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Die
Erfindung betrifft ein Drehwerkzeug, insbesondere ein Bohrwerkzeug,
mit einem Aufnahmeteil und einem Frontteil, die sich entlang einer
Mittenachse erstrecken und über eine Mitnehmerverbindung
lösbar aneinander befestigt sind.
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Ein
derartiges als Bohrwerkzeug ausgebildetes Zerspanungswerkzeug ist
aus der
WO 2007/107294
A1 zu entnehmen. Bei diesem Bohrwerkzeug handelt es sich
um ein modulares Zerspanungswerkzeug, welches einen austauschbaren Werkzeugkopf
aufweist, der mit einem genuteten Bohrkörper über
die Mitnehmerverbindung lösbar verbindbar ist. Die Mitnehmerverbindung
umfasst hierbei einen an der Unterseite des Bohrkopfs angeordneten
und sich quer über eine Mittenlängsachse erstreckenden
Mitnehmersteg. Dieser wird in eine zu der Form des Mitnehmerstegs
korrespondierende Aufnahmetasche des Bohrkörpers eingesetzt.
Die Aufnahmetasche umschließt hierbei den Mitnehmersteg
vollumfänglich.
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Die
Mitnehmerverbindung dient allgemein zur Drehmomentübertragung
zwischen den beiden Werkzeugteilen. Bei derartigen Mitnehmerverbindungen
besteht oftmals ein Konflikt zwischen einem möglichst stabilen
Mitnehmersteg für die Drehmomentübertragung und
einer möglichst geringen Schwächung des Bohrkörpers.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Drehwerkzeug mit einer
verbesserten Mitnehmerverbindung anzugeben, die für hohe
Drehmomente ausgelegt ist und zugleich lediglich eine geringe Schwächung
des Aufnahmeteils bewirkt.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst
durch ein Drehwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dem
Drehwerkzeug handelt es sich allgemein um ein Rotationswerkzeug
für eine spanende Bearbeitung eines Werkstücks.
Das Drehwerkzeug ist mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet
und umfasst einen Aufnahmeteil und einen Frontteil. Im Falle eines
Bohrwerkzeugs ist der Aufnahmeteil der Bohrkörper und der
Frontteil der Bohrkopf. Diese beiden sich ent lang einer Mittenachse (Axialrichtung)
erstreckenden Teile sind über eine Mitnehmerverbindung
lösbar aneinander befestigt. Diese weist zwei voneinander
getrennte und bezüglich der Mittenachse exzentrisch angeordnete
Kupplungspaare auf. Jedes der Kupplungspaare ist hierbei gebildet
durch zwei ineinandergreifende Kupplungselemente, nämlich
einerseits ein Mitnehmerzapfen und andererseits eine diesen vollständig umschließende
Aufnahmetasche. Die Kupplungselemente dienen zum einen zur Übertragung
der Drehmomentkräfte zwischen den beiden Teilen. Zum anderen
dienen die beiden Kupplungselemente auch zum fluchtenden Ausrichten
der beiden Teile miteinander, d. h. über die Kupplungselemente
werden die beiden Teile zueinander und bezüglich der Mittenachse
zentriert. Im Hinblick auf diese Doppelfunktion sind die Kupplungselemente
asymmetrisch ausgebildet und verbreitern sich – in der
Ebene senkrecht zur Mittenachse gesehen – mit zunehmendem
Abstand zur Mittenachse. Durch die asymmetrische Ausgestaltung wird
insbesondere die bei dem Zusammenfügen der beiden Teile
eine automatische Zentrierung der beiden Teile erreicht. Gleichzeitig
wird mit der Verbreiterung mit zunehmendem radialen Abstand von
der Mittenachse die Mitnehmerverbindung in den radial äußeren
Bereichen besonders stark ausgebildet, so dass hohe Drehmomentkräfte übertragen werden
können.
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Unter
asymmetrische Ausgestaltung der Kupplungselemente wird hierbei insbesondere
verstanden, dass diese eine senkrecht zur Mittenachse orientierte
Querschnittsfläche aufweisen, die weder bezüglich
einer Drehachse noch bezüglich einer Ebene eine Symmetrie
aufweisen.
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Ein
besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass
die beiden Kupplungspaare voneinander getrennt sind und jeweils
exzentrisch bezüglich der Mittenachse angeordnet sind.
Im Bereich der Mittenachse selbst ist daher durch die Mitnehmerverbindung
keine Änderung am Aufnahmeteil oder am Frontteil vorgesehen.
Vorzugsweise liegen die beiden Teile im Bereich der Mittenachse
plan aufeinander auf, ohne dass sie in diesem Bereich ineinander
greifen. Die einzelnen Kupplungspaare sind daher in einen radial äußeren
Bereich verlagert. Dadurch bleibt der Kern des Werkzeuges von der
Mitnehmerverbindung unberührt.
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Untersuchungen
haben gezeigt, dass diese Ausgestaltung mit den zwei exzentrisch
und voneinander getrennten Kupplungspaaren im Vergleich zu der Ausgestaltung,
wie sie in der
WO
2007/107294 A1 beschrieben ist zu einer Reduzierung des
Spannungen im Bohrkörper, also im Aufnahmeteil führen. Die
Belastung des Aufnahmeteils – bei gleicher oder verbesserter
Drehmomentübertragung – wird um etwa 20% reduziert.
Weiterhin ist durch die getrennte Anordnung der Mittenbereich frei,
in dem nunmehr problemlos Kühlmittelbohrungen, Spannschrauben etc.
eingebracht werden können. Zudem ermöglicht der
vergrößerte Freiraum im Bereich um die Mittenachse
eine größere Gestaltungsfreiheit im Hinblick auf
die Ausgestaltung insbesondere der Spannuten. Diese können
nunmehr deutlich näher an die Mittenachse herangeführt
werden.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Ausgestaltung ist der Mitnehmerzapfen hierbei nach
Art eines Prismas ausgebildet. In gleicher Weise ist auch die Aufnahmetasche
angepasst an den Mitnehmerzapfen als eine prismatische Aufnahme
ausgebildet.
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Unter
nach Art eines Prismas ausgebildet wird verstanden, dass die beiden
Kupplungselemente jeweils eine in etwa polygonale Grundfläche
mit vorzugsweise parallel zur Mittenachse sich erstreckende Seitenwände
aufweisen. Insbesondere ist eine Grundfläche mit 4 Eckbereichen
vorgesehen. Die Eckbereiche sind hierbei zweckdienlicher Weise gerundet
ausgebildet. Auch die Verbindung zwischen den einzelnen Eckbereichen
muss nicht zwangsläufig geradlinig erfolgen.
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Der
besondere Vorteil dieser prismatischen Ausgestaltung ist darin zu
sehen, dass benachbarte Seitenwände zur automatischen Fixierung
bzw. Zentrierung der beiden Teile dienen. Im Sinne einer möglichst
stabilen Ausbildung ist hierbei vorzugsweise vorgesehen, dass die
Ausdehnung des jeweiligen Mitnehmerzapfens in radialer Richtung
vorzugsweise mehr als 50% des Radius des Drehwerkzeugs beträgt.
Die beiden Kupplungselemente sind zueinander vorzugsweise rotationssymmetrisch
bezüglich einer Drehung um die Mittenachse ausgebildet.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung mit zwei Kupplungspaaren sind
die Kupplungselemen te daher bezüglich einer Drehung um
die Mittenachse um 180° symmetrisch zueinander ausgebildet.
Alternativ hierzu besteht prinzipiell auch die Möglichkeit,
die Kupplungselemente unsymmetrisch zueinander auszubilden.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kupplungselemente
jeweils radial außenliegende, insbesondere gekrümmte
Außenanlageflächen sowie weitere Mitnehmerflächen umfassen.
Im Lastfall, also bei einer Drehmomentübertragung, werden
sowohl die Außenanlageflächen als auch die Mitnehmerflächen
der beiden ineinandergesteckten Kupplungselemente gegeneinander gepresst.
Die Außenanlageflächen und die Mitnehmerflächen
sind hierbei voneinander getrennt. Zweckdienlicherweise bilden sie
benachbarte Seitenflächen des Prismas, über die
die Selbstzentrierung erfolgt.
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Vorzugsweise
sind hierbei die Mitnehmerflächen im Wesentlichen in radialer
Richtung orientiert, um eine möglichst optimale Kraftübertragung
für die Drehmomentmitnahme zu ermöglichen. Unter
im Wesentlichen in radialer Richtung orientiert wird hierbei insbesondere
verstanden, dass die Mitnehmerflächen bezüglich
der Radialen maximal bis unter einem Winkel +/–20°,
vorzugsweise +/–10° orientiert sind.
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Zweckdienlicherweise
weist die Aufnahmetasche einen die Außenanlagefläche
umfassenden Außensteg auf, der sich in Richtung zu im Lastfall
belastete Bereich der Außenanlagefläche verbreitert. Der
Außensteg bildet mit seiner Außenseite hierbei zugleich
auch die Außenseite des Drehwerkzeugs. Die im Wesentlichen
konzentrisch zu der Außenmantelfläche des Drehwerkzeugs
verlaufende Außenanlagefläche weicht daher gemäß der
bevorzugten Ausgestaltung von der konzentrischen Anordnung dahingehend
ab, dass die Breite des Wandungsbereichs zu den belastenden Bereichen
hin zunimmt.
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Bevorzugt
umfasst die Aufnahmetasche zumindest einen stegartigen und elastischen
Wandungsbereich. Dieser ist ausreichend dünn und damit elastisch,
so dass im Lastfall beim Auftreten der Drehmomentkräfte
eine elastische Verformung des Wandbereichs erfolgen kann, so dass
ein Flächenkontakt zwischen dem elas tischen Wandungsbereich und
einem zugeordneten Flächenabschnitt des Mitnehmerzapfens
ausgebildet wird. Aufgrund dieser Ausgestaltung erfolgt daher ein
automatischer Toleranzausgleich zwischen den beiden Kontaktflächen zwischen
dem Mitnehmerzapfen und der Aufnahmetasche, um eine gewünschte
flächige Anlagefläche für die Drehmomentübertragung
zu erzielen. Derartige Toleranzungenauigkeiten sind beispielsweise
bedingt durch Maßungenauigkeiten beim Herstellen der Aufnahmetasche
und/oder des Mitnehmerzapfens. Hierbei ist zu berücksichtigen,
dass das Aufnahmeteil (Bohrkörper) für viele Frontteile
(Bohrerköpfe) ausgelegt ist, die Verschleißteile
darstellen.
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Allgemein
sind die den Mitnehmerzapfen umgebende Wandungsbereiche der Aufnahmetasche
stegartig mit einer im Vergleich zu dem Mitnehmerzapfen geringen
Breite ausgebildet.
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Im
Hinblick auf die angestrebte Selbstzentrierung der beiden Werkzeugteile
zueinander weisen die beiden Kupplungselemente für die
Montage ein Spiel zueinander und zudem unterschiedliche Querschnittsgeometrien
auf, derart, dass eine geringfügige Relativbewegung zwischen
den beiden ineinandergesteckten Kupplungselementen ermöglicht
ist. Bei einer solchen Relativdrehung werden die Kupplungselemente
gegeneinander verspannt. Vorzugsweise kommen hierbei die gekrümmten
Außenanlageflächen gegeneinander zum Anliegen.
Da sich die beiden Kupplungselemente über die Außenanlageflächen
in radialer Richtung aneinander abstützen wird durch diese
Maßnahme auf den jeweiligen Mitnehmerzapfen eine radial
nach Innen gerichtete Kraftkomponente ausgeübt. Da dies
bei jedem Kupplungspaar erfolgt, führt dies zu der gewünschten
automatischen Zentrierung der beiden Werkzeugteile. Vorzugsweise
sind die Außenanlageflächen der beiden Kupplungselemente
eines Kupplungspaares zueinander exzentrisch angeordnet. Darunter
wird verstanden, dass die Außenanlageflächen entlang
einer Kreisbahn mit definiertem Krümmungsradius verlaufen,
wobei die Mittelpunkte der Kreise versetzt zueinander angeordnet
sind. Ergänzend können auch unterschiedliche Krümmungsradien
für die Außenanlageflächen vorgesehen
sein.
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Vorzugsweise
ist das Spiel hierbei derart gewählt, dass die beiden Kupplungselemente
einen freien Verdrehwinkel im Bereich von 1 bis 5° aufweisen,
das heißt sie können in einem begrenzten Winkelbereich
von maximal 1° bis 5° zueinander verdreht werden.
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Durch
den Mitnehmerzapfen erstreckt sich zumindest eine im Wesentlichen
in Axialrichtung verlaufende Bohrung, die mit einer korrespondierenden Bohrung
in der Aufnahmetasche fluchtet. Diese Bohrung ist vorzugsweise eine
Kühlmittelbohrung oder auch eine Bohrung für die
Aufnahme eines Befestigungsmittels wie beispielsweise eine Schraube. Zweckdienlicherweise
sind im Mitnehmerzapfen zwei Bohrungen, nämlich eine für
ein Kühlmittel und eine für ein Befestigungsmittel,
insbesondere Spannschraube vorgesehen. Beide fluchten mit entsprechenden
Bohrungen in der Aufnahmetasche.
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Die
zur Aufnahme der Spannschraube vorgesehene Bohrung ist dabei zweckdienlicherweise schräg
bezüglich der Längsrichtung orientiert, und zwar
derart, dass beim Anziehen der Spannschraube die beiden Kupplungselemente
gegeneinander verspannt werden. Die Schrägstellung ist
hierbei derart gewählt, dass vorzugsweise ein Verspannen
sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung erfolgt. Die
Längsachse der Bohrung ist hierbei etwa in Umfangsrichtung
geneigt, genauer in Spannrichtung, in der der Mitnehmerzapfen gegen
die Aufnahmetasche verspannt ist. Die Längsachse der Bohrung
verläuft also innerhalb etwa einer Tangentialebene, genauer
innerhalb der Ebene, die von der Axialrichtung und der Spannrichtung
aufgespannt ist. Die in dieser Ebene liegende Bohrungslängsachse
weist einen Neigungswinkel bezüglich der Axialrichtung
größer von 1° im Bereich zwischen 3° und
20° und vorzugsweise im Bereich von etwa 10° auf.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Ausgestaltung ist zwischen der Aufnahmetasche und
dem Mitnehmerzapfen ein sich vorzugsweise in Axialrichtung parallel
zur Mittenachse erstreckendes Ausgleichselement angeordnet, dass
im Lastfall flächig sowohl am Mitnehmerzapfen als auch
an der Aufnahmetasche anliegt. Im Lastfall wird daher eine vom Mitnehmerzapfen
ausgeübte Kraft auf die Aufnahmetasche übertragen.
Das Ausgleichselement ist hierbei um seine Längsachse insbesonde re
frei drehbar. Dieses Ausgleichselement dient zum Toleranzausgleich,
um eine gewünschte flächige Anlage der an der
Kraftübertragung beteiligten Flächen zu ermöglichen. Durch
das Ausgleichselement werden herstellungsbedingte oder eventuell
auch betriebsbedingte Maßungenauigkeiten ausgeglichen.
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Das
Ausgleichssegment weist hierzu vorzugsweise eine kreissegmentartige
Querschnittsfläche auf. Das Ausgleichssegment ist daher
etwa halbzylindrisch ausgebildet und weist eine teilzylindrische sowie
eine ebene Anlagefläche auf. Weiterhin ist vorgesehen,
dass das Ausgleichselement einen zylindrischen Befestigungsschaft
aufweist, mit dem es in eine als Bohrung ausgebildete Schaftaufnahme
in der Aufnahmetasche einsteckt ist, wobei eine Drehbarkeit des
Ausgleichselements innerhalb der Schaftaufnahme ermöglicht
ist. Das Ausgleichselement ist hierbei vorzugsweise in einem Eckbereich der
prismatischen Kupplungselemente angeordnet, und zwar insbesondere
in dem Eckbereich, der die Außenanlageflächen
mit den Mitnehmerflächen verbindet. Um die freie Drehbarkeit
zu ermöglichen ist weiterhin in zweckdienlicher Ausgestaltung
vorgesehen, dass die Aufnahmetasche eine Ecklochbohrung aufweist
und der Mitnehmerzapfen in dem korrespondierenden Eckbereich abgeflacht
ist. Aufgrund der Ecklochbohrung ist eine ausreichende Drehbewegung
des Ausgleichselements ermöglicht.
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Das
Ausgleichselement und zumindest eines der Kupplungselemente bestehen
hierbei vorzugsweise aus unterschiedlich hartem Material. Das Ausgleichselement
kann weicher oder auch härter als das zumindest eine Kupplungselement
sein. Durch die unterschiedliche Materialhärte wird eine
zusätzliche Anpassung und ein zusätzlicher Toleranzausgleich
durch eine plastische Verformung ermöglicht.
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Um
eine sichere Befestigung der beiden Teile aneinander in der gewünschten
Lage zu gewährleisten ist gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung eine Spanneinrichtung vorgesehen,
die von der Seite betätigbar ist, und über die
der Mitnehmerzapfen mit der Aufnahmetasche verspannbar ist. Unter verspannen
wird hierbei insbesondere eine Verspannung sowohl in Umfangsrichtung
als auch in Axialrichtung verstanden, so dass die beiden Kupplungselemente
in ihre Solllage zueinander gebracht werden. Diese Spanneinrichtung
wird vorzugsweise alter nativ zu der bereits beschriebenen Spannschraube
eingesetzt, die im Wesentlichen in axialer Richtung orientiert ist
und von der Stirnseite aus betätigt wird. Die seitliche
Spanneinrichtung, die also von der Mantelfläche des Drehwerkzeugs
aus betätigbar ist und in radialer oder auch in annähernd
tangentialer Richtung im Drehwerkzeug orientiert ist weist den Vorteil
auf, dass keine Modifikationen am Frontteil vorgenommen werden müssen.
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Zweckdienlicherweise
ist für die Ausbildung der Spanneinrichtung am Mitnehmerzapfen
ein sich in Längsrichtung erstreckender Spannzapfen angeordnet,
der in eine Zapfenaufnahme der Aufnahmetasche eintaucht. Zusätzlich
ist ein Spannelement vorgesehen, welches auf den Spannzapfen seitlich
einwirkt, um den Mitnehmerzapfen mit der Aufnahmetasche zu verspannen.
Durch die zusätzliche Anordnung des Spannzapfens ist eine
Entkopplung der Spanneinrichtung von dem Mitnehmerzapfen erreicht.
Der Mitnehmerzapfen wird daher nicht geschwächt. Vorzugsweise
liegt der Spannzapfen in der Zapfenaufnahme spannungsfrei ein, selbst
im verspannten Zustand zwischen der Aufnahmetasche und dem Mitnehmerzapfen.
Auch im verspannten Zustand weist daher der Spannzapfen ein Spiel
zur Zapfenaufnahme auf. Zweckdienlicherweise ist der Spannzapfen
hierbei asymmetrisch und außer der Mitte an der Unterseite
des Mitnehmerzapfens angeordnet.
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Vorzugsweise
alternativ zu der Ausgestaltung mit dem Spannzapfen weist die Spanneinrichtung
ein in einem der Kupplungselemente verstellbar gelagertes Element,
beispielsweise ein Gewindeelement wie einen Gewindestift oder einen
Bolzen auf, wobei das Element sich mit einer seiner Stirnseiten zum
Verspannen an dem anderen Kupplungselement abstützt. Bei
der Ausgestaltung als Gewindestift wird dieser daher in das jeweilige
Kupplungselement hinein- bzw. herausgedreht, bis sich der Gewindestift
an dem anderen Kupplungselement abstützt und somit die
beiden Kupplungselemente gegeneinander verspannt. Auch diese Spanneinrichtung
ist wiederum derart ausgebildet, dass sowohl ein Verspannen in Umfangs-
als auch in Axialrichtung erfolgt.
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Zweckdienlicherweise
ist das Element in einem Durchgangsloch des einen Kupplungselements verstellbar
gelagert, so dass das Element auch mit seiner zweiten Stirnseite
am anderen Kupplungselement abstützbar ist. Dies dient
zum Lösen der Mitnehmerverbindung bei miteinander verspannten Kupplungselementen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher
erläutert. Diese zeigen in teilweise schematischer Darstellung:
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1 eine
perspektivische ausschnittsweise Darstellung eines modularen Bohrwerkzeugs,
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2 eine
perspektivische Ansicht der Rückseite eines Bohrkopfes
des Bohrwerkzeugs gemäß 1 mit Mitnehmerzapfen
einer ersten Ausführungsvariante,
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3 eine
perspektivische Aufsicht auf die vordere Stirnseite eines Bohrkörpers
des Bohrwerkzeugs gemäß 1 mit Aufnahmetaschen
der ersten Ausführungsvariante,
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4a–c
eine schematische Aufsicht auf die Mitnehmerverbindung zwischen
dem Bohrkörper und dem Bohrkopf (4a) einer
zweiten Ausführungsvariante sowie ausschnittsweise Schnittansichten
zu den in der 4a eingezeichneten Schnittlinien 4b-4b
bzw. 4c-4c,
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5 eine
schematische Aufsicht auf die Mitnehmerverbindung der ersten Ausführungsvariante,
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6 eine
schematische Aufsicht auf die Mitnehmerverbindung ähnlich
den 4a und 5 einer dritten Ausführungsvariante,
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7 eine
perspektivische Ansicht des Bohrkopfes auf den Mitnehmerbereich
gemäß der dritten Ausführungsvariante,
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8 eine
perspektivische Aufsicht auf den Mitnehmerbereich des Bohrkörpers
gemäß der dritten Ausführungsvariante,
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9a,
b eine Aufsicht (9a) auf die Stirnseite des Bohrkörpers
sowie eine Schnittansicht durch den Bohrerkopf (9b),
wobei die Schnittebene bestimmt ist durch die Schnittlinie 9b-9b
in der 9a,
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10 eine
perspektivische Ansicht auf die Mitnehmerverbindung des Bohrerkopfs
gemäß einer vierten Ausführungsvariante,
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11 eine
schematische Aufsicht auf die Mitnehmerverbindung gemäß einer
fünften Ausführungsvariante, die eine Kombination
der dritten und vierten Ausführugnsvariante bildet,
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12 eine
perspektivische Ansicht auf den Mitnehmerbereich des Bohrerkopfs
gemäß einer sechsten Ausführungsvariante,
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13 eine
schematische Aufsicht auf die Mitnehmerverbindung gemäß der
sechsten Ausführungsvariante,
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14 eine
teilweise Schnittansicht im Bereich eines Spannzapfens gemäß der
sechsten Ausführungsvariante entlang der Schnittlinie 14-14
in 13,
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Gleichwirkende
Teile sind in den Fig. mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die
Mitnehmerverbindung wird nachfolgend anhand eines Bohrwerkzeugs
in unterschiedlichen Ausführungsvarianten beschrieben.
Die Mitnehmerverbindung lässt sich allgemein auch auf andere
Drehwerkzeuge zum Koppeln von zwei Teilen eines Werkzeugs übertragen.
Die einzelnen zu den verschiedenen Varianten nachfolgend beschriebenen
Merkmale und konstruktiven Ausgestaltungen lassen sich – soweit
sie sich nicht ausschließen – auch miteinander
kombinieren.
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Das
in der 1 dargestellte Bohrwerkzeug 2 ist modular
aufgebaut und umfasst einen den Frontteil bildenden Bohrerkopf 4,
der austauschbar an einem den Aufnahmeteil bildenden Bohrerkörper 6 befestigt
ist. Das Bohrwerkzeug 2 erstreckt sich in Axial- oder Längsrichtung
entlang einer Mittenachse 8. Im Ausführungsbeispiel
weist der Bohrerkopf 4 eine als Schneideinsatz ausgebildete
zentrale Bohrerspitze 10 sowie zwei radial außenseitig
angeordnete Schneidplatten 12 auf. An der vorderen Stirnseite
des Bohrerkopfs 4 sind insgesamt vier Austrittsöffnungen 14 für
Kühlmittel zu erkennen. Die Schneidplatten 12 sind
mit ihrer freien Flachseite zu einer Spannut 15 hin orientiert,
die im Bohrerkopf 4 beginnt und im Bohrerkörper 6 als
gewendelte Spannut 15 weitergeführt wird. Der
Bohrerkopf 4 ist mit Hilfe von Spannschrauben 16,
die von der Stirnseite her durch den Bohrerkopf 4 durch
diesen geführt sind, mit dem Bohrerkörper 6 verschraubbar.
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Der
Bohrerkopf 4 und der Bohrerkörper 6 sind über
eine Mitnehmerverbindung lösbar aneinander befestigt.
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Wie
aus den 2 und 3 hervorgeht, umfasst
die Mitnehmerverbindung zwei Mitnehmerzapfen 18, die an
der Unterseite des Bohrerkopfs 4 beabstandet voneinander
und außermittig zu der Mittenachse 8 angeordnet
sind. Im zusammengebauten Zustand greifen die Mitnehmerzapfen in
eine jeweilige, korrespondierende Aufnahmetasche 20 des
Bohrerkörpers 6. Die Mitnehmerzapfen 18 sind ausgehend
von der bodenseitigen Flachseite des Bohrerkopfs 4 als
prismenartige Erhebungen ausgebildet. In gleicher Weise sind die
Aufnahmetaschen 20 von einer ebenen Stirnfläche
des Bohrerkörpers 6 ausgehend als prismenartige
Vertiefungen ausgebildet. Die Mitnehmerzapfen 18 sind jeweils
von einer Kühlmittelbohrung 22 sowie von einer
Befestigungsbohrung 24 durchsetzt, die jeweils mit zugeordneten Bohrungen 22', 24' in
der ebenen Bodenfläche der Aufnahmetasche 20 fluchten.
Die Kühlmittelbohrungen 22, 22' werden
in hier nicht näher dargestellter Weise von einem zentralen
Kühlmittelkanal 26 gespeist.
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Die
Mitnehmerzapfen 18 sind jeweils begrenzt durch eine Stirnfläche,
die in einer Ebene senkrecht zur Mittenachse 8 liegt sowie
durch eine Umfangs- oder Mantelfläche, die achsparallel
zur Mittenachse orientiert ist. Komplementär hierzu sind auch
die jeweiligen Aufnahmetaschen 20 ausgebildet.
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Von
besonderer Bedeutung ist die getrennte Ausgestaltung der beiden
Mitnehmerzapfen 18 und ihre vollständige, allseitig
umschließende Aufnahme in den Aufnahmetaschen 20.
Die Mitnehmerzapfen 18 sowie die Aufnahmetaschen 20 weisen
eine spezielle nachfolgend noch weiter erläuterte Geometrie auf.
Die Querschnittsfläche – senkrecht zu Mittenachse – eines
jeden Kupplungselements 18, 20 ist durch eine
Asymmetrie geprägt. Diese sorgt dafür, dass über
die Mitnehmerverbindung eine sehr gute Drehmomentübertragung
bei möglichst geringer Spannungsbelastung des Bohrkörpers 6 im
Bereich der Aufnahmetaschen 20 erfolgt. Zugleich sind die Mitnehmerzapfen 18 in
Verbindung mit den Aufnahmetaschen 20 derart geformt und
angeordnet, dass eine automatische Selbstzentrierung der beiden
Teile 4, 6 zueinander erfolgt. Jeder der Mitnehmerzapfen 18 bil det
mit der ihm zugehörigen Aufnahmetasche 20 ein
Kupplungspaar, die Mitnehmerzapfen 18 und die Aufnehmertaschen 20 bilden
allgemein komplementär zueinander ausgebildete Kupplungselemente,
die – bis auf die nachfolgend noch beschriebenen geringfügigen
Unterschiede – identische Querschnittsgeometrien aufweisen.
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Wie
aus 4a hervorgeht, weisen die Kupplungselemente jeweils
eine in etwa polygonale Querschnittskontur (betrachtet in einer
Ebene senkrecht zur Mittenachse 8) auf. In den Ausführungsbeispielen
weisen die Kupplungselemente 18, 20 jeweils vier
Eckbereiche auf, die jeweils gerundet ausgebildet sind. Die Kupplungselemente
haben in den Ausführungsbeispielen allgemein eine trapezförmige Querschnittsfläche.
Zwischen den einzelnen Eckbereichen sind jeweils Wandabschnitte
ausgebildet. Die 4a zeigt die Mitnehmerverbindung
im belasteten Zustand, wenn also die einzelnen Kupplungselemente 18, 20 zur
Drehmomentübertragung aneinander anliegen. Wie aus der 4a zu
erkennen ist, liegen in diesem Fall jeweils zwei Wandungsbereiche
aneinander an. Der eine Wandungsbereich ist der radial außen
liegende Wandungsbereich, in dem die Kupplungselemente 18, 20 über
Außenanlageflächen 28 aneinander anliegen.
Diese sind gekrümmt ausgebildet und laufen im Ausführungsbeispiel
der 4a konzentrisch zu der äußeren
Umfangsseite des Bohrwerkzeugs 2. Die beiden Kupplungselemente 18, 20 liegen
weiterhin mit zu den Anlageflächen 28 benachbarten
Mitnehmerflächen 30 aneinander an. Diese sind
im Ausführungsbeispiel der 4a im Wesentlichen
radial zur Mittenachse 8 orientiert. Die beiden weiteren
Wandungsbereiche der Kupplungselemente weisen zueinander jeweils
ein Spiel auf, so dass insgesamt die Mitnehmerzapfen 18 mit
Spiel in der jeweiligen Aufnahmetasche 20 einliegen. Diese weiteren
Wandungsbereiche haben daher bezüglich der Drehmomentübertragung
keine Funktion und dienen auch nicht zur Zentrierung der beiden
Teile 4, 6 zueinander. Im Ausführungsbeispiel
sind diese Wandungsbereiche in etwa senkrecht zueinander orientiert
und verlaufen jeweils parallel und beabstandet zu zwei Ebenen, die
ebenfalls unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind
und die Mittenachse 8 jeweils in sich aufnehmen.
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Wie
aus den Schnittdarstellungen der 4b zu
entnehmen ist, liegen die beiden Kupplungselemente 18, 20 im
Bereich ihrer Mitnehmerflächen 30 unmittelbar
aneinander an. Gleichzeitig ist zu erkennen, dass der Bohrerkopf 4 mit
seiner planen Unterseite plan auf der ebenen Stirnfläche
des Bohrerkörpers 6 aufliegt. Die Unterseite des
Mitnehmerzapfens 18 ist demgegenüber von der Bodenfläche
der Aufnahmetasche 20 beabstandet. Aus 4c ist
schließlich noch zu erkennen, dass die nicht an der Drehmomentübertragung
beteiligten rückwärtigen Wandungsbereiche der
beiden Kupplungselemente 18, 20 voneinander beabstandet
sind.
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Bei
der Montage des Bohrerkopfs 4 an den Bohrkörper 6 werden
zunächst die Mitnehmerzapfen 18 in die Aufnahmetaschen 20 eingesteckt.
Anschließend wird der Bohrerkopf 4 relativ zum
Bohrerkörper 6 geringfügig verdreht,
wobei aufgrund dieser Relativverdrehung der Bohrerkopf 4 und
der Bohrerkörper 6 über die Kupplungselemente 18, 20 miteinander verspannt
werden. Zur Erläuterung dieses Vorgangs ist in 5 auf
der linken Bildhälfte das Kupplungspaar in dem nicht verspannten
Zustand und auf der rechten Bildhälfte im verspannten Zustand
dargestellt. In 5 ist die Ausführungsvariante
dargestellt, wie sie auch in den 2 und 3 zu
entnehmen ist.
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In
der 5 sind jeweils die Krümmungsradien r1, r2 der Außenanlageflächen 8 des
Mitnehmerzapfens 18 (r1) bzw. der
Aufnahmetasche 20 (r2) eingezeichnet.
Wie zu erkennen ist, sind die Mittelpunkte der Krümmungsradien
versetzt zueinander angeordnet, so dass insgesamt die Mitnehmerzapfen 18 exzentrisch
zu den Aufnahmetaschen 20 angeordnet sind. Durch diese
Maßnahme werden bei der Drehbewegung die zueinander korrespondierenden Außenanlageflächen 28 gegeneinander
verspannt. Aufgrund der im Ausführungsbeispiel 180° Symmetrie
der beiden Kupplungspaare erfolgt bei dieser Drehbewegung die automatische
Zentrierung des Bohrerkopfs 4 relativ zum Bohrerkörper 6.
Die Kupplungselemente 18, 20 sind hierbei um einen
freien Verdrehwinkel α zueinander verdrehbar, der im Bereich
von einigen Grad, im Ausführungsbeispiel im Bereich von
2° liegt.
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Bis
auf diese exzentrische Ausgestaltung sind die beiden Kupplungselemente 18,20 gleichartig,
also mit gleicher Querschnittsgeometrie ausgebildet. Zur Ausbildung
des Spiels, das aus der linken Bildhälfte der 5 gut
zu erkennen ist, sind lediglich die Mitnehmerzapfen etwas kleiner
als die Aufnahmetaschen ausgebildet.
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Während
im Ausführungsbeispiel der 4a die
Mitnehmerflächen 30 zu dem radial Innen liegenden
Eckbereich konkav nach Innen gewölbt verläuft, erstrecken
sich die Mitnehmerflächen 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel
gemäß der 5 im Wesentlichen
geradlinig, wobei sie unter einem Winkel von wenigen Grad von der
Radialen, die durch die Mittenachse 8 verläuft,
abweichen.
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Die
in 6 dargestellte dritte Ausführungsvariante
baut auf der Ausführungsvariante gemäß der 5 auf.
Auch hier zeigt die linke Bildhälfte den unverspannten
und die rechte Bildhälfte den verspannten Zustand. Im Unterschied
zum Ausführungsbeispiel der 5 ist im
Eckbereich, welcher die Mitnehmerflächen 30 mit
den Außenanlageflächen 28 verbindet ein
Ausgleichselement 32 angeordnet. Das Ausgleichselement 32 ist
nach Art eines Passstiftes ausgebildet, erstreckt sich parallel
zur Mittenachse 8 und weist im Querschnitt gesehen eine Kreissegmentartige
Fläche auf. Aufgrund des Ausgleichselements 32 ist
der diesbezügliche Eckbereich des Mitnehmerzapfens 18 abgeflacht
ausgebildet, wie aus 7 am Besten zu erkennen ist.
Das Ausgleichselement 32 weist an seinem rückwärtigen Ende
einen zylindrischen Befestigungsschaft 34 auf, mit dem
es in eine zylindrische Schaftaufnahme 36 (8)
im Boden der Aufnahmetasche 20 eingesteckt ist. Das Ausgleichselement 32 ist
um seine Längsachse in der Schaftaufnahme 36 drehbar.
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Das
Ausgleichselement 32 ist in dem belasteten Bereich der
Kupplungselemente 18, 20, nämlich zwischen
den Mitnehmerflächen 30 und den Außenanlageflächen 28 angeordnet.
Der Mitnehmerzapfen 18 stützt sich mit seinem
abgeflachten Eckbereich an der Flachseite des Ausgleichselements 32 und
dieses wiederum mit seiner etwa halbzylindrischen, gerundeten Mantelseite
an dem Eckbereich der Aufnahmetasche ab. Der Eckbereich weist hierbei
den gleichen Radius wie das Ausgleichselement 32 auf. Aufgrund
der Drehbarkeit des Ausgleichselements 32 und der auf der
einen Seite abgeflachten und auf der anderen Seite gerundeten Ausbildung
passt sich das Ausgleichselement automatisch an die Flachseite des
Mitnehmerzapfens 18 an, so dass ein flächenhafter
Kontakt zwischen Mitnehmerzapfen 18 und Ausgleichselement 32 ausgebildet wird.
Aufgrund der gerundeten Ausbildung, mit dem das Ausgleichselement 32 an
der Wandung der Aufnahmetasche 20 anliegt, ist auch hier
ein weitgehend flächiger Kontakt gebildet. Insgesamt dient
daher das Ausgleichselement 32 zum Ausgleich von Toleranzen,
die beispielsweise fertigungsbedingt sind oder auch im Laufe des
Betriebs sich ausbilden. Um das Ausgleichselement 32 gegen
ein Herausfallen zu sichern, kann dieses beispielsweise mit Hilfe
eines Befestigungslacks in der Schaftaufnahme 36 fixiert
werden. Die Fixierkraft ist derart bemessen, dass im Lastfall und
bei einer notwendigen Verdrehung zum Ausgleich von Toleranzen, das
Ausgleichselement 32 sich selbsttätig in die optimale
Position dreht.
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Der
Bohrerkopf 4 wird an dem Bohrerkörper 6 über
einen zusätzlichen Spannmechanismus befestigt, so dass
der Bohrerkopf in einer definierten Axiallage sowie auch in einer
definierten Drehposition in Spann- oder Umfangsrichtung gegen den Bohrerkörper 6 verspannt
ist.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsvariante, die anhand der 9a, 9b erläutert
wird, ist von der vorderen Stirnseite des Bohrerkopfs 4 eine Spannschraube 16 durch
den Bohrerkopf 4 hindurchgeführt, die durch die
Befestigungsbohrung 24 des Mitnehmerzapfens 18 verläuft
und in eine zugeordnete als Schraubenloch ausgeführte Befestigungsbohrung 24' in
der Aufnahmetasche 20 eingeschraubt werden kann. Die Befestigungsbohrungen 24, 24' sind
nicht achsparallel zur Mittenachse 8, sondern geneigt angeordnet.
Die Mittenachse der Befestigungsbohrung 24 verläuft
hierbei innerhalb einer Ebene. Diese Ebene ist aufgespannt durch
die durch die Axialrichtung und einer Spannrichtung, die in 9a durch
den Pfeil 37 angedeutet ist. Die Spannrichtung 37 ist
hierbei definiert durch die Richtung, in der der Mitnehmerzapfen 18 gegen
die Aufnahmetasche 20 verspannt ist. Die Spannrichtung
ist hierbei vorzugsweise senkrecht zur Mitnehmerfläche 30 orientiert.
Die Mittenachse der Befestigungsbohrung ist bezüglich einer
in dieser Ebene verlaufenden Parallelen zur Mittenachse 8 (und
damit bezüglich der Mitnehmerflächen 30)
um einen Neigungswinkel β von> 1° im Bereich von 3°–20° und
vorzugsweise im Bereich von etwa 10° geneigt. Aufgrund
dieser schrägen Orientierung wird der Bohrerkopf 4 sowohl
in Axialrichtung als auch in Spannrichtung 37 gegen den Bohrerkörper 6 verspannt.
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Alternativ
zu dieser mit Hilfe der Spannschraube 16 im Wesentlichen
in Längsrichtung verlaufenden Verspannung durch den Werkzeugkopf 4 hindurch
ist gemäß einer bevorzugten Alternative eine seitliche
Spanneinrichtung vorgesehen. Diese ist von der Umfangsseite des
Bohrerkörpers 6 her betätigbar. Der besondere
Vorteil ist darin zu sehen, dass keine den Bohrerkopf 4 schwächenden
Durchbohrungen für die Spannschraube 16 vorgesehen sein
müssen. Diese seitliche Spanneinrichtung wird in zwei unterschiedlichen
Ausführungsvarianten nachfolgend im Zusammenhang mit den 10 bis 14 näher
erläutert.
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Bei
der ersten Ausführungsvariante, die anhand der 10 und 11 erläutert
wird, umfasst die Spanneinrichtung einen Gewindestift 38,
der mit Hilfe eines Werkzeugs 40 in einer entsprechenden Gewindebohrung
im jeweiligen Mitnehmerzapfen 18 verstellbar ist. Hierzu
weist der jeweilige Mitnehmerzapfen 18 eine Durchgangsbohrung 42 auf,
die zumindest in einem Teilbereich mit einem hier nicht näher
dargestellten Innengewinde versehen ist. Der Gewindestift 38 weist
an seiner von Außen zugänglichen, rückwärtigen
Stirnseite eine Aufnahme 44 für das Werkzeug 40 auf,
die im Ausführungsbeispiel als Innensechskant ausgeführt
ist (10). An seiner gegenüberliegenden Stirnseite
ist ein Zapfen 46 angeformt. Zum Verspannen der beiden
Kupplungselemente wird der Gewindestift 38 aus der Durchgangsbohrung 40 etwas
herausgedreht, so dass der Gewindestift 38 sich mit einem
Teilbereich seiner rückseitigen Stirnfläche an
dem Wandungsbereich der Aufnahmetasche 20 abstützt
und somit den Mitnehmerzapfen 18 in die gewünschte
Richtung verspannt. Der Gewindestift 38 ist an seiner rückwärtigen
Stirnfläche in etwa kalottenförmig ausgebildet.
Komplementär hierzu ist auch der Wandungsbereich der Aufnahmetasche 20 kalottenförmig
ausgebildet, so dass neben der Verspannung in etwa in Umfangsrichtung auch
eine Verspannung in Axialrichtung erfolgt.
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Für
einen Wechsel des Bohrerkopfs 4 wird der Gewindestift 38 eingedreht,
bis der Zapfen 46 sich am gegenüberliegenden Wandungsbereich
der Aufnahmetasche 20 abstützt und somit die Verspannung
zwischen den Kupplungselementen wieder löst, so dass der
Bohrerkopf 4 entnommen werden kann.
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Aus
der 11 ist ergänzend noch ein weiteres Merkmal
betreffend das Ausgleichselement 32 zu entnehmen. Und zwar
ist – wie aus der linken Bildhälfte zu erkennen
ist – der Eckbereich, in dem das Ausgleichselement 32 angeordnet
ist, durch eine Ecklochbohrung in der Aufnahmetasche 20 gebildet, derart,
dass eine möglichst freie Drehbarkeit des Ausgleichselements 32 gegeben
ist, um eine möglichst flächige Anlage zwischen
den Flachseiten des Mitnehmerzapfens 18 und des Ausgleichselements 32 zu
erreichen.
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Die
zweite Ausführungsvariante der Spannvorrichtung wird nunmehr
anhand der 12 bis 14 näher
erläutert. In der 13 ist
auf der linken Bildhälfte wiederum der unverspannte und
auf der rechten Bildhälfte der verspannte Zustand zwischen
den beiden Kupplungselementen angedeutet. In dieser Ausführungsvariante
umfasst der Mitnehmerzapfen 18 zusätzlich jeweils
einen Spannzapfen 48, der sich ausgehend von der Bodenseite
in Axialrichtung erstreckt. Der Spannzapfen 18 weist im
Ausführungsbeispiel eine in etwa rechteckige bis elliptische
Querschnitts-Kontur auf und ist außerzentrisch an einer
Randseite angeordnet.
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Der
Spannzapfen 48 weist eine kegelstumpfförmige Aufnahmeöffnung 50 auf,
in die ein als Schraube ausgebildetes Spannelement 52 mit
einer ebenfalls kegelstumpfförmigen Spitze eingreift (13 und 14).
Durch die kegelstumpfförmige, also konisch zulaufende Ausgestaltung
der Aufnahmeöffnung 50 und des Spannelements 52 wird
neben der Verspannung in Umfangsrichtung zugleich auch eine axiale
Kraftkomponente erzeugt, um den Bohrerkopf 4 in Axialrichtung
gegen den Bohrkörper 6 zu verspannen.
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Aus 14 ist
die Erzeugung der Kraft in Axialrichtung aufgrund der kegelstumpfförmigen Ausgestaltungen
noch einmal gut zu erkennen. Aus dieser Fig. ist wei terhin eine
schlitzförmige Vertiefung 54 an der oberen Stirnseite
des Befestigungsschafts 34 des Ausgleichselements 32 zu
erkennen. Diese schlitzförmige Vertiefung 54 erlaubt
den Eingriff beispielsweise eines Schraubendrehers, um bei der Erstmontage
das Ausgleichselement 32 in eine gewünschte Sollposition
drehen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/107294
A1 [0002, 0008]