DE68918254T2 - Einstellbare Bohrstangeneinsatzpatrone. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Werkzeugen zur spanabhebenden Bearbeitung, wie Bohrstangen und insbesondere Bohrstangen mit einstellbaren Einsatzpatronen. Die Bohrstange umfaßt einen geschlitzten Bereich mit einer gekrümmten Bodenfläche, auf der eine korrespondierend geformte Fläche eines Ambosses sitzt. Die Bohrstange umfaßt auch eine Einrichtung zum Gleitverschieben des Ambosses auf einer gewölbten Oberfläche der Bohrstange und zum Kotieren des Ambosses und eines hieran befestigten Schneideinsatzes relativ zur Bohrstange.
Hintergrund der Erfindung
• Bei heutigen Bohrstangenanwendungen werden immer höhere Geschwindigkeiten erzielt. Bei welchem Grad auch immer muß jedoch jede Anwendung im Hinblick auf einen weiten Bereich von Variablen und im Hinblick auf die steigenden Anforderungen an Präzisionsbearbeitung bewertet werden.
• Bei der Entwicklung von Bohrstangenausrüstungen ist es wünschenswert, eine Schnellbefestigung für einstellbare Einsätze vorzusehen, ohne dabei Genauigkeit aufgrund von Belastungen quer zur Stange zu opfern. Bezüglich einer Bohrstangenausrüstung, welche die Verwendung einstellbarer, mit der Stange verbundener Patronen umfaßt, ist es wünschenswert, daß Ausgestaltungsverbesserungen eine Patrone umfassen, die wirtschaftlich herstellbar ist, leicht zu verwenden ist, und die schon vorhandene Schneideinsätze aufnehmen kann. Um die gewünschte Genauigkeit bei der spanabhebenden Bearbeitung zu erzielen, wurde es aufgrund von Herstellungstoleranzen als notwendig erachtet, den Schneideinsatz und die Patronen, an dem dieser befestigt ist, einzustellen. Ohne sich auf eine theoretische Betriebsweise festzulegen, wird angenommen, daß einige Einstelleinrichtungen notwendig sind, da ein Stapeln von Herstellungstoleranzen zwischen der Bohrstange, der Patrone und dem Einsatz nicht durch die Verwendung von einer festen Taschengestaltung kompensiert werden kann. Patronenausgestaltungen, die gegenüber dem Umfang einer Bohrstange mittels Schrauben, Klemmen oder Schweißungen verbunden sind, und die das Toleranzproblem durch eine Einstellung angehen, sind entweder äußerst massiv, was zu Hebeln führt, die sich zerstörend auf Hochgeschwindigkeitsbohrstangen auswirken, oder bei denen die Einstellkraft mit der Stange in Wechselwirkung tritt, so daß Biegezustände erzeugt werden. Es ist wünschenswert, diese Probleme zu vermindern, indem eine verbesserte einstellbare Patrone bereitgestellt wird.
• Der nächstkommende Stand der Technik, dessen sich der Anmelder bewußt ist, ist US-A-3,427,904. Der Oberbegriff des Anspruches 1 der vorliegenden Erfindung gibt diesen nächstkommenden Stand der Technik wieder.
• Patronen, die eine Einstellung für Schneideinsätze bereitstellen, sind bekannt. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 3,885,282 von Pataky ein spanabhebendes Werkzeug, das einen Halter und einen Einsatz umfaßt, an dem ein Schneidwerkzeug angebracht werden kann. Der Einsatz ist drehbar in einer Ausnehmung in dem Halter befestigt und in einer gewünschten Position relativ zu dem Halter durch eine Verschlußschraube fixiert. Die drehbare Einstellung des Einsatzes erlaubt eine Veränderung des Kipparbeitswinkels. Im US- Patent 4,631,994 von Jester et al. wird ein linearer und im Winkel einstellbarer Halter für ein Schneidwerkzeug zur Verfügung gestellt. Ein solches Werkzeug ermöglicht eine schwenkbare Einstellung mittels einer Einstellschraube, die einen in einem Grundelement sitzenden Gewindeabschnitt und einen Kopf aufweist, der in eine Ausnehmung in einem drehbar befestigten Aufnahmeelement eingreift, der den Schneidwerkzeugeinsatz hält. Eine Drehung der Einstellschraube bewirkt eine Drehung des Aufnahmeelements. Die in diesen Patenten beschriebenen Aufbauten sind jedoch nicht auf eine Beseitigung des Problems der "Stapelung" von Toleranzen, wie es hier beschrieben ist, gerichtet. Darüber hinaus können Hochgeschwindigkeitsbohrstangen, bei einer Befestigung herkömmlicher Patronen am Umfang der Schneidstange, wegen des entstehenden Schlagens, nicht der Präzision heute erforderlicher Schneidparameter genügen. Obwohl die Erzeugung einer Ausnehmung, die groß genug ist, um eine Patrone in die Stange einzusetzen, die Stange stabilisieren kann, wird durch eine radiale Einstellung, dort wo die Einstellkraft gegen die Stange gerichtet ist, eine Biegung im schmalen Durchmesser der Bohrstangen hervorgerufen. Es ist daher wünschenswert, eine in einer Ausnehmung innerhalb einer Bohrstange verstellbare Einsatzpatrone vorzusehen, bei der die zur radialen Einstellung des Einsatzes erforderliche Kraft nicht gegen die Bohrstange gerichtet ist, so daß sie nicht ausreicht, um eine Biegung in den schmalen Stangen hervorzurufen. Es ist darüber hinaus wünschenswert, eine einstellbare Patrone zur Verfügung zu stellen, die insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen genau ausgewuchtet ist. Der Stand der Technik beschäftigt sich nicht mit derartigen Erwägungen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch den Gegenstand des Anspruches 1 erzielt.
• Der Einsatz ist auf dem Amboß axial vom Drehpunkt des Ambosses beabstandet, angeordnet, so daß eine genaue Einstellung erzielbar ist und derart, daß die durch den Schneidbetrieb hervorgerufenen Lasten im wesentlichen auf die Stange und auf eine Drehung des Ambosses in der Stange gegen die Einstelleinrichtung, anstatt gegen die Vorspanneinrichtung übertragen werden. Ein Vorteil besteht darin, daß die federnde Vorspanneinrichtung vom Belastungsvorgang entfernt wurde, was eine genaue Einstellbarkeit ermöglicht und das Schlagen minimiert. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß ein einstellbarer Einsatz und eine einstellbare Patrone in einer Bohrstange zur Verfügung gestellt werden, ohne daß ein großer Anteil an Stangenmaterial entfernt werden muß so daß dadurch die Festigkeit des Werkzeuges aufrechterhalten bleibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Drehung des Ambosses in der Bohrstange die Notwendigkeit einer Einstelleinrichtung überflüssig macht, die die Bohrstange in einem Ausmaß belastet, so daß eine Biegung bei Bohrstangen mit einem kleinen Durchmesser hervorgerufen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindungen werden nun im einzelnen durch die im folgenden beschriebenen Figuren verständlich. Hierin zeigen:
• Fig. 1 eine Seitenansicht einer Bohrstange, die eine Mehrzahl einstellbarer Patronen enthält;
• Fig. 2 eine teilweise Schnittansicht des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 in der Detaildarstellung 2;
• Fig. 3 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in Kichtung der Linie 3-3;
• Fig. 4 eine Axialansicht nach Fig. 1 entlang der Linie 4-4, und
• Fig. 5 eine Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels, welches in Fig. 2 gezeigt ist.
Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
• Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 wird eine entlang der Längsachse 15 angeorndete, rotierbare Bohrstange 10 bereitgestellt. Die nach dem Stand der Technik bekannte Bohrstange 10 ist zylindrisch ausgebildet und weist einen Umfang 20 auf. Am Umfang ist, wie in Fig. 4 gezeigt eine Mehrzahl axial dimensionierter Schlitze oder Ausnehmungen 25 angeordnet. Gemäß einer besonderen Ausführungsform, umfaßt jede Ausnehmung 25 parallele Wände 30, die mit einer gewölbten Aufnahmefläche 35 in Verbindung stehen, welche sich radial gegen den Umfang 20 öffnet.
• Die Patrone 40 umfaßt gemäß Fig. 2 einen Amboß 43, der im allgemeinen aus einem langgestreckten Stück aus gehärtetem Werkzeugstahl besteht und eine gleichförmige Breite und axiale Abmessungen aufweist, die zu der besonders ausgewählten Ausnehmung 25 korrespondieren. Die Patrone 40 umfaßt des weiteren eine gewölbte untere Oberfläche 45, die zur gewölbten Oberfläche 35 korrespondiert, so daß eine axiale Rotation im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 50 angedeutet, oder entgegen dem Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 55 angedeutet, möglich ist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 5 umfaßt der Amboß 43 des weiteren eine Oberseite 57, die radial von der unteren Oberfläche 45 beabstandet ist, und wenigstens eine Tasche 60 zur Aufnahme eines festlegbaren einstellbaren Einsatzes 65 aufweist. Die Tasche hat wenigstens zwei Stützwände 70, welche die Auflagerfläche 75 schneiden. Die Auflagerfläche 75 umfaßt eine Öffnung 80, die geneigt ist, um einen sicheren Rückhalt für eine Einsatzhalteschraube 85 bereitzustellen. Obwohl auch andere Sicherungsmittel wie Schweißungen, Stifte oder Klemmen Durchschnittsfachleuten geläufig sind, wird aufgrund von räumlichen und gewichtsmäßigen Erwägungen nahe dem Werkstück eine Standard-"Iso"-Schraube bevorzugt.
• Unter nochmaliger Bezugnahme auf Fig. 2 umfaßt die Oberseite 57 einen axial beabstandeten Front- 90 und einen Rückabschnitt 95, die durch den Einsatz 65 voneinander getrennt sind. Die gewölbte untere Oberfläche erstreckt sich vom Front- 90 zum Rückabschnitt 95. Der Rückabschnitt 95 umfaßt einen ersten Ausnehmungsbereich 100, der die Bewegung einer Einrichtung zum Einstellen der Patrone überträgt und eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeiles 55 zur radialen Einstellung des Einsatzes 65 hervorruft. Obwohl der Einstellbereich wenigstens so groß ist wie der Gesamtbetrag der "gestapleten" Herstellungstoleranzen der Patrone 40 und der Stange 10, wird dennoch ein Einstellbereich durch die Einstelleinrichtung 105 von wenigstens 0,5 mm (0,020 inch) bevorzugt.
• Insbesondere umfaßt die Einstelleinrichtung 105 eine Senkkopfschraube 110, die in die Bohrstange 10 eingeschraubt ist und an einer konischen Fläche 47 des ersten Ausnehmungsbereiches 10 anliegt, um eine Steuerkraft auf den Amboß 43 bereitzustellen. Um ein Abgleiten zu eliminieren, ist eine Schraube mit einem Rechtsgewinde mit einer feinen Steigung wünschenswert, und insbesondere mit einer Steigung von 32 Gewindegängen pro inch. Wie in Fig. 3 gezeigt, durchquert eine Sicherungsschraube 48 zur Verhinderung einer Drehung der Schraube 110 die Öffnung 112 und zwingt einen Weichmetallschuh 113 gegen die Schraube 110. Andere Ausführungsbeispiele, die einen direkten Sitz auf den flachen Bereichen der Schraube 110 umfassen, werden den Fachleuten geläufig sein. Die Fachleute werden darüber hinaus erkennen, daß andere Ausführungsbeispiele, wie die Verwendung einer Klemme, ebenso offensichtlich sind.
• Der Frontabschnitt 19 umfaßt einen zweiten Ausnehmungsbereich 115 und eine Öffnung 120, die den Amboß 43 durchquert. Eine Einrichtung zum Vorspannen des Ambosses 43 in der Ausnehmung 25 während der Einstellung, ist nach dem in Fig. 2 gezeigten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel vorgesehen. Die Schraube 125 nimmt federnde Unterlegsscheiben 130 in dem zweiten Ausnehmungsbereich 115 auf und ein Gewinde im Körper 10 komprimiert die federnden Unterlegsscheiben gegen den Amboß, um eine elastische Vorspannungskraft bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung erwägt auch die Verwendung einer Schraube 125 ohne Unterlegscheiben 130.
• Festlegbare Einsätze 65 umfassen im allgemeinen eine Scheibe gehärteten Materials, wie Wolframcarbid, Keramik, Cermet oder Sialone, um nur einige zu nennen. Das gewünschte Material hängt von der Art der Anwendung und den Bohrparametern ab. Beispielsweise werden für eine 53,97 mm (21/8 inch) Bohrstange mit einer Länge von ungefähr 813 mm (32 inch) fünf der beanspruchten und hierin offenbarten Einstellpatronen eingesetzt, wobei für weiche und abrasive Materialien, wie Gußeisen 9,5 mm (3/8) breite, in 11,7 mm (0,460 inch) Parallelogrammform gestaltete Einsätze, die von GTE Valenite Modco erhältlich sind, eingesetzt werden, welche Wolframcarbid vom Grad VC-2 verwenden. Für Bohranwendungen in Hartmetall, ist ein Kohlenstoffstahl vom Grad VC-5 erhältlich. Zusätzlich werden verschiedene positive radiale und negative axiale Neigungen in Abhängigkeit der Anwendung ins Auge gefaßt. Beim Bohren von Kohlenstoffstahl werden vorzugsweise parallelogrammförmige Einsätze unter Verwendung einer positiven radialen und axialen Neigung eingesetzt. Beim Schneiden von Materialien, wie Gußeisen, werden negative axiale und radiale Neigungen verwendet. Für die Fachleute ist es erkennbar, daß der Bereich der Winkel axialer und radialer Neigungen vom Bereich der Variablen abhängt, die die Werkstückspezifikationen umfassen.
• Die Position des Einsatzes 65 und die Einsatztasche 60 auf der Oberseite 57 ist zur Erzielung des oben offenbarten Einstellbereichs wichtig. Unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 rotiert der Amboß 43 bei Drehung innerhalb der Ausnehmung 25 in Richtung der Pfeile 50 oder 55, um die Achse 140, wenn er von den oben diskutierten Vorspann- oder Einstelleinrichtungen unbehindert ist. Eine Anordnung der Tasche 60 und des Einsatzes 65 axial von der Achse 140 hin zum Frontabschnitt 90 bewirkt eine Abnahme des Einstellbereiches, je näher die Tasche an der Achse 140 angeordnet ist. Obwohl die exakte Position der Tasche 60 im Amboß 43 zum Teil von der Größe des Einsatzes und des Ambosses abhängt, es den Fachleuten allgemein bekannt, daß eine Belastung während des Betriebes durch die Bohrstange, anstatt durch die Vorspann- oder die Einstelleinrichtung, aufgenommen wird, je näher die Tasche 60 an der Achse 140 angeordnet ist. Dies bewirkt ein vermindertes Schlagen der Patrone und einen verminderten Verschleiß der Einstelleinrichtung.
• Unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 faßt die vorliegende Erfindung in wenigstens einem Ausführungsbeispiel zur Sicherung des Ambosses 43 gegen eine der Ausnehmungswände 30 eine Mehrzahl geneigter Öffnungen 145 ins Auge, welche die Bohrstange 10 in einer Richtung im allgemeinen senkrecht zu den Ausnehmungswänden 30 queren und die sich zum Bohrstangenumfang 20 hin öffnen, um der Bedienungsperson einen Zugang zur Verfügung zu stellen. Schrauben 150 mit einem Gewinde zum Vorschub innerhalb der Öffnungen 145 werden in sicherem Anschlag mit dem Amboß 43 gedreht, wobei der Amboß gegen das Paar der parallelen Ausnehmungswände 30 gezwungen wird. In einem Ausführungsbeispiel sind die Schrauben aus einem federnden Material, wie Neopren oder gehärteten Materialien, wie Stahl hergestellt. Andere Materialien und Verfahren werden durch die vorliegende Erfindung derart ins Auge gefaßt daß die Verwendung federbelasteter Einstellschrauben vorgesehen ist, die mit der Ausnehmung 25 und dem Amboß 43 in Wechselbeziehung treten, indem sie den Amboß gegen die Ausnehmungswände 30 fahren. Die Verwendung von Schrauben und federnden Materialien wird aufgrund der Vorspannungscharakteristik und aufgrund des minimalen Materialentfernungserfordernisses zur Herstellung den Öffnungen 145, bevorzugt.
• Beim Betrieb wird ein rasches Einstellen der radialen Position der Einsätze 45 durch Lösen der Verschlußschraube 48 erzielt, wobei die Spannung auf der Einstellschraube 110 entlastet wird. Die Einstellschraube 110 wird dann gedreht, wobei der gewölbte Schraubenkopf 110 gegen die konische Oberfläche 47 der ersten Ausnehmung 100 des Rückabschnittes 95 des Ambosses 43 gezwungen wird. Die entstehende Stellkraft zwischen dem Schraubenkopf 110 und der ersten Ausnehmung 100 fährt den Amboß 43 entlang der gewölbten Auflagerfläche 35, wobei der Amboß 43 in Richtung des Pfeiles 55 gedreht wird. Der axial gegenüber der Rotationsachse des Ambosses beabstandete Einsatz 65 wird radial beeinflußt. Beim gewünschten Einstellpunkt wird die Schraube 110 wieder mit der Verschlußschraube 48, die im Amboß 43 in der Ausnehmung 25 sitzt, gesichert.

Claims (10)

1. Bohrstangenanordnung umfassend einen im wesentlichen zylindrischen Körper, der um eine zentral angeordnete Achse (15) rotierbar ist, wobei der Körper einen Umfangsoberflächenbereich (20> und eine Ausnehmung (25) zur Aufnahme einer Patrone (40) umfaßt, die eine Einrichtung (60) zur Aufnahme eines festlegbaren einstellbaren Einsatzes (65) umfaßt, wobei der Einsatz mit polygonaler Ausbildung eine Schneidkante aufweist, die auf einer axial von dem Mittelpunkt (140) der Patrone beabstandeten Kante liegt;

die Ausnehmung (25) eine axiale Längenausdehnung und beabstandete Wände (30) aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander und zur Achse (15) sind, wobei die Ausnehmung des weiteren eine Auflagerfläche (35) umfaßt, die die Wände schneidet und sich radial zum Umfang hin öffnet;

die Patrone (40) eine im wesentlichen planare Oberseite (57) und eine Unterseite (45) aufweist;

die Oberseite (57) des weiteren axial beabstandete Front- und Rückabschnitte (90, 95) umfaßt;

die Einrichtung (60) zur Aufnahme des einstellbaren Einsatzes (65) in Form einer Tasche ausgebildet ist, die in der Patrone (40) umfaßt ist;

eine Einrichtung (125, 130) zum Vorspannen der Patrone in der Ausnehmung (25);

eine Einrichtung (105) zum Einstellen der Patrone (60) in der Bohrstange (10); und

wobei der Rückabschnitt (95) einen ersten Ausnehmungsbereich (100) zur Aufnahme der Einstelleinrichtung der Patrone (105) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Patrone (40) einen drehbaren Amboß (43) umfaßt, und daß die Unterseite (45) gewölbt ist, wobei die gewölbte Unterseite zur Auflagerfläche (35) korrespondiert und sich von dem Rückabschnitt (95) her erstreckt;

wobei die Einstelleinrichtung (105) eine Einstellung der Patrone (40) entlang eines Einstellweges ermöglicht, der durch die gewölbte Auflagerfläche (35) bestimmt ist;

der Frontabschnitt (90) einen zweiten Ausnehmungsbereich (115) zur Aufnahme der Spanneinrichtung aufweist;

der Amboß (43) um den Mittelpunkt (140) drehbar ist;

der Einsatz (65) im Amboß (43) eingesetzt ist, so daß eine Drehlast auf die Einstelleinrichtung 105) der Stange einwirkt; und

eine Einrichtung (145, 150) zum Zwingen des Ambosses gegen wenigstens eine der Ausnehmungswände (30).

2. Bohrstangenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Vorspanneinrichtung eine den Amboß (43) durchlaufende Schraube (125), Gewinde in der Bohrstange, und federnde Unterlegscheiben (130), die in der zweiten Ausnehmung (115) durch die Schraube (125) eingefaßt sind, umfaßt.

3. Bohrstangenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Einstelleinrichtung (105) eine in die Bohrstange eingeschraubte Schraube (110) umfaßt, und am Rückabschnitt (95) anliegt, um den Amboß (43) entlang des Sitzes in einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn (55) zu führen und dadurch eine radiale Einstellung der Schneidkante zu bewirken.

4. Bohrstangenanordnung nach Anspruch 3, wobei die Schneidkante eine neutrale axiale Neigung und eine positiv radiale Neigung aufweist.

5. Bohrstangenanordnung nach Anspruch 4, wobei der Rückabschnitt (95) einen konischen Sitz (100) für die Schraube umfaßt.

6. Bohrstangenanordnung nach Anspruch 5, wobei die Einstelleinrichtung (105) einen radialen Einstellbereich von ungefähr 0,5 mm bereitstellt.

7. Bohrstangenanordnung nach Anspruch 6, wobei der Einsatz (65) die Form eines Parallelogramms aufweist.

8. Bohrstangenanordnung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung (145, 150) zum Zwingen des Ambosses gegen die Ausnehmungswand eine Mehrzahl von Öffnungen (145) aufweist, die die Bohrstange senkrecht zu den Ausnehmungswänden durchlaufen und sich zum Umfang und zur Ausnehmung hin öffnen, wobei die Öffnungen einen Gewindeschnitt zur Aufnahme der Schrauben (150) aufweisen, die bei Drehung in den Öffnungen in die Ausnehmung eintreten und den Amboß gegen eine der Wände sichern.

9. Verfahren zur Verwendung der Bohrstangenanordnung nach Anspruch 1, umfassend

das Lösen einer Verschlußeinrichtung (48) der Einstelleinrichtung (110) am Rückabschnitt der Oberseite,

das Anziehen der Schrauben der Einstelleinrichtung, so daß die gewölbte Oberfläche (45) des Ambosses (43) entgegen dem Uhrzeigersinn in der gewölbten Ausnehmung läuft, wobei der Einsatz (65) radial gegenüber der Bohrstange eingestellt wird,

das Sichern der Einstellung des Einsatzes durch Festziehen der Verschlußeinrichtung (48) gegen die Einstelleinrichtung (110).

10. Bohrstangenanordnung nach Anspruch 1, wobei der erste Ausnehmungsbereich (100) einen konischen Sitz für die Einstellschraube (110) umfaßt.