Bohrer
Die Erfindung betrifft einen Bohrer, insbesondere Spiralbohrer, mit einem zylindrischen Schaftteil, einer Drehachse, die zum Schaftteil konzentrisch ist, und am Ende des Schaftes angeordneten Schneidlippen.
Die herkömmlichen, mit zwei Dralinuten versehenen handelsüblichen Spiralbohrer weisen einen Schaftteil und einen mit Drallnuten versehenen Teil auf. Das Ende des mit Drallnuten versehenen Teils bildet den Schneidkopf des Bohrers und ist gewöhnlich mit einer Spitze und unter einem Winkel zueinander angeordneten geradlinigen Schneidlippen versehen, die mit einer scharfen Ecke in den Bohreraussendurchmesser übergehen.
Die allgemein übliche Praxis ist, diesen ganzen Spitzenwinkel entsprechend dem speziellen zu bohrenden Material zu ändern. Diese Spitzenwinkel für einen optimalen Bohrvorgang wurden für die meisten Materialien bestimmt und zur Benützung in Tabellen eingetragen.
Während diese tabellierten Spitzenwinkel im allgemeinen als die optimalsten Werte zum Bohren eines speziellen Materials verwendet werden, bestehen mindestens drei prinzipielle Nachteile bei dieser Art von Spitzengeometrie, nämlich:
1. Die scharfen Übergänge, wo die Schneidlippen in den Bohreraussendurchmesser übergehen, bewegen sich schneller als jeder andere Abschnitt der Schneidkanten und entfernen mehr Material. Dementsprechend sind diese scharfen Übergänge einer grösseren Abnützung unterworfen. Dadurch sind diese scharften Übergänge schneller stumpf und verhindern ein Bohren.
2. Beim Durchbruch wird die grösste Materialmenge mit den letzten Umdrehungen des Bohrers entfernt, so dass eine stark erhöhte Spannung auf den Bohrer ausgeübt oder der letzetre abrupt blockiert wird. Dies gilt speziell für die stumpfen Spitzen die zum Bohren der härtesten Materialien verwendet werden. Dieser Schlag beim Durchbruch richtet die grösste Spannung auf die schwächsten Stellen des Bohrers, d. h. die scharfen Übergänge wo die Schneidlippen in den Bohreraussendurchmesser übergehen, so dass Ausfälle häufig sind und schlechte Bohrungen mit rauhen Kanten resultieren. In vielen Fällen, wenn der Bohrer angehalten und eine übermässige Spannung auf die Anordnung wirkt oder das Werkstück nicht genügend stark festgeklemmt ist, dreht sich das Werkstück um den Bohrer oder schraubt sich um den letzteren hoch, wodurch sehr oft die Bedienungsperson verletzt wird.
3. Die scharfen Übergänge wo die Schneidlippen in den Aussendurchmesser des Bohrers übergehen, neigen ebenfalls dazu, die Seitenflächen der Bohrung zu kerben oder rauhe Furchen zu erzeugen, so dass die Bohrung nachher zur Erzielung einer glatten Oberfläche ausgerieben werden muss. Demzufolge sind zur Erzielung einer Bohrung mit glatten Seitenflächen zwei Arbeitsoperationen notwendig.
Es wurden schon unzählige Versuche unternommen, um diese allen gegenwärtig erhältlichen handelsüblichen Spiralbohrern anhaftenden Nachteile zu eliminieren, jedoch war bis heute kein Versuch erfolgreich. Die die Industrie piagenden Probleme wurden bereits studiert und verschiedene Publikationen auf diesem Gebiet geschrieben, so zum Beispiel:
An Investigation of Twist Drills, Bruce W. Benedict und W. Penn Lukens, Vol. XV, Nr. 13, Universität Illinois, Urbana, 1917, und
An Investigation of Twist Drllls, Bruce W. Benedict und Albert E. Hershey, Vol.XXIV, Nr. 11, Universität Illinois, Urbana, 1926.
Es wurden auch bereits verschiedene US-Patente für verbesserte Bohrer erteilt. So z. B. die US-Patente Nrn. 1 309 706, 1 887 374, 3 106 112, 3 199 381 und das britische Patent Nr. 2674 (1904). Es wurde bereits vorgeschlagen, einige der oben erwähnten Nachteile dadurch zu eliminieren, dass man dem Schneidkopf des Bohrers eine bestimmte neuartige Form gibt. Diese Form ist eindeutig bestimmt und obwohl nicht gänzlich verschieden von der vorliegenden erfindungsgemässen Ausbildung, ergibt sie keine Lösung, die sich in der Praxis bewährte. Zum Beispiel liegt der Mittelpunkt des Radius der die Schneidlippen definierenden Kurve direkt auf der Mittellinie des Bohrers, wobei der Radius grösser als die Hälfte des Bohrerdurchmessers ist.
Auf diese Weise laufen die Schneidlippen nicht tangential in den Aussendurchmessers des Bohrers aus, was wie nachstehend näher beschrieben, zur gleichmässigen Kraftverteilung und zur Erzielung von optimalen Schneidzuständen am Aussendurchmessers des Bohrers beim Durchbruch und während des Bohrens einer Bohrung notwendig ist. Ferner ist ein beinahe tangentiales konisches Schleifen der unwirksamen Mittelfläche notwendig. Die Notwendigkeit des Eindringens der unwirsamen Mittelfläche in das zu bohrende Material ist beachtet, jedoch ist der wohlbekannten Tatsache, dass ein spezieller eingeschlossener Spitzenwinkel an der Mittelfläche besser arbeitet als ein anderer in einem speziellen Werkstoff, keine Beachtung geschenkt worden. Aus diesem Grund fand dieser bekannte Bohrer keinen Eingang in der Industrie.
Weiter ist eine Bohrerspitze bekannt, die gekrümmte Schneidlippen aufweist, die derart geformt sind, dass der eingeschlossene Winkel zwischen den Schneidlippen allmählich abnimmt, so dass sie tangential in die Bohreraussenhüllfläche auslaufen. Während diese Ausbildung der Bohrerspitze sich für bestimmte Anwendungszwecke als sehr befriedigend erwies, wurde gefunden, dass sie noch weiter verbessert werden kann.
Der erfindungsgemässe Bohrer, inbesondere Spiralbohrer ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Schneidlippe wenigstens über einen Teil ihrer Länge die Form einer kontinuierlichen Kurve aufweist, und dass diese Kurven im Bereich der Bohrerspitze so enden, dass ihre Tangenten in diesen Endpunkten denselben, vom zu bearbeitenden Material abhängigen Spitzenwinkel einschliessen, der bei Bohrern mit geraden Schneidlippen für das betreffende Material vorgesehen ist. Für die meisten Verwendungszwecke ist dabei der Bohrer vorzugsweise so ausgebildet, dass die kontinuierlichen Kurven tangential in die Peripherie des Bohrerschaftes auslaufen. Ebenso ist der Bohrer zweckmässigerweise so gestaltet, dass die Schneidlippen sich über die gesamte Länge der kontinuierlichen Kurve erstrecken.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines herkömmlichen Bohrers,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer ersten beispielsweisen Ausführungsform eines erfindungsgemässen Bohrers,
Fig. 3, 4 und 5 das Vorgehen zur Bestimmung der Bohrerspitzen von erfindungsgemässen Bohrern, und zwar Bohrern die herkömmlichen Bohrern mit Spitzen winkeln von 130, 1180 und 900 entsprechen,
Fig. 6 eine Draufsicht auf den in Fig. 2 dargestellten Bohrer,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels als Spatenbohrer,
Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7,
Fig.
9, 10 und 11 die Spannungsverteilung an der Bohrerspitze, von der Mittelachse der Bohrers zu dessen Aussendurchmesser, für herkömmliche Spiralbohrer mit einem Spitzenwinkel von 1300, 1180 und 900 und gleichzeitig für erfindungsgemäss ausgebildete Spiralbohrer,
Fig. 12, 13 und 14 die Späneform für die obigen Bohrer,
Fig. 15 eine Seitenansicht eines beispielsweisen erfindungsgemässen Bohrers mit Hinterschliff-Flächen hinter den Schneidkanten,
Fig. 16 eine Draufsicht auf den in Fig. 15 dargestellten Bohrer,
Fig. 17 eine um 900 gedrehte Seitenansicht des in Fig. 15 dargestellten Bohrers,
Fig. 18 eine Seitenansicht des in den Fig. 15 und 17 dargestellten Bohrers in vergrössertem Massstab,
Fig. 19 eine Draufsicht auf den in Fig. 18 dargestellten Bohrer zur Darstellung der Beziehung zwischen der Querschneide und der Schneidkante in einer von der in Fig.
16 dargestellten Anordnung abweichenden Form und
Fig. 20 eine Draufsicht auf die Querschneide des in Fig. 19 dargestellten Bohrers.
Gleiche Bezugszeichen entsprechen gleichen Teilen in allen Ansichten der Zeichnung.
In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Spiralbohrer 10 mit einem Schaft 12 und einem mit zwei Spiralnuten 16 und 18 versehenen Spiralteil 14 dargestellt. Der Spiralteil 14 weist einen Schneidkopf 20 mit zwei gradlinig verlaufenden Schneidlippen 22 und 24 auf, die von einer Bohrerspitze 26 kegelförmig nach oben verlaufen und mit scharfen eckigen Übergängen 28 bzw. 30 in die Bohrerumfangfläche übergehen. Der Spitzenwinkel a zwischen den Schneidlippen 22 und 24 ist der eingeschlossene Winkel des Bohrerschneidkopfes 20 und ist zur Erzielung der bestmöglichen Resultate vom zu bohrenden Material abhängig. Normalerweise wird ein grö sserer Spitzenwinkel a zum Bohren von harten Materialien und ein kleinerer oder spitzerer Winkel zum Bohren von weicherem Material verwendet.
In Fig. 2 ist ein Spiralbohrer 32 mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Schneidkopf 33 dargestellt.
Normalerweise ist der Schneidkopf 33 durch allmähliche Verkleinerung des bei herkömmlichen Spiralbohrern vorgesehenon Spitzenwinkels a geformt, so dass zwei Schneidlippen 34 und 36 gebildet werden, die längs einer kontinuierlichen regelmässigen Kurve von der Bohrerspitze 38 aus sich erstrecken und tangential in die Bohrerumfangsfläche übergehen. Durch diese Ausbildung wird die Abnützung am Schneidkopf gLiehmä(3ig über die ganze Länge der Schneidlippen 34 und 36 verteilt. Die weiter oben erwähnten Nachteile der her kömmiichen Spiralbohrer werden dadurch zum grössten Teil, wenn auch nicht vollständig, eliminiert.
Nachstehend wird die Ausbildung des Schneidkopfes 33 des Spiralbohrers 32 näher erläutert. Zuerst wird der Spitzenwinkel a, der zum wirkungsvollsten Bohren eines bestimmten Materials zwischen den geradlinig verlaufenden Schneidlippen eines herkömmlichen Bohrers vorgesehen wird, bestimmt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, werden die geradlinigen Schneidlippen durch die Linien 40 und 41 (nachstehend als die Schneidlippen 40 und 41) dargestellt und der Spitzenwinkel a zwisehen ihnen beispielsweise mit 1300 angenommen. Die Schneidlippen 40 und 41 schneiden den Bohrerdurchmesser oder die Bohrerumfangsfläche, dargestellt durch die Linien 42 und 43 (nachstehend als Bohrerdurchmesser 42 und 43 bezeichnet) in scharfen Ecken A.
Nachher wird der Winkel e an der scharfen Ecke A, zwischen dem Bohrerdurehmesser 42 und der Schneidlippe 40 halbiert und eine winkelhalbierende Linie gezogen. Ein Radius R, welcher gleich gross wie die Strecke AB ist (Punkt B ist um gleich weit von der Rotationsachse des Bohrers versetzt wie die Hälfte der Distanz zwischen den einander entgegengesetzten Enden der Querschneide beträgt, und wie aus Fig. 6 ersichtlich) wird unter Verwendung der Ecke A als Zentrum gezogen, um den Bohrerdurchmesser 42 an einer Stelle C zu schneiden. Darauf wird eine im Punkt C senkrecht auf dem Bohrerdurchmesser 42 stehende Linie gezogen und mit der Winkelhalbierenden im Punkt D geschnitten. Nachher wird ein Radius R1 mit einer Länge, die der Strecke CD entspricht und den Punkt D als Zentrum benutzt, gezogen.
Die gekrümmte Linie CB bildet die Schneidlippe 34, und es sei bemerkt, dass sie den Bohrerdurchmesser 42 und die Schneidlippe 40, die normalerweise bei einem herkömmlichen Spiralbohrer am Bohrerschneidkopf 33 oder am Punkt B vorgesehen ist, tangiert. Die Schneidlippe 36 des Spiralbohrers 30 wird auf die gleiche Weise gezogen.
In den Fig. 4 und 5 ist gezeigt, wie die Schneidlippen 34 und 36 bzw. 56 und 58 bei Bohrern mit Spitzenwinkeln von 1180 und 900 konstruiert werden.
Bei beiden wird das gleiche Verfahren wie vorangehend beschrieben angewendet.
Es sollte aus der obigen Beschreibung ersichtlich sein, dass man bei der Festlegung des Schneidkopfes eines erfindungsgemässen Bohrers zum Bohren eines bestimmten Materials zuerst den für herkömmliche Spiralbohrer allgemein empfohlenen Spitzenwinkel für dieses Material bestimmt. Nachher werden die Schneidlippen als kontinuierliche Kurve, die den Bohrerdurchmesser und die geradlinige Schneidlippe mit dem empfohlenen Spitzenwinkel tangieren, konstruiert.
Es sei bemerkt, dass die Schneidlippen 34 und 36 des Spiralbohrers 32 kreisförmig sind und ferner die Schneidlippe eines herkömmlichen Spiralbohrers mit einem vorbestimmten Spitzenwinkel an der weiter oben definierten Stelle B des Bohrerschneidkopfes 33 tangieren. In einigen Fällen kann eine verbesserte Wirkung erreicht werden, indem die Schneidlippen 34 und 36 an einer von einem Punkt B entfernten Stelle des Schneidkopfes die herkömmlichen geradlinigen Schneidlippen tangieren. Zusätzlich oder alternativ kann die Krümmung der Schneidlippen 34 und 36 auch ellipsoidenförmig sein.
Auf jeden Fall muss jedoch ungeachtet der Krümmung der Schneidlippen 34 und 36 mindestens ein Abschnitt der Schneidlippen längs gekrümmter Linien, welche die Bohrerdurchmesser 42 und 43 und die herkömmlichen geradlinigen Schneidlippen tangieren, verlaufen, und für optimale Ergebnisse sollten sich die Schneidlippen vollständig längs dieser Linien erstrecken.
Dies ist anhand der Fig. 9, 10 und 11 besser verständlich, in denen graphisch die Beanspruchung pro Längeneinheit (Q) über dem Abstand von der Mittelachse eines Bohrers dargestellt ist, und zwar für her kömmliche Bohrer (1) und erfindungsgemäss ausgebildete Bohrer (11) mit Spitzenwinkeln von 1300, 1180 bzw. 900. Alle Kurven gelten für gleiche Belastung, so dass ein Vergleich möglich ist. Es ist ersichtlich, dass bei Spiralbohrern die Beanspruchung der Schneidlippen mit zunehmendem Abstand von der Bohrerachse ebenfalls zunimmt. Die entsprechende resultierende Spannungsverteilung in einem Werkstück ist in Fig. 1 mit dem punktierten Bereich 50 angedeutet.
Es ist ersichtlich, dass eine hohe Spannungskonzentration an den äusseren Ecken (an den scharfen Ecken 28 und 30), ein relativ geringer Spannungsaufbau im Mittelbereich der Schneidlippenlänge und ein sehr hoher Spannungsaufbau an der Bohrerspitze 26 stattfindet. Aus diesen Gründen, wie weiter oben dargelegt, sind herkömmliche Spiralbohrer unerwünscht.
Bei Verwendung von erfindungsgemäss augebildeten Bohrern ist es ersichtlich, dass die Beanspruchung der Schneidlippen bis zu einem gewissen Abstand von der Mittelachse des Bohrers zunimmt und gegen den Bohrerdurchmesser zu abnimmt. Die entsprechende resultierende Spannungsverteilung in einem Werkstück ist in Fig. 2 durch den punktierten Bereich 52 dargestellt. Die Beanspruchung an den kritischen Aussenecken ist in diesem Fall beträchtlich verringert. Die Benspruehung an der Bohrerspitze 38 ist ebenfalls beträchtlich reduziert. Die Beanspruchung ist auf den mittleren Bereich der Schneidlippen konzentriert, wo sie durch den Bohrer am besten bewältigt werden kann.
In den Fig. 12, 13 und 14 ist die tatsächliche Spanform für jeden der Bohrer der Fig. 9, 10 und 11 dargestellt. Die Spanform der herkömmlichen Spiralbohrer ist mit voll ausgezogenen Linien dargestellt und es ist ersichtlich, dass in allen Fällen die Fläche des entfernten Spanes pro Längeneinheit der Schneidlippen praktisch gleich gross ist. Dies entspricht in Anbetracht der Spannungsverteilungskurven dieser Bohrer den zu erwartenden Resuftaten.
Die Spanform der erfindungsgemässen Bohrer ist den anderen Spanformen überlagert und schraffiert dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Fläche der entfernten Späne längs der Schneidlippenlänge, von der Bohrerachse weg abnimmt. Diese Resultate sind in Anbetracht der entsprechenden Spannungsverteilungskurven ebenfalls zu erwarten.
Durch Studium der' Spannungsverteilungskurve für jeden einzelnen Bohrer, die resultierende Spanform, die einem Werkstück überlagerte Beanspruchung (durch Verwendung einer besonderen photographischen Technik) und die Abnützung am Bohrerschneidkopf, kann die Lage der Spannung und Erwärmung, und daraus folgend die Abnützung am Bohrersehneidkopf durch Modifizieren der Krümmung der Schneidlippen gesteuert und dadurch Bohrer hergestellt werden, die weit besser als die bisher erhältlichen Bohrer sind.
Wie schon weiter oben angedeutet, kann in manchen Fällen eine verbesserte Wirksamkeit erzielt werden, wenn die Schneidlippen 34 und 36 des Spiral bohrers 32 die herkömmlichen geradlinigen Schneidlippen 40 und 41 an einer vom Punkt B entfernten Stelle tangieren, wie dies in Fig. 4 mit den gestrichelten Linien 56 und 58 angedeutet ist. Der bevorzugte Abstand von der Bohrerspitze liegt innerhalb einem Bereich von 10-30 %/ und vorzugsweise innerhalb dem Bereich von 20-25 % des Bohrerdurchmessers. Es sei bemerkt, dass nur ein sehr geringer Unterschied in der Krümmung der beiden resultierenden Schneidlippen besteht, dass jedoch dieser geringe Unterschied eine verbesserte Wirksamkeit ergibt.
Bei der Bildung der Schneidlippen 34 und 36 ergibt sich auf beiden eine gerundete äussere Kante 25 (Fig. 6), weiche während dem Bohren einer Beschädigung infolge Bruch ausgesetzt ist. Daher wird zweckmässig ein durch die äussere Kante 25 und eine Linie 29 definierter Bereich 27 entfernt, zur Bildung einer flachen Stützfläche (definiert durch die Linie 29), welche die Schneidkante des Bohrers halbwegs stützt, um eine Beschädigung der Schneidlippen zu verhindern. Praktisch die gleichen Resultate können durch Veränderung des Profils der Bohrernuten erreicht werden.
In den Fig. 7 und 8 ist ein besonderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Bohrers dargestellt. Dieser Bohrer weist keine spiralförmigen Nuten auf, wie die in den andern Figuren dargestellten Bohrer, sondern der Bohrschaft 62 ist geschlitzt, und in diesen Schlitz ist ein Plättchen 70 diametral zum Bohrschaft 62 eingesetzt, dessen grösste Breite den Schaftdurch messer übersteigt. Solche Bohrer werden als Spatenbohrer bezeichnet. Das Plättchen 64, das aus Karbid, Stahl oder anderem gehärteten Material besteht, weist zwei Schneidlippen 68 und 66 auf, die kontinuierlich gekrümmt sind und von einer Spitze 72 ausgehen. Die Krümmung ist in gleicher Weise, wie in den Fig. 3-5 erläutert, ausgebildet.
Während die Erfindung nur anhand von Spiralbohrern und Spatenbohrern beschrieben wird, ist es selbstverständlich, dass der erfindungsgemäss ausgebildete Schneidkopf ebenso gut auch bei anderen Bohrerarten verwendet werden kann, gleichgültig ob sie einen runden, quadratischen, mit Nuten versehenen oder anders ausgebildeten Bohrerkörper aufweisen.
Die Wirksamkeit des Spatenbohrers 60 kann insbesondere zum Bohren von solch harten Materialien wie rostfreiem Stahl, Titan oder dergleichen, oder solch weichen Materialien wie z. B. Lucite, bei dem er durch den Bohrvorgang erwärmt wird, weiter verbessert werden. Dies erreicht man durch Vorsehen einer kleinen gekrümmten Ausnehmung 70 längs jeder der Schneidlippen 66 und 68. Die Form jeder Ausnehmung ist vor allem aus Fig. 8 ersichtlich und erfasst sowohl einen Teil des Bohrschaftes 62 wie das eigentliche Schneidplättchen 64, so dass sich, im Querschnitt des Bohrers gesehen, eine Kurve ergibt, die an einem Punkt am Umfang des Bohrschaftes 62 beginnt, in den Schaft eintritt und sich dann kontinuierlich in den den Bohrschaft überragenden Teil des Plättchens 64 fortsetzt.
Die beiden Ausnehmungen 70 liegen einander diametral gegenüber, und erfassen den gesamten Längenbereich des plättchens 64 von der Spitze 72 bis zu je einer Schulter 78, die am Bohrschaft 62 endet. Dies ergibt längs der ganzen Schneidlippen des Bohrers einen positiven Schneidwinkel, wodurch die Wärmeerzeugung und das zum Bohren erforderliche Drehmoment auf ein absolutes Minimum reduziert werden. Auch wird dadurch an den Schneidlippen 66 und 68 bis zu einer genügenden Höhe 74 hinauf eine positive Schnittwirkung erreicht, um den Schneidvorgang beim Durchbruch der Spitze durch das zu bohrende Material genug lange fortzusetzen und dadurch die Möglichkeit von übermässiger Beanspruchung, abruptem Anhalten oder einem Hinaufschrauben des Werkstückes zu vermeiden.
Die erwähnte Ausdehnung der Ausnehmung 70 über den ganzen Längenbereich des Plättchens ist besonders beim Bohren von gewissen Kunststoffen wie z. B. Nylon, das sich kontrahiert, besonders wichtig, wo der Bohrer rotierend aus dem soeben gebohrten Loch zurückgezogen werden muss.
Durch die Ausbildung der Schneidlippen eines Bohrers auf die weiter oben beschriebene Weise ist es möglich, die Beanspruchung auf die Schneidlippen vom Aussendurchmesser des Bohrers zu seiner Rohrmitte zu verlagern. Durch diese Verlagerung der Beanspruchung ist es möglich, die Stelle der höchsten Beanspruchung derart zu kontrollieren, dass die Schneidlippen über ihre ganze Länge gleichmässig abgenützt werden.
Im normalen Gebrauch wird ein Bohrer entweder an der Stelle des Aussendurchmessers oder in der Mitte der Bohrerspitze stumpf. Die Abstumpfung der auf dem Aussendurchmesser sich befindenden Stelle ist eine Funktion der Bohrerdrehzahl und die Abstumpfung der Bohrerspitzenmitte ist vom Vorschub oder einer Kombination von Bohrerdrehzahl und Vorschub abhängig.
Durch Verlagerung der Beanspruchung ist es möglich, die Drehzahl zu erhöhen ohne ein vorzeitiges Versagen der auf dem Aussendurchmesser liegenden Stelle der Schneidleante, und durch Einhaltung eines für ein bestimmtes zu bohrendes Material optimalen Vorschubes ergibt sich ein Bohrer mit dem 4 bis 10 mal so viele Bohrungen als mit einem herkömmlichen Bohrer hergestellt werden können und dies erst noch schneller durch eine Kombination von Drehzahlerhöhung und Vergrösserung des Vorschubes pro Umdrehung. Eine mengen- und lagemässig richtige Kühlung erhöht die Wirkung des Bohrers in der gleichen Grössenordnung wie bei herkömmlichen Bohrern.
Der tangentiale Auslauf der Schneidlippen des Bohrers an den Aussendurchmesser des letzteren verursacht eine Ausreibwirkung in der Bohrung, wie dies aus dem gegen den Bohreraussendurchmesser abnehmenden Spanquerschnitt ersichtlich ist. Die Oberflächenbeschaffenheit eines mit einem herkömmlichen Bohrer gebohrten Loches neigt zur Rauheit infolge der scharfen Ecken auf dem Aussendurchmesser des Bohrers. Beim Durchbruch hat ein herkömmlicher Bohrer plötzlich einen relativ sehr grossen Durchtrittsquerschnitt zu schneiden, während ein erfindungsgemässer Bohrer einen extrem kleinen Durchtritts-Querschnitt aufweist. Die resultierenden Bohrungen neigen dazu, weniger Kerben zu haben und die Tendenz des Bohrers zu verhaken und zu brechen oder zu klemmen, ist praktisch eliminiert.
Dieser Vorteil ist besonders wichtig bei Materialien, die nicht die Fähigkeit aufweisen, der Axialbelastung von den Schneidlippen zu widerstehen wenn die Spitze des Bohrers aus dem Werkstück austritt.
Bei Verwendung der oben definierten Bohrergeometrie können bei den meisten bohrbaren Materialien sehr gute Bohrergebnisse erzielt werden. Zum Bohren einer 2,54 cm dicken Platte mit hohem Magnesiumund Kohlenstoffgehalt, einer neuentwickelten Panzerplatte die früher nicht gebohrt werden konnte, sind zusätzliche Modifikationen der Schneidkante notwendig.
Zylinder mit einem Durchmesser von 7,6 cm aus rostfreiem Stahl sowie Materialien mit einer Härte bis zu 83 Rockwell wurden mit einem nachstehend beschriebenen, an mehreren Stellen hintersehliffenen Bohrer wirkungsvoll gebohrt.
Die verbesserte Ausgestaltung stammt von der Entdeckung, dass merkatorähnliche Flächen in das Material der Schneidflächen eines Bohrers geschliffen werden können zur Bildung von Hinterschliff-Flächen, die von der Schneidkante ausgehen. Dadurch wird das Nachschleifen (heel dragging) und Erwärmen einer der Schneidkante nachfolgenden Stelle der Schneidfläche wirkungsvoll verhindert. Es können auch zweite, dritte und zusätzliche Hinterschliff-Flächen in die Schnittfläche eingeschliffen werden, in Abhängigkeit von der Bohrergrösse, dem zu bohrenden Material und den Bohrervariablen wie Fasenbreite, Nutenform usw.
Wie aus den Fig. 15 bis 17 ersichtlich, weist der Spiralbohrer 80 einen herkömmlichen Spiralteil 81 mit einander gegenüberliegenden Nuten 82, 84 auf. Die Schneidlippen 85, 86 erstrecken sich auf einer radialen Krümmung die unter Beachtung der zu bohrenden Materialart entsprechend der Beschreibung zu den Fig. 1 bis 14 bestimmt wird. Die äusseren Enden der Schneidkanten schneiden die Nutenkanten 88, 89 tangential wie bereits weiter vorn beschrieben.
Die erste Fläche 90, 91 folgt der Schneidkante 85, 86 und ist mit der ersten Ilinterschlift-Eläche versehen.
Die Fläche 90, 91 ist in Übereinstimmung mit dem Verfahren und der Ausbildung gemäss der Beschreibung zu den Fig. 2 bis 14 geschliffen.
Nachher wird die zweite Fläche 92, 94 hinterschliffen und unter einen Winkel von 10 bis 300 gegen über der ersten Fläche 90, 91 angeordnet. Die Grösse der Hinterschleifung und der eingeschlossene Winkel können normalen Handbüchern entnommen werden als Schneidflächenhinterschliff, wobei als Variablen, die Grösse der Bohrung, die beabsichtigte Bohrerdrehzahl und der Bohrervorschub zu beachten sind. Beispiele für solche Handbücher sind: a) Machining Data for Numerical Control, Air Force Machineability Data Center, b) Machinery Handbook, Industrial Press, c) Machining Data for Cold Finished Bars, Republic Steel Corporation, d) Machinist's Practical Guide, Morse Twist Drill & BR< Machine Company, und e) Tool and Engineers' Handbook, A. S. T. M. E.
Eine zusätzliche dritte Fläche 95, 96 wird hinter den zweiten Hinterschliff-Flächen 92, 94 eingeschliffen.
Die Wahl der Anzahl von Hinterschliff-Flächen wird zweckmässig in Abhängigkeit vom zu bohrenden Material, dem Bohreraufbau und den Schneidbedingungen getroffen. Die meisten gebräuchlichen Bohrer weisen drei oder vier merkatorähnliche Flächen, wie in den Fig. 15 bis 17 dargestellt, auf. Als Daumenregel werden bei Spiralbohrern mit 13 mm oder weniger Durchmesser drei merkatorähnliche Hinterschliff-Flächen vorg & sehen. Für grössere Durchmesser werden normalerweise vier merkatorähnliche Hinterschliff-Flächen vorgesehen.
Für viele Verwendungen ist die Ausbildung gemäss den Fig. 15 bis 17 befriedigend, obwohl die Querschneide 100 und die Enden der Schneidlippen 101,102 einen stumpfen Winkel einschliessen. In einigen Fällen kann dies ein Wackeln, Rattern oder Unrundbohren bewirken.
Eine bemerkenswerte Abkehr von angenommenen stumpfen eingeschlossenen Winkel zwischen der Querschneide und den Enden der Schneidlippen ist in Fig. 19 dargestellt. Dort ist ersichtlich, dass, wenn parallele Ebenen durch die Querschneideenden 104, 105 gezogen werden, diese die Schneidlippenenden 101, 102 schneiden. Diese Beziehung von einem eingeschlossenen Winkel von 900 zwischen der Querschneide 100 und den Enden der Schneidlippen 101, 102 scheint für die meisten Materialien bei 2 30' kritisch zu sein. Eine Abweichung von plus oder minus 1 30' scheint am annehmbarsten. Wenn die Winkelabweichung mehr als 2 30' beträgt, entsteht in vielen Materialien ein Rattern oder Klemmen und die dabei entstehende Bohrung wird entweder zu gross oder unrund. Zusätzlich wird die Lebensdauer des Bohrers verringert.
Es scheint, dass diese Regel ohne Rücksicht auf die Bohrerfasen breite oder andere Manipulationen des Bohrermittelteils gelten. Die Winkelbeziehung scheint nicht durch die Nutenform oder den Steigungswinkel beeinflusst zu werden. Ferner gilt diese Rechtwinkelebenenbeziehung sowohl für Bohrer gemäss den Fig. 2 bis 14 wie auch für Bohrer gemäss den Fig. 15 bis 19. Jedoch gilt die Regel nicht für herkömmliche Bohrer mit geradlinigen Schneidkanten.
Wie in Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 17 erläutert, ist eine tangentiale Beziehung der Grenze zwischen der Schneidkante und der Bohrerfase erwünscht.
Es sei angenommen, dass, wenn die Schneidlippe tangential zur Bohrerfase im Profil ist, die gleiche tangentiale Beziehung nicht erscheinen muss, wenn die Betrachtung in Richtung der Bohrerachse vorgenommen wird, oder umgekehrt. Ferner kann die Durchdringung der hinterschliffenen, merkatorähnlichen Flächen nicht in allen Projektionen gleich tangential sein. Daher werden zur Ausschliessung eines Schleifens über den Punkt der Tangente hinaus alle Schleifoperationen bei einer positiven Toleranz gestoppt.
Fernern verlaufen die Bohrerabnützungsstellen und die Erhitzungsfarbstellen derart, dass sich ein Erhitzungsfarbverlauf wie in Fig. 19 dargestellt, entwickelt, welcher eine annähernd sinusförmige Form aufweist und die Querschneide 100 in ihrem geometrischen Mittelpunkt schneidet und in Drehrichtung hinter der Schneidkante sich in die Hinterschliff-Fläche der Schneidkante erstreckt. Die Betrachtung der Erhitzungsfarbstelle 106 bestätigt die Theorie, dass die Grösse des Nachschleifens (heel dragging) der hinterschliffenen Flächen bedeutend geringer ist, und dass der Bereich des plastischen Fliessens, erzeugt durch die Reibung des Bohrers hinter der letzten hinterschliffenen Fläche bleibt und entsprechend einen Bereich von weicherem, plastifiziertem Material für den Eingriff durch die folgende führende Kante bildet, wodurch der Bohrer selbstzentriert wird.
Ferner wird durch die Konzentration des plastischen Fliessens am Schneidkopf und die Kombination der radialen Anordnung der Schneidlippen zur gleichmässigen Belastung durch den Ausgleich der Schabwirkung des Bohrers eine selbstzentrierende Wirkung erreicht. Es wurde ferner beobachtet, dass nachdem die Erhitzungsfarbstellc sich entsprechend der Bohrerform und den Sehneidbedingungen entwickelte, und die Ecke mit der Farbstelle zusätzlich hinterschliffen wurde, entsprechend den strichpunktierten Linien in Fig. 20, eine weitere Verfärbung vermieden und die Wirkung des Bohrers verbessert wurde. Bei Bohrern ohne diese zusätzliche Hinterschliff-Fläche wird die Wärme und der plastische Fluss oft ungleichmässig über die gesamte Länge der vorderen Schneidlippe verteilt und dadurch ein Rattern und ein ungleichmässiges Bohren erzeugt.
drill
The invention relates to a drill, in particular a twist drill, with a cylindrical shaft part, an axis of rotation which is concentric to the shaft part, and cutting lips arranged at the end of the shaft.
The conventional, commercially available twist drills with two twisting minutes have a shaft part and a part provided with twist grooves. The end of the part provided with helical grooves forms the cutting head of the drill and is usually provided with a point and rectilinear cutting lips which are arranged at an angle to one another and which merge with the outer diameter of the drill with a sharp corner.
It is common practice to change this entire point angle according to the particular material being drilled. These point angles for an optimal drilling process have been determined for most materials and entered in tables for use.
While these tabulated point angles are generally used as the most optimal values for drilling a particular material, there are at least three principal disadvantages to this type of point geometry, namely:
1. The sharp transitions where the cutting lips merge into the outside diameter of the drill move faster than any other section of the cutting edges and remove more material. Accordingly, these sharp transitions are subject to greater wear and tear. As a result, these sharp transitions are blunt faster and prevent drilling.
2. When breaking through, the largest amount of material is removed with the last revolutions of the drill, so that a greatly increased tension is exerted on the drill or the latter is abruptly blocked. This is especially true for the blunt tips that are used to drill the hardest materials. This break-through blow directs the greatest stress on the weakest points of the drill, i.e. H. the sharp transitions where the cutting lips merge into the outer diameter of the drill, so that failures are frequent and bad bores with rough edges result. In many cases, when the drill is stopped and there is excessive tension on the assembly or the workpiece is not clamped sufficiently, the workpiece will spin or screw up around the drill, very often injuring the operator.
3. The sharp transitions where the cutting lips merge into the outer diameter of the drill also tend to notch the side surfaces of the hole or to create rough furrows, so that the hole has to be rubbed out afterwards to achieve a smooth surface. As a result, two operations are necessary to obtain a bore with smooth side surfaces.
Numerous attempts have been made to eliminate these disadvantages inherent in all currently available commercially available twist drills, but no attempt has been successful to date. The problems facing the industry have already been studied and various publications have been written in this area, for example:
An Investigation of Twist Drills, Bruce W. Benedict and W. Penn Lukens, Vol. XV, No. 13, University of Illinois, Urbana, 1917, and
An Investigation of Twist Drllls, Bruce W. Benedict and Albert E. Hershey, Vol XXIV, No. 11, University of Illinois, Urbana, 1926.
Various US patents have also been issued for improved drills. So z. See, for example, U.S. Patent Nos. 1,309,706, 1,887,374, 3,106,112, 3,199,381 and British Patent No. 2674 (1904). It has already been proposed to eliminate some of the disadvantages mentioned above by giving the cutting head of the drill a certain novel shape. This form is clearly defined and although not entirely different from the present inventive training, it does not result in a solution that has proven itself in practice. For example, the center of the radius of the curve defining the cutting lips lies directly on the center line of the drill, the radius being greater than half the drill diameter.
In this way, the cutting lips do not run out tangentially into the outside diameter of the drill, which is necessary, as described in more detail below, for even force distribution and for achieving optimal cutting conditions on the outside diameter of the drill when breaking through and while drilling a hole. In addition, an almost tangential conical grinding of the ineffective central surface is necessary. The necessity of penetrating the ineffective median surface into the material to be drilled has been noted, but no consideration has been given to the well-known fact that a particular included point angle on the median surface works better than another in a particular material. For this reason, this well-known drill did not find its way into the industry.
Furthermore, a drill bit is known which has curved cutting lips which are shaped in such a way that the included angle between the cutting lips gradually decreases so that they run tangentially into the drill outer envelope surface. While this design of the drill tip has proven to be very satisfactory for certain applications, it has been found that it can be improved even further.
The drill according to the invention, in particular a twist drill, is characterized in that each cutting lip has the shape of a continuous curve over at least part of its length, and that these curves end in the region of the drill tip in such a way that their tangents at these end points are the same depending on the material to be machined Include the point angle that is provided for the material in question on drills with straight cutting lips. For most purposes of use, the drill is preferably designed in such a way that the continuous curves run out tangentially into the periphery of the drill shank. The drill is also expediently designed in such a way that the cutting lips extend over the entire length of the continuous curve.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 is a side view of a conventional drill,
2 shows a side view of a first exemplary embodiment of a drill according to the invention,
3, 4 and 5 the procedure for determining the drill tips of drills according to the invention, namely drills that correspond to conventional drills with tip angles of 130, 1180 and 900,
Fig. 6 is a plan view of the drill shown in Fig. 2,
7 shows a side view of an embodiment as a spade drill,
8 shows a section along the line 8-8 in FIG. 7,
Fig.
9, 10 and 11 the stress distribution at the drill tip, from the central axis of the drill to its outer diameter, for conventional twist drills with a tip angle of 1300, 1180 and 900 and at the same time for twist drills designed according to the invention,
Fig. 12, 13 and 14 the chip shape for the above drills,
15 shows a side view of an example of a drill according to the invention with undercut surfaces behind the cutting edges,
Fig. 16 is a plan view of the drill shown in Fig. 15,
FIG. 17 is a side view rotated by 900 of the drill shown in FIG. 15;
18 shows a side view of the drill shown in FIGS. 15 and 17 on an enlarged scale,
19 is a plan view of the drill shown in FIG. 18 showing the relationship between the transverse cutter and the cutting edge in one of the types shown in FIG.
16 arrangement shown deviating form and
FIG. 20 shows a plan view of the transverse cutting edge of the drill shown in FIG. 19.
The same reference characters correspond to the same parts in all views of the drawing.
1 shows a conventional twist drill 10 having a shaft 12 and a spiral part 14 provided with two spiral grooves 16 and 18. The spiral part 14 has a cutting head 20 with two straight cutting lips 22 and 24 which extend conically upwards from a drill tip 26 and merge with sharp angular transitions 28 and 30 respectively into the drill circumference. The point angle α between the cutting lips 22 and 24 is the included angle of the drill cutting head 20 and is dependent on the material to be drilled in order to achieve the best possible results. Usually a larger point angle α is used for drilling hard materials and a smaller or more acute angle is used for drilling softer material.
2 shows a twist drill 32 with a cutting head 33 designed according to the invention.
Normally, the cutting head 33 is formed by gradually reducing the point angle α provided in conventional twist drills, so that two cutting lips 34 and 36 are formed which extend along a continuous regular curve from the drill tip 38 and merge tangentially into the drill peripheral surface. This design distributes the wear on the cutting head gLiehmä (3ig over the entire length of the cutting lips 34 and 36. The disadvantages of conventional twist drills mentioned above are largely, if not completely, eliminated.
The design of the cutting head 33 of the twist drill 32 is explained in more detail below. First, the point angle α, which is provided between the straight cutting lips of a conventional drill for the most efficient drilling of a particular material, is determined. As can be seen from FIG. 3, the straight cutting lips are represented by the lines 40 and 41 (hereinafter referred to as the cutting lips 40 and 41) and the point angle α between them is assumed to be 1300, for example. The cutting lips 40 and 41 cut the drill diameter or the drill peripheral surface, represented by the lines 42 and 43 (hereinafter referred to as drill diameters 42 and 43) in sharp corners A.
Then the angle e is halved at the sharp corner A, between the drill diameter 42 and the cutting lip 40 and a line bisecting the angle is drawn. A radius R, which is the same size as the distance AB (point B is offset by the same distance from the axis of rotation of the drill as half the distance between the opposite ends of the cross-cutting edge, and as can be seen from FIG. 6) is used of the corner A as the center to cut the drill diameter 42 at a point C. Then a line perpendicular to the drill diameter 42 at point C is drawn and cut with the bisector at point D. Then a radius R1 is drawn with a length which corresponds to the distance CD and uses point D as the center.
The curved line CB forms the cutting lip 34 and it should be noted that it is tangent to the drill bit diameter 42 and the cutting lip 40 which is normally provided on the drill cutting head 33 or at point B in a conventional twist drill. The cutting lip 36 of the twist drill 30 is drawn in the same way.
4 and 5 it is shown how the cutting lips 34 and 36 or 56 and 58 are constructed on drills with point angles of 1180 and 900.
The same procedure as described above is used for both.
It should be apparent from the above description that in determining the cutting head of a drill according to the invention for drilling a particular material, one first determines the point angle generally recommended for conventional twist drills for this material. Afterwards, the cutting lips are constructed as a continuous curve that touches the drill diameter and the straight cutting lip with the recommended point angle.
It should be noted that the cutting lips 34 and 36 of the twist drill 32 are circular and furthermore touch the cutting lip of a conventional twist drill with a predetermined point angle at the point B of the drill cutting head 33 defined above. In some cases, an improved effect can be achieved by having the cutting lips 34 and 36 tangent to the conventional straight cutting lips at a location on the cutting head remote from a point B. Additionally or alternatively, the curvature of the cutting lips 34 and 36 can also be ellipsoidal.
In any event, regardless of the curvature of the cutting lips 34 and 36, at least a portion of the cutting lips must be along curved lines tangent to the drill bit diameters 42 and 43 and the conventional straight cutting lips, and for best results the cutting lips should extend entirely along those lines .
This can be better understood with reference to FIGS. 9, 10 and 11, in which the stress per unit length (Q) is shown graphically over the distance from the central axis of a drill, for conventional drills (1) and drills designed according to the invention (11 ) with tip angles of 1300, 1180 or 900. All curves apply to the same load, so that a comparison is possible. It can be seen that with twist drills the stress on the cutting lips also increases with increasing distance from the drill axis. The corresponding resulting stress distribution in a workpiece is indicated in FIG. 1 by the dotted area 50.
It can be seen that there is a high concentration of stress at the outer corners (at the sharp corners 28 and 30), a relatively low stress build-up in the central region of the cutting lip length and a very high build-up of stress on the drill tip 26. For these reasons, as set out above, conventional twist drills are undesirable.
When using drills designed according to the invention, it can be seen that the stress on the cutting lips increases up to a certain distance from the central axis of the drill and decreases towards the drill diameter. The corresponding resulting stress distribution in a workpiece is shown in FIG. 2 by the dotted area 52. The stress on the critical outside corners is considerably reduced in this case. The spray at the drill bit 38 is also considerably reduced. The stress is concentrated on the central area of the cutting lips, where it can be best handled by the drill.
In Figs. 12, 13 and 14 the actual chip shape for each of the drills of Figs. 9, 10 and 11 is shown. The chip shape of conventional twist drills is shown with full lines and it can be seen that in all cases the area of the removed chip per unit length of the cutting lips is practically the same size. In view of the stress distribution curves of these drills, this corresponds to the expected results.
The chip shape of the drill according to the invention is superimposed on the other chip shapes and shown hatched. It can be seen that the area of chips removed decreases along the length of the cutting lip, away from the drill axis. These results can also be expected in view of the corresponding stress distribution curves.
By studying the stress distribution curve for each individual drill, the resulting chip shape, the stress superimposed on a workpiece (by using a special photographic technique) and the wear on the drill cutting head, the position of the stress and heating, and consequently the wear on the drill cutting head, can be modified controlled by the curvature of the cutting lips and thereby drills are produced that are far better than the previously available drills.
As already indicated above, improved effectiveness can be achieved in some cases if the cutting lips 34 and 36 of the twist drill 32 touch the conventional straight cutting lips 40 and 41 at a point remote from point B, as shown in FIG dashed lines 56 and 58 is indicated. The preferred distance from the drill tip is within a range of 10-30% / and preferably within the range of 20-25% of the drill diameter. It should be noted that there is very little difference in the curvature of the two resulting cutting lips, but that little difference results in improved effectiveness.
When the cutting lips 34 and 36 are formed, a rounded outer edge 25 (FIG. 6) results on both, which is exposed to damage due to breakage during drilling. Therefore, an area 27 defined by the outer edge 25 and a line 29 is expediently removed to form a flat support surface (defined by the line 29) which halfway supports the cutting edge of the drill in order to prevent damage to the cutting lips. Practically the same results can be achieved by changing the profile of the drill flutes.
7 and 8 show a special embodiment of the drill according to the invention. This drill has no spiral grooves, like the drill shown in the other figures, but the drill shank 62 is slotted, and in this slot a plate 70 is inserted diametrically to the drill shank 62, the greatest width of which exceeds the shank diameter. Such drills are called spade drills. The plate 64, which is made of carbide, steel or other hardened material, has two cutting lips 68 and 66, which are continuously curved and extend from a tip 72. The curvature is formed in the same way as explained in FIGS. 3-5.
While the invention is only described using twist drills and spade drills, it goes without saying that the cutting head designed according to the invention can also be used with other types of drills, regardless of whether they have a round, square, grooved or differently designed drill body.
The effectiveness of the spade drill 60 can in particular be used for drilling such hard materials as stainless steel, titanium or the like, or such soft materials as e.g. B. Lucite, in which it is heated by the drilling process, can be further improved. This is achieved by providing a small curved recess 70 along each of the cutting lips 66 and 68. The shape of each recess can be seen primarily from FIG. 8 and encompasses both part of the drill shaft 62 and the actual cutting tip 64 so that, in cross section seen of the drill, results in a curve which begins at a point on the circumference of the drill shaft 62, enters the shaft and then continues continuously into the part of the plate 64 protruding beyond the drill shaft.
The two recesses 70 are diametrically opposite one another and cover the entire length range of the plate 64 from the tip 72 to a shoulder 78 each, which ends on the drill shaft 62. This results in a positive cutting angle along the entire cutting lips of the drill, whereby the heat generation and the torque required for drilling are reduced to an absolute minimum. This also results in a positive cutting effect on the cutting lips 66 and 68 up to a sufficient height 74 to continue the cutting process long enough when the tip breaks through the material to be drilled, thereby reducing the possibility of excessive stress, abrupt stopping or screwing up the To avoid workpiece.
The mentioned expansion of the recess 70 over the entire length of the plate is particularly useful when drilling certain plastics such. B. Nylon, which contracts, is especially important where the drill must be rotationally withdrawn from the hole just drilled.
By designing the cutting lips of a drill in the manner described above, it is possible to shift the stress on the cutting lips from the outer diameter of the drill to its center of the pipe. By shifting the stress, it is possible to control the point of greatest stress in such a way that the cutting lips are worn evenly over their entire length.
In normal use, a drill becomes blunt either at the point of the outer diameter or in the center of the drill tip. The blunting of the point on the outside diameter is a function of the drill speed and the blunting of the center of the drill tip depends on the feed rate or a combination of the drill speed and feed rate.
By shifting the load it is possible to increase the speed without premature failure of the point on the outside diameter of the cutting blade, and by maintaining an optimal feed rate for a certain material to be drilled, a drill with 4 to 10 times as many holes results than can be produced with a conventional drill and this even faster by a combination of increasing the speed and increasing the feed rate per revolution. Correct cooling in terms of quantity and position increases the effect of the drill in the same order of magnitude as with conventional drills.
The tangential run-out of the cutting lips of the drill to the outer diameter of the latter causes a reaming effect in the bore, as can be seen from the chip cross-section which decreases towards the outer diameter of the drill. The surface finish of a hole drilled with a conventional drill tends to be roughness due to the sharp corners on the outside diameter of the drill. When breaking through, a conventional drill suddenly has to cut a relatively very large passage cross section, while a drill according to the invention has an extremely small passage cross section. The resulting holes tend to have fewer nicks and the tendency for the drill to snag and break or jam is virtually eliminated.
This advantage is particularly important with materials that do not have the ability to withstand the axial load from the cutting lips as the tip of the drill emerges from the workpiece.
When using the drill geometry defined above, very good drilling results can be achieved with most drilled materials. To drill a 2.54 cm thick plate with a high magnesium and carbon content, a newly developed armor plate that previously could not be drilled, additional modifications to the cutting edge are necessary.
7.6 cm diameter stainless steel cylinders and materials up to 83 Rockwell hardness were effectively drilled with a multi-location back-ground drill described below.
The improved design stems from the discovery that mercator-like surfaces can be ground into the material of the cutting surfaces of a drill to form relief surfaces that extend from the cutting edge. This effectively prevents heel dragging and heating of a point on the cutting surface that follows the cutting edge. Second, third and additional relief surfaces can also be ground into the cut surface, depending on the drill size, the material to be drilled and the drill variables such as bevel width, groove shape, etc.
As can be seen from FIGS. 15 to 17, the twist drill 80 has a conventional spiral part 81 with grooves 82, 84 lying opposite one another. The cutting lips 85, 86 extend on a radial curvature which is determined taking into account the type of material to be drilled in accordance with the description of FIGS. 1 to 14. The outer ends of the cutting edges cut the groove edges 88, 89 tangentially, as already described above.
The first surface 90, 91 follows the cutting edge 85, 86 and is provided with the first Ilinterschlift surface.
The surface 90, 91 is ground in accordance with the method and the design according to the description of FIGS. 2 to 14.
The second surface 92, 94 is then relief-ground and arranged at an angle of 10 to 300 with respect to the first surface 90, 91. The size of the relief grinding and the included angle can be found in normal manuals as relief grinding of the cutting surface, whereby the size of the hole, the intended drill speed and the drill feed rate must be taken into account as variables. Examples of such manuals are: a) Machining Data for Numerical Control, Air Force Machineability Data Center, b) Machinery Handbook, Industrial Press, c) Machining Data for Cold Finished Bars, Republic Steel Corporation, d) Machinist's Practical Guide, Morse Twist Drill & BR <Machine Company, and e) Tool and Engineers' Handbook, ASTME
An additional third surface 95, 96 is ground behind the second relief surfaces 92, 94.
The choice of the number of relief surfaces is expediently made depending on the material to be drilled, the drill structure and the cutting conditions. Most common drills have three or four mercator-like faces, as shown in FIGS. 15-17. As a rule of thumb, twist drills with a diameter of 13 mm or less are provided with three mercator-like relief surfaces. For larger diameters, four mercator-like relief surfaces are normally provided.
The design according to FIGS. 15 to 17 is satisfactory for many uses, although the transverse cutting edge 100 and the ends of the cutting lips 101, 102 form an obtuse angle. In some cases, this can cause wobbling, chattering, or out-of-round drilling.
A notable departure from assumed obtuse included angles between the cross cutting edge and the ends of the cutting lips is shown in FIG. It can be seen there that when parallel planes are drawn through the cross cutting ends 104, 105, they intersect the cutting lip ends 101, 102. This relationship of an included angle of 900 between the cross-cutting edge 100 and the ends of the cutting lips 101, 102 appears to be critical for most materials at 2 30 '. A deviation of plus or minus 1 30 'seems most acceptable. If the angular deviation is more than 2 30 ', chattering or jamming occurs in many materials and the resulting hole is either too large or out of round. In addition, the service life of the drill is reduced.
It appears that this rule applies regardless of the drill bevels, wide or other manipulations of the drill center part. The angular relationship does not seem to be affected by the groove shape or the helix angle. Furthermore, this right angle plane relationship applies both to drills according to FIGS. 2 to 14 and to drills according to FIGS. 15 to 19. However, the rule does not apply to conventional drills with straight cutting edges.
As discussed in connection with Figures 1 to 17, a tangential relationship of the boundary between the cutting edge and the drill bevel is desired.
Assume that if the cutting lip is tangential to the drill bevel in the profile, the same tangential relationship need not appear when viewing in the direction of the drill axis, or vice versa. Furthermore, the penetration of the relief-ground, mercator-like surfaces cannot be the same tangential in all projections. Therefore, to exclude grinding beyond the point of the tangent, all grinding operations are stopped with a positive tolerance.
Furthermore, the drill wear points and the heating colored points run in such a way that a heating color gradient develops as shown in Fig. 19, which has an approximately sinusoidal shape and the cross cutting edge 100 intersects in its geometric center and in the direction of rotation behind the cutting edge into the relief surface of the Cutting edge extends. The consideration of the heated spot 106 confirms the theory that the size of the heel dragging of the relief-ground surfaces is significantly smaller, and that the area of plastic flow, generated by the friction of the drill, remains behind the last relief-ground surface and accordingly an area of softer, plasticized material for engagement by the following leading edge, thereby self-centering the drill.
Furthermore, a self-centering effect is achieved through the concentration of the plastic flow on the cutting head and the combination of the radial arrangement of the cutting lips for uniform loading by compensating for the scraping action of the drill. It was further observed that after the heating colored area developed according to the drill shape and the visual cutting conditions, and the corner with the colored area was additionally relief-ground, according to the dash-dotted lines in FIG. 20, further discoloration was avoided and the effect of the drill was improved. In the case of drills without this additional relief surface, the heat and the plastic flow are often distributed unevenly over the entire length of the front cutting lip and this creates chatter and uneven drilling.