DE4418605C2 - Werkzeug zur Bearbeitung von Bohrungswandungen, insbesondere Durchgangsbohrungen mit hoher Oberflächengüte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Bearbeitung von Boh­ rungswandungen, insbesondere Durchgangsbohrungen mit hoher Oberflächengüte, mit einem rotationssymmetrischen Werkzeugkopf, einem Werkzeugschaft und zwei axial beabstandeten Schneidein­ richtungen, wobei die erste Schneideinrichtung zur Zerspanung bei einer Vorschubbewegung des Werkzeuges an einem vorauslau­ fenden vorderen Endbereich des Werkzeugkopfes angeordnet ist und die zweite Schneideinrichtung zur Zerspanung bei einem Zu­ rückziehen des Werkzeuges am Umfang des Werkzeugkopfes angeord­ net und durch eine Verstelleinrichtung radial verstellbar ist.

Der Verzug und die Schwindung bei der schmelz- bzw. sintertechnischen Herstellung von zylinderförmigen Rohren aus schwer zerspanbaren Mate­ rialien wie Glas oder Keramik machen eine Nachbearbeitung des Innen­ zylinders unumgänglich. Dabei erfolgt die Nachbearbeitung überwiegend durch einen Bohrprozeß oder Bohrschleifprozeß. Zur Verbesserung der Formgenauigkeit sowie zu einer ersten, wesentlichen Verringerung der Oberflächenrauhigkeit, während eine anschließende, mehrstufige Honbe­ arbeitung überwiegend die Verbesserung der Oberflächengüte zum Ziel hat. Dabei wird bei extrem langen Bauteilen der Bohr- oder Bohr­ schleifvorgang auf speziellen horizontalen Tieflochbohrmaschinen durchgeführt, während für die Finishbearbeitung Vertikalhonmaschinen eingesetzt werden.

Diese Fertigungsfolge weist jedoch wesentliche Nachteile auf. So ist bei einem einstufigen Bohr- bzw. Bohrschleifvorgang bei den oben ge­ nannten Materialien eine extrem hohe Randzonenschädigung zu beobach­ ten, die zu unwirtschaftlich langen Bearbeitungszeiten bei der nach­ folgenden Honoperation führen. Wird hingegen zur Reduktion der Rand­ zonenschädigung der einstufige Bohr- oder Bohrschleifvorgang in eine Schruppbearbeitung und einen Schlichtvorgang untergliedert, so ist ein Werkzeugwechsel mit entsprechenden Stillstandzeiten der Maschine unumgänglich.

Herkömmlicherweise werden zur Feinbearbeitung von Bohrungen zur Erhö­ hung von Paßgenauigkeit und Oberflächengüte Reibahlen verwendet. So zeigt beispielsweise die DE-OS 16 52 790 eine verstellbare Reibahle mit einem zylindrischen Werkzeugschaft, der an seinem Umfang mehrere, in Umfangsrichtung beabstandete Schneidplatten aufweist, die radial verstellbar sind.

Speziell für die Nachbearbeitung von Bohrungen in sprödharten Mate­ rialien wie Glas oder Keramik ist eine derartige Reibahle nicht zu­ friedenstellend, da die verstellbaren Schneidplatten infolge der schweren Zerspanbarkeit der spröden Werkstoffe zum Rattern neigen, wodurch sich die durch die Feinbearbeitung erstrebte Formgenauigkeit sowie Oberflächengüte des Innenzylinders verschlechtern.

Ähnliche Probleme bestehen, abgesehen von der Kompliziertheit des Werkzeuges, beim Einsatz eines Feinbohrwerkzeuges gemäß EP-554 772 A1.

Aus der DE-PS 35 23 919 ist ein gattungsgemäßes Werkzeug zum Herstellen einer Bohrung bekannt, bei der das Aufbohrwerkzeug am vorauslaufen­ den Ende eine erste Schneideinrichtung in Form von Wende­ schneidplatten aufweist, die eine Vorbearbeitung der Bohrung in Verbindung mit der Vorschubbewegung des Werkzeuges be­ wirkt, während eine nur innerhalb eines Rückhubes des Werk­ zeuges wirksame Feinbearbeitungsvorrichtung in Form von Schälmessern hinter der ersten Schneideinrichtung am Umfang des Werkzeuges zur Endbearbeitung der Bohrung angeordnet ist. Als Betätigungsvorrichtung für die Schälmesser ist ein zen­ traler Steuerkolben mit einem daran befestigten Kegelstumpf vorgesehen. Dieses Werkzeug ist in seinem Aufbau verhältnis­ mäßig kompliziert, und es kann aufgrund der penumatischen oder hydraulischen Beaufschlagung des Steuerkolbens nicht oh­ ne weiteres an herkömmlichen Bohrmaschinen zum Einsatz kom­ men

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug der eingangs genannten Art zu verbessern, das eine einfache konstruktive Gestaltung aufweist und ohne entsprechende Stillstandzeiten verursachenden Werkzeugwechsel die wirt­ schaftliche Feinbearbeitung von Bohrungen mit extrem hohen Formgenauigkeiten und Oberflächengüten auch bei Werkstücken aus schwer zerspanbaren Materialien wie Glas oder Keramik er­ möglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Werkzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Werkzeugkopf napfförmig mit einem zylindrischen Bodenabschnitt und einer dünnwandigen Wandung ausgebildet ist, wobei an einer Stirn­ fläche des Bodenabschnittes die erste Schneideinrichtung be­ festigt ist und an einem Außenumfang der Wandung die zweite Schneideinrichtung befestigt ist und zumindest die zweite Schneideinrichtung Schneidkörper mit geometrisch unbestimmter Schneide aufweist.

Das erfindungsgemäße Werkzeug ermöglicht eine unter­ gliederte Feinbearbeitung der Bohrungen, die aufgrund der ab­ gestimmten Schneidparameter mit extrem hoher Formgenauigkeit und Oberflächengüte wirtschaftlich herstellbar sind, wobei kein den Arbeitsablauf unterbrechender Werkzeugwechsel not­ wendig ist. Die Schneidparameter werden dabei derart gewählt, daß bei der Vorschubbewegung ein relativ hohes Zerspanvolumen zur Grob-Vorbearbeitung erzielt wird, während zur Fein-End­ bearbeitung während der Rückzugbewegung des Werkzeuges die Schneidparameter derart eingestellt werden, daß die Randzo­ nenschädigungen reduziert und höchste Formgenauigkeit und Oberflächengüte erreicht werden.

Durch das erfindungsgemäße Werkzeug erfolgt während der Vorschubbewegung vorzugsweise eine schleifende Grob- Bearbeitung einer bereits vorhandenen Bohrung.

Vorzugsweise wird die zweite Schneideinrichtung durch zumindest einen Schneidkörper mit geometrisch unbestimmter Schneide, insbesondere durch Schleifbeläge, gebildet.

Aufgrund der zweiten, radial verstellbaren Schneideinrichtung mit geometrisch unbestimmter Schneide ist das erfindungsgemäße Werkzeug besonders für die Feinbearbeitung von Bohrungen in schwer zerspanba­ ren Materialien wie Glas oder Keramik geeignet, da die Endbearbeitung in einem Arbeitsgang schleifend mit geringem Spanungsquerschnitt und die gleichzeitigen Eingriffe einer Vielzahl von Schneiden erfolgen.

Für die Bearbeitung von Innenzylinderflächen bzw. vorgefertigten Durch­ gangsbohrungen ist es besonders vorteilhaft, wenn sowohl die erste als auch die zweite Schneideinrichtung Schneidkörper mit geometrisch unbestimmten Schneiden, insbesondere Schleifkörpern oder -belägen, mit unterschiedlicher Körnung sind.

Es ist dabei besonders von Vorteil, daß die beiden Schneideinrichtun­ gen voneinander axial beabstandet sind und für jeweils einen Bearbei­ tungsschritt bei einer Vorschubbewegung bzw. bei einem Zurückziehen des Werkzeuges vorgesehen sind, da so die Schneidparameter wie Vor­ schub, Schnittiefe oder Schnittgeschwindigkeit für den jeweiligen Be­ arbeitungsschritt individuell anpaßbar sind. Dabei ist bei der ersten Schleifoperation während des Vorschubes des Werkzeuges durch die nachzubearbeitende Bohrung lediglich die erste Schneideinrichtung im Eingriff, während die zweite Schneideinrichtung radial derart einge­ stellt ist, daß sie mit der Werkstückwandung nicht in Berührung kommt. Erst beim Zurückziehen des Werkzeuges wird die zweite Schneid­ einrichtung radial zugestellt, so daß eine Zerspanung durch die zwei­ te Schneideinrichtung erfolgt.

Die erste Schneideinrichtung kann aber auch aus einer herkömmlichen, eine Querschneide aufweisenden Schneidspitze (in der Art einer Spi­ ralbohrerspitze) ausgebildet sein, insbesondere wenn eine Bohrung im vollen Material erfolgt. Die zweite, als Schleifkörper ausgebildete, radial verstellbare Schneideinrichtung wird nach radialer Einstellung bei einem Zurückziehen des Werkzeuges mit einer schleifenden Fein-Endbearbeitung wirksam.

Der Werkzeugkopf in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist rotationssymmetrisch und napfförmig mit einem zylindrischen Bo­ denabschnitt und einer dünnwandigen Wandung ausgeführt, wobei an einer Stirnfläche des Bodenabschnittes die erste Schneideinrichtung und an einem Außenumfang der Wandung die zweite Schneideinrichtung befestigt ist. Die erste Schneideinrichtung an der Stirnfläche des Werkzeugkopfes ist bei der Vorschubbewegung des Werkzeuges dabei so­ wohl mit einer Stirnfläche als auch mit einer Umfangsfläche mit dem Werkstück in Berührung, so daß der erste Bearbeitungsschritt während der Vorschubbewegung des Werkzeuges vorzugsweise einem schleifenden Aufbohren gleicht. Die zweite Schneideinrichtung, die der Fein-Endbearbeitung beim Zurückziehen des Werkzeuges dient, ist an der dünnwandigen Wandung des Werkzeugkopfes befestigt und kann radial verstellt werden.

In besonders vorteilhafter Weise ist dabei die erste und/oder zweite Schneideinrichtung ein Schleifbelag mit unterschiedlicher Körnung. So weist vorzugsweise der an der Stirnfläche des Werkzeugkopfes ange­ brachte erste Schleifbelag, der insbesondere zur Realisierung eines hohen Zeitsparenvolumens eingesetzt wird, eine entsprechend grobe Kornspezifikation auf. Der zweite, radial verstellbare Schleifbelag, der zur Fein-Endbearbeitung beim Zurückziehen des Werkzeuges vorgese­ hen ist, weist demgegenüber eine sehr feinkörnige Spezifikation auf, um die Randzonenschädigung weitgehend zu minimieren. Ein grundsätzli­ cher Vorteil der Ausführung der beiden Schneideinrichtungen als Schleifbelag ist der Selbstschärfungseffekt, der im Besonderen bei der Bearbeitung von sprödharten Werkstoffen von Vorteil ist. Bei Er­ reichen eines bestimmten Verschleißzustandes werden die Schleifkörner freigegeben, wodurch ein nachfolgendes scharfes Korn zum Eingriff kommt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, daß die erste Schneideinrichtung mehrere Schleifbelagsegmente, die ent­ lang eines Kreisringes an einem äußeren Rand der Stirnfläche des Werkzeugkopfes angeordnet sind, aufweist, wobei die Schleifbelagseg­ mente voneinander durch radiale Spalten beabstandet sind. Dies ermög­ licht zum einen einen ausreichenden Kühlschmierstoffdurchfluß, zum anderen werden die Späne durch die radialen Spalten zwischen den Schleifbelagsegmenten aus der Zerspanzone transportiert.

Des weiteren besteht die zweite Schneideinrichtung in besonders vor­ teilhafter Weise aus mehreren Schleifringsegmenten, die entlang eines Kreisringes auf dem Außenumfang der Wandung des Werkzeugkopfes ange­ ordnet sind, wobei die Schleifbelagsegmente voneinander durch radiale Spalten beabstandet sind.

Vorzugsweise weist die Wandung des Werkzeugkopfes einen sich zum Bo­ denabschnitt verjüngenden Querschnitt auf und in axialer Richtung ge­ schlitzt, wobei die Schlitze in der Wandung entsprechend den Spalten zwischen den Schleifringsegmenten der zweiten Schneideinrichtung an­ geordnet sind. Auf diese Weise kann die zweite Schneideinrichtung sehr einfach radial verstellt werden, indem die geschlitzte Wandung des Werkzeugkopfes nach außen elastisch aufgeweitet wird. Der sich zum Bodenabschnitt verjüngende Querschnitt der Wandung führt dabei zu einer elastischen Deformation der Wandung im wesentlichen in einem Fußbereich der Wandung, der an den Bodenabschnitt des Werkzeugkopfes angrenzt, so daß sich der Anstellwinkel der zweiten Schneideinrich­ tung durch das Aufweiten nur sehr gering ändert. Zusammen mit dem ge­ schlitzten Schleifbelag ist dadurch die radiale Verstellbarkeit der zweiten Schneideinrichtung sehr einfach.

Darüber hinaus weist die Wandung des Werzeugkopfes in vorteilhafter Weise eine konische Innenfläche und die Verstelleinrichtung eine konische Außenfläche auf, die in Werkzeuglängsrichtung relativ zum Werkzeugkopf ver­ schieblich ist und mit der konischen Innenfläche der Wandung des Werkzeugkopfes in Eingriff ist. Durch die konischen Eingriffsflächen der Wandung des Werkzeugkopfes und der Verstelleinrichtung wird eine axiale Bewegung der Verstelleinrichtung in eine radiale Verstellbewegung der Wandung des Werkzeugkopfes und dadurch der zweiten Schneideinrichtung umge­ setzt. Im Besonderen bewirkt dabei die Abstützung der geschlitzten Wandung mit dem darauf befestigten geschlitzten Schleifbelag auf dem Konus der Verstelleinrichtung eine optimale Steifigkeit des Werkzeu­ ges, so daß höchste Formgenauigkeiten erzielt werden.

Nach einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform ist die konische Außenfläche der Verstelleinrichtung integral einstückig an einer axial verschiebbaren Hülse ausgebildet, die auf dem Werkzeugschaft drehfest und axial ver­ schieblich gelagert ist. Die konische Außenfläche mit der konischen Innenfläche der Wan­ dung des Werkzeugkopfes in Eingriff ist, ist darauf in seiner Lage sehr exakt bestimmt, so daß dementsprechend auch die Lage der Wandung mit dem darauf befestigten Schleifbe­ lag äußerst exakt in bezug auf die Werkzeugrotationsachse bestimmt ist. Dies ermöglicht trotz der elastischen Verformbarkeit der Wandung des Werkzeugkopfes größte Maßhaltigkeit und eine sehr hohe Steifig­ keit des Werkzeuges, so daß höchste Formgenauigkeiten bei der Nachbe­ arbeitung der Bohrungen erreichbar sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Hülse an einem Außenumfang Führungsleisten aufweist, wobei Außenflächen der Führungsleisten auf einer kreiszylindrischen Mantel­ fläche liegen, deren Durchmesser dem (fixen) Durchmesser der ersten Schneideinrichtung entspricht. Beim Vorschub des Werkzeuges, bei dem die erste Schneideinrichtung zur Zerspanung mit dem Werkstück im Ein­ griff ist, garantieren die in diesem Fall der Bearbeitungsstelle nacheilenden Führungsleisten den Geradeauslauf des Werkzeuges bei dieser Bearbeitungsoperation. Während des Zurückziehens des Werkzeu­ ges stützen die Führungsleisten das Werkzeug an der Werkstückwandung in einer gegenüber der durch die zweite Schneideinrichtung bestimmten Bearbeitungssteile vorauseilenden Position ab und sichern auch bei der Fein-Endbearbeitung den Geradeauslauf des Werkzeuges.

Eine vorteilhafte Ausführungsform für die radiale Verstellung der zweiten Schneideinrichtung ist dadurch gegeben, daß die Verstellein­ richtung mit einer Federeinrichtung zur Vorspannung der Hülse in eine Grob-Vorbearbeitungsposition, in der die Wandung des Werkzeugkopfes entspannt ist, und mit einer Spanneinrichtung zur Verschiebung der Hülse in eine Fein-Endbearbeitungsposition entgegen der Federvor­ spannung ausgeführt ist. Durch die Spanneinrichtung ist die axiale Verschiebung der Hülse und dadurch die radiale Verstellbarkeit der zweiten Schneideinrichtung sehr exakt einzustellen und zu kontrollie­ ren, wobei ein Spiel der Spanneinrichtung sowohl durch die Vorspan­ nung der Federeinrichtung als auch durch die Kräfte infolge des koni­ schen Eingriffes zwischen der Verstelleinrichtung und dem Werkzeug­ kopf vermieden ist. Nach Beendigung der Feinschleifoperation wird der Konus der Verstelleinrichtung mit Unterstützung der Federeinrichtung in eine hintere Stellung gedrückt, wodurch die Wandung des Werkzeug­ kopfes eine entspannte Stellung einnimmt.

Besonders einfach und effektiv ist es, die Federeinrichtung als Spi­ ralfeder auszuführen, die auf dem Werkzeugschaft zwischen dem Werk­ zeugkopf und der konischen Außenfläche aufgenommen ist sowie die Spanneinrichtung als Spannhülse auszuführen, die auf dem Werkzeugschaft an einer der konischen Außenfläche gegenüberliegenden Seite der Hülse anliegt, wobei eine Verschiebemut­ ter, die mit einem Außengewinde auf dem Werkzeugschaft in Eingriff ist, die Spannhülse abstützt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Werkzeugkopf und der konischen Außenfläche eine Anschlaghülse zur Be­ grenzung der Verschiebung der konischen Außenfläche relativ zum Werkzeugkopf auf dem Werkzeugschaft angeordnet, wobei die Spiralfeder auf der dem Werk­ zeugkopf zugewandten Seite in einer Hülsenaussparung und auf der der konischen Außenfläche zugewandten Seite in einer Konusaussparung aufgenommen ist. Diese Anschlaghülse legt die maximale axiale Verschiebung des Konus und entsprechenderweise die maximale radiale Verstellung der zweiten Schneideinrichtung äußert exakt fest, so daß die zweite Schneidein­ richtung höchst genau verstellbar ist und sich somit durch die Fein-Feinbearbeitung beim Zurückziehen des Werkzeuges höchste Formge­ nauigkeiten erreichen lassen.

Besonders günstig ist es, daß eine Stirnfläche und eine Umfangsfläche der Schleifbelagsegmente der ersten Schneideinrichtung einen Winkel kleiner 90° (z. B. 75°) zueinander einschließen, um die Standzeit des Schleifbelages zu erhöhen bzw. die aktive Schneidenfläche über eine lange Schleifdauer entsprechend groß halten.

Aus dem gleichen Grund ist die rückseitige Stirnfläche unter einem spitzen Winkel geneigt zur Umfangsfläche der Schleifringelemente der zweiten Schneideinrichtung angeordnet.

Vorzugsweise ist der Werkzeugschaft mit dem Werkzeugkopf lösbar ver­ bunden. So ist zum einen zur Anpassung des Werkzeuges an unterschied­ liche Fertigungsaufgaben lediglich ein Austauschen des Werkzeugkopfes erforderlich, während die übrigen Bauteile mit unterschiedlichen Werkzeugköpfen kombiniert für mehrere, verschiedene Fertigungsaufga­ ben verwendbar sind. Zum anderen kann bei Verschleiß, der bevorzugt am Werkzeugkopf auftritt, dieser individuell ersetzt und die restli­ chen Komponenten weiter verwendet werden.

In vorteilhafter Weise weist die Hülse, die auf dem Werkzeugschaft gelagert ist, zumindest eine durchgehende Nut auf, in die eine form­ schlüssig mit dem Werkzeugschaft verbundene Feder eingreift. Dies ge­ währleistet, daß die Hülse auf dem Werkzeugschaft drehfest und axial verschieblich gelagert ist, wobei die Nut-Feder-Verbindung eine bil­ lige Verbindung ist, die zur Übertragung der Drehbewegung des Werk­ zeugschaftes auf die Hülse ausreichend ist, wobei trotzdem die radia­ le Lage der Hülse relativ zum Werkzeugschaft sehr genau und steif be­ stimmt ist, so daß insgesamt das Werkzeug eine hohe Steifigkeit be­ sitzt, die eine hochgenaue Feinbearbeitung ermöglicht.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die erste und/oder zweite Schneideinrichtung mit dem Werkzeugkopf lösbar ver­ bunden. Bei Verschleiß ist somit lediglich die jeweilige Schneidein­ richtung vom Werkzeugkopf zu entfernen und durch einen neuen zu er­ setzen, während die restlichen Bauteile inklusive Werkzeugkopf wei­ terverwendet werden können. Darüber hinaus ermöglicht die lösbare Verbindung zwischen der Schneideinrichtung und dem Werkzeugkopf einen einfachen und schnellen Schneidstoffwechsel, so daß das erfindungsge­ mäße Werkzeug in einfacher Weise an unterschiedliche Bearbeitungsauf­ gaben von unterschiedlichen Materialien des Werkstückes, die eine un­ terschiedliche Körnung, Härte, Konzentration und Bindung des Schleif­ belages erforderlich machen, anpaßbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung des zylindrischen Werkzeuges zur Feinbearbeitung von Bohrungen nach einem Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung, wobei eine Einstellung des Werkzeuges für eine Grob-Vorbearbeitung bei einer Vorschubbewegung des Werkzeuges dargestellt ist,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Werkzeuges nach dem Ausfüh­ rungsbeispiel entsprechend Fig. 1, wobei das Werkzeug in einer Einstellung zur Fein-Endbearbeitung während eines Rückziehens des Werkzeuges dargestellt ist,

Fig. 3 eine Frontansicht des Werkzeuges nach dem Ausführungs­ beispiel entsprechend Fig. 1, das als eine erste Schneid­ einrichtung mehrere, durch radiale Spalten beabstandete Schleifbelagsegmente aufweist,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Werkzeugkopfes des Werk­ zeuges nach dem Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1, mit einer ersten Schneideinrichtung an einer Stirnfläche und einer zweiten Schneideinrichtung auf dem Außenumfang einer Wandung,

Fig. 5 eine Rückansicht des Werkzeugkopfes nach Fig. 4, wobei die zweite Schneideinrichtung mehrere, durch radiale Spalten beabstandete Schleifringsegmente aufweist,

Fig. 6 eine Detailansicht der Wandung des Werkzeugkopfes nach Fig. 4 in einer Schnittdarstellung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines zylindrischen Werkzeuges, das einen Werkzeugschaft 7 aufweist, der mit einem Werk­ zeugkopf 3 verschraubt ist. Der rotationssymmetrische und napfförmige Werkzeugkopf 3 besitzt einen zylindrischen Bodenabschnitt 19 sowie eine dünnwandige Wandung 5. An einer Stirnfläche 4 des Bodenabschnit­ tes 19 ist eine erste Schneideinrichtung 1 und am Außenumfang der Wandung 5 eine zweite Schneideinrichtung 2 befestigt, die radial ver­ stellbar ist. Diese radiale Verstellbarkeit der zweiten Schneidein­ richtung 2 wird dadurch erreicht, daß die Wandung 5 des Werkzeugkop­ fes 3 einen sich zum Bodenabschnitt 19 verjüngenden Querschnitt auf­ weist und in axialer Richtung geschlitzt ist, so daß die Wandung 5 und die am Außenumfang der Wandung 5 angebrachte zweite Schneidein­ richtung 2 radial um ein bestimmtes Maß nach außen aufgeweitet werden können, so daß der effektive Außendurchmesser der zweiten Schneidein­ richtung 2 verstellbar ist. Die zweite Schneideinrichtung ist ein Schleifbelag 2, der aus mehreren Schleifringsegmenten 21, wie am be­ sten in Fig. 5 zu sehen ist, besteht, die entlang eines Kreisringes auf dem Außenumfang der Wandung 5 des Werkzeugkopfes 3 an einem End­ bereich der Wandung 5 angeordnet sind, wobei die Schleifbelagsegmente 21 voneinander durch radiale Spalten beabstandet sind. Die Spalten zwischen den Schleifbelagsegmenten 21 decken sich dabei mit den axia­ len Schlitzen in der Wandung 5 des Werkzeugkopfes 3, so daß die ein­ zelnen Schleifringsegmente 21 entsprechend der elastischen Aufweitung der Wandung 5 radial nach außen verstellbar sind. Die erste Schneid­ einrichtung an der Stirnfläche 4 des Werkzeugkopfes 3 ist ebenfalls ein Schleifbelag 1, der aus mehreren Schleifbelagsegmenten 20, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, besteht, die entlang eines Kreis­ ringes an einem äußeren Rand der Stirnfläche 4 des Werkzeugkopfes 3 angeordnet sind, wobei die Schleifbelagsegmente 20 voneinander eben­ falls durch radiale Spalten beabstandet sind. Dieser erste Schleifbe­ lag 1 ist in seinem Durchmesser unveränderlich und lösbar mit der Stirnfläche 4 des Werkzeugkopfes 3 verbunden. Die Ausführung der ersten Schneideinrichtung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform, die speziell an die Bearbeitung von Innenzylindern angepaßt ist, beschränkt. Die erste Schneideinrichtung kann z. B. für das Arbeiten ins Volle auch eine herkömmliche, mit einer oder mehreren Querschneiden versehen, spiralbohrerartige Schneideinrichtung sein.

Der generelle Arbeitsablauf für das vorliegende Ausführungsbeispiel für eine Nachbearbeitung von Bohrungen bzw. Innenzylindern gestaltet sich dabei folgendermaßen:
Beim Vorschub des Werkzeuges durch die Werkstückbohrung greift der im Durchmesser unveränderliche Schleifbelag 1 in das Material ein, wäh­ rend der zweite Schleifbelag 2 auf dem Außenumfang der Wandung 5 des Werkzeugkopfes 3 dabei nicht in das Material eingreift, da sich die Wandung 5 in einem entspannten Zustand befindet, indem der Durchmes­ ser des zweiten Schleifbelages 2 kleiner ist als der Durchmesser d des ersten Schleifbelages 1.

Die während der Vorschubbewegung des Werkzeuges stattfindende Bear­ beitungsoperation durch den ersten Schleifbelag 1 entspricht dabei einer Grob-Vorbearbeitung, die ein erstes Zurücksetzen der Ober­ flächenrauhigkeit sowie die Verbesserung der Formgenauigkeit zum Ziel hat. Dementsprechend weist der erste Schleifbelag 1 zur Reali­ sierung eines hohen Zeitspanvolumens eine entsprechende grobe Korn­ spezifikation auf. Die Schneidparameter werden ebenfalls für ein ho­ hes Zeitspanvolumen eingestellt. Die Zerspanung erfolgt mit relativ großem Vorschub und relativ großer Schnittiefe, wobei die Drehzahl des Werkzeuges verhältnismäßig niedrig ist, um eine relativ niedrige Schnittgeschwindigkeit zu bewirken.

Nach Austritt des Werkzeuges auf der Gegenseite des Werkstückes wird die Wandung 5 des Werkzeugkopfes 3 radial nach außen um ein bestimm­ tes Maß verstellt, so daß der zweite Schleifbelag 2 auf den Außen­ durchmesser D verstellt wird, der größer ist als der Außendurchmesser d des ersten Schleifbelages 1. Beim Zurückziehen des Werkzeuges ist dann der zweite Schleifbelag 2 mit dem Werkstück in Eingriff, wobei diese Bearbeitungsoperation einer Fein-Endbearbeitung entspricht. Dementsprechend weist der zweite Schleifbelag 2 eine sehr feine Korn­ spezifikation auf, so daß die Randzonenschädigung des Werkstückes weitgehend minimiert wird. Dazu werden die Schleifparameter ebenfalls für eine Fein-Endbearbeitung eingestellt. Mit relativ hoher Drehzahl und einer folglich relativ hohen Schnittgeschwindigkeit wird mit sehr geringem Vorschub und geringer Schnittiefe nur sehr wenig Material vom Werkstück abgenommen.

Besonders von Vorteil ist dabei, daß die erste und zweite Schneidein­ richtung 1, 2 jeweils ein Schleifbelag ist, da auf diese Weise auch im allgemeinen schwer zerspanbare, sprödharte Materialien wie Glas oder Keramik feinbearbeitet werden können. Die Verstellbarkeit der zweiten Schneideinrichtung 2 gewährleistet dabei eine zweistufige Be­ arbeitung der Bohrung ohne einen Werkzeugwechsel mit entsprechenden Stillstandzeiten der Maschine, so daß die Bohrschleifoperation zur Reduktion der Randzonenschädigung wirtschaftlich in eine Grob-Vor­ bearbeitung und eine Fein-Endbearbeitung untergliedert werden kann. Die Einbringung von Bohrungen mit extrem hohen Formgenauigkeiten und Oberflächengüten ist durch das erfindungsgemäße Werkzeug ohne Werk­ zeugwechsel möglich.

Die radiale Verstellbarkeit der zweiten Schneideinrichtung 2 erfolgt dabei durch den Eingriff zweier konischer Flächen. Die Wandung 5 des Werkzeugkopfes 3 weist in dem Bereich, in dem auf dem Außenumfang die zweite Schneideinrichtung 2 angebracht ist, eine konische Innenfläche 11 auf, die mit einer konischen Außenfläche 6 einer Verstelleinrichtung 8, 17, 18 in Eingriff ist. Die konische Außenfläche 6 ist dabei integral einstückig an einer axial ver­ schiebbaren Hülse 8 ausgebildet, die auf dem Werkzeugschaft 7 dreh­ fest und axial verschieblich gelagert ist. Die drehfeste und axial verschiebliche Verbindung zwischen der Hülse 8 und dem Werkzeugschaft 7 ist durch eine Nut-Feder-Verbindung gewährleistet. Die Hülse 8 weist eine durchgängige Nut 9 auf, in die eine formschlüssig mit dem Werkzeugschaft 7 verbundene Feder 10 eingreift.

Die konische Außenfläche 6 an der Hülse 8 liegt an der konischen Innenfläche 11 der Wandung 5 des Werkzeugkopfes 3 an, so daß ein axiales Verschieben der Hülse 8 auf dem Werkzeugschaft 7 in eine radiale Aufweitung der geschlitzten Wan­ dung 5 und der am Außenumfang angebrachten zweiten Schneideinrichtung 2 umgesetzt wird.

Dabei ist zu beachten, daß die elastische Deformation der Wandung 5 aufgrund des sich zum Bodenabschnitt 19 hin verjüngenden Querschnit­ tes hauptsächlich in dem Bereich der Wandung 5, der an den Bodenab­ schnitt 19 angrenzt, erfolgt, so daß die radiale Verstellung der zweiten Schneideinrichtung 2 den Anstellwinkel der zweiten Schneid­ einrichtung 2 nur äußerst gering verändert.

Die konische Innenfläche 11 der Wandung 5 ist an einem Endbereich der Wandung 5 angeordnet, da dadurch die zweite Schneideinrichtung 2 direkt durch die konische Außenfläche 6 der Hülse 8 abgestützt ist. Das Werkzeug erreicht dadurch eine optimale Steifigkeit, so daß hohe Formgenauigkeiten erzielbar sind.

Die Hülse 8 weist an einem Außenumfang Führungsleisten 12 auf, wobei Außenflächen der Führungsleisten 12 auf einer kreiszylindrischen Man­ telfläche liegen, deren Durchmesser dem Durchmesser d der ersten Schneideinrichtung 1 entspricht. Diese Führungsleisten 12 gewährlei­ sten sowohl bei der Vorschubbewegung des Werkzeuges als auch beim Zu­ rückziehen den Geradeauslauf des Werkzeuges. Im Falle der Vorschubbe­ wegung des Werkzeuges eilen die Führungsleisten 12 der Bearbeitungs­ stelle nach und liegen exakt an der Wand der Bohrung im Werkstück, die durch die erste Schneideinrichtung mit dem Durchmesser d erzeugt wird, an und führen das Werkzeug geradeaus. Im Falle des Zurückzie­ hens des Werkzeuges eilen die Führungsleisten 12 der Bearbeitungs­ stelle voraus und liegen ebenso an der Bohrung mit dem Durchmesser d, die während der Vorschubbewegung erzeugt wurde, an, wobei die zweite Schneideinrichtung 2 die Bearbeitungsoperation, nämlich das Auf­ schleifen der Bohrung auf den Durchmesser D hinter den Führungslei­ sten bezüglich der Rückzugbewegung, ausführt.

Die translatorische Bewegung der Hülse 8 auf dem Werkzeugschaft 7 zur radialen Verstellung der zweiten Schleifeinrichtung 2 erfolgt dabei durch eine Spannhülse 17, die auf dem Werkzeugschaft 7 an einer der 6 gegenüberliegenden Seite der Hülse 8 anliegt und durch eine Verschiebemutter 18, die mit einem Außengewinde auf dem Werkzeug­ schaft 7 in Eingriff ist, und die Spannhülse 17 abstützt. Die Ver­ schiebemutter 18 drückt eine Schraubbewegung die Spannhülse 17 in Richtung des Werkzeugkopfes 3, so daß in der Folge die Hülse 8 mit der konischen Außenfläche 6 translatorisch auf den Werkzeugkopf 3 hin verschoben wird, wodurch die Wandung 5 um ein der Steigung des Konus 6 entspre­ chendes Maß radial nach außen verstellt wird.

Die maximale translatorische Verschiebung der Hülse 8 wird dabei durch eine Anschlaghülse 14 begrenzt, die zwischen dem Werkzeugkopf 3 und der Hülse 8 auf dem Werkzeugschaft 7 angeordnet ist. Diese maxi­ male Verschiebung der Hülse 8, in der die Hülse 8 an der Anschlaghül­ se 14 anliegt, wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, entspricht einer Fein-Feinbearbeitungsposition, in der die zweite Schneideinrichtung 2 radial auf den Außendurchmesser D gestellt ist und beim Zurückziehen des Werkzeuges das Werkstück zerspant. Die Anschlaghülse 14 legt die Maximalstellung der Hülse 8 sehr exakt fest, wodurch entsprechender­ weise auch die Fein-Endbearbeitungsposition der zweiten Schneidein­ richtung 2 sehr exakt festgesetzt ist.

Nach Beendigung der Fein-Endschleifoperation wird die Hülse 8 mit Unterstützung einer Spiralfeder 13 wieder in eine Grob-Vorbearbei­ tungsposition, in der die Wandung 5 des Werkzeugkopfes 3 entspannt ist, zurückgeschoben, sobald die Verschiebemutter 18 zurückgeschraubt wird, wodurch die Spannhülse 17 die Hülse 8 nicht mehr in Richtung zum Werkzeugkopf 3 spannt. Die Spiralfeder 13 ist dabei zwischen dem Werkzeugkopf 3 und der Hülse 8 auf der dem Werkzeugkopf 3 zugewandten Seite in einer Hülsenaussparung 15 und auf der der konischen Außenfläche zugewand­ ten Seite in einer Konusaussparung 16 auf dem Werkzeugschaft 7 aufge­ nommen. Die Spiralfeder 13 ist dabei derart vorgespannt, daß die Hül­ se 8 jederzeit in Anlage mit Spannhülse 17 und die Spannhülse 17 in Anlage mit der Verschiebemutter 18 ist.

Besonders vorteilhaft für eine Anpassung der Schleifbeläge 1, 2 an die Bearbeitungsaufgabe sowie zur Beseitigung von Verschleiß an den Schleifbelägen 1, 2 sowie dem Werkzeugkopf 3 ist es zum einen, daß der Werkzeugkopf 3 mit dem Werkzeugschaft 7 verschraubt ist, wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist. Dabei stellt ein Zentrieransatz im Bodenabschnitt 19 des Werkzeugkopfes 3 die exakte Positionierung des Werkzeugkopfes 3 bezüglich des Werkzeugschaftes 7 sicher. Durch die Verschraubung ist gewährleistet, daß der Werkzeugkopf 3 leicht vom Werkzeugschaft 7 demontiert und durch einen anderen ersetzt werden kann. Zum anderen ist es vorteilhaft, daß die Schleifbeläge 1 und 2 mit dem Werkzeugkopf 3 lösbar verbunden sind, so daß die Schleifbelä­ ge individuell ausgesucht und für die jeweilige Bearbeitungsaufgabe kombinierbar sind.

Wie aus den Fig. 3 und 5 ersichtlich ist, besteht der erste Schleif­ belag 1 aus mehreren Schleifbelagsegmenten 20 und der zweite Schleif­ belag 2 aus mehreren Schleifringsegmenten 21, die jeweils durch ra­ diale Spalten voneinander beabstandet sind. Die Anordnung dieser ra­ dialen Spalten zwischen den Schleifbelagsegmenten 20 bzw. den Schleifringsegmenten 21 gewährleistet eine Spanabfuhr durch die ra­ dialen Spalten hindurch. Da der erste Schleifbelag 1 und der zweite Schleifbelag 2, wie bereits geschildert, unterschiedlichen Bearbei­ tungsaufgaben dienen, unterscheiden sich diese neben ihrer Kornspezi­ fikation auch bezüglich ihrer Geometrie. Wie am besten aus Fig. 4 er­ sichtlich ist, schließen eine Stirnfläche und eine Umfangsfläche der Schleifbelagsegmente 20 der ersten Schneideinrichtung einen Winkel α von 75° zueinander ein. Durch diese spitzwinklige Geometrie ebenso wie durch eine entsprechende spitzwinklige Anordnung von rückseitiger Stirnfläche zur Umfangsfläche der Schleifringelemente 22 der zweiten Schneideinrichtung unter einem Winkel β von ca. 60° wird die Stand­ zeit der Schleifbeläge und damit des Werkzeuges erhöht bzw. die akti­ ve Schneidfläche über eine lange Schleifdauer möglichst groß gehal­ ten.

Durch das Werkzeug ist das Einbringen und Endberbeiten von Bohrungen oder Innenzylindern mit extrem hohen Formgenauigkeiten und Oberflä­ chengüten ohne Werkzeugwechsel möglich, wobei durch die Untergliede­ rung z. B. einer Bohrschleifoperation in eine Grob-Vorbearbeitung und eine Fein-Endbearbeitung die Prozeßparaineter je nach dem im Eingriff befindlichen Belag optimal ausgewählt werden können. Neben einer Ver­ besserung des Bearbeitungsergebnisses ermöglicht eine derartige Pro­ zeßführungsstrategie auch eine Reduktion des Werkzeugverschleißes so wie eine wesentliche leichtere Abstimmung der Schleifbeläge auf die Bearbeitungsaufgabe.

Das Werkzeug ist im Besonderen für die Feinbearbeitung von Bohrungen in sprödharten, schwer zerspanbaren Materialien in vorteilhafter Wei­ se geeignet, jedoch ist die Anwendung des Werkzeuges nicht darauf be­ schränkt, sondern kann bei der Bearbeitung aller Materialien einge­ setzt werden, die eine Schleifbearbeitung, respektive Honbearbeitung bei der Herstellung hochgenauer Durchgangsbohrungen erfordern. We­ sentlich ist die Anordnung und radiale Verstellbarkeit der zweiten Schneideinrichtung.

Das Werkzeug wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles ge­ schildert, jedoch kann gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel die radiale Verstellung der gestützten Wandung 5 des Werkzeuges 3 und der am Außenumfang angebrachten zweiten Schneideinrichtung 2 auch pneuma­ tisch bzw. hydraulisch ähnlich einem Mehr-Backenfutter oder über einen Schnecken- bzw. Schraubentrieb erfolgen. Die erste Schneidein­ richtung ist nicht auf die Verwendung eines Grob-Schleifkörpers be­ schränkt, sondern es können dort in Abhängigkeit vom Anwendungsfall auch Schneideinrichtungen mit geometrisch bestimmter Schneidgeometrie verwendet werden.

Claims (17)

1. Werkzeug zur Bearbeitung von Bohrungswandungen, insbeson­ dere Durchgangsbohrungen mit hoher Oberflächengüte, mit einem rotationssymmetrischen Werkzeugkopf, einem Werkzeugschaft und zwei axial beabstandeten Schneideinrichtungen, wobei die er­ ste Schneideinrichtung zur Zerspanung bei einer Vorschubbewe­ gung des Werkzeuges an einem voraus laufenden vorderen Endbe­ reich des Werkzeugkopfes angeordnet ist und die zweite Schneideinrichtung zur Zerspanung bei einem Zurückziehen des Werkzeuges am Umfang des Werkzeugkopfes angeordnet und durch eine Verstelleinrichtung radial verstellbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Werkzeugkopf (3) napfförmig mit einem zylindrischen Bodenabschnitt (19) und einer dünnwandigen Wan­ dung (5) ausgebildet ist, wobei an einer Stirnfläche (4) des Bodenabschnittes (19) die erste Schneideinrichtung (1) befe­ stigt ist und an einem Außenumfang der Wandung (5) die zweite Schneideinrichtung (2) befestigt ist und zumindest die zweite Schneideinrichtung Schneidkörper mit geometrisch unbestimmter Schneide aufweist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schneideinrichtung (1) Schneidkörper mit geometrisch unbestimmter Schneide aufweist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schneideinrichtung Schleifbeläge (2) aufweist.

4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schneideinrichtung (1, 2) Schleifbeläge un­ terschiedlicher Körnung aufweisen.

5. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf (3) segmentiert ist und die erste Schneideinrichtung (1) mehrere Schleifbe­ lagsegmente (20), die entlang eines Kreisringes an einem äu­ ßeren Rand der Stirnfläche (4) des Werkzeugkopfes (3) ange­ ordnet sind, aufweist, wobei die Schleifbelagsegmente (20) voneinander durch radiale Spalten beabstandet sind.

6. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Schneideinrichtung (2) mehrere Schleifringsegmente (21), die entlang eines Kreisrin­ ges auf dem Außenumfang der Wandung (5) des Werkzeugkopfes (3) angeordnet sind, aufweist, wobei die Schleifbelagsegmente (21) voneinander durch radiale Spalten beabstandet sind.

7. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wandung (5) einen sich zum Bo­ denabschnitt (19) verjüngenden Querschnitt aufweist und in axialer Richtung geschlitzt ist, wobei die Schlitze in der Wandung (5) in axialer Ausrichtung zu den Spalten zwischen den Schleifringsegmenten (21) angeordnet sind.

8. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wandung (5) des Werkzeugkopfes (3) eine konische Innenfläche (11) aufweist, die mit einer konischen Außenfläche (6) an einer in Werkzeuglängsrichtung relativ zum Werkzeugkopf (3) verschieblichen Verstelleinrich­ tung (8, 17, 18) in Eingriff ist.

9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Außenfläche (6) integral einstückig an einer axial verschiebbaren Hülse (8) ausgebildet ist, die auf dem Werk­ zeugschaft (7) drehfest und axial verschieblich gelagert ist.

10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (8) an einem Außenumfang Führungsleisten (12) aufweist, wobei Außenflächen der Führungsleisten (12) auf einer kreis­ zylindrischen Mantelfläche liegen, deren Durchmesser dem Durchmesser der ersten Schneideinrichtung (1) entspricht.

11. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (8, 17, 18) eine Federeinrichtung (13) zur Vorspannung der Hülse (8) in eine Grob-Vorbearbeitungsposition, in der die Wandung (5) des Werkzeugkopfes (3) entspannt ist, und eine Spanneinrichtung (17, 18) zur Verschiebung der Hülse (8) in eine Fein-Endbear­ beitungsposition entgegen der Federvorspannung aufweist.

12. Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung eine Spiralfeder (13) ist, die auf dem Werkzeugschaft (7) zwischen dem Werkzeugkopf (3) und der ko­ nischen Außenfläche (6) aufgenommen ist.

13. Werkzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spanneinrichtung eine Spannhülse (17), die auf dem Werkzeugschaft (7) an einer der konischen Außenfläche (6) gegenüberliegenden Seite der Hülse (8) anliegt sowie eine Verschiebemutter (18) aufweist, die mit einem Außengewinde auf dem Werkzeugschaft (7) in Eingriff ist und die Spannhülse (17) abstützt.

14. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Werkzeugkopf (3) und der konischen Außenfläche (6) eine Anschlaghülse (14) zur Be­ grenzung der Verschiebung der konischen Außenfläche (6) rela­ tiv zum Werkzeugkopf (3) auf dem Werkzeugschaft (7) angeord­ net ist, wobei die Spiralfeder (13) auf der auf dem Werkzeug­ kopf (3) zugewandten Seite in einer Hülsenaussparung (15) und auf der der konischen Außenfläche (6) zugewandten Seite in einer Konusaussparung (16) aufgenommen ist.

15. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß der Werkzeugschaft (7) mit dem Werkzeugkopf (3) lösbar verbunden ist.

16. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hülse (8) zumindest eine durchge­ hende Nut (9) aufweist, in die eine formschlüssig mit dem Werk­ zeugschaft (7) verbundene Feder (10) eingreift.

17. Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Schneidein­ richtung mit dem Werkzeugkopf (3) lösbar verbunden ist.