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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen selbstsynchronisierenden und selbsteinstellenden Gewindebohrerhalter für starres Gewindebohren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Beim maschinellen Bearbeiten von metallischen Werkstücken wird eine als Gewindebohrer bezeichnete Vorrichtung verwendet, um innenseitig mit einem Gewinde versehene Löcher zum Aufnehmen von Schrauben in den metallischen Werkstücken zu erzeugen. Der Gewindebohrer selbst ist ein Werkzeug mit äußeren Schneidwindungen. Um das innenseitig mit einem Gewinde versehene Loch in dem Werkstück zu erzeugen, wird der Gewindebohrer gedreht und in das Werkstück bis zu der gewünschten Lochtiefe getrieben und dann rückwärts gedreht und aus dem Werkstück zurückgezogen.
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Der Gewindebohrer wird von einem Gewindebohrerhalter gehalten, und der Gewindebohrerhalter ist in einer Maschine gehalten oder befestigt, die sowohl die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung als auch den Vorwärts- und Rückwärtsantrieb zur Verfügung stellt.
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Beim Erzeugen des innenseitig mit einem Gewinde versehenen Lochs wird der Gewindebohrerhalter zunächst gedreht und bis zu der gewünschten Tiefe in das Basismaterial oder Metall getrieben. Wenn der Gewindebohrer die gewünschte Tiefe erreicht hat, wird die Drehung des Gewindebohrerhalters und des Gewindebohrers umgekehrt, und der Gewindebohrer wird aus dem Basismaterial zurückgezogen.
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Um das beste innenseitig mit einem Gewinde versehene Loch zu erzeugen, sollte der Gewindebohrer simultan vorgeschoben und gedreht werden mit genau korrelierenden Geschwindigkeiten der Drehung und der Vorwärtsbewegung für eine gegebene Gewindebohrersteigung. Beispielsweise sollte ein Ein-Viertel-Zwanzig-Gewindebohrer in das Werkstück um einen Zoll pro 20 Umdrehungen, oder 1,27 mm [0,05 Zoll] pro Umdrehung, vorgeschoben werden. Beim typischen starren Gewindebohren stellen die Antriebsmaschinen die Synchronisierung der Spindeldrehung und des Vorschubs so zur Verfügung, daß sie zu der Gewindebohrersteigung passen.
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Während der Erzeugung eines Gewindebohrlochs durchläuft die Maschinenspindel mehrere Phasen, nämlich das Treiben des drehenden Gewindebohrers in das Gewindebohrloch, das Verlangsamen des Vorwärtstriebs oder der Vorschubgeschwindigkeit und der Drehung, bis der Gewindebohrer in dem Werkstück zu einem Halt kommt, das Umkehren der Drehrichtung und das Beschleunigen oder Erhöhen der Rückwärts-Drehgeschwindigkeit passend zu der gewünschten Gewindebohrersteigung beim Zurückziehen des Gewindebohrers.
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Es wird von denjenigen mit üblicher fachlicher Qualifikation eingesehen, daß während der Änderungen der Drehgeschwindigkeit der Vorschub des Gewindebohrers eingestellt oder korreliert sein muss, um genau zu der Gewindebohrersteigung zu passen. Es ist jedoch in der Praxis sehr schwierig, die Drehung, den Antrieb und die Gewindebohrersteigung genau abzustimmen, und es gibt kleine Fehler, die in der Synchronisierung der Drehgeschwindigkeit und der Vorschubgeschwindigkeit während der Abbremsungs- oder Verlangsamungsphase und während der Beschleunigungsphase der Rückwärtsdrehung auftreten.
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Bei dem typischen Stand der Technik sind Gewindebohrerhalter allgemein starr insofern als daß sie keine echte Fähigkeit haben, Diskrepanzen zwischen dem Vorschub des Gewindebohrers und dem Vorschub der Maschine zu kompensieren, sondern stattdessen lediglich die Drehung und den Vortrieb der Gewindebohrmaschine direkt übertragen.
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Bei starren Gewindebohrerhaltern werden sogar sehr kleine Fehler der Synchronisierung eine bedeutende axiale Kraft auf den Gewindebohrer ausüben, was vorzeitigen Verschleiß des Gewindebohrers erzeugt und die von dem Gewindebohrer erzielte Gewindequalität negativ beeinflußt.
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Beim maschinellen Bearbeiten einer Vielzahl von innenseitig mit einem Gewinde versehenen Öffnungen kann eine Maschine dazu verwendet werden, Führungslöcher zu bohren, in die die Gewindebohrer getrieben werden, während eine andere Maschine für das eigentliche Gewindebohren verwendet werden kann. Dies kann zu leichten Positionierungsfehlern führen, bei denen der Gewindebohrer beispielsweise nicht exakt zu dem Führungsloch ausgerichtet ist, sondern statt dessen ein oder zwei Tausendstel Zoll abseits ist.
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Es wird von denjenigen mit üblicher fachlicher Qualifikation eingesehen werden, daß es einen Bedarf nach einem Gewindebohrerhalter gibt, der eine begrenzte Biegung (engl.: ”flexure”) für die Lagefehler hat, die mit dem Anordnen des Gewindebohrers in bezug auf die gewünschte Lage des Gewindebohrlochs verbunden sind.
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Die Merkmale nach
SU 837581 sind im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche nachstehend kurz beschrieben werden.
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1 ist eine Ansicht einer Ausführungsform dieser Erfindung, die einen Gewindebohrerhalter mit einer Gewindebohreinrichtung darin zeigt;
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2 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform diese Erfindung, die einen Gewindebohrerhalter mit einem flexiblen, mit schraubenförmigen Windungen gearbeiteten Bereich zwischen dem Schaftabschnitt und dem Einspannabschnitt zeigt;
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3 ist eine Ansicht eines Gewindebohrerhalterkörpers, der in einer Ausführungsform dieser Erfindung verwendet werden kann;
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4 ist eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, die aber die Kompressionsbiegung (engl.: ”compression flexure”) des mittleren Abschnitts des Gewindebohrerhalterkörpers veranschaulicht;
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5 ist eine Querschnittsansicht der in 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung von oben; und
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6 ist eine Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die eine von einer Ausführungsform dieser Erfindung zur Verfügung gestellte laterale Biegung (engl.: ”lateral flexure”) veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Viele der Befestigungs-, Verbindungs, Herstellungs- und anderer Mittel und Bauelemente, die in diese Erfindung verwendet werden, sind weithin bekannt und werden auf dem Gebiet der beschriebenen Erfindung verwendet, und ihre exakte Beschaffenheit oder Art ist nicht notwendig für ein Verstehen und Benutzen der Erfindung durch eine Person mit fachlicher oder wissenschaftlicher Qualifikation; sie werden daher hier nicht in erheblichem Detail diskutiert werden. Außerdem können die hier für jede bestimmte Anwendung dieser Erfindung gezeigten oder beschriebenen verschiedenen Bauelemente variiert oder verändert werden, wie es von dieser Erfindung vorweggenommen wird, und die Praxis einer bestimmten Anwendung oder Ausführungsform jedes Elements mag schon weithin bekannt oder auf dem Fachgebiet oder von fachlich oder wissenschaftlich qualifizierten Personen verwendet werden; daher wird ein jedes nicht in erheblichem Detail diskutiert werden.
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Die Begriffe ”ein”/”eine” und ”der”/”die”/”das”, wie sie hier in den Patentansprüchen verwendet werden, werden in Übereinstimmung mit einer langjährigen Praxis der Formulierung von Patentansprüchen und nicht in einer beschränkenden Weise verwendet. Sofern es nicht besonders angegeben ist, sind die Begriffe ”ein”/”eine” und ”der”/”die”/”das” nicht auf eines solcher Elemente beschränkt, sondern bedeuten stattdessen ”wenigstens eines”.
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1 ist eine Ansicht einer Ausführungsform dieser Erfindung, die eine Gewinderbohrerhaltereinrichtung mit einer Gewindebohreinrichtung darin zeigt, veranschaulichend eine Gewindebohreinrichtung 1, einen Gewindebohrerhalterkörper 2, einen Schaftabschnitt 2a des Gewindebohrerhalterkörpers 2, einen Einspannabschnitt 2c des Gewindebohrerhalterkörpers 2, einen Gewindebohrer 40, eine Spannhülsenbuchse 3, eine Gewindebohrerkörperhülse 4 und eine Schaftabflachung 30 zum Befestigen an einer Maschinenspindel oder in einem weiteren Schaft, der in eine Maschinenspindel paßt. Die Schaftabflachung 30 erleichtert das Befestigen des Gewindebohrerhalters an seiner Quelle der Drehung oder schließlich an der Maschinenspindel.
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2 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungform dieser Erfindung, welche die Gewindebohreinrichtung 1, den Gewindebohrerhalterkörper 2 mit dem Schaftabschnitt 2a des Gewindebohrerhalterkörpers, dem mittleren Abschnitt 2b des Gewindebohrerhalterkörpers und dem Einspannabschnitt 2c des Gewindebohrerhalterkörpers zeigt. In dem mittleren Abschnitt 2b des Gewindebohrerhalterkörpers 2 wurden schraubenförmige Windungen 5 in den Körper um den Umfang geschnitten, um eine Feder oder Spannungs- und Kompressionseigenschaften (und eine begrenzte laterale Biegung) bereitzustellen, die anders oder ungleich denjenigen in dem Schaftabschnitt 2a und dem Einspannabschnitt 2c sind.
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Die schraubenförmigen Windungen können präzise geschnitten werden, um die gewünschte Biegung, Spannung und Kompression bereitzustellen, die notwendig sind, um es dem Einrichtungskörper zu gestatten, daß er sich selbst mit auf den Gewindebohrer während des Gewindebohrens übertragenen Kräften synchronisiert. Eine Kompression tritt auf durch eine aufwärts gerichtete Kraft an der Führungsbuchse 8, die innerhalb der axialen Öffnung 11 des Gewindebohrerhalterkörpers aufgenommen ist. Wenn eine übermäßige Kraft auftritt, wird sie über die Führungsbuchse 8 auf einen ersten Mitnehmerstift 6 übertragen werden. Der erste Mitnehmerstift 6 übermittelt oder überträgt dann die besagte axiale Kraft auf die schraubenförmigen Windungen 5 in dem mittleren Abschnitt 2b, um eine Kompression des mittleren Abschnitts 2b des Gewindebohrerhalterkörpers 2 zu verursachen.
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Komprimierungszwischenräume 17 stellen Platz für die Bewegung der Führungsbuchse 8 während der Kompression des mittleren Abschnitts 2b zur Verfügung und begrenzen diese Bewegung. Lediglich zu Zwecken der Veranschaulichung sind die Komprimierungszwischenräume 17 größer dargestellt als sie tatsächlich sein würden. Bei einer typischen Gewindebohreinrichtung kann es erforderlich sein, daß die Komprimierungszwischenräume lediglich einen halben (1/2) Millimeter betragen, um für die ausreichende Bewegung für die gewünschte Synchronisierung zu sorgen.
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Die schraubenförmigen Windungen 5 können in den Gewindebohrerhalterkörper 2 genau und präzise geschnitten sein, um die gewünschten Federeigenschaften zu erzeugen, die den mittleren Abschnitt 2b des Gewindebohrerhalterkörpers 2 mit einer Feder von 16,61 kg (30 Pfund) gleichsetzen. Die schraubenförmigen Windungen 5 können von Helical Products, Inc. aus dem mittleren Körperabschnitt herausgearbeitet sein. Die Ausdehnungs- und Komprimierungsgeschwindigkeit beträgt ungefähr 208,27 kg pro cm (1167 Pfund pro Zoll) als Bezugswert, die Federausdehnung und -kompression maximal 0,079 cm (einunddreißig Tausendstel Zoll) mit einer Reaktionskraft von 15,88 kg (85 Pfund), plus oder minus zehn Prozent. Die bevorzugte erlaubte laterale Verlagerung der Feder beträgt 0,0076 cm (drei Tausendstel Zoll). Das bevorzugte Material, aus welchem die Feder und/der Gewindebohrerhalterkörper aufgebaut ist, ist allgemein als C300-Metall bekannt.
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Eine Ausführungsform dieser Gewindebohreinrichtung ist dazu in der Lage, eine leichte laterale Bewegung des Gewindebohrers zu dem Loch bereitzustellen, während sie weiterhin ein ausreichend genaues Gewindebohrloch bereitstellt. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt durch den schraubenförmigen Schlitzabschnitt eine Bewegung von ungefähr von 0,0051 cm (2/1000 eines Zoll) von einer Seite zur anderen Seite an dem Ende des Gewindebohrers bereit, um eine leichte Fehlausrichtung des Gewindebohrers zu dem Loch zu gestatten.
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Bei einer typischen Gewindebohranwendung kann der schraubenförmige geschlitzte Bereich eine axiale Bewegung von bis zu 0,079 cm (31/1000 eines Zoll) bereitstellen, obwohl die typische axiale Bewegung nur im Bereich von 0,0051 cm (2/1000 eines Zoll) bis 0,013 cm (5/1000 eines Zoll) sein wird. Es ist bevorzugt, daß es eine Bewegung von ungefähr 0,079 cm (31/1000 eines Zoll) als Antwort auf eine axiale Kraft von ungefähr 16,61 kg (30 Pfund) gibt, obwohl die vorbestimmte Bewegung als Antwort auf irgendeinen Bereich vorbestimmter Kräfte sein kann, die alle innerhalb der Erwägung dieser Erfindung liegen.
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Aus Gründen der Konzentrizität und aus anderen Gründen ist der Kompressions-/Spannungs-Bereich einteilig mit dem Gewindebohrerhalterkörper.
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2 veranschaulicht weiter eine axiale Öffnung 11 des Gewindebohrerhalterkörpers, durch welche eine Schneidflüssigkeit oder ein Schmiermittel für den Gewindebohrvorgang zur Verfügung gestellt oder geleitet werden kann. Die axiale Öffnung 10 der Führungsbuchse stellt weiter die notwendige Leitung bereit, damit das Kühlmittel das Spannhülsenfutter 12 erreicht und während des Gewindebohrens das Gewindebohrloch versorgt, in Entsprechung zu Mitteln, die denen mit üblicher Qualifikation in der Industrie bekannt sind.
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2 veranschaulicht weiter einen zweiten Mitnehmerstift 9, der von dem Gewindebohrerhalterkörper 2 beabstandet ist mit zumindest einem Abstand, der gleich dem Komprimierungszwischenraum 17 ist, um seine Bewegung zu gestatten. Das erste Ende 9a des zweiten Mitnehmerstifts 9 befindet sich in der wenigstens einen Mitnehmerstiftöffnung in der äußeren Oberfläche der Führungsbuchse 8, und ein zweites Ende 9b des zweiten Mitnehmerstifts 9 paßt in eine Öffnung 20, welche in 3 besser dargestellt ist und welche vorzugsweise eine ovale Form hat. Kugellager 7 sind in Zwischenräumen oberhalb und unterhalb der schraubenförmigen Windungen 5 vorgesehen, um den ersten Mitnehmerstift 6 und den zweiten Mitnehmerstift 9 in ihren jeweiligen Lagen zu halten, während sie immer noch eine relative axiale und laterale Bewegung erlauben. Das erste Ende 6a des ersten Mitnehmerstifts 6 befindet sich in der wenigstens einen Mitnehmerstiftöffnung in der äußeren Oberfläche der Führungsbuchse 8, und ein zweites Ende 6b des ersten Mitnehmerstifts 6 befindet sich in der wenigstens einen Mitnehmerstiftöffnung 21 (besser dargestellt in 5) in der inneren Oberfläche des Gewindebohrerhalterkörpers 2.
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O-Ringe 16 sind zwischen der Führungsbuchse 8 und dem Gewindebohrerhalterkörper 2 gezeigt, welche O-Rringe 16 eine Abdichtung zum Eingrenzen und Steuern eines in die axiale Öffnung 11 des Gewindebohrerhalterkörpers eingespeisten Kühlmittels bereitstellen.
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Die Gewindebohreinrichtung umfaßt weiter die Gewindebohrerkörperhülse 4, die allgemein den mittleren Abschnitt 2b des Gewindebohrerhalterkörpers 2 umgibt. 2 zeigt weiter die Spannhülsenbuchse 3 um den Einspannabschnitt 2c des Gewindebohrerhalterkörpers 2 zum Befestigen des Gewindebohrers in dem Spannfutterbereich 12. Ebenfalls in 2 sind die Schaftabflachung 30 an dem Schaftabschnitt 2a des Gewindebohrerhalterkörpers 2 und der Gewindebohrer 40 gezeigt. 2 zeigt weiter einen Gleitring 33 und einen Gewindebohrervierkant 34.
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Der Begriff mittlerer Abschnitt, wie er hier mit Bezug auf den Gewindebohrerhalterkörper verwendet wird, ist so gemeint, daß er jeden Bereich oder Abschnitt der Gewindebohreinrichtung umfaßt zwischen dort, wo der Gewindebohrerhalter von der Gewindebohrmaschine gehalten wird, und dort, wo der Gewindebohrer von dem Gewindebohrerhalter gehalten wird.
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3 ist eine Ansicht des Gewindebohrerhalterkörpers 2, welche den Schaftabschnitt 2a, den mittleren Abschnitt 2b und den Einspannabschnitt 2c veranschaulicht. Schraubenförmige Windungen 5 sind gezeigt, die in den mittleren Abschnitt 2b geschnitten sind und umgeben sind von der ersten Mitnehmerstiftöffnung 21 und der zweiten Mitnehmerstiftöffnung 20. Man wird beachten, daß die erste Mitnehmerstiftöffnung 21 einen festen Sitz für den ersten Mitnehmerstift 6 bereitstellt, um eine geringe oder keine relative Bewegung zwischen dem ersten Mitnehmerstift 6 und dem Gewindebohrerhalterkörper 2 bereitzustellen. Andererseits ist die zweite Mitnehmerstiftöffnung 20 absichtlich größer als der zweite Mitnehmerstift 9, um eine gewisse relative Bewegung zu gestatten, wie vollständiger in 2 veranschaulicht ist. Die Spannhülsenbuchse 3 um den Einspannabschnitt 2c des Gewindebohrerhalterkörpers 2 ist ebenfalls gezeigt.
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4 ist dieselbe Ausführungsform der Erfindung und dieselbe Ansicht wie in 2 gezeigt, wobei jeder Gegenstand und jedes Element identisch nummeriert ist. 4 veranschaulicht die axiale oder Kompressions-Bewegung in dem mittleren Abschnitt 2b des Gewindebohrerhalterkörpers 2, wenn Kräfte auf den Gewindebohrerhalterkörper 2 ausgeübt werden. 4 zeigt den komprimierten schraubenförmigen Abschnitt und den vollständig geschlossenen Komprimierungszwischenraum 17 (verglichen mit 2 gibt es in 4 keinen Zwischenraum).
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5 ist eine Querschnittsansicht von oben von einer Gewindebohreinrichtung 1, die in einer Ausführungsform der Erfindung betrachtet wird, welche drei erste Mitnehmerstifte 6, wie sie vorzugsweise um einhundertzwanzig Grad zueinander versetzt sind, die Kugellager 7, den mittleren Abschnitt 2b der Gewindebohreinrichtung 2, die Gewindebohrerkörperhülse 4, die Führungsbuchse 8 und die axiale Öffnung 10 der Führungsbuchse veranschaulicht.
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Es wird von denjenigen mit üblicher fachlicher Qualifikation anerkannt werden, daß Varianten von drei Mitnehmerstiften 6 und der Beabstandung oder des Versatzes zwischen den Mitnehmerstiften 6 zu irgendeiner aus einer Anzahl von verschiedenen Konfigurationen und tatsächlichen Anzahlen von Mitnehmerstiften 6 variiert werden können, wobei alle innerhalb der Erwägung dieser Erfindung liegen.
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6 ist eine Ansicht einer Gewindebohreinrichtung 1, die in einer Ausführungsform der Erfindung erwägt wird, und veranschaulicht eine laterale Biegung, die durch eine Ausführungsform dieser Erfindung zur Verfügung gestellt wird.
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6 zeigt die Gewindebohreinrichtung 1, den Gewindebohrerhalterkörper 2, den Schaftabschnitt 2a des Gewindebohrerhalterkörpers 2, den Einspannabschnitt 2c des Gewindebohrerhalterkörpers 2, den Gewindebohrer 40, die Spannhülsenbuchse 3, die Gewindebohrerkörperhülse 4 und die Schaftabflachung 30.
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6 veranschaulicht weiter eine leichte laterale Bewegung des unteren Endes des Gewindebohrers 70 um einen Abstand 71. Die laterale Bewegung des unteren Endes des Gewindebohrers 70 wird allgemein durch den mittleren Abschnitt 2c des Gewindebohrerhalterkörpers 2 und die darin vorgesehenen Schlitze zur Verfügung gestellt.
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Der Abstand 71 ist in 6 zu Veranschaulichungszwecken übertrieben, kann aber allgemein 0,0026 oder 0,0051 cm (1 oder 2 Tausendstel eines Zoll) betragen, welches im allgemeinen eine akzeptierbare Toleranz beim maschinellen Erzeugen von Gewindebohrlöchern ist. Es kann eine Anzahl von Gründen geben, weshalb diese laterale Biegung benötigt wird. Ein Beispiel ist, daß es, wenn eine Maschine verwendet wird, um die Gewindebohrungsanfangslöcher zu bohren, und eine zweite Maschine verwendet wird, um tatsächlich in das Ganze ein Gewinde zu bohren, einige leichte Abweichungen in der relativen Lage der beabsichtigten Bohrlöcher gegenüber dem Gewindebohrloch geben kann.
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Die Erfindung beinhaltet daher einen Gewindebohrerhalter für starres Gewindebohren, wie er in Anspruch 1 definiert ist.
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Während des Gewindebohrverfahrens, während der Gewindebohrer in das Basismaterial, typischerweise Metall, oder aus diesem heraus getrieben wird, liegen zusätzliche Kräfte auf dem Gewindebohrer, die den Gewindebohrer aus der erwünschten Synchronisation bringen. Der mittlere Abschnitt des von dieser Erfindung zur Verfügung gestellten Gewindebohrerhalterkörpers stellt eine Kompressibilität und einen Ausdehnungsfaktor zur Verfügung, welche dazu beitragen, diese Kräfte zu kompensieren, und stellt die gewünschte Synchronisierung in der Spannung und in der Kompression zur Verfügung.
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Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen spezifischen Merkmale beschränkt ist, da die hier offenbarten Mittel bevorzugte Formen der Realisierung der Erfindung umfassen.
