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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Nachbearbeitung
von Bohrungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine
Reibahle zur Nachbearbeitung von Durchgangsbohrungen mit besonderen
Anforderungen an die Rundheit der Bohrung.
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Stand der
Technik
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Zur
Nachbearbeitung von Bohrungen, insbesondere zur Verbesserung von
Rundheit, Oberflächenrauhigkeit
und Maßhaltigkeit
von Bohrungen, werden heute Reibahlen verschiedener Form und Größe verwendet.
Als Reiben wird ein drehender spanabhebender Vorgang geringen Materialabtrags mit
geometrisch definierten Schneiden bezeichnet.
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8a bis 8c zeigen
Beispiele von Maschinenreibahlen nach dem Stand der Technik. Dabei
ist in 8a eine Reibahle Form A mit
geraden Schneiden und zylindrischem Schaft nach DIN 212 gezeigt,
in 8b ist eine Reibahle Form B mit Linksdrall nach
DIN 212 gezeigt, und in 8c ist
eine Reibahle Form C mit Schäldrall
und Morsekegelschaft nach DIN 208 gezeigt.
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Wie
jedes drehende Bearbeitungswerkzeug weist eine Reibahle einen Schaftteil
und einen Bearbeitungsteil auf. Der Schaftteil dient der Aufnahme
in einem handgeführten
Griff oder einer Werkzeugmaschine, während der Bearbeitungsteil
zur Bearbeitung des Werkstücks
vorgesehen ist. Bei Handreibahlen ist der Bearbeitungsteil in der
Regel länger
als bei Maschinenreibahlen.
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Der
Bearbeitungsteil einer Reibahle weist eine oder mehrere langgestreckte
Schneiden auf, die sich üblicherweise
von der Vorderseite des Bearbeitungsteils aus in Richtung des Schaftteils
erstrecken. Die Schneiden können
gerade, leicht spiralig (Drall) oder stark spiralig (Schäldrall)
ausgeführt
sein. Dabei erzeugt ein Linksdrall eine bessere Oberflächengüte, erfordert
aber einen freien Späneabfluß nach unten und
eignet sich daher vorzugsweise für
Durchgangsbohrungen. Reibahlen mit Schäldrall werden vorzugsweise
in weichen Werkstoffen mit großem
Vorschub eingesetzt.
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Die
Reibahlen können
einstückig
mit aus dem vollen Material gearbeiteten Schneiden sein. Reibahlen
für größere Durchmesser
können
eingesetzte Hartmetallschneiden aufweisen. Dabei sind nur Stege
aus dem vollen Material gearbeitet, während die Hartmetallschneiden
an den Stegen befestigt sind. Eingesetzte Schneiden bieten sich
im Wesentlichen bei gerader Schneidenform an.
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In
der Regel ist die Anzahl der Schneiden geradzahlig, wobei 4 bis
12 Schneiden je nach Durchmesser häufig vorkommen. Insbesondere
bei geringer Schneidenzahl kommt auch ein ungerade Anzahl in Betracht.
Beispielsweise ist bei einer Einschneidenreibahle nur eine (auswechselbare)
Schneide vorgesehen, während
mehrere Führungsleisten
an der Bohrungswand entlanggleiten und Gegenkräfte aufnehmen.
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Für Bohrungen
mit geringem Durchmesser wie etwa für Ventilführungen von Ein- und Auslaßventilen
von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen kommen hauptsächlich einstückige Maschinenreibahlen
mit einer geraden Anzahl von geraden oder linksgedrillten Schneiden
zum Einsatz.
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9a bis 9c zeigen
den vorderen Bereich einer Reibahle 100 nach dem Stand
der Technik mit sechs linksgedrillten Schneiden 110. Dabei
zeigt 9a eine Seitenansicht, 9b zeigt
eine Schnittansicht entlang einer Linie A–A in 9a, und 9c zeigt
eine Schnittansicht entlang einer Linie B in 9a.
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Die
Schneiden 110 weisen an der Stirnseite einen kegeligen
Anschnitt 112 auf. In diesem Bereich findet hauptsächlich die
Spanabnahme statt, er wird als Hauptschneide bezeichnet. Die Hauptschneide 112 kann
gerade (mit einfachem Anschnitt unter einem Einstellwinkel κ) oder winklig
(zweifacher Anschnitt mit unterschiedlichen Einstellwinkeln) ausgeführt sein.
(Bei konischen Reibahlen kommen auch runde Anschnitte vor.) Wie
in 9c gezeigt, ist die Schneidkante 112c der
Hauptschneide 112 mit einem positiven Schneidwinkel γ ausgeführt und
weist auf der Rückseite
eine Fase 112a einer Breite bϝα mit einem
Fasenfreiwinkel αϝ sowie
eine Freifläche 112b mit
einem Freiwinkel α auf.
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Der
Bereich der Schneide 110, der sich in deren Längsrichtung
erstreckt, wird als Nebenschneide 114 bezeichnet. Er wirkt
nur noch zu einem geringen Anteil spanabhebend und dient im Wesentlichen
der Führung
des Werkzeugs im Bohrloch. Die Nebenschneide 114 weist
einen Spanwinkel von leicht positivem bis leicht negativem Wert
auf (hier leicht positiv). Ein Rundschliff der Nebenschneide 114 schafft eine
Fase 118, welche bei größerer Breite
bϝαN die Führung des
Werkzeugs in dem Bohrloch verbessert, aber den an der Bohrungsmantelfläche anliegenden Flächenanteil
der Nebenschneide 114 vergrößert und daher zu einer Erhöhung der
Reibung führt.
Die Reibung an der Bohrungsmantelfläche kann zu einer unerwünschten
Wärmeentwicklung
führen.
Durch einen Anschliff auf der Rückseite 114b (der
Seite, die der Schneidkante 114c gegenüberliegt) der Nebenschneide 114 kann
eine Freifläche 116 geschaffen werden,
wodurch sich die Reibung an der Bohrungsmantelfläche verringert. Die Freifläche kann
als Keil oder als Absatz gestaltet sein.
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Zu
einer Verringerung der Reibung können sich
die Nebenschneiden geringfügig
verjüngen,
wie in
10 gezeigt. Auch ist es beispielsweise
aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 201 01 101 U1 bekannt,
einen längs
des Werkzeugs verlaufenden Kühlkanal
in dem Werkzeug vorzusehen, der sich schräg radial in die Spanräume öffnet, um
die Reibungshitze abzuführen.
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Sofern
nichts anderes gesagt ist, sind die oben beschriebenen Figuren zur
Darstellung des Stands der Technik dem Buch E. Paucksch, "Zerspantechnik", Vieweg, 9. Auflage,
1992, Seiten 121 ff. entnommen.
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Aus
dem oben Gesagten ist ersichtlich, daß einer Optimierung der charakteristischen
Größe der Nebenschneidenfasenbreite
große
Bedeutung zukommt, aber immer einen Kompromiß zwischen Reibungsverminderung
und Führungsverbesserung
erfordern wird:
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Die
Hauptaufgabe der Nachbearbeitung einer Bohrung mit einer Reibahle
ist die Verbesserung der Rundheit, Zentrierung und Oberflächenebenheit. Es
ist aus der Literatur bekannt, daß häufig Resonanzerscheinungen
in Biege-, Vorschub und Torsionsrichtung zu einem sogenannten Rattern
des Werkzeugs in der Bohrung und damit zu Verschlechterungen der
Bohrungskennwerte führen
können.
Um diese Resonanzerscheinung einzudämmen, ist man dazu übergegangen,
bei mehrschneidigen Reibahlen den Teilungswinkel, d.i. der Winkel
zwischen zwei aufeinanderfolgende Schneiden, nicht genau gleich, sondern
geringfügig
ungleich zu wählen,
wobei sich die Teilungswinkel einmal wiederholen. Als allgemeine
Regel werden Teilungswinkel von
(0,5-z/4+i) gewählt, wobei
z die Anzahl der Schneiden, Δτ
0 eine
Teilungswinkelgrundabweichung und i eine ganzzahlige Laufvariable
mit i=0, ..., z/2-1 ist. Bei einer Teilungswinkelgrundabweichung
von Δτ
0=2° und einer
Schneidenzahl von z=6 ergeben sich nach der oben genannten Regel
beispielsweise Teilungswinkel von 58°, 60°, 62°.
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In
vielerlei Situationen kommt der Rundheit, Paßgenauigkeit, Oberflächengüte und Achsenzentrierung
große
Bedeutung zu. Ein besonderes Problem stellt sich bei der Bearbeitung
von Führungsbuchsen
für Ventilschäfte von
Ein- und Auslaßventilen
von Verbrennungsmotoren. 1 zeigt schematisch die Einbausituation
einer derartigen Führungsbuchse 300 in
einem Zylinderkopf 200. Auf einer Seite des Zylinderkopfes 200,
die später
als eine Innenwand einer Zylinderkammer dienen wird, ist einer Ausnehmung
ausgebildet, an deren Rand ein Ventilsitz 210 hergestellt
ist. Auf der anderen Seite der Wand des Zylinderkopfes 200 ist
eine zweite Vertiefung 215 ausgebildet, die später beispielsweise
als Lager und Führung
einer Feder für
das zugeordnete Ventil dienen wird. Zwischen der ersten Ausnehmung 205 und
der zweiten Ausnehmung 215 ist in der Wand des Zylinderkopfes 200 eine
Bohrung 225 hergestellt, die eine Führungsbuchse 300 aufnimmt.
Die Führungsbüchse 300 ragt
auf der Seite der Ausnehmung 215 ein Stück weit aus der Wand des Zylinderkopfes 200 heraus
und besteht beispielsweise aus Messing.
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Es
ist nun wichtig, daß die
Bohrung der Führungsbuchse 300 genau
mit dem Ventilsitz 210 fluchtet, um später ein dichtes Schließen eines
Ein- oder Auslaßventils
zu gewährleisten.
Die Bohrung der Buchse 300 ist daher zunächst auf
Untermaß gefertigt
und wird im eingebauten Zustand auf Passung nachgearbeitet. Dies
geschieht mit einer Reibahle, die in der Zeichnung von oben in Richtung
eines Pfeils A in die Bohrung der Buchse 300 eingeführt wird,
wobei der Ventilsitz 210 als Zentrierhilfe verwendet wird.
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Es
hat sich herausgestellt, daß herkömmliche
Reibahlen, auch wenn sie noch so aufwendig hinsichtlich Materialauswahl
und Fertigungsverfahren hergestellt sind, nicht in der Lage sind,
diese Bohrung mit ausreichender Rundheit, Zentrizität und Oberflächengeschaffenheit
herzustellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mehrschneidige
Reibahle zu schaffen, welche gegenüber dem Stand der Technik verbesserte
Ergebnisse hinsichtlich der Rundheit, Zentrizität und Oberflächenbeschaffenheit
einer hiermit nachbearbeiteten Bohrung liefert.
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Insbesondere
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine mehrschneidige Reibahle
zu schaffen, welche Rundheit und Oberflächenebenheit besonders im unteren
Abschnitt einer Durchgangsbohrung gegenüber dem Stand der Technik verbessert.
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Des
weiteren besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
eine mehrschneidige Reibahle zu schaffen, welche bei geringstmöglicher Wandreibung
eine optimale Führung
in der Bohrung ermöglicht.
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Die
vorstehenden Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung bilden
den Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Werkzeug zur Nachbearbeitung von Bohrungen,
insbesondere eine Reibahle, einen Bearbeitungsteil mit einer Mehrzahl
von Schneiden tragenden Stollen auf, die sich jeweils im wesentlichen über die
Länge des Bearbeitungsteils
erstrecken, wobei die Schneiden eine durch einen Anschnitt an ihrem
in Vorschubrichtung des Werkzeugs befindlichen vorderen Ende definierte
Hauptschneide und eine in Längsrichtung
des Werkzeugs verlaufende Nebenschneide aufweisen. Die Nebenschneiden
weisen eine durch Rundschliff ausgebildete Nebenschneidenfase auf,
wobei der Durchmesser des Rundschliffs im wesentlichen einem Nenndurchmesser
des Werkzeugs entspricht. Die Nebenschneidenfase wenigstens einer
Schneide weist zumindest in einem vorderen Bereich eine größere Breite
auf als eine Breite der Nebenschneidenfase anderer Schneiden.
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Durch
diese Variation der Breite der Nebenschneidenfasen wird ein zusätzlicher
Parameter ins Spiel gebracht, der zur Auslegung des Werkzeugs genutzt
werden kann. Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, daß bereits
dann, wenn eine Nebenschneidenfase breiter als die anderen ausgebildet wird,
die Ausschläge
von Unrundheiten einer Bohrung deutlich geglättet werden können. Diese überraschende
Wirkung ist das Ergebnis einer vergleichsweise einfachen geometrischen
Maßnahme,
die ohne großen
Aufwand verwirklicht werden kann.
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Vorzugsweise
weisen die Nebenschneidenfasen aller Schneiden in ihrem hinteren
Bereich eine im wesentlichen gleiche Breite auf. Es hat sich herausgestellt,
daß eine
Variation im vorderen Bereich des Werkzeugs, der zuerst in Eingriff
mit dem Werkstoff kommt, für
eine Stabilisierung der Rundheitseigenschaften der Bohrung ausreicht.
Dabei ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Nebenschneidenfasen – mit Ausnahme
im vorderen Bereich – alle
gleich ausgebildet werden können.
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Vorzugsweise
ist die Breite der Nebenschneidenfasen wenigstens einer Schneide
in dem vorderen Bereich durch eine Nebenschneidenfreifläche, die
auf der der Drehrichtung des Werkzeugs abgewandten Seite der Nebenschneide
ausgebildet ist, definiert. Dies bedeutet, daß die Breitenvariation der Nebenschneidenfasen
lediglich durch Anbringen einer Freifläche auf der Rückseite
der Nebenschneide verwirklicht wird. Eine solche Freifläche ist
einfach und preiswert herzustellen. Es bedeutet auch, daß im vorderen
Bereich des Werkzeugs Schneiden mit Nebenschneidenfreifläche und
solche ohne Nebenschneidenfreifläche
angeordnet sind. So können
die Schneiden ohne Nebenschneidenfreifläche zur Abstützung und
Führung
des Werkzeugs im Werkstück genutzt
werden.
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Eine
Reduzierung der Breite der Nebenschneidenfase um wenigstens die
Hälfte,
insbesondere um wenigstens drei Viertel, vorzugsweise um sieben
bis neun Zehntel, hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Die
axiale Länge
des Bereichs, in welchem sich die Breiten der Nebenschneidenfasen
unterscheiden, ist vorzugsweise, von der Vorderseite des Werkzeugs
aus gemessen, kleiner als die Gesamtlänge der Nebenschneidenfasen.
Sie kann insbesondere höchstens
die halbe Länge
der Nebenschneidenfasen (54), vorzugsweise ein Viertel
bis drei Achtel der Länge
der Nebenschneidenfasen (54) betragen. Eine Einstellung
der Länge,
in welcher eine Breitenvariation der Nebenfasen vorgesehen ist,
in diesem Bereich hat sich als optimal hinsichtlich Thermalkontrolle
und Stabilisierung herausgestellt.
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Der
Bearbeitungsteil weist vorzugsweise eine gerade Anzahl von Schneiden
auf. Insbesondere werden vier bis zwölf, vorzugsweise sechs bis
acht Schneiden gewählt.
Schneiden mit unterschiedlich breiten Nebenschneidenfasen können sich
dann vorzugsweise in Umfangsrichtung des Werkzeugs jeweils abwechseln.
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Wenn
jeweils eine Schneide mit reduzierter Nebenschneidenfase in Durchmesserrichtung
im Wesentlichen gegenüber
einer Schneide mit einer breiteren Nebenschneidenfase angeordnet
ist, ergeben sich besonders gute Werte hinsichtlich Rundheit im
Bereich tiefer liegender Oberflächen.
Besonders deutlich wirkt sich dieser Vorteil dann aus, wenn ein zu
bearbeitendes Werkstück
in diesem, bearbeitungstrechnisch tiefer liegenden Bereich keine
ausreichende radiale Stabilisierung hat, was z.B. bei einer nur
teilweise eingepressten Führungsbuchse
der Fall ist. Durch diese symmetrischen Anordnungen kann von dem
Erfindungsprinzip besonders vorteilhaft Gebrauch gemacht werden.
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Die
Stollen können
im Wesentlichen die gleiche Breite aufweisen, sie können jedoch
auch ungleiche Breiten aufweisen. So kann beispielsweise eine Reibahle
mit einer sehr breiten Schneide, die sich in Umfangsrichtung über etwa
90° bis
120° erstreckt, zwei
schmalen Schneiden gegenüberstehen.
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Die
Schneiden können
sich im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Werkzeugs, leicht spiralig
oder stark spiralig erstrecken. Vorzugsweise weisen sie einen leichten
Linksdrall gegenüber
der Längsachse
des Werkzeugs auf. Der Umkreis der Nebenschneiden kann sich von
ihrem vorderen Ende bis zu dem hinteren Ende ihrer Nebenschneidenfasen
verjüngen.
Die Schneiden können
unter gleichen, leicht ungleichen oder stark ungleichen Teilungswinkeln
auf dem Umfang des Schneidkopfes verteilt sein. Die Aufgaben und
Wirkungen dieser Maßnahmen
sind wohlbekannt und können
je nach Anforderung gewählt
werden.
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Eine
axiale Zentralbohrung, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge des
Werkzeugs erstreckt und von der aus Verbindungsbohrungen zu den
Spanräumen
hin verlaufen, kann zur Zufuhr eines Kühlmittels genutzt werden.
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Die
Schneiden können
einstückig
mit den Stollen ausgebildet oder als Einsätze ausgebildet und an den
Stollen befestigt sein. Für
geringe Durchmesser kommt in der Regel nur eine einstückige Bauweise
in Frage. Bei größeren Durchmessern
hat eine Form mit Einsatzschneiden den Vorteil einer Werkstoffeinsparung
und einer variableren Einsatzmöglichkeit
des Grundwerkzeugs.
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Das
Werkzeug besteht in der Regel aus zähem und verschleißfestem
Material, wie z.B. HSS, HSSE oder dgl.. Besonders gute Rundlaufeigenschaften
ergeben dann, wenn das Werkzeug – auch im Bereich des Schafts – aus einem
Vollhartmetall besteht. Werkzeuge aus Hartmetall weisen erfahrungsgemäß eine höhere Standzeit
und Warmfestigkeit auf als Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl.
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Das
Werkzeug kann zumindest im Bereich des Bearbeitungsteils bzw. im
Bereich der Schneiden oder Schneideinsätze mit einer Verschleißschutzschicht
versehen sein. Eine Verschleißschutzschicht erhöht die Standzeit
des Werkzeugs zusätzlich.
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Die
Verschleißschutzschicht
besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus Nitriden mit dem Metallkomponenten
Cr, Ti und Al und einem geringen Anteil von Elementen (κ) zur Kornverfeinerung
besteht, wobei ein Cr-Anteil wenigstens 65%, vorzugsweise 66 bis
70%, ein Al-Anteil 10 bis 23%, und ein Ti-Anteil 10 bis 25%, jeweils
bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht, beträgt. Eine
solche Verschleißschutzschicht
hat sich als besonders vorteilhaft bei der Trockenbearbeitung von
metallischen Werkstoffen erwiesen. Dadurch kann unter Umständen auf
eine Fremdkühlung
gänzlich
verzichtet werden.
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Die
Schicht kann zwei Lagen aufweisen, wobei die untere Lage von einer
dickeren (TiAlCrκ)N-Grundschicht
in der Zusammensetzung als homogene Mischphase gebildet ist, die
von einer dünneren
CrN-Deckschicht als obere Lage abgedeckt ist. Als Element (κ) zur Kornverfeinerung
kann Yttrium dienen, wobei der prozentuale Anteil am Gesamt-Metallgehalt
der Schicht unter 1 at%, vorzugsweise bei bis zu etwa 0,5 at% liegt.
Ein solcher Schichtaufbau weist eine nochmals erhöhte Temperaturbeständigkeit
auf.
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Die
Verschleißschutzschicht
kann im Wesentlichen aus Nitriden mit dem Metallkomponenten Cr,
Ti und Al und vorzugsweise einem geringen Anteil von Elementen (κ) zur Kornverfeinerung
bestehen und einen Aufbau als Zweilagenschicht aufweisen, wobei
die untere Lage von einer dickeren (TiAlCr)N- bzw. (TiAlCrκ)N-Grundschicht
in der Zusammensetzung als homogene Mischphase ist, die von einer dünneren CrN-Deckschicht
als obere Lage abgedeckt ist, wobei die Grundschicht einen Cr-Anteil
von über
30%, vorzugsweise 30 bis 65%, einen Al-Anteil von 15 bis 35%, vorzugsweise
17 bis 25%, und einen Ti-Anteil von 16 bis 40%, vorzugsweise 16
bis 35%, besonders bevorzugt 24 bis 35%, jeweils bezogen auf alle
Metallatome in der gesamten Schicht, hat. Diese Zusammensetzung
der Verschleißschutzschicht
vereinigt wesentliche vorteilhafte Eigenschaften der vorgenannten
Schichtaufbauten.
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Die
Gesamtdicke der Verschleißschutzschicht
liegt vorzugsweise zwischen 1 und 7 μm liegt. Bei zweilagigem Aufbau
beträgt
vorzugsweise die Dicke der unteren Schicht zwischen 1 und 6 μm und die Dicke
der dünneren
Deckschicht 0,15 bis 0,6 μm.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteil der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachstehenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen
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1 eine
Darstellung einer Situation eines Werkstücks in seiner zu bearbeitenden
Lage, an welchem ein Werkzeug gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, ist;
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2 eine
Seitenansicht des Werkzeugs gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines Bearbeitungsteils in einem vorderen Bereich des Werkzeugs
von 2 ist;
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4 eine
weiter vergrößerte Ansicht
des vorderen Teils des in 2 gezeigten
Bearbeitungsteils von 3 ist;
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5 eine
Vorderansicht des Bearbeitungsteils von 3 ist;
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6 eine
weiter vergrößerte Ansicht
eines Bereichs "X" von 5 ist;
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7a und 7b Diagramme
zur Darstellung von Vergleichsmessungen der Rundheit eines Bohrlochs
nach Bearbeitung durch ein Werkzeug nach dem Stand der Technik bzw.
durch ein Werkzeug gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind;
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8a bis 8c Seitenansichten
verschiedener Maschinenreibahlen nach dem Stand der Technik sind;
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9a bis 9c eine
Seitenansicht eines vorderen Bereichs eines Bearbeitungsteils einer Reibahle
nach dem Stand der Technik, wobei 9b eine
Schnittansicht entlang einer Linie A–A in 9a ist
und 9c eine Schnittansicht entlang einer Linie B in 9a ist;
und
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10 eine
Seitenansicht eines Teils eines Bearbeitungsteils einer Reibahle
nach dem Stand der Technik zur Darstellung einer Verjüngung einer Nebenschneide
ist.
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Genaue Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsform
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Es
folgt eine genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand der 2 bis 6.
Die Einbausituation einer Führungsbüchse, deren
Bohrung mit einem Reibwerkzeug nachzubearbeiten ist, ist die gleiche wie
oben mit Bezug auf 1 beschrieben.
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In 2 ist
eine Reibahle 1 gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung in einer Gesamtansicht von der Seite
dargestellt.
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Gemäß der Darstellung
in 2 weist die Reibahle 1 eine Gesamtlänge l auf.
Die Reibahle 1 weist einen Bearbeitungsteil 20 einer
Länge l20 und einen Schaftteil 10 einer
Länge (l-l20) auf. Der Bereich des Bearbeitungsteils 20 wird
im Folgenden als vorderer Bereich der Reibahle 1 bezeichnet
werden, während
der Bereich des Schaftteils 10 als hinterer Bereich der
Reibahle 1 bezeichnet werden wird.
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Der
Schaftteil 10 ist in einen hinteren Schaftteil 13 einer
Länge l13 und einen vorderen Schaftteil 12 einer
Länge (l-l20-l13) aufgeteilt.
Der Durchmesser d12 des vorderen Schaftteils 12 ist
geringfügig
kleiner als der Durchmesser d13 des vorderen
Schaftteils 13. In dem hinteren Bereich des hinteren Schaftteils 13 befindet
sich ein Einspannbereich 14 einer Länge l14, welcher
den gleichen Durchmesser d13 wie der hintere
Schaftteil 13 sowie zwei parallele, in Durchmesserrichtung
gegenüberliegende
abgesetzte Flächen 14' aufweist. Die
abgesetzten Flächen
dienen als Mittel zur Aufnahme in einer Werkzeugmaschine.
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Der
Bearbeitungsteil 20 trägt
Schneiden 30 mit einem Nenndurchmesser dN.
Die Schneiden 30 sind Stege oder Stollen, welche durch
die Form von Spanräumen
bzw. Spannuten 70, die über
die Länge l20
durch bekannte Bearbeitungsverfahren in das Material des Werkzeugs
eingebracht wurden, definiert sind.
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Über die
gesamte Länge
der Reibahle 1 zieht sich ein axialer Kühlmittelkanal 90,
von welchem aus im Bearbeitungsteil 20 radial bzw. schräg radial
ausgehende Bohrungen 91 ausgehen, die sich jeweils in den
Spanräumen 70 öffnen, wie
in 3 dargestellt.
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3 stellt
den vorderen Bereich der Reibahle 1 aus 2,
d.h. den Bearbeitungsteil 20 und ein kurzes Stück des vorderen
Schaftteils 12, in vergrößerter Form dar. 4 zeigt
eine nochmalige Vergrößerung des
vordersten Bereichs des Bearbeitungsteils 20.
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Aus 3 ist
ersichtlich, daß die
Schneiden 30 in zwei unterschiedlichen Formen 30', 30" ausgebildet
sind. Die Unterschiede werden unten angesprochen werden. Zunächst soll
jedoch die Grundform beschrieben werden, die allen Schneiden gemeinsam
ist.
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Die
Schneiden 30 weisen eine Hauptschneide 40a, 40b auf,
die jeweils Eingriffwinkel κa, κb aufweisen, wie auch aus 4 ersichtlich.
Der Aufbau der Hauptschneiden 40a, 40b mit ihren
Hauptschneidenkanten 42a, 42b und ihren Hauptschneidenfreiflächen 46a, 46b ist
aus dem Stand der Technik bekannt und soll hier nicht genauer beschrieben
werden.
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Die
Schneiden 30 weisen ferner Nebenschneiden 50 mit
einer Nebenschneidenkante 52 auf. Die Nebenschneiden 50 weisen
ferner von dem Übergang
zu den Hauptschneiden 42b ausgehend einen Rundschliff auf,
der jeweils eine Nebenschneidenfase 54 ausbildet. Der Rundschliff
der Nebenschneidenfasen 54 erstreckt sich bis zu einer
Länge l50 und weist eine Verjüngung zu deren hinterem Ende
hin auf. Es ist ersichtlich, daß die
Länge l50 die maximale Arbeitstiefe der Reibahle
markiert.
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Ein
Teil der Schneiden 30, nämlich die Schneiden 30" weisen auf
der Rückseite
ihrer Nebenschneiden 50 ferner eine keilförmige Nebenschneidenfreifläche 56 auf,
die sich von dem Übergang
zu zu den Hauptschneiden 42b aus bis zu einer Länge l56, gemessen vom vorderen Ende des Werkzeugs
aus, erstreckt, dabei aber eine Breite b" der Nebenschneidenfase 54,
die in diesem Bereich als reduzierte Nebenschneidenfase 54r bezeichnet
werden soll, beläßt. Die
Schneiden 30" werden
nachstehend als freigeschnittene Schneiden 30" bezeichnet werden.
Die anderen Schneiden 30' weisen
eine solche Nebenschneidenfreifläche 56 nicht
auf; sie werden nachstehend als nicht freigeschnittene Schneiden 30' bezeichnet
werden.
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5 zeigt
eine Vorderansicht der Reibahle gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie aus dieser Figur ersichtlich, sind
jeweils eine nicht freigeschnittene Schneide 30' und eine freigeschnittene
Schneide 30" abwechselnd angeordnet. 6 zeigt
die Geometrie einer freigeschnittenen Schneide 30" in einer Ausschnittvergrößerung eines
Bereichs X in 6.
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Dadurch,
daß ein
Teil der Schneiden 30 auf der Rückseite der Nebenschneiden 50 im
vorderen Bereich eine Freifläche 56 aufweisen,
ist die Breite b der Nebenschneidenfasen 54 in diesem Bereich
von Schneide zu Schneide unterschiedlich. Zusätzlich ist aus 5 ersichtlich,
daß die
Teilungswinkel der Schneiden 30 ungleich verteilt sind,
und zwar werden jeweils drei unterschiedliche Teilungswinkel ϕ0, ϕ1, ϕ2 je zweimal verwendet. Dadurch variiert
auch die Breite der Stollen an sich und damit auch die Grundbreite b
der Nebenschneidenfasen 54 an sich.
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Es
wurden Versuche mit Werkzeugen der vorstehend beschriebenen Geometrie
durchgeführt, wobei
die Werkzeugparameter – bezogen
auf die 2 bis 6 – beispielsweise
wie folgt gewählt waren:
- dN = 6,008 mm
- l = 150 mm
- l20 = 30 mm, l40 =
25 mm, l56 = 10 mm
- ϕ0 = 58°, ϕ1 =
60°, ϕ2 = 62°
- κa = 75°, κb =
20°
- α56
= 16°
- b = mind. 0,5 mm = b',
b" = 0,15 mm
- Seelendicke = 3,8 mm
- Drallwinkel = 7° linksspiralig
- Nebenschneidenverjüngung
= 0,004...0,006 mm / 25 mm
- d13 = 6 mm
- l13 = 50 mm
- l14 = 20 mm
- d12 = 5,9 mm
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Als Material für das Werkzeug
wurde ein Vollhartmetall gewählt
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Ein
Vergleich der Nachbearbeitungsergebnisse in der Bohrung der Büchse 300 in
der Anordnung von 1 ist in 7a und 7b gezeigt. Dabei
zeigt 7a ein Diagramm der Ergebnisse von
Messungen der Rundheit mit einer Reibahle nach dem Stand der Technik,
während 7b die entsprechenden
Ergebnisse mit einer Reibahle gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In
den Diagrammen ist die Unrundheit als Abweichung von der runden
Ideallinie stark überhöht dargestellt.
In den Diagrammen stellt jeweils eine mit ME.U bezeichnete innere
Linie das Ergebnis der Messung am unteren Ende der Bohrung, eine
mit ME.M bezeichnete mittlere Linie das Ergebnis der Messung in
der Mitte der Bohrung, und eine mit ME.O bezeichnete äußere Linie
das Ergebnis der Messung am oberen Ende der Bohrung dar.
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Aus 7a ist
ersichtlich, daß bei
Verwendung einer Reibahle nach dem Stand der Technik im unteren
Bereich der Bohrung in der Büchse 300 vergleichsweise
starke Unrundheiten vorliegen, im mittleren Bereich weniger starke
Unrundheiten vorliegen, während
im oberen Bereich die geringsten Unrundheiten vorliegen. Im Vergleich
damit zeigt 7b, daß die Ergebnisse der Nachbearbeitung
mit der erfindungsgemäßen Reibahle
besonders im unteren Bereich der Bohrung erheblich besser ausfallen
als mit der Reibahle nach dem Stand der Technik. Der im unteren
Bereich gemessenen Rundheitsabweichung von 8,4 μm beim Stand der Technik steht
die erfindungsgemäß um den
Faktor 2,5 verbesserte Rundheitsabweichung von 3,4 μm gegenüber. Im
mitteleren Bereich konnte die Rundheitsabweichung von 6,6 μm auf 3,5 μm verbesert
werden. Die mit 6 μm vorgegebene
obere Toleranzgrenze konnte somit mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug über die
gesamte Länge
der Bohrung eingehalten werden.
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Dabei
konnte auch die Exzentrizität
der Bohrung von 0,9 μm
um den Faktor 4 auf 0,2 μm
verbessert werden, und sogar die Zylinderformabweichung verringert
werden, und zwar von 8,5 μm
des Standes der Technik auf 5,78 μm.
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Die
Interpretation der Ergebnisse ist wie folgt. Für die Unrundheiten in Bohrlöchern werden, wie
bereits oben beschrieben, unter anderem Resonanzeffekte verantwortlich
gemacht. Wie aus den Figuren ersichtlich, verläuft die tatsächliche
Wandquerschnittslinie in einer Wellenform um die ideale Kreisform
herum. Dabei werden hier sieben Berge und sieben Täler gezählt. In
der Tat ist aus der Literatur bekannt, daß die Anzahl der Berge und
Täler bei
gleichläufigen
Bewegungen ein ganzzahliges Vielfaches der Zähnezahl plus Eins (n×z + 1)
ist. Ein gewisser Grad an Resonanzphänomenen ist also offenbar unvermeidlich.
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Erfindungsgemäß gelingt
es offensichtlich, die Schwingungen weitestmöglich zu dämpfen, und zwar durch die gewählte Schneidengeometrie.
Hierzu könnten
mehrere Effekte beitragen. Eine Vermutung geht davon aus, daß Resonanzen
durch eine dünne
Auflagefläche
der Nebenflächenfasen 54r begünstigt werden
und dass dieser Effekt durch eine Abstützungswirkung der zumindest
einen breiteren Auflagefläche
der Nebenflächenfase 54,
beispielsweise und im Besonderen der gegenüberliegenden Schneide 30' wirksam abgefangen
wird.
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Ferner
ist bekannt, daß durch Überlagerung einer
Vielzahl von Resonanzwirkungen eine teilweise Auslöschung möglich ist.
Es kann daher davon ausgegangen werden, daß die unterschiedliche Masse der
einander gegenüberliegenden
Schneiden 30', 30" an ihrem freien
Ende die Entstehung von Resonanzen überhaupt erschweren. Hierzu
kann auch die durch die ungleiche Teilung der die Schneiden 30 tragenden
Stollen bewirkte ungleiche Verteilung der Massen der Stollen selbst
beitragen, die ja im Gegensatz zur der Schneidenform, die sich zu
jeweils Zweien abwechselt, ein anderes Verteilungsmuster aufweist.
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Jedenfalls
ist es aber in an sich überraschender
Weise gelungen, durch Anwendung des Erfindungsprinzips, das darin
besteht, einen Teil der Schneiden einer Reibahle wenigstens im vorderen Bereich
mit Nebenschneidenfreiflächen
zu versehen und einen Teil nicht, bzw. darin, die Breite der Nebenschneidenfasen
zu variieren, die Rundheit von Bohrungen zu verbessern.
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Bislang
wurde das Spannungsfeld aus Schneidwirkung, Thermalkontrolle, Führung und
Resonanzdämpfung
durch Nebenschneidenfasenbreite, Ungleichheit der Schneidenteilung,
Nebenschneidenverjüngung
und Zusatzkühlung
beeinflußt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfinder haben diesen Parametern noch
einen weiteren Parameter zur Optimierung hinzugefügt, nämlich die
Ungleichheit der Nebenschneidenfreiflächenfasenbreite zumindest im vorderen
Bereich des Werkzeugs. Dadurch wird im vorderen Bereich ein Kompromiß zwischen
Führung mittels
der Nebenschneidenfasen einerseits und Schneidwirkung bzw. Wärmeentwicklungsbegrenzung
mittels Nebenschneidenfreiflächen
andererseits erzielt. Aufgrund dieses Kompromisses kann im hinteren
Bereich der Nebenschneiden, wo die Wärmeentwicklung aufgrund der
Verjüngung
nicht mehr so kritisch ist, auf eine Freifläche ganz verzichtet werden,
was die Führung
des Werkzeugs entscheidend verbessert.
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Modifikationen
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Vorstehend
wurde eine bevorzugte Ausführungsform
einer Reibahle gemäß dem Prinzip
der Erfindung beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß das Erfindungsprinzip
nicht auf diese spezielle Ausführungsform
beschränkt
ist. Nachstehend sind nur einige Beispiele für mögliche Modifikationen der bevorzugten
Ausführungsform
genannt, die natürlich auch
untereinander kombinierbar sind. Selbstverständlich kann ein nach der Idee
der vorliegenden Erfindung entworfenes Schneidwerkzeug auch von
vorteilhaften Maßnahmen
des Stands der Technik, wie sie einleitend beschrieben wurden, Gebrauch
machen.
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Die
Reibahle der bevorzugten Ausführungsform
ist einteilig. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf Reibahlen
mit eingesetzten Schneiden, d.h., auf solche eingesetzten Schneiden
selbst, anwendbar. Ferner ist es auch möglich, daß der Bearbeitungsteil und
der Schaftteil voneinander trennbar sind, wobei das gesamte Spektrum
der zur Verfügung
stehenden Materialien für
Schaft, Schneidteil bzw. Schneiden zur Anwendung kommen kann.
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Bei
der Reibahle der bevorzugten Ausführungsform weist jede Schneide 30 eine
doppelte Hauptschneide 40a, 40b mit unterschiedlichen
Eingriffwinkeln auf. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf
Reibahlen mit nur einer Hauptschneide je Schneide anwendbar.
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Die
Reibahle der bevorzugten Ausführungsform
weist sechs Schneiden 30 auf. Die vorliegende Erfindung
ist freilich nicht auf eine solche Anordnung beschränkt. Vielmehr
kann die vorliegende Erfindung auch bei Reibahlen mit mehr oder
weniger Schneiden, ja sogar auf Reibahlen mit einer ungeraden Anzahl
von Schneiden angewendet werden.
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Bei
der Reibahle der bevorzugten Ausführungsform weist jeweils eine
Schneide im vorderen Bereich eine Nebenschneidenfreifläche auf,
während die
nächste
Schneide keine Nebenschneidenfreifläche aufweist. Es ist jedoch
auch eine Gestaltung denkbar, bei welcher alle Schneiden eine durchgehende
Freiflächenfase
aufweisen, wobei diese von Schneide zu Schneide unterschiedlich
breit ist. Ferner ist eine Gestaltung denkbar, bei der ein Teil
der Schneiden eine durchgehende Freiflächenfase aufweist, ein anderer
Teil dagegen nur im vorderen Bereich, wobei diese Freiflächenfasen
im vorderen Bereich entweder eine größere oder eine kleinere Breite als
die durchgehenden Freiflächenfasen
aufweisen.
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Die
Reibahle der bevorzugten Ausführungsform
weist als Mittel zur Aufnahme in einer Werkzeugmaschine einen zylindrischen
Einspannteil 14 mit zwei parallelen, in Durchmesserrichtung
gegenüberliegenden
abgesetzten Flächen 14' auf. Der Einspannteil
kann jedoch auch anders gestaltet sein. So kann der Einspannteil
einen Morsekegel, ein sechskantiges oder vierkantiges Prisma oder
ander gestaltete Mitnehmerelemente wie Verzahnungen, Federnut, u.a.
aufweisen. Die Reibahle kann auch anstatt als Maschinenreibahle
als Handreibahle gestaltet sein.
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Bei
der Reibahle der bevorzugten Ausführungsform geht der vordere
Schaftteil 12 direkt in den Bearbeitungsteil 20 über, und
der Nenndurchmesser der Reibahle, d.h. der Nenndurchmesser der Schneiden 30,
ist nur geringfügig
größer als
der Durchmesser des vorderen Schaftteils 12. Der Bearbeitungsteil 20 kann
jedoch auch einen deutlich größeren Durchmesser
als der vordere Schaftteil 12 aufweisen.
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Es
versteht sich, daß der
geschilderte Anwendungsfall einer Führungsbüchse für eine Ventilstange eines Ein-
oder Auslaßventils
eines Verbrennungsmotors für
Kraftfahrzeuge nur als ein Beispiel zu sehen ist. Natürlich ist
ein Werkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung für
die Nachbearbeitung von Bohrungen ganz allgemein geeignet und kann
für alle Verhältnisse,
Größen und
Werkstoffe angepaßt
werden.
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Die
Reibahle kann auch entweder insgesamt oder zumindest im Bereich
des Schneidteils bzw. der Schneiden eine Beschichtung aufweisen,
vorzugsweise eine mittels PVD (Physical Vapor Deposition) auf der
Oberfläche
des Werkzeugs abgeschiedene Verschleißschutzschicht aus einem Hartstoff,
der für eine
Trockenbearbeitung von Metallen geeignet ist.
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Besonders
geeignet sind Mehrlagenschichten aus einem Titanaluminiumnitrid
((Ti,Al)N bei Atomanteilen Ti:Al von etwa 50:50 bis 40:60), mit
Zwischenlagen aus Titannitrid (siehe z.B. die sogenannte FIRE-Schicht
der Gühring
oHG), aber auch einlagige Verschleißschutzschichten, die zusätzlich einen vergleichsweise
hohen Anteil an Cr (30 bis 65 at%) bei Verringerung der Anteile
von Ti (16 bis 40 at%) und Al (15 bis 35 at%) aufweisen können (siehe
hierzu die deutsche Patentanmeldung Nr.
DE 102 12 383 , die auf die Anmelderin
der vorliegenden Erfindung zurückgeht
und deren Offenbarung hiermit ausdrücklich in diese Anmeldung einbezogen
wird).
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Eine
zweilagige Struktur mit einer (Ti,Al,Cr)N-Grundschicht wie oben
mit einem zusätzlichen
Anteil von unter 1 at% eines Elements zur Kornverfeinerung wie etwa
Yttrium (Y) und einer Deckschicht aus CrN hat sich als vorteilhaft
für die Bearbeitung
schwerst zerspanbarer Materialien bei besonderer Abriebfestigkeit
erwiesen (siehe hierzu die deutsche Patentanmeldung Nr.
DE 103 47 981 , die auf
die Anmelderin der vorliegenden Erfindung zurückgeht).
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Die
Erfindung schafft somit eine Reibahle, die sich dadurch auszeichnet,
dass sie die bewusste ungleichmäßige Dimensionierung
der Nebenschneidenfasen für
eine Rundlaufstabilisierung nutzt.