DE3640254A1 - Werkzeughalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halter für Werk­ zeuge zum Bohren und insbesondere dann auch zum Gewinde­ bohren nach dem Schwing-Schneidverfahren der bei Bohr­ maschinen, Gewindebohrmaschinen und dann auch bei Bearbeitungszentren eingesetzt werden kann.

Nach dem bekannten Stand der Technik auf diesem Gebiet ist die Schneidbearbeitung nicht sanft (weich) genug um bei der Bearbeitung des Werkstückes anfallenden Metallstaub einwandfrei abzuführen. Auch der Schneid­ stahl ist aufgrund des dem zu bearbeitenden Werkstück in der Regel eigenen hohen Bearbeitungswiderstandes (Festigkeit) der Bruchgefahr ausgesetzt. Im Hinblick darauf wirft das Bohren und dann auch das Gewindebohren nach wie vor Probleme auf, und zwar insbesondere bei vergleichsweise kleinem Durchmesser der zu erstellenden Bohrungen.

Zur Behebung der angesprochenen Probleme sind eine Reihe von Untersuchungen und Versuchen angestellt worden. Dabei ist dann auch ein sich Schwingungen zunutze machendes Bohr- und Schneidverfahren entwickelt worden, das nach dem derzeitigen Stand der Technik als das effektivste auf diesem Gebiet zu beurteilen ist. Unter dem sogenannten Schwingschneiden versteht man ein Bohr- und Schneid­ verfahren bei dem dem Bohr- bzw. Schneidstahl oder aber dem Werkstück während des Bohrens eine starke Schwingung vermittelt wird. Die dem Bearbeitungswerkzeug oder dem zu bearbeitenden Werkstück vermittelten Schwingungen vermindern zum einen dem Werkstück innewohnenden Wider­ stand beim Schneiden, zum anderen resultiert daraus eine verbesserte Abführung des anfallenden Schneidstaubes. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß beim Bohren und Schneiden die Ausbildung eines Grads entfällt. Auch einen nur kleinen Durchmesser aufweisende Bohrungen lassen sich auf diese Weise problemlos herstellen. Zur Realisierung des Schwing-Schneidverfahrens sind eine ganze Reihe von Bohr- und Schneidmaschinen sowie von Bestandteil solcher Maschinen bildenden Werkzeughaltern entwickelt worden.

Nach dem bekannten Stand der Technik ist überwiegend vorgesehen, daß der Schneidstahl dreht (rotiert) während dem zu bearbeitenden Werkstück mittels eines gesonderten Antriebes zusätzlich eine Schwingbewegung vermittelt wird. Solche Vorrichtungen sind einerseits vergleichs­ weise kompliziert, andererseits bauen sie vergleichsweise groß. Es ist zwar dann auch schon ein System entwickelt worden, das nur eine Antriebsquelle verwendet, die dem Schneidstahl einerseits seine Drehbewegung und anderer­ seits dann auch eine Schwingbewegung vermittelt, die hierbei erhaltenen Bewegungen sind aber nicht so sanft bzw. weich, wie das erwünscht ist. Hierbei liegen dann auch die Schwingbewegung (Frequenz) einerseits und die Rotationsbewegung (Drehzahl) andererseits, was ihre Größe betrifft, dicht beieinander. Daraus resultiert, daß sich der im Prinzip erzielbare, auf eine dem Werk­ zeug vermittelte Schwingbewegung zurückzuführende gewünschte Effekt auch nicht annähernd einstellen läßt. Entsprechende Vorrichtungen sind dann auch praktisch nicht im Einsatz.

Vor diesem Hintergrund sind bei der Verfahrensweise des Schwingschneidens, bei der die Schwingung dem Werkzeug vermittelt wird, auftretende Probleme eingehend unter­ sucht worden und die Theorie des Schwingschneidens ist dann auch vertieft worden. An die Untersuchungen haben sich praktische Erprobungen angeschlossen. Ergebnis der Untersuchungen und Erprobungen ist ein Werkzeughalter für das Bohren und dann auch für das Gewindebohren auf der Basis des Schwingschneidens, bei dem dem Werkzeug Schwingungen vermittelt werden, mit dessen Einsatz, das heißt mit dessen Zuordnung zu Bohrmaschinen und gegebenen­ falls dann auch zu einem Maschinenzentrum, die im Voraus­ gehenden angesprochenen, beim Schwingschneiden auftreten­ den Probleme sich nicht mehr einstellen.

Der angestrebte Erfolg wird mit einem Werkzeughalter erzielt, der entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgestaltet ist.

Aus der erfindungsgemäßen Konstruktion ergibt sich bei ein und demselben Antrieb sowohl für die Vermittlung des erforderlichen Drehmoments für die das Spannfutter für den Schneidstahl tragende Abgangswelle als auch für die Vermittlung der gewünschten, sich in Zusammenhang mit dem Bohren, insbesondere mit dem Bohren von Gewindelöchern als vorteilhaft erweisenden Schwingbewegung für den Schneidstahl eine Differenzierung der Schwingbewegung (Frequenz) und der Rotationsbewegung (Drehzahl) der Größe nach dergestalt, daß bei der vom Antrieb vorgegebenen Eingangsdrehzahl entsprechender Schwingungsfrequenz die das Spannfutter tragende Abgangswelle und damit der Schneidstahl mit einer wesentlich niedrigeren Drehzahl dreht, woraus erst die der das Drehen überlagernden Schwingung zugeschriebenen Vorteile in vollem Umfang wirksam werden.

Ausgestaltungen der Erfindung, die auf die Zuordnung des neuen Werkzeughalters zu einem Bearbeitungszentrum einer­ seits und zu einer reversierbaren Bohrmaschine anderer­ seits abheben, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von dargestellten Ausführungsbeispielen weitergehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Werk­ zeughalter nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine abge­ wandelte Ausführungsform des Werk­ zeughalters,

Fig. 3 erfindungswesentliche Bestandteile des Werkzeughalters in Fig. 1 in Spreng­ darstellung, in schaubildlicher Dar­ stellung.

Die Ausführungsform des Werkzeughalters nach Fig. 1 ist für den Einsatz in Bearbeitungszentren vorgesehen. Mit 1 ist die sich in der Längsachse des Gehäuses 2 indas Gehäuse 2 hinein erstreckende Eingangswelle bezeichnet. Die Ein­ gangswelle 1 ist mit der Abgangswelle 3 eines Bearbeitungs­ zentrums verbunden und dreht sich mit der Bestandteil des Bearbeitungszentrums bildenden Welle 3.

Im Gehäuse 2 ist der Welle 1 ein Drehzahlminderer 4 nach Art einer Rutschkupplung zugeordnet, die aus einer auf der Welle 1 sitzenden Nabe 5, einer flexiblen Manschette (Zwischenlage) 6, einem Außenring 7 und einem die Manschet­ te 6 fixierenden, mit dem Gehäuse 2 verbundenen Ring 8 besteht. Die dann auch die Funktion eines Schwingerregers erfüllende Nabe 5 des Drehzahlminderers 4 bildet den Ein­ gang, den dem Drehstahl seine Drehbewegung vermittelnden Abgang bildet der Außenring 7. Grundsätzlich möglich ist es auch, den Abgang über die flexible Manschette 6 vorzu­ sehen.

Mit 9 ist ein im Gehäuse befindlicher Rotationskörper bezeichnet, der einerseits mit dem Außenring 7 des Dreh­ zahlminderers 4 verbunden ist und der andererseits auf der vom Drehzahlminderer 4 abgekehrten Seite mit einer koaxial zur Eingangswelle 1 positionierten Gewindeaufnahme 10 ver­ sehen ist. Während bei reinen Bohrvorgängen die Steigung des Gewindes dieser Aufnahme 10 keine Rolle spielt, erweist es sich beim Gewindebohren als vorteilhaft, wenn die Stei­ gung mit der Steigung des zu schneidenden Gewindes über­ einstimmt. In die Gewindeaufnahme 10 ist die aus dem Ge­ häuse 2 herausragende, das Spannfutter 32 für den Schneid­ stahl tragende Abgangswelle 11 geschraubt.

In dem dem Außenring 7 des Drehzahlminderers 4 zugeordneten Rotationskörper 9 ist eine an beiden Enden mit Kurbelarmen 13 und 14 versehene Kurbelwelle 12 exzentrisch zur Eingangs­ welle 1 drehend gelagert. Der Kurbelarm 13 ist mit der Bestandteil des Drehzahlminderers 4 bildenden Nabe 5 ver­ bunden, der Kurbelarm 14 mittelbar mit der Abgangswelle 11 für das Spannfutter 32. Konkret ist der Kurbelarm 13 mit einer senkrecht zur Kurbelwelle 12 verlaufenden Kulisse (Führung) 15 versehen, in der sich ein Kulissenstein 17 führt, der in einer Bohrung einen exzentrischen von der Bestandteil des Drehzahlminderers 4 bildenden Nabe aus­ gehenden Nocken 16 aufnimmt. Bei drehender Welle 1 und dementsprechend drehender Nabe 5 ist der Kulissenstein 17 sowohl einer Umlaufbewegung als auch einer Gleitbewegung in der Kulisse 15 unterworfen. Daraus resultiert ein Schwingen des Kurbelarmes 13, wobei sich die Amplitude der Schwingung aus dem Versatz des Nockens 16 gegenüber der Welle 1 bzw. der Nabe 5 ergibt. Der Kurbelarm 14 am gegen­ überliegenden Ende der Welle 12 ist mit einem mit Bezug auf die Welle 12 und dann sich mit Bezug auf die Abgangs­ welle 11 für das Spannfutter 32 exzentrischen Nocken 18 versehen, der im übrigen auch gegenüber dem mit dem sich im Kurbelarm 13 führenden Kulissenstein 17 in Wechselwirkung tretenden Nocken 16 der Bestandteil des Drehzahlminderers 4 bildenden Nabe 5 versetzt ist. Eine koaxial zur Eingangs­ welle 1 und dann auch zur das Spannfutter 32 tragenden Abgangswelle 11 verlaufende Zwischenwelle 20 ist ausgangs­ seitig im Rotationskörper 9 drehbeweglich gelagert, und über Kopf mit einer Kulisse 21 versehen, in der sich der Nocken 18 des Kurbelarmes 14 über einen Kulissenstein 19 führt. Die der Kurbelwelle 12 über den Kurbelarm 13 ver­ mittelte Schwingung überträgt sich auf den Kurbelarm 14 und der mit dem Kulissenstein 19 versehene Nocken 18 gelei­ tet dementsprechend in der Bestandteil der Zwischenwelle 20 bildenden Kulisse, der Zwischenwelle 20, die gewünschte Schwingung vermittelnd.

Abgangsseitig ist die Zwischenwelle 20 mit der das Spann­ futter 32 tragenden Abgangswelle in der Weise verbunden, daß ein von der Zwischenwelle 20 ausgehender Zapfen 23 sich formschlüssig in eine axiale Ausnehmung 22 in der Abgangswelle 11, in der Ausnehmung verschieblich einfügt.

Bei drehender Eingangswelle 1 dreht sich der mit dem Außen­ ring 7 des Drehzahlminderers 4 verbundene Rotationskörper 9 mit entsprechend der Einstellung des Drehzahlminderers 4 ver­ minderter Drehzahl, die durchden Rotationskörper 9 auf die das Spannfutter 32 tragende Abgangswelle 11 übertragen wird. Gleichzeitig dreht die auf der Welle 1 sitzende Nabe 5 des Drehzahlminderers 4 mit unverminderter Drehzahl entspre­ chend der Drehzahl der Abgangswelle 3 des Bearbeitungs­ zentrums und ruft Schwingungen dementsprechend hoher Frequenz über den sich zwischen dem Drehzahlminderer 4 und der das Spannfutter 32 tragenden Abgangswelle 11 erstrek­ kenden Kurbeltrieb an der Abgangswelle 11 und damit letzt­ lich am in das Spannfutter 32 eingespannten Schneidstahl. hervor. Auf diese Weise wird also mit ein und demselben Antrieb dem Schneidstahl eine Drehzahl vermittelt, die niedriger ist als die Drehzahl der Abgangswelle 3 des Bearbeitungszentrums und andererseits eine Schwingung ver­ gleichsweise hoher Frequenz entsprechend der Drehzahl der Abgangswelle 3 des Bearbeitungszentrums, wobei die Schwin­ gungsrichtung sich an der Steigung in der Gewindeaufnahme 10 für die das Spannfutter 32 tragende Abgangswelle 11 orientiert.

Mit 24 ist ein Griffstück zur Handhabung des Werkzeug­ halters bezeichnet, 25, 26 und 27 bezeichnen Bestandteile des Werkzeughalters gegenüber dem Gehäuse 2 bzw. gegenüber dem Rotationskörper 9 festlegende Muttern, 28 und 29 bezeichnen Kugellager, in denen die Eingangswelle 1 im Gehäuse 2 ge­ lagert ist, 30 und 31 bezeichnen das Gehäuse 2 nach außen abdichtende Dichtungen. Mit 33 ist ein vom Gehäuse 2 aus­ gehender Anschlag bezeichnet, der bei dem Bearbeitungs­ zentrum zugeordnetem Werkzeughalter gegen ein Widerlager 34 am Bearbeitungszentrum auflaufend ein Mitlaufen des Ge­ häuses 2 unterbindet.

Wird der Werkzeughalter der im Vorausgehenden beschriebenen Bauweise zur Herstellung von Gewindebohrungen eingesetzt, wird die Steigung der Gewindeaufnahme 10 für die Abgangs­ welle 11 entsprechend der Steigung des Gewindes gewählt, das hergestellt werden soll. Daraus resultiert, daß der in das Spannfutter 32 eingespannte Schneidstahl mit Bezug auf die Eingangsdrehzahl reduzierter Drehzahl dreht und gleichzeitig mit einer Frequenz entsprechend der Eingangs­ drehzahl schwingt, und zwar in einer Ebene, die entspre­ chend der Steigung des Gewindes der Gewindeaufnahme 10 entsprechend dem zu schneidenden Gewinde verläuft. Ist lediglich ein reiner Bohrvorgang vorgesehen, sind die Vor­ gaben bezüglich verminderter Drehzahl des Schneidstahls bei vergleichsweise hoher Schwingungsfrequenz entsprechend der Eingangsdrehzahl ebenfalls erfüllt. In diesem Fall bedarf es jedoch keiner Orientierung der Schwingungsebene.

Die in Fig. 2 dargestellte abgewandelte Ausführungsform des Werkzeughalters ist für den Einsatz bei Bohrmaschinen vorgesehen. Das Grundprinzip des Werkzeughalters ist unver­ ändert beibehalten und entspricht dem an dem Werkzeughalter in Fig. 1 verwirklichtem Prinzip. Mit Bestandteilen des Werkzeughalters in Fig. 1 übereinstimmende Bestandteile des Werkzeughalters in Fig. 2 sind mit den gleichen Bezugs­ ziffern versehen, insoweit wird dann auch auf eine nochmali­ ge detaillierte Beschreibung verzichtet. Im folgenden sind folglich nur von der Konstruktion in Fig. 1 abweichende Teile des Werkzeughalters beschrieben und in ihrer Wir­ kungsweise erläutert.

Die Eingangswelle 1 des Werkzeughalters ist bzw. wird un­ mittelbar oder mittelbar verbunden mit dem Antrieb 36 der Bohrmaschine 39, sie übernimmt die vom Motor 36 vermittelte Drehbewegung. Die Abgangswelle 11 ist dem im Gehäuse 2 befindlichen Rotationskörper 9 um ihre Achse drehbar und in der Flucht ihrer Achse verlagerbar zugeordnet, sie ragt aus dem Gehäuse 2 heraus und trägt das Spannfutter 32 für den Schneidstahl. Abgangsseitig ist dem Gehäuse 2 eine Gewindeaufnahme 32 zugeordnet, mit der die mit einem ent­ sprechenden Außengewinde versehene Abgangswelle 11 in Wechselwirkung steht.

Bei angetriebener Eingangswelle 1 dreht der Rotationskörper 9 im Gehäuse 2 über den Drehzahlminderer 4 mit der Ein­ gangswelle 1 verbunden mit mit Bezug auf die Eingangsdreh­ zahl reduzierter Drehzahl. Die Drehbewegung des Rotations­ körpers 9 bewirkt das Drehen der Abgangswelle 11 entspre­ chend der in Fig. 1 erläuterten Weise über den Kurbeltrieb 12, 13, 14 sowie die Zwischenwelle 20. Der Gewindeeingriff der abgangsseitigen Welle 11 mit der abgangsseitigen Gewin­ deaufnahme 37 bewirkt je nach Drehrichtung ein Ausfahren der am freien Ende das Spannfutter 32 für den Schneid­ stahl tragenden Abgangswelle 11 aus dem Gehäuse 2 oder aber deren Zurückfahren in das Gehäuse. Überlagert wird die durch den vorgeschalteten Drehzahlminderer 4 mit Bezug auf die Eingangsdrehzahl erfolgende Drehung der abgangsseitigen Welle 11 verminderter Drehzahl durch Schwingungen einer der Eingangsdrehzahl entsprechenden Frequenz, wie bei dem Werkzeughalter nach Fig. 1 beschrieben, hervorgerufen durch den integrierten Schwingungserzeuger 5 in Verbin­ dung mit dem die von der Eingangswelle herrührende Dreh­ bewegung auf die Abgangswelle 11 übertragenden Kurbeltrieb. Dementsprechend fährt die Abgangswelle 11 bei entspre­ chendem Drehsinn des Bohrmaschinenmotors 36 bei verminder­ ter Drehzahl aus und nach dem Umschalten des Antriebs in entsprechender Weise dann auch wieder ein. Überlagert wird die Drehbewegung der Abgangswelle 11 und damit dann auch des Spannfutters 32 mit dem Schneidstahl durch die zusätz­ lich hervorgerufene Schwingbewegung, wobei die Ebene der Schwingungen sich nach der Steigung der Gewindeaufnahme 37 bestimmt.

38 bezeichnet einen in Wechselwirkung mit dem Maschinen­ ständer 39 der Bohrmaschine tretenden Anschlag, der ein Mitlaufen des Gehäuses 2 des Werkzeughalters unterbindet.

Auch in diesem Fall ist es so, daß die Schwingungsebene nur dann eine Rolle spielt, wenn eine Gewindebohrung bzw. ein Gewindeschneiden vorgesehen ist. Beim reinen Bohren spielt das keine Rolle.

Die reversierende Bewegung der Abgangswelle 11 im Gehäuse 2 wird tunlichst begrenzt, beispielsweise durch End­ schalter.

In der englischen Fassung der Basisanmeldung ist zum Dreh­ zahlminderer 4 ausgeführt, daß es sich dabei um einen flex-mesh-Typ handelt, der eine Dreischichtstruktur auf­ weist und aus dem Schwingungserzeuger 5, einer flexiblen Manschette (spline) 6 und aus einem Außenring (circular spline) 7 besteht, der dann auch als harmonisches Ge­ triebe (harmonic drive) bezeichnet wird.

Claims (3)

1. Werkzeughalter für Werkzeuge zum Bohren, insbesondere zum Gewindebohren, nach dem Schwing-Schneidverfahren, bestehend aus einem Gehäuse, einer an den Abgang einer Bohrmaschine oder an einen Abgang eines Bear­ beitungszentrums anschließbaren Eingangswelle, einem in dem Gehäuse befindlichen Getriebe und einer das Spannfutter für den Schneidstahl tragenden Abgangs­ welle, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswelle (1) im Gehäuse (2) ein Drehzahlminderer (4) in Gestalt einer auf der Welle (1) sitzenden Nabe (5), einer diese umgebenden flexible Manschette (6) und einem diesen umgebenden Außenring (7) zugeordnet ist, wobei ent­ weder die Manschette (6) oder der Außenring (7) mit dem Gehäuse (2) verbunden ist, von denen das nicht mit dem Gehäuse (2) verbundene Teil den Abgang bil­ det, und das sich an die Eingangswelle (1) anschlies­ sende Getriebeteil von einem Rotationskörper (9) gebildet wird, der mit dem Abgang (6 oder 7) des Drehzahlminderers (4) verbunden ist, an den (9) die abgangsseitige, das Spannfutter (32) für den Schneid­ stahl tragende Welle (11) angeschlossen ist, wobei in dem Rotationskörper (9) eine exzentrisch um die Eingangswelle (1) und die damit fluchtende Abgangs­ welle (11) drehende Kurbelwelle (12) gelagert ist, deren an beiden Enden vorgesehene Kurbelarme (13 und 14) einerseits (13) exzentrisch an die Bestand­ teil des Drehzahlminderers (4) bildende Nabe (5) und andererseits (14) exzentrisch an das gehäuse­ seitige Ende der Abgangswelle (11) eine Bewegung der Kurbelwelle (12) senkrecht zur Eingangswelle (1) und zur Abgangswelle (11) zulassend angeschlossen sind wobei die jeweiligen Achsen dieser Anschlüsse gegen­ einander versetzt sind.

2. Werkzeughalter für Bearbeitungszentren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abgangsseitige Ende des im Gehäuse (2) befindlichen Rotationskörpers (9) von einer koaxial zur Eingangswelle (1) angeord­ neten Gewindeaufnahme (10) gebildet wird, in die die das Spannfutter tragende Abgangswelle (11) geschraubt ist.

3. Werkzeughalter für reversierbare Bohrmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gehäuse­ seitige Ende der abgangsseitigen, das Spannfutter (32) tragenden Welle (11) im abgangsseitigen Ende des im Gehäuse (2) befindlichen Rotationskörpers (9) in axialer Richtung verlagerbar geführt ist und das Gehäuse (2) abgangsseitig mit einer Gewindeaufnahme (37) versehen ist, mit der die mit Außengewinde ver­ sehene Abgangswelle (11) in Gewindeeingriff steht.