DE3818827A1 - Bohrmaschinen mit einem in einem um eine achse rotierenden halter befestigten drehmeissel und verfahren zum betrieb dieser bohrmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bohrmaschine mit einem in einem um eine Achse rotierenden Halter befestigten Drehmeißel nach Anspruch 1 und einem Verfahren zum Betrieb dieser Bohrmaschine.

Eine solche Bohrmaschine ist aus DE 32 45 053 A1 be­ kannt. Es ist mit jener Bohrmaschine möglich, Bohrun­ gen mit polar und/oder axial beliebigen Mantellinien­ verläufen herzustellen. Erreicht wird dies dort durch eine axial längsgeteilte Bohrstange aus miteinander verbundenen unterschiedlichen Materialien, die sich innerhalb eines von außen angelegten Magnetfeldes durch von dem Magnetfeld verursachte magnetostriktive Längenänderung radial gegenüber der Rotationsachse auslenkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auslen­ kung der Bohrstange bzw. des Halters des als Drehmei­ ßel ausgebildeten Schneidwerkzeuges zwar ebenfalls magnetisch, jedoch auf eine andere Weise, bei der nicht von einer magnetostriktiven Längenänderung Ge­ brauch gemacht werden soll, zu erreichen. Polar und/oder axial sollen die Mantellinien in den herzu­ stellenden Bohrungen nur in relativ engen Grenzen Ab­ weichungen aufweisen, die auf etwa 0,5 mm im Durch­ messer beschränkt sein können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausführung der gattungsgemäßen Bohrmaschine nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un­ teransprüche und werden im Zusammenhang mit der Be­ schreibung einiger Ausführungsbeispiele noch näher erläutert werden.

Desgleichen wird auch das Verfahren zum Betrieb der Bohrmaschine gemäß dem Unteranspruch 11 in dem vorge­ nannten Zusammenhang noch näher beschrieben werden.

Das wesentliche Prinzip der erfindungsgemäßen Bohrma­ schine besteht darin, daß die Bohrstange bzw. der Halter für den Drehmeißel in derjenigen durch die Ro­ tationsachse des Drehmeißels verlaufenden Ebene Y, die senkrecht zu der radialen Zustellrichtung des Drehmeißels liegt, höchstmögliche Steifheit aufweist, während sie in der durch die Bohrstangenachse senk­ recht dazu verlaufenden Ebene Z an einer von dem Drehmeißel axial entfernt liegenden Stelle entweder selbst oder in einer Lagervorrichtung auslenkbar ist. Die eine Unrundbearbeitung der zu erzeugenden Bohrung ermöglichende Zustellbewegung für den Drehmeißel wird durch auf die Bohrstange wirkende Magnete erzeugt.

Die Zustellkraft der Magnete bewirkt ein Lageregel­ kreis, in dem die gemessenen Ist-Werte der jeweiligen Lage des Drehmeißels gemeinsam mit vorgegebenen Soll- Werten durch einen entsprechenden Vergleich verwertet werden. Die jeweilige Ist-Lage des Drehmeißels ermit­ telt eine an dem freien Ende der Bohrstange in Höhe des Drehmeißels angebrachte Meßvorrichtung, die bei­ spielsweise ein in Zustellrichtung wirkender Be­ schleunigungsgeber sein kann. Der Beschleunigungsge­ ber ist so angeordnet, daß bei zentrischer radial konstanter Umlaufbahn des Drehmeißels wegen der auf die Meßachse des Beschleunigungsgebers einwirkenden konstanten Zentrifugalkraftkomponente das Beschleuni­ gungsmeßsignal konstant ist (runde Bohrung). Eine Veränderung des Beschleunigungssignals tritt jedoch dann auf, wenn sich der Radius der Umlaufbahn des Drehmeißels relativ zu der Antriebsachse der Bohr­ stange verändert. Die Höhe der Veränderungen des Be­ schleunigungssignales während eines Bohrstangenumlau­ fes ist ein Maß für die Größe der jeweiligen Formab­ weichung des Drehmeißels von dessen zentrischer Um­ laufbahn (unrunde Bohrung).

Indem die von der Meßeinrichtung ermittelten Be­ schleunigungssignale elektronisch mit Soll-Werten für eine vorgegebene Mantelform der herzustellenden Boh­ rung verglichen werden, läßt sich über eine entspre­ chende Steuerung der die Bohrstange ablenkenden Elek­ tromagnete eine Führung des Drehmeißels auf einer ra­ dial und axial vorbestimmten Mantelfläche erreichen.

Wie die in der Zustellrichtung erforderliche Auslenk­ barkeit des Halters des Drehmeißels erreicht wird, ist dabei im Prinzip gleichgültig. So kann die Aus­ lenkbarkeit beispielsweise durch eine Einschnürung innerhalb des Halters, der die Bohrstange sein kann, erreicht werden oder dadurch, daß der Halter gegen­ über der Arbeitsspindel der Bohrmaschine, die insbe­ sondere eine Feinbohrmaschine ist, in einem Lager mit einer Lagerbüchse und einem Lagerzapfen gelagert ist. Die Lagestabilisierung in der Auslenkebene erfolgt dann ausschließlich über die Elektromagnete.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Lagerung des Halters des Drehmeißels an der Arbeitsspindel einer Feinbohrmaschine

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1 entlang Linie II-II

Fig. 3a die perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lagerung des Halters des Drehmeißels

Fig. 3b eine Seitenansicht nach Fig. 3a

Fig. 4a eine perspektivische Ansicht der Arbeitsspindel einer Feinbohrmaschine zur Veranschaulichung einer weiteren Alternative der erfindungsgemäßen Lagerung des Halters des Drehmeißels

Fig. 4b, c jeweils einen Ausschnitt eines Längs­ schnittes durch Fig. 4a

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Lagerung des Halters des Dreh­ meißels

Fig. 6 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Linie VI-VI in Fig. 5

Auf die Arbeitsspindel 1 einer Feinbohrmaschine 2 ist ein Werkzeugaufnehmer 3 fest montiert. In den Werk­ zeugaufnehmer 3 ist ein Halter 4 an einem ersten Ende auslenkbar gelagert. An dem zweiten freien Ende des Halters 4 befindet sich ein Drehmeißel 5. Der Dreh­ meißel 5 erstreckt sich in der Ebene Z, die aufge­ spannt ist durch die radiale Zustellrichtung des Drehmeißels 5 einerseits und die Achse des Halters 4 andererseits. Senkrecht zu dieser Ebene verläuft eine Ebene Y durch die Achse des Halters 4. Der Halter ist gegen Biegung in der Ebene Y möglichst starr ausge­ bildet. In der Ebene Z ist der Halter dagegen in ei­ ner Einschnürung 6 auslenkbar ausgebildet.

In dem Abschnitt zwischen Drehmeißel 5 und Einschnü­ rung 6 liegt der Halter 4 frei beweglich zwischen zwei Elektromagneten 7 und 8, deren Magnetkraft in Richtung parallel zur Ebene Z wirkt. In dem Bereich, in dem der Halter zwischen den Magneten 7 und 8 liegt, kann dieser entweder aus magnetisierbarem Ma­ terial bestehen oder es muß an dieser Stelle ein ei­ genständiger Magnet vorgesehen sein. In den außerhalb des Magnetfeldes liegenden Bereichen kann das Materi­ al des Halters 4 dagegen beliebig sein. Der Halter 4 kann daher insbesondere aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein. Zur Verringerung der zu bewe­ genden Massen kann auch ein Faserverbundmaterial ver­ wendet werden.

An dem freien Ende des Halters 4 in Höhe des Drehmei­ ßels 5 ist im Zentrum des Halters ein Beschleuni­ gungsgeber 9 eingesetzt. Derartige Beschleunigungsge­ ber sind an sich bekannt. Sie gestatten es, Beschleu­ nigungen und Verzögerungen in einer definierten Rich­ tung zu messen.

Im vorliegenden Fall ist der Beschleunigungsgeber so eingebaut, daß seine Meßrichtung senkrecht zur Dreh­ achse des Halters 4 in der Ebene Z liegt. Bei Ablen­ kung des Halters 4 aus dem Zentrum der Arbeitsspindel 1 durch Kräfte der Elektromagnete 7 bzw. 8 (Ausfüh­ rung nach Fig. 1) gibt der Beschleunigungsgeber 9 aufgrund der von ihm gemessenen Zentrifugalbeschleu­ nigung (a) bei konstanter Spindeldrehzahl (omega) ein Maß für die radiale Auslenkung des Drehmeißels (r) nach der Beziehung r = a : omega² an.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3a, b ist der Hal­ ter 4 über eine Scheibe 10 durch ein Gelenk 11 mit dem an der Arbeitsspindel 1 der Feinbohrmaschine be­ festigten Werkzeugaufnehmer 3 verbunden. Die in Fig. 3a eingetragenen Ebenen Z und Y haben die gleiche Be­ deutung wie in Fig. 1. Den Elektromagneten 7 und 8 in Fig. 1 enstprechen in Fig. 3a, b die Elektromagneten 12 und 13. Die Lagestabilisierung des Halters 4 er­ folgt bei dieser Ausführungsform durch die Elektro­ magnete 12 und 13.

In Fig. 4a-c ist die Arbeitsspindel selbst ela­ stisch an einer Stelle 14 ausgebildet. Durch geeigne­ te Ausbildung des feststehenden Elektromagneten 15 und in der Spindel befestigter permanent-magnetischer Gegenpole wird bewirkt, daß die Antriebsspindel 1 sich nach der Linie L verformt, wodurch der Halter 4 mit dem Drehmeißel 5 in dem gleichen Sinne ausgelenkt wird wie bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 2. Der Elektromagnet 15 weist ringförmige Magnetpole (je­ weils einen Nord- und einen Südpol) auf, die die bei­ den in der Antriebsspindel 1 diametral gegenüberlie­ genden Permanentmagnete 16 umfassen. Eine Auslenkung der Arbeitsspindel 1 in der Einschnürung 14 wird da­ durch erreicht, daß einer der beiden Permanentmagnete 16 so gepolt ist, daß er von dem Elektromagneten 15 abgestoßen wird, während der zweite Permanentmagnet 16, der dem ersten diametral gegenüberliegt durch ge­ gensinnige Polung an den Elektromagneten 15 herange­ zogen wird. Zur Bearbeitung einer unrunden Bohrung muß die von dem Elektromagneten ausgehende Kraft je­ weils während einer umdrehung der Arbeitsspindel der gewünschten Unrundform entsprechend variiert werden.

Bei der in Fig. 4c eingetragenen Polung der Magnete 15 und 16 wird der Drehmeißel 5 nach radial außen ausgelenkt. Durch Umpolung der Elektromagnete 15 ist eine Auslenkung des Drehmeißels 5 nach radial innen möglich.

Bei der Ausführung nach den Fig. 5 und 6 ist der Hal­ ter 4 in dem Werkzeugaufnehmer 3 der Arbeitsspindel 1 eingespannt. Die Einschnürung 6 des Halters 4 liegt in der Nähe der Einspannstelle. Zwischen Einschnürung 6 und dem Drehmeißel 5 sind an dem Halter 4 in der Ebene Z diametral gegenüberliegend zwei Permanentma­ gnete 17 und 18 befestigt. Die Pole der beiden Perma­ nentmagnete 17 und 18 sind axial gegensinnig ausge­ richtet. Der Halter 4 rotiert mit seinen beiden Per­ manentmagneten 17 und 18 in einem ruhenden Elektro­ magneten 19 mit zwei radial nach innen gerichteten gegensinnigen Ringpolen. Dabei sind die Pole dieses Elektromagneten denjenigen der Permanentmagnete 17 und 18 so zugeordnet, daß ein Permanentmagnet 17 je­ weils abgestoßen und der andere Permanentmagnet 18 angezogen wird. Eine Unrundbearbeitung einer Bohrung durch den Drehmeißel 5 erfolgt dadurch, daß während einer umdrehung des Halters 4 die von den Polen des Elektromagneten 19 ausgehende Kraft variiert wird, wodurch sich die Auslenkung des Halters 4 entspre­ chend verändert. Die Führung des Drehmeißels 5 zur Erreichung einer Bohrung in einem Werkstück mit einer Mantelfläche mit polarem und axial beliebigem Mantel­ linienverlauf kann bei allen dargestellten Ausfüh­ rungsformen noch dadurch verbessert werden, daß die mit einem Beschleunigungsgeber 9 gemessene radiale Drehmeißelablenkung als Ist-Wert mit einem vorgegebe­ nen Soll-Wert verglichen wird, wobei resultierend aus dem Vergleich die Elektromagnete 7, 8; 12, 13; 15 und 19 so gesteuert werden, daß die Ist-Lage des Drehmeißels der Soll-Lage zugeführt wird.

Claims (10)

1. Bohrmaschine mit einem in einem um eine Achse ro­ tierenden Halter befestigten Drehmeißel, der tan­ gential zur Rotationsbewegung an einem Werkstück angreift, bei der der Halter magnetisch aus der Rotationsachse auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Halter (4) außerhalb von dessen Achse synchron mit dem Drehmeißel (5) rotierende erste magnetische Pole (4′; 10; 16; 17, 18) vorgesehen oder durch ein magnetisches Feld erzeugbar sind, und daß mit den ersten Polen in Wirkverbindung stehende synchron mitrotierende oder ruhende zweite Pole (7, 8; 12, 13; 15; 19) vorgesehen sind, wobei die ersten und zweiten Pole so zuein­ ander ausgerichtet sind, daß der Halter (4) bzw. die fest mit diesem verbundene Antriebsspindel (1) der Bohrmaschine durch die von den Polen der Magnete ausgehenden Anziehungs- und Abstoßungs­ kräfte ausschließlich in einer Ebene Z auslenkbar ist, die durch die Zustellrichtung des Drehmei­ ßels (5) und die Rotationsachse des Halters (4) aufgespannt ist.

2. Bohrmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Kräfte zwischen den ersten (4; 10; 16; 17, 18) und zweiten (7, 8; 12, 13; 15; 19) Polen während einer Umdrehung des Dreh­ meißels (5) variierbar sind.

3. Bohrmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Drehmeißels (5) eine Meßein­ richtung (9) vorgesehen ist, die Abweichungen des Drehmeißels (5) von einer koaxialen Umlaufbahn erfaßt.

4. Bohrmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (9) ein an sich bekannter Beschleunigungsgeber ist.

5. Bohrmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der auslenkbare Halter (4) aus einem Faser­ verbundwerkstoff besteht.

6. Bohrmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslenkung des Halters (4) in diesem eine Einschnürung (6) bzw. zur Auslenkung der Arbeits­ spindel (1) in dieser eine Einschnürung an einer Stelle (14) senkrecht zur Halter (4)-Achse vorge­ sehen ist, die von dem Drehmeißel (5) aus gesehen jeweils hinter den Magneten liegt.

7. Bohrmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) an einer ihn verdrehfest auf­ nehmenden Arbeitsspindel (1) radial auslenkbar zwischen den Halter (4) diametral zur Rotations­ achse umfassenden an der Arbeitsspindel (1) fi­ xierten und magnetmäßig ausschließlich in der Z- Ebene wirkenden Elektromagneten (7, 8) gelagert ist, wobei zumindest das zwischen den Magneten (7, 8) liegende Halter (4)-Material magnetisier­ bar ist oder selbst ein Magnet ist.

8. Bohrmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) mit einer Arbeitsspindel (1) über ein Gelenk (11) verbunden ist, dessen Achse senkrecht zur Ebene Z und zur Rotationsachse ver­ läuft, daß die zweiten Pole ober- und unterhalb der Ebene Y angeordnet sind, die durch die Rota­ tionsachse hindurch senkrecht zur Ebene Z aufge­ spannt ist und daß die zweiten Pole (12, 13) von an der Antriebsspindel (1) angebrachten Elektro­ magneten gebildet sind, die so ausgerichtet sind, daß von ihnen axial gerichtete Magnetkräfte auf magnetisierbare Bereiche (10) des Halters (4) ausgehen.

9. Bohrmaschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Halter (4) oder einer den Halter (4) aufnehmenden Arbeitsspindel (1) mindestens ein außerachsig liegender erster Pol (16; 17, 18) vorgesehen ist, der jeweils innerhalb mindestens eines ruhenden außerhalb des Halters (4) bzw. der Arbeitsspindel (1) liegenden zweiten Magnetpoles (15; 19) rotiert, wobei dieser mindestens eine zweite Magnetpol als geschlossener Ring ausgebil­ det ist.

10. Verfahren zum Betrieb der Bohrmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzielung von Bohrungen mit polar und/oder axial beliebigen Mantellinienverläufen, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• a) während des Bohrbetriebes ermittelt die Meß­ einrichtung (9) am freien Ende des Halters (4) die jeweilige radiale Ist-Lage des Dreh­ meißels (5),
• b) die ermittelten Werte der Meßeinrichtung (9) werden an einen Soll-Ist-Wert-Vergleicher gemeldet, in den die Soll-Form der zu erzeu­ genden Bohrungsmantelfläche einspeicherbar ist,
• c) die Soll-Ist-Wert-Abweichung ist ein Maß für die von den Magneten (7, 8; 12, 13; 15; 19) gegenüber dem Halter (4) bzw. der Arbeits­ spindel (1) aufzubringenden Ablenkkräfte.