DE102012212438A1

DE102012212438A1 - Verfahren und Komponenten zum Herstellen einer Werkzeugeinheit für eine Tiefbohrmaschine

Info

Publication number: DE102012212438A1
Application number: DE102012212438.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bernt; Gerhard Mack
Original assignee: TBT Tiefbohrteckhik GmbH and Co KG
Current assignee: TBT Tiefbohrteckhik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2014-01-30
Also published as: EP2872276A1; WO2014012821A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Werkzeugeinheit (100) für eine Tiefbohrmaschine wird ein auswechselbarer Werkzeugkopf (130), z.B. ein Bohrkopf, an einem Bohrrohr (110, 310) lösbar befestigt. Das Bohrrohr hat ein maschinennahes Ende mit Einrichtungen zur Aufnahme des Bohrrohrs an einer Arbeitsspindel der Tiefbohrmaschine und ein maschinenfernes Ende mit einer ersten Verbindungsstruktur (112, 312) zum Anbringen eines Werkzeugkopfs. Der Werkzeugkopf weist eine zweite Verbindungsstruktur (136) auf. Der Werkzeugkopf (130) wird unter Zwischenschaltung einer mehrteiligen Adaptereinheit (150) an dem Bohrrohr (110) befestigt, wobei ein erstes Adapterstück (160) der Adaptereinheit mit dem Bohrrohr (110) verbunden wird, ein zweites Adapterstück (170) der Adaptereinheit mit dem Werkzeugkopf (130, 330) verbunden wird, und das erste und das zweite Adapterstück mittels korrespondierender erster und zweiter Schnittstellenstrukturen einer Adapter-Schnittstelle (200) drehfest und zentriert miteinander verbunden werden. Die Adapter-Schnittstelle ist vorzugsweise als axiale Steckverbindung gestaltet.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Werkzeugeinheit für eine Tiefbohrmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei dem Verfahren wird ein auswechselbarer Werkzeugkopf an einem Bohrrohr lösbar befestigt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Werkzeugeinheit für eine Tiefbohrmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6. Die Werkzeugeinheit weist ein Bohrrohr und einen lösbar an dem Bohrrohr befestigten oder befestigbaren auswechselbaren Werkzeugkopf auf.
Tiefbohren ist ein spezielles Bohrverfahren, das vor allem zur Herstellung von Bohrungen mit einem Durchmesser von 1 mm bis 1.500 mm bei einer Bohrungstiefe von mehr als dem Dreifachen des Durchmessers eingesetzt wird, wobei auch sehr tiefe Bohrungen mit einem Tiefe/Durchmesser-Verhältnis größer 200 hergestellt werden können.
Eine Werkzeugeinheit zum Tiefbohren hat üblicherweise ein Bohrrohr, das wie eine Verlängerung wirkt, und einen am vorderen Ende des Bohrrohrs angebrachten Werkzeugkopf, an dem eine oder mehrere Schneiden angeordnet sind. Ein Werkzeugkopf, mit dem eine Bohroperation ausgeführt werden kann, wird üblicherweise auch als Bohrkopf bezeichnet.
Für das Tiefbohren charakteristisch ist eine kontinuierliche Kühlschmierstoffzufuhr unter Druck und eine stetige Spanabfuhr ohne Ausspanhübe. Dies bedeutet, dass auch tiefe Bohrungen durch das Tiefbohrverfahren in einem Durchgang gefertigt werden können, und die Werkzeugeinheit nicht zwischendurch zum Entspanen aus der Bohrung entfernt werden muss. Man unterscheidet im Wesentlichen drei Tiefbohrverfahren, nämlich das Einlippen-Tiefbohren, das BTA-Tiefbohren, welches auch als STS(„Single Tube System“)-Tiefbohren bezeichnet wird, und das Ejektor-Tiefbohren, das auch als Tiefbohren mit Zweirohr-System bekannt ist. Diese Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich der Konstruktion der verwendeten Werkzeugeinheiten, im Kühlschmierstofffluss sowie im Spänefluss.
Beim BTA- bzw. STS-Tiefbohren erfolgt die Kühlschmierstoffzufuhr von außen über eine spezielle Kühlschmierstoffzuführeinrichtung. Dabei wird der Kühlschmierstoff unter Druck in einen Ringraum zwischen der Außenseite des Bohrwerkzeugs und der Innenwand der Bohrung gefördert. Die Kühlschmierstoff- und Spänerückführung erfolgt durch einen im Inneren des Tiefbohrwerkzeugs vorgesehen Hohlraumkanal.
Das Ejektor-Tiefbohren ist eine Variante des BTA-Tiefbohrens. Beim Ejektor-Tiefbohren wird ein Bohrrohr mit zwei konzentrisch angeordneten Rohren, einem Außenrohr und einem Innenrohr, verwendet. Die Zufuhr des Kühlschmierstoffes erfolgt durch eine Kühlschmierstoffzuführeinrichtung in einen Ringraum zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr. Der Kühlschmierstoff fließt im Ringraum des Bohrrohrs entlang und tritt erst in der Bohrung vorne am Werkzeugkopf bzw. Bohrkopf seitlich nach außen aus und umspült diesen von außen. Anschließend fließt der Kühlschmierstoff gemeinsam mit den Spänen zurück, und zwar im Innenrohr, das den Hohlraumkanal bildet.
Bohrköpfe oder andere Werkzeugköpfe werden üblicherweise über ein am Werkzeugkopfkörper ausgebildetes Anschlussgewinde an das Bohrrohr geschraubt, welches hierzu am maschinenfernen Ende ein korrespondierendes Anschlussgewinde hat. Falls die Anschlussgewinde von Bohrrohr und Werkzeugkopf nicht zueinander passen, kann an das Bohrrohr ein beidseitig mit Gewindeabschnitten versehenes Adapterrohr angeschraubt werden, das an seinem rohrseitigen Ende zum Anschlussgewinde des Bohrrohrs passt und am anderen Ende ein zum Anschlussgewinde des Werkzeugkopfs passendes Anschlussgewinde hat. Das Adapterrohr bildet dann das freie Ende des Bohrrohrs. Die Anschlussgewinde können als Außengewinde oder Innengewinde ausgeführt sein. Die gebräuchlichsten Gewindeformen sind eingängige und viergängige Gewinde.
Beim Werkzeugkopfwechsel wird der Werkzeugkopf mittels eines Hakenschlüssels von Hand gelöst und von dem Bohrrohr abgeschraubt. Der neue Werkzeugkopf wird mit seinem rohrseitigen Anschlussabschnitt in oder auf das Bohrrohr gesteckt und mit dem Hakenschlüssel von Hand festgezogen. Ein derartiger Werkzeugkopfwechsel dauert normalerweise je nach Durchmesser des Werkzeugkopfs zwischen 1 und 20 Minuten. Bei Bohreinheiten für größere Bohrungsdurchmesser kann eine Flanschverbindung zwischen dem Bohrrohr und dem Werkzeugkopf vorgesehen sein.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Werkzeugkopfwechsel an Werkzeugeinheiten für Tiefbohrmaschinen zu vereinfachen. Insbesondere sollen eine Werkzeugeinheit sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitgestellt werden, die einen automatisierten Werkzeugkopfwechsel ermöglichen. Vorzugsweise soll ein automatisierter Werkzeugkopfwechsel unter Verwendung von handelsüblichen Bohrrohren bzw. Bohrköpfen ermöglicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgaben stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Werkzeugeinheit für eine Tiefbohrmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird eine Werkzeugeinheit für eine Tiefbohrmaschine mit dem Merkmal bei Anspruch 6 bereitgestellt. Darüber hinaus wird eine Adaptereinheit mit den Merkmalen von Anspruch 20 bereitgestellt.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugeinheit für eine Tiefbohrmaschine wird ein Bohrrohr verwendet, das ein maschinennahes Ende mit Einrichtung zur Aufnahme des Bohrrohrs an einer Arbeitsspindel der Tiefbohrmaschine und ein maschinenfernes Ende mit einer ersten Verbindungsstruktur zum Anbringen eines Werkzeugkopfs aufweist. Weiterhin wird ein Werkzeugkopf verwendet, der eine zweite Verbindungsstruktur aufweist. Die erste und die zweite Verbindungsstruktur können beispielsweise als zueinander passende Anschlussgewinde gestaltet sein, die es erlauben, den Werkzeugkopf direkt am maschinenfernen Ende des Bohrrohrs anzuschrauben. Es ist jedoch nicht zwingend, dass die erste und die zweite Verbindungsstruktur unmittelbar zueinander passen.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Vorgehensweise wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der Werkzeugkopf unter Zwischenschaltung einer mehrteiligen Adaptereinheit an dem Bohrrohr befestigt. Dabei wird ein erstes Adapterstück der Adaptereinheit mit dem Bohrrohr verbunden, ein zweites Adapterstück der Adaptereinheit wird mit dem Werkzeugkopf verbunden und das erste und das zweite Adapterstück werden mittels korrespondierender erster und zweiter Schnittstellenstrukturen einer Adapter-Schnittstelle drehfest und zentriert miteinander verbunden.
Vorzugsweise hat das erste Adapterstück hierzu an seinem maschinenseitigen Ende eine mit der ersten Verbindungsstruktur des Bohrrohrs korrespondierende erste Verbindungsstruktur zur Verbindung mit dem Bohrrohr und an seinem maschinenfernen Ende erste Schnittstellenstrukturen der Adapter-Schnittstelle. Das zweite Adapterstück hat an seinem maschinenfernen Ende eine mit der zweiten Verbindungsstruktur des Werkzeugkopfs korrespondierende zweite Verbindungsstruktur zur Verbindung mit dem Werkzeugkopf und an seinem maschinennahen Ende zweite Schnittstellenstrukturen der Adapter-Schnittstelle. Die Begriffe "maschinennah" bzw. "maschinenfern" beziehen sich hierbei auf die Orientierung dieser Enden in zusammengebautem Zustand der Werkzeugeinheit, wobei das Bohrrohr die maschinennahe Komponente der Werkzeugeinheit ist.
Durch die Zwischenschaltung der mehrteiligen Adaptereinheit wird eine für den Werkzeugkopfwechsel besonders vorteilhafte neue Schnittstelle in Form der Adapter-Schnittstelle zwischen Bohrrohr und Werkzeugkopf eingefügt. Dadurch ist man für den Werkzeugkopfwechsel nicht mehr an die für den herkömmlichen Werkzeugkopfwechsel nötigen Arbeitsbewegungen gebunden. Vielmehr kann die neu eingefügte Schnittstelle im Hinblick auf einen automatischen Werkzeugkopfwechsel optimiert sein.
Dadurch ist es einfacher und schneller als bisher möglich, mit der gleichen Tiefbohrmaschine in ein Werkstück Bohrungen mit verschiedenen Durchmessern einzubringen. Weiterhin kann die Tiefbohrmaschine wesentlich schneller als bisher für die Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke und/oder für die Durchführung unterschiedlicher Tiefbohrprozesse umgerüstet werden.
Die Herstellung der Verbindung zwischen dem ersten Adapterstück und dem Bohrrohr kann zeitlich vor oder nach der Verbindung des zweiten Adapterstücks mit dem Werkzeugkopf erfolgen, gegebenenfalls auch gleichzeitig damit. Häufig wird es vorteilhaft sein, wenn zwei oder mehr gleichartige oder unterschiedliche Werkzeugköpfe bereits für den Bohrkopfwechsel vorbereitet werden, indem entsprechende zweite Adapterstücke mit den Werkzeugköpfen verbunden werden. Die auf diese Weise vorbereiteten Einheiten mit einem Werkzeugkopf und einem damit verbundenen zweiten Adapterstück, die in dieser Anmeldung auch als Werkzeugkopf-Einheiten bezeichnet werden, können in entsprechenden Ablageplätzen für den späteren Werkzeugkopfwechsel vorgehalten werden.
An dem Bohrrohr kann ein passendes erstes Adapterstück angebracht werden, so dass das Bohrrohr für die Aufnahme von unterschiedlichen vormontierten Werkzeugkopf-Einheiten vorbereitet ist. Eine derart vormontierte Einheit mit Bohrrohr und erstem Adapterstück wird in dieser Anmeldung auch als Bohrrohr-Einheit bezeichnet.
Bei manchen Ausführungsformen ist die am Bohrrohr ausgebildete erste Verbindungsstruktur als Anschlussgewinde (Außengewinde oder Innengewinde) gestaltet und die am Werkzeugkopf ausgebildete zweite Verbindungsstruktur ist als ein zu diesem Anschlussgewinde korrespondierendes Anschlussgewinde (Innengewinde oder Außengewinde) gestaltet. In diesem Fall kann das erste Adapterstück durch Anschrauben unmittelbar mit dem Bohrrohr verbunden werden und das zweite Adapterstück kann durch Anschrauben unmittelbar mit dem Werkzeugkopf verbunden werden.
Anstelle einer Verbindung mit ineinandergreifenden Anschlussgewinden kann auch eine Flanschverbindung vorgesehen sein. In diesem Fall kann am maschinenfernen Ende des Bohrrohrs ein Flanschelement und am ersten Adapterstück ein dazu passendes Gegen-Flanschelement vorgesehen sein, die beispielsweise durch Schrauben miteinander verbunden werden. Eine entsprechende Verbindung kann zwischen dem zweiten Adapterstück und dem Werkzeugkopf vorgesehen sein. Flanschverbindungen haben den Vorteil, dass die miteinander zu verbindenden Elemente beim Herstellen und Lösen der Verbindung nicht gegeneinander verdreht werden müssen.
Sofern die am Werkzeugkopf ausgebildete zweite Verbindungsstruktur nicht ummittelbar zur ersten Verbindungsstruktur am Bohrrohr passt, kann die notwendige Adaption bzw. Anpassung mit Hilfe der mehrteiligen Adaptereinheit erreicht werden. Auf die Verwendung eines herkömmlichen Adapterrohrs kann dann verzichtet werden, da die Adaptereinheit dann eine mechanische Doppelfunktion haben kann (Bereitstellung der Adapter-Schnittstelle und Adaption der rohrseitigen und kopfseitigen Verbindungsstrukturen). Als weitere Funktion kann eine Medienübergabe für steuerbare Werkzeugsysteme über die Adapter-Schnittstelle vorgesehen sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens werden das erste und das zweite Adapterstück zur Herstellung der Verbindung zwischen den Adapterstücken über eine axiale Relativbewegung ineinander gesteckt. Der Begriff "axial" bezeichnet in dieser Anmeldung generell eine Richtung parallel zur Mittellängsachse der Werkzeugeinheit, die der Rotationsachse der Werkzeugeinheit während des Betriebs entspricht. Die Adapter-Schnittstelle ist in diesen Fällen als Steckverbindung ausgestaltet. Dadurch ist es möglich, beim Anbringen des Werkzeugkopfs am Bohrrohr auf Relativverdrehungen zwischen diesen Komponenten zu verzichten. Axiale Steckverbindungen eignen sich besonders gut für eine Automatisierung des Werkzeugkopfwechsels.
Anstelle der Steckverbindung kann auch eine Schraubverbindung vorgesehen sein, so dass die Adapterstücke zur Herstellung einer Schraubverbindung unter Relativverdrehung direkt ineinander geschraubt werden können. Dies kann z.B. gewünscht sein, wenn eine automatisierte Einrichtung zur Drehung des Bohrrohrs um seine Achse und/oder eine automatisierte Einrichtung zur Drehung des Werkzeugkopfs um seine Achse vorhanden ist. Das erste und das zweite Adapterstück können dann an der Adapter-Schnittstelle als Schnittstellenstrukturen zueinander passende Gewinde haben, die ein direktes Einschrauben eines der Adapterstücke in das andere Adapterstück ermöglichen.
Für die Realisierung einer als Steckverbindung ausgelegten Adapter-Schnittstelle hat es sich als günstig herausgestellt, wenn eines der Adapterstücke, insbesondere das am Bohrrohr anzubringende, also das maschinenseitige erste Adapterstück, eine Schnittstellenstruktur mit einer Kegelaufnahme mit einem Innenkonus aufweist und das andere Adapterstück, insbesondere das dem Werkzeugkopf zugeordnete zweite Adapterstück, eine korrespondierende Schnittstellenstruktur mit einem zu dem Innenkonus korrespondierenden Außenkonus aufweist. Hierdurch ist es möglich, ohne weitere Maßnahmen eine exakte Zentrierung der miteinander zu verbindenden Adapterstücke zu erreichen. Außerdem bietet eine Kegelverbindung Potenzial für hohe Spannkräfte.
Bei manchen Ausführungsformen ist an der Außenfläche des Außenkonus mindestens eine Ausnehmung bzw. Vertiefung ausgebildet, die als Eingriffsstruktur für ein oder mehrere Verriegelungselemente einer Verriegelungseinrichtung dienen kann. Die Ausnehmung kann als umlaufende Spannrille, vorzugsweise mit schrägen Seitenflächen, ausgebildet sein.
Die Schnittstellenstruktur mit Außenkonus kann auch nach Art eines Hohlschaftkegels (HSK) ausgebildet sein. Hier können Eingriffsstrukturen für ein oder mehrere Verriegelungselemente im Inneren des Hohlschaftkegels ausgebildet sein.
Eine sichere Drehmomentübertragung auch bei großen Bearbeitungskräften wird bei manchen Ausführungsformen dadurch erreicht, dass das erste Adapterstück und das zweite Adapterstück korrespondierende Mitnehmerstrukturen aufweisen, die beim axialen Zusammenstecken des ersten und des zweiten Adapterstücks zur Herstellung einer in Umfangsrichtung wirksamen formschlüssigen Verbindung ineinandergreifen. Hierzu können an einander zugewandten Stirnflächen der Adapterstücke beispielsweise entsprechende Verzahnungen oder Vorsprünge bzw. Ausnehmungen vorgesehen sein, ggf. können auch ein oder mehrere Passstifte genutzt werden, die beim Zusammenstecken in korrespondierende Bohrungen eingreifen.
Im Hinblick auf das Ziel, neben einer sicheren Drehmomentübertragung und einer exakten Zentrierung im Bereich der neuen Schnittstelle auch hohe Spannkräfte zu realisieren und dadurch einen zuverlässigen Halt der im Bereich der Adapter-Schnittstelle aneinander gekoppelten Baueinheiten zu erreichen, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass das erste Adapterstück und das zweite Adapterstück nach dem axialen Zusammenfügen mittels einer maschinenseitig betätigbaren Verriegelungseinrichtung axial verriegelt werden. Nach der Verriegelung sind die aneinander gekoppelten Adapterstücke durch einen in Axialrichtung wirkenden Formschluss gegen Lösen der Steckverbindung gesichert. Eine Auftrennung der Werkzeugeinheit im Bereich der Adapter-Schnittstelle ist dann nur noch nach einer Entriegelung bzw. nach dem Öffnen der Verriegelungseinrichtung möglich.
Vorzugsweise sind Elemente der Verriegelungseinrichtung derart gestaltet, dass bei der Herstellung der Verriegelungskonfiguration, in der die Adapterstücke in Axialrichtung durch Formschluss gegen Lösen der Verbindung gesichert sind, zusätzlich eine in Axialrichtung der Werkzeugeinheit wirkende Einzugskraft erzeugt wird. Hierdurch kann die Adaptereinheit im Bereich der Adapter-Schnittstelle zusätzlich stabilisiert werden.
Eine Verriegelungseinrichtung kann so konstruiert sein, dass sie mithilfe eines elektrischen Antriebs von Seiten der Tiefbohrmaschine angesteuert werden kann. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die Verriegelungseinrichtung hydraulisch betätigt. Hierzu können ggf. an der Tiefbohrmaschine für die Kühlschmierstoffzuführung ohnehin vorhandene Hydraulikeinheiten genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Verriegelung mittels Federkraft vorgesehen sein.
Bei einer Ausführungsform weist die Verriegelungseinrichtung eine axial verschiebbare Betätigungsstange auf, die maschinenseitig an einen Kolben gekoppelt ist, der verschiebbar in einem Zylinderraum angeordnet ist. Der Zylinderraum ist über eine erste Steuerleitung an die Druckseite einer Hydraulikpumpe anschließbar. Vorzugsweise hat die Betätigungsstange einen axial durchgehenden Durchlasskanal, der maschinenseitig an eine zweite Steuerleitung anschließbar ist, welche ein Bestandteil eines hydraulischen Werkzeugsteuersystems zur Betätigung einer steuerbaren Schneide des Werkzeugkopfs sein kann. So können für die Verriegelung und eine ggf. gewünschte Steuerung eines steuerbaren Werkzeugkopfs zwei unabhängig steuerbare Hydrauliksysteme genutzt werden. Die Betätigungsstange kann auch zwei, drei oder mehr getrennte axiale Durchlasskanäle aufweisen, um die Ansteuerung komplexerer Werkzeugköpfe zu ermöglichen.
Ein Bohrrohr kann insbesondere für diesen Fall eine an eine erste Hydraulikpumpe anschließbare erste Steuerleitung und eine unabhängig davon nutzbare, an eine zweite Hydraulikpumpe anschließbare zweite Steuerleitung aufweisen. Die Steuerleitungen können im Bohrrohr mittels geeigneter Halter fixiert sein.
In einem Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Adapterstück ist bei manchen Ausführungsformen eine druckdicht schließende Schnellsteck-Kupplung für ein fluides Steuermedium vorgesehen. Dabei sind ein bohrrohrseitige erstes Kupplungsteil und ein werkzeugkopfseitiges zweites Kupplungsteil vorzugsweise derart gestaltet, dass ein eventueller Schrägversatz und/oder Axialversatz beim Ankuppeln der Werkzeugkopf-Einheit an die Bohrrohr-Einheit automatisch ausgeglichen wird. Damit kann bei einem Wechsel der Werkzeugkopf-Einheit ohne weiteres auch eine druckdichte Verbindung für fluides Steuermedium, z.B. Hydraulikflüssigkeit, geschaffen werden. Vorzugsweise sind die Kupplungsteile der Schnellsteck-Kupplung im gekoppelten Zustand gemeinsam axial bewegbar. Dann kann die Kupplung auch während eines Betätigungshubes einer Betätigungsstange dicht geschlossen bleiben.
Beim BTA-Tiefbohren und beim Ejektor-Tiefbohren erfolgt die Rückführung von Kühlschmierstoff und Spänen durch einen im Inneren der Werkzeugeinheit gebildeten Hohlraumkanal, so dass bei entsprechenden Bohrköpfen mindestens ein vom maschinenfernen Ende zum maschinennahen Ende durchgehender Hohlraumkanal vorgesehen ist. Für diese Fälle kann auch am ersten Adapterstück mindestens ein dazu kommunizierender durchgehender Hohlraumkanal vorgesehen sein, der bei zusammengebauter Werkzeugeinheit in das Innere des Bohrrohrs führt. Somit steht für diejenigen Elemente, die zur Adapter-Schnittstelle gehören, ggf. nur sehr wenig Bauraum in Radialrichtung zur Verfügung. Um dennoch eine zuverlässige Betätigung beweglicher Elemente der Adapter-Schnittstelle zu ermöglichen, ist bei manchen Ausführungsformen in dem ersten Adapterstück ein Kolbenraum gebildet, in dem ein Kolbenelement aufgenommen ist, das durch Beaufschlagung mit Hydraulikdruck gegen die Kraft einer Kolbenfeder in dem Kolbenraum bewegbar ist, wobei mindestens ein Hydraulikkanal von dem Kolbenraum in Richtung der am ersten Adapterstück ausgebildeten ersten Verbindungsstrukturen führt. Hierdurch können Betätigungskräfte, die z.B. zur Verriegelung und/oder zur Erzeugung ausreichender Einzugskräfte benötigt werden, unmittelbar im Inneren des ersten Adapterstücks erzeugt werden. Der Kolbenraum ist bei bevorzugten Ausführungsformen ein Ringraum und das zugehörige Kolbenelement ist ein ringförmiges Kolbenelement, wobei der Ringraum und das Kolbenelement einen axial durchgehenden Kanal im Inneren des ersten Adapterstücks umschließen. Hierdurch ist es trotz der Bauraumbeschränkungen durch den axial durchgehenden Hohlraumkanal möglich, über den Umfang der Adapter-Schnittstelle gleichmäßig wirkende Betätigungskräfte zum Verriegeln und Spannen der im Bereich der Schnittstelle zusammenwirkenden Elemente zu erreichen.
Um auch bei interner Spänerückführung noch eine gesonderte Zuführung von Steuerfluid (z.B. Öl) z.B. zur Betätigung einer Verriegelungseinrichtung zu ermöglichen, ist bei manchen Ausführungsformen in das Bohrrohr koaxial ein zylindrisches Innenrohr eingesetzt, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrrohrs, so dass zwischen dem Bohrrohr und dem Innenrohr ein axial durchgehender Ringspalt verbleibt. Dieser kann zu Zufuhr von Steuerfluid in Richtung der Adaptereinheit genutzt werden, während der Hohlraumkanal zur Spänerückführung im Innenrohr verläuft.
Ein automatisierter Werkzeugkopfwechsel ist besonders schnell und einfach dann möglich, wenn die Werkzeugkopf-Einheit (Werkzeugkopf und daran angebrachtes zweites Adapterstück) mithilfe einer Greifereinheit eines Werkzeugkopfwechselsystems zuverlässig erfasst und lagerichtig mit dem am Bohrrohr angebrachten ersten Adapterstück verbunden werden kann. Hierzu sind bei bevorzugten Ausführungsformen an der Außenseite des zweiten Adapterstücks Greiferstrukturen ausgebildet, die an entsprechende Gegenstrukturen an der Greifereeinheit so angepasst sind, dass eine durch eine Greifereinheit gegriffene Werkzeugkopf-Einheit eine vordefinierte Axialposition relativ zur Greifereinheit und vorzugsweise auch eine vordefinierte Drehposition relativ zur Greifereinheit einnimmt. Dadurch kann mittels exakter Steuerung der Position der Greifereinheit die Werkzeugkopf-Einheit zur Bohrrohr-Einheit exakt positioniert werden und die Schnittstellenstrukturen der Adapter-Schnittstelle können ohne ungewollte Kollision ineinandergreifen. Die Greiferstrukturen können beispielsweise eine oder mehrere in Umfangsrichtung teilweise oder vollständig umlaufenden Greiferrillen aufweisen.
Um einen störungsfreien automatischen Werkzeugkopfwechsel zu unterstützen, sind bei manchen Ausführungsformen am Außenumfang des Bohrrohrs und/oder am Außenumfang des ersten Adapterstücks mehrere Abstützleisten angebracht, die beim Werkzeugkopfwechsel mit Gegenelementen an der Innenseite eines Bohrölzufuhrapparates zusammenwirken und die Werkzeugeinheit für einen Werkzeugkopfwechsel zentrieren. Damit ist ein verschleißarmer, kollisionsfreier Wechsel möglich.
Die Erfindung betrifft auch eine Adaptereinheit der in dieser Anmeldung beschriebenen Art. Die mehrteilige Adaptereinheit besteht vorzugsweise aus genau zwei miteinander lösbar verbindbaren Einheiten (den Adapterstücken). Ein Adapterstück kann einstückig (nur ein Bauteil) oder aus mehreren zusammengefügten Elementen mehrstückig aufgebaut sein. Durch Verwendung einer solchen Adaptereinheit in Verbindung mit handelsüblichen Bohrrohren und Werkzeugköpfen ist es in der Regel möglich, herkömmliche Tiefbohrsysteme für einen automatischen Werkzeugkopfwechsel umzurüsten bzw. nachzurüsten.
Die Erfindung betrifft auch eine Tiefbohrmaschine mit einem automatischen Werkzeugkopfwechselsystem. Das Werkzeugkopfwechselsystem weist vorzugsweise eine oder mehrere Adaptereinheiten der in dieser Anmeldung beschriebenen Art auf.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Werkzeugeinheit für eine Tiefbohrmaschine, wobei die Werkzeugeinheit einen Werkzeugkopf in Form eines BTA-Bohrkopfs hat, der unter Zwischenschaltung einer Adaptereinheit an ein Bohrrohr angekoppelt ist;
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Werkzeugeinheit aus 1 im Bereich der Adapter-Schnittstelle zwischen den Adapterstücken der Adaptereinheit;
3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Werkzeugeinheit für eine Tiefbohrmaschine, wobei die Werkzeugeinheit einen Bohrkopf mit aussteuerbarer Schneide zum Aufbohren einer vorgebohrten Bohrung aufweist; und
4 zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung eines Ausschnitts der Werkzeugeinheit aus 3 im Bereich der Adapter-Schnittstelle.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Werkzeugeinheit 100 für eine Tiefbohrmaschine in einer Bohrkopfwechselstellung bzw. Werkzeugkopfwechselstellung gezeigt. Einige zur Tiefbohrmaschine gehörenden Einheiten, nämlich ein Bohrölzufuhrapparat 192 sowie eine davon getragene Bohrbuchse 194 und eine Drehdurchführung 196, sind mit gestrichelten Linien dargestellt.
Die Werkzeugeinheit weist ein metallisches Bohrrohr 110 mit zylindrischem Querschnitt auf, an dessen maschinennahem Ende Einrichtungen zur Aufnahme des Bohrrohrs an einer Arbeitsspindel der Tiefbohrmaschine angebracht sind. Mithilfe der Arbeitsspindel kann die Werkzeugeinheit im Betrieb um die Werkzeugachse 102 gedreht werden. Am maschinenfernen Ende des Bohrrohrs ist eine erste Verbindungsstruktur 112 in Form eines Anschlussgewindes ausgebildet, das als viergängiges Innengewinde zum Anschluss eines handelsüblichen Bohrkopfs oder eines anderen Werkzeugkopfs mit entsprechendem viergängigen Außengewinde ausgestaltet ist.
Andere Rohrkoppelgewinde sind möglich, ebenso andere Rohrquerschnitte.
In das Bohrrohr ist koaxial ein zylindrisches Innenrohr 120 eingesetzt, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrrohrs, so dass zwischen Bohrrohr und Innenrohr ein axial durchgehender Ringspalt 115 verbleibt. Das Innenrohr ist bei Bohrrohren, die für das Ejektor-Tiefbohren vorbereitet sind, bereits vorhanden. Bei Bohrrohren, die für das BTA-Tiefbohren eingerichtet sind, kann ein Innenrohr nachgerüstet werden. Am Außenumfang des Bohrrohrs sind in der Nähe des vorderen Anschlussgewindes mehrere axial verlaufende Abstützleisten 114 angebracht, die beim Bohrkopfwechsel mit Gegenelementen an der Innenseite des Bohrölzufuhrapparates zusammenwirken und die Werkzeugeinheit für den Bohrkopfwechsel zentrieren.
Das maschinenferne Ende der Werkzeugeinheit wird durch einen auswechselbaren Werkzeugkopf 130 gebildet, bei dem es sich im Beispielsfall um einen handelsüblichen BTA-Vollbohrkopf handelt, der es ermöglicht, im Tiefbohrverfahren ohne vorheriges Vorbohren tiefe Löcher in ein Werkstück einzubringen. Der Werkzeugkopf wird im Folgenden auch kurz als Bohrkopf 130 bezeichnet. Der Bohrkopf hat im Bereich seiner maschinenfernen Stirnseite eine oder mehrere Schneiden 132 und an seinem Umfang mehrere axial verlaufende Führungsleisten 134. Am maschinennahen Ende des Bohrkopfs ist eine zweite Verbindungsstruktur 136 in Form eines viergängigen Außengewindes ausgebildet, mit dessen Hilfe der Bohrkopf 130 unmittelbar in das Innengewinde 112 am Vorderende des Bohrrohrs eingeschraubt werden könnte. Im Bereich der maschinenfernen Stirnseite des Bohrkopfs befinden sich ein oder mehrere Spänesammelöffnungen, von denen ein axialer Hohlraumkanal 138 durch den mit Außengewinde versehenen Abschnitt zum maschinennahen Ende führt.
Es können handelsübliche Bohrköpfe verwendet werden, beispielsweise wie beschrieben in der DE 10 2010 018 959 A1 .
Der Bohrkopf 130 ist nicht unmittelbar (direkt) mit dem Bohrrohr 110 verbunden, sondern indirekt unter Zwischenschaltung einer mehrteiligen Adaptereinheit 150 koaxial mit diesem am Bohrrohr befestigt. Die Adaptereinheit hat an der Seite des Bohrrohrs ein erstes Adapterstück 160 und an der Seite des Bohrkopfs ein zweites Adapterstück 170. Die Adapterstücke können mithilfe korrespondierender Schnittstellenstrukturen einer Adapter-Schnittstelle 200 aneinander befestigt bzw. voneinander gelöst werden.
Das mehrteilig aufgebaute erste Adapterstück 160 ist so konstruiert, dass es unmittelbar mit dem maschinenfernen Ende des Bohrrohrs verbunden werden kann und einen axial durchgehenden Hohlraumkanal für die Spänerückführung zum Bohrrohr aufweist. Hierzu ist an einem ersten hülsenförmigen Grundelement 161 des ersten Adapterstücks 160 eine erste Verbindungsstruktur 162 in Form eines Außengewindes ausgebildet, welches zum Anschlussgewinde 112 des Bohrrohrs passt, so dass das erste Adapterstück 160 in das Vorderende des Bohrrohrs 110 eingeschraubt werden kann. Das maschinenferne Ende des ersten Adapterstücks 160 wird durch ein zweites Grundelement 163 gebildet, das ebenfalls hülsenförmig ist und mit dem ersten Grundelement 161 über ineinandergreifende Gewinde direkt verschraubt werden kann. Am maschinenfernen Ende des ersten Adapterstücks erweitert sich dessen Innendurchmesser zum freien Ende hin konisch, so dass eine Kegelaufnahme 210 mit Innenkonus gebildet wird. Der Konuswinkel (Winkel zwischen Werkzeugachse und einer Mantellinie der innenkonischen Fläche) liegt im Beispielsfall bei ca. 5°, was einem Kegelverhältnis C von ca. 7/24 entspricht. Die Kegelaufnahme 210 mit Innenkonus ist Bestandteil der ersten Schnittstellenstruktur der Adapter-Schnittstelle 200.
Das erste Adapterstück 160 hat ein drittes Grundelement 164 in Form einer Innenhülse, die von der maschinenfernen Seite direkt mit dem ersten Grundelement 161 verschraubt wird. Die Innenhülse ist derart gestaltet, dass sich im montierten Zustand zwischen dem außen liegenden zweiten Grundelement 163 und der Innenhülse 164 ein Ringraum 165 bildet, der die Innenhülse und den durch diese führenden axialen Hohlraumkanal umschließt und zum maschinenseitigen Ende von der Stirnseite des ersten Grundelements 161 abgeschlossen wird. In den Ringraum 165 ist eine axial verschiebbare Schiebehülse 166 eingelegt, die sich über eine Druckfeder 167 an einem Ringbund der Innenhülse abstützt und gegen die Kraft dieser Feder beweglich ist. Von dem Kolbenraum 165 führen mehrere Hydraulikkanäle 168 durch das erste Grundelement 161 zum Ringspalt 115.
Ein maschinenferner Abschnitt des Kolbenelements 166 steht mit einer Gruppe von innen liegenden Spannkugeln 169 in Kontakt, die abhängig von der axialen Stellung des Kolbenelements entweder in der gezeigten innen liegenden Verriegelungsstellung oder in einer nach außen gerückten Freigabestellung angeordnet sind. Das Kolbenelement 166 und die Spannkugeln 169 sind funktionale Bestandteile einer hydraulisch betätigbaren Verriegelungseinrichtung, die durch das Bohrrohr hindurch maschinenseitig betätigt werden kann.
Das dem Bohrkopf zugeordnete zweite Adapterstück 170 ist ein relativ einfach zu fertigendes, im Wesentlichen hülsenförmiges metallisches Bauteil. Am maschinenfernen Ende ist eine zweite Verbindungsstruktur in Form eines Innengewindes 172 vorgesehen, mit dessen Hilfe das zweite Adapterstück auf das Außengewinde 136 des Bohrkopfs aufgeschraubt werden kann. Am gegenüberliegenden maschinennahen Ende ist eine zweite Schnittstellenstruktur der Adapter-Schnittstelle ausgebildet, die die Form eines Anschlusskegels 220 mit einem Außenkonus 222 hat, der mit dem Innenkonus am maschinenfernen Ende des zweiten Adapterstücks korrespondiert und den gleichen Konuswinkel hat. In der Nähe des rohrseitigen Endes ist am Außenkonus eine trapezförmig nach außen erweiterte Außenrille 224 (Spannrille) eingearbeitet, die funktionaler Bestandteil einer Verriegelungseinrichtung ist.
Die Kegelwinkel des Innenkonus und des Außenkonus sind mit ca. 5° derart gewählt, dass eine zentrierte Kegelverbindung ohne Selbsthemmung entsteht, die sich ohne gesonderten Auswerfer lösen lässt.
Am ersten Adapterstück 160 und am zweiten Adapterstück 170 sind an einander zugewandten Stirnflächen korrespondierende Mitnehmerstrukturen 226 in Form von Stirnverzahnungen vorgesehen, die beim axialen Zusammenstecken des ersten und des zweiten Adapterstücks zur Herstellung einer in Umfangsrichtung wirksamen formschlüssigen Verbindung ineinandergreifen. Dadurch ist eine sichere Drehmomentübertragung im Bereich der Adapter-Schnittstelle gewährleistet.
Am zylindrischen Teil des Außenumfangs des zweiten Adapterstücks 170 ist eine im Querschnitt trapezförmige, sich nach innen verjüngende Greiferrille 174 eingearbeitet, in die ein korrespondierender Greifersteg einer Greifereinheit 250 eines automatischen Bohrkopf-Wechselsystems für den Bohrkopfwechsel eingreifen kann. Die Greifereinheit, die auch kurz als Greifer bezeichnet werden kann, kann z.B. als Greifzange konstruiert sein.
Die zueinander korrespondierenden ersten und zweiten Schnittstellenstrukturen am ersten Adapterstück bzw. am zweiten Adapterstück gehören zu einer Adapter-Schnittstelle 200, die als Steckverbindung ausgelegt ist und die es erlaubt, die Bohrkopf-Einheit (mit dem zweiten Adapterstück) mit der Bohrrohr-Einheit (mit dem ersten Adapterstück) automatisch exakt zentriert mit hoher Spannkraft zu verbinden und gleichzeitig für eine sichere Drehmomentübertragung zwischen Bohrrohr und Bohrkopf zu sorgen. Ein Bohrkopfwechsel kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden.
In einer Ausgangssituation ist die Werkzeugeinheit 100 in der in 1 und 2 gezeigten Weise fertig montiert, indem die Bohrkopf-Einheit (Bohrkopf mit aufgeschraubtem zweiten Adapterstück) mit der Bohrrohr-Einheit (Bohrrohr mit eingeschraubtem ersten Adapterstück) über die Adapter-Schnittstelle 200 zentriert und drehfest gekuppelt sind. Die im Ringspalt 115 und im Kolbenraum 165 befindliche Hydraulikflüssigkeit befindet sich noch unter Druck, so dass das als Schiebehülse gestaltete ringförmige Kolbenelement 166 gegen die Kraft der Feder 167 in die gezeigte maschinenferne vordere Stellung gedrückt wird. Dadurch werden die Spannkugeln 169 nach radial innen in die trapezförmig erweiterte Außenrille 224 am Ende des Außenkonus des zweiten Adapterstücks gedrückt. In dieser Verriegelungskonfiguration ist die Bohrkopf-Einheit formschlüssig gegen Herausnehmen aus der Bohrrohr-Einheit gesichert.
Für den Bohrkopfwechsel bzw. den Wechsel der Bohrkopf-Einheit greift die zangenartige Greifereinheit 250 am zweiten Adapterstück 170 an und baut den Spanndruck auf. Die in das Adapterstück eingearbeiteten Greiferrillen 174 verhindern dabei eine Verschiebung des Bohrkopfs in Axialrichtung sowie eine Verdrehung um die Achsrichtung, so dass der Bohrkopf axial und in Umfangsrichtung lagerichtig gegriffen wird. Sobald die Meldung "Greiferspanndruck erreicht" am Steuersystem anliegt, wird der Hydraulikdruck im Ringspalt 115 zwischen Innenrohr und Bohrrohr weggenommen. Dadurch bewegt sich die Schiebehülse unter der Einwirkung der Federkraft der Druckfeder 167 in Richtung Bohrrohr und gibt den Raum zum radialen Ausweichen der Spannkugeln 169 nach außen frei. Dadurch wird die Bohrkopf-Einheit entriegelt und der Greifer kann das Adapterstück mit dem Bohrkopf mit einer in Axialrichtung geführten Arbeitsbewegung nach vorne (in der Zeichnung nach links) abnehmen. Dadurch wird die Bohrkopf-Einheit von der Bohrrohr-Einheit im Bereich der Schnittstelle, d.h. im Bereich der Adapter-Schnittstelle 200, getrennt.
Der Greifer kann die Bohrkopfeinheit dann in einem freien Ablageplatz ablegen.
Für die Neubestückung der Bohrrohr-Einheit (Bohrrohr mit angebrachtem ersten Adapterstück) mit einer neuen Bohrkopf-Einheit, die beispielsweise einen Bohrkopf mit einem anderen Durchmesser haben kann, greift der Greifer eine entsprechende Bohrkopf-Einheit und bringt sie in eine axiale Position in einen definierten Abstand vor die Bohrrohr-Einheit. Dann fährt der Greifer parallel zur Achsrichtung in die Stellung "Werkzeugwechsel" in Richtung Bohrrohr. Durch die Ausbildung der Schnittstelle Werkzeug/Bohrrohr als Kegel können Winkelfehler unmittelbar ausgeglichen werden. Das Adapterstück mit Bohrkopf ist im Greifer 250 mittels entsprechender Greiferrillen gegen Verdrehung gesichert. Somit ist ein Einfahren in die integrierte Drehmomentmitnahme problemlos möglich.
Sobald an der Steuerung die Meldung "Greifer in Wechselposition" ansteht, wird der Ringspalt 115 zwischen Innenrohr und Bohrrohr mit Hydraulikdruck beaufschlagt. Dadurch bewegt sich die Schiebehülse 166 in Richtung Bohrkopf und drückt die Spannkugeln 169 in die an dem bohrkopfseitigen Werkzeugkegel angearbeitete Spannrille 224. Durch die spezielle trapezförmige Form der Spannrille mit Einlaufschrägen wird eine axiale Einzugskraft erzeugt, die das zweite Adapterstück gemeinsam mit dem davon getragenen Bohrkopf in den Werkzeugkegel (Innenkonus) zieht. Durch die formschlüssige Verriegelung mithilfe der Spannkugeln 169 in Verbindung mit einem steuerseitig angebrachten Rückschlagventil ist auch bei einem Druckabfall der Hydraulik ein sicherer Halt des Werkzeugs gewährleistet. Die Plananlage in Verbindung mit den konischen Kupplungsflächen im Bereich der Adapter-Schnittstelle ergibt eine sehr steife Verbindung. Die Drehmomentmitnahme erfolgt formschlüssig über die ineinandergreifenden Mitnehmerstrukturen 226.
Durch die Verwendung von speziell angepassten Adapterstücken für Bohrrohr und Bohrkopf ist auf diese Weise der Einsatz von handelsüblichen Bohrrohren und Bohrköpfen möglich. Ein Nachrüsten auf bestehende Werkzeugausrüstungen beim Kunden ist jederzeit möglich.
Anhand der 3 und 4 wird eine andere Ausführungsform einer Werkzeugeinheit 300 erläutert, welche im Beispielsfall für das Aufbohren einer bereits vorhandenen Bohrung genutzt werden kann und zu diesem Zweck einen Bohrkopf 330 mit aussteuerbarer Schneide 332 aufweist. Ähnlich wie bei 1 ist die Werkzeugeinheit in einer Bohrkopfwechselstellung gezeigt, ein Bohrölzufuhrapparat 392 sowie eine davon getragene Bohrbuchse 394 sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Die Bohrölzufuhr erfolgt ähnlich wie bei der Ausführungsform nach 1 von außen durch einen Ringspalt. Die Späneabfuhr vom Bereich des Bohrkopfs erfolgt durch die bereits vorgebohrte Bohrung hindurch, also parallel zur Vorschubrichtung. Bei solchen Werkzeugeinheiten muss somit im Inneren der Werkzeugeinheit kein Hohlraumkanal für die Spänerückführung zur Maschine vorgesehen sein, so dass sich andere konstruktive Möglichkeiten für den inneren Aufbau ergeben.
Die Werkzeugeinheit 300 weist ein metallisches Bohrrohr 310 mit zylindrischem Querschnitt auf, an dessen maschinennahem Ende Einrichtungen zur Aufnahme des Bohrrohrs an einer Arbeitsspindel der Tiefbohrmaschine angebracht sind. Im Betrieb wird die Werkzeugeinheit mittels der Arbeitsspindel um die Werkzeugachse 302 gedreht. Am maschinenfernen Ende des Bohrrohrs ist eine erste Verbindungsstruktur in Form eines viergängigen Innengewindes 312 zum Anschluss eines handelsüblichen Bohrkopfs mit dem entsprechenden viergängigen Außengewinde vorgesehen.
Am maschinenfernen Ende der Werkzeugeinheit befindet sich der auswechselbare Bohrkopf 330, der gegenüber einer Führungsleiste 334 eine radial aussteuerbare Schneide 332 trägt, die hydraulisch zugestellt werden kann. Hierdurch kann der Durchmesser einer bereits vorgebohrten Bohrung durch Aufbohren erweitert werden. Am maschinennahen Ende des Bohrkopfs ist eine zweite Verbindungsstruktur 336 in Form eines viergängigen Innengewindes ausgebildet. Der Bohrkopf 330 könnte unter Zwischenschaltung eines einteiligen Adapters mit bohrkopfseitigem Außengewinde und bohrrohrseitigem Innengewinde am Bohrrohr befestigt werden.
Der Bohrkopf 330 ist indirekt unter Zwischenschaltung einer mehrteiligen Adaptereinheit 350 koaxial mit dem Bohrrohr an diesem befestigt. Die Adaptereinheit 350 hat an der Seite des Bohrrohrs ein erstes Adapterstück 360 und an der Seite des Bohrkopfs ein zweites Adapterstück 370. Die Adapterstücke können mit Hilfe korrespondierender Schnittstellenstrukturen einer Adapter-Schnittstelle 400 miteinander gekoppelt bzw. voneinander gelöst werden.
Das auf Seiten des Bohrrohrs anzubringende erste Adapterstück 360 hat am maschinennahen Ende seines Grundelementes 361 eine erste Verbindungsstruktur 362 in Form eines Außengewindes, welches unmittelbare in das Innengewinde 312 am maschinenfernen Ende des Bohrrohrs eingeschraubt werden kann. Am Umfang des ersten Adapterstücks sind mehrere Abstützleisten 314 angebracht, die das erste Adapterstück bzw. die Bohrrohr-Einheit für den Bohrkopfwechsel im Bohrölzufuhrapparat zentrieren. Am maschinenfernen Ende des ersten Adapterstücks ist eine Kegelaufnahme 310 mit einem Innenkonus gebildet, dessen Konuswinkel so bemessen ist, dass beim Einziehen durch die automatische Spanneinheit am entsprechenden Gegenkonus leichte Selbsthemmung auftritt. Die Kegelaufnahme 310 ist Bestandteil der ersten Schnittstellenstruktur der Adapter-Schnittstelle 400, welche als Hohlschaftkegel-Schnittstelle (HSK-Schnittstelle) ausgelegt ist.
Bei einer nicht bildlich gezeigten Ausführungsform ist anstelle der HSK-Schnittstelle eine Steilkegel(SK)-Schnittstelle vorgesehen.
Das dem Bohrkopf 330 zugeordnete zweite Adapterstück 370 hat einen Grundkörper 371, an dessen maschinenfernem Ende eine zweite Verbindungsstruktur in Form eines Außengewindes 372 vorgesehen ist, mit dessen Hilfe das zweite Adapterstück in das Innengewinde des Bohrkopfs 330 eingeschraubt werden kann. Am gegenüberliegenden maschinennahen Ende ist eine zweite Schnittstellenstruktur der Adapter-Schnittstelle 400 ausgebildet, die die Form eines Hohlschaftkegels 320 mit einem Außenkonus 322 hat, der mit dem Innenkonus am maschinenfernen Ende des zweiten Adapterstücks korrespondiert und den gleichen Konuswinkel hat.
Die Adapter-Schnittstelle 400 hat bei Ausführungsformen für steuerbare Werkzeugsysteme mehrere Anforderungen zu erfüllen, da neben einer zentrierten und drehfesten mechanischen Kopplung der Adapterstücke auch noch eine zuverlässige Medienübergabe für das zum Steuern des Bohrkopfs genutzte Steuermedium (z.B. Hydrauliköl) sichergestellt werden muss. Die hierzu vorgesehenen Einrichtungen werden im Folgenden näher erläutert.
Die Adaptereinheit 350 nutzt für die mechanische Verbindung der beiden Adapterstücke 360, 370 die Vorteile einer Hohlschaftkegel-Schnittstelle und ist so konstruiert, dass das erste Adapterstück und das zweite Adapterstück nach dem axialen Zusammenfügen der Adapterstücke (durch Einstecken des Hohlschaftkegels 320 in die Kegelaufnahme 310) mit Hilfe einer maschinenseitig betätigbaren Verriegelungseinrichtung axial in der Weise eingezogen und verriegelt werden können, dass die aneinander gekoppelten Adapterstücke durch einen in Axialrichtung wirkenden Formschluss gegen Lösen der Steckverbindung gesichert sind und nur nach Entriegelung der Verriegelungseinrichtung die Verbindung wieder gelöst werden kann. Ähnlich wie bei der Variante aus 1 und 2 sind auch hier in Umfangsrichtung formschlüssig ineinandergreifende Mitnehmerelemente zur Drehsicherung vorgesehen.
Zu der Verriegelungseinrichtung gehört eine Gruppe von im Grundkörper 361 im Bereich der Kegelaufnahme 310 schwenkbar gelagerten Verriegelungselementen 382, deren radiale Schwenkbewegung über die axiale Bewegung einer im Inneren des ersten Adapterstücks 360 axial beweglich geführten Betätigungsstange 384 gesteuert wird. Am maschinenfernen Ende der Betätigungsstange ist ein Steuerelement 385 mit einer Außenkontur angebracht, die so gestaltet ist, dass die vorderen Enden der Verriegelungselemente beim Einziehen der Betätigungsstange in Richtung Tiefbohrmaschine in die in 4 gezeigte Verriegelungsstellung nach außen geschwenkt werden, an inneren Schrägflächen des Hohlschaftkegels angreifen und dabei den am zweiten Adapterstück 370 angebrachten Hohlschaftkegel 320 axial unter Spannung in die Kegelaufnahme 310 mit geeigneter Einzugskraft hineinziehen. Bei einem Entriegelungshub in entgegengesetzter Richtung (zum maschinenfernen Ende) werden die vorderen Enden der Verriegelungselemente aktiv nach innen verschwenkt und geben das zweite Adapterstück 370 bzw. dessen Hohlschaftkegel frei und dieses wird ausgestoßen, so dass die Bohrkopfeinheit (Bohrkopf 330 und zweites Adapterstück 370) nach vorne axial abgenommen werden kann.
Die axialen Arbeitsbewegungen der Betätigungsstange werden hydraulisch gesteuert. Hierzu ist das maschinennahe Ende der Betätigungsstange nach Art eines Kolbens 386 ausgestaltet, der radial abgedichtet im Inneren eines Zylinderraums 388 angeordnet ist, der maschinenseitig über eine erste Steuerleitung 389 an die Druckseite einer Hydraulikpumpe angeschlossen ist. Die Betätigungsstange 384 ist im Inneren des Grundkörpers 361 geführt und wird mit Hilfe eines die Betätigungsstange umschließenden Federpakets 391 zum maschinenseitigen Ende vorgespannt, so dass der Hydraulikdruck für den Entriegelungshub gegen die Kraft des Federpakets aufzubringen ist und in Abwesenheit von Druck in der ersten Steuerleitung 389 die Bohrkopf-Einheit mit der Bohrrohr-Einheit verriegelt ist.
Für die Ansteuerung der Schneide 332 und/oder einer anderen steuerbaren Funktionseinheit des steuerbaren Bohrkopfs 330 ist ein hydraulisches Werkzeugsteuersystem vorgesehen. Hierzu gehört auf Seiten des Bohrrohrs eine zweite Steuerleitung 392, die von der zugeordneten maschinenseitigen Hydraulikeinheit zu einem im Inneren des Bohrrohrs befestigten Anschlusselement 393 führt, das an seiner maschinenfernen Seite eine mit der zweiten Steuerleitung kommunizierende, zentrale Sacklochbohrung hat, in die ein maschinenseitiger Endabschnitt der Betätigungsstange 391 eintauchen kann. Die Betätigungsstange ist im wesentlichen rohrförmig, wobei im Inneren der Betätigungsstange ein axial durchgehender Durchlasskanal gebildet wird, der durch den Bereich der Verriegelungselemente 382 hindurch bis zum maschinenfernen Stirnende der Betätigungsstange führt. Das maschinenferne Ende ragt somit bei zusammengebauter Werkzeugeinheit in das Innere des zweiten Adapterstücks hinein.
Am Übergang zum zweiten Adapterstück 370, welches zur Bohrkopf-Einheit gehört, ist eine druckdicht schließende Schnellsteck-Kupplung 395 für das fluide Steuermedium vorgesehen. Die lösbare Trennstelle zwischen den zur Bohrrohr-Einheit gehörenden Elementen und den zur Bohrkopf-Einheit gehörenden Elementen ist in 4 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Das bohrrohrseitige Kupplungsteil und das bohrkopfseitige Kupplungsteil sind so gestaltet, dass eventueller Schrägversatz und Axialversatz beim Ankuppeln der Bohrkopf-Einheit an die Bohrrohr-Einheit automatisch ausgeglichen werden. Das bohrkopfseitige Kupplungsteil ist an einem Bolzen 373 befestigt, der innerhalb des Grundkörpers 371 des zweiten Adapterstücks gegen die Kraft einer Schraubendruckfeder 374 axial bewegt werden kann. Beim Entriegelungshub der Verriegelungseinrichtung taucht der Bolzen in Richtung Bohrkopf ein, wobei sich dabei auch die Position der Schnellsteck-Kupplung 395 innerhalb des zweiten Adapterstücks in Richtung Bohrkopf verlagert. Der Bolzen 373 hat eine axiale Durchgangsbohrung, dessen bohrkopfseitiges Ende eine zylindrische Erweiterung hat, in die bei zusammengebauter Bohrkopfeinheit ein am Bohrkopf abgedichtet angebrachtes Rohr 375 eintaucht. Die über das Rohr 375 vermittelte, abgedichtete Fluidverbindung zwischen dem zweitem Adapterstück 370 und Bohrkopf 330 wird beim Zusammenschrauben dieser Teile automatisch hergestellt. Das Steuermedium betätigt im Inneren des Bohrkopfs einen Kolben, der ein Zustellelement mit Schrägflächen betätigt, welche mit Schrägflächen an einem Träger der aussteuerbaren Schneide nach Art eines Keilantriebs zusammenwirkt, um die Schneide abhängig vom Hydraulikdruck radial zuzustellen.
Der Bohrkopfwechsel wird im Wesentlichen analog zu der bereits beschriebenen Weise automatisch mithilfe eines automatischen Bohrkopfwechslers durchgeführt, der einen Greifer 450 hat, welcher in die Spannrille 324 am Umfang des zweiten Adapterstücks 370 eingreifen kann.
Bei den bildlich dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Werkzeugkopf jeweils als Bohrkopf (Vollbohrkopf bzw. Aufbohrkopf) ausgebildet, so dass die Werkzeugkopf-Einheit auch als Bohrkopf-Einheit und der Werkzeugkopfwechsel auch als Bohrkopfwechsel bezeichnet werden kann. Es ist jedoch nicht zwingend, dass der verwendete Werkzeugkopf ein Bohrkopf ist, der ausschließlich zum Bohren verwendet werden kann. Werkzeugköpfe können auch für einen oder mehrere andere Bearbeitungsprozesse ausgelegt sein. Ein Werkzeugkopf kann z.B. ein Kombinationswerkzeugkopf sein, an dem zwei oder mehr unterschiedliche, ggf. getrennt ansteuerbare Werkzeugelemente (z.B. Schälschneide, Rollierelement, Bohrschneide etc.) angebracht sein können. Es kann sich z.B. um einen 2-fach Kombinationswerkzeugkopf zum Schälen und Rollieren handeln oder um einen 3-fach Kombinationswerkzeugkopf, z.B. zum Aufbohren, Schälen und Rollieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010018959 A1 [0049]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Werkzeugeinheit (100, 300) für eine Tiefbohrmaschine, bei dem ein auswechselbarer Werkzeugkopf (130, 330) an einem Bohrrohr (110, 310) lösbar befestigt wird, wobei das Bohrrohr ein maschinennahes Ende mit Einrichtungen zur Aufnahme des Bohrrohrs an einer Arbeitsspindel der Tiefbohrmaschine und ein maschinenfernes Ende mit einer ersten Verbindungsstruktur (112, 312) zum Anbringen eines Werkzeugkopfs aufweist, und der Werkzeugkopf eine zweite Verbindungsstruktur (136, 336) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (130, 330) unter Zwischenschaltung einer mehrteiligen Adaptereinheit (150, 350) an dem Bohrrohr (110, 310) befestigt wird, wobei ein erstes Adapterstück (160, 360) der Adaptereinheit mit dem Bohrrohr (110, 310) verbunden wird, ein zweites Adapterstück (170, 370) der Adaptereinheit mit dem Werkzeugkopf (130, 330) verbunden wird, und das erste und das zweite Adapterstück mittels korrespondierender erster und zweiter Schnittstellenstrukturen einer Adapter-Schnittstelle (200, 400) drehfest und zentriert miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Verbindungsstruktur als korrespondierende erste und zweite Anschlussgewinde gestaltet sind, das erste Adapterstück (160, 360) durch Anschrauben unmittelbar mit dem Bohrrohr verbunden wird und das zweite Adapterstück (170, 370) durch Anschrauben unmittelbar mit dem Werkzeugkopf verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das erste Adapterstück (160, 360) und das zweite Adapterstück (170, 370) zur Herstellung der Verbindung über eine axiale Relativbewegung ineinander gesteckt werden oder zur Herstellung einer Schraubverbindung unter Relativverdrehung direkt ineinander geschraubt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das erste Adapterstück (160, 360) und das zweite Adapterstück (170, 370) nach dem axialen Zusammenfügen mittels einer maschinenseitig betätigbaren Verriegelungseinrichtung axial verriegelt werden, wobei die Verriegelungseinrichtung vorzugsweise hydraulisch betätigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein automatisierter Werkzeugkopfwechsel durchgeführt wird, wobei eine Werkzeugkopf-Einheit, die den Werkzeugkopf und ein daran angebrachtes zweites Adapterstück aufweist, mithilfe einer Greifereinheit eines Werkzeugkopf-Wechslersystems erfasst und lagerichtig mit dem am Bohrrohr angebrachten ersten Adapterstück verbunden wird und/oder von dem am Bohrrohr angebrachten ersten Adapterstück gelöst wird.
Werkzeugeinheit (100, 300) für eine Tiefbohrmaschine, mit einem Bohrrohr (110, 310) und einem an dem Bohrrohr lösbar befestigten oder befestigbaren, auswechselbaren Werkzeugkopf (130, 330), wobei das Bohrrohr (110, 310) ein maschinennahes Ende mit Einrichtungen zur Aufnahme des Bohrrohrs an einer Arbeitsspindel der Tiefbohrmaschine und ein maschinenfernes Ende mit einer ersten Verbindungsstruktur (112, 312) zum Anbringen eines Werkzeugkopfs aufweist und der Werkzeugkopf (130, 330) eine zweite Verbindungsstruktur (136, 336) aufweist, gekennzeichnet durch, eine Adaptereinheit (150, 350) zur Befestigung des Werkzeugkopfs am Bohrrohr, wobei die Adaptereinheit ein erstes Adapterstück (160, 360) und ein mit dem ersten Adapterstück lösbar verbindbares zweites Adapterstück (170, 370) aufweist, das erstes Adapterstück an einem maschinenseitigen Ende ein mit der ersten Verbindungsstruktur (112, 312) korrespondierende erste Verbindungsstruktur (162, 362) zur Verbindung mit dem Bohrrohr und an einem maschinenfernen Ende erste Schnittstellenstrukturen einer Adapter-Schnittstelle (200, 400) aufweist, das zweite Adapterstück (170, 370) an einem maschinenfernen Ende ein mit der zweiten Verbindungsstruktur korrespondierende zweite Verbindungsstruktur (172, 372) zur Verbindung mit dem Werkzeugkopf (130, 330) und an einem maschinennahen Ende zweite Schnittstellenstrukturen der Adapter-Schnittstelle aufweist (200, 400), und das erste und das zweite Adapterstück mittels der korrespondierenden ersten und zweiten Schnittstellenstrukturen drehfest und zentriert miteinander verbunden oder verbindbar sind.
Werkzeugeinheit nach Anspruch 6, worin die erste und die zweite Verbindungsstruktur als korrespondierende erste und zweite Anschlussgewinde derart gestaltet sind, dass das erste Adapterstück (160, 360) durch Anschrauben unmittelbar mit dem Bohrrohr (110, 310) und das zweite Adapterstück (170, 370) durch Anschrauben unmittelbar mit dem Werkzeugkopf (130, 330) verbindbar ist.
Werkzeugeinheit nach Anspruch 6 oder 7, worin die Adapter-Schnittstelle (200, 400) als Steckverbindung derart ausgestaltet ist, dass das erste Adapterstück (160, 360) und das zweite Adapterstück (170, 370) zur Herstellung der Verbindung über eine axiale Relativbewegung ineinander steckbar sind, oder worin die Adapter-Schnittstelle als Schraubverbindung ausgestaltet ist
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, worin eines der Adapterstücke, insbesondere das erste Adapterstück (160, 360), eine Schnittstellenstruktur mit einer Kegelaufnahme (210, 310) mit einem Innenkonus aufweist und das andere Adapterstück, insbesondere das zweite Adapterstück (170, 370), eine Schnittstellenstruktur mit einem zum Innenkonus korrespondierenden Außenkonus (222, 322) aufweist, wobei vorzugsweise die erste Schnittstellenstruktur eine Kegelaufnahme mit einem Innenkonus aufweist und die zweite Schnittstellenstruktur einen Anschlusskegel mit einem Außenkonus aufweist, der mit den Innenkonus korrespondiert.
Werkzeugeinheit nach Anspruch 9, worin an einer Außenfläche des Außenkonus (222) mindestens eine Ausnehmung (224) ausgebildet ist, die als Eingriffsstruktur für ein oder mehrere Verriegelungselemente einer Verriegelungseinrichtung dienen kann, wobei die Eingriffsstruktur vorzugsweise als umlaufende Außenrille (224), vorzugsweise mit schrägen Seitenflächen, ausgebildet ist.
Werkzeugeinheit nach Anspruch 9, worin die Schnittstellenstruktur mit Außenkonus nach Art eines Hohlschaftkegels (320) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise Eingriffsstrukturen für ein oder mehrere Verriegelungselemente (382) einer Verriegelungseinrichtung im Inneren des Hohlschaftkegels ausgebildet sind.
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 11, worin das erste Adapterstück (160) und das zweite Adapterstück (170) korrespondierende Mitnehmerstrukturen (226) aufweisen, die beim axialen Zusammenstecken des ersten und des zweiten Adapterstücks zur Herstellung einer in Umfangsrichtung wirksamen formschlüssigen Verbindung ineinander greifen.
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch eine maschinenseitig betätigbare Verriegelungseinrichtung zur axialen Verriegelung des ersten Adapterstücks (160, 360) mit dem zweiten Adapterstück (170, 370) nach einem axialen Zusammenfügen, wobei die Verriegelungseinrichtung vorzugsweise hydraulisch betätigbar ist.
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 13, worin in dem ersten Adapterstück (160) ein Kolbenraum (165) gebildet ist, in dem ein Kolbenelement (166) aufgenommen ist, das durch Beaufschlagung mit Hydraulikdruck gegen die Kraft einer Kolbenfeder (167) in dem Kolbenraum bewegbar ist, wobei mindestens ein Hydraulikkanal (168) von dem Kolbenraum in Richtung der am ersten Adapterstück ausgebildeten ersten Verbindungsstruktur führt, wobei vorzugsweise der Kolbenraum (165) ein Ringraum und das Kolbenelement (166) ein ringförmiges Kolbenelement ist, wobei der Ringraum und das Kolbenelement einen axial durchgehenden Hohlraumkanal (138) im Inneren des ersten Adapterstücks umschließen.
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 13 oder 14, worin die Verriegelungseinrichtung eine axial verschiebbare Betätigungsstange (384) aufweist, die maschinenseitig an einen Kolben (386) gekoppelt ist, der verschiebbar in einem Zylinderraum (388) angeordnet ist, der über eine erste Steuerleitung (389) an die Druckseite einer Hydraulikpumpe anschließbar ist, wobei vorzugsweise die Betätigungsstange (384) mindestens einen axial durchgehenden Durchlasskanal aufweist, der maschinenseitig an eine zweite Steuerleitung (392) anschließbar ist, welche ein Bestandteil eines hydraulischen Werkzeugsteuersystems zur Betätigung einer steuerbaren Funktionseinheit, insbesondere Schneide (332), des Werkzeugkopfs ist.
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 15, worin in dem Bohrrohr (310) eine an eine erste Hydraulikpumpe anschließbare erste Steuerleitung (389) und eine an eine zweite Hydraulikpumpe anschließbare zweite Steuerleitung (392) angeordnet sind, wobei vorzugsweise die erste Steuerleitung ein Bestandteil einer hydraulisch betätigbaren Verriegelungseinrichtung ist und die zweite Steuerleitung ein Bestandteil eines hydraulischen Werkzeugsteuersystems zur Betätigung einer steuerbaren Funktionseinheit, insbesondere Schneide, des Werkzeugkopfs ist.
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 16, worin in einem Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Adapterstück eine druckdicht schließende Schnellsteck-Kupplung (395) für ein fluides Steuermedium vorgesehen ist, wobei ein bohrrohrseitige erstes Kupplungsteil und ein werkzeugkopfseitiges zweites Kupplungsteil derart gestaltet sind, dass ein eventueller Schrägversatz und/oder Axialversatz beim Ankuppeln des zweiten Adapterstücks (370) an das erste Adapterstück (360) automatisch ausgeglichen wird, wobei vorzugsweise die Kupplungsteile der Schnellsteck-Kupplung im gekoppelten Zustand gemeinsam axial bewegbar sind.
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 17, worin in das Bohrrohr (110) koaxial ein zylindrisches Innenrohr 120 eingesetzt ist, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrrohrs, so dass zwischen dem Bohrrohr und dem Innenrohr ein axial durchgehender Ringspalt (115) verbleibt, durch den ein Steuerfluid zur Adaptereinheit transportierbar ist.
Werkzeugeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 18, worin am Außenumfang des Bohrrohrs (119) und/oder am Außenumfang des ersten Adapterstücks (360) mehrere Abstützleisten (114, 314) angebracht sind, die beim Werkzeugkopfwechsel mit Gegenelementen an der Innenseite eines Bohrölzufuhrapparates (192, 392) zusammenwirken und die Werkzeugeinheit für einen Werkzeugkopfwechsel zentrieren.
Adaptereinheit (150, 350) zum Befestigen eines auswechselbaren Werkzeugkopfs (130, 330) an einem Bohrrohr (110, 310) für eine Tiefbohrmaschine, wobei die Adaptereinheit ein erstes Adapterstück (160, 360) und ein mit dem ersten Adapterstück lösbar verbindbares zweites Adapterstück (170, 370) aufweist, das erstes Adapterstück an einem maschinenseitig anordenbaren Ende eine erste Verbindungsstruktur (162, 362) zur Verbindung mit dem Bohrrohr und an einem maschinenfern anordenbaren Ende erste Schnittstellenstrukturen einer Adapter-Schnittstelle (200, 400) aufweist, das zweite Adapterstück (170, 370) an einem maschinenfern anordenbaren Ende eine zweite Verbindungsstruktur (172, 372) zur Verbindung mit dem Werkzeugkopf (130, 330) und an einem maschinennah anordenbaren Ende zweite Schnittstellenstrukturen der Adapter-Schnittstelle aufweist (200, 400), und das erste und das zweite Adapterstück mittels der korrespondierenden ersten und zweiten Schnittstellenstrukturen drehfest und zentriert miteinander verbunden oder verbindbar sind.
Adaptereinheit nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch die Merkmale des Kennzeichens von mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14 oder 17.