DE4332506C2 - Präzisionsbohrkopf mit radial beweglichem Werkzeug für die Fertigbearbeitung von Bohrungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Präzisionsbohrkopf mit radial beweglichem Werkzeug für die Fertigbearbeitung von Bohrungen, mit

• Gehäuse, welches eine Zylinderbohrung in Axialrichtung auf­ weist,
• in der Zylinderbohrung des Gehäuses drehbeweglich und axialfest angeordneter Stellschraube mit Feingewinde,
• an die Stellschraube angeschlossenem Einstellrad mit Gradein­ teil-Skalierung,
• drehfest in der Zylinderbohrung angeordnetem Schubteil, welches mit einem endseitigen Gewindeabschnitt der Stell­ schraube spielfrei im Eingriff steht und durch Drehung der Stellschraube in Axialrichtung verstellbar ist, und
• Werkzeughalter mit darauf befestigtem Schneidwerkzeug,

wobei der Werkzeughalter auf einem senkrecht zur Drehachse der Stellschraube beweglich geführten Querträger angeordnet ist und wobei die Axialbewegung des an die Stellschraube angeschlossenen Schubteils eine Radialbewegung des Querträgers bewirkt.

Der Präzisionsbohrkopf ist eine hochgenaue Vorrichtung für die Fertigbearbeitung von Durchgangs- und/oder Sackbohrungen. Eine solche Vorrichtung ist aus DE 41 39 650 A1 bekannt. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen ist der Werkzeughalter an einem Schaft befestigt, der in einer radial gerichteten Öffnung des Gehäuses senkrecht zur Längsachse der Stellschraube verschiebbar geführt ist und an seinem oberen Ende eine Verzahnung aufweist. Die Verzahnung liegt spielfrei gleitend an zahnstangenartigen Einkerbungen des Schubteils an, die unter einem kleinen Winkel zur Axialrichtung geneigt an einer ebenen Segmentfläche des Schubteils angeordnet sind. Durch Betätigung der Stellschraube ist eine sehr präzise Radialverstellung des Schaftes mit angeschlosse­ nem Werkzeughalter und Schneidwerkzeug möglich, und zwar mit Schritten im Nanometerbereich. Die Vorrichtung ist jedoch konstruk­ tiv aufwendig. Auch ist die Struktursteifigkeit der Vorrichtung noch verbesserungsbedürftig.

Aus DE-AS 12 00 645 ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung der Stirnflächen von Siederohren bekannt, wobei durch eine Radialfeststellung der Werkzeuge der Innen- und Außengrat am Rohrende entfernt werden kann. Die bekannte Vorrichtung weist ein Schubteil auf, welches mit hydraulischem Antrieb verstellbar ist. Es trägt an seinem vorderen Ende einen schräg zur Bewegungsrichtung ausgerichteten Fortsatz, der in eine Ausnehmung eines stirnseitig an dem Gehäuse schiebebeweglich angeordneten Werkzeughalter-Querträgers eingreift. Eine Einstellbarkeit des Werkzeugs mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich geht daraus nicht hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Präzisionsbohrkopf unter Beibehaltung eines im Nanometerbereich radial präzise positionierbaren Werkzeughalter-Querträgers anzugeben, welcher konstruktiv möglichst einfach aufgebaut ist und die auf den Werkzeughalter im Betrieb wirkenden Kräfte ohne Verformung aufnimmt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 vorgesehen,

• daß der Querträger stirnseitig an einem Oberteil des Gehäuses angeordnet ist,
• daß das Schubteil eine untere Hülse, eine obere Hülse sowie einen die Hülsen mantelseitig umschließenden Stab aufweist, wobei die beiden Hülsen in den Gewindeabschnitt der Stellschraube eingreifende Innengewinde aufweisen und jeweils über Außengewinde mit dem zylindrischen Stab verbunden sind,
• daß der zylindrische Stab einen schräg zur Drehachse ausgerichteten Fortsatz aufweist, der in eine Ausnehmung des Querträgers schiebebeweglich eingreift, und
• daß der Querträger einen in einer horizontalen Bohrung angeordneten druckfederbelasteten Keil enthält, der gegen eine Seitenfläche des Fortsatzes drückt und dadurch ein zwischen dem Fortsatz und dem Querträger vorhandenes Spiel beseitigt.

Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Präzisionsbohrkopfes sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche 2 bis 7.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Aus­ führungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Präzisionsbohrkopf bei abgenommenem Werk­ zeughalter,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Präzisionsbohrkopf entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 2a einen Ausschnitt aus Fig. 2 in stark vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 einen Querschnitt des Präzisionsbohrkopfes entlang der Linie B-B in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt durch den Präzisionsbohrkopf entlang der Linie C-C in Fig. 2,

Fig. 5 u. 5A Details, die das Einstellrad des Präzisionsbohrkopfes be­ treffen,

Fig. 6 einen Teillängsschnitt durch den oberen Teil des Präzisionsbohrkopfes mit Darstellung der Befestigung des Werkzeughalters,

Fig. 7 einen Längsschnitt entlang der Linie F-F in Fig. 6,

Fig. 8 ebenfalls einen Längsschnitt entlang der Linie F-F in Fig. 6 mit anderer Ausführung des Werk­ zeughalters,

Fig. 9 eine Vorderansicht des Präzisionsbohrkopfes entlang dem Pfeil E in Fig. 6.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 und nach der vorliegenden Erfindung umfaßt der Präzisionsbohrkopf 100, im folgenden auch als Präzisionsbohrwerkzeug oder kurz als Vorrichtung bezeichnet, ein Schneidwerkzeug 102, das auf einen Werkzeughalter 101 aufgespannt ist. In dieser Position kann das Schneidwerkzeug 102 große Bohrungen oder Bohrungen, die so klein sind wie der kleinste Durchmesser einer Stabverlängerung 102a (einschließlich des Überstandes der Werkzeugschneide), die das Schneidwerkzeug hält, fertigbearbeiten. Die Stabverlängerung 102a ist, wie in Fig. 8 deutlicher gezeigt, in einen Werkzeughalter 101a eingespannt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 ist für die Fertig­ bearbeitung sowohl von durchgehenden als auch von Sackbohrungen geeignet.

Von Anfang an müssen das Konzept der aktiven und passiven Ge­ windeflanken von Stellschrauben, Gewindehülsen mit Innengewinde und/oder Außengewinde und sonstiger Gewindeelemente in Betracht gezogen und definiert werden. Der Ausdruck "aktive Flanke" eines Gewindes steht für eine Gewindeflanke, die mit einer der Flanken eines anderen Gewindes so zusammenwirkt, daß beide Flanken mit­ einander in Kontakt gehalten werden. Der Ausdruck "passive Flan­ ke" eines Gewindes steht für die Flanke eines Gewindes, die einer entsprechenden aktiven Flanke gegenüberliegt und an diese an­ grenzt. Zwischen zwei solchen passiven Flanken befindet sich ein Spielraum. Zustand und Ausbildung der vorstehend beschriebenen aktiven und passiven Flanken sind in Fig. 2a genau dargestellt.

Das erfindungsgemäße Präzisionsbohrwerkzeug 100 ist mit einer Bewegungsübertragungseinrichtung ausgerüstet, die ein koaxial um eine Feingewinde-Stellschraube 105 angeordnetes Einstellrad 104 mit Gradeinteil-Skalierung aufweist. Das Einstellrad 104 ist an die Stell­ schraube 105 angeschlossen, wobei durch Drehen des Einstellrades 104 eine entsprechende Drehung der Stellschraube 105 resultiert.

Die Stellschraube 105 ist am Gehäuse 108, 134 der Vorrichtung 100 durch eine Stützanordnung aus mehreren Ringen 106, 106a und 106b, die durch Befestigungsschrauben 109 zusammengehalten werden, axial ge­ halten und radial abgestützt (axial und radial jeweils bezüglich der Präzisionsbohrkopfachse). Die Stützanordnung selbst wird durch Befestigungsschrauben 107 an einem Innengehäuse 108, das, wie in Fig. 2 gezeigt, im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist, festgehalten. Das zylindrische Innengehäuse 108 ist durch ein Außengewinde 108c mit einem zylindrischen Außengehäuse 134 mit Innengewinde 134d verbunden. Das zylindrische Außengehäuse 134, das Einstellrad 104 und das zylindrische Innen­ gehäuse 108 bilden eine Einheit, die, wie in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt, koaxial um die Stellschraube 105 angeordnet ist.

An dem außenseitigen Ende der Stellschraube 105 ist eine Mutter 105a vorgesehen, mit der das Einstellrad 104 an der Stellschraube 105 befestigt ist. Ferner weist die Stellschraube 105 einen im Innern des Innengehäuses 108 angeordneten oberen Endbe­ reich mit Feingewinde 105b auf, der koaxial durch eine untere Hülse 121 und eine obere Hülse 122 verläuft. Beide Hülsen 121, 122 besitzen Innen- und Außengewinde, die wiederum koaxial durch ein zylindrisches Führungsteil (Schubteil) 120, im folgenden als Stab bezeichnet, verlaufen, der in Längsrichtung der Stellschraube verschiebbar im Innengehäuse 108 angeordnet ist. Der zylindrische Stab 120 ist vorzugsweise auch mit Gewinde versehen, die in die Außengewinde sowohl der unteren Hülse 121 als auch der oberen Hülse 122 eingreifen. Ein Sicherungs-Gewindering 121b ist zur Verhinderung einer Bewegung der unteren Hülse 121 vorge­ sehen, nachdem diese auf Nullspiel eingestellt worden ist.

Der zylindrische Stab 120 bildet zusammen mit der unteren Hülse 121 und der oberen Hülse 122 eine Einheit, die koaxial um den oberen Endbereich der Stellschraube 105 im Innern des zylindri­ schen Innengehäuses 108 angeordnet ist (Fig. 2). Der zylindrische Stab 120 enthält an seinem oberen Ende einen Fortsatz 123, dessen Längsachse unter einem Neigungswinkel β schräg zur Mittelachse der Stellschraube 105 ausgerichtet ist. Eine Rotationsbewegung des Einstellrades 104 wird auf die Stellschraube 105 übertragen und in eine Linearbewegung des zylindrischen Stabes 120 in Längsrichtung der Stellschraube (Axialrichtung) umgesetzt. Die Linearbewegung des zylindrischen Stabes 120 wiederum bewirkt, daß der schräg ausgerichtete Fortsatz 123 einen bewegbaren Quer­ träger 103, der senkrecht zu der Längsachse der Stellschraube 105 angeordnet ist, verschiebt. Auf diese Weise wird eine radiale Ver­ stellung des auf dem Querträger 103 angeordneten Werkzeughalters 101 oder 101a ermöglicht.

Bei der Umsetzung der rotierenden Bewegung des Einstellrades 104 und der fest mit ihr verbundenen Stellschraube 105 in eine Linearbewegung des zylindrischen Stabes 120 ist die Auflösung der Stellschraube 105 zu berücksichtigen. Damit ist der kleinstmögliche Verschiebeweg des zylindrischen Stabes 120 gemeint. Dieser kleinstmögliche Verschiebe­ weg des Stabes 120 entspricht dem Quotient aus der Gewindestei­ gung der Stellschraube 105 und der Anzahl der Linien (Teilungen) des mit der Gradeinteil-Skalierung ausgerüsteten Einstellra­ des 104.

Die Radialverstellung des bewegbaren Querträgers 103 wird durch eine Längsverstellung des schrägen Fortsatzes 123 des zylindri­ schen Stabes 120 bewirkt. Das kleinstmögliche Maß für die radiale Verstellbewegung des Querträgers ist abhängig von der zuvor definierten Auflösung der Stellschraube und dem Tangens des Winkels β. Der Quotient aus dem radialen Verstellweg des beweg­ baren Querträgers und dem axialen Verstellweg des Fortsatzes 123 entspricht Tangens β.

Wie aus den Fig. 1, 2 und 6 ersichtlich, ist der Querträger 103 Trägerbasis für den Werkzeughalter 101 und ist an dem Oberteil der Vorrichtung 100 beweglich geführt. Zur Führung des Querträ­ gers 103 sind horizontale, V-förmige Nuten 103a, 133a vorgesehen, die an den oberen Außenwänden des bewegbaren Querträgers 103 und innenseitig am Oberteil der Vorrichtung 100 angeordnet sind und Kugeln 131 enthalten. Außerdem sind weitere Kugeln 132 zwischen ebe­ nen Führungsbahnen angeordnet, die einerseits von unteren, äuße­ ren Mantelflächen 103b des Querträgers 103 und andererseits von unteren, innenliegenden Seitenflächen 133b eines Oberteils 133, im folgenden als Obergehäuse bezeichnet, des Gehäuses gebildet werden. Dies führt dazu, daß die Verstellung des bewegbaren Querträgers 103 am Obergehäuse 133 senkrecht zur Längsachse der Stellschraube 105 ohne Spiel und nur mit minimaler Reibung erfolgt.

Die horizontalen V-förmigen Führungsbahnen, die die Kugeln 131 enthalten, sowie die ebenen Führungsbahnen, zwischen denen die Kugeln 132 angeordnet sind, sind mit Abstand angeordnet und er­ strecken sich parallel zueinander. Die Achse der Stellschraube 105 liegt vorzugsweise koaxial zur Achse der Vorrichtung 100. Die An­ ordnung der Führungsbahnen ermöglicht eine Verstellung des be­ wegbaren Querträgers 103 in einer senkrechten Richtung zur Längs­ achse der Stellschraube 105. Demzufolge ist der Werkzeughalter 101 oder 101a in radialer Richtung zur Vorrichtung 100 verstellbar.

Den Fig. 1 und 6 entnimmt man auch, daß die Reihen der Kugeln 131, 132 un­ tereinander im wesentlichen trapezförmig angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht eine hohe Stabilität des bewegbaren Querträgers 103 und sichert gegen Drehbewegung senkrecht zu den Führungsbahnen der Kugeln 131, 132.

Wie in den Fig. 2, 5 und 5a dargestellt, ist das freie und mit der Gradeinteil-Skalierung versehene Ende des Einstellrades 104 mit meh­ reren Zähnen 104a und Zahnlücken 104b versehen, auf die min­ destens ein Paar Paßstifte 104c wirkt. Das freie Ende der Paßstifte 104c wird zum Eingriff entweder in eine Zahnlücke 104b zwischen benachbarten Zähnen 104a oder zur Anlage auf den Kopf eines der Zähne 104a gezwungen. Aus der vorstehenden Beschreibung und den Darstellungen in den Fig. 2, 5 und 5a geht hervor, daß die Wir­ kung der Federn 104d auf die Stifte 104c zur Vorspannung dient, damit die Stifte 104c das Ein­ stellrad 104 gegen unbeabsichtigtes Verdrehen sichern.

Wie aus den Fig. 1 und 3 ersehen werden kann, ist ein manueller Zugang zum Einstellrad 104 durch Seitenöffnungen 134a, die am zylindrischen Außengehäuse 134 angeordnet sind, gewährleistet. Diese Anordnung ermöglicht die Drehung des Einstellrades 104 von Hand. Die Drehung des Einstellrades kann auch durch (nicht ge­ zeigte) nichtmanuelle Einrichtungen erfolgen. In diesen Fällen wird ein Einstellrad, das Bewegungen von der äußeren Betätigungsein­ richtung aufnehmen kann, verwendet.

Die Aufspannung der Werkzeughalter 101 und 101a auf den beweg­ baren Querträger 103 erfolgt durch Eingriff von Zahnteilen 103d an der oberseitigen Fläche des bewegbaren Querträgers 103 und gezahnten Teilen (Zahnteilen) am unteren Teil des Werkzeughalters 101 bzw. 101a. Die Aufspannung erfolgt nach Darstellung in den Fig. 7, 8 und 9 durch Schrauben 103f.

Den Fig. 2, 4 entnimmt man, daß der bewegbare Querträger 103 eine Gewindebohrung 103′c aufweist, die senkrecht zur Längsachse der Vorrichtung 100 angeordnet ist. In die Bohrung 103′c ist eine Schraube 103′a eingesetzt, die Druck auf eine Feder 103′b ausübt, welche wiederum einen Keil 103′e beaufschlagt. Der Keil 103′e wirkt auf die zylindrische Fläche des Fortsatzes 123, wodurch Spiel, das zwischen dem zylindrischen Stab 120 und dem zylindri­ schen Innengehäuse 108 und/oder zwischen dem bewegbaren Quer­ träger 103 und dem Fortsatz 123 noch vorhanden ist, beseitigt wird.

Das zylindrische Außengehäuse 134 enthält einen Kühlkanal 135, der in Längsrichtung des Außengehäuses 134 angeordnet ist und in einer Ringkammer 134b an der oberen Stirnfläche des Außengehäu­ ses 134 endet (Fig. 2). Die Ringkammer 134b kommuniziert mit einem Kühlkanal 103c des bewegbaren Querträgers 103 und ist mit diesem durch eine Bohrung 108a verbunden. Die Bohrung 108a ist an eine Bohrungserweiterung 108b angeschlossen, die in die Stirn­ fläche des zylindrischen Innengehäuses 108 nach Darstellung in Fig. 2 eingearbeitet ist.

Bei dieser Anordnung bewirken der Kühlkanal 135, die Kammer 134b und die Kanäle 108a, 108b und 103c sowie die auf dem Werkzeug­ halter 101, 101a vorhandenen Kanäle (dargestellt mit gestrichelten Linien in den Fig. 7 und 8) eine wirksame Kühlung des Schneid­ werkzeugs 102 während des Maschinenbetriebs, vorausgesetzt, daß eine geeignete Kühlflüssigkeit durch die Kanäle und Kammern ge­ leitet wird.

Der Durchmesser der Bohrungserweiterung 108b ist etwas größer als die Gesamtquerverstellung des bewegbaren Querträgers 103, so daß immer eine Kommunikation besteht, damit die Kühlflüssigkeit zwi­ schen dem zylindrischen Innengehäuse 108 und dem bewegbaren Querträger 103, der den Werkzeughalter 101, 101a und das entspre­ chende Schneidwerkzeug 102 abstützt, fließen kann.

In der oberen Fläche des Querträgers 103 ist ein scheibenförmiger Deckel 103′ eingerichtet, der verhindert, daß Metall- und Fluid­ verunreinigungen in den Raum eindringen, der von der schrägen Verlängerung 123 eingenommen wird, um mögliche Beschädigungen der Elemente der Erfindung zu vermeiden.

Claims (8)

1. Präzisionsbohrkopf mit radial beweglichem Werkzeug für die Fertigbearbeitung von Bohrungen, mit

• Gehäuse (108, 134), welches eine Zylinderbohrung in Axial­ richtung aufweist,
• in der Zylinderbohrung des Gehäuses (108) drehbeweglich und axialfest angeordneter Stellschraube (105) mit Feingewinde,
• an die Stellschraube (105) angeschlossenem Einstellrad (104) mit Gradeinteil-Skalierung,
• drehfest in der Zylinderbohrung angeordnetem Schubteil (120, 121, 122), welches mit einem endseitigen Gewindeabschnitt (105b) der Stellschraube (105) spielfrei im Eingriff steht und durch Drehung der Stellschraube in Axialrichtung verstellbar ist, und
• Werkzeughalter (101) mit darauf befestigtem Schneidwerkzeug (102),

wobei der Werkzeughalter (101) auf einem senkrecht zur Drehachse der Stellschraube (105) beweglich geführten Querträger (103) angeordnet ist und wobei die Axialbewegung des an die Stell­ schraube (105) angeschlossenen Schubteils (120, 121, 122) eine Radialbewegung des Querträgers (103) bewirkt, dadurch gekennzeichnet,

• daß der Querträger (103) stirnseitig an einem Oberteil (133) des Gehäuses (108) angeordnet ist,
• daß das Schubteil eine untere Hülse (121), eine obere Hülse (122) sowie einen die Hülsen mantelseitig umschließenden Stab (120) aufweist, wobei die beiden Hülsen (121, 122) in den Gewindeabschnitt (105b) der Stellschraube (105) eingreifende Innengewinde aufweisen und jeweils über Außengewinde mit dem zylindrischen Stab (120) verbunden sind,
• daß der zylindrische Stab (120) einen schräg zur Drehachse ausgerichteten Fortsatz (123) aufweist, der in eine Ausneh­ mung des Querträgers (103) schiebebeweglich eingreift, und
• daß der Querträger (103) einen in einer horizontalen Bohrung angeordneten druckfederbelasteten Keil (103′e) enthält, der gegen eine Seitenfläche des Fortsatzes (123) drückt und dadurch ein zwischen dem Fortsatz (123) und dem Querträger (103) vorhandenes Spiel beseitigt.

2. Präzisionsbohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Querträgers (103) horizontale, V-förmige Nuten (103a, 133a) in senkrechten Wandflächen des Querträgers (103) und korrespondierend dazu in senkrechten Flächen des Ober­ teils (133) des Gehäuses (108) angeordnet sind und daß die von den V-förmigen Nuten (103a, 133a) gebildeten Kammern Kugeln (131) enthalten.

3. Präzisionsbohrkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Kugeln (132) zwischen ebenen Führungsbahnen angeordnet sind, die einerseits von unteren Mantelflächen (103b) des Querträgers (103) und andererseits von innenliegenden Seitenflächen (133b) des Oberteils (133) des Gehäuses (108) begrenzt sind.

4. Präzisionsbohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen V-förmigen Nuten (103a, 133a) und die ebenen Führungsbahnen (103b, 133b) mit Abstand parallel zueinander angeordnet sind, wobei insgesamt vier Reihen mit den Kugeln (131, 132) - im Querschnitt durch den Querträger gesehen - trapezförmig ange­ ordnet sind.

5. Präzisionsbohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (134) Seitenöffnungen (134a) aufweist, damit das Einstellrad (104) manuell zugänglich ist und von Hand gedreht werden kann.

6. Präzisionsbohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellrad (104) zur Aufnahme von Bewegungen durch Betätigungseinrichtungen eingerichtet ist.

7. Präzisionsbohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querträger (103) auf seiner oberen Fläche mit Zahnteilen (103d) ausgerüstet ist und daß der Werkzeughalter (101) mit unterseitigen Zahnelementen darin eingreift und mittels Schrauben (103f) fest auf den bewegbaren Querträger aufgespannt ist.