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Gesteinsdrehbohrmaschine Die Erfindung betrifft eine Gesteinsdrehbohrmaschine,
bei der sowohl die Drehzahl des Bohrers als auch dessen Vorschubgeschwindigkeit
in gewissen Grenzen voneinander unabhängig regelbar sind.
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Die bisher bekannten Drehbohrmaschinen besitzen meist je einen Motor
für die Drehung und für den Vorschub des Bohrers, wobei der letztere über ein Getriebe
ein Ritzel antreibt, das in eine Zahnstange eingreift. Der Nachteil solcher Maschinen
besteht in einer sehr langen Bauart, um die im allgemeinen erwünschte Bohrlochtiefe
von z bis 3 m zu erreichen. Als Antrieb für beide Bewegungen dienen hierbei Motoren,
deren Leistungen bzw. Drehmomente in einem vorher festgelegten bestimmten Verhältnis
stehen. In der Praxis ergibt sich dadurch die Schwierigkeit, daß in weichem Gestein
beide Bewegungen zu schnell vor sich gehen, so daß der Bohrer im Bohrstaub festläuft,
während in hartem Gestein der Gegendruck so stark werden kann, daß ein Vorschub
des Bohrers nicht mehr erfolgt und die Schneiden schnell abgeschliffen werden.
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Es sind auch elektrische Bohrmaschinen kleinerer Leistungen für den
Kali- und Salzbergbau bekanntgeworden, bei denen eine Bohrspindel über ein Übersetzungsgetriebe
angetrieben wird und der Vorschub durch eine vom gleichen Motor angetriebene Mutter
erfolgt, die der Gewindespindel zugeordnet ist. Bei diesen :Maschinen sind die Drehzahl
und der Vorschub in ein bestimmtes konstantes Verhältnis gebracht, das nur durch
Austausch von Getrieberädern verändert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, eine Drehbohrmaschine
für Gestein verschiedener Härten zu schaffen, die eine optimale Leistung erzielt
und sogar während des Betriebes schnell den wechselnden Gesteinshärten angepaßt
werden kann. Die Bedingungen, die hierfür erfüllt werden müssen, sind sehr
verschiedenartig;
bei weichstem Gestein muß die Vorschubgeschwindigkeit ein bestimmtes Maximum erreichen,
um das Freischneiden des Bohrers und das Ausspülen des Bohrstaubes zu gewährleisten,
so daß auch die Drehzahl nicht allzu hoch werden darf. Bei härtestem Gestein muß
trotz niedrigerer Drehzahl des Bohrers immer ein gewisser Vorschub vorhanden sein,
damit die Bohrerschneiden ständig einen Bohrspan schneiden, um nicht zu schnell
zu verschleißen. Dazwischenliegende Gesteinshärten bedingen jeweils eine Anpassung
der Drehzahl und der Vorschubgeschwindigkeit an die praktischen Bedürfnisse und
insbesondere auch ein bestimmtes Verhältnis zwischen diesen.
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Diese Aufgabe wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst,
daß die Drehzahl durch einen auf die Antriebsmaschine wirkenden, von außen einstellbaren
Fliehkraftregler und die Vorschubgeschwindigkeit durch einen Servomotor geregelt
wird, der über eine Schnecke eine die Bohrspindel umgreifende Mutter antreibt, die
innen das Gewinde der Bohrspindel und außen das Schneckengewinde trägt.
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Dadurch, daß die Bohrmutter gegenüber der Bohrspindel verschiedene
Geschwindigkeiten erhalten kann, läßt sich in weiten Grenzen die Vorschubgeschwindigkeit
unabhängig von der Drehzahl regeln. Wenn beispielsweise die Normaldrehzahl des Motors
1500 UPM und das Untersetzungsverhältnis i : 3 beträgt, so ist die mittlere Drehzahl
des Bohrers 500 UPM. Sie sinkt bei einer Motordrehzahl von goo auf
300 UpM und kann bei einer Drehzahl von 2ioo bis auf 7oo UpM steigen. Bei
diesen Werten liegen auf Grund vorliegender praktischer Erfahrungen etwa die für
die verschiedenen Gesteinshärten erforderlichen Drehzahlen.
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Man kann nun den Antrieb der Bohrmutter so gestalten, daß entweder
bei ihrem Stillstand die mittlere Vorschubgeschwindigkeit gegeben ist und durch
Antrieb der Bohrmutter in der einen oder anderen Richtung der Vorschub vergrößert
oder verkleinert werden kann oder daß dem Stillstand der Bohrmutter die maximale
bzw. minimale Vorschubgeschwindigkeit entspricht und ihr Antrieb nur in einer Richtung
erfolgt. Weiterhin ist es möglich, auf diese Weise sogar eine Umkehrung des Vorschubs
zu erreichen und damit den Bohrer unter Beibehaltung seiner Drehrichtung zurückziehen
zu können.
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Für die praktische Leistung einer Gesteinsdrehbohrmaschine ist aber
nicht nur ihre Bohrleistung selbst maßgebend, sondern auch die Möglichkeit, schnell
und ohne große Ortsbewegungen der gesamten Maschine die Bohrer auswechseln zu können.
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Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die Bohrspindel hohl ausgebildet
und in ihrem vorderen Ende mit einem Klemmfutter ausgerüstet. Zweckmäßig wählt man
hierbei die Bohrung der Spindel so weit, daß der Bohrer von rückwärts ausgewechselt
werden kann. Dies hat nicht nur beim Auswechseln, sondern auch beim Nachfassen längerer
Bohrer bedeutende praktische Vorteile, da hierdurch eine besondere Führung des Bohrers
überflüssig wird. Er kann beim Ansetzen des Bohrloches kurz gefaßt und nach dem
Eindringen in das Gestein ein- oder mehrmals nachgefaßt werden. Dadurch ergibt sich
eine kurze Bauart der Maschine, da für den Vorschub nur ein Teil der Bohrerlänge
als Hub erforderlich ist. Um ein schnelles und sicheres Nachfassen des Bohrers zu
gewährleisten, ist es weiterhin vorteilhaft, diesen als mehr-, z. B. sechskantigen
Hohlbohrer auszubilden.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgedankens
dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Bohrmaschine, Abb. 2 ebenfalls einen Längsschnitt senkrecht hierzu, Abb.3 einen
Querschnitt durch den Antrieb der Bohrmutter und Abb. 4 einen teilweisen Schnitt
durch ein Klemmfutter mit Einzelheiten seiner Betätigung.
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Eine hohle Gewindespindel i dient zur Aufnahme des Bohrers 2, der
von hinten durch die Bohrung der Spindel eingeschoben werden kann. An ihrem vorderen
Ende besitzt die Spindel i ein Klemmfutter 3, welches leicht lösbar ist und den
Bohrer 2 in beliebigen Längen sicher festhält. Der Antrieb der Spindel i erfolgt
über ein Vorgelege 4 durch einen Druckluftzahnradmotor 5, der in dem gewählten Beispiel
umsteuerbar ist. Ein Drehzahlregler 6, der unter dem Einfluß einer Druckfeder 7
steht und von einer Einstellschraube 8 aus auf verschiedene Drehzahlen leicht einstellbar
ist, übernimmt die Regelung der Motordrehzahl, die der Bohrerdrehzahl unmittelbar
proportional ist.
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Der Antrieb der Spindel i erfolgt durch die Zahnräder des Vorgeleges
4 unter Zwischenschaltung einer Führungsbüchse g, die durch Keile io in entsprechende
Längsnuten ii der Spindel i eingreift.
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Die Spindel i ist von einer Mutter 12 umgeben, die innen das Gewinde
der Spindel i besitzt und außen als Schneckenrad ausgebildet ist, in das eine Schnecke
13 eingreift, die von einem Servomotor 14, der ebenfalls als Druckluftmotor ausgebildet
ist, angetrieben werden kann.
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Wird die Mutter 12 mit Hilfe der Schnecke 13 im gleichen Drehsinn
wie die Gewindespindel i angetrieben, so ergibt sich eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit;
im umgekehrten Fall, der durch Umsteuerung des Servomotors 14 zu erzielen ist, wird
der Vorschub beschleunigt. Steht der Antriebsmotor still, so wird auch die Mutter
12 infolge der selbsthemmenden Wirkung des Schneckenantriebs stillstehen, woraus
sich eine mittlere Vorschubgeschwindigkeit ergibt. Diese entspricht dem Produkt
aus Gewindesteigung und jeweiliger Drehzahl der Spindel.
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Es läßt sich aber auch erreichen, daß der Antriebsmotor 14 die Schnecke
13 nur in einer Richtung anzutreiben braucht, also nicht umsteuerbar sein muß, indem
man dem Stillstand der Mutter 12 die maximale Vorschubgeschwindigkeit zuordnet.
Beim Antrieb der Mutter 12 im gleichen Drehsinn wie die Spindel i wird dann die
Vorschubgeschwindigkeit in beliebiger Weise vermindert.
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Umgekehrt ist es aber auch möglich, dem Stillstand der Mutter 12 die
kleinste Vorschubgesrhwindigkeit zuzuordnen, dann muß aber der Antrieb der Mutter
im umgekehrten Drehsinn erfolgen, um größere Vorschubgeschwindigkeiten zu erzielen.
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Die kleinste erforderliche Leistung für den Servomotor 14 ergibt sich
natürlich, wenn die Mutter 12
immer nur im gleichen Drehsinn wie
die Spindel umläuft, so daß die maximale Vorschubgeschwindigkeit beim Stillstand
der Mutter vorgesehen werden sollte.
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Bei Wahl der kleinsten Vorschubgeschwindigkeit ist aber in allen Fällen,
selbst bei geringsten Tourenzahlen des Motors 5, darauf zu achten, daß die Drehzahl
der Mutter 12 immer etwas kleiner bleibt als die Drehzahl der Spindel i, damit ein
gewisser Vorschub des Bohrers gewährleistet bleibt und ein Stumpfwerden der Bohrerschneiden,
wie oben gesagt, durch Schleifen gegen das Bohrlochtiefste vermieden wird.
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Bei einem Übersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes von beispielsweise
i = i : io muß also dafür gesorgt werden, daß bei einer Drehzahl des Bohrers 2 von
300 UpM der Motor 14 stets unter 3000 UpM bleibt, was durch Drosselung
des Lufteintritts leicht erreicht werden kann.
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Zweifellos besitzt der Druckluftmotor als Antrieb für die Drehung
des Bohrers 2 insofern Vorteile, als seine Drehzahl durch den Regler 6 über weite
Grenzen veränderlich gestaltet und dadurch die jeweils optimale Bohrleistung in
allen Härtegraden der Gesteine leicht erreicht werden kann und weil er gegen Überlastungen
unempfindlich ist. Da es erfahrungsgemäß aber noch mehr auf eine gute Regelung der
Vorschubgeschwindigkeiten ankommt, die, wie oben beschrieben, am besten durch einen
Druckluftmotor und ein Schneckengetriebe erreicht werden kann, schließt vorliegende
Erfindung auch die Verwendung eines Elektromotors für den Antrieb der Spindel i
oder des Bohrers 2 ein, selbst wenn dieser mit gleichbleibender Drehzahl umläuft.
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Soll als Antrieb der Mutter 12 dann ebenfalls ein Elektromotor mit
gleichbleibender Drehzahl gewählt werden, so müßte zweckmäßig ein Getriebe genommen
werden, welches schaltbar oder stufenlos die Veränderung der Muttergeschwindigkeit
ermöglicht. Ein polumschaltbarer Motor wäre dann sicherlich vorzuziehen, der in
einem Drehsinn eine Verminderung und im anderen Drehsinn eine Erhöhung der Drehgeschwindigkeit
erzeugen kann, während beim Stillstand des Motors die mittlere Vorschubgeschwindigkeit
des Bohrers erreicht wird.
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Die Ausbildung der Einspannvorrichtung 3 für den Bohrer 2 ist in Abb.
4 einzeln herausgezeichnet, um zu verdeutlichen, wie die erwähnte schnelle Auswechselung
und das Nachfassen des Bohrers 2 bewirkt werden. Klemmbacken 21 legen sich um den
Schaft des Bohrers 2 und werden durch die Hülse 22 mit dem Bodenstück 23, die von
einer Feder 24 beaufschlagt wird, gegen das eigentliche Klemmfutter 30 gepreßt.
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Durch den Federdruck zieht sich die Spannvorrichtung bei jedem Betriebszustand
selbständig fest, während durch den Bohrandruck die Klemmbacken 21 sich immer fester
in das Klemmfutter 30 einpressen und dadurch ein sicheres Halten des Bohrers
2 gewährleisten.
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Um den Bohrer 2 zu lösen, wird am Ende des Rückwärtshubes der Spindel
i bzw. des Bohrers 2 der Ansatt 26 der Hülse 22 gegen einen Ventilkopf 25 bewegt,
der die Hülse 22 und die Klemmbacken 21 in Richtung auf das Bohrloch verschiebt,
so daß unter Überwindung der Feder 24 die Freigabe des Bohrers hierdurch veranlaßt
wird.
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Indem der Ventilkopf 25 also als Anschlag dient, um den Bohrer zu
lösen, muß hierbei gleichzeitig ein Stillsetzen der Maschine erreicht werden. Am
Ende des Rückhubes geschieht das erfindungsgemäß am einfachsten durch Niederdrücken
des Ventils 29, wodurch Preßluft auf das Ventil 28 geleitet wird, welches
vor dem Lufteintritt des Motors angeordnet ist.
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Die Preßluft für die Umsteuerung des Ventils 28, welches einseitig
durch eine Druckfeder 31 belastet wird wird dem Steuerkanal des Motors, der den
Rücklauf der Spindel bewirkt, beispielsweise dem Kanal 27 der Abb. i entnommen.
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Das Vorschieben des Bohrers geschieht bei gelöster Spannvorrichtung
am hinteren Ende der Maschine von Hand. Nach der Umsteuerung des Antriebsmotors
in Bohrrichtung schließt sich zunächst das Ventil 29, während sich dann die Spannvorrichtung
durch den Federdruck automatisch festzieht.