücks (6), welches zwischen Bohrstange (2) oder
Bohrwerkzeug 81) angeordnet ist, einer Biegekraft unterworfen und gegenüber
der Bohrung gezielt verstellt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Führung und Verstellung des Druckstücks (6) mittels eines, die Bohrstange
(2) in geringem Abstand umhüllenden, Führungsrohrs erfolgt, welches in
Längs- wie Drehrichtung beweglich und beliebig arretierbar ist.
11. Verfahren gemäß Ansprüchen 9 und 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Variation von Stärke und/oder Druck des Druckstücks (6) mittels hy
draulischer, elektrischer, pneumatischer oder mechanischer Mittel erfolgt.
12. Verfahren gemäß Ansprüchen 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Variation von Position und Stärke/Druck des Druckstückes (6) in
Abhängigkeit von Messungen der Position des Bohrwerkzeuges (1) manuell
oder automatisch geregelt nach einem vorgegebenen Soll-Verlauf erfolgt.
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