DE69709966T2

DE69709966T2 - Bohrer

Info

Publication number: DE69709966T2
Application number: DE69709966T
Authority: DE
Inventors: Masaaki Jindai; Jun Okamoto
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: EP0790092B1; US5800101A; KR19980063252A; DE69709966D1; JPH09277108A; EP0790092A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft einen Bohrer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, der bei der Bildung einer tiefen Bohrung eine hohe Bohrleistung zeigt und der ein stabiles Betriebsverhalten selbst dann beibehält, wenn seine Schneide durch Nachschleifen regeneriert worden ist,.
Wie in Fig. 6 dargestellt hat ein herkömmlicher Bohrer typischerweise eine Spiralnut 6 zur Abführung der Späne mit einer konstanten Querschnittsfläche, die sich unter einem Spiralwinkel α erstreckt. Da die Nut spiralförmig ist, müssen die Späne entlang einer solchen Nut eine lange Strecke zurücklegen, bevor sie aus der gebohrten Bohrung abgeführt werden. Deshalb ist die Nut häufig mit Spänen verlegt.
Um die Späne selbst beim Bohren einer tiefen Bohrung ungehindert abführen zu können, offenbart die geprüfte japanische Patentveröffentlichung JP 6088168B einen Bohrer mit einer Nut 6 zur Chipabführung, die sich gerade erstreckt, d. h. unter einem Spiralwinkel null in ihrem Abschnitt 6' nahe der Bohrerspitze (siehe Fig. 5). Die nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung JP 7164227A schlägt vor, die Querschnittsfläche der Nut allmählich zu vergrößern und ihren Spiralwinkel von der Bohrerspitze aus allmählich zu verringern, um die Späne ungehinderter abzuführen.
Ein Problem mit dem in der geprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 6088168B offenbarten Bohrer besteht darin, dass es schwierig ist, Schneckeneffekte wirksam zu nutzen, um eine auf die Späne wirkende Schubkraft zu erhalten, während die Späne entlang des geraden Abschnitts 6' schwimmen. Die Späne im geraden Abschnitt werden eher durch Späne in axialer Richtung nur näher zur Bohrerspitze weitergeschoben, so dass sie nicht mit großer Kraft abgeführt werden. Somit wird es mit tiefer werdender Bohrung zunehmend schwieriger, die Späne ungehindert abzuführen.
Der in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 7164227A offenbarte Bohrer weist das Problem auf, dass sich dann wenn die Bohrerspitze nachgeschliffen wird, die Breite und der Spiralwinkel der Nut ändern, so dass sich auch die Form der erzeugten Späne ändert, was es schwierig macht, die Späne auf eine stabile Weise abzuführen.
Der der Erfindung am nächsten kommende Stand der Technik ist ein Bohrer mit allen Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 (FR 130 2191 A). Dieses Dokument zeigt einen Bohrer, der einen Spitzenbereich mit einer Spiralnut mit konstanter Breite und konstantem Spiralwinkel, einen hinteren Bereich mit einer Spiralnut mit konstanter Breite und konstantem Spiralwinkel, jedoch mit größerer Breite und kleinerem Spiralwinkel als die der Spiralnut im Spitzenbereich, und einen mittleren Bereich, der zwischen dem Spitzenbereich und dem hinteren Bereich vorgesehen ist, aufweist.
Des Weiteren ist bekannt, den Übergangsbereich von einem Bereich mit konstanter Breite und konstantem Spiralwinkel zu einem anderen Bereich mit konstanter Breite und konstantem Spiralwinkel mit einer allmählich zunehmenden Breite und einem allmählich abnehmenden Spiralwinkel auszuführen (EP 126 409 B).
Die Aufgabe dieser Erfindung ist die Verbesserung der Fähigkeit des Bohrers, Späne beim Bohren einer tiefen Bohrung abzuführen und seine hohe Leistung nach dem Nachschleifen aufrechtzuerhalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß dieser Erfindung wird ein Bohrer nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Des Weiteren hat der Spitzenbereich des Bohrers vorzugsweise eine Länge von 1D bis 2D (D ist der Durchmesser des Bohrers) und der mittlere Bereich des Bohrers hat vorzugsweise eine Länge von 1D bis 3D.
Die Verhältnisse der Nutbreiten entsprechen dem Verhältnis der zentralen Winkel a1, a2 und a3 der Spiralnuten 6 in Fig. 2 bis 4 zu den zentralen Winkeln c1, c2 und c3 der Stege S. Sind die in Fig. 2 bis 4 dargestellten Führungsfasen 7 mit einer Fase versehen, werden die angefasten Abschnitte nicht in die Berechnung der Verhältnisse der Nutbreite einbezogen.
Es wird ein Bohrer mit einer in ihm ausgeformten Spiralnut bereitgestellt, wobei die Spiralnut eine konstante Breite und einen konstanten Spiralwinkel im Spitzenbereich des Bohrers und im übrigen Bereich des Bohrers eine allmählich zunehmende Breite und einen in Richtung des hinteren Endes der Spiralnut allmählich abnehmenden Spiralwinkel hat.
Da die Spiralnut einen zum hinteren Ende des Bohrers allmählich abnehmenden Spiralwinkel hat, ist der Weg des Spanflusses im Vergleich zu einem herkömmlichen Bohrer mit konstantem Spiralwinkel kurz. Die Spiralnut im hinteren Bereich des Bohrers hat ebenfalls einen Spiralwinkel, so dass Späne, die in der Nähe der Bohrerspitze erzeugt werden, durch den Schneckeneffekt ungehindert abgeführt werden können. Dies trägt auch dazu bei, einen Anstieg des Leistungsbedarfs zur Bearbeitung zu unterbinden.
Im Spitzenbereich des Bohrers hat die Spiralnut eine konstante Breite und einen konstanten Spiralwinkel, so dass sich die Form der Bohrerspitze selbst bei wiederholtem Nachschleifen des Bohrers nie ändert, ebenso wenig wie sich die Leistung des Bohrers ändert.
Andere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bohrers;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie I-I in Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 1;
Fig. 5 eine Seitenansicht eines herkömmlichen Bohrers;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines weiteren herkömmlichen Bohrers; und
Fig. 7 eine Graphik, die den Leistungsbedarf für jeden Bohrerprüfling zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 zeigt einen Bohrer, der diese Erfindung verwirklicht. Fig. 2-4 zeigen Schnitte entlang den Linien I-I, II-II bzw. III-III..
Der dargestellte Bohrer hat einen Schaft 4, der integral an seinem hinteren Ende angeformt ist. In der Figur kennzeichnet der Buchstabe C die Mittelachse des Bohrers.
Der Bohrer hat eine Spiralnut 6 mit einer konstanten Breite und einem konstanten Spiralwinkel α1 in einem Spitzenbereich 1 des Bohrers nahe seiner Spitze. Im mittleren Bereich 2 des Bohrers hat die Nut 6 eine zum hinteren Bereich des Bohrers allmählich zunehmende Breite und einen Spiralwinkel α2, der zum hinteren Ende des Bohrers allmählich abnimmt. Im hinteren Bereich 3 des Bohrers hat die Nut 6 eine große konstante Breite und einen Spiralwinkel α3, der kleiner ist als α1.
Der Bohrer gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt die folgenden Bedingungen:
α1 > α3; a1/c1 < a3/c3; α3 ≤ α2 ≤ α1; a1/c1 ≤ a2/c2 ≤ a3/c3.
Dieser Bohrer eignet sich zum Bohren von tiefen Bohrungen.
Von den Spiralwinkeln in den jeweiligen Bereichen ist α1 im Bereich von 15º-30º konstant, α3 ist im Bereich von 3-8º konstant und α2 ist am Ende in der Nähe der Bohrerspitze gleich α1 und ändert sich allmählich, bis er am hinteren Ende gleich α3 wird.
Die Verhältnisse der Breite der Nut zur Breite des übrigen Bereichs im Bohrerspitzenbereich 1 und im hinteren Bereich 2 des Bohrers, d. h. a1 : c1 und a3 : c3, sollten im Bereich von 0,5-1 : 1 bzw. 0,8-1,3 : 1 konstant sein.
Die Länge l&sub1; des Bohrerspitzenbereichs sollte nicht zu lang sein, um hinreichend gute Spanabfuhreigenschaften aufrechtzuerhalten, und sollte nicht zu kurz sein, um zu verhindern, dass die Anzahl der Male, die die Schneidkante nachgeschliffen werden kann, zu stark verringert wird. Die Länge l&sub1; sollte vorzugsweise gleich oder größer als der Bohrerdurchmesser D und gleich oder kleiner als das Zweifache des Bohrerdurchmessers D sein. Die Länge l&sub2; des mittleren Bereichs 2 des Bohrers sollte lang genug sein, um ausgeprägte Änderungen der Breite der Spiralnut zu verhindern, was die Aufrechterhaltung guter Spanabfuhreigenschaften beeinträchtigen würden. Die Länge l&sub2; sollte vorzugsweise zwischen 1D und 3D betragen. Für die Länge l&sub3; den hinteren Bereichs 3 des Bohrers wird ein geeigneter Wert bestimmt, wobei die Tiefe der zu bohrenden Bohrung zu berücksichtigen ist.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Bohrkopf aus Hartmetell mit Schneidkanten 9 und Schneidfasen 10 an der Spitze des Bohrers durch Hartlöten angebracht. Diese Erfindung ist jedoch ebenfalls auf einen Bohrer aus einem einzigen Material oder auf einen Bohrer, dessen Schneidfasen sich bis in die Nähe des hinteren Endes der Spiralnut erstrecken, anwendbar.
Nunmehr wird kurz beschrieben, wie die Spiralnut gemäß dieser Erfindung geformt wird.
Ist ein Bohrkopf aus Hartmetall an der Bohrerspitze anzubringen, muss die Spiralnut ausgeformt werden, bevor der Bohrkopf verlötet wird. Zu diesem Zweck wird ein Kugelfräser der Größe einer vorgesehenen Nut entsprechend in Längsrichtung entlang Bohrer von seiner Spitze aus bewegt. Zur Änderung der Nutbreite wird der Kugelfräser zu einer Seite der Nut verschoben, während er in Längsrichtung bewegt wird. In diesem Fall wird die Nut geformt, indem der Stirnfräser nur einmal bewegt wird. Vom Bereich der Nut jedoch, ab dem sich die Breite der Nut zum Nutende ändert, bleibt die Nut entlang ihrer anderen Seite unbearbeitet. Deshalb wird der Kugelfräser erneut entlang der Nut bewegt, um die andere Seite zu bearbeiten. In dem Bereich des Bohrers, den der Kugelfräser zweimal durchlaufen hat, bildet sich am Grund eine Rippe. Eine solche Rippe wird durch Räumen oder Zerspanen entfernt. Die Spiralnut ist damit fertigbearbeitet.

[Beispiele]

Für einen Leistungstest wurden Bohrer mit einem Durchmesser D = 15 mm und einer Nutlänge von 110 mm mit einem darauf durch Hartlöten angebrachten Hartmetallbohrkopf und einem Ölloch hergestellt. Sie enthalten eine Bohrer des in Fig. 6 dargestellten Typs (Prüfling Nr. 13), einen Bohrer des in Fig. 6 dargestellten Typs (Nr. 11), einen Bohrer, der grundsätzlich der gleiche Typ wie der in Fig. 1 dargestellte Bohrer ist, mit einem Winkel α1 gleich α3 (Nr. 12) und Bohrer des in Fig. 1 dargestellten Typs (Nr. 1 -10). Prüflinge Nr. 11 bis 13 sind herkömmliche Bohrer, während Prüflinge Nr. 1-10 Bohrer gemäß der vorliegenden Erfindung sind. Der auf jedem dieser Bohrer angeordnete Bohrkopf besteht aus K30 gemäß ISO-Norm oder einem gleichwertigen Material.
Tabelle 1 zeigt die technischen Daten dieser Bohrer und die Testergebnisse.
Im Rahmen des Leistungstests wurden die Bohrer zum Bohren von Bohrungen in ein Werkstück aus legiertem Stahl SCM440 (Brinellhärte HB = 300) unter folgenden Bedingungen eingesetzt, wobei die Zunahmen des Leistungsbedarfs bei der Bearbeitung aufgrund des Verlegens mit Spänen gemessen wurden.
Bearbeitungsbedingungen:
Bearbeitungsgeschwindigkeit V = 50 m/min
Vorschub f = 0,25 mm/U
Tiefe der Bohrung d = 107 mm (7D)
Sonstige Bedingungen: Nassbearbeitung unter Verwendung von Schneidöl
Die während des Bohrens einer Bohrung erzeugten Späne haben die Tendenz, den Leistungsbedarf für die Bearbeitung stark zu erhöhen. Durch Messen des Leistungsbedarfs bei der Bearbeitung ist es also möglich zu bestimmen, wie wirksam die Späne abgeführt werden. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass Bohrer gemäß der vorliegenden Erfindung Späne wirksamer abführen können als herkömmliche Bohrer. Prüflinge 1-3 mit Spiralwinkeln und Nutbreitenverhältnissen innerhalb des bevorzugten Bereichs wiesen eine besonders hohe Fähigkeit der Spanabfuhr auf, was durch die Tatsache nachgewiesen wurde, dass der maximale Leistungsbedarf zur Bearbeitung gleich oder weniger als 4,1 kW betrug. Prüflinge Nr. 1 bis 3 zeigten auch eine hervorragende Leistung beim Bohren gerader Bohrungen. Das heißt, dass keine der mit diesen Bohrern gebohrte Bohrung um mehr als 0,15 mm von der Geraden abwich.
Prüfling Nr. 4 hatte eine niedrigen maximalen Leistungsbedarf zur Bearbeitung, aber die mit diesem Bohrer gebohrte Bohrung wich um 0,56 mm ab. Dies ist wahrscheinlich darauf zu rückzuführen, dass die Nut zu breit war.
Fig. 7 zeigt Schwankungen des Leistungsbedarfs zur Bearbeitung für Prüflinge Nr. 1, 3 -5 und 11-13. Bei Bohrer Nr. 4 schwankte der Leistungsbedarf beim Zerspanen mit einer kleinen Amplitude, was zeigt, dass dieser Bohrer eine geringe Steifigkeit hat. Bei Prüflingen Nr. 11 und 12 stieg der Leistungsbedarf bei der Bearbeitung stark an, als die Bohrungstiefe ca. 4D erreichte. Bei den Bohrern gemäß der vorliegenden Erfindung stieg der Leistungsbedarf beim Zerspanen erst stark an, als die Bohrungstiefe 5D erreicht hatte.
Verglichen mit Nr. 3 sind Nr. 5, 6 und 9 in ihrer Fähigkeit, den Leistungsbedarf bei der Bearbeitung zu verringern, nicht so ausgeprägt. Aber im Fall der erfindungsgemäßen Bohrer ist es möglich, die Fähigkeit der Spanabfuhr zu verbessern, indem die Spiralwinkel und die Nutbreitenverhältnisse in verschiedenen Bereichen geändert werden. Bei Prüfling Nr. 13 ist eine solche Leistungssteigerung praktisch unmöglich. (Würde beispielsweise der Spiralwinkel im Spitzenbereich vergrößert werden, müssten die Späne einen zu langen Weg bis zur Abfuhr zurücklegen, und würde er verringert, fällt die Spanfließkraft aufgrund des Schneckeneffekts ab). Aus dem obigen Grund sind die erfindungsgemäßen Bohrer Prüfling Nr. 13 überlegen.
Wie oben beschrieben hat der erfindungsgemäße Bohrer eine Spiralnut, die im hinteren Bereich des Bohrers breiter ist als im Spitzenbereich des Bohrers. Ihr Spiralwinkel ist im hinteren Bereich kleiner als im Spitzenbereich. Dieser Bohrer kann eine tiefe Bohrung bohren, während die Späne ungehindert abgeführt werden, ohne dass das Risiko besteht, dass die Nut mit Spänen verlegt wird.
Da die Breite und der Spiralwinkel der Nut im Spitzenbereich des Bohrers konstant sind, wird der Bohrer eine unveränderte Leistung aufweisen, nachdem seine Schneidkanten regeneriert worden sind. Das heißt, selbst nach dem Regenerieren wird sich die Form des Bohrers überhaupt nicht ändern. Dies stellt ein stabiles Bohren sicher. [Tabelle 1]
*außerhalb des bevorzugten Bereichs
(Ein Anstieg des Leistungsbedarfs für die Zerspanung gibt den prozentualen Anstieg des maximalen Leistungsbedarfs für die Zerspanung bezogen auf den Leistungsbedarf für die Zerspanung bei stabiler Bearbeitung an).

Claims

1. Bohrer mit einem Bohrspitzenbereich (1), der eine Spiralnut (6) mit konstanter Breite und mit einem Spiralwinkel (α1) aufweist, und mit einem hinteren Bereich (3), der eine Spiralnut (6) aufweist, die eine konstante Breite und einen Spiralwinkel (α3) hat, der jedoch breiter ist und dessen Spiralwinkel kleiner ist als die in dem Bohrspitzenbereich (1) ausgebildete Spiralnut (6), und mit einem mittleren Bereich (2), der zwischen dem Bohrspitzenbereich (1) und dem hinteren Bereich (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Bereich (2) eine Spiralnut aufweist, die glatt in die Spiralnuten des Bohrspitzenbereichs (1) und des hinteren Bereichs (3) übergeht und die vom Bohrspitzenbereich (1) zum hinteren Bereich (3) eine allmählich zunehmende Breite und einen allmählich abnehmenden Spiralwinkel (α2) besitzt, und dass ein Nutbreitenverhältnis a1 : c1 in dem Bohrspitzenbereich (1) 0,5-1 : 1 ist, wobei ein Nutbreitenverhältnis a3 : c3 im hinteren Bereich (3) 0,8-1,3 : 1 ist, wobei der Spiralwinkel der in dem Bohrspitzenbereich (1) ausgebildeten Spiralnut 15º-30º beträgt, und wobei der Spiralwinkel der in dem hinteren Bereich (3) ausgebildeten Spiralnut (6) 3º-8º beträgt.

2. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Bohrspitzenbereichs (1) 1D bis 2D ist, wobei D der Durchmesser des Bohrers ist, und dass die Länge des mittleren Bereichs (2) 1D bis 3D ist.