DE19629610A1 - Einfaches Feinverstellsystem für einschneidige Bohrstangen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Durchmessermaßkorrektur von Feinverstellbohrstangensystemen, welches bisher von vorhandenen Systemen nur unbefriedigend abgedeckt wurde. Hierbei handelt es sich um die Herstellung hochgenauer Bohrungsdurchmesser, die eine Durchmessertoleranz von wenigen 1/1000 mm haben.

Stand der Technik

In der Fertigung werden eng tolerierte Durchmesser durch ein Bohrwerkzeug, dessen Durchmesser wenige mm unterhalb des Nennmaßes beträgt, vorgebohrt. Bei gegossenen Werkstücken kann die Vorbohroperation entfallen. In einem anschließenden Arbeitsgang wird mit einem Ausdrehwerkzeug das Nennmaß mit der geforderten Toleranz gefertigt. Das Problem ist die Durchmessereinstellung des Ausdrehwerkzeuges, welches in diesem Fall die Feinverstellbohrstange ist, welche den Fertigdurchmesser herstellt. Hierbei wird folgendermaßen vorgegangen. Zuerst wird das Bohrstangensystem in einem Voreinstellgerät eingestellt und dann in die Werkzeugmaschinenspindel eingesetzt. Die Aufnahmeeinheit für die Bohrstange im Voreinstellgerät und die in der Werkzeugspindel sind ähnlich. Jedoch ist ein Fehler bei der Übertragung vom Einstellgerät in die Werkzeugmaschinenspindel aufgrund von z. B. Verschmutzung oder unrund laufender Werkzeugmaschinenspindel gegeben. Daraus resultierend wird nun mit der jetzt voreingestellten in der Spindel befindlichen Feinverstellbohrstange eine Probebausdrehoperation gemacht und dessen Durchmesser gemessen. Der Radiusunterschied des geforderten Durchmessernennmaßes zum Durchmesser der Probeausdrehoperation in einem Probewerkstück muß an der in irgendeiner Form einstellbaren Schneidkante des Feinverstellbohrstangensystems korrigiert werden. Weiterhin muß eine Korrektur erfolgen, wenn die Wendeplatte infolge Verschleißes gewechselt wird. Denn die Wendeplatten werden auch mit bestimmten Toleranzen gefertigt, und darum sind diese nicht exakt identisch und mit diesen werden deshalb ungewollt unterschiedliche Bearbeitungsdurchmesser gefertigt. Die Durchmesserkorrektur erfolgt dann bei aus der Bohrung herausgefahrener Bohrstange im Stillstand der Maschinenspindel.

Hierbei werden von verschiedenen Herstellern folgende Problemlösungen angeboten. Das Gildemeister De Vlieg System beruht auf einer in radialer Richtung verschiebbaren Wendeplattenkassette, auf welcher sich die im Eingriff befindliche Schneidkante der Wendeplatte befindet. Diese Wendeplattenkassette ist auf einem unter Vorspannung stehenden Federnpaket angebracht. Mittels Zentralschraube kann dieses gestaucht oder entspannt werden, somit wird eine zwangsläufige Durchmesserverstellung im erneuten Ausdrehvorgang hervorgerufen. Das Problem hierbei ist, daß die gesamte Radialkraft, die auf die Wendeplatte wirkt, vom Federnpaket aufgenommen werden muß. Die Wendeplatte wird nun aufgrund der "instabilen" Befestigung im Einsatz zu Schwingungen angeregt, die sich sehr negativ auf die Standzeit der oftmals mit Diamant beschichteten Wendeplatte auswirkten.

Ein Nachteil der beiden nachfolgend erwähnten Bohrstangen ist, daß bei der indirekten Durchmesserveränderung an der Bohrstange nach der Probeausdrehoperation immer eine Mikrometeruhr verwendet werden muß. Diese wird auf der Schneide der Wendeplatte "genullt" und während der Wendeplattenverstellung kann die Radiusänderung der Feinverstellbohrstange beobachtet werden. Die Mikrometeruhr wird aber durch kleinste Erschütterungen im 1/1000 mm Bereich sehr stark durch kleinste Erschütterungen beeinflußt. Somit ist ein praktikables Durchmesserverstellen mittels Mikrometeruhr nur sehr schwer möglich.

Von Fa. Gühring wird eine Dehngelenkversion angeboten, welche jedoch nur einen Verstellbereich von wenigen 1/100 mm zuläßt. Der prinzipielle Aufbau ist in Fig. 4 dargestellt. An einer am Grundhalter 42 über einen Steg 43 befestigte Verstelleiste 44 (diese ist durch eine Drahtelektrode vom Grundhalter bis ausschließlich des Steges herauserodiert) kann durch gegenseitige Konterung von zwei Innensechskantschrauben 41 die auf der Verstelleiste befindliche Wendeplatte 2 radial verstellt werden (hierbei ist der Steg Drehpunkt). Der Verstellbereich muß aber größer als der hiermit ermöglichte sein, wegen der aufgeführten eventuell sich ständig ändernden Rundlaufgenauigkeit vom Einstellgerät zur Werkzeugmaschinenspindel. Überdies ist die Durchmessereinstellung durch die beiden gegenseitig gekonterten Innensechskantschrauben sehr aufwendig.

Weiterhin werden Feindrehbohrstangen angeboten, bei welchen sich der nach Einsatz vorhandene Bearbeitungsdurchmesser zwar vergrößern läßt, aber ein Verkleinern des Durchmessers (wenn also der Probeausdrehdurchmesser größer ist als das zu fertigende Nennmaß) nur sehr schwer möglich ist. Grund hierfür ist, daß bei den Einstellsystemen bei der Durchmesserverkleinerung oftmals ein Totgang vorhanden ist. Dieses Problem tritt bei allen Feinverstellbohrstangensystemen auf, bei welchen sich die Wendeplatte auf einer Kassette befindet, welche dann verstellt wird.

Letztendlich werden Systeme angeboten, bei welchen sich in der Bohrstange ein Getriebe befindet, welches durch eine gegenseitige Verdrehung der Bohrstange zum Bohrstangenhalter eine Maßänderung bewirkt. Diese Systeme sind aber sehr kompliziert im Aufbau und sehr teuer.

Mit allen hier aufgeführten Verstellsystemen ist eine Durchmesserbearbeitung unter einem Durchmesser von ca. 13 mm nicht möglich. Grund hierfür ist, daß der Verstellmechanismusmus, welcher entweder in der Bohrstange oder an der Wendeplattenkassette angebracht ist, einen bestimmten Platz in Anspruch nimmt, und somit der Durchmesser auf ein Mindestmaß begrenzt ist.

4. Problem/Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, d. h. es soll ermöglicht werden, daß a) eine Durchmesserkorrektur durch Vergrößerung und Verkleinerung des Bohrstangenbearbeitungsdurchmessers bezüglich des Probeausdrehdurchmessers ohne vorhandenen Totgang verstellt werden kann. b) eine Wahl des zur Verfügung stehenden Einstellbereichs bei der Herstellung, d. h. freie Wahl des Einstellbereichs vom 1/1000 mm-Bereich sowie auch im mm-Bereich der Feinbearbeitungsbohrstange gewählt werden kann. c) in oder an der Bohrstange kein Verstellmechanismus vorhanden ist, d. h. ein minimaler Bearbeitungsdurchmesser, welcher nur von den Wendeplattenabmessungen abhängt, ist gegeben (minimalster Durchmesser ca. 4 mm). d) eine Änderung des Bohrstangenbearbeitungsdurchmessers durch Lösung und Anzug einer einzigen Schraube und unter Anwendung von Handkraft erfolgen kann. e) eine wartungsfreie Ausführung gefertigt werden kann (d. h. kein Verstellmechanismus, der festrosten oder den Spanablauf behindern kann). f) wenn die Anschaffung einmal gemacht ist, eine sehr billige Umrüstung auf verschiedene Feinbearbeitungsdurchmesser ist (Bohrstangenkosten belaufen sich ca. auf 1/10 der Kosten einer herkömmlichen Bohrstange). g) die Zustellmöglichkeit aufgrund von einer auf der Feinbearbeitungsbohrstange vorhandenen Skala erfolgen kann, und somit der Einsatz einer Mikrometeruhr unnötig ist.

5. Technische Lösung

Die herkömmlichen Systeme beruhen fast alle auf einer Änderung des Bohrstangenbearbeitungsdurchmessers durch einen Verstellmechanismus, welcher in oder an der Bohrstange ansetzt. Das Neue an dieser Erfindung ist, daß die gesamte Bohrstange die Durchmesserveränderung mit nachvollzieht, bzw. die gesamt Bohrstange hierzu eine Bewegung ausführt.

Dies wird folgendermaßen umgesetzt. Eine beispielhafte Ausführung ist in Fig. 1 dargestellt. Das Spannfutter 4 ist am maschinenseitigen Ende wie eine gewöhnliche HSK-Aufnahme (genormte Schnittstelle zwischen Maschinenspindel und Werkzeug) gestaltet, und am anderen Ende identisch mit einem normalen Hydrodehnspannfutter 7, welches mit einer Betätigungsschraube 5 ge- und entspannt wird, ausgeführt. (Hier wird in allen Zeichnungen spindelseitig von einer HSK-Aufnahme ausgegangen, die Feinverstellsysteme können jedoch prinzipiell für jede spindelseitig auftretende Anforderung ausgeführt werden.) Zwischen diesen beiden Symmetrieachsen ist die Exzentrizität e1 vorhanden. Ohne diese Exzentrizität e1 kann solch ein Aufbau von jedem Spannmittelhersteller bezogen werden. Die eigentliche Bohrstange 3 ist eine normale durchgehende, abgesetzte Welle, in die ein Spanraum eingenutet ist, und eine Wendeplatte 2 mit der Klemmschraube 1 eingesetzt wird. Die Wendeplatte 2 steht bezüglich des Wellenaußendurchmessers mit der "Exzentrizität" 2e vor. Wird die Spannschraube 5 für das Hydrodehnspannfutter zur Verstellung gelockert (Voraussetzung ist, daß sich die Bohrstange im Hydrodehnspannfutter befindet), läßt sich die eigentliche Bohrstange 3 gegen das Hydrodehnspannfutter 4 definiert nach einer Skalenteilung 6 verdrehen. Durch die gegenseitige Verdrehung ergibt sich durch die Überlagerung der beiden Exzentrizitäten e1 und e2 ein zwangsläufig anderer Bearbeitungsdurchmesser der Wendeplattenschneide 2, da das Gesamtsystem um den HSK 4 im Einsatz in der Werkzeugmaschinenspindel rotiert. Durch die gewählten Exzentrizitäten e1 und e2 kann bestimmt werden, um wieviel sich das Durchmessermaß ändert, wenn eine Skaleneinheit verstellt wird.

Die Vorteile der Exzenterlösung bestehen auch darin, daß eine sehr preisgünstige Fertigung möglich ist. Die eigentliche Bohrstange 3 ist eine gewöhnliche Welle, in welche eine Spannut eingebracht, ein Absatz angeschliffen und ein Wendeplattensitz einerodiert werden muß. Der Absatz kann auch eingespart werden, wenn die einspannseitig plangeschliffene Bohrstange 8 an einer Planfläche im Hydrodehnspannfutter 9 direkt anliegt (irgendwo müssen axial zwei Planflächen aufeinander liegen, damit sich die axiale Wendeplattenlage während der Verstellung nicht ändert). Die HSK-Aufnahme 4 mit integriertem Hydrodehnspannfutter 7 ist kommerziell ohne Exzenter e1 erhältlich. Die Exzentrizität kann einfach hergestellt werden, indem der Hersteller in den fertig bearbeiteten Hydrodehnspanndurchmesser (in welchem später die Bohrstange gespannt wird) eine Welle mit der Exzentrizität e1 einspannt. Am freien Ende muß diese Welle dann in eine Aufnahmeeinrichtung (z. B. Dreibackenspannfutter) einer Schleifmaschine eingebracht werden. Durch zentrische Rotation der eingebrachten Welle rotiert nun das Hydrodehnspannfutter exzentrisch mit der Exzentrizität der exzentrischen Welle. Jetzt kann die HSK-Aufnahme problemlos geschliffen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß ein standardmäßig kommerziell verfügbares Hydrodehnspannfutter mit HSK-Aufnahme 4 incl. 7 (also ohne Exzentrizität) verwendet wird (manche Maschinen haben auch schon hinter dem Spindelausgang direkt eine Hydrodehnspannfutterschnittstelle) und dann eine exzentrische Hülse zwischen dem Hydrodehnspanndurchmesser 7 und der eigentlichen Bohrstange 3 eingelegt wird. Diese Hülse kann entweder eingeklebt oder mit einem Paßstift oder ähnlichem fixiert werden (damit sie sich bezüglich der Skaleneinteilung nicht ändert), weiterhin kann ein Bund vorgesehen werden, in dem dann die Skalenteilung eingebracht wird (somit entfällt die Fixierung im Hydrodehnspannfutter).

Die exzentrische Hülse kann nach Fig. 2 beispielsweise folgendermaßen hergestellt werden. Prinzipiell ist die Fertigungshilfe ein Deckel 20, welcher eine innere Zentrierung 22 und eine äußere Zentrierung 23 hat, welche exzentrisch mit h1 zueinander versetzt sind. Wenn also die Hülse innen fertig geschliffen ist, dann wird den offenen Hülsenseiten hinten und vorne ein solcher Deckel 20 aufgesetzt, wobei beide durch das Flacheisen 21 nicht axial verdreht werden können und dann der Außendurchmesser in den Inneren Zentren zwischen den Spitzen geschliffen. Somit muß nach dem Schleifen die Exzentrizität h1 vorhanden sein. Anschließend wird die Hülse auf herkömmliche Weise axial geschlitzt.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit der Bearbeitungsdurchmessermaßänderung besteht darin, die gesamte Bohrstange nicht achsenparallel zu bewegen, sondern diese zu verkippen, was in Fig. 3 beispielhaft dargestellt ist. Bei allen folgenden Prinzipien, die auf der "schiefen Ebene" beruhen, kann wiederum eine Durchmesserkorrektur ohne Mikrometeruhr, welche an der Wendeplattenschneide angebracht werden müßte, vorgenommen werden. Hierzu ist nur die Skaleneinteilung nötig.

Als spindelseitige Aufnahme dient z. B. eine gewöhnliche HSK-Aufnahme 4, an der an der aus der Spindel herausragenden Seite eine schräge Planfläche 34 angearbeitet ist. Auf dieser Planfläche 34 ist ein konisches Drehteil 33 mit ebenfalls einer schrägen Planfläche 34 durch eine Dehnschraube mit Innensechskant 32 fixiert. Das konische Drehteil 33 beinhaltet auf der oberen Seite ein Gewinde, in welches dann die einschneidige Bohrstange 3 eingeschraubt werden kann. Werden also beide Hauptteile (die HSK-Aufnahme mit Schräge 4 + das konische Drehteil mit Schräge 33) gegeneinander verdreht, so neigt sich die Bohrstange entsprechend der Schräge, und somit wird eine Durchmesserveränderung bewirkt. Die Drehung der beiden Hauptteile gegeneinander erfolgt um den kugeligen Schraubenkopf 35, welcher ein Verdrehen und gleichzeitiges Verkippen auf den Schrägen der Hauptteile (die HSK-Aufnahme mit Schräge 4 + das konische Drehteil mit Schräge 33) zuläßt. Die Dehnschraube ist gewindeseitig fest durch eine Passung 36 im HSK 4 verankert. Typische Winkel α für die Schräge 34 sind im Bereich von ca. einem Grad um dann einen Verstellbereich von 5/10 mm an der Wendeplattenschneide zu erreichen. Der maximale Verkippungswinkel der Bohrstange 3 ist 2α. Das bei der Bearbeitung auftretende Drehmoment auf die Bohrstange 3 wird durch die Reibung zwischen den beiden "Schrägen Planflächen" an den Hauptteilen aufgenommen. Um die Verdrehkraft bei der indirekten Durchmesserverstellung aufzubringen, können am Umfang der beiden Hauptteile Bohrungen vorgesehen werden 37, in denen Hebel eingeführt werden und über diese die gegenseitige Verdrehkraft aufgebracht wird.

Weiterhin ist eine beispielhafte Möglichkeit der gegenseitigen Verdrehungskraftaufbringung in Fig. 5 dargestellt. Anstelle der Bohrungen am Umfang ist am konischen Drehteil 33 eine Verzahnung 51 angebracht, wobei die Bohrungen am Umfang des HSK 4 unverändert bleiben. In diese Bohrungen wird nun ein Hilfswerkzeug eingebracht, das aus einem kleinen Zahnrad 52 besteht, welches über einen Hebel 53 angetrieben werden kann. Die Zähne des kleinen Zahnrades greifen in die Zähne des großen Zahnrades also am Umfang des konischen Drehteils. Das kleine Zahnrad 52 sitzt indirekt auf einem Bolzen 54, der in die Bohrungen des HSK 4 eingreift. Durch eine Schwenkbewegung des Hebels 53 kann nun eine Verdrehbewegung der beiden Hauptteile (die HSK Aufnahme mit Schräge 4 + das konische Drehteil mit Schräge 33) gegeneinander erfolgen. Durch die Verdrehung auf der "schiefen Ebene" erfolgt dann ein Verkippen der Bohrstange und somit ein zwangsläufig anderer Ausdrehdurchmesser im Einsatz.

Weitere Varianten der "schiefen Ebene" sind, daß die zentrale Vorspannkraft, welche zum Zusammenpressen der beiden "schiefen Ebenen" aufgebracht werden muß, nicht über eine Dehnschraube aufgebracht wird, sondern durch a) ein Tellerfedernpaket, b) eine herkömmliche Spiralfederanordnung, c) ein Ölpolster, welches über einen Kolben (der Kolben wird durch ein gewöhnliches Schraubengewinde bewegt), und dieses dann die beiden "schiefen Ebenen" zueinander zentriert und fixiert.

Die schließlich letzte beispielhafte Ausführungsgestaltung ist in Fig. 6 dargestellt. Sie unterscheidet sich von den vorhergehenden dadurch, daß das auf die Bohrstange wirkende Drehmoment im Einsatz nicht durch die Reibung der beiden "schiefen Ebenen" gegeneinander auf die Werkzeugmaschinenspindel übertragen wird, sondern über einen Aufbau ähnlich eines Hydrodehnspannfutters, das dann durch Reibflächen am Umfang der HSK- Aufnahme das Drehfutter überträgt. Maschinenspindelseitig wird wieder eine HSK-Aufnahme 4 vorgesehen, an welcher am anderen Ende eine schiefe Planfläche 61 sich befindet. Am zylindrischen Umfang dieser HSK-Aufnahme ist umlaufend eine Ölnut 62 in gleicher Weise wie beim gewöhnlichen Hydrodehnspannfutter eingebracht. In diese Ölnut 62 wird über einen Kolben 63 Öl eingepumpt, wobei sich dann der zylindrische Umfang erweitert. Auf der schiefen Planfläche 61 der HSK-Aufnahme liegt wiederum ein konisches Drehteil 33 auf. Dieses wird axial durch eine Dehnschraube 32a auf der HSK-Aufnahme 4 fixiert. Am Ende der schiefen Ebene ist am konischen Drehteil 33 ein zylindrischer Durchmesser 65 angebracht, an welchem dann durch Reibung bei aufgepumpter Ölnut 62 (somit wird der zylindrische Außendurchmesser der HSK-Aufnahme größer und dieser preßt sich dann an den zylindrischen Teil des konischen Drehteils 65) das Drehmoment übertragen wird. Durch das Verkippen der HSK-Aufnahme 4 zum konischen Drehteil 33 über die schiefe Ebene ändert sich die Parallelität der zylindrischen Passung 65 der beiden Teile zueinander. Durch die in Grenzen variablen Ölkammern gleicht sich das jedoch aus. Die Bearbeitungsdurchmesserverstellung bezüglich der Skaleneinteilung 6 und die Einbringung der eigentlichen Bohrstange erfolgt analog der oben beschriebenen Systemen. Bei der Verstellung muß jetzt jedoch kein nennenswertes Drehmoment aufgebracht werden, denn es kann die Ölkolbenschraube gelockert und somit die beiden Hauptteile (konisches Drehteil 33 + HSK-Aufnahme 4) gegeneinander nach der Skaleneinteilung mit Handkraft verdreht werden.

Claims (4)

1. Feinverstellsystem für einschneidige Bohrstangen, bestehend aus

• - einer Maschinenspindelschnittstelle,
• - einer Bohrstangenaufnahme,
• - einer Bohrstange, welche mit einem Schneideinsatz bestückbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Bohrstangenbearbeitungsdurchmessers die gesamte Bohrstange eine Bewegung, insbesondere eine Verkippung oder eine Parallelverschiebung, ausführt, die durch gegenseitiges Verdrehen der Bohrstange gegen die Maschinenspindelschnittstelle erzeugt wird, wobei die Verdrehung um eine Achse stattfindet, die annähernd parallel zur Maschinenspindel fluchtet.

2. Feinverstellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelverschiebung der Bohrstange durch eine exzentrisch gefertigte Bohrstangenaufnahme erreicht wird.

3. Feinverstellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkippung der Bohrstange die Maschinenspindelschnittstelle eine schräge Gleitfläche aufweist.