DE102021105703A1

DE102021105703A1 - Bohrwerkzeug und Verfahren zum Erzeugen einer Bohrung

Info

Publication number: DE102021105703A1
Application number: DE102021105703.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Beer; Bernhard Borschert; Thomas Funk; Dietmar Hechtle; Manuel Leonhard; Martin Steinbach
Original assignee: Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
Current assignee: Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2041-03-10
Also published as: US11911834B2; DE102021105703B4; US20220040770A1; JP2022031117A

Abstract

Bohrwerkzeug zum Erzeugen einer Bohrung mit einer zylindrischen Innenwandung,a) wobei das Bohrwerkzeug in einer Drehbewegung mit einem vorgegebenen Drehsinn (VD) um eine durch das Bohrwerkzeug verlaufende Werkzeugachse (A) drehbar ist und zugleich in einer axialen Vorwärtsbewegung (VB) in einer Vorwärtsrichtung axial zur Werkzeugachse bewegbar ist,b) wobei das Bohrwerkzeug wenigstens einen Bohrbereich (3) umfasst, der in einem in Vorwärtsrichtung an einem vorderen oder freien Ende liegenden Bereich des Bohrwerkzeugs angeordnet ist, jedoch vorzugsweise keinen Gewindeerzeugungsbereich aufweist,c) wobei der Bohrbereich einen Anzahl n von Bohrschneiden aufweist, die in Drehrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl ist mit n ≥ 1,d) wobei an wenigstens einer oder jeder der n Bohrschneiden wenigstens ein Spanteiler angeordnet ist, der eine Unterbrechung der jeweiligen Bohrschneide bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren zum Erzeugen einer Bohrung.
Bohrwerkzeuge, insbesondere Spiralbohrer, zum Erzeugen von Bohrungen (ohne Gewinde) sind normalerweise mit durchgehenden von innen nach außen verlaufenden Bohrschneiden ausgelegt. Dadurch entstehen sich einrollende kürzere Bohrspäne, weil die über die Bohrschneide radial unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten und Umfangslängen des abgetragenen Materials zu einer Umformung und einem Einrollen des Spanes führen. Diese kürzeren Späne sind für den Bohrprozess in der Regel gut geeignet. Man unterscheidet bei Bohrspänen insbesondere zwischen Wendelspänen oder Wendelspanstücken oder Spiralspänen oder Spiralspanstücken und auch Kommaspänen.
In eher seltenen Anwendungen bei größeren Bohrdurchmessern, bei denen besonders breite Bohrspäne entstehen, können bei Bohrwerkzeugen sogenannte Spanteiler in den Bohrschneiden vorgesehen werden, die mit nachgeordneten Spanformstufen oder Spanbrechern kombiniert werden (siehe z.B. DE 37 04 196 A1 , DE 10 2009 024 256 A1 oder US 3,076,357 ).
Die Spanteiler bilden Unterbrechungen der Bohrschneiden und können als Nuten oder Ausnehmungen oder auch als Stufen an der jeweiligen Bohrschneide ausgebildet sein.
Solche Spanteiler teilen die bei den großen Bohrdurchmessern besonders breiten Bohrspäne in schmälere Teilspäne auf. Jedoch entstehen nun deutlich längere und wenig eingerollte Späne, die sogenannten Bandspäne. Solche Bandspäne sind für die meisten Prozesse unbrauchbar, insbesondere weil sie sich zwischen Werkzeug und der Bohrungswandung verklemmen können und Schäden bis hin zu Werkzeugbruch entstehen können. Deshalb werden bei Bohrwerkzeugen mit Spanteilern gemäß dem Stand der Technik die Spanteiler mit nachgeordneten Spanformstufen oder Spanbrechern kombiniert, um die Bandspäne gleich umzuformen und zu brechen.
Aus der EP 3 199 279 A1 ist ein Bohrwerkzeug mit Spanteilern bekannt, das vor allem zum Bohren von Bohrungen in Werkstücken aus karbonfaserverstärkten Kunststoffen insbesondere in der Flugzeugindustrie, bestimmt ist. Bei diesen karbonfaserverstärkten Kunststoffen besteht die Gefahr einer Delamination von Faserschichten aufgrund der Vorschublast während des Bohrens und von Bohrgraten und Faserüberständen, die insbesondere ein Ausfransen des Bohrungsrandes bewirken. Das Bohrwerkzeug der EP 3 199 279 A1 soll dieser Problematik entgegenwirken. Das bekannte Bohrwerkzeug gemäß EP 3 199 279 A1 ist nach Art eines Spiralbohrers ausgebildet mit einer Bohrspitze und zwei stirnseitigen, unter einem Winkel zur zentralen Bohrspitze zulaufenden Bohrschneiden (tip cutting edges). Wie z.B. in den 1 bis 6 der EP 3 199 279 A1 dargestellt, ist jede der beiden stirnseitigen Bohrschneiden 7 jeweils in drei Teilschneiden 21, 22 und 23 unterteilt. Die erste innere Teilschneide 21 und die äußerste dritte Teilschneide 23 sind über eine Ausnehmung oder Nut 8 mit dreieckigem Querschnitt, also einer V-Form, voneinander getrennt. Am Ende der Nut 8 ist eine zweite Teilschneide ausgebildet, die von der dritten Teilschneide nach innen verläuft und über einen Grat 16, der nicht schneidend ausgebildet ist, mit der ersten Teilschneide 21 verbunden ist. Die drei Teilschneiden 21, 22 und 23 verlaufen jeweils geradlinig, die erste Teilschneide 21 und die dritte Teilschneide 23 auf einer gemeinsamen Geraden und die zweite Teilschneide 22 auf einer dazu nach innen geneigten Geraden. Die durch diese Schneidengestaltung und die geneigten Teilschneiden an der Ausnehmung wirkenden verringerten Vorschubkräfte sind in 5 und der zugehörigen Figurenbeschreibung der EP 3 199 279 A1 veranschaulicht. Die Ausnehmung 8 verläuft von der stirnseitigen Bohrschneide mit den drei Teilschneiden geradlinig nach hinten in den Rücken oder die Freifläche 6 des jeweiligen Bereichs des Bohrwerkzeugs. An den Teilschneiden 21, 22 und 23 verläuft als Spanfläche eine spiralförmige Spannut 2, die eine Spanfläche 2a bildet. Die radialen Abstände der Ausnehmungen an den zwei verschiedenen Bohrschneiden sind in den allermeisten Ausführungsbeispielen gleich gewählt, überlappen sich also in einer Drehprojektion vollständig. In dem Ausführungsbeispiel der 28 sind die radialen Abstände der Ausnehmungen der beiden Bohrschneiden etwas unterschiedlich, aber dennoch überlappen die beiden Ausnehmungen in einer Drehprojektion um die Werkzeugachse noch teilweise, d.h. der innerste radiale Abstand der radial weiter außen liegenden Ausnehmung ist kleiner als der äußere radiale Abstand der radial weiter innen liegenden Ausnehmung. Die in 5 schematisch dargestellte axiale Tiefe der Ausnehmung 8 ist annähernd gleich dem axialen Bohrvorschub fr und die in 24 schematisch dargestellte axiale Tiefe der Ausnehmung 18 ist annähernd doppelt so groß wie der axiale Bohrvorschub fr.
Typische Werte für den axialen Bohrvorschub liegen bei bekannten Spiralbohrern zwischen 0,1 und 0,3 mm pro Umdrehung.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren jeweils zum Erzeugen einer Bohrung in einem Werkstück anzugeben, bei denen hohe Bohrvorschübe möglich sind. Insbesondere sollen Bohrvorschübe von mindestens 9 % des Durchmessers des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs pro Umdrehung, insbesondere 0,5 mm bei einem Durchmesser von 5,5 mm, und sogar mehr verwirklicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe geeignete Ausführungsformen und Gegenstände gemäß der Erfindung sind insbesondere in den Patentansprüchen angegeben, die auf ein Bohrwerkzeug, insbesondere mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, und ein Verfahren zum Erzeugen einer Bohrung unter Verwendung eines solchen Werkzeuges, insbesondere mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18, gerichtet sind.
Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
Die beanspruchbaren Merkmalskombinationen und Gegenstände gemäß der Erfindung sind nicht auf die gewählte Fassung und die gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche beschränkt. Vielmehr kann jedes Merkmal einer Anspruchskategorie, beispielsweise eines Werkzeugs, kann auch in einer anderen Anspruchskategorie, beispielsweise einem Verfahren beansprucht werden. Ferner kann jedes Merkmal in den Patentansprüchen, auch unabhängig von deren Rückbeziehungen, in einer beliebigen Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmal(en) in den Patentansprüchen beansprucht werden. Außerdem kann jedes Merkmal, das in der Beschreibung oder Zeichnung beschrieben oder offenbart ist, für sich, unabhängig oder losgelöst von dem Zusammenhang, in dem es steht, allein oder in jeglicher Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmalen, das oder die in den Patentansprüchen oder in der Beschreibung oder Zeichnung beschrieben oder offenbart ist oder sind, beansprucht werden.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Bohrwerkzeug vorgeschlagen, das zum Erzeugen einer Bohrung mit einer zylindrischen Innenwandung geeignet und bestimmt ist,

a) wobei das Bohrwerkzeug in einer Drehbewegung mit einem vorgegebenen Drehsinn um eine durch das Bohrwerkzeug verlaufende Werkzeugachse drehbar ist und zugleich in einer axialen Vorwärtsbewegung in einer Vorwärtsrichtung axial zur Werkzeugachse bewegbar ist,
b) wobei das Bohrwerkzeug wenigstens einen Bohrbereich umfasst, der in einem in Vorwärtsrichtung an einem vorderen oder freien Ende liegenden Bereich des Bohrwerkzeugs angeordnet ist, jedoch vorzugsweise keinen Gewindeerzeugungsbereich aufweist,
c) wobei der Bohrbereich einen Anzahl n von Bohrschneiden aufweist, die in Drehrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl ist mit n ≥ 1, und
d) wobei an wenigstens einer oder jeder der n Bohrschneiden wenigstens ein Spanteiler angeordnet ist, der eine Unterbrechung der jeweiligen Bohrschneide bildet.

Im Allgemeinen weist der Bohrbereich eine Anzahl n ≥ 2, also wenigstens zwei, Bohrschneiden auf, die in Drehrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, insbesondere bei gleicher Teilung um einen Teilungswinkel von 360°/n oder auch bei ungleicher Teilung mit verschiedenen Teilungswinkeln.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die axiale Tiefe des oder jedes Spanteilers gemessen in zur Werkzeugachse axialer Richtung von der zugehörigen Bohrschneide aus einem Wertebereich von dem 0,5-fachen bis 1,1-fachen des axialen Vorschubs der zugehörigen Bohrschneide relativ zur in Drehrichtung unmittelbar vorhergehenden Bohrschneide gewählt und vorzugsweise wenigstens annähernd gleich zu diesem axialen Vorschub der zugehörigen Bohrschneide. Dies ist besonders bei einer ungleichen Teilung zweckmäßig.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die axiale Tiefe des oder jedes Spanteilers gemessen in zur Werkzeugachse axialer Richtung aus einem Wertebereich von 0,5/n bis 1,1/n, vorzugsweise wenigstens annähernd 1/n, multipliziert mit dem axialen Vorschub des Bohrwerkzeuges pro Umdrehung gewählt. Dies ist besonders bei einer gleichen Teilung zweckmäßig.
Durch diese vorteilhaften Maßnahmen liegt die axiale Tiefe der Spanteiler im Bereich der Spandicke und kann der Span entsprechend vollständig geteilt oder zumindest ausreichend geschwächt werden, um dann geteilt zu werden.
Die radialen Abstände der Spanteiler von der Werkzeugachse an wenigstens zwei der n Bohrschneiden sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung unterschiedlich zueinander, und zwar derart, dass in einer Drehprojektion im vorgegebenen Drehsinn um die Werkzeugachse auf einen Spanteiler an einer ersten Bohrschneide ein Schneidenbereich einer nachfolgenden zweiten Bohrschneide folgt, und/oder derart, dass der radiale Abstand des Spanteilers an einer der zwei Bohrschneiden an dessen innerster zur Werkzeugachse nächstliegender Stelle größer ist als der radiale Abstand des Spanteilers an der anderen der zwei Bohrschneiden an dessen äußerster zur Werkzeugachse am weitesten entfernter Stelle, und/oder derart, dass der äußere radiale Abstand des Spanteilers an einer der zwei Bohrschneiden kleiner ist als der innere radiale Abstand des Spanteilers an der anderen der zwei Bohrschneiden.
Eine radiale Breite eines Spanteilers, insbesondere bei der Unterbrechung der zugehörigen Bohrschneide, ist bevorzugt aus einem Bereich von dem 0,05-fachen bis zum 0,25-fachen des Durchmessers des Bohrbereiches gewählt.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens ein oder jeder Spanteiler als Spanteilnut ausgebildet, die an der jeweiligen Bohrschneide eine Unterbrechung bildet.
In einer Ausführungsform erstreckt sich wenigstens eine Spanteilnut des jeweiligen Spanteilers von der jeweiligen Bohrschneide in eine benachbarte Freifläche oder Abfolge von Freiflächen. Eine Länge der Erstreckung der Spanteilnut ist nun insbesondere durch den Freiwinkel oder die Lage der Freifläche(n) einstellbar.
Die Spanteilnut kann sich auch in einer anderen Ausführungsform an der Spanfläche der jeweiligen Bohrschneide erstrecken.
Die Erstreckung der Spanteilnut(en) folgt dabei vorzugsweise einem im Wesentlichen linearen Verlauf oder einer Abfolge von wenigstens zwei oder drei zueinander geneigten, insbesondere nach innen zur Werkzeugachse hin (oder konvex) geneigten, linearen Nutabschnitten. Dabei kann die lineare Erstreckung der Spanteilnut oder ihrer Abschnitte insbesondere jeweils tangential zu einem Kreis um die Werkzeugachse verlaufen.
Ferner ist auch ein zumindest abschnittsweise gekrümmter, vorzugsweise konvex zur Werkzeugachse gekrümmter, Verlauf der Erstreckung der Spanteilnut(en) möglich.
Wenigstens eine oder jede Spanteilnut des jeweiligen Spanteilers kann nun in einer bevorzugten Ausführung einen im Wesentlichen linearen Verlauf oder eine Abfolge von wenigstens zwei oder drei zueinander geneigten, insbesondere nach innen zur Werkzeugachse hin geneigten, linearen Abschnitten aufweist, wobei die lineare Erstreckung der Spanteilnut oder ihrer Abschnitte insbesondere jeweils tangential zu einem Kreis um die Werkzeugachse verläuft. Die Spanteilnut kann aber auch einen zumindest abschnittsweise gekrümmten, vorzugsweise konvex zur Werkzeugachse gekrümmten, Verlauf aufweisen.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, dass wenigstens eine oder jede Spanteilnut einen Querschnitt in Form eines Trapezes aufweist, wobei sich das Trapez vorzugsweise in Vorwärtsrichtung oder zur Bohrschneide hin öffnet, insbesondere mit einem Öffnungswinkel von zwischen 45° und 90°, vorzugsweise wenigstens annähernd 60°.
In verschiedenen Ausführungsformen kann wenigstens ein Spanteiler oder eine Spanteilnut auch einen Querschnitt in Form eines Dreiecks oder Trapezes oder Schwalbenschwanzes oder Rechtecks oder einer Doppelwelle oder einer Rundung, insbesondere eines Halbkreises, gegebenenfalls mit verlängerten linearen Seitenwänden, aufweisen.
Wenigstens ein Spanteiler kann auch als Spanteilstufe ausgebildet sein.
Im Allgemeinen ist jede Bohrschneide an einem zugehörigen Steg angeordnet und/oder ausgebildet, wobei sich an jedem Steg, insbesondere an einer stirnseitigen Fläche des Steges, wenigstens eine Freifläche an jede Bohrschneide anschließt. Der Freiwinkel der Freifläche liegt bevorzugt in einem radial außen liegenden Bereich zwischen 3° bis 15° oder zwischen 5° bis 15°, insbesondere 6° oder 10°, und nimmt vorzugsweise radial nach innen zu, insbesondere auf einen Wert bis maximal 40°. Die Freifläche ist insbesondere kegelmantelförmig oder mit einem Kegelmantelschliff erzeugt, kann aber auch eben oder flach sein.
Vorzugsweise umfasst das Bohrwerkzeug wenigstens eine und vorzugsweise wenigstens zwei, im Bohrbereich beginnende Spanabführnut(en) zum Abführen der Bohrspäne
Die axiale Länge der Spanabführnuten ist im Allgemeinen größer als die maximale Lochtiefe oder Eindringtiefe des Werkzeugs, so dass sich die Spanabführnuten jederzeit in einen Bereich oberhalb oder außerhalb der Werkstückoberfläche erstrecken und die Späne aus dem Bohrloch abführen können.
Zwischen jeweils zwei Spanabführnuten verläuft nun bevorzugt jeweils einer der Stege.
Spanabführnuten und/oder Stege verlaufen bevorzugt um die Werkzeugachse gedrallt, insbesondere unter einem konstanten oder variablen Drallwinkel, der typischerweise in einem Intervall von 0° bis 50°, insbesondere 20° bis 35°, beispielsweise 30°.
In vorteilhaften Ausführungsformen erstreckt sich wenigstens eine Spanteilnut zu einem Austritt für Kühl- und/oder Schmiermittel in dem zugehörigen Steg, wobei der Austritt vorzugsweise mit einem in einem zugehörigen Steg verlaufenden Kanal verbunden ist oder dessen Mündung darstellt.
Der radiale Durchmesser des Bohrbereichs bezogen auf die Werkzeugachse beträgt bevorzugt maximal 10 mm (also eine Größe, bei der bei Spiralbohrern normalerweise keine Spanteiler eingesetzt werden).
In allen Ausführungsformen ist bevorzugt die Spanfläche an jeder Bohrschneide nicht mit einer vorstehenden Spanumformfläche oder Spanumformstufe versehen, sondern verläuft insbesondere stetig mit einer vergleichsweise geringen Krümmung. Dadurch kann der Bohrbereich kompakter und axial kürzer ausgebildet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht einen, insbesondere vom Bohrbereich axial versetzten, Führungsbereich an dem Außenumfang des Bohrwerkzeugs vor. Der Führungsbereich weist einen Durchmesser auf, der dem Außendurchmesser des Bohrbereichs entspricht oder nur geringfügig, beispielsweise um 0,5 bis 2 %, kleiner als dieser ist. Dadurch dient der Führungsbereich vorzugsweise der Eigenführung des Bohrwerkzeugs in der erzeugten Bohrung.
Der Führungsbereich ist vorzugsweise in einzelne Führungsteilbereiche, die jeweils an einem der Stege vorgesehen sind, unterteilt.
Bevorzugt weist der Führungsbereich, vorzugsweise jeder Führungsteilbereich an jedem Steg, wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Schmiernut, vorzugsweise wenigstens zwei zueinander axiale beabstandete Schmiernuten, auf zum Zuführen von Schmiermittel, insbesondere Öl, in den Führungsbereich während des Bohrprozesses. Vorzugsweise verläuft jede Schmiernut(en) entlang einer Helix mit einer dem axialen Vorschub pro Umdrehung oder pro Bohrschneide als Steigung.
In einer besonderen Ausführungsform ist an den Außenbereichen der Bohrschneiden ein Eckenbruch vorgesehen ist. Es kann nun in Eckenbruchwinkel des Eckenbruchs zur radialen Richtung im Bereich von 0° bis 60°, bevorzugt zwischen 15° und 30°, gewählt werden und/oder ein Winkel des Eckenbruchs (70) zur Werkzeugachse (A) aus einem Intervall von 0° und dem Betrag des Drallwinkels, insbesondere der Spanabführnuten (25), vorzugsweise 0°, gewählt sein. Eine radial gemessene Eckenbruchbreite des Eckenbruchs beträgt bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,4 mm.
Das Verfahren gemäß der Erfindung, insbesondere Patentanspruch 19, ist zum Erzeugen einer Bohrung mit einer zylindrischen Innenwandung vorgesehen, insbesondere ohne Gewinde. Es wird ein Bohrwerkzeug gemäß der Erfindung verwendet und mit diesem werden die folgenden - für einen Bohrvorgang an sich typischen - Verfahrensschritte durchgeführt:

- das Bohrwerkzeug wird beim Erzeugen der Bohrung in einer Vorwärtsdrehbewegung in einem vorgegebenen Vorwärtsdrehsinn um die durch das Bohrwerkzeug verlaufende Werkzeugachse gedreht und zugleich in einer axialen Vorwärtsbewegung in einer Vorwärtsrichtung axial zur Werkzeugachse bewegt,
- anschließend wird das Bohrwerkzeug aus der erzeugten Bohrung in einer axialen zur Vorwärtsrichtung entgegengesetzten Rückwärtsrichtung herausbewegt und währenddessen weiterhin in dem Vorwärtsdrehsinn gedreht. Dadurch ist keine Gewindeerzeugung möglich.

Im Unterschied zu bekannten Bohrverfahren mit Spiralbohrern wird gemäß der Erfindung vorzugsweise ein hoher axialer Bohrvorschub f der Vorwärtsbewegung des Bohrwerkzeugs pro Umdrehung von mindestens 9 % des Durchmessers des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs pro Umdrehung, insbesondere mindestens 0,5 mm pro Umdrehung bei einem Durchmesser von 5,5 mm, und insbesondere von mindestens 15 % des Durchmessers des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs pro Umdrehung, insbesondere mindestens 0,8 mm pro Umdrehung bei einem Durchmesser von 5,5 mm. Der Vorschub fz pro Bohrschneide ergibt sich dann durch Multiplikation des Bohrvorschubs f pro Umdrehung (360°) mit dem Verhältnis aus Teilungswinkel und 360°.
Die Drehzahl für die Drehung des Bohrwerkzeuges zumindest während des Erzeugens der Bohrung wird bevorzugt aus einem Bereich zwischen 1000 U/min und 20.000 U/min gewählt. Die axiale Geschwindigkeit beim Herausbewegen des Bohrwerkzeugs aus der Bohrung ist im Allgemeinen größer, vorzugsweise um mindestens das fünffache größer, als bei der axialen Vorwärtsbewegung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren

1 ein Bohrwerkzeug in einer perspektivischen Seitenansicht,
2 eine vergrößerte perspektivische Seitenansicht des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs gemäß 1,
3 eine vergrößerte perspektivische Seitenansicht des Bohrbereichs mit anschließendem Führungsbereich des Bohrwerkzeugs gemäß 1,
4 eine vergrößerte perspektivische Stirnansicht des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs gemäß 1,
5 eine Schnittdarstellung des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs gemäß 1 gemäß dem in 1 mit B-B bezeichneten Querschnitt,
6 eine Schnittdarstellung des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs gemäß 1 gemäß dem in 1 mit C-C bezeichneten Querschnitt,
7 eine perspektivische Stirnansicht des Bohrbereichs eines Bohrwerkzeugs mit einem Eckenbruchschutz und
8 eine perspektivische Seitenansicht des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs gemäß 7

1

8

Das Bohrwerkzeug (im Folgenden auch kurz als Werkzeug bezeichnet) ist mit 2 bezeichnet und wird zum Erzeugen einer zylindrischen Bohrung, insbesondere eines Sacklochs oder Durchgangslochs, eingesetzt und ist dazu mit einem Bohrbereich 3 ausgebildet, umfasst jedoch im Allgemeinen keinen Gewindeerzeugungsbereich. Sollte die erzeugte Bohrung mit einem Gewinde zu versehen sein, so kann dazu ein nachfolgender Schritt mit einem separaten Gewindewerkzeug durchgeführt werden.
Das Bohrwerkzeug 2 ist vorzugsweise mittels eines Koppelbereichs an einem axial zur Werkzeugachse A verlaufenden oder ausgebildeten Werkzeugschaft 24 mittels eines nicht dargestellten Drehantriebs, insbesondere einer Werkzeugmaschine und/oder Antriebs- oder Werkzeugmaschinenspindel, rotatorisch oder in einer Drehbewegung um seine Werkzeugachse A in einem Vorwärtsdrehsinn VD antreibbar. Ferner ist das Werkzeug 2 axial in einer axialen Vorwärtsbewegung VB und in einer entgegengesetzten axialen Rückholbewegung axial zur Werkzeugachse A bewegbar, insbesondere mittels eines Axialantriebs, der wiederum in der Werkzeugmaschine und/oder Antriebs- oder Werkzeugmaschinenspindel vorgesehen sein kann. Ein Außendurchmesser des Schaftes 24 ist mit d2 bezeichnet.
An einem vom Koppelbereich des Schaftes 24 abgewandten freien Endbereich oder stirnseitigen Ende des Bohrwerkzeuges 2 ist ein Bohrbereich 3 vorgesehen. Der Bohrbereich 3 hat einen Außendurchmesser oder Bohrdurchmesser d1 und erzeugt eine Bohrung mit diesem Innendurchmesser d1 im nicht dargestellten Werkstück. Mit seiner Bohrerspitze 33 wird der Bohrbereich 3 des sich drehenden Werkzeugs 2 auf der Werkstückoberfläche aufgesetzt und der Bohrvorgang gestartet.
Das Bohrwerkzeug 2 ist einerseits um eine durch das Bohrwerkzeug 2 verlaufende Werkzeugachse A drehbar oder rotatorisch bewegbar und andererseits entlang oder axial zur Werkzeugachse A axial oder translatorisch bewegbar.
Zum Erzeugen der Bohrung wird das Bohrwerkzeug 2 in einer Arbeitsbewegung, die aus einer Drehbewegung um die Werkzeugachse einerseits und einer axialen Vorschubbewegung entlang der Werkzeugachse A zusammengesetzt ist, in ein nicht dargestelltes Werkstück bewegt und der Bohrbereich 3 erzeugt spanabhebend die Bohrung. Die Werkzeugachse A fällt während diese Bohrvorgangs in der Regel mit der Mittelachse der Bohrung zusammen.
Wenn der Bohrungsgrund oder die maximale Bohrtiefe erreicht ist, wird in einer Rückholbewegung das Bohrwerkzeug 2 aus der erzeugten Bohrung herausbewegt in der zur Vorwärtsrichtung der Arbeitsbewegung entgegengesetzten axialen Rückwärtsrichtung. Dabei wird während der Rückholbewegung oder beim Herausbewegen des Bohrwerkzeuges aus der Bohrung im Allgemeinen eine deutlich höhere axiale Geschwindigkeit gewählt als in der Arbeitsbewegung beim Bohren, beispielsweise eine um das 5-fache bis 50-fache höhere axiale Geschwindigkeit. Das Bohrwerkzeug wird auch während der Rückholbewegung weiter gedreht und die Drehrichtung oder der Drehsinn des Bohrwerkzeugs bleibt während der Rückholbewegung gegenüber der Arbeitsbewegung unverändert, entspricht also dem Vorwärtsdrehsinn VD.
Die Drehzahl N bei der Drehbewegung während des Bohrens wird im Allgemeinen zwischen 1000 U/min (Umdrehungen pro Minute) und 20.000 U/min gewählt, in der Regel abhängig von der Werkzeugmaschine und von dem Werkstück sowie auch von dem Durchmesser des Bohrwerkzeugs, beispielsweise derart, dass tangentiale Umfangsgeschwindigkeiten am Außendurchmesser von zwischen 30 und 300 m/min erreicht werden. Bei dem Herausziehen aus der Bohrung kann die Drehzahl zwar niedriger gewählt werden, wird aber im Allgemeinen einfach beibehalten.
Das vorliegende Bohrwerkzeug 2 gemäß der Erfindung ist besonders für hohe axiale Bohrvorschübe f geeignet und bestimmt.
Der axiale Vorschub f des Bohrwerkzeugs bei der axialen Vorschubbewegung während des Bohrens (Bohrvorschub) ist in der bevorzugten Ausführung mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 0,8 mm, pro Umdrehung bei einem Durchmesser d1 = 5,5 mm (allgemein 9 % oder 15 % vom Durchmesser d1) gewählt und kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit bis zu 1,5 mm und sogar bis zu 2 mm pro Umdrehung erreichen. Der Bohrvorschub f kann an den Durchmesser d1 des Bohrbereichs 3 des Bohrwerkzeugs 2 angepasst werden, wobei bei größerem Durchmesser d1 in der Regel auch der Bohrvorschub f größer gewählt wird oder werden kann.
Solch ein im Vergleich zu bekannten Spiralbohrern deutlich höherer Bohrvorschub wird ermöglicht durch die spezielle Ausbildung des Bohrwerkzeugs gemäß der Erfindung, die anhand von Ausführungsbeispielen im Folgenden weiter erläutert wird.
Der Bohrbereich 3 umfasst in den dargestellten Ausführungsbeispielen zwei stirnseitige Bohr(haupt)schneiden 31 und 32, die insbesondere schräg oder konisch oder auch mit einer vorgegebenen Krümmung, axial nach vorne verlaufend angeordnet sein können und auf eine oder in einer Bohrerspitze 33 zulaufen können, insbesondere in einem sich zur Bohrerspitze 33 verjüngenden Konus und/oder über eine die beiden Bohrschneiden 31 und 32 über die Bohrspitze 33 verbindende Querschneide 34. Diese stirnseitigen Bohrschneiden 31 und 32 sind in dem Vorwärtsdrehsinn VD schneidend, im dargestellten Ausführungsbeispiel rechtschneidend, ausgebildet und tragen bei der Vorwärtsbewegung VB bei gleichzeitiger Drehbewegung in Vorwärtsdrehsinn VD Material des Werkstücks 6, das axial vor dem Bohrwerkzeug 2 liegt, spanabhebend ab. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Bohrerspitze 33 auch als Zentrierspitze ausgebildet werden.
Es sind ferner Spanabführnuten 25 am Werkzeug 2 vorgesehen, die im Bohrbereich 3 beginnen und sich bis in den Schaft 24 fortsetzen. Zwischen den Spanabführnuten 25 sind Stege (oder: Rücken) 35 und 36 angeordnet und ausgebildet. Die erste Bohrschneide 31 ist an dem ersten Bohrsteg 35 ausgebildet und die zweite Bohrschneide 32 an dem zweiten Bohrsteg 36, jeweils im vorderen Bereich oder an der Stirnseite des jeweiligen Steges 35 bzw. 36.
Vorzugsweise verlaufen die Spanabführnuten 25 und die dazwischenliegenden Stege 35 und 36 gedrallt um die Werkzeugachse A unter einem konstanten oder auch variablen Drallwinkel, der typischerweise in einem Intervall von 0° bis 50°, insbesondere 20° bis 35°, beispielsweise 30°, liegt, können aber auch parallel oder axial zur Werkzeugachse A verlaufen. Die axiale Länge der Spanabführnuten 25 ist vorzugsweise größer als die maximale Lochtiefe oder Eindringtiefe des Werkzeugs 2 gewählt, d.h. die Spanabführnuten 25 erstrecken sich in einen Bereich oberhalb oder außerhalb der Werkstückoberfläche. Dadurch können in jeder Phase des Prozesses die entstehenden Späne aus dem erzeugten Loch im Werkstück durch die Spanabführnuten 25 nach außen herausgeführt werden.
An jeder Bohrschneide 31 oder 32 bildet die zugehörige Spanabführnut 25 eine zugehörige Spanfläche. Die Spanwinkel dieser Spanflächen an den Bohrschneiden 31 und 32 sind vorzugsweise in einem Bereich zwischen - 10° und + 45° gewählt, wobei vorzugsweise die Spanwinkel bezogen auf die Werkzeugachse von innen nach außen zunehmen, und näher zur Werkzeugachse in einem Bereich zwischen -10° und +10° liegen können und im äußeren Bereich insbesondere zwischen 15° bis 45° liegen, vorzugsweise dem Drallwinkel der gedrallten Spanabführnuten 25 entsprechen.
An der von der Spanfläche bzw. zugehörigen Spanabführnut 25 abgewandten Rückseite der Bohrschneide 31 bzw. 32 schließt sich jeweils eine Freifläche 63 bzw. 64 an, die an der stirnseitigen Fläche des zugehörigen Bohrstegs 35 bzw. 36 angeordnet ist.
Die Freiwinkel der Freiflächen 63 und 64, also die Winkel zwischen der Freifläche und einer senkrecht zur Werkzeugachse A tangential durch die Bohrschneide verlaufenden transversalen Ebene, sind im Allgemeinen so gewählt, dass trotz des bevorzugt hohen axialen Vorschubs f eine Reibung der von diesen Freiflächen gebildeten stirnseitigen Flächen der Bohrstege 35 und 36 an dem Werkstück 2 vermieden wird. Der minimale Freiwinkel bei einem bestimmten Radius r ist gemäß der Formel arctan (axialer Vorschub pro Umdrehung/(2r π)), also hier arctan (f/(4r π)) näherungsweise berechenbar, nimmt also von außen nach innen zu. Es wird aber in der Regel ein größerer Freiwinkel gewählt, um Reibung sicher zu verhindern.
Der Freiwinkel der an die Bohrschneiden 31 und 32 angrenzenden ersten Freiflächen 63 und 64 ist in einem radial außen liegenden Bereich vorzugsweise zwischen 5° bis 15°, insbesondere 10°, gewählt und nimmt radial nach innen zu insbesondere bis zu dem Dachwinkel der Bohrerspitze 33. Dadurch ist eine stabile Bohrschneide 31 bzw. 32 sichergestellt. Die Freifläche 63 und 64 kann insbesondere kegelmantelförmig sein oder durch Kegelmantelschliff erzeugt sein oder auch eben sein.
Die Freiflächen 63 und 64 sind durch jeweils eine in Drehrichtung dahinter erzeugte stirnseitige Aussparung 61 und 62 in dem zugehörigen Steg 35 bzw. 36 vergleichsweise schmal gehalten, so dass sie insbesondere in einem Winkelsegment von jeweils maximal 12° um die Werkzeugachse A liegen. Die Aussparungen 61 und 62 bilden sich an die Freiflächen 63 und 64 jeweils anschließende weitere Freiflächen mit größeren Freiwinkeln als den Freiflächen 63 und 64. Es kann aber auch in einer nicht dargestellten Ausführungsform eine weitere vorzugsweise ebene Freifläche direkt hinter der Freifläche 63 bzw. 64 und vor der Aussparung 61 bzw. 62 vorgesehen sein mit einem größeren Freiwinkel, beispielsweise 20° bis 40°, insbesondere 30°, als die Freifläche 63 bzw. 64
In jeder der Aussparungen 61 und 62 mündet jeweils ein beispielsweise im Querschnitt runder oder konvexer Austritt 67 bzw. 68 eines durch den jeweiligen Steg 35 bzw. 36 verlaufenden Fluidkanals zum Zuführen von Kühl- und/oder Schmiermittel, der ebenso wie der Steg 35 bzw. 36 axial oder auch gedrallt verlaufen kann.
Bei dem Bohrwerkzeug sind nun gemäß der Erfindung an den Bohrschneiden Spanteiler vorgesehen, die die von den Bohrschneiden erzeugten Späne zerteilen und dadurch schmäler machen und dadurch insbesondere Bandspäne erzeugen. Diese Bandspäne werden vermutlich beim Abführen aufgrund der hohen Vorschubwerte und ggf. auch der Sprödigkeit des Materials gebrochen, jedenfalls waren bei Untersuchungen die zu erwartenden Prozessprobleme mit Bandspänen nicht zu beobachten.
An der ersten Bohrschneide 31 ist ein erster Spanteiler 11 angeordnet und an der zweiten Bohrschneide 32 ein zweiter Spanteiler 12.
Es müssen aber auch nicht an allen Bohrschneiden Spanteiler vorgesehen sein und/oder es können auch mehr als ein Spanteiler an einer Bohrschneide vorgesehen sein.
Jeder Spanteiler 11 bzw. 12 bildet eine Unterbrechung 21 bzw. 22 der jeweiligen Bohrschneide 31 bzw. 32. In den dargestellten Ausführungsbeispielen unterteilt oder trennt der Spanteiler 11 oder 12 die zugehörige Bohrschneide 31 und 32 in eine innere Bohrteilschneide 31A bzw. 32A im inneren Bereich zur Werkzeugachse A hin und eine äußere Bohrteilschneide 31B bzw. 32B im äußeren Bereich von der Werkzeugachse A weg.
Der radiale Abstand r1 des ersten Spanteilers 11 von der Werkzeugachse A ist unterschiedlich zum radialen Abstand r2 des zweiten Spanteilers 12 gewählt. Die radialen Abstände r1 und r2 werden bevorzugt so gewählt, dass es bei einer Drehprojektion entgegengesetzt zur Drehrichtung des Werkzeugs 2 unmittelbar benachbarter Spanteiler 11 und 12 aufeinander keine Überlappung gibt, diese also noch etwas radial beabstandet voneinander sind. Dadurch liegt in Drehprojektion hinter einem Spanteiler einer Bohrschneide eine Bohrteilschneide der nachfolgenden Bohrschneide und werden die Späne somit unterschiedlich geteilt und in ihrer Länge begrenzt. Außerdem wird auch eine Riefenbildung am Bohrungsgrund vermieden.
Eine radiale Breite b1 der Unterbrechung 21 des Spanteilers 11 und eine radiale Breite b2 der Unterbrechung 22 des Spanteilers 12 sind bevorzugt gleich gewählt und/oder vorzugsweise so gewählt, dass der äußere radiale Abstand r3 = r2 + b2 des weiter innen liegenden Spanteilers 12 kleiner als der innere radiale Abstand r1 des anderen Spanteilers 11 ist, wodurch ein Überlapp der Unterbrechungen 21 und 22 in der Drehprojektion vermieden wird.
Bevorzugte Werte sind für die radialen Breiten b1 und b2 aus einem Bereich von 0,05 d1 bis 0,25 d1 und für den radialen Abstand r1 aus einem Bereich von 0,05 d1 bis 0,25 d1 und für den radialen Abstand r2 aus einem Bereich von 0,25 d1 bis 0,4 d1 gewählt.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spanteiler 11 und 12 als Spanteilnuten ausgebildet, die sich an der Stirnseite der Bohrstege 35 und 36 von der jeweiligen Bohrschneide 31 bzw. 32 in die dahinterliegende(n) Freiflächen 63 bzw. 64 und in der Regel auch in die Aussparungen 61 und 62 erstrecken und dort münden.
Die Längen der Spanteilnuten oder Spanteiler 11 und 12 sind mit l1 bzw. l2 bezeichnet und können gleich zueinander gewählt werden und/oder variabel gewählt werden, insbesondere auch indem die Freiwinkel oder die Lage der Freiflächen 63 und 64 sowie auch die Lage und Tiefe der Aussparungen 61 und 62 variiert werden.
Bei einer vorgegebenen Tiefe t1 oder t2 kann man die Länge l1 oder l2 der Spanteilnuten der Spanteiler 11 und 12 insbesondere dadurch einstellen, wie man die Freifläche 63 bzw. 64 neigt, d.h. welche Freiwinkel man wählt. Bei steilerer Orientierung oder größeren Freiwinkeln ist die Länge der Spanteilnuten kürzer und bei kleineren Freiwinkeln oder einer weniger steilen Orientierung der Freiflächen ist die Länge der Spanteilnuten größer. Durch die Freiflächen 63 und 64 und deren vergleichsweise großen Freiwinkel sowie auch durch die Aussparungen 61 und 62 wird sichergestellt, dass die hinteren Kanten der Spanteilnuten nicht am Werkstück reiben.
Bevorzugt wird die Länge oder Erstreckung der Spanteiler bzw. Spanteilnuten so gewählt, dass diese sich möglichst nahe bis zum Austritt für das Kühl- und/oder Schmiermittel erstrecken, insbesondere die Austritte 67 und 68 in den Bohrstegen 35 bzw. 36. Dadurch kann Kühl- und/oder Schmiermittel durch die Spanteilnuten zur Bohrschneide geführt werden.
Abhängig vom radialen Abstand r1 und r2 der Spanteilnuten der Spanteiler 11 und 12 einerseits und der radialen Abstände und Querschnitte der Austritte 67 und 68 andererseits kann dabei die Spanteilnut sich nur bis in die Nähe des Austritts erstrecken wie bei der Spanteilnut 11 in 4 dargestellt oder sogar direkt in den Austritt oder durch den Austritt verlaufen wie bei der Spanteilnut 11 und dem Austritt 67 in 4 dargestellt. Auch schon bei einer Anordnung in der Nähe des Austritts gelangt ein signifikanter Teil des Kühl- und/oder Schmiermittels bereits durch die Spanleitnut zu der Bohrschneide und kann dort eine kühlende bzw. schmierende Wirkung entfalten, neben dem ohnehin schon von außen oder über die Außenseiten zu der Bohrschneide gelangenden Kühl- und/oder Schmiermittel.
Die Erstreckung der Spanteilnut von der Bohrschneide in die Freiflächen oder auch in die Spanfläche kann in ganz unterschiedlicher Gestalt und Länge ausgebildet sein.
So kann, wie z.B. in 4 gezeigt, eine lineare Erstreckung gewählt werden, die den Vorteil hat, leicht mit einer Schleifscheibe erzeugt werden zu können, wobei die lineare Erstreckung tangential zu einem Kreis um die Werkzeugachse A erfolgen kann oder auch schräg zu einer tangentialen Richtung und die Länge l1 bzw. l2 entlang der linearen Erstreckung gemessen wird.
Ferner ist auch ein gekrümmter Verlauf der Erstreckung der Spanteilnuten möglich. Hierbei kann man beispielsweise einen Verlauf entlang eines Kreises um die Werkzeugachse A wählen oder auch eine andere gekrümmte Kurve. Die Länge bei einem gekrümmten Verlauf ist dann insbesondere als Bogenlänge zu bestimmen.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann sich wenigstens eine der Spanteilnuten oder auch jede Spanteilnut von der Bohrschneide in die Freiflächen oder auch in die Spanfläche auch in Form von zwei, drei oder auch mehr, insbesondere linearen, aufeinanderfolgenden Abschnitten erstrecken, die insbesondere zueinander geneigt oder unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Die lineare Erstreckung jedes Abschnittes der Spanteilnut(en) kann tangential zu einem Kreis um die Werkzeugachse A erfolgen oder auch schräg zu einer tangentialen Richtung. Dadurch kann die Spanteilnut einem Verlauf entlang des Umfangs oder entlang einer Krümmung, insbesondere Kreiskrümmung, insbesondere um die Werkzeugachse A, nach Art eines teilweisen Polygones angenähert werden. Jeder lineare Abschnitt kann nun vorzugsweise wieder durch eine lineare Bewegung einer Schleifscheibe erzeugt werden. Außerdem können auch Spanteilnuten mit aufeinanderfolgenden linearen und gekrümmten Abschnitten vorgesehen sein.
Die in zur Werkzeugachse A axialer Richtung von der Unterbrechung 21 oder 22 gemessenen axialen Tiefen t1 und t2 der Spanteilnuten der Spanteiler 11 und 12 können in einem weiten Bereich gewählt werden und sind vorzugsweise gleich zueinander.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die axialen Tiefen t1 und t2 der Spanteilnuten der Spanteiler 11 und 12 in einem Bereich von genau oder ungefähr der Hälfte des axialen Vorschubs (axialer Bohrvorschub) f des Bohrwerkzeuges eingestellt, insbesondere bei gleichmäßig verteilt oder unter gleichen Teilungswinkeln angeordneten Bohrschneiden. Allgemein bei einer Anzahl n Bohrschneiden liegt die axiale Tiefe des Spanteilers an der Bohrschneide im Wesentlichen in einem Bereich von f x 0,5/n bis f x 1,1/n, insbesondere f x 0,8/n bis f x 1/n, vorzugsweise bei f/n.
Alternativ wird die axiale Tiefe jedes Spanteilers in einem Bereich von dem 0,5-fachen bis 1,1-fachen des axialen Vorschubs fz der zugehörigen Bohrschneide relativ zur in Drehrichtung unmittelbar vorhergehenden Bohrschneide eingestellt. Vorzugsweise ist die axiale Tiefe des Spanteilers wenigstens annähernd gleich zu diesem axialen Vorschub fz pro Bohrschneide. Dies ist insbesondere bei einer ungleichen Teilung, wenn also die Bohrschneiden nicht unter dem gleichen Teilungswinkel zueinander verteilt angeordnet sind, sinnvoll.
In diesen Ausführungsformen wird die axiale Tiefe der Spanteiler somit im Bereich der Spandicke eingestellt, so dass der Span vollständig geteilt werden kann oder zumindest ausreichend geschwächt werden kann, so dass er dann leicht umgeformt oder gebrochen werden kann.
Die Spanteilnuten oder Spanteiler 11 und 12 haben vorzugsweise auch einen Freiwinkel, insbesondere einen axialen Freiwinkel und/oder einen radialen Freiwinkel, bevorzugt aus einem Bereich von 0° bis 20°, insbesondere 14°, was sich auch auf die axiale Tiefe auswirkt.
Die Lage, Form und Länge sowie der Querschnitt der Spanteilnuten kann in weiten Grenzen abhängig von der gewünschten Spanteilung und weiteren Funktionen und Parametern gewählt werden. Dadurch kann die Spanbildung unterschiedlich beeinflusst durch unterschiedliches Reißen und Stauchen und auch der Verschleiß positiv beeinflusst werden.
In einer bevorzugten Ausführung haben die Spanteilnuten der Spanteiler 11 und 12 zumindest an der Bohrschneide 31 bzw. 32, insbesondere aber auch durchgehend, einen in Form eines Trapezes ausgebildeten Querschnitt, welches Trapez sich zur Stirnseite oder in Vorwärtsrichtung öffnet mit einem Öffnungswinkel φ, der insbesondere aus einem Bereich von 45° bis 90° gewählt ist, vorzugsweise bei etwa 60°. Diese Ausgestaltung hat sich im Hinblick auf den Freigang in Vorschubrichtung als vorteilhaft erwiesen.
Es ist aber auch ein schwalbenschwanzförmiger Querschnitt der Spanteilnuten der Spanteiler 11 und 12 in Form eines hinterschnittenen Trapezes möglich oder auch ein rechteckiger Querschnitt der Spanteilnuten der Spanteiler 11 und 12 oder auch ein dreieckförmiger Querschnitt oder ein wenigstens teilweise konvex gekrümmter oder runder Querschnitt, auch ein Querschnitt vergleichbar einer Schruppverzahnung bei Fräsern.
Das Bohrwerkzeug 2 weist in einer bevorzugten Ausführungsform einen vom Bohrbereich 3 axial zurückversetzten Führungsbereich 4 an seinem Außenumfang auf, der entlang einer im wesentlichen zylindrischen Fläche ausgebildet ist und/oder einen Durchmesser aufweist, der dem Außendurchmesser d1 des Bohrbereichs 3 entspricht oder nur geringfügig, beispielsweise um 0,5 bis 2 %, kleiner ist. Dadurch dient dieser Führungsbereich 4 der Eigenführung des Bohrwerkzeugs 2 in der erzeugten Bohrung und verhindert oder vermindert Abdrängungen des Werkzeugs, die durch den hohen Bohrvorschub und die dadurch höheren Verformungskräfte auftreten können. Der Führungsbereich 4 ist in einzelne Führungsteilbereiche, jeweils einem an jedem der Stege 35 und 36, unterteilt, die durch die Spanabführnuten 25 voneinander getrennt sind.
Um die Reibungswärme aufgrund des Gleitens des Führungsbereichs 4 an der Bohrungsinnenwand zu verringern, weist der Führungsbereich 4 in jedem Führungsteilbereich an jedem Steg 35 und 36 wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Schmiernuten, in den dargestellten Ausführungsbeispielen zwei zueinander axiale beabstandete Schmiernuten 41 und 42 auf. Jede Schmiernut(en) kann entlang einer Helix verlaufen, insbesondere unter dem sich aufgrund des axialen Vorschubs f oder fz ergebenden Steigungswinkel, also einer Helix mit dem axialen Vorschub f pro Umdrehung oder fz pro Bohrschneide als Steigung. Auch ein anderer Verlauf einschließlich eines steigungsfreien Verlaufs der Schmiernut(en) ist möglich.
Durch die Schmiernuten 41 und 42 wird der Führungsbereich 4 ausreichend mit dem während des Bohrprozesses zugeführten Schmiermittel, insbesondere Öl, geschmiert, insbesondere durch Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms, und die Reibungswärme zwischen den aufeinander gleitenden Oberflächen des Führungsbereichs 4 des Bohrwerkzeugs 2 und der Innenwandung der Bohrung des Werkstücks wird dadurch deutlich verringert. Das Schmiermittel gelangt insbesondere von den Spanabführnuten 25 durch die Schmiernuten 41 und 42 zu der Außenfläche des Führungsbereichs 4.
Anstelle oder zusätzlich zu den Führungsbereichen können auch Umfangsschneiden oder Mantelschneiden vorgesehen sein, die die Mantelwandung der Bohrung spanend bearbeiten oder vorbereiten, indem sie sich radial zur Werkzeugachse A nach außen anschließende Bereiche des Werkstücks 6 spanabhebend abtragen. Diese Mantelschneiden können dazu dienen, eine ausreichende Oberflächengüte auch der Mantelwandung der Bohrung zu erreichen und verlaufen insbesondere vorwiegend parallel oder leicht nach hinten geneigt (zur Reibungsreduzierung) zur Werkzeugachse A auf einem radialen Abstand d1/2 von der Werkzeugachse A, der dem halben Bohrungsdurchmesser entspricht. Die Führungsbereiche oder Umfangs- oder Mantelschneiden können unmittelbar an die stirnseitigen Bohrschneiden anschließend ausgebildet und/oder angeordnet sein oder auch axial von diesen etwas versetzt sein.
Die Bohrschneiden 31 und 32 sind im Allgemeinen zumindest weitgehend linear ausgebildet, können aber auch zumindest teilweise einen leicht gekrümmten, insbesondere im Vorwärtsdrehsinn VD konvex gekrümmten, Verlauf haben. Vorzugsweise verlaufen die Bohrschneiden 31 und 32 zumindest teilweise parallel zueinander.
Die beiden Bohrschneiden 31 und 32 des dargestellten Bohrbereiches 3 liegen insbesondere auf entgegengesetzten Seiten einer die Werkzeugachse A enthaltenen axial verlaufenden Mittelebene. Die beiden Bohrschneiden 31 und 32 sind beispielsweise im Wesentlichen drehsymmetrisch um einen Drehwinkel von 180° oder punktsymmetrisch zur Werkzeugachse A angeordnet und ausgebildet, bis auf den unterschiedlich angeordneten Spanteiler 11 bzw. 12 natürlich.
Es können auch in nicht dargestellten Ausführungsformen nur eine Bohrschneide oder auch mehr als zwei, beispielsweise drei oder vier oder fünf oder sechs, Bohrschneiden vorgesehen sein, also allgemein n ≥ 1 Bohrschneiden.
Die Bohrschneiden 31 und 32 können zur bei der zentralen Werkzeugachse A liegenden Bohrerspitze 33 hin über Querschneiden, wie beispielsweise die Querschneide 34, aufeinander zu verlaufen. Im Zentrum oder im Bereich der Querschneiden nähern sich Spanwinkel und Freiwinkel einander an. Ein Neigungswinkel der beiden Bohrschneiden 31 und 32 zur Werkzeugachse A ist vorzugsweise gleich und kann beispielsweise zwischen 90° und 135°, insbesondere 120°, betragen.
Das Bohrwerkzeug oder zumindest der Bohrbereich 3 können insbesondere aus Hartmetall oder auch HSSE oder PKD gebildet sein und/oder mit Diamantbeschichtung (diamond like carbon) als Gleitschicht beschichtet sein. Die Spanabführnuten können wenigstens teilweise, insbesondere an den Spanflächen, glatt poliert sein. Das Bohrwerkzeug kann zumindest teilweise mit additiver Fertigung gefertigt werden. Die Bohrschneiden können mit einer Kantenverrundung versehen sein.
Um das Schneideck im Außenbereich der Bohrschneide zu schützen und damit die Standzeit zu erhöhen und den Verschleiß zu reduzieren, ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 und 8 ein Eckenbruch 70 angebracht oder vorgesehen. Ein Eckenbruchwinkel β des Eckenbruchs 70 zur radialen Richtung liegt im Bereich von 0° bis 60°, bevorzugt zwischen 15° und 30°. Eine radial gemessene Eckenbruchbreite e des Eckenbruchs 70 beträgt bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,4 mm. Der Eckenbruch 70 wird bevorzugt in axialer Richtung eingeschliffen und folgt vorzugsweise nicht dem Drall. Bevorzugt wird also ein Winkel zur axialen Richtung oder Werkzeugachse A von 0°. Möglich sind im Allgemeinen Winkel zur Werkzeugachse A zwischen 0° und dem Betrag des Drallwinkels, insbesondere der Spanabführnuten 25.
Bezugszeichenliste

2: Bohrwerkzeug
3: Bohrbereich
4: Führungsbereich
7: Spanbereich
11, 12: Spanteiler
11A, 11B: Spanteilnut
12A, 12B: Spanteilnut
20: Arbeitsbereich
21, 22: Unterbrechung
24: Schaft
25: Spanabführnut
31, 32: Bohrschneiden
31A, 31B: Bohrteilschneide
32A, 32B: Bohrteilschneide
33: Bohrerspitze
34: Querschneide
35, 36: Bohrsteg
41, 42: Schmiernut
61, 62: Aussparung
63, 64: Freifläche
67, 68: Austritt
70: Eckenbruch
A: Werkzeugachse
b1, b2: Breite (der Spanteiler)
d1, d2: Durchmesser
e: Eckenbruchbreite
f: axialer Bohrvorschub
l1, l2: Länge (der Spanteiler)
t1, t2: axiale Tiefe (der Spanteiler)
VB: Vorwärtsbewegung
VD: Drehsinn
φ: Öffnungswinkel
β: Eckenbruchwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3704196 A1 [0003]
DE 102009024256 A1 [0003]
US 3076357 [0003]
EP 3199279 A1 [0006]

Claims

Bohrwerkzeug zum Erzeugen einer Bohrung mit einer zylindrischen Innenwandung, a) wobei das Bohrwerkzeug in einer Drehbewegung mit einem vorgegebenen Drehsinn (VD) um eine durch das Bohrwerkzeug verlaufende Werkzeugachse (A) drehbar ist und zugleich in einer axialen Vorwärtsbewegung (VB) in einer Vorwärtsrichtung axial zur Werkzeugachse bewegbar ist, b) wobei das Bohrwerkzeug wenigstens einen Bohrbereich (3) umfasst, der in einem in Vorwärtsrichtung an einem vorderen oder freien Ende liegenden Bereich des Bohrwerkzeugs angeordnet ist, jedoch vorzugsweise keinen Gewindeerzeugungsbereich aufweist, c) wobei der Bohrbereich einen Anzahl n von Bohrschneiden aufweist, die in Drehrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl ist mit n ≥ 1, d) wobei an wenigstens einer oder jeder der n Bohrschneiden wenigstens ein Spanteiler angeordnet ist, der eine Unterbrechung der jeweiligen Bohrschneide bildet.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, bei dem der Bohrbereich eine Anzahl n ≥ 2, also wenigstens zwei, Bohrschneiden aufweist, die in Drehrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, insbesondere bei gleicher Teilung um einen Teilungswinkel von 360°/n oder auch bei ungleicher Teilung mit verschiedenen Teilungswinkeln.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 2, bei dem die axiale Tiefe des oder jedes Spanteilers gemessen in zur Werkzeugachse axialer Richtung von der zugehörigen Bohrschneide aus einem Bereich von dem 0,5-fachen bis 1,1-fachen des axialen Vorschubs der zugehörigen Bohrschneide relativ zur in Drehrichtung unmittelbar vorhergehenden Bohrschneide gewählt ist, vorzugsweise wenigstens annähernd gleich zu diesem axialen Vorschub der zugehörigen Bohrschneide gewählt ist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die axiale Tiefe des oder jedes Spanteilers gemessen in zur Werkzeugachse axialer Richtung aus einem Bereich von 0,5/n bis 1,1/n, vorzugsweise wenigstens annähernd 1/n, multipliziert mit dem axialen Vorschub des Bohrwerkzeuges pro Umdrehung gewählt ist.
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radialen Abstände (r1, r2, r3) der Spanteiler (11, 12) von der Werkzeugachse (A) an wenigstens zwei der n Bohrschneiden (31, 32) unterschiedlich sind, derart, dass in einer Drehprojektion im vorgegebenen Drehsinn um die Werkzeugachse auf einen Spanteiler an einer ersten Bohrschneide ein Schneidenbereich einer nachfolgenden zweiten Bohrschneide folgt, und/oder derart, dass der radiale Abstand des Spanteilers an einer der zwei Bohrschneiden an dessen innerster zur Werkzeugachse nächstliegender Stelle größer ist als der radiale Abstand des Spanteilers an der anderen der zwei Bohrschneiden an dessen äußerster zur Werkzeugachse am weitesten entfernter Stelle, und/oder derart, dass der äußere radiale Abstand (r3) des Spanteilers (12) an einer der zwei Bohrschneiden (32) kleiner ist als der innere radiale Abstand (r1) des Spanteilers (11) an der anderen der zwei Bohrschneiden (31).
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine radiale Breite (b1, b2) eines Spanteilers, insbesondere bei der Unterbrechung der zugehörigen Bohrschneide, aus einem Bereich von dem 0,05-fachen bis zum 0,25-fachen des Durchmessers (d1) des Bohrbereiches gewählt ist
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein oder jeder Spanteiler (11 und 12) als Spanteilnut ausgebildet ist, die an der jeweiligen Bohrschneide (31, 32) eine Unterbrechung bildet.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 7, bei dem wenigstens eine oder jede Spanteilnut des jeweiligen Spanteilers (11 und 12) einen im Wesentlichen linearen Verlauf oder eine Abfolge von wenigstens zwei oder drei zueinander geneigten, insbesondere nach innen zur Werkzeugachse hin geneigten, linearen Abschnitten aufweist, wobei die lineare Erstreckung der Spanteilnut oder ihrer Abschnitte insbesondere jeweils tangential zu einem Kreis um die Werkzeugachse verläuft, oder auch mit einen zumindest abschnittsweise gekrümmten, vorzugsweise konvex zur Werkzeugachse gekrümmten, Verlauf aufweist
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 7 und 8, bei dem wenigstens eine oder jede Spanteilnut (11 und 12) einen Querschnitt in Form eines Trapezes aufweist, wobei sich das Trapez vorzugsweise in Vorwärtsrichtung oder zur Bohrschneide hin öffnet, insbesondere mit einem Öffnungswinkel von zwischen 45° und 90°, vorzugsweise wenigstens annähernd 60°.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem sich wenigstens eine oder jede Spanteilnut des jeweiligen Spanteilers (11 und 12) von der jeweiligen Bohrschneide in eine benachbarte Freifläche und gegebenenfalls weitere Freifläche(n) erstreckt, wobei insbesondere eine Länge (11, 12) der Erstreckung der Spanteilnut durch den Freiwinkel oder die Lage der Freifläche(n) (65 bzw. 66) einstellbar ist.
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Bohrschneide (31, 32) an einem zugehörigen Steg (35, 36) angeordnet und/oder ausgebildet ist, wobei sich an jedem Steg (35, 36), insbesondere an einer stirnseitigen Fläche des Steges, wenigstens eine Freifläche (63, 64) an jede Bohrschneide (31, 32) anschließt, wobei insbesondere der Freiwinkel der Freifläche (63, 64) in einem radial außen liegenden Bereich zwischen 3° bis 15° oder zwischen 5° bis 15°, insbesondere 6° oder 10°, gewählt ist und vorzugsweise radial nach innen zunimmt, insbesondere auf einen Wert von maximal 40°, und/oder bei dem die Freifläche insbesondere kegelmantelförmig oder mit einem Kegelmantelschliff erzeugt ist oder eben ist.
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens eine und vorzugsweise wenigstens zwei Spanabführnuten (25), die im Bohrbereich (3) beginnt bzw. beginnen und/oder deren axiale Länge größer ist als die maximale Eindringtiefe des Bohrwerkzeugs, so dass sich die Spanabführnuten jederzeit in einen Bereich oberhalb oder außerhalb der Werkstückoberfläche erstrecken und die Späne aus der Bohrung abführen können.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem zwischen jeweils zwei Spanabführnuten (25) einer der Stege (35, 36) verläuft und/oder bei dem die Spanabführnuten (25) und/oder die Stege (35, 36) um die Werkzeugachse gedrallt verlaufen, insbesondere unter einem konstanten oder variablen Drallwinkel, der typischerweise in einem Intervall von 0° bis 50°, insbesondere 20° bis 35°, beispielsweise 30°, liegt.
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich wenigstens eine oder jede Spanteilnut (11, 12) zu einem Austritt (67, 68) für Kühl- und/oder Schmiermittel, erstreckt, wobei der Austritt (67, 68) vorzugsweise mit einem in einem zugehörigen Steg (35 bzw. 36) verlaufenden Kanal verbunden ist.
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Durchmesser (d1) des Bohrbereichs bezogen auf die Werkzeugachse maximal 10 mm beträgt und/oder bei dem sich an jede Bohrschneide eine Spanfläche anschließt und die Spanfläche nicht mit einer Spanumformfläche oder Spanumformstufe versehen ist.
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen, insbesondere vom Bohrbereich (3) axial versetzten, Führungsbereich (4) an seinem Außenumfang, der einen Durchmesser aufweist, der dem Außendurchmesser (d1) des Bohrbereichs (3) entspricht oder nur geringfügig, beispielsweise um 0,5 bis 2 %, kleiner als dieser ist, wobei der Führungsbereich (4) vorzugsweise der Eigenführung des Bohrwerkzeugs (2) in der erzeugten Bohrung dient und/oder vorzugsweise in einzelne Führungsteilbereiche, die jeweils an einem der Stege (35 und 36) vorgesehen sind, unterteilt ist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 16, bei dem der Führungsbereich (4), vorzugsweise jeder Führungsteilbereich an jedem Steg (35 und 36), wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Schmiernut, vorzugsweise wenigstens zwei zueinander axiale beabstandete Schmiernuten (41 und 42), aufweist zum Zuführen von Schmiermittel, insbesondere Öl, in den Führungsbereich (4) während des Bohrprozesses, wobei vorzugsweise jede Schmiernut(en) entlang einer Helix mit einer dem axialen Vorschub pro Umdrehung oder pro Bohrschneide als Steigung verläuft.
Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an den Außenbereichen der Bohrschneiden (31 und 32) ein Eckenbruch (70) vorgesehen ist, wobei insbesondere ein Eckenbruchwinkel (β) des Eckenbruchs (70) zur radialen Richtung im Bereich von 0° bis 60°, bevorzugt zwischen 15° und 30°, liegt und/oder eine radial gemessene Eckenbruchbreite (e) des Eckenbruchs (70) bevorzugt zwischen 0,05 mm und 0,4 mm beträgt und/oder ein Winkel des Eckenbruchs (70) zur Werkzeugachse (A) aus einem Intervall von 0° und dem Betrag des Drallwinkels, insbesondere der Spanabführnuten (25) gewählt ist, vorzugsweise bei 0°.
Verfahren zum Erzeugen einer Bohrung mit einer zylindrischen Innenwandung ohne Gewinde, a) bei dem ein Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, b) bei dem das Bohrwerkzeug beim Erzeugen der Bohrung in einer Vorwärtsdrehbewegung in einem vorgegebenen Vorwärtsdrehsinn (VD) um die durch das Bohrwerkzeug verlaufende Werkzeugachse (A) gedreht wird und zugleich in einer axialen Vorwärtsbewegung (VB) in einer Vorwärtsrichtung axial zur Werkzeugachse bewegt wird, c) bei dem das Bohrwerkzeug aus der erzeugten Bohrung in einer axialen zur Vorwärtsrichtung entgegengesetzten Rückwärtsrichtung herausbewegt wird und währenddessen weiterhin in dem Vorwärtsdrehsinn (VD) gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ein axialer Bohrvorschub der Vorwärtsbewegung des Bohrwerkzeugs pro Umdrehung von mindestens 9 % des Durchmessers des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs pro Umdrehung, insbesondere mindestens 0,5 mm pro Umdrehung bei einem Durchmesser von 5,5 mm, und insbesondere von mindestens 15 % des Durchmessers des Bohrbereichs des Bohrwerkzeugs pro Umdrehung, insbesondere mindestens 0,8 mm pro Umdrehung bei einem Durchmesser von 5,5 mm, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem eine Drehzahl für die Drehung des Bohrwerkzeuges aus einem Bereich zwischen 1000 U/min und 20.000 U/min gewählt wird und/oder bei dem die axiale Geschwindigkeit beim Herausbewegen des Bohrwerkzeugs aus der Bohrung größer, vorzugsweise um mindestens das fünffache größer, ist als bei der axialen Vorwärtsbewegung (VB).