WO2017076833A1 - Anfaswerkzeug mit führung zur schwingungs-eliminierung - Google Patents

Anfaswerkzeug mit führung zur schwingungs-eliminierung Download PDF

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WO2017076833A1
WO2017076833A1 PCT/EP2016/076303 EP2016076303W WO2017076833A1 WO 2017076833 A1 WO2017076833 A1 WO 2017076833A1 EP 2016076303 W EP2016076303 W EP 2016076303W WO 2017076833 A1 WO2017076833 A1 WO 2017076833A1
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ring member
tool head
pipe section
cutting
cutting machine
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PCT/EP2016/076303
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French (fr)
Inventor
Ulrich Rattunde
Original Assignee
Rattunde & Co Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B5/00—Turning-machines or devices specially adapted for particular work; Accessories specially adapted therefor
    • B23B5/16—Turning-machines or devices specially adapted for particular work; Accessories specially adapted therefor for bevelling, chamfering, or deburring the ends of bars or tubes
    • B23B5/167—Tools for chamfering the ends of bars or tubes
    • B23B5/168—Tools for chamfering the ends of bars or tubes with guiding devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2250/00—Compensating adverse effects during turning, boring or drilling
    • B23B2250/16—Damping of vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2260/00—Details of constructional elements
    • B23B2260/008—Bearings

Definitions

  • the invention relates to a cutting machine and a method for reducing in particular regenerative rattling of the cutting machine.
  • Cutting machines are well known in the art in the form of rotating tool heads for pipe ends.
  • a tool head is disclosed, for example, in EP 2 106 313 B1.
  • DE 2541414 a hand-operated tool for chamfering a pipe end is disclosed.
  • the tool is operated at low speed.
  • the tool is guided by radially outer parts that extend beyond the cutting edges and a guide means, are mounted on the rotatable discs.
  • Cutting machines with rotating tool heads are oscillatory bodies, with the help of which cut-to-length pipe sections are reworked.
  • a pipe section end can be provided with a chamfer.
  • the tool heads are fed in extension of the longitudinal axis of the pipe section to the pipe section end, rotate the tool heads and have one or more cutting plates, with the help of both an inner orpartyfase and a plan dimension are applied to the pipe end.
  • an inner orclassfase and a plan dimension are applied to the pipe end.
  • the tool head is located at the end of a rotating spindle and together with the spindle is a vibratory body.
  • both the outer and the inner walls of the pipe section ends are never formed exactly circular, so it comes to load changes during the cutting process. If the load changes are in the range of the natural frequency of the tool head mounted on the spindle, undesirable rattling may occur.
  • the rattle loads the cutting machine, on the other hand, the end of the pipe section to be produced becomes wavy, and quality losses occur. Maybe the machined tube end will even become unusable.
  • a special form of rattling is the so-called regenerative rattling.
  • the blades are arranged at different distances from each other, and thus the natural frequency is constantly changed during cutting.
  • the regenerative rattle ideally does not occur at all.
  • single-edged tools a change of the cutting distance is of course not possible. It is known, however, that a rotational speed of the rotating cutting tool is constantly changing rapidly, but this can lead to heavy machine loading at high frequencies.
  • the object is achieved by a cutting machine having the features of claim 1.
  • the cutting machine comprises a receptacle for a pipe section and a tool head, which is rotatable relative to the receptacle about a longitudinal axis and which has at least one cutting tool for machining a pipe section end of the pipe section located in the receptacle.
  • the pipe section is positionally fixed relative to a frame of the cutting machine in the receptacle, especially during machining, fixable.
  • the receptacle is preferably provided fixed in position relative to the frame of the cutting machine.
  • the tool head is movable back and forth relative to the receptacle in a longitudinal direction of the receptacle and the tube section accommodated therein before and after the cutting process.
  • the tool head is mechanically driven, preferably by an electric motor.
  • the tool head is designed to be movable relative to the frame.
  • the cutting machine processes a plurality of, preferably dozens, hundreds or more, pipe sections at short intervals of a few seconds in succession.
  • the cutting machine is preferably located on a floor during machining.
  • a support component pointing in the direction of the receptacle is provided on the tool head, which has a ring component which is rotatable about the longitudinal axis relative to the support component and which is intended for random support on a pipe wall of the pipe section end.
  • the support member and the cutting means, preferably inserts, are relatively rotationally fixed to each other during machining.
  • the support member is a component for reducing or avoiding regenerative rattle.
  • the support member may be formed in particular in the form of a dome, and the ring member is preferably rotatable outside the mandrel in the mandrel embodiment of the support member, wherein an outer diameter of the ring member in cross-section perpendicular to the longitudinal axis is smaller than an inner diameter of the pipe end, but an outer diameter of the ring member is greater than a mandrel diameter, in such a way that during the machining process introduced into the end of the pipe mandrel with its ring member at random abuts the inner wall of the pipe section end and an interruption of the vibration process of the tool head is generated by the concerns.
  • the pipe end is rotated relative to the tool head with its at least one cutting tool.
  • the tool head in a variant of the cutting machine, can be held in space and the pipe section can be rotated, while in another variant the pipe section is held in space and the tool head is rotated.
  • the tool head processes by means of the at least one cutting tool walls of the pipe section, in particular brings the cutting tool on inner andactivityfasen and a planned dimension on the pipe section end.
  • the pipe section is formed in particular metallic, in particular it is an iron or steel workpiece. In principle, however, other materials are conceivable.
  • the tube has over its entire length a preferably circular outer or inner diameter.
  • the cutting machine is also suitable for machining pipe ends that are not exactly circular, where basically under circular here is not the exact mathematical circle to understand, but also small deviations in the micrometer range or larger of the mathematical exact circular shape are included.
  • the cutting machine and in particular the method according to the invention are also suitable for machining pipe sections with such not exactly circular inner and outer diameters.
  • the tool head is excited to vibrate during machining. Due to the vibrations of the mandrel is also moved out of its longitudinal axis, and the ring member abuts against the inner wall of the pipe section.
  • the outer diameter of the ring member is sized so that it is slightly smaller than an inner diameter of the pipe section, so that the mandrel with ring member can be introduced without contact in principle in the end of the pipe section.
  • the tool head of the cutting machine according to the invention is provided with a support member designed as a sleeve, wherein the ring member is rotatably disposed inside the sleeve and an inner diameter of the ring member is greater than an outer diameter of the pipe end, so that the socket from the outside to the pipe end can be performed.
  • the principle for suppressing the regenerative rattle is similar to the embodiment with the mandrel. The excited to minor oscillations movements tool head abuts with its ring member to the outer wall of the pipe section end, and the vibration behavior of the tool head is interrupted. It can not come to a rocking of the vibration.
  • a support surface of the ring component which is in the embodiment of the dome, an outer surface of the ring member or in the embodiment as a socket an inner surface of the ring member, provided with a profile.
  • the support surface of the ring member is therefore not exactly circular in each cross section along the longitudinal direction.
  • the profile in cross-section recesses in the direction away from the pipe wall. These depressions or recesses preferably extend along the entire longitudinal direction of the ring component.
  • the recesses make it possible that chips do not jam between the ring member and the pipe wall, but can be discharged through the recesses in the pipe interior or to the outside.
  • the profile has a meandering shape in cross section.
  • the recesses may extend exactly parallel to the longitudinal direction of the ring component, but it is also conceivable that the recesses extend obliquely to the longitudinal direction of the ring member.
  • other configurations of the profile are conceivable, for example along the circumference of different width recesses or recesses and different widths elevations as well as not exactly rectilinear recesses and / or elevations, but undulating or conically widening or tapering elevations or recesses.
  • the ring member is mounted in a ball bearing on the support member.
  • the ring member is rotatably disposed about the longitudinal axis of the tool head.
  • the ring member does not allow swinging movement, i. H. Movements perpendicular to the longitudinal axis relative to the support member or the tool head.
  • the ring member is interchangeable by the support member having a cap which is removable and allows the replacement of the ring member against a larger diameter or smaller ring member.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 9.
  • the method is particularly suitable for carrying out with one of the cutting machines described above.
  • the method is intended in particular for reducing vibrations, in particular the regenerative rattling of a cutting machine.
  • Under cutting machine is to be understood in particular a machine for processing pipe sections ends.
  • a pipe section is rotated relative to a tool head with at least one cutting tool.
  • the tool head reams walls of the pipe end by means of the at least one cutting tool.
  • the tool head is usually excited to vibrate, and the tool head is by means of a support member, which has a ring member rotating about the longitudinal axis, supported on the wall of the pipe section, whereby the vibration excitation is interrupted and in particular a regenerative rattling is avoided.
  • the invention makes use of the idea of suppressing oscillations which build up by periodic excitation, in that a disturbance of the oscillating process is produced by the supporting component, which is preferably in the form of a dome or also in the form of a bush in or around the Pipe end is guided.
  • the supporting component which is preferably in the form of a dome or also in the form of a bush in or around the Pipe end is guided.
  • the ring member is rotatably mounted relative to the tool head, so that the angular velocity of the ring member is reduced in contact with the wall of the pipe end, while a speed of the tool head by touching the ring member with the wall of the pipe end need not change.
  • the cutting machine is hardly or only very slightly loaded, since no speed changes of the spindle need to take place, which rotates the tool head.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the tool head in FIG. 1
  • FIG. 3 shows a front view of the tool head in FIG. 2
  • FIG. 4 shows a sectional view of the tool head along the line IV-IV in FIG. 3, wherein a mandrel of the tool head according to the invention is additionally inserted into a pipe section end
  • FIG. 5 shows a sectional view according to FIG. 4 without pipe section end
  • 6 shows a perspective view of the tool head inserted in a pipe section end according to FIG. 4.
  • a tool head 1 shown in FIG. 1 additionally has a mandrel 2 protruding along a longitudinal axis L of the tool head, for example a tool head known from EP 2 106 313 B1, on the outer end of which a ring component 3 is rotatably mounted.
  • the ring member 3 and the mandrel 2 are formed substantially circular in cross-section perpendicular to the longitudinal axis L and arranged concentrically about the longitudinal axis L of the tool head 1.
  • a spindle receptacle 4 is provided, with which the tool head 1 can be exchangeably attached to a controlled rotating (not shown) spindle.
  • the tool head 1 in FIG. 1 has four cutting plates 6, three of which can be seen in FIG. 1.
  • the cutting plates 6 are intended for machining a pipe section end 40 having a circular inner diameter and a circular outer diameter in cross-section.
  • Two of the cutting plates 6 are intended for attachment of an outer bevel at the pipe end 40 and two other cutting plates 6 for attachment of a réellefase at the pipe end 40.
  • the pipe end 40 is preferably made of metal, more preferably of steel, but other materials may be provided.
  • the tool head 1 can also have a different number of cutting inserts 6, in particular one, two, three or a larger number of cutting inserts 6, compared to the embodiment in FIG. 1. The tool head 1 and the pipe end 40 rotate as shown in FIG.
  • the pipe end 40 can be kept fixed in space relative to the tool head 1, while the tool head 1 rotates about the longitudinal axis L, but vice versa, but also the tool head 1 can be kept fixed in space, and the tube section end 40 can be rotated about the same longitudinal axis L.
  • the cutting plates 6 pick up chips from an outer wall 41 or an inner wall 42 of the pipe section end 40.
  • load changes of the cutting forces can occur, for example because the outer wall 41 or the inner wall 42 is not exactly circular, which is actually always the case in reality, so that the lifted chips have slightly different thicknesses during the real machining process
  • Even with an ideally circular pipe section end 40 it will cause load changes come that cause the tool head 1 initially offset in small oscillatory movements out of the longitudinal axis L out, but which can increase periodically by continuous relative rotation of the tool head 1 and pipe end 40 and thus lead to the so-called regenerative rattling.
  • the waviness of the outer wall 41 of the pipe section end 40 and the inner wall 42 of the pipe section end 40 periodically stimulates the tool head repeatedly to equal vibrations.
  • tool heads rotate at about 5,000 revolutions per minute, but there are also other numbers of revolutions conceivable.
  • the tool head 1 is mounted on a rotating, aligned along the longitudinal axis L, not shown, spindle and can swing out of the longitudinal axis L.
  • the vibration behavior of the tool head 1 is essentially determined by a rigidity c of the tool head 1 mounted on the spindle, a damping d and a mass m of the tool pulling head 1 with the spindle.
  • a natural frequency figs of the tool head 1 is a function of these three parameters, this means eigenspeed figs the natural frequency at which the mounted on the spindle tool head 1 from the longitudinal axis L swings out.
  • the invention makes use of the idea to introduce a disturbance into the natural vibration of the tool head 1 through the mandrel 2 with the ring component 3 rotatably mounted about the longitudinal axis L on the mandrel 2.
  • Fig. 2 shows the tool head 1 in Fig. 1 in a perspective view, which represents somewhat more clearly the circular cross-sectional configuration of the dome 2 with the rotatably mounted on the mandrel 2 ring member 3.
  • the cutting plates 6 are exchangeably mounted on the tool head 1.
  • a support surface 20 surrounding the ring component 3 is not exactly circular in cross-section, but the support surface 20 has a meandering configuration in cross-section.
  • the exact circular cross-section is periodically interrupted by reductions in the radial direction inwards to the longitudinal axis L out, so that along the longitudinal axis L extending recesses 21 are provided in the outer wall of the ring member 3, extending over an entire longitudinal extent along the longitudinal axis L of the ring member 3 extend.
  • FIG. 3 shows the tool head 1 in FIGS. 1 and 2 in a front view, whereby the mandrel 2 which is circular in cross-section can be seen, as well as the ring component 3 projecting radially over a mandrel diameter, the outer support surface 20 of the ring component 3 being the one described above has a meandering shape deviating from the exact circular shape.
  • radially outer elevations 22 of the ring component 3 form regions of an exact area Circular shape with a first larger radius
  • the recesses 21 of the ring member 3 form areas of an exact circular shape with a second smaller radius. Both the smaller and the larger radius of the ring member 3 are each larger than the radius of the dome. 2
  • Fig. 4 shows the tool head 1 according to the invention in its intended use, while the mandrel 2 is inserted into the open pipe end 40, an inner diameter of the pipe section end 40 is greater than each diameter of the ring member 3, so that the mandrel 2 with the ring member 3 at more exact Introduction along the longitudinal axis L of a pipe section, the inner wall 42 of the pipe section end 40 is not touched.
  • the ring member 3 is rotatably supported by a ball bearing 43 on the mandrel 2, but it is not radially reciprocable with respect to the longitudinal axis L of the tool head 1, the ring member 3 is exclusively rotatably mounted on the tool head 1.
  • the mandrel 2 has a removable cap 44. After removing the cap 44, the ring member 3 may be replaced by another ring member, while the other ring member may in particular have a different large radius and thus be suitable for the processing of pipe sections 40 with other inner diameters.
  • the cutting plates 6 pick up chips from the inner wall 42 and outer wall 41 of the pipe section end 40, respectively, and thus provide an inner or outer bevel 46, 45 on the edge of the pipe section end 40.
  • the ZerHarsvorganges it may cause slight vibrations of the tool head 1, which cause the ring member 3 of the dome 2 makes contact with the inner wall 42 of the pipe section end 40 receives. As a result, the oscillatory process of the tool head 1 is disturbed, and the tool head 1 is not periodically excited for self-oscillation.
  • FIG. 5 the schematic structure of the tool head 1 according to the invention in Fig. 4 without the pipe section end 40 is shown, in particular, the rotatable ring member 3 is shown with the rotating ball bearing 43 and the cap 44 of the dome 2, which are removably bolted to a spike 50 can and which makes it possible to decrease the cap 44 to replace the ring member 3.
  • the mandrel 2 opposite spindle receptacle 4 can be seen.
  • Fig. 6 shows the tool head 1 with the pipe section end 40 in operation, the spindle is not shown, but it can be seen that the mandrel 2 is invisibly inserted into the pipe section end 40 and the inserts 6 already recognizable the Jardinfase 45 and not recognizable Inner bevel 46 have applied to the pipe section end 40.
  • the pipe section is formed even longer along the longitudinal axis L than the pipe section end 40 shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zerspanungsmaschine mit einer Aufnahme für einen Rohrabschnitt und einem Werkzeugkopf (1), der relativ zur Aufnahme um eine Längsachse (L) rotierbar ist und der wenigstens ein Zerspanungswerkzeug (6) zur Bearbeitung eines Rohrabschnittsendes (40) des in der Aufnahme befindlichen Rohrabschnitts aufweist und der ein in Richtung der Aufnahme weisendes Abstützbauteil (2) aufweist, das ein gegenüber dem Abstützbauteil (2) um die Längsachse (L) rotierbares Ringbauteil (3) aufweist, das zur zufälligen Abstützung an einer Rohrwandung (42, 42) des Rohrabschnittsendes (40) bestimmt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur Verringerung von Schwingungen.

Description

Anfaswerkzeug mit Führung zur Schwingungs-Eliminierung
Die Erfindung betrifft eine Zerspanungsmaschine und ein Verfahren zur Verringerung insbesondere regenerativen Ratterns der Zerspanungsmaschine.
Zerspanungsmaschinen sind im Stand der Technik in Form von rotierenden Werkzeugköpfen für Rohrenden hinlänglich bekannt. Ein Werkzeugkopf ist beispielsweise in der EP 2 106 313 B1 offenbart. In der DE 2541414 ist ein handbetätigbares Werkzeug zum Anfasen eines Rohrendes offenbart. Das Werkzeug wird mit geringer Umdrehungszahl betätigt. Das Werkzeug wird durch radial äußere Teile, die sich über die Schneidkanten hinaus erstrecken, sowie ein Führungsmittel, auf dem drehbare Scheiben aufgesteckt sind, geführt. Zerspanungsmaschinen mit rotierenden Werkzeugköpfen sind schwingungsfähige Körper, mit deren Hilfe abgelängte Rohrabschnitte nachbearbeitet werden. Insbesondere kann ein Rohrabschnittsende mit einer Fase versehen werden. Zur Ausbildung von Fasen werden die Werkzeugköpfe in Verlängerung der Längsachse des Rohrabschnittes auf das Rohrabschnittsende zugefahren, die Werkzeugköpfe rotieren und weisen eine oder mehrere Schneidplatten auf, mit deren Hilfe sowohl eine Innen- oder Außenfase als auch ein Planmaß auf das Rohrabschnittsende aufgebracht werden. Beim Aufbringen der Fasen und des Planmaßes werden Späne vom Rohrabschnittsende abgehoben.
Der Werkzeugkopf befindet sich am Ende einer rotierenden Spindel und ist mit der Spindel zusammen ein schwingungsfähiger Körper. Grundsätzlich sind sowohl die Außen- als auch die Innenwandungen der Rohrabschnittsenden nie exakt kreisförmig ausgeformt, so dass es beim Zerspanungsvorgang zu Lastwechseln kommt. Wenn die Lastwechsel im Bereich der Eigenfrequenz des an der Spindel montierten Werkzeugkopfes liegen, kann ein unerwünschtes Rattern entstehen. Zum einen belastet das Rattern die Zerspanungsmaschine, zum anderen wird das zu fertigende Rohrabschnittsende wellig, und es entstehen Qualitätsverluste. Möglicherweise wird das bearbeitete Rohrabschnittsende sogar unbrauchbar. Eine spezielle Form des Ratterns ist das sogenannte regenerative Rattern. Die Eigenschwingung des Werkzeugkopfes wird durch die bereits erzeugte Oberflächenwelligkeit, die durch das gleiche Schneidwerkzeug in der bereits vorbearbeiteten Oberfläche ausgebildet wird, immer wieder angeregt. Es entsteht ein Rattern, das immer stärker wird. Zur Vermeidung des regenerativen Ratterns gibt es im Stand der Technik verschiedene Lösungsansätze.
Beispielsweise werden bei mehrschneidigen Fräswerkzeugen oder Reibwerkzeugen die Schneiden in unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet, und damit wird die Eigenfrequenz während des Schneidens ständig geändert. Die Folge davon ist, dass das regenerative Rattern im Idealfall gar nicht auftritt. Bei einschneidigen Werkzeugen ist eine Änderung des Schneidabstandes natürlich nicht möglich. Bekannt ist jedoch, dass eine Drehzahl des rotierenden Schneidwerkzeuges ständig schnell geändert wird, was jedoch bei hohen Frequenzen zu einer starken Maschinenbelastung führen kann.
Daneben sind auch aktive Dämpfungssysteme bekannt, bei denen die Schwingungen elektronisch erfasst werden und mittels einer Zusatzmasse die Eigenfrequenz des Systems verändert wird. Daneben gibt es passive Dämpfungssysteme, bei denen hydraulische Dämpfer oder zusätzliche Feder-Masse-Systeme vorgesehen sind, sogenannte Tilger, welche die Resonanzfrequenz weitgehend auslöschen. Die genannten Systeme zur Vermeidung des regenerativen Ratterns sind jedoch ausgesprochen aufwendig und auch wartungsintensiv.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Zerspanungsmaschine zur Verfügung zu stellen, bei der das regenerative Rattern weniger, vorzugsweise gar nicht auftritt und deren Wartungsaufwand dennoch nicht erhöht wird, zumindest nicht deutlich erhöht wird, wie auch ein einfaches Verfahren zur Verringerung des regenerativen Ratterns zur Verfügung zu stellen.
Im ersten Aspekt wird die Aufgabe durch eine Zerspanungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Zerspanungsmaschine umfasst eine Aufnahme für einen Rohrabschnitt und einen Werkzeugkopf, der relativ zur Aufnahme um eine Längsachse rotierbar ist und der wenigstens ein Zerspanungswerkzeug zur Bearbeitung eines Rohrabschnittsendes des in der Aufnahme befindlichen Rohrabschnitts aufweist. Der Rohrabschnitt ist positionsfest gegenüber einem Rahmen der Zerspanungsmaschine in der Aufnahme, insbesondere während der Zerspanung, festsetzbar. Die Aufnahme ist vorzugsweise positionsfest gegenüber dem Rahmen der Zerspanungsmaschine vorgesehen. Der Werkzeugkopf ist insbesondere vor und nach der Zerspanung relativ zur Aufnahme in einer Längsrichtung der Aufnahme und des darin aufgenommenen Rohrabschnitts hin und her beweglich. Der Werkzeugkopf ist maschinell, vorzugsweise durch einen Elektromotor, angetrieben. Der Werkzeugkopf ist gegenüber dem Rahmen beweglich ausgebildet. Die Zerspanungsmaschine bearbeitet in kurzen Abständen von wenigen Sekunden nacheinander eine Vielzahl an, vorzugsweise dutzenden, hunderten oder mehr, Rohrabschnitten. Die Zerspanungsmaschine steht während der Zerspanung vorzugsweise auf einem Boden.
Erfindungsgemäß ist am Werkzeugkopf ein in Richtung der Aufnahme weisendes Abstützbauteil vorgesehen, das ein gegenüber dem Abstützbauteil um die Längsachse rotierbares Ringbauteil aufweist, das zur zufälligen Abstützung an einer Rohrwandung des Rohrabschnittsendes bestimmt ist. Das Abstützbauteil und die Schneidmittel, vorzugsweise Schneidplatten, sind während der Zerspanung relativ drehfest zueinander.
Das Abstützbauteil ist ein Bauteil zur Verringerung oder Vermeidung des regenerativen Ratterns. Das Abstützbauteil kann insbesondere in Form eines Domes ausgebildet sein, und das Ringbauteil ist bei der Dornausführung des Abstützbauteils vorzugsweise außen am Dorn rotierbar angeordnet, wobei ein Außendurchmesser des Ringbauteils im Querschnitt senkrecht zur Längsachse kleiner ist als ein Innendurchmesser des Rohrendes, ein Außendurchmesser des Ringbauteils aber größer ist als ein Dorndurchmesser, und zwar derart, dass während des Zerspanungsvorganges der in das Rohrabschnittsende eingeführte Dorn mit seinem Ringbauteil zufällig an der Innenwandung des Rohrabschnittendes anliegt und durch das Anliegen eine Unterbrechung des Schwingvorganges des Werkzeugkopfes erzeugt wird. Das Rohrende wird relativ zum Werkzeugkopf mit seinem wenigstens einen Zerspanungswerkzeug rotiert. Dabei kann in einer Variante der Zerspanungsmaschine der Werkzeugkopf im Raum festgehalten werden und der Rohrabschnitt rotiert werden, während in einer anderen Variante der Rohrabschnitt im Raum festgehalten wird und der Werkzeugkopf rotiert wird. Es ist auch eine Kombination beider Varianten denkbar. Der Werkzeugkopf bearbeitet mittels des wenigstens einen Zerspanungswerkzeugs Wandungen des Rohrabschnittes, insbesondere bringt das Zerspanungswerkzeug Innen- und Außenfasen sowie ein Planmaß auf das Rohrabschnittsende auf. Der Rohrabschnitt ist insbesondere metallisch ausgebildet, insbesondere handelt es sich dabei um ein Eisen- oder Stahlwerkstück. Es sind grundsätzlich jedoch auch andere Materialien denkbar. Das Rohr weist über seine gesamte Länge einen vorzugsweise kreisförmigen Außen- bzw. Innendurchmesser auf. Die Zerspanungsmaschine eignet sich jedoch auch zur Bearbeitung von Rohrenden, die nicht exakt kreisförmig sind, wobei grundsätzlich unter kreisförmig hier nicht die mathematisch exakte Kreisform zu verstehen ist, sondern auch geringe Abweichungen im Mikrometerbereich oder größer von der mathematisch exakten Kreisform umfasst sind. Die Zerspanungsmaschine und auch insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich auch zur Bearbeitung von Rohrabschnitten mit derartigen nicht exakt kreisförmigen Innen- und Außendurchmessern.
Der Werkzeugkopf wird während der Bearbeitung zu Schwingungen angeregt. Durch die Schwingungen wird der Dorn ebenfalls aus seiner Längsachse herausbewegt, und das Ringbauteil stößt dabei gegen die Innenwandung des Rohrabschnitts. Der Außendurchmesser des Ringbauteils ist so bemessen, dass er etwas kleiner ist als ein Innendurchmesser des Rohrabschnittes, so dass der Dorn mit Ringbauteil grundsätzlich ohne Kontakt in das Ende des Rohrabschnittes eingeführt werden kann. Durch die Berührung des Ringbauteils mit der Innenwandung des Rohrabschnittsendes wird der Schwingvorgang gestört, und insbesondere wird die Periodizität der Anregung der Eigenschwingung des Werkzeugkopfes unterbrochen, und es entsteht kein regeneratives Rattern.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Werkzeugkopf der erfindungsgemäßen Zerspanungsmaschine mit einem als Buchse ausgebildeten Abstützbauteil versehen, wobei das Ringbauteil innen in der Buchse rotierbar angeordnet ist und ein Innendurchmesser des Ringbauteils größer als ein Außendurchmesser des Rohrabschnittsendes ist, so dass die Buchse von außen um das Rohrabschnittsende geführt werden kann. Das Prinzip zur Unterbindung des regenerativen Ratterns ist jedoch ähnlich wie bei der Ausführungsform mit dem Dorn. Der zu geringfügigen Schwingbewegungen angeregte Werkzeugkopf stößt mit seinem Ringbauteil an die Außenwandung des Rohrabschnittsendes, und das Schwingverhalten des Werkzeugkopfes wird dadurch unterbrochen. Es kann nicht zu einem Aufschaukeln der Schwingung kommen. In einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung ist eine Abstützfläche des Ringbauteils, das ist bei der Ausführungsform des Domes eine Außenfläche des Ringbauteils bzw. bei der Ausbildung als Buchse eine Innenfläche des Ringbauteils, mit einem Profil versehen. Die Abstützfläche des Ringbauteils ist also nicht in jedem Querschnitt entlang der Längsrichtung exakt kreisförmig ausgebildet. Vorzugsweise weist das Profil im Querschnitt Aussparungen in Richtung weg von der Rohrwandung auf. Diese Absenkungen oder Aussparungen verlaufen vorzugsweise entlang der gesamten Längsrichtung des Ringbauteils. Die Aussparungen ermöglichen es, dass sich Späne nicht zwischen dem Ringbauteil und der Rohrwandung verklemmen, sondern über die Aussparungen in das Rohrinnere oder nach außen abgeführt werden können. Vorzugsweise weist das Profil im Querschnitt eine Mäanderform auf. Dabei können die Aussparungen exakt parallel zur Längsrichtung des Ringbauteils verlaufen, es ist jedoch auch denkbar, dass die Aussparungen schräg zur Längsrichtung des Ringbauteils verlaufen. Es sind jedoch auch andere Ausbildungen des Profils denkbar, beispielsweise entlang des Umfangs unterschiedlich breite Vertiefungen oder Aussparungen und unterschiedlich breite Erhebungen wie auch nicht exakt geradlinig verlaufende Aussparungen und/oder Erhebungen, sondern wellenförmig oder sich konisch erweiternde oder verjüngende Erhebungen bzw. Aussparungen.
Günstigerweise ist das Ringbauteil in einem Kugellager am Abstützbauteil gelagert. Damit ist das Ringbauteil drehbar um die Längsachse am Werkzeugkopf angeordnet. Jedoch ermöglicht das Ringbauteil keine Schwingbewegung, d. h. Bewegungen senkrecht zur Längsachse gegenüber dem Abstützbauteil bzw. dem Werkzeugkopf.
Günstigerweise ist das Ringbauteil austauschbar, indem das Abstützbauteil eine Kappe aufweist, die abnehmbar ist und das Austauschen des Ringbauteils gegen ein im Durchmesser größeres bzw. kleineres Ringbauteil ermöglicht.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Durchführung mit einer der oben beschriebenen Zerspanungsmaschinen.
Das Verfahren ist insbesondere zur Verringerung von Schwingungen, insbesondere des regenerativen Ratterns einer Zerspanungsmaschine bestimmt. Unter Zerspanungsmaschine ist hier insbesondere eine Maschine zur Bearbeitung von Rohrabschnittsenden zu verstehen. Erfindungsgemäß wird ein Rohrabschnitt relativ zu einem Werkzeugkopf mit wenigstens einem Zerspanungswerkzeug rotiert. Der Werkzeugkopf zerspant mittels des wenigstens einen Zerspanungswerkzeuges Wandungen des Rohrendes. Während der Zerspanung wird der Werkzeugkopf in der Regel zu Schwingungen angeregt, und der Werkzeugkopf wird mittels eines Abstützbauteils, das ein um die Längsachse rotierendes Ringbauteil aufweist, an der Wandung des Rohrabschnittes abgestützt, wodurch die Schwingungsanregung unterbrochen wird und insbesondere ein regeneratives Rattern vermieden wird. Auch hinsichtlich des Verfahrens macht die Erfindung von der Idee Gebrauch, sich durch periodisches Anregen aufbauende Schwingungen zu unterbinden, indem eine Störung des Schwingvorganges durch das Abstützbauteil erzeugt wird, das vorzugsweise in Form eines Domes oder auch in Form einer Buchse in bzw. außen um das Rohrabschnittsende geführt wird. Bereits bei geringen Schwingbewegungen des Werkzeugkopfes aus der Längsachse erzeugt das Abstützbauteil mittels seines Ringbauteiles eine Berührung mit dem Rohrende, dadurch wird der Schwingvorgang unterbrochen, und es kann nicht zu einem Aufschaukeln der Schwingbewegung kommen.
Das Ringbauteil ist drehbar gegenüber dem Werkzeugkopf gelagert, so dass sich die Winkelgeschwindigkeit des Ringbauteils bei Berührung mit der Wandung des Rohrabschnittsendes verringert, während sich eine Drehzahl des Werkzeugkopfes durch die Berührung des Ringbauteils mit der Wandung des Rohrendes nicht zu verändern braucht. Dadurch wird die Zerspanungsmaschine kaum bzw. nur sehr geringfügig belastet, da keine Drehzahländerungen der Spindel stattzufinden brauchen, die den Werkzeugkopf rotiert.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in sechs Figuren beschrieben. Dabei zeigen: Fig. 1 eine seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Werkzeugkopfes in Fig. 1 , Fig. 3 eine Frontansicht des Werkzeugkopfes in Fig. 2,
. 4 eine Schnittansicht des Werkzeugkopfes entlang der Linie IV-IV in Fig. 3, wobei ein Dorn des erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes zusätzlich in ein Rohrabschnittsende eingesteckt ist, Fig. 5 eine Schnittansicht gemäß Fig. 4 ohne Rohrabschnittsende, Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des in ein Rohrabschnittsende eingesteckten Werkzeugkopfes gemäß Fig. 4.
Ein in Fig. 1 dargestellter Werkzeugkopf 1 weist zusätzlich einen zu beispielsweise aus der EP 2 106 313 B1 bekannten Werkzeugköpfen entlang einer Längsachse L des Werkzeugkopfes abstehenden Dorn 2 auf, an dessen äußerem Ende ein Ringbauteil 3 drehbar gelagert ist. Das Ringbauteil 3 und der Dorn 2 sind im Querschnitt senkrecht zur Längsachse L im Wesentlichen kreisförmig ausgeformt und konzentrisch um die Längsachse L des Werkzeugkopfes 1 angeordnet. An einem dem Dorn 2 gegenüberliegenden Ende des Werkzeugkopfes 1 ist eine Spindelaufnahme 4 vorgesehen, mit der der Werkzeugkopf 1 austauschbar an einer gesteuert rotierenden (nicht dargestellten) Spindel befestigt werden kann.
Der Werkzeugkopf 1 in Fig. 1 weist vier Schneidplatten 6 auf, von denen drei in Fig. 1 zu sehen sind Die Schneidplatten 6 sind zur Bearbeitung eines im Querschnitt einen kreisförmigen Innendurchmesser und einen kreisförmigen Außendurchmesser aufweisenden Rohrabschnittsendes 40 bestimmt. Zwei der Schneidplatten 6 sind zur Anbringung einer Außenfase am Rohrabschnittsende 40 und zwei andere Schneidplatten 6 zur Anbringung einer Innenfase am Rohrabschnittsende 40 bestimmt. Das Rohrabschnittsende 40 besteht vorzugsweise aus Metall, besonders bevorzugt aus Stahl, es können jedoch auch andere Materialien vorgesehen sein. Der Werkzeugkopf 1 kann gegenüber der Ausführungsform in Fig. 1 auch eine andere Anzahl an Schneidplatten 6, insbesondere eine, zwei, drei oder eine höhere Anzahl an Schneidplatten 6 aufweisen. Der Werkzeugkopf 1 und das Rohrabschnittsende 40 rotieren gemäß Fig. 4 um die Längsachse L relativ zueinander, dabei kann das Rohrabschnittsende 40 im Raum gegenüber dem Werkzeugkopf 1 fixiert gehalten werden, während der Werkzeugkopf 1 um die Längsachse L rotiert, umgekehrt kann jedoch auch der Werkzeugkopf 1 im Raum fixiert gehalten werden, und das Rohrabschnittsende 40 kann um dieselbe Längsachse L rotiert werden. Während des Rotationsvorganges heben die Schneidplatten 6 Späne von einer Außenwandung 41 bzw. einer Innenwandung 42 des Rohrabschnittsendes 40 ab.
Während des Zerspanungsvorganges kann es zu Lastwechseln der Zerspanungskräfte kommen, beispielsweise dadurch, dass die Außenwandung 41 bzw. die Innenwandung 42 nicht exakt kreisförmig ist, was in der Realität tatsächlich immer der Fall ist, so dass die abgehobenen Späne beim realen Zerspanungsvorgang geringfügig unterschiedliche Dicken aufweisen, selbst bei ideal kreisförmigem Rohrabschnittsende 40 wird es zu Lastwechseln kommen, die dazu führen, dass sich der Werkzeugkopf 1 zunächst in geringe Schwingbewegungen aus der Längsachse L heraus versetzt, die sich jedoch durch fortwährende relative Rotation von Werkzeugkopf 1 und Rohrabschnittsende 40 periodisch verstärken können und so zum sogenannten regenerativen Rattern führen.
Die Welligkeit der Außenwandung 41 des Rohrabschnittsendes 40 bzw. der Innenwandung 42 des Rohrabschnittsendes 40 regt den Werkzeugkopf periodisch immer wieder zu gleichen Schwingungen an. Üblicherweise rotieren Werkzeugköpfe mit etwa 5.000 Umdrehungen pro Minute, es sind jedoch auch andere Umdrehungszahlen denkbar. Der Werkzeugkopf 1 ist auf einer rotierenden, entlang der Längsachse L ausgerichteten, nicht dargestellten, Spindel montiert und kann aus der Längsachse L heraus schwingen. Das Schwingungsverhalten des Werkzeugkopfes 1 ist im Wesentlichen durch eine Steifigkeit c des auf der Spindel montierten Werkzeugkopfes 1 , eine Dämpfung d und eine Masse m des Werkezugkopfes 1 mit der Spindel bestimmt. Insbesondere ist eine Eigenfrequenz feigen des Werkzeugkopfes 1 eine Funktion dieser drei Parameter, dabei meint Eigenfrequenz feigen die Eigenfrequenz, mit der der auf der Spindel montierte Werkzeugkopf 1 aus der Längsachse L herausschwingt. Die Erfindung macht von der Idee Gebrauch, durch den Dorn 2 mit dem um die Längsachse L am Dorn 2 drehbar gelagerten Ringbauteil 3 eine Störung in die Eigenschwingung des Werkzeugkopfes 1 einzubringen.
Fig. 2 zeigt den Werkzeugkopf 1 in Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht, die etwas deutlicher die im Querschnitt kreisförmige Ausbildung des Domes 2 mit dem drehbar am Dorn 2 gelagerten Ringbauteil 3 darstellt. Darüber hinaus sind zwei der vier Schneidplatten 6 zu sehen. Die Schneidplatten 6 sind auswechselbar am Werkzeugkopf 1 montiert. Erfindungsgemäß ist eine das Ringbauteil 3 außen umgebende Abstützfläche 20 im Querschnitt nicht exakt kreisförmig ausgebildet, sondern die Abstützfläche 20 weist im Querschnitt eine mäanderförmige Ausgestaltung auf. Das heißt, die im Querschnitt exakte Kreisform ist periodisch unterbrochen durch Absenkungen in radialer Richtung nach innen zur Längsachse L hin, so dass entlang der Längsachse L verlaufende Aussparungen 21 in der Außenwandung des Ringbauteils 3 vorgesehen sind, die sich über eine gesamte Längsausdehnung entlang der Längsachse L des Ringbauteils 3 erstrecken.
Fig. 3 zeigt den Werkzeugkopf 1 in den Fig. 1 und 2 in einer Frontansicht, dabei ist der im Querschnitt kreisförmige Dorn 2 zu erkennen, sowie das über einen Dorndurchmesser radial abstehende Ringbauteil 3, wobei die äußere Abstützfläche 20 des Ringbauteils 3 die oben beschriebene, von der exakten Kreisform abweichende Mäanderform aufweist. Im Querschnitt gemäß Fig. 3 bilden radial äußere Erhebungen 22 des Ringbauteils 3 Bereiche einer exakten Kreisform mit einem ersten größeren Radius aus, und die Aussparungen 21 des Ringbauteils 3 bilden Bereiche einer exakten Kreisform mit einem zweiten kleineren Radius aus. Sowohl der kleinere, als auch der größere Radius des Ringbauteils 3 sind jeweils größer als der Radius des Domes 2.
Fig. 4 zeigt den erfindungsgemäßen Werkzeugkopf 1 in seiner bestimmungsgemäßen Anwendung, dabei ist der Dorn 2 in das offene Rohrabschnittsende 40 eingeführt, ein Innendurchmesser des Rohrabschnittsendes 40 ist größer als jeder Durchmesser des Ringbauteils 3, so dass der Dorn 2 mit dem Ringbauteil 3 bei exakter Einführung entlang der Längsachse L eines Rohrabschnittes die Innenwandung 42 des Rohrabschnittsendes 40 nicht berührt. Das Ringbauteil 3 ist drehbar über ein Kugellager 43 am Dorn 2 gelagert, es ist jedoch gegenüber der Längsachse L des Werkzeugkopfes 1 nicht radial hin und her beweglich, das Ringbauteil 3 ist ausschließlich drehbar am Werkzeugkopf 1 gelagert. Der Dorn 2 weist eine abnehmbare Kappe 44 auf. Nach Abnehmen der Kappe 44 kann das Ringbauteil 3 durch ein anderes Ringbauteil ersetzt werden, dabei kann das andere Ringbauteil insbesondere einen anderen großen Radius aufweisen und damit für die Bearbeitung von Rohrabschnittsenden 40 mit anderen Innendurchmessern geeignet sein.
Während des Zerspanungsvorganges heben die Schneidplatten 6 Späne von der Innenwandung 42 bzw. Außenwandung 41 des Rohrabschnittsendes 40 ab und bringen somit eine Innen- bzw. Außenfase 46, 45 auf dem Rand des Rohrabschnittendes 40 an. Während des Zerspannungsvorganges kann es zu leichten Schwingungen des Werkzeugkopfes 1 kommen, die dazu führen, dass das Ringbauteil 3 des Domes 2 Kontakt mit der Innenwandung 42 des Rohrabschnittsendes 40 aufnimmt. Dadurch wird der Schwingvorgang des Werkzeugkopfes 1 gestört, und der Werkzeugkopf 1 wird nicht zur Eigenschwingung periodisch angeregt. Durch die drehbare Lagerung des Ringbauteils 3 am Dorn 2 wird jedoch zum einen der eigentliche Zerspanungsvorgang nicht unterbrochen, weil das Ringbauteil 3 nur eine sehr geringfügige Reibung an der Innenwandung 42 erzeugt, zum anderen wird auch die Innenwandung 42 nicht beschädigt, da das Ringbauteil 3 nicht entlang der Innenwandung 42 schleift, sondern bei Kontakt aufgrund seiner geringen Masse gegenüber dem Werkzeugkopf 1 aus der Rotationsbewegung sofort in den Stillstand überführt wird.
In Fig. 5 ist der schematische Aufbau des erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes 1 in Fig. 4 ohne das Rohrabschnittsende 40 dargestellt, insbesondere ist das drehbare Ringbauteil 3 mit dem umlaufenden Kugellager 43 dargestellt sowie die Kappe 44 des Domes 2, die abnehmbar auf einem Dornstutzen 50 festgeschraubt werden kann und die es ermöglicht, bei Abnahme der Kappe 44 das Ringbauteil 3 zu ersetzen. Links ist in Fig. 4 die dem Dorn 2 gegenüberliegende Spindelaufnahme 4 zu erkennen.
Fig. 6 zeigt den Werkzeugkopf 1 mit dem Rohrabschnittsende 40 in Betrieb, die Spindel ist nicht dargestellt, es ist jedoch zu erkennen, dass der Dorn 2 unsichtbar in das Rohrabschnittsende 40 eingeführt ist und die Schneidplatten 6 bereits erkennbar die Außenfase 45 und nicht erkennbar die Innenfase 46 auf das Rohrabschnittsende 40 aufgebracht haben. Der Rohrabschnitt ist noch länger entlang der Längsachse L ausgebildet als das in Fig. 6 dargestellte Rohrabschnittsende 40.
Bezugszeichen
Werkzeugkopf
2 Dorn
3 Ringbauteil
4 Spindelaufnahme
6 Schneidplatten
20 Abstützfläche
21 Aussparungen
22 radial äußere Erhebungen
40 Rohrabschnittsende
41 Außenwandung
42 Innenwandung
43 Kugellager
44 Kappe
45 Außenfase
46 Innenfase
50 Dornstutzen c Steifigkeit
d Dämpfung
m Masse feigen Eigenf requenz des Werkzeugkopfes
L Längsachse

Claims

Patentansprüche
1 . Zerspanungsmaschine mit
einer Aufnahme für einen Rohrabschnitt und
einem Werkzeugkopf (1 ), der relativ zur Aufnahme um eine Längsachse (L) rotierbar ist und der wenigstens ein Zerspanungswerkzeug (6) zur Bearbeitung eines
Rohrabschnittsendes (40) des in der Aufnahme befindlichen Rohrabschnitts aufweist und der ein in Richtung der Aufnahme weisendes Abstützbauteil (2) aufweist, das ein gegenüber dem Abstützbauteil (2) um die Längsachse (L) rotierbares
Ringbauteil (3) aufweist, das zur zufälligen Abstützung an einer Rohrwandung (42, 42) des Rohrabschnittsendes (40) bestimmt ist.
2. Zerspanungsmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützbauteil als Dorn (2) ausgebildet ist und das Ringbauteil (3) außen am Dorn (2) rotierbar angeordnet ist und ein Außendurchmesser des Ringbauteils (3) im Querschnitt senkrecht zur Längsachse (L) kleiner als ein Innendurchmesser des Rohrabschnittsendes (40) ist.
3. Zerspanungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützbauteil als Buchse ausgebildet ist und das
Ringbauteil (3) innen in der Buchse rotierbar angeordnet ist und ein Innendurchmesser des Ringbauteils (3) größer als ein Außendurchmesser des Rohrabschnittsendes (40) ist.
4. Zerspanungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstützfläche (20) des Ringbauteils (3) ein Profil aufweist.
5. Zerspanungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Profil im Querschnitt Aussparungen (21 ) in
Richtung weg von der Rohrwandung (41 , 42) aufweist.
6. Zerspanungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Profil im Querschnitt eine Mäanderform aufweist.
7. Zerspanungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ringbauteil (3) in einem Kugellager (43) am
Abstützbauteil (2) gelagert ist. Zerspanungsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ringbauteil (3) gegen ein anderes Ringbauteil mit einem anderen Radius auswechselbar ist.
Verfahren zur Verringerung von Schwingungen, insbesondere eines regenerativen Ratterns einer Zerspanungsmaschine, indem
ein Rohrabschnitt relativ zu einem Werkzeugkopf (1 ) mit wenigstens einem
Zerspanungswerkzeug (6) rotiert,
der Werkzeugkopf (1 ) mittels des wenigstens einen Zerspanungswerkzeugs (6)
Wandungen (41 , 42) des Rohrabschnittsendes (40) zerspant,
der Werkzeugkopf (1 ) während der Zerspanung zu Schwingungen angeregt wird, der Werkzeugkopf (1 ) sich mittels eines Abstützbauteils (2), das ein um eine
Längsachse (L) rotierendes Ringbauteil (3) aufweist, an einer der Wandungen (41 , 42) des Rohrabschnittsendes (40) abstützt und dadurch eine Anregung der Schwingungen unterbricht.
0. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ringbauteil (3) eine Winkelgeschwindigkeit aufweist, die sich bei Berührung mit der Wandung (41 , 42) verringert, während sich eine Drehzahl des Werkzeugkopfes (1 ) durch die Berührung nicht verändert.
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