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Verfahren zum Einspannen rohrförmiger Werkstücke auf
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Tiefbohrmaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspannen
rohrförmiger Werkstücke auf Tiefbohrmaschinen für eine nachfolgende spanabhebende
oder spanlose oder kombinierte Innenbearbeitung bei stillstehendem Werkstück.
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Bei Tiefbohrmaschinen ist es üblich, daß zu bearbeitende Werkstück
zwischen Platten mit kegelförmigen Einsenkungen aufzunehmen, die eine Zentrier-
und Spannfunktion übernehmen. Dies ist bekannt, beispielsweise aus der DE-PS 1 023
944 Abb. 1 Pos. 12. Dies ist auch heute noch üblich, wie beispielsweise ein Prospekt
aus neuerer Zeit der Firma Boehringer ~VDF-Spezialtiefbohrmaschine System V 800
BC" in dem Bild #~BTA-Aufbohrkopf11, Prospekt Nr. Boe 172dJ1/9.77, auf der letzten
Seite des Prospektes zeigt. Damit eine Einspannung dieser Art ihre Funktion erfüllt,
sind hohe axiale Spannkräfte erforderlich. Dies führt dazu, daß die zu bearbeitenden
Werkstücke sich im Einspannbereich nach innen verformen. Nach der Bearbeitung und
dem nachfolgenden Ausspannen ist daher im Einspannbereich der Werkstückdurchmesser
zu groß. Deshalb werden nach dem Stande der Technik die zu bearbeitenden Werkstücke
beidseitig um einen entsprechenden Betrag länger ausgeführt, der dann nach der Bohrbearbeitung
durch nachfolgende zusätzliche Arbeitsschritte entfernt wird. Hierdurch entstehen
unnötige Zeit-, Maschinen-, Personal- und Werkstoffkosten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Einspannverfahren
der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit welchem es möglich wird rohrförmige
Werkstücke so einzuspannen, daß die beschriebenen Endverformungen nicht auftreten,
so daß die nachfolgende Bearbeitung sowie Werkstoff eingespart werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Werkstück
über seine äußeren Umfangsflächen in radialer Richtung lagefixiert und gegen ein
Drehmoment abgestützt wird und über die beiden Stirnflächen axial fixiert wird.
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Es erfolgt somit nach der Erfindung nicht mehr die radiale und axiale
Lagefixierung sowie die Drehmomentenabstützung über die Umfangskante des Übergangs
von der Werkstückstirnfläche zur Werkstückumfangsfläche, sondern es wird eine Aufteilung
der einzelnen Funktionen vorgenommen.
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Die axiale Lagefixierung des Werkstückes über die Stirnflächen kann
sehr starr ausgeführt sein und erzeugt dennoch keine Kräfte, die den Durchmesser
des Werkstückes verändern könnten. Die radiale Lagefixierung über die Umfangsflächen
läßt sich sehr einfach realisieren. Die Aufnahme des Drehmomentes über die Umfangsflächen
läßt sich ebenfalls mit geringeren Kräften bewirken.
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Es wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß
das Werkstück über seine äußere Umfangsfläche in radialer Richtung lagefixiert wird
und über die beiden Stirnflächen axial fixiert und zusätzlich über mindestens eine
Stirnfläche gegen ein Drehmoment abgestützt wird. Hierdurch wird es möglich nach
dem Einspannen des Werkstückes das auftretende Drehmoment ausschließlich über die
Stirnflächen aufzunehmen, ohne das hierbei die bisher bekannten Verformungen des
Werkstückes auftreten.
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Weiterhin wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
daß ein Drehmoment sowohl über die äußere Umfangsfläche als auch über mindestens
eine Stirnfläche des Werkstückes abgestützt wird. Hierdurch wird es möglich auftretende
Kräfte vorteilhaft zu verteilen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß die radiale Lagefixierung und die Aufnahme des Drehmomentes über zwei oder mehr
selbstzentrierende Spannstöcke vorgenommen wird, wobei jeweils
der
in Vorschubrichtung kurz vor dem Bearbeitungswerkzeug liegende Spannstock für die
Dauer der Bearbeitung dieses Spannstockbereiches geöffnet und anschließend wieder
geschlossen wird. Bei sehr dünnwandigen Werkstücken wäre es möglich, daß durch die
Kräfte zur Aufnahme des Drehmomentes eine Einbeulung der Rohrwand auftritt. Dies
würde bei der Bearbeitung zu Durchmesserbereichen mit größerem Durchmesser führen.
Wird nun bei der Bearbeitung des gefährdeten Bereiches die jeweilige äußere Kraft
entfernt, so tritt auch die Werkstückeinbeulung nicht auf und es kann exakt bearbeitet
werden. Damit das auftretende Drehmoment immer in ausreichender Höhe aufgenommen
werden kann, muß der jeweilige Spannstock anschließend wieder an das Werkstück angelegt
werden. Hierdurch wird also trotz der äußeren Kräfte und der örtlichen Werkstückverformung
ein Werkstück einwandfreier Abmessungen hergestellt.
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Es wird in weiterer Ausgestaltung des vorgenannten Gedankens vorgeschlagen,
daß die Summe der Spannkräfte der Spannstöcke um mindestens n-1 größer als die zur
Aufnahme des Drehmomentes erforderliche Spannkraft ist, wobei n der Anzahl der verwendeten
Spannstöcke entspricht. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß auch dann,
wenn ein Spannstock geöffnet hat, niemals die notwendige Gegenkraft zum auftretenden
Drehmoment unterschritten wird.
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Es wird weiterhin mit der Erfindung eine Tiefbohrmaschine zur Durchführung
des Verfahrens vorgeschlagen, mit einem Maschinenuntergestell und auf diesem angeordnet
ein in Werkstückachsrichtung verschieblicher Spindelstock zum Antrieb und zur Aufnahme
eines ein Bearbeitungswerkzeug tragenden Bohrrohres, einem Kühlmittelzuführapparat
und einem Reitstock, wobei der Kühlmittelzuführapparat oder der Reitstock mindestens
eine Spannbewegung in Werkstückachsrichtung durchführen können. Die Maschine soll
nach der Erfindung so gestaltet sein, daß sie mindetens zwei zwischen Kühlmittelzuführapparat
und Reitstock angeordnete,
in Richtung der Maschinenmitte bewegliche
und selbstzentrierende Spannstöcke aufweist und das der Kühlmittelzuführapparat
und der Reitstock an den sich gegenüberliegenden Stirnseiten wenigstens angenähert
konzentrisch zur Werkstückachse angeordnete Abstützringe mit geeigneten Durchtrittsöffnungen
für Bohrrohr und/oder Kühlmittel aufweist.
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Nach einer Ausgestaltung dieser Maschine wird vorgeschlagen, daß jeder
Spannstock mit einem Strömungsmittelzylinder verbunden ist, mit welchem eine Bewegung
der Spannstöcke mindestens entgegengesetzt zu der bei der axialen Fixierung des
Werkstückes sich ergebenden Verschieberichtung des Werkstückes zu bewirken ist.
Hierdurch wird es möglich, das Werkstück auf einfache Art und Weise nach der Bearbeitung
wieder axial bis in die ursprüngliche Einlegelage zu verschieben, so daß das Werkstück
wieder ungehindert von in den Endbereichen evtl. überbauenden Maschinenteilen entnommen
werden kann.
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In Fortentwicklung dieses Gedankens wird vorgeschlagen, daß der Strömungsmittelzylinder
ein Druckluftzylinder ist.
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Die Kolbenstange des Druckluftzylinders kann dann, wenn die Zylinderräume
vor und hinter dem Kolben mit der Außenluft verbunden sind, besonders leicht verschoben
werden.
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Dies ist für den Einspannvorgang des Werkstückes wichtig.
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Außerdem wird bei Druckluftzylindern zur Erfüllung dieser Eigenschaft
der geringste Steuerungsaufwand nötig.
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In einer Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen,
daß mindestens einer der Abstützringe an seiner der Stirnseite des Werkstückes zugekehrten
Fläche eine an sich bekannte Oberflächenprofilierung aufweist.
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Hierdurch wird es möglich, die erforderliche Drehmomentabstützung
mit geringeren Axialkräften zu erreichen.
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Es wird weiterhin nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die Abstützringe
über sphärische Lager im Reitstock und Kühlmittelzuführapparat aufgenommen sind.
Hierdurch sind die Abstützringe in der Lage, sich evtl. vorhandenen Planlaufabweichungen
des Werkstückes anzupassen.
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Im folgenden soll nun das Einspannverfahren am Beispiel der zur Durchführung
des Verfahrens vorgeschlagenen Maschine anhand der beigefügten Zeichnungen näher
erläutert werden.
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Es zeigen Fig. 1 Tiefbohrmaschine in Vorderansicht Fig. 2 Tiefbohrmaschine
nach Fig. 1 in Draufsicht Fig. 3 Teilschnitt durch Kühlmittelzuführapparat bei eingespanntem
Werkstück Fig. 4 Spannstock in Seitenansicht Fig. 5 Spannstock in Ansicht A nach
Fig. 4 Fig. 6 Schnitt durch ein dünnwandiges Werkstück bei angelegten Aufnahmestücken
Fig. 7 Schnitt durch ein dünnwandiges Werkstück bei geöffneten Aufnahmestücken und
Bearbeitungswerkzeug im Bereich der Aufnahmestücke Auf einem Maschinenuntergestell
1, welches aus den Teilstücken 1a und 1b besteht und an der Verbindungsstelle 2
zusammengesetzt ist, ist an dem einen Ende des Teilstückes 1a ein Spindelstock 3
verschiebbar auf die Bettführungsbahnen 20 aufgesetzt. Die Verschiebung erfolgt
in Richtung des Pfeiles 4 und wird in üblicher Weise von dem Vorschubmotor 5 bewirkt.
Von der Spindel des Spindelstockes 3 wird ein Bohrrohr 6 axial unverschieblich und
drehfest gehalten und im Ausführungsbeispiel über den Antriebsmotor 7 in Drehung
versetzt.
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Etwa am anderen Ende des Teilstückes la ist ein Kühlmittelzuführapparat
auf die Bettführungsbahnen 20 aufgesetzt,
welcher in der Lage ist,
eine Spann- bzw. Lösebewegung in Richtung des Pfeiles 21 auszuführen. Der Kühlmittelzuführapparat
9 trägt das Bedienungspult 10 und ist mit einer Kühlmittelzuführleitung 11 verbunden.
Der Kühlmittelzuführapparat 9 dient gleichzeitig der Führung des Bohrrohres 6.
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Auf dem Teilstück 1b ist etwa an dem dem Kühlmittelzuführapparat abgewandten
Ende auf dem Spanntisch 15 des Teilstücks 1b ein Reitstock 12 angeordnet. Zwischem
dem Kühlmittelzuführapparat 9 und dem Reitstock 12 sind auf dem Spanntisch 15 weiterezwei
Spannstöcke 25 und 26 angeordnet.
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Das Einlegen und Einspannen eines Werkstückes 8 wird wie folgt vorgenommen:
Zunächst wird der Kühlmittelzuführapparat g um den Betrag des Spannhubes nach links
in seine Ausgangslage gefahren. Der Spindelstock 3 wird ebenfalls soweit nach links
verfahren, bis das am Ende des Bohrrohres 6 angeordnete, hier nicht näher dargestellte
Bearbeitungswerkzeug 50 sich in der üblichen Lage innerhalb des Kühlmittelzuführapparates
befindet. Danach wird das jeweils den Spannstöcken 25 bzw. 26 zugeordnete Magnetventil
31 in die Schaltstellung 31b gefahren und damit der Strömungsmittelzylinder 23 von
der Druckluftquelle 30 über die Leitung 32 in dem der Kolbenstange 24 abgewandten
Zylinderraum mit Druckluft versorgt. Hierdurch fährt die Kolbenstange 24 aus dem
Zylinder aus. Die Kolbenstange 24 ist über ein Joch 22 mit dem Längsschlitten 33
derart verbunden, daß die Mittenachse 27 sowohl in vertikaler als auch in horizontaler
Ebene parallel zu den Führungen 35 verläuft. Der Längsschlitten 33 wird somit über
die Führungen 35 in der Schlittenaufnahme 34 verschoben. Nachdem dies geschehen
ist, oder auch gleichzeitig mit dieser Bewegung, müssen die Spannzangen 36 und 37
und damit die Aufnahmestöcke 38 und 39 auseinandergefahren
werden,
damit ein Werkstück 8 eingelegt werden kann. Hierzu stehen die Spannzangen 36 und
37 in Wirkverbindung mit einer Gewindespindel 40, welche beidseitig der Vertikalebene
41 eine Gewindesteigung entgegengesetzter Steigungsrichtung aufweist. Die Gewindespindel
40 wird von einem Hydromotor 42, welcher am Längsschlitten 33 in geeigneter Weise
befestigt ist, in Drehung versetzt.
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Je nach Drehrichtung des Hydromotors 42 und damit der Gewindespindel
40 fahren die Spannzangen 36 bzw. 37 entweder zusammen oder auseinander. Stillstand
und Drehrichtung des Hydromotors 42 können in bekannter Weise von einem Magnetventil
43 beeinflußt werden, welches über ein ebenfalls bekanntes Hydraulikaggregat 44
mit Druckmittel versorgt wird.
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Nachdem die so beschriebene Ausgangslage erreicht ist, wird ein Werkstück
8 über hierzu geeignete Einrichtungen zwischen die Aufnahmestücke 38 und 39 der
Spannstöcke 25 und 26 in die ungefähre Mittenlage der Maschinenmitte 19 eingebracht.
Hiernach werden die Spannzangen 36 und 37 in der bereits beschriebenen Weise durch
Drehrichtungsumkehr des Hydromotors 42 zusammengefahren und zentrieren damit über
die Form der Aufnahmestücke 38 und 39 das Werkstück 8 auf genaue Übereinstimmung
mit der Maschinenmitte 19.
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Gleichzeitig mit der Zentrierung werden die Aufnahmestücke 38 und
39 über den Hydromotor 42 mit der notwendigen Kraft zur Aufnahme des bei der Bearbeitung
auftretenden Drehmomentes angepreßt. Hiernach wird das Magnetventil 31 in die Scnaltstellung
31a gefahren, wodurch der Strömungsmittelzylinder 23 drucklos gemacht wird. Der
Längsschlitten 33 kann nun leicht von einer äußeren Kraft verschoben werden. Diese
äußere Kraft wird von Kühlmittelzuführapparat 9 aufgebracht, welcher nach rechts
verschoben wird und hierbei mit dem Abstützring 45 zur Anlage an einer Stirnfläche
des Werkstückes 8 kommt und dieses auf dem weiteren Verschiebeweg mitsamt der Spannstöcke
axial verschiebt. Im Reitstock 12 befindet sich ein gleicher Abstützring
45,
gegen welchen das Werkstück 8 mit der anderen Stirnfläche zur Anlage kommt. Beide
Abstützringe 45 sind über sphärische Lager 46 im Kühlmittelzuführapparat bzw.
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im Reitstock abgestützt. Die sphärischen Lager 46 und damit die Abstützringe
45 werden von einem Stift 47 gegen Verdrehung gesichert. Sowohl auf der Seite des
Kühlmittelzuführapparates als auch auf der Reitstockseite wird das Werkstück 8 über
Dichtmanschetten 48 gegen Kühlmittelaustritt abgedichtet. Um überbelastungen der
Dichtmanschette 48 zu vermeiden, wird austretendes Lecköl über die Leckölleitung
49 in den Tank abgeleitet.
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Nachdem das Werkstück 8 nun von den Spannstöcken 25 und 26 über seine
äußeren Umfangsflächen in radialer Richtung lagefixiert und gegen ein Drehmoment
abgestützt ist und zwischen Kühlmittelzuführapparat 9 und Reitstock 12 über die
Stirnflächen in seiner axialen Lage fixiert ist, kann die Bearbeitung beginnen.
Im Ausführungsbeispiel soll ein dünnwandiges Werkstück 8 bearbeitet werden, so daß
die Aufnahmestücke 38 und 39 wie in Fig. 6 dargestellt, die Werkstückwandung einbeulen.
Hierdurch würde es bei einer Bearbeitung in diesem Bereich zu Durchmesserfehlern
kommen.
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Für die Werkstückbearbeitung wird das Bohrrohr 6 und damit das Werkzeug
50 vom Spindelstock 3 in Vorschubrichtung bewegt und über den Antriebsmotor 7 in
Drehung versetzt.
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Kommt das Werkzeug 50 in den Wirkungsbereich der Aufnahmestücke 38,
39 - dies kann beispielsweise über den Verfahrweg des Spindel stockes 3 festgestellt
werden - so öffnet durch Betätigung des Hydromotors 42 der betreffende Spannstock,
so daß die Aufnahmestücke 38, 39 sich vom Werkstück 8 lösen. Das Drehmoment wird
dann von dem anderen Spannstock und/oder ggf. über die Stirnflächen des Werkstückes
aufgenommen. Hat das Werkzeug 50 den EinfluBbereich der Aufnahmestücke 38, 39 verlassen,
so wird der betreffende Spannstock in der bereits beschriebenen Weise wieder angelegt.
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In dieser Art wird mit allen Spannstöcken verfahren. Während der Bearbeitung
des Werkstückes wird vorteilhafterweise über die Kühimittelzuführleitung 11 Kühlmittel
in Richtung des Pfeiles 28 in den Kühlmittelapparat 9 und damit durch das Werkstück
8 gepumpt und einschließlich der bei der Bearbeitung entstehenden Späne über den
am Reitstock 12 angebrachten Abflußstutzen 29 abgeführt.
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Ist das Werkstück fertig bearbeitet, wird der Spindelstock 3 zurückgefahren
und auch der Kühlmittelzuführapparat 9 wieder nach links in seine Ausgangslage gefahren.
Nachfolgend oder gleichzeitig wird das Magnetventil 31 wieder in die Schaltstellung
31b gefahren, so daß der der Kolbenstange 24 abgewendete Zylinderraum des Strömungsmittelzylinders
23 wieder mit Druckluft versorgt wird, so daß sich der Längsschlitten 33 des jeweiligen
Spannstockes in Richtung des Pfeiles 51 bewegt. Hierdurch wird gleichzeitig das
noch von den Spannstöcken eingespannte Werkstück 8 axial in seine ursprüngliche
Ausgangslage verschoben. Nun werden die Spannstöcke in der bereits beschriebenen
Weise gelöst und das Werkstück 8 kann entnommen werden.
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Um die Lage der Spannstöcke an unterschiedliche Werkstücklängen anpassen
zu können, sind diese über die Schlittenaufnahme 34 über in T-Nuten 16 des Spanntisches
15 angeordneten T-Nutensteinen 17 und mit diesen zusammenwirkenden Schrauben 18
auf dem Spanntisch 15 befestigt. Nach Lösen der Schrauben 18 kann die Schlittenaufnahme
34 auf dem Spanntisch 15 verschoben werden. Hierbei wird die Schlittenaufnahme 34
von einer in einer Paßfedernut 14 des Spanntisches 15 gleitenden Paßfeder 13 geführt.
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In ganz ähnlicher Weise kann auch die Position des Reitstockes 12
zur Anpassung an unterschiedliche Werkstücklängen verändert werden.
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Liste der verwendeten Bezugszeichen 1 Maschinenuntergestell 1a Teilstück
Ib Teilstück 2 Verbindungsstelle 3 Spindelstock 4 Pfeil 5 Vorschubmotor 6 Bohrrohr
7 Antriebsmotor 8 Werkstück 9 Kühlmittelzuführapparat 10 Bedienungspult 11 Kühlmittelzuführleit#ng
12 Reitstock 13 Paßfeder 14 Paßfedernut 15 Spanntisch 16 T-Nuten 17 T-Nutensteine
18 Schrauben 19 Maschinenmitte 20 Bettführungsbahnen 21 Pfeil 22 Joch 23 Strömungsmittelzylinder
24 Kolbenstange 25 Spannstock 26 Spannstock 27 Mitnahme 28 Pfeil 29 Abflußstutzen
30 Druckluftquelle 31 Magnetventil 31a Schaltstellung 31b Schaltstellung
32
Leitung 33 Längsschlitten 34 Schlittenaufnahme 35 Führungen 36 Spannzange 37 Spannzange
38 Aufnahme stück 39 Aufnahmestück 40 Gewindespindel 41 Vertikalebene 42 Hydromotor
43 Magnetventil 44 Hydraulikaggregat 45 Abstützring 46 sphärisches Lager 47 Stift
48 Dichtmanschette 49 Leckölleitung 50 Werkzeug 51 Pfeil
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