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Mitwandernder Setzstock zum Unterstützen langer Werkstücke mit allmählich
sich änderndem Durchmesser auf einer Drehbank Um beim Drehen langer und dünner Werkstücke
Durchbiegungen und Schwingungen zu vermeiden, bedient man sich sogenannter mitgehender
Setzstöcke, in denen das Werkstück, in Vorschubrichtung gesehen, dicht hinter dem
Drehstahl gelagert ist.
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Zu beachten sind zwei grundsätzliche Momente: z. Um ein schwingungsfreies
Drehen zu gewährleisten, ist eine dauernde und spielfreie Anlage der das Werkstück
tragenden Teile des. Setzstockes am Werkstück Grundbedingung; 2. obschon die tragenden
Teile des Setzstockes am bereits bearbeiteten Umfang des Werkstückes angreifen,
muß selbst bei zylindrischen Werkstücken infolge Werkzeugverschleißes mit einer
zwar geringen; aber nicht zu vernachlässigenden Änderung des Aufnahmedurchmessers
im Bereich des Setzstockes gerechnet werden.
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Es sind nun verschiedene Arten von Setzstücken bekannt: Bei einer
Art sind als Auflageteile Holzbacken vorgesehen, die das Werkstück fest und stark
umschließen. Die erwähnte Vergrößerung des Drehdurchmessers infolge Werkzeugverschleißes
gleicht sich zwar durch entsprechenden Verschleiß der Holzbacken aus; es treten
hierdurch aber.unkontrollierbare Reibungskräfte auf, die eine derart hohe Erwärmung
zur Folge haben, daß Längenausdehnungen des Werkstückes nicht vermeidbar sind. Höhere
Schnittgeschwindigkeiten, wie solche bei Verwendung von Hartmetallwerkzeugen vorzusehen
sind, können nicht zugelassen werden. Gänzlich ungeeignet ist diese
bekannte
Setzstockart für selbst schwach kegelige oder sonstwie profilierte Werkstücke.
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Eine andere Art eines mitgehenden Setzstockes besitzt zwei feste,
in der senkrechten Ebene zur Drehachse um etwa go bis zgo° gegeneinander versetzte
radial angeordnete Stempel mit Gleitbacken oder Rollen, die außerdem so gegenüber
der an der Werkzeugschneide aus Schnitt- und Rückdruck auftretenden resultierenden
Kraft angeordnet sind, däß das Werkstück gegen die Backen oder Rollen gedrückt wird.
Eine Durchmesseränderung des Werkstückes, selbst die -geringe Änderung infolge
Werkzeugverschleißes, kann von dieser bekannten Vorrichtung nicht aufgenommen werden.
Da nun außerdem die erwähnte resultierende Kraft starken Schwankungen unterworfen
und auch das Werkstückeigengewicht von Einfluß ist, können mittels dieser Vorrichtung
Schwingungen nicht unterbunden werden.
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Eine weitere Art bekannter Setzstöcke arbeitet mit an den Enden radial
verschiebbarer Tragstücke drehbar gelagerten Rollen. Die Tragstücke stehen unter
dem Einfluß einer Feder oder, als Kolben ausgebildet, unter dem Druck einer Flüssigkeit
oder von Preßluft und drücken daher die Rollen mit annähernd gleichbleibendem Anpreßdruck
an das Werkstück.
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Diese Vorrichtung weist nicht den grundsätzlichen Mangel der vorbeschriebenen
bekannten Setzstöcke auf, da sie sowohl Durchmesseränderungen infolge Werkzeugverschleißes
aufnimmt als auch die Verarbeitung von kegeligen -oder profilierten Werkstücken
zuläßt. Auch hohe Schnittgeschwindigkeiten sind möglich.
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Trotzdem ergeben sich auch. bei dieser Vorrichtung Schwierigkeiten.
Die - radial verschiebbaren Tragstücke gewährleisten keine genau mittige Führung
des Werkstückes; da sie -voneinander unabhängig sind. Diese Unabhängigkeit sowie
das, Anpressen aller Tragstücke mit gleicher Kraft gegen das Werkstück bedingen
ein sozusagen labiles Gleichgewicht. Da die äußeren, auf das Werkstück wirkenden
Kräfte unter dem Einfluß der Spanbildung starken und raschen Schwankungen unterliegen,
zudem Federn, Preßluft od. dgl. Schwingungen noch begünstigen, muß sehr vorsichtig
und mit geringen Spanquerschnitten. gearbeitet werden. Auch die aus Werk-.stückgewicht
und Schnittkraft resultierende äußere rein statische Kraft wird durch den labilen
Gleichgewichtszustand ebenfalls nicht aufgenommen.
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Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, einen mitgehenden
Setzstock zu schaffen, der r. allmähliche Durchmesseränderungen des Werkstückes
zuläßt; .
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a. selbstzentrierend ist und 3. das Werkstück gegenüber den aus Werkstückgewicht
und Schnittkraft resultierenden statischen oder dynamischen Kräften in seiner Lage
hält.
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Der Setzstock nach der Erfindung besitzt entsprechend bekannten Ausführungen
mehrere im Setzstockrahmen gelagerte, etwa radial verschiebbare Auflagen, die unter
dem Einfluß einer Stellkraft stehend das Werkstück unterstützen. Das Neue gemäß
der Erfindung besteht nun darin, daß sich die Werkstückauflägen durch Kupplung ihrer
Bewegungen unter zwangsläufiger Verschiebung um gleich große und gleichsinnige Strecken
selbstzentrierend einstellen und daß die Werkstückauflagen dadurch, daß auf sie
unter Eifschaltung< einer verhältnismäßig großen Übersetzung gemeinsam im gleichen
Sinne eine bewegliche Masse verstellend einwirkt, der kontinuierlichen Durchmesseränderung
des Werkstückes, die auf alle Auflagen gleichmäßig einwirkt, elastisch nachgiebig
folgen, während sie gegenüber den sich aus Werkstückgewicht und Schnittdruck ergebenden
statischen Kräften wie auch gegenüber den durch die Spanbildung erzeugten dynamischen
Kräften, die beide auf die einzelnen Auflagen verschieden einwirken, unnachgiebig
sind.
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Die Übertragung der Kräfte könnte -nun durch verschiedene an sich
bekannte Mittel vorgenommen werden, z. B. durch Zahnräder und Zahnstangen. Als besonders
vorteilhaft erweist sich aber die Verwendung von Gelenkhebeln, da hierdurch einerseits
eine einfache konstruktive Durchbildung ermöglicht wird und andererseits Hebel als
besonders einfache Maschinenelemente so ausgebildet werden können, daß die auftretenden
recht erheblichen Kräfte ohne Verformung der Übertragungsmittel aufgenommen und
die Bewegungen spielfrei weitergeleitet werden können.
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Eine besonders einfache Lösung zur Einhaltung der Bedingung, daß der
Setzstock selbstzentrierend arbeitet; ergibt sich nach der Erfindung dadurch, daß
die Auflagen an im Setzstockrahmen mit auf einem zum Werkstück konzentrischen Kreis
liegenden Drehpunkten gelagerten Gelenkhebeln angeordnet sind, deren frei bewegliche
Endpunkte an einem als Gewicht und Masse wirkenden Teil gelenkig angreifen. Dabei
bilden die Auflagepunkte am Werkstück und die Drehpunkte der Gelenkhebel am Setzstockrahmen
die Ecken ähnlicher Vielecke, während die Angriffspunkte an dem als Gewicht und
Masse dienenden Teil die Eckpunkte eines dem durch die Drehpunkte im Setzstockrahmen
gebildeten Vieleck kongruenten Vielecks bilden.
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Zur Änderung des Arbeitsbereiches sind die Auflagen in den Hebeln
bei Mittelstellung des Hebelsystems in radialer Richtung zur Werkstückachse um jeweils
gleiche Strecken verstellbar angeordnet, wobei zur Gewährleistung gleicher Verstellstrecken
zwischen Anschlägen in den Hebeln und der Rückenfläche der verstellbaren Auflagestücke
gleich hohe Paßstücke eingesetzt werden.
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Eine weitere grundlegende Erkenntnis der Erfindung ist die, daß-man
die statische Kraft nicht zu groß wählen darf, da sonst Beschädigungen der Werkstückoberfläche
eintreten können, daß aber andererseits die Massenwirkung so groß wie möglich sein
müß, um die dynamischen Kräfte aufzufangen.
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Um ein möglichst günstiges Verhältnis beider zueinander zu erzielen,
sind mehrere Möglichkeiten gegeben.
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Man kann beispielsweise die Hebelübersetzung entsprechend wählen oder
die Gewichtswirkung des zugleich als Masse und Gewicht wirkenden Teils durch Zuordnung
einer Gegenkraft (Feder öder
Gegengewicht) vermindern, oder man
kann durch Steilstellung der Angriffsarme der den als Gewicht und Masse wirkenden
Teil tragenden Hebel die Gewichtskomponente dieses Teils, die das statische Moment
erzeugt, verkleinern.
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Diese Möglichkeiten können jede für sich oder auch gemeinsam ausgenutzt
werden, wobei für die Wahl des einen oder anderen Mittels im wesentlichen bauliche
Gesichtspunkte maßgebend sind.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in den Abb. Z bis q. eine Ausbildungsform
mit Gelenkhebelübertragung dargestellt.
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Im einzelnen zeigt Abb. x eine Stirnansicht des Setzstockes, Abb.
2 eine schematische Darstellung eines Hebels und Abb. 3 und q. die verstellbaren
Auflagen in Stirnansicht und im Schnitt.
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An dem Setzstockrahmen 4. sind in den Gelenkpunkten B1, B2, B3 drehbar
die Hebel Z, 2, 3 gelagert, die Punkte B1, B2, B3 haben von der Werkstückachse
gleichen Abstand. Die Endpunkte A1, A2, A3 der Hebel =, 2, 3 sind mit einem Teil
5 gelenkig verbunden. Die Abstände A-B sind gleich groß. Die Verbindungslinien A,-B"
A2 B.", A3-B3 sind zueinander parallel. Die Hebel tragen drehbar gelagerte Rollen
6, die den Umfang des Werkstücks 7 in den Punkten Cl, C2, C3 berühren. Die Abstände
B,-C" B2-C2, B3-C3 sind gleich groß. Auf Grund dieser Bedingungen ergibt sich ohne
weiteres, daß sich bei Drehung eines Hebels, z. B. des Hebels z um den Punkt B1,
die anderen Hebel um den gleichen Winkelbetrag und im gleichen Drehsinn mitdrehen
müssen. Die Punkte Cl, C2, C3 werden sich dabei je nach Drehsinn der Hebel um gleiche
Beträge der Werkstückachse M nähern oder entfernen. Die Einrichtung ist also selbstzentrierend.
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Hat der Teil 5 das Gewicht G, so wirkt in jedem der Punkte Al,
A2, A3 jeweils das Gewicht
in lotrechter Richtung. Die Komponente P (Abb. 2) ergibt mit dem Hebelarm il ein
Drehmoment um B1. Die in Cl zwischen Rolle und 'Werkstück auftretende Kraft Q kann
in ihrer Richtung verschoben werden und im Punkt Dl am Hebel angreifend gedacht
sein. Das im Punkt B1 auf die Richtung Q gefällte Lot ergibt den Punkt Dl und B1,
Dl die Länge des kurzen Hebelarms 12.
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Da P - il = Q - r2 und
sin a, wird die im Punkt Cl zwischen Rolle und Werkstück auf die Werkstückachse
gerichtete Kraft
Ihre Größe ist von der Größe des Gewichts G, dem zwischen Richtung A1, B1 und der
Lotrechten gebildeten Winkel a sowie von dem einfachen Verhältnis der Hebelarme
1. : r2 abhängig. Es ist ersichtlich, daß diese Bedingungen für alle drei Hebel
die gleichen sind, mithin tritt auch jeweils in den Punkten C2 und C3 eine gleich
große Kraft Q auf.
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Bei Änderung des Werkstückdurchmessers bleibt also dessen Achse genau
im. Punkt 1.7 und die Anpreßkräfte in den Punkten Cl, C2, C3 in ungefähr gleicher
Weise bestehen. Versucht sich dagegen die Werkstückachse unter dem Einfluß äußerer
Kräfte zu verlagern, so wird die in Bewegungsrichtung befindliche Rolle nach außen
gedrückt. Die anderen Rollen bewegen sich aber gleichzeitig auch nach außen und
werden dadurch entlastet. Nunmehr wirkt aber das Gesamtgewicht auf die noch kraftschlüssig
mit dem Werkstück verbundene Rolle, so daß diese jetzt mit dem 3fachen Anpreßdruck
das Werkstück in die Normallage zurückzudrücken sucht.
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Teil 5 könnte für diesen Zweck auch gewichtslos ausgeführt werden
und die benötigten Anpreßkräfte z. B. durch eine an diesem angebrachte Feder bewirkt
werden. Auf alle Fälle ist es mit der beschriebenen Einrichtung möglich, durch Wahl
entsprechender Verhältnisse an den Rollen Anpreßkräfte zu erhalten, die so groß
sind, daß äußere auf das Werkstück wirkende statische Kräfte dessen Drehachse nicht
verlagern können.
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Neben den statischen Kräften treten aber beim Drehen, wie an früherer
Stelle bereits erwähnt, noch dynamische Kräfte auf. Unter dem Einfluß der ungleichmäßigen
Spanbildung treten am Werkstück Schwingungserscheinungen auf, die kurzzeitige heftige
Stöße auf die Rollen verursachen. Die Größenordnung dieser Kräfte ist aber weit
höher als die der statischen Kräfte. Um den dynamischen Kräften entgegenzuwirken,
müßte die Anpreßkraft so hoch gewählt werden, daß Beschädigungen am Werkstück und
an den Rollen auftreten würden. Zum Abfangen dieser Stöße wird erfindungsgemäß die
Wirkung der Masse benutzt.
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Die Hebel selbst, die möglichst biegungsfest gestaltet werden, und
besonders aber Teil s bilden die notwendige Masse. Die Masse von Teil
sei für den Fall, daß sich das Werkstück als Folge von Schwingungen zu verlagern
versucht, und zwar in Richtung auf Cl zu bewegt, in voller Höhe im Punkt.4 1 angreifend
gedacht (Abb.2). Der Hebel selbst sei masselos gedacht.
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Die Masse
wirkt unabhängig von der Richtung A1, Bl einer Drehbewegung des Hebels entgegen.
Nach den Gesetzen der Mechanik kann man sich die Masse
im Punkt Dl angreifend denken, wobei sie um das Verhältnis der Hebelarme im Quadrat
vergrößert wirkt. Durch die Beschleunigung b auf Grund eines Schwingungsstoßes wirkt
dem Werkstück im Punkt Cl die Kraft
entgegen; die statische Kraft war
Es ist nun erwünscht, wegen Gefährdung der Rollen und des Werkstückes bei einem
mäßig großen Qstat ein möglichst hohes Qd"L zu erhalten.
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Vorstehende Gleichungen ergeben einen Anhalt dafür, wie dieses Verhältnis
günstigst zu erreichen ist.
Die Beschleunigung b und Qtd seien gegeben;
-und zwar b als unbekannte und nicht beeinflußbare Größe und Qstat-als mordest so
groß wie die größte am Werkstück auftretende statische Kraft und höchstens so groß,
als die Rollenlagerung bzw. die Werkstückoberfläche zuläßt. Es wird -vorteilhaft
die obere Grenze gewählt.
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Einen Größtwert für Qd.n erreicht man einerseits durch größtmögliches
G, dessen Einfluß auf Qstat durch Verkleinerung des a beliebig klein gemacht werden
kann, andererseits 'durch möglichst großes Hebelverhältnis , da dieser Faktor im
Quadrat steht und sein. Einfluß
auf Qgat nur linear besteht und dort auch wieder durch Verkleinerung des ä
ausgeglichen werden kann. Praktisch sind der Dimensionierung aller dieser Größen
aus konstruktiven Gründen Grenzen gesetzt. Die beiden Gleichungen zeigen aber wenigstens
die Richtlinien für günstigste Gestaltung des.Erfindungsgegenstandes.
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Die Zahl der Hebel ist nicht auf drei beschränkt, sondern der Erfindungsgegenstand
ist sinngemäß auch mit zwei oder vier und mehr Hebeln bzw. Tragteilen ausführbar.
Auch ist eine symmetrische Anordnung der Rollen, d. h. eine gleichmäßige Verteilung
auf den Werkstückumfang nicht unbedingt erforderlich.
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Da die Hebel nur kleinere Bewegungen und damit nur einen beschränkten
Durchmesserbereich zulassen, können die Rollen oder Tragstücke in den Hebeln selbst
in ungefähr radialer Richtung verstellbar ausgebildet werden (Abb.3). Man erreicht
hierdurch Verwendbarkeit des Setzstockes für Werkstücke verschiedener Größenordnung
in bezug auf deren Durchmesser. Damit die Verstellung notwendigerweise um gleiche
Beträge stattfindet, ferner eine Feineinstellung durch die Hebel selbsttätig erfolgt,
können gleich starke Paßstücke 8 benutzt werden, die unter die Verstelleinrichtung
gelegt werden.