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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit Schneidkopf aus Hartmetall oder Diamant zum Bohren von schichtweise aufgebauten Verbundwerkstoffen. Verbundwerkstoffe, insbesondere die kohlefaserverstärkten Faserverbundwerkstoffe, werden zumeist schichtweise aus Fasergelegen gestapelt aufgebaut. Die Harzmatrix versteift formerhaltend diesen Schichtaufbau aus Fasergelegen, so dass dieser zusätzliche Schubspannungen aufnehmen kann. Damit die Kohlefasergelege als Matten gehandhabt werden können, sind die Faserrovings mit Kunststoff-Wirkfäden verwoben. Mehrere Schichtlagen können zu mehrschichtigen Matten durch gleichgeartete Kunststoff-Fäden verkettet werden. Zur Herstellung von Baugruppen werden in dieser Weise aufgebaute Bauteile mittels Befestigungsmittel verbunden. Zur deren Funktionserfüllung wie z. B. Bauteilsteifigkeit, Passgenauigkeit, Dichtheit und Korrosionsschutz sind kombinierte Verklebungen an den Fügeflächen und zusätzliche Befestigungsmittel wie z. B. Schrauben oder Niete erforderlich, welche in spanend hergestellte Durchgriffsbohrungen angeordnet werden. An die Geometrie und Oberflächenqualität dieser Durchgriffsbohrungen werden bei schichtweise aufgebauten Kohlefaserverbundwerkstoffen besonders hohe Anforderungen gestellt, um die durch die Bohrung selbst erzeugte Bauteilschwächung nicht durch Werkstoffschädigungen infolge der spanenden Bearbeitung des Schichtverbundes auszudehnen.
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Beim Bohren dieser mehrlagig aufgebauten, zu einem Schichtsystem verpressten und ausgehärteten Werkstoffe treten nicht nur die beim Fräsen in Umfangsrichtung des Werkzeuges bekannten Faserausrisse, Faser- und Faserbündelüberstände, Zwischenfaserbrüche und Delaminationen zwischen den Schichten auf, sondern wegen der Werkstoffbeanspruchung beim Bohrervortrieb in der Bohrerdrehachse zusätzlich Werkstoffverdrängungen beim Schneideneintritt quer zur Bohrervortriebsrichtung und Werkstoffausbrüche beim Schneidenaustritt.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 296 04 464 ist ein Dübelbohrer für Massivholz, Holz- und Plattenwerkstoffe bekannt, dessen Bohrkopf mit einer Zentrierspitze, Hauptschneiden und Vorschneidern derart gestaltet ist, dass zwischen der Zentrierspitze und den Hauptschneiden ein kontinuierlicher, stetiger Übergang vorhanden ist. In der Anwendung als Sacklochbohrer hat sich diese Ausführung mit den sichelschneidig gestalteten Vorschneidern und der dachförmig geschliffenen Zentrierspitze für das ausrissfreie Bohren von Plattenwerkstoffen mit melaminharzhaltigem Dekor als Decklage wegen seiner langen Standzeit bewährt. Den schichtweise aufgebauten Fasergelege-Harz-Verband bohren derartig gestaltete Dachspitzbohrer nicht ausrissfrei.
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Aus der Praxis sind Bohrwerkzeuge zur maschinellen Herstellung von Durchgriffsbohrungen bekannt, welche einen Bohrkopf mit kontinuierlichen Hauptschneiden tragen, welche von der Bohrerspitze bis zur drallgenuteten Bohrerstange sich erstreckt. Zur Vermeidung von den eingangs erwähnten Bohrlochfehlern ist die Hauptschneide in zwei oder mehr Streckenabschnitten mit unterschiedlichen Konizitäten zur Bohrerdrehachse verjüngt. Diese Doppelfasen- und Vielfasenbohrer erzeugen in wirkfädenfreien Werkstoffen anforderungsentsprechende Bohrungen, in den eingangs erwähnten Gelege-Harz-Schichtwerkstoffen jedoch Fadenüberstände, Fadenverdrängungen an den Decklagenrandzonen des Bohrloches und im fortgeschrittenen Schädigungszustand nicht vollendete Trennschnitte von Fäden und Fasern, die dem Werkstoffverbund nach der abgeschlossenen Bohroperation freistehend auf der Bohrer-Austrittsseite angehängt bleiben. Diese mangelhaften Fadentrennungen führen zu Beeinträchtigungen bei der Weiterverarbeitung der Bauteile zu Fertigprodukten. Um diese Faser- und Fadenüberstände nicht entstehen zu lassen, ist die Schneidengeometrie von Bohrwerkzeugen an diese Werkstoffart anzupassen.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug zu schaffen, das Durchgriffsbohrungen in schichtweise aufgebauten Fasergelege-Harz-Verbünden mit vollständigen Faden- und Fadenbündel-Trennungen am Bohrlochrand und delaminationsfreien Bohrlochzylindern erzeugt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug weist sowohl die Vorteile der eingangs erwähnten Sacklochbohrer als auch der als Mehrfasenhauptschneiden gestalteten Durchgangsbohrer auf. Gegenüber bekannten Lösungen ist das Bohrwerkzeug erfindungsgemäß gestaltet mit in Vorschubrichtung auskragenden Schneidenecken, die am Übergang von der Hauptschneide zur Nebenschneide platziert sind. Diese Schneidenecken wirken qualitätsbildend an den Bohrlochrändern und im Bohrungszylinder. Durch ihren axialen Überstand an dem konisch gestalteten Hauptschneidenrand schneiden diese deshalb so bezeichneten Vorschneider gegenüber der Hauptschneide örtlich vor und trennen mit der erfindungsgemäß gestalteten Schneidkeilgeometrie die Fäden und Fasern am Bohrlochrand ausrissfrei ab.
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Ohne die erfindungsgemäße Gestaltung der Hauptschneiden und der Vorschneider und insbesondere deren geometrische Zuordnung werden beim Bohreraustritt Werkstoffpartikel aus dem Faser-Harz-Verbund herausgebrochen und Werkstoffpartikel anhängend herausgerissen. Zur Vermeidung dieses Werkstoffschädigungsverlaufes beim Bohren räumt die konisch, weit auskragend gestaltete Hauptschneide in einem schälenden, zeitlich verlängerten Ein-, Durch- und Ausbohrprozess das Bohrloch aus. Durch die werkstoffbezogene Zuweisung von Span,- Frei-, Drall,- und Spitzenwinkel wird die Faden- und Fasertrennung in jeder Phase des Bohrvorgangs ausrissfrei vollzogen und durch den so erzeugten Bohrprozess die Vorspaltung von Werkstoffbereichen unterbunden.
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Der Ausräumprozess wird so weit ausgedehnt, dass die radiale Differenz ar vom so erzeugten Räumungsbohrlochzylinder bis zum masslich geforderten Fertigbohrungszylinder weniger als 1/10 des geforderten Bohrungsdurchmessers beträgt bzw. insbesondere in einem Wertebereich von 0,3 mm bis 0,6 mm liegt. Durch diese Bohrprozessführung wird vermieden, dass der nachfolgend einsetzende Vorschneider die Werkstoffpartikel bei der Restquerschnittzerspanung aus dem Bohrloch beim Bohreraustritt unzerspant herausdrückt. Eine weitere Voraussetzung für den ausrissfreien und fadentrennenden Prozessablauf ist erfindungsgemäß, dass die Vorschneider axial nur um einen geringen Betrag ax von weniger als 0,5 mm gegenüber dem Hauptschneidenkonus vorstehen.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeuges ist die Tatsache, dass das für die Herstellung des Bohrlochs zu entfernende Volumen im Werkzeugvortrieb feinstzerspant wird. Dies ist der besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung geschuldet, in dem der Drallwinkel λ der Bohrerspannut in einem Winkelbereich von 25° bis 40°, vorzugsweise in einem Winkel von 30° geschliffen wird, der Spanwinkel γ der Haupt- und Nebenschneiden einen Winkelbereich von 20° bis 35° abdeckt und vorzugsweise 30° beträgt und der Freiwinkel der Hauptschneide α und des Vorschneiderrückens aVS in dem Winkelbereich von 12° bis 25° ist, vorzugsweise 15° beträgt.
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Die kombinierte Wirkung von derart ausgestalteten Schneidenwinkeln, insbesondere der experimentell bestimmten und im Werkzeug erfindungsgemäß festgelegten Drall- und Spanwinkel, zeigt sich zum ersten in der anforderungsgemäßen Schnittkraftrichtung beim Bohreraustritt, die zur Werkstoffmasse weist und durch diese Wirkungsrichtung der Hauptschneiden und der Vorschneiderschneiden die Delamination unterdrückt. Zum zweiten wird durch die Einhaltung der genannten Winkelbereiche und der Feinabstimmung der Schneidenwinkelkombinationen bewirkt, dass auf der Eintrittsseite beim Bohrereintritt und beim Bohrerrückhub keine wie die eingangs erwähnten Werkstoffschädigungen erzeugt werden. Zum dritten werden erfindungsgemäß Wirkfäden und Faserbündel auch unter ungünstigen Faden- und Faserorientierungswinkeln von 45° und 135° noch eingebunden im Werkstoffverbund durch Hauptschneiden und nachfolgende Vorschneiderschneiden getrennt, anstatt dass sie wegen mangelhafter Erfassung durch die Schneide dann am Bohrloch freistehend dem Schneideneingriff abbiegend ausweichen.
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Das letztere Leistungsmerkmal wird unterstützt durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges mit 3 und mehr in Umfangsrichtung platzierten Haupt- und Vorschneiderschneiden, insbesondere bei Bohrungsnenndurchmessern von größer als 5 mm. In einer zweiten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird vorteilhaft bei Bohrerdurchmesser D größer als 5 mm eine Schnittaufteilung in Bohrvorschubrichtung erzielt, indem dem nach den erfindungsgemäßen Merkmalen geformtes Bohrwerkzeug an dessen Bohrerspitze ein gleichartig gestaltetes Pilotbohrwerkzeug mit geringerem Schneidendurchmesser, vorzugsweise ohne Vorschneider, platziert wird. Dieses Vorderteil, welches die Pilotbohrfunktion übernimmt, ist mit der gleichen Hauptschneidengeometrie wie das zuvor erfindungsgemäß vorgestellte Bohrwerkzeug gestaltet.
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Der Schneidendurchmesser d des Vorbohrteils beträgt das 0,5fache bis 0,8fache des Schneidendurchmessers D des Fertigbohrwerkzeuges. Diese Endbearbeitungsstufe des Fertigbohrteils trägt die Vorschneider wie das erfindungsgemäße Einstufenbohrwerkzeug und weist auch dessen Hauptschneidengeometrie bis zur Kopplungsstelle des Pilotbohrers auf. Damit erfüllt diese erfindungsgemäße zweite Ausgestaltung des Stufenwerkzeuges ein fein abgestuftes Vorbohren und ein ausrissfreies Fertigbohren des Bohrloches. Vorteilhaft wird bei diesem Stufenwerkzeug die Vorschubkraft in zwei Prozessschritte aufgeteilt, die Vorschubkraft auf das Bauteil ist ebenso wie die Bauteildurchbiegung reduziert. Die durch den Pilotanteil bewirkte Schwingungsamplitude ist abgeklungen, wenn der Fertigbohrteil seine Arbeit schwingungsreduziert verrichtet. Standweg und Bohrungsqualität erhöhen sich infolge dieser Ausgestaltung. Diese Ausgestaltungsvorteile kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die Bauteilaufspannung auf der Vorrichtung Zwischenräume und freie, ununterstützte bzw. auskragende Bereiche aufweist.
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Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachstehenden Zeichnungen dargestellt und wird unter Angabe der Vorteile und Einzelheiten nachstehend erläutert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen prinzipiell dargestelltem Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt:
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1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Bohren von Schichtwerkstoffen;
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2 eine Seitenansicht des Werkzeuges zum Bohren von Schichtwerkstoffen nach dem Pfeil II aus 1;
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3 eine Draufsicht in vergrößerter Darstellung auf die Stirnseite des Werkzeuges zum Bohren von Schichtwerkstoffen nach dem Pfeil III aus 1;
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4 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Bohren von Schichtwerkstoffen in der Ansichtsebene der Vorschneiderspitzen;
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5 eine Schnittansicht von dem drallgenuteten Zylinder des erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Bohren von Schichtwerkstoffen nach den Pfeilen V aus 4;
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6 eine Detailansicht in vergrößerter Darstellung vom Vorschneider des erfindungsgemäßen Werkzeuges an der Position VI nach 4;
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7 eine Detailansicht in vergrößerter Darstellung vom Vorschneider des erfindungsgemäßen Werkzeuges an der Position VII aus 1; und
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8 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Bohren von Schichtwerkstoffen mit Pilotbohrerabschnitt und Fertigbohrerabschnitt.
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Ausführungsbeispiel
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Werkzeug 1 zum Bohren von Schichtwerkstoffen dargestellt, welches insbesondere zum Bohren von Bauteilen, geschichtet aus verschieden ausgerichteten und verketteten Gelegen aus Kohlenstofffasern und thermisch harzverpresst zu einem Verbundwerkstoff, geeignet ist. Das Werkzeug 1 weist einen Bohrkopf 2 und einen Einspannschaft 3 zur Anbringung desselben an einer nicht dargestellten Werkzeugaufnahme auf. Im gezeigten Fall wird der Bohrkopf 2 zusammen mit dem Einspannschaft 3 monolithisch aus einer Stange aus hochfestem Hartmetall erzeugt. Das Bohrwerkzeug 1 ist rotationssymmetrisch gestaltet und dreht sich beim Bohrvorgang um seine Längsachse 6.
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Der Bohrkopf 2 trägt an seinem maximalen Schneidendurchmesser Vorschneider mit einer die Bohrlochqualität erzeugenden Vorschneiderspitze 11. Der Vorschneider besitzt umfangsseitig eine Freifläche mit einem Freiwinkel 13, der die Freistellung der Vorschneiderspitze bewirkt und Schädigungen am Bohrloch durch axiale Werkstoffverdrängungen beim Bohrervorschub verhindert.
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2 zeigt das in 1 dargestellte Werkzeug 1 in der um 90° um die Längsachse 6 gedrehten Position zur Darstellung des Hauptschneidenkonus 5, welcher beim Bohrervortrieb in Bohrvorschubrichtung 7 mit seiner Dachspitze 4 in die Werkstoffoberfläche eindringt und mit seinen Hauptschneiden 8 Gelegelage für Gelegelage konisch zerspant. Die Freiflächen 9 der Hauptschneiden und die Freiflächen 21 der Vorschneider vermindern den Widerstand des Schneideneingriffs in den Verbundwerkstoff sowie die Schädigung des Werkstoffverbundes durch Reibung und zu hohe, in Vorschubrichtung wirkende Axialkräfte. Der Übergang zwischen dem Bohrkopf 2 und der Zylinderfläche 24 des Bohrwerkzeuges ist so gestaltet, dass die beim Bohrvorgang erzeugten Späne fließend stoßfrei von der Dachspitze bis zum Einspannschaft durch die wendelförmigen Bohrerspannuten 14 geleitet werden. Diese tief- und feinstgeschliffene Ausführung der Spantransportnut, im dargestellten Fall von zwei Nuten, unterstützt die Späneerfassung der harzhaltigen Feinpartikel aus der Zerspanung des Verbundwerkstoffes in die Späneerfassungshaube.
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Durch die Gestaltung des Bohrkopfes 2 mittels der tiefen Spannuten und der zusätzlichen Verschlankung der Dachspitze 4 durch die Ausspitzfläche 23 wird die Vorschubkraft beim Einbohren in den delaminationsempfindlichen Verbundwerkstoff reduziert. Als Folge geschieht die Trennarbeit beim Einbohren mit geringeren Schnittkräften und Werkstoffabdrängungen. Aus diesem Grund trägt bereits das Bohrkopfzentrum zu eine besseren Bohrlochqualität bei. Unterstützt wird dieser schnittige Bohrervorschub gemäß der Darstellung der Stirnseite in 3 durch den verhältnismäßigen großen Spanwinkel 22 der Hauptschneiden 8. Da sich die Spanflächen kontinuierlich von der Dachspitze bis zum Vorschneider erstrecken, trägt dieser große Spanwinkel auch zur Schnittleistungsqualität des Vorschneiders bei. Die Vorschneiderspitze 11 liegt auf dem Bohrerdurchmesser D, der in dem Zylinderbereich 24 gemäß 4 und 5 erhalten bleibt. Der durch Feinschleifprozesse erzielten glatten und verrundeten Berandung 15 der gewendelten Bohrerspannut 14 kommt zur Vermeidung von Anhaftungen mit dem Harz-Kohlfaserspangut eine wichtige Funktion zu.
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Die Konizität des Bohreranschnittes und der davon abhängige weiche Anschnitt und schonend wirkende Durchtritt des Bohrerkopfes 2 durch den hier nicht dargestellten Verbundwerkstoff wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Spitzenwinkels ε gemäß 4 gesteuert. Durch diese schlanke Konizität reicht es aus, mit ungewöhnlich niedrig und schmal ausgeprägten Vorschneidern die schwierig zu bearbeiteten Bohrlochrandzonen des Gelegeschichtstoffverbundes zu trennen. Als den Erfindungsgegenstand charakterisierende Kenngrößen dieser Gestaltung werden der in Bohrvorschubrichtung 7 wirkende axiale Vorschneidervorstand ax gegenüber dem Hauptschneidenkonus 5 und die radiale Vorschneidererstreckung als halbierte Schneidendurchmesserdifferenz ar zum Hauptschneidenkonus 5 in der Arbeitsebene der Vorschneidersenke 11 gemäß 6 herangezogen.
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6 zeigt, dass die Vorschneidersenke 12 nur gering unterhalb der Vorschneiderspitze 11 platziert ist. Die Hauptschneide 8 schließt sich unmittelbar an die Vorschneidersenke 12 an. Diese Vorschneidergestaltung wurde erstmalig speziell für die Fasertrennung entwickelt. In 7 ist in Umfangsrichtung dargestellt, wie der Vorschneider 10 mit seinem schnittigen Spanwinkel 16, identisch und erzeugt durch einen großen Drallwinkel λ der Bohrerspannut 14, in den Verbundwerkstoff wie ein Stichel eindringen kann. Gemeinsam mit der Gestaltung des Hauptschneidenkonus ist diesem schnittigen Feinschneider der Fortschritt beim Trennen der Fasergelege-Bohrränder geschuldet.
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Bei größeren Bohrerdurchmessern D haben die Zerspanungsprozesse gezeigt, dass zur Erfüllung der Qualitätsansprüche statt zwei Hauptschneiden und zwei Vorschneidern mehrere Kombinationsschneiden für einen feineren Verbundwerkstoffabtrag notwendig sind. Auch kann es aufgrund von Bauteilabdrängungen erforderlich sein, eine schwingungsberuhigende Phase im Bohrprozess zwischenzuschalten in Form eines Stufenbohrers, wie er in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeuges 1 in 8 gezeigt wird. Die erläuterte grundsätzliche Funktionsweise des erfindungsgemäßen Werkzeuges bleibt wegen der Äquivalenz der Gestaltungsmerkmale erhalten. Voreilend bohrt der Pilotbohrerabschnitt 25 mit seinem Durchmesser d das Bohrloch genauso schnittig wie der dargestellte Einstufenbohrer 1 um den axialen Abstand ap vor. In Folge setzt der Fertigbohrerabschnitt 26 ein und räumt mit seinen Hauptschneiden 8 das Bohrloch aus. Den Bohrlochrand fertigt wie erläutert beim Einstufenbohrer die Vorschneiderecke 11. Voraussetzung für die Schnittqualität ist die Feinabstimmung der Kombinationsschneiden Hauptschneiden-Vorschneider und insbesondere die Einhaltung der erfindungsgemäß genannten Werte für die Kenngrößen ar und ax.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bohrwerkzeug
- 2
- Bohrkopf
- 3
- Einspannschaft
- 4
- Dachspitze
- 5
- Hauptschneidenkonus
- 6
- Längsachse, Drehachse
- 7
- Bohrvorschubrichtung
- 8
- Hauptschneide
- 9
- Hauptschneidenfreifläche
- 10
- Vorschneider
- 11
- Vorschneiderspitze
- 12
- Vorschneidersenke
- 13
- Freiwinkel des Vorschneiderrückens aVS
- 14
- wendelförmige Bohrerspannut, Spanfläche
- 15
- Berandung der Bohrerspannut (14)
- 16
- Drallwinkel λ der Bohrerspannut (14)
- 17
- Freiwinkel α der Hauptschneide (8)
- 18
- Axialer Vorschneidervorstand ax gegenüber dem Hauptschneidenkonus (5)
- 19
- Spitzenwinkel ε des Hauptschneidenkonus (5)
- 20
- Radiale Schneidendurchmesserdifferenz ar zum Hauptschneidenkonus (5) in der Arbeitsebene der Vorschneidersenke (11)
- 21
- Freifläche des Vorschneiders (10)
- 22
- Spanwinkel γ der Hauptschneide (8)
- 23
- Ausspitzfläche des Bohrkopfes (2)
- 24
- Zylinderfläche des Bohrwerkzeuges (1)
- 25
- Pilotbohrerabschnitt
- 26
- Fertigbohrerabschnitt
- ar
- radialer Abstand des Hauptschneidenkonus (5) von der Vorschneiderspitze (11) in der Arbeitsebene der Vorschneiderspitze (11)
- ax
- axialer Abstand der Vorschneiderspitze (11) zur Vorschneidersenke (12)
- ap
- axialer Abstand der Pilotbohrerspitze (4) bis zum Fertigbohrerabschnitt (26)
- ε
- Spitzenwinkel der Dachspitze (4)
- D
- Bohrerdurchmesser, Fertigbohrerdurchmesser
- d
- Durchmesser des Pilotbohrerabschnitts
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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