DE2816909C2 - Drilling jig - Google Patents
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bohrlehre für Werkstücke mit niedrigen therm, jehen Ausdehnungskoeffizienten, mit einem an dem zu verbohrenden Werkstück in vorgegebener Lage positionierbaren, an den dem Bohrbild entsprechenden Stellen mit Bohrführungsbuchsen versehenen und aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden Bohrlehrenkörper.The invention relates to a drilling jig for Workpieces with low thermal expansion coefficients, with one to be drilled The workpiece can be positioned in a predetermined position, is provided with drill guide bushes at the points corresponding to the drilling pattern and is made of a fiber composite material.
Bei bekannten Bohrlehren dieser Art (US-PS 29 68 199 und 30 26 749) ist der Bohrlehrenkörper eine maSsive Platte, die aus einem nichtmetallischen Werkstoff, etwa einem weichen oder laminierten Kunststoff, besteht. Wegen ihrer im allgemeinen geringen Formstabilität sind solche Bohrlehren für Anwendungsfälle ungeeignet, wo es — wie etwa im Satellitenbau beim Verbohren von Solarpanels — auf höchste Präzision ankommt und großflächige Bohrbilder mit Bohrlochabständen bis zu 2 m mit äußerst engen Toleranzen von der Bohrlehre auf das Werkstück übertragen werden müssen.In known jigs of this type (US-PS 29 68 199 and 30 26 749) the jig body is a Massive plate made of a non-metallic material, such as a soft or laminated one Plastic. Because of their generally poor dimensional stability, such drilling jigs are for Unsuitable applications where it - such as in satellite construction when drilling solar panels - on maximum precision is important and large-area drilling patterns with drill hole spacings of up to 2 m with extremely narrow Tolerances must be transferred from the drilling jig to the workpiece.
In diesen Fällen wird daher der Bohrlehrenkörper üblicherweise als formstabile, massive Metall-, insbesondere Aluminiumplatte gefertigt, womit zwar ein wesentlich höheres Eigengewicht der Bohrlehre in Kauf genommen werden muß, die Maßabweichungen für die erwähnten Bohrbildabmessungen immerhin aber den geforderten Toleranzgrenzen deutlich näher gebracht werden.In these cases, the drilling jig body is therefore usually manufactured as a dimensionally stable, solid metal, in particular aluminum, plate, whereby a Much higher dead weight of the drilling jig must be accepted, the dimensional deviations for the However, the drilling pattern dimensions mentioned have been brought much closer to the required tolerance limits will.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Bohrlehre zu schaffen, mit der die Bohrbildgenauigkeit auch gegenüber den bekannten Aluminium-Bohrplatten nochmals erheblich gesteigert wird und deren Eigengewicht dennoch kleiner als das aller bekannten Bohrlehren ist.The object of the invention is to create a drilling jig with which the drilling pattern accuracy even compared to the known aluminum drilling plates is increased significantly and its dead weight is still smaller than that of all known drilling jigs.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Bohrlehre der beanspruchten Art dadurch gelöst, daßAccording to the invention, this object is achieved in a drilling jig of the type claimed in that der Bohrlehrenkörper in Sandwichbauweise mit oberen und unteren, die Führungsbuchsen fixierenden Deckschichten ausgebildet ist, die aus Faserverbundwerkstoff mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, und zwischen den Deckschichten ein spezifisch leichter Stützstoff angeordnet istthe drilling jig body is designed in a sandwich construction with upper and lower cover layers which fix the guide bushes and which are made of fiber composite material exist with a low coefficient of thermal expansion, and a specifically light support material is arranged between the cover layers
Bei der erfindungsgemäßen Bohrlehre wird durch die beanspruchte Ausbildung des Bohrlehrenkörpers als leichtgewichtiges Faserverbundwerkstoff-Sandwich-In the drilling jig according to the invention, the claimed design of the drilling jig body is as lightweight fiber composite sandwich Bauteil einerseits eine einfache, gefahrlose Handhabung garantiert und das Eigengewicht um mehr als den Faktor 10 gegenüber den vergleichbaren Präzisions-Bohrlehren aus Aluminium verringert und andererseits sichergestellt, daß sich die beim Bohren selbst bei einerComponent on the one hand a simple, safe handling guaranteed and the dead weight reduced by more than a factor of 10 compared to the comparable precision drilling jigs made of aluminum and on the other hand ensures that the drilling itself with a
is Raumklimatisierung unvermeidbar auftretenden Temperaturschwankungen kaum auf die Toleranz des Bohrbildes auswirken. So lassen sich mit der erfindungsgemäßen Bohrlehre bei Bohrbildabmessungen bis zu 2 m Werkstücke aus Titan, Invar oder einem enderen, imis room air conditioning unavoidable temperature fluctuations hardly affect the tolerance of the Affect the drilling pattern. With the drilling jig according to the invention, drilling pattern dimensions of up to 2 m workpieces made of titanium, Invar or another, im Satellitenbau verwendeten Werkstoff ähnlich niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizientens mit einer Bohrbildgenauigkeit von ±0,2 mm verbohren, während mit den üblichen Aluminium-Bohrlehren immer noch mehr als doppelt so große Sollmaßabweichungen in KaufSatellite construction used material similarly low Bore thermal expansion coefficient with a drilling pattern accuracy of ± 0.2 mm, while with the With the usual aluminum drilling jigs, deviations from nominal dimensions that are more than twice as large are still acceptable genommen werden müssen.must be taken.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung haben die Deckschichten vorzugsweise eine sich unter 90° kreuzende Faseranordnung, wodurch mit einer geringstmöglichen Anzahl von Faserlagen ein isotropesIn a further advantageous embodiment of the invention, the cover layers preferably have one underneath 90 ° crossing fiber arrangement, whereby an isotropic one with the smallest possible number of fiber layers
Wärmeausdehnungsverhalten des Bohrlehrenkörpers erzielt wird.Thermal expansion behavior of the jig body is achieved.
In besonders bevorzugter Weise sind ferner die Deckschichten mit Carbonfasern verstärkt, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des carbonfaserIn a particularly preferred manner, the cover layers are also reinforced with carbon fibers, the thermal expansion coefficient of carbon fiber verstärkten Kunststoffes etwa auf den Mittelwert der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbohrenden Werkstücke gelegt wird, wodurch es möglich ist, mit ein und derselben Bohrlehre wahlweise Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich entweder Titanreinforced plastic roughly to the mean value of thermal expansion coefficient of the workpieces to be drilled, which makes it possible with one and the same drilling jig, optionally components made of different materials, namely either titanium oder Invar oder einem Werkstoff -sit noch niedrigerem Wärmeausdehungskoeffizienten, mit hoher Bohrbildgenauigkeit zu verbohren. In disem Fall sind die Carbonfasern zweckmäßigerweise vom hochfesten Typ, für den auch die fachspezifische Bezeichnung »High-or Invar or a material with an even lower coefficient of thermal expansion to drill with high drilling accuracy. In this case they are Carbon fibers are expediently of the high-strength type, for which the technical term »high-
*5 Tensile-Typ« verwendet wird.* 5 Tensile type «is used.
Vorzugsweise ist der Stützstoff im Bereich der Führungsbuchsen durch massive Füllstücke aus dem gleichen Material wie die Deckschichten ersetzt, so daß der Bohrlehrenkörper an den Führungsbuchsen eineThe support material in the area of the guide bushes is preferably made of solid filler pieces the same material as the cover layers replaced, so that the drilling jig body on the guide bushes a
so örtlich höhere 'festigkeit erhält ohne daß beim Verkleben der Deckschichten Wärmespannungen im Bereich der Füllstücke auftreten.so locally higher 'strength is obtained without the Bonding of the cover layers, thermal stresses occur in the area of the filler pieces.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näherThe invention will now be described in greater detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawing erläutert. Es zeigtexplained. It shows
F i g. 1 die Aufsicht einer Bohrlehre nach der Erfindung in schematischer Darstellung; und F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der F i g. 1. Gemäß Fig. 1 und 2 enthält die Bohrlehre 2 einen plattenförmigen Bohrlehrenkörper 4 in Sandwich-Bauweise mit oberen und unteren Deckschichten 6, 8, zwischen die über einen Folienkleber 10 ein Stützstoff 12 eingeklebt ist. Die Deckschichten 6, 8 bestehen aus Faserverbundwerkstoff und sind aus Gründen eines isotropen thermischen Wärmedehnungsverhaltens aus zwei sich unter 90° kreuzenden Faserlagen aufgebaut, wie dies in F i g. 1 durch die Kreuzschraffur schematisch dargestellt ist, während der Stützstoff 12 durch einenF i g. 1 is a top view of a drilling jig according to the invention in a schematic representation; and F i g. 2 shows a section along line 2-2 of FIG. 1. According to FIGS. 1 and 2, the drilling jig 2 contains a plate-shaped drilling jig body 4 in a sandwich construction with upper and lower cover layers 6, 8, between the over a film adhesive 10 a support material 12 is glued in place. The cover layers 6, 8 consist of fiber composite material and are for reasons of one isotropic thermal expansion behavior made up of two fiber layers crossing at 90 °, as shown in FIG. 1 is shown schematically by the cross hatching, while the support material 12 by a
Aluminium-Waben-Kern gebildet wird, der ein äußerst geringes Gewicht von z. B. 160 N/m3 aufweistAluminum honeycomb core is formed, which has an extremely low weight of e.g. B. 160 N / m 3
An den dem Bohrbild entsprechenden Stellen ist die Sandwich-Platte 4 mit Durchgangsbohrungen 14Λ bis 14£ versehen, in die Bohrführungsbuchsen 16Λ bis 16£ auswechselbar eingesetzt, z. B. eingepreßt sind, so daß sie bei einem Verschleiß in einfacher Weise erneuert werden können. Sie bestehen aus Metall und ihre innere Paßbohrung 18 ist zur Oberseite des Bohrlehrenkörpers 4 hin erweitert.At the points corresponding to the drilling pattern, the sandwich plate 4 is provided with through holes 14 to 14 £ , inserted into the drill guide bushes 16Λ to 16 £ interchangeably, for. B. are pressed in so that they can be easily replaced when worn. They are made of metal and their inner fitting bore 18 is widened to the Obe r side of the drilling jig body 4.
Zusätzlich ist der Bohrlehrenkörper 4 noch von Bezugsbohrungen 20/t und 2OS durchsetzt, die dazu diensn, die Bohrlehre 2 z. B. über Paßstifte in vorgegebener Lage an dem zu verbohrenden Werkstück (nicht gezeigt) zu positionieren. Zur leichteren Handhabung vor allem von großflächigen Bohrlehren 2 sind am Außenrand des Bohrlehrenkörpers 4 Handgriffe 22 befestigtIn addition, the drilling jig body 4 is penetrated by reference bores 20 / t and 2OS, which for this purpose diensn, the drilling jig 2 z. B. on dowel pins in predetermined position on the workpiece to be drilled (not shown). For the easier Handling especially of large-area drilling jigs 2 are 4 handles on the outer edge of the drilling jig body 22 attached
Zur örtlichen Verstärkung des Bohrlehrenkörpers 4 und zur besseren Fixierung der Führungsbuchsen 16Λ bis 16£ sind im Bereich der Bohrungen 14, 20 anstelle des Stützstoffes 12 zwischen den Deckschichten 6. 8 massive, in Fig. 1 in gestrichelten Linien gezeigte Füllstücke 24 eingeklebt, die aus dem gleichen Faserverbundwerkstoff wie die Deckschichten 6, 8 bestehen, um thermische Spannungen beim Verkleben der Sandwichplatte 4 zu vermeiden.For local reinforcement of the drilling jig body 4 and for better fixation of the guide bushes 16Λ to 16 £ , massive filler pieces 24, shown in broken lines in FIG. 1, are glued in the area of the bores 14, 20 instead of the support material 12 between the cover layers 6. consist of the same fiber composite material as the cover layers 6, 8 in order to avoid thermal stresses when the sandwich panel 4 is glued.
Als Verstärkungsfasern für die Deckschichten 6,8 und die Füllstücke 24 werden Glas- und vorzugsweise Carbonfasern mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gewählt, der möglichst genau mit dem der zu verbohrenden Werkstücke übereinstimmt. Das Bohrbildmuster in Form der Bohrungen 14 wird Li die Sandwichplatte 4 etwa bei der gleichen Raumtemperatur eingearbeitet bei der später dann auch die Werkstücke mit der Bohrlehre 2 verbohrt werden. Da die Bohrlehre 2 und das zu verbohrende Werkstück in etwa gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, ergeben die selbst bei einer Raumklimatisierung unvermeidbaren Temperaturschwankungen und die beim Verbohren des Werkstücks entstehende Zerspanungswärme nur allenfalls geringfügige Snllmaßabweichungeu, so daß es möglich ist, bei der Übertragung auch großflächiger Bohrbilder enge Toleranzen einzuhalten. As reinforcing fibers for the outer layers 6, 8 and the filler pieces 24 are glass and preferably carbon fibers with a low coefficient of thermal expansion chosen that corresponds as closely as possible to that of the workpieces to be drilled. The drilling pattern in the form of the holes 14 is Li the sandwich panel 4 at approximately the same room temperature incorporated in which later the workpieces are also drilled with the drilling jig 2. There the drilling jig 2 and the workpiece to be drilled have approximately the same coefficient of thermal expansion, result in the unavoidable temperature fluctuations and the machining heat generated when the workpiece is bored, only slight deviations in size, if any, so that it is possible to maintain tight tolerances when transferring large-area drilling patterns.
Bei entsprechender Wahl der Verstärkungsfasern können mit ein und derselben Bohrlehre 2 auch Werkstücke aus unterschiedlichen Werkstoffen mii hoher Genauigkeit verbohrt werden, z. B. großflächige Satellitenbauteile aus Titan (thermischer Ausdehnungskoeffizient α ca. 11 · lO-6m/mK), Invar (λ ca. I^ · 10-' iti/mK), oder Panels für Solargeneratoren, die aus Faserverbundwerkstoff mit Carbon-Verstärkungsfasern hoher Dehnsteifigkeit (High-Modulus-Typ, λ ca. 1 · 10-*m/mK) bestehen. In diesem Fall werden die Verstärkungsfasern für den Bohrlehrenkörper 4 so gewählt, daß ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient etwa auf dem Mittelwert der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der mit der Bohrlehre 2 zu verbohrenden Werkstücke liegt also für die drei genannten Werkstoffe als VerstS'-kungsfasern für die Deckschichten 6, 8 und die Füllstuoke 24 Carbonfasern vom hochfesten Typ (High-Tensile-Typ) verwendet (/% ca. 6 · 10-6m/mK). Bei einer Größe der Bohrlehre 2 von 1,5 mal 2 m und Temperaturschwankungen beim Verbohren des Werkstückes von ±2° C ist dabei die Bohlbildtoleranz für Werkstücke, deren Wärmeausdehnungskoeffizient inntrhalb der Bandbreite der drei genannten Werkstoffe liegt kleiner als ±0,2 mm, nämlich für Titan-Bauteile ca. ±0,15 mm, für Invar-Bauteile ca. ±0,05 mm und für Panels aus carbonfaserverstärktem Kunststoff vom High-Modulus-Typ ca. ±0,06 mm.With an appropriate selection of the reinforcing fibers, one and the same drilling jig 2 can also be used to drill workpieces made of different materials with high accuracy, e.g. B. large satellite components made of titanium (thermal expansion coefficient of about α 11 x lO 6 m / mK), Invar (λ approx I ^ · 10 ~ iti / mK), or panels for solar generators, consisting of a fiber composite material with carbon reinforcing fibers high tensile rigidity (high modulus type, λ approx. 1 · 10- * m / mK). In this case, the reinforcing fibers for the drilling jig body 4 are chosen so that their coefficient of thermal expansion is approximately the mean value of the thermal expansion coefficients of the workpieces to be drilled with the drilling jig 2, i.e. for the three materials mentioned as reinforcing fibers for the cover layers 6, 8 and the Füllstuoke used 24 carbon fiber of high solid type (high-tensile type) (/% about 6 × 10 -6 m / mK). With a size of the drilling jig 2 of 1.5 by 2 m and temperature fluctuations when drilling the workpiece of ± 2 ° C, the drilling pattern tolerance for workpieces with a coefficient of thermal expansion within the range of the three materials mentioned is less than ± 0.2 mm, namely for titanium components approx. ± 0.15 mm, for Invar components approx. ± 0.05 mm and for panels made of carbon fiber reinforced plastic of the high modulus type approx. ± 0.06 mm.
Zugleich hat die Bohrlehre 2 ein äußerst geringes Gewicht und wiegt z. B. bei einer Flächengröße von 3,5 m2 ca. 100 N, wodurch sie gefahrlos und einfach von zwei Personen gehandhabt werden kann, während eine vergleichbare Aluminium-Bohrschablone etwa 750 N wiegt.At the same time, the drilling jig 2 is extremely light and weighs z. B. with an area size of 3.5 m 2 approx. 100 N, which makes it safe and easy to handle by two people, while a comparable aluminum drilling template weighs about 750 N.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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