DE19605069A1

DE19605069A1 - Numerisch gesteuerte bohrungsgeführte Innendreheinrichtung zur Herstellung von nichtzylindrischen Innenkonturen mit großen Länge/Durchmesserverhältnissen

Info

Publication number: DE19605069A1
Application number: DE1996105069
Authority: DE
Original assignee: BERATENDE GES fur TIEFBOHR UN
Current assignee: BERATENDE GES fur TIEFBOHR UN
Priority date: 1996-02-12
Filing date: 1996-02-12
Publication date: 1997-08-14

Description

1. Technisches Gebiet

Die im Folgenden beschriebene Innendreheinrichtung ist der Produktionstechnik, im speziellen der "Spanenden Fertigung mit geometrisch bestimmter Schneide" zuzuordnen.

Das Einsatzgebiet ist die Innendrehbearbeitung von Bauteilen, die zur Gewichtserleichterung oder aus Funktionsgründen mit komplexen, in der Regel nicht zylindrischen Innenkonturen versehen sind. Ein besonderes Merkmal solcher Innenkonturen kann sein, daß diese an beiden Seiten engere Durchmesser aufweisen als in mittleren Bereichen. Die Konturen können ein großes bis sehr großes Länge/Durchmesserverhältnis (größer 50) aufweisen.

2. Stand der Technik

Werkstücke, die die beiden im Abschnitt 1 letztgenannten Merkmale aufweisen (Nichtzylindrische Innenkonturen sowie große L/D-Verhältnisse) sind bisher nur in Sonderfällen aufgetreten und bekannt geworden. Hauptgrund ist, das keine geeignete und kostengünstige Bearbeitungstechnologie zur Verfügung stand.

Folgende Verfahren sind dem Antragsteller bekannt:

- Alfing-Verfahren

Die aktuelle Innenkontur, zu Beginn also ein Zylinder, wird nach jedem Bearbeitungsschritt mit flüssigem Schwefel gefüllt. Nach dem Aushärten des Schwefels wird mit dem nächstem Werkzeug ein neuer Konturabschnitt herausgearbeitet. Durch den Schwefel ist das Abstützen der Folgewerkzeuge möglich, die Schnittkraft jedoch gering. Die eingesetzten Werkzeuge (sowie die Verfahrensabfolge) unterscheiden sich deutlich von dem hier vorgestellten Werkzeugkonzept. Eine Veröffentlichung z. B. in einer Fachzeitschrift über dieses Verfahren ist nicht bekannt:

- Auskammerfräsen

An der Universität Stuttgart (IFW - Institut für Werkzeug maschinen) wurde ein neues Auskammerverfahren entwickelt, das sog. Auskammerfräsen. Hierbei befindet sich am Bohrwerkzeugkopf ein exzentrisch gelagerter Fräskopf, der aus der zylindrischen Vorbohrung heraus radial ausgeschwenkt werden kann. Das Werkzeugkonzept unterscheidet sich deutlich von dem hier vorgestelltem Verfahren. (Literatur: Herstellen von Innenkonturen mittels Auskammerfräsen - wt-Produktion und Management 85 (1995) S. 17-21, Springer Verlag 1995.

Bisher ist der Einsatz von Auskammerverfahren nur aus der Luft- und Raumfahrt bekannt (Landebeine, Triebwerkswellen). Grund sind die vergleichsweise hohen Verfahrenskosten und der eingeschränkte Einsatzbereich dieser Verfahren (L/D-Verhältnis, Durchmesserbereiche).

3. Zugrundeliegendes Problem

Der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, erstmals eine betriebssichere kostengünstige Innendreheinrichtung zu schaffen, die in der Lage ist komplexe Innenkonturen mit großen L/D-Verhältnissen sowie mit Hinterschneidungen (Aufweitungen) spanend herzustellen.

4. Lösung

Dies Problem wird durch die in den Patentansprüchen dargelegte Innendreheinrichtung gelöst.

In die zu bearbeitenden Werkstücke (z. B. Triebwerkswellen, Leichtbauteile (Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt)) ist mit herkömmlichen Verfahren eine zylindrische Führungsbohrung eingebracht, aus der das o.g. Innendrehwerkzeug im ziehenden Betrieb, ständig geführt durch die Grundbohrung (Abstützung nahe der Zerspankrafteinleitung), im sog. Auskammerverfahren (Kurzkammerverfahren) die nichtzylindrische Innenkontur erzeugt.

Besonderheit des Werkzeugsystems sind die Ansteuerung über eine zur Bohrungsachse parallele Schub- bzw. Zugstange mit einem Getriebe im Werkzeug, die die achsparallele Bewegung in eine senkrecht zur Achse stehende Schneidenbewegung übersetzt. Weitere kennzeichnende Elemente sind die Führungselemente des Werkzeugs zur Abstützung in der Grundbohrung, insbesondere ihre Lage, Länge und Anordnung.

5. Gewerbliche Anwendbarkeit

Mit der Werkzeugeinrichtung ist die Fertigung der unter 4. genannten Beispiele für Werkstücke vorteilhaft möglich. Die Bearbeitung kann auf Maschinen z. B. NC-Tiefbohrmaschinen durchgeführt werden, die in der Industrie in großer Zahl bereits vorhanden sind. Die Möglichkeit zum gewerblichen Einsatz ist damit gegeben.

6. Vorteilhafte Wirkung der Erfindung

Ein vergleichbares, universell einsetzbares Ausdrehsystem, das in den Patentansprüchen skizziert ist, ist auf dem Markt zur Zeit nicht vorhanden.

Die Auskammertechnik wird bisher nur in wenigen Branchen eingesetzt. Im wesentlichen sind dies die Triebwerksindustrie und die Luft- und Raumfahrtindustrie. In diesen Industriezweigen ist zur Zeit ein zunehmender Bedarf an Auskammerwerkzeugen zu beobachten. Dieser allein rechtfertigt bereits die Annahme einer vorteilhaften Wirkung.

Die Existenz der Technologie wird jedoch darüber hinaus bekannt werden, so daß immer mehr Konstrukteure und Entwickler optimierte Bauteile einsetzen möchten. Generell ist festzustellen, daß ausgekammertes Werkstück praktisch grundsätzlich technologische Vorteile gegenüber einem nur mit zylindrischer Bohrung versehenen Werkstück hat (geringeres Gewicht bei gleicher Belastung, geringere Lagerkräfte, Verhinderung von Unwuchten, an die Bela stung angepaßte Werkstückgeometrie).

7. Ausführungsbeispiel 7.1. Innendrehwerkzeug

Fig. 2 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, die alle in den Ansprüchen genannten Merkmale aufweist:
Das Innendrehwerkzeug besitzt mehrere hintereinander liegende Stützelemente (4) die es in einer Vorbohrung mit einem angepaßten Durchmesser abstützen. Es sind mindestens 2 Reihen von Stützelementen (4) vorhanden, sie sind nicht beweglich, ihr Vorderende liegt, auf die Werkzeugachse bezogen, 0,5-1,5 mal Werkzeugnenndurchmesser hinter der Schneide (10). Im Arbeitsbetrieb verlassen sie niemals die Führungsbohrung.

In bzw. nahe der Schneidenebene befindet sich eine weitere Stützelementreihe (11) die über Federn- oder ein Hydraulikkissen (12) in einem Verstellbereich unter einem Millimeter ausgestellt werden kann. Die Aufgabe dieser Führungsleistenreihe ist die sichere Abstützung des Werkzeugs auch in dem Fall, daß keine bzw. kaum eine Zerpankraft vorhanden ist (Leerhübe, Schlichtschnitte). Die og. Stützleisten sind im sog Abstützmodul (5) des Werkzeugs angebracht.

Bei Längsverschiebung der Schubstange (7), die mit dem Längsschieber (3), der an der Unterseite eine Verzahnung besitzt, verbunden ist, wird über die Gegenverzahnung (Keilgetriebe) am Schneidenschieber (2) die Schneidplatte (10) radial verstellt. Keilgetriebe und Schneidenschieber befinden sich im Kopfteil (9) des Werkzeugs. Der Kopfdeckel (1) dient zum Schutz des ausgefahrenen Längsschiebers (3).

Im sog. Dämpfungsmodul (6) des Werkzeugs sind mindestens 3 Kunststoffelemente (13) eingesetzt, die durch Reibungskontakt mit der Führungsbohrung für eine Lagestabilisierung und Schwingungsdämpfung des Werkzeuges sorgen.

Das Gesamtwerkzeug besitzt ein Gewinde (14), das zur Befestigung an einem Tragrohr geeignet ist. Die Schubstange (7) ist am Ende mit einer drehgelagerten Überwurfmutter (8) versehen, mit der die Schubstange (7) an einer im Tragrohr gelagerten Steuerstange befestigt werden kann. Durch die drehgelagerte Überwurfmutter (8) ist die Befestigung der Steuerstange ohne Drehen des Werkzeugs möglich.

Im Inneren der Schubstange ist eine Bohrung vorhanden, die eine Zuführung von Hydraulik in das Werkzeug ermöglicht. Hierzu ist innerhalb der Steuerstangenbefestigung (8) eine Hydraulikkupplung integriert. Die Hydraulik wird, unabhängig von der aktuellen Stellung der Steuerstange, in das hydraulische Kissen (12) unter der Stützleistenreihe (11) eingeleitet. Diese kann damit extern an die Führungsbohrung angedrückt werden.

Arbeitsweise des Innendrehwerkzeuges:
Im Rückhub des Werkzeugs werden ausgehend von der Führungsbohrung nacheinander einzelne Kammern jeweils fertig bearbeitet (Auskammerverfahren). Hierzu ist eine geeignete Schnittaufteilung und Innengeometrie (Fertigteil) auszuwählen, die über ein numerisches Steuerprogramm eingegeben wird (vergl. Fig. 3 die zur Zusammenfassung gehört).

7.2. Ansteuereinheit

Fig. 3 zeigt eine, zum Betreiben des unter 7.1 beschriebenen Innendrehwerkzeugs, geeignete Antriebseinheit. Basis ist eine numerisch gesteuerte Achse (6) an deren Schlitten ein Kragarm (4) befestigt ist.

Die NC-Einheit ist über eine Konsole (8) über eine Flanschverbindung (7) mit dem Spindelstock (2), der das Bohrrohr (1) antreibt, derart verbunden, daß das Koppelstück (11) in die Achse des Tragrohres geschoben werden kann. Hierzu sind am NC-Schlitten zwei Stellhebel (5) zu lösen. Der Kragarm kann dann von Hand oder motorisch in die Achse verschoben werden.

Am Ende des Kragarmes (4) ist eine Gabel (12) angeschraubt, die an die Steuerstange (10), die sich innerhalb des Tragrohres (1) für das Innendrehwerkzeug befindet, angekoppelt werden kann.

Hierzu befindet sich an der Gabel (12) ein Koppelstück (11), daß durch eine geeignete Lagerung derart ausgeführt ist, daß die Steuerstange rotieren kann. Eine Hochdruck-Drehzuführung im Koppelstück (11) ermöglicht die Einleitung von unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit.

Zur Begrenzung des vom Werkzeug abhängigen max. Verfahrweges der Steuerstange (10) ist am Flansch (7) eine Nockenbahn (9) befestigt. Der bzw. die an der Gabel (12) befindlichen Endschalter (3) werden über die Nocken, die die Bereichsenden markieren, geschaltet.

Die Antriebseinheit ist damit universell einsetzbar. Zu jedem Innendrehwerkzeug (nach 7.1), das von der Antriebseinheit angesteuert werden kann, gehört entsprechend die angepaßte Nockenbahn (9).

Claims

I. Innendrehwerkzeug
Innendrehwerkzeug, bestehend aus einem Schneidkopf in dem ein senkrecht zur Bohrungsachse beweglicher Schieber gelagert ist, der eine Wendeplatte trägt. Mit einem im Schneidkopf angeordneten Getriebe zur Umwandlung einer achsparallelen Bewegung einer Steuerstange in eine senkrecht hierzu stehende Bewegung des Schiebers.
- 1) Innendrehwerkzeug nach 1, zusätzlich bestehend aus einem Abstützteil, an dem mindestens zwei wechselbare vor dem Drehvorgang auf den Führungsdurchmesser eingestellte oder einstellbare längere Stützelemente befestigt sind, die zur Abstützung des Werkzeugs in einer Führungsbohrung dienen. Die Stützelemente erstrecken sich parallel zur Achse des Werkzeugs, sie sind während des Werkzeugbetriebes radial nicht bewegbar.
- 2) Innendrehwerkzeug nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Vorderende der Abstützelemente in einem größeren Abstand (ca. 0,5 bis 1,5 × Werkzeugdurchmesser) hinter der Schneidenecke befindlich ist, damit es in keinem Bearbeitungsfall zum Austritt der Abstützelemente (oder von Bereichen der Abstützelemente) aus der Führungsbohrung kommt.
- 3) Innendrehwerkzeug nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine zusätzliche Leiste, die zum Ausgleich des Spiels in der Führungsbohrung dient, vorhanden ist. Sie dient nicht der Abstützung der Zerspankräfte. Die Leiste kann durch Federn oder Hydraulik angepreßt werden. Die ausgeübte Kraft auf die Bohrungswand ist derart, daß sie die Abstützkraft der feststehenden Leisten (siehe Anspruch 2) erhöht.
- 4) Innendrehwerkzeug nach 1, zusätzlich bestehend aus einem Dämpfungsteil an dem mindestens drei wechselbare auf den Führungsdurchmesser eingestellte oder einstellbare Dämpfungselemente aus beliebigem Material befestigt sind, die zur Dämpfung von Werkzeugschwingungen, durch Reibung mit der Oberfläche der Führungsbohrung, dienen.
- 5) Innendrehwerkzeug nach 1, zusätzlich gekennzeichnet dadurch, daß sich Werkzeugkörper und die innenliegende verschiebbare Steuerstange über jeweils eine Gewindeverbindung mit anschraubbaren Rohren beliebig verlängern lassen.
II. Numerisch gesteuerte Antriebseinheit
Numerisch gesteuerte Antriebseinheit die zum achsparallelen Anflanschen an Sondermaschinen, insbesondere jedoch an Maschinen zur Herstellung tiefer Bohrungen geeignet ist.
- 6) Numerisch gesteuerte Antriebseinheit, gekennzeichnet dadurch, daß ein Schieber, der an einem numerisch gezielt verfahrbaren Schlitten der Antriebseinheit befestigt ist, durch manuelle oder elektromotorische/hydraulische Bewegung in die Achse der Führungsbohrung gelangen kann.
- 7) Numerisch gesteuerte Antriebseinheit, gekennzeichnet dadurch, daß am Schieber in der Achse der Führungsbohrung eine Koppelstelle vorhanden ist, die mit der Steuerstange des Werkzeugs durch eine Schraubverbindung verbunden werden kann. Die Bewegung des Schiebers läßt sich damit auf die Steuerstange übertragen.
- 8) Numerisch gesteuerte Antriebseinheit, gekennzeichnet dadurch, daß die Koppelstelle (vergl. Anspruch 7) mit Lagerungen derart ausgeführt ist, das die Steuerstange des Werkzeugs (vergl. Anspruch 1-3) auch rotieren kann.
- 9) Numerisch gesteuerte Antriebseinheit, gekennzeichnet dadurch, daß die Koppelstelle (vergl. Anspruch 7) mit einem Hochdruck-Drehübertrager derart ausgeführt ist, das unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit in das Werkzeug eingeleitet werden kann.