-
Technischer Bereich:
-
Tiefbohrwerkzeuge werden vorzugsweise in aufgabenbezogenen Werkzeugmaschinen zum Einbringen von Bohrungen eingesetzt, deren Bohrtiefe überwiegend sehr viel grösser als der Bohrungsdurchmesser ist. Sie sind allgemein so gestaltet, dass ein permanenter Kühlmitteldurchfluss einen ununterbrochenen Austrag der Bohrspäne bewirkt, und somit ein mehrmaliges Ansetzen bzw. Entspänen entfallen kann. Tiefbohrwerkzeuge werden vor allem im metallischen, teilweise aber auch im nichtmetallischen Bereich eingesetzt.
-
Einschlägiger Stand der Technik:
-
Tiefbohrwerkzeuge sind schon seit langem bekannt und werden primär jeweils nach den Bohrverfahren benannt, für die sie konzipiert wurden. Das sogenannte Ejektor-Bohrverfahren, namensgebend daher auch für dessen Werkzeug-Komponenten, unterscheidet sich von den anderen vor allem dadurch, dass das Kühlmittel für den Schneidbereich nicht ausserhalb oder innerhalb des Bohrrohres zum Bohrkopf geführt wird, sondern im Ringraum zwischen einem Aussenrohr, bohrkopftragend und maschinenseitig eingespannt, und einem Innenrohr für den Rückfluss von Kühlmittel und Spänen durch das Rohrinnere. Unterstützt wird die gesamte Durchspülung dadurch, dass bereits an der maschinenseitigen Einleitungsstelle rückwärtsgerichtete Durchbrüche am Innenrohr in diesem einen Unterdruck erzeugen, dessen Sog sich über alle Zu- und Ableitungswege auswirkt.
-
Dass man sich dabei im wesentlichen im Niederdruck- oder partiell im Unterdruckbereich bewegt, bedingt natürlich, dass die Spanbildung mit möglichst kurzbrechenden Spänen diesen Kreislauf nicht stört. Weiters ist auch zu beachten, dass mit durchmesserbezogen kleineren Bohraufgaben die spezifischen Fliess-Widerstände zunehmen und diesem „Ejektor-Effekt“ Grenzen setzen. So liegt das momentane Spektrum der Werkzeughersteller an der unteren Grenze auch nur bei knapp 20mm Durchmesser. Seine Berechtigung hat dieses Bohrverfahren aber nach wie vor, weil es auch ohne viel Aufwand im konventionellen Maschinenbereich eingesetzt werden kann.
-
Wie bei allen Tiefbohrverfahren sind aber auch beim „Ejektorbohren“ Biege- und / oder Torsionsschwingungen nicht auszuschliessen. Vor allem die frei durchgehenden Innenrohre sind bei längeren Werkzeugen radial äusserst labil und neigen zum Ausbrechen aus der zentrischen Lage, an den leistungsbelasteten Aussenrohren müssen dagegen eher Torsionsschwingungen bekämpft werden. Lösungsansätze sind bekannt, einer sogar mit Abstützung des Innenrohres bei gleichzeitiger Bekämpfung der Torsionsschwingungen am Aussenrohr (
EP 3 231 544 A1 ), doch die auf dem Innenrohr angebrachten stützenden und im Aussenrohr reibenden Elemente sind ungemein aufwändig, ausserdem behindern sie auch etwas den Durchfluss. Eine Variante (
DE10 2016 001 161 A1 ) behandelt nur das Aussenrohr mit dem Ausweichen auf Faserverbundwerkstoffe, und am Aussenrohr auf der Mantelfläche wirkende Dämpfungseinrichtungen (z. B.
EP 0 090 929 B1 ) haben alle den Nachteil einer Bohrtiefenverlustlänge. Mit diesem „Nachteil“ sind auch alle Tiefbohrwerkzeuge behaftet, die innerhalb des Bohrschafts keinerlei Dämpfungselemente zulassen, weil der Innenraum entweder ausschliesslich der Kühlmittel- und Spänerückführung dient (z. B.
DE 20 2019 002 010 U1 ) oder lediglich Kühlkanäle zur Durchleitung des Kühlmittels zum Bohrkopf aufweist (z. B.
EP 1 419 839 B1 ).
-
Aufgabenstellung:
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Doppelrohr-Prinzip in noch kleineren Durchmesser-Bereichen zu verwirklichen, möglichst auch noch mit weniger Einschränkungen in Sachen Spanbildung. Anspruchsvollere Zerspanungsaufgaben mit wachsender Neigung zu Torsions- oder Biegeschwingungen (und deren Minimierung) sollen dabei mit berücksichtigt werden, ebenso auch die Voraussetzungen für eine automatische Werkzeugeinwechslung.
-
Offenbarung der Erfindung:
-
Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, dass das partielle Unterdrucksystem abgelöst wird durch eine permanente Druckvorgabe auf das Kühlmittel über die Schneidebene hinaus bis in den Rückführbereich. Eine spezielle Bohrkopf-Geometrie an der Verbindung zum Aussenrohr verhindert, dass an dessen Peripherie Kühlmittel gegen die Bohrrichtung verloren geht. Nur ein geringer Anteil wird gezielt dazu benutzt, die Bohrung schon während des Bohrvorgangs freizuspülen, evtl. von sogenanntem Bohrabrieb.
-
Das nicht mehr perforierte Innenrohr ist drehbar eingelegt. Um Biegeschwingungen bei längeren Innenrohren zu verhindern, sind diese mittig oder mehrfach so verformt, dass sie mindestens den Innenmantel des Aussenrohres berühren, was eine exzentrische Auslenkung verhindert. Auch wenn an solchen Stellen die reine Kreisform verlorengeht, ändern sich die Querschnittsflächen nur marginal. Geringfügig über den Innendurchmesser des Aussenrohres hinaus verformte Rohre sind nach Einbau einer leichten Vorspannung ausgesetzt, die beim Aufkommen von Torsionsschwingungen mithilfe der Massenträgheit des Innenrohres an den Berührungspunkten dämpfende Reibkräfte auslöst.
-
Endseitig am Aussenrohr adaptierte Maschinenelemente wie Steil- oder Hohlschaftkegel mit vorgelagertem seitlichen Späneauswurf erlauben den automatischen Werkzeugwechsel.
-
Ausführungsbeispiele:
-
1 zeigt beispielhaft die Umsetzung der Vorgaben an einem Werkzeug mit frontseitigem Vollbohrkopf (10) aus der Einlippen-Bohrtechnik und einem daran angelöteten Grundkörper (11), mit einem an diesem adaptierten Aussenrohr (12), und mit einem drehbar im Grundkörper zentrierten Innenrohr (13). Die Rückfluss-Verbindung Spanraum zum Innenrohr ist schematisch dargestellt mit den Umrissen eines zur optimalen Aufweitung geeigneten Senkwerkzeugs (14).
-
Das aus dem Rohr-Zwischenbereich und unter Druck zufliessende Kühlmittel gelangt über Aufsenkungen (15a) in einen ringförmigen Freiraum (18) und danach über partielle Abflachungen (17a) und weiteren Aufsenkungen (15b) wieder ins Bohrkopf-Innere, mit Weiterleitung zum Schneidbereich (16a) bzw. auch gegengerichtet ins Innenrohr zwecks Rückflussbeschleunigung (16b). Über weitere Abflachungen (17b) gelangt auch Kühlmittel aus dem ringförmigen Freiraum (18) direkt in den Schneidbereich.
-
Neu und erfindungsrelevant ist neben dem unperforierten Innenrohr (13) die ringförmige Wulst (19) am Grundkörper (11), direkt im Anschluss an das Aussenrohr (12), mit der verhindert wird, dass an dieser Stelle und gegen die Bohrrichtung zuviel Kühlmittel verlorengeht. Masslich immer geringfügig unter dem jeweiligen Bohrdurchmesser gehalten bewirkt diese Vorkehrung einen lediglich geringen Rückfluss, der so bemessen ist, dass die Bohrung bereits während der Bearbeitung und damit schon vor dem Werkzeug-Rückzug freigespült wird.
-
Weiters neu ist, dass die Kühlmittel-Übergänge (15a) am Ende des Rohrzwischenbereichs in die Peripherie des Grundkörpers (11) schon so positioniert sind, dass das Kühlmittel auf kürzestem Weg in die weiterführenden Kanäle gelangt. Diese bereits eingangs ergänzend beschriebenen weiteren Zu- und Rückführwege für Kühlmittel und Späne sind aber schon länger Stand der Technik (T3-Bohrer ®,
DE10 2017 006 188 A1 ), und nur zur Verdeutlichung der Gesamtfunktion nochmals mit erwähnt. Für alle Kanäle und Übergänge sollen auf jeden Fall die Möglichkeiten additiver Fertigungsverfahren für strömungsgünstigste Formgebungen genutzt werden.
-
2 zeigt die endseitigen Gegebenheiten des Tiefbohrwerkzeugs mit einem für den automatischen Werkzeugwechsel ausgebildeten Maschinenelement (25), vorzugsweise Hohlschaftkegel- oder Steilkegelausführung, das nur im Bereich der mittels Fixierschrauben (21) gehaltenen Rohr-Aufnahmehülse (20) modifiziert ist und ansonsten nicht von den Normen abweicht. Das Aussenrohr (12) ist mittels einer Gewindeverbindung (22) lösbar in die Aufnahmehülse (20) fest eingefügt, das Innenrohr (13) dagegen drehbar und lediglich zentriert. Die zentrische Zuführungsbohrung (26) wird hinter der Aufnahmehülse (20) so aufgeweitet, dass die drei in den Rohrzwischenbereich weiterführenden Bohrungen (24a) sicher erreicht werden. Die Unwucht durch die asymetrisch angeordnete seitliche Auswurföffnung (23) wird kompensiert durch eine entsprechende Bohrtiefe der gegenüberliegenden Ausgleichsbohrungen (24b). Die wechselseitig nutzbaren Querbohrungen (28) für die Rückführung der Späne werden von einer aufgesetzten Fangglocke (29) abgeschirmt, damit die Späne nicht (wie beim klassischen Einlippenbohrer) völlig unkontrolliert durch den gesamten Maschinenraum geschleudert werden.
-
3 zeigt die möglichen Verformungen (30a/30b) am Innenrohr (13), einerseits zur Vermeidung von Biegeschwingungen durch Fixierung der konzentrischen Lage, andererseits zur Erzeugung von reibungsunterworfenen Berührungspunkten am Aussenrohr (12) zwecks dämpfender Wirkung bei Torsionsschwingungen. Bei günstigerer Spanbildung kann auch ein Innenrohr (13) mit stärkerer Wandung eingelegt werden, wodurch sich infolge der grösseren Massenträgheit auch die dämpfende Reibungsarbeit erhöhen lässt. Eine sichere konzentrische Lage lässt sich am einfachsten mit einem 3-er-Polygon (30a) herstellen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass bei grösserer Durchmesser-Differenz zwischen Aussenrohr (12) und Innenrohr (13) die Form zunehmend zu einem reinen Dreieck und damit für die Dämpfungsarbeit zu steif wird. In diesem Fall weicht man auf die ovale Form (30b) aus, wobei man zur Erhaltung einer optimalen Konzentrizität diese bei Mehrfachverformung wechselweise um 90° versetzt anordnet.
-
4 zeigt schlussendlich unter anderem die mit weiterführenden Abflachungen und/ oder Kanälen abgestimmte Lage der Ausleitungen (15a) aus dem Zwischenbereich der Rohre nach aussen, 4-fach hier am Beispiel eines zweischneidigen Werkzeugs. Die geometriebedingte 3-fach-Version beim einschneidigen Werkzeug ist bereits in 1 dargestellt.
-
In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente:
-
Vorteile der Erfindung:
-
Der gravierendste Vorteil liegt darin, dass durch das Arbeiten mit höherer Druckvorgabe die physikalischen Grenzen der klassischen Ejektor-Bohrtechnik unterlaufen werden und auch anspruchsvollere Bohraufgaben selbst in Bereichen lösbar sind, die bislang weitestgehend in den Bereich „Einlippenbohren“ gefallen sind.
-
Auch der Einsatz in Bearbeitungszentren mit Kühlmittelvorgabe durch die Maschinenspindel und eine automatische Werkzeugeinwechslung mit anschliessender Einführung des Bohrkopfes in eine vorbereitete Pilotbohrung war überwiegend den Einlippen-Bohrwerkzeugen vorbehalten, deren Biegeschwingungs-Empfindlichkeit bei hohen Drehzahlen nun aber ebenfalls kompensiert werden kann.
-
Weiters ist relevant, dass die Schwingungsdämpfung mittels Innenrohr im Gegensatz zu aussenliegenden Lösungen keinerlei schädlichen Einfluss auf die Werkzeuglänge oder auf den Maschinenaufbau hat, und das lösbar verbundene Aussenrohr erlaubt sogar bei Bedarf den temporären Einbau von Innenrohren unterschiedlicher Massenträgheit oder Reibungsintensität.
-
Bei Bohrzyklen mit einer „vorgeschalteten“ Pilotbohrung als Anbohrführung ist lediglich zu beachten, dass der Bohrkopf etwas länger als ein klassischer Einlippen-Bohrkopf ist. Doch wenn schon eine Pilotbohrung unumgänglich ist, kann man mit einer geringfügig längeren Vorbohrzeit sicher auch leben, zumal höhere Schnittwerte infolge belastbarerer Rundrohre dies leicht mehr als ausgleichen können.