DD237851A1 - Verfahren zur waermebehandlung von bohrwerkzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahrensschritte zur Waermebehandlung von Bohrwerkzeugen, insbesondere fuer mehrteilige Tiefbohrwerkzeuge, deren rohrfoermiger Bohrerschaft aus unlegiertem Kohlenstoffstahl besteht und durch Kaltverformung eingebrachte Spannut aufweist, wobei mit dem Waermebehandlungsverfahren der Kohlenstoffgehalt des Bohrerschaftes erhoeht wird. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen in einem rationellen Waermebehandlungsverfahren fuer den Bohrerschaft des Tiefbohrwerkzeuges, welcher bei Verwendung unlegierten Kohlenstoffstahles eine hohe Wechselbiegefestigkeit und Torsionsfestigkeit gewaehrleisten soll. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe geloest durch Gluehen des Bohrerschaftes bei 650C ueber etwa 30 min, mit anschliessendem Aufkohlen bei 920C ueber etwa 180 min, dem ein Haerten bei 850C ueber etwa 25 min sowie Anlassen bei 500C folgt, wobei generell Temperaturabweichungen von /10C moeglich sind. Anwendungsgebiet der Erfindung sind Bohrwerkzeuge mit rohrfoermigem Bohrerschaft, insbesondere Tiefbohrwerkzeuge. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bohrwerkzeugen, insbesondere für aus mehreren Teilen unterschiedlicher Werkstoffqualitäten bestehende Tiefbohrwerkzeuge, deren rohrförmiger Bohrerschaft aus unlegiertem Kohlenstoffstahl besteht und durch spanlose Kaltverformung eingebrachte axial verlaufende Spannut(en) aufweist, wobei mit dem Wärmebehandlungsverfahren eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes für den Bohrerschaft verbunden ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind Verfahren zur Standzeiterhöhung von Werkzeugen (DD-PS 10.367), die großem Verschleiß unterliegen. Hierbei

wird mittels thermischer Methoden durch Wasser, Dampf oder Säuren eine Härtung des Werkzeuges erreicht, wobei sich für

Gewindebohrer ein kurzzeitiges Eintauchen in hochprozentige Salpetersäure mit anschließendem Spülen in kaltem Wasser als erfolgreich erwiesen hat.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung reibgeschweißter Zahnradwellen bekannt (DD-PS 120.055), deren

Verzahnungselement aus legiertem Einsatzstahl und der Wellenschaft aus unlegiertem Feinkornbaustahl mit einem

Kohlenstoffgehalt < 0,22% besteht. Nach dem Reibschweißen erfolgt ein gemeinsames Einsatzhärten nach der Technologie des legierten Einsatzstahles, wodurch zwischen Aufkohlungsprozeß und Härteprozeß keine Zwischenbearbeitung zur Vermeidung eines Zementitnetzes notwendig wird. Dies ist durch die Verwendung eines unlegierten Feinkornbaustahles mit

Kohlenstoffgehalt <0,22% für den Wellenschaft möglich.

Außerdem wurde für Gesteinsschlagbohrer ein Verfahren zum Härten des vieleckigen Einsteckendes bekannt (DE-PS 1.289.858), bei welchem mittels induktiver Oberflächenhärtung die Eindringtiefe der Härte gleichmäßig realisiert wird. Vor der Abkühlung wird der aus niedrig legiertem Stahl mit maximal 0,6% Kohlenstoffgehalt bestehende Bohrer einer gleichmäßigen

Oberflächenerhitzung unterworfen, wodurch die Dauerfestigkeit des Materials erhöht wird. Hierdurch soll sich ebenfalls die

Lebensdauer des Bohrers erhöhen, welcher erheblichen Druck- und Zugbeanspruchungen ausgesetzt ist.

Bekannt ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung von Schneidwerkzeugen (DE-PS 2.524.275), z. B. Reibahlen, bei dem auf

einen zähen weichen Grundkörper mit 0,7% Kohlenstoffgehalt ein legierter Schneidbelag hoher Festigkeit aufgeschweißt wird.

Nachdem Schweißen wird das Werkzeug zweimal 1 bis 1,25 Std. bei 520 bis 540⁰C weichgeglüht, wobei ein Zwischenabkühlen im Ofen auf etwa 6O⁰C erfolgt.

Schließlich sind auch aus mehreren Teilen bestehende Tiefbohrwerkzeuge bekannt (DE-OS 2.819.720), welche aus

Schneidenteil, Bohrerschaft und Spannhülse bestehen. Verbunden sind diese Teile durch Hartlöten, wobei aus

Stabilisierungsgründen der Bohrerschaft mit Längsversteifungen in Form von axial oder wendelförmig verlaufenden Sicken

versehen ist.

Beiderartigen Werkzeugen bereiten immer wieder Biege- und Torsionsschwingungen sowie das Ausknicken des Bohrerschaftes große Probleme. Die auftretenden Schwingungen beeinflussen die Qualität der Bohrungen und führen zu Riefenbildung,

Rattermarken, Drallbildung und Unrundheit. Dadurch sind die Leistungen derartiger Bohrer hinsichtlich Standzeit, Vorschub und Drehzahl stark beeinträchtigt.

Um die stehenden technologischen Forderungen an solche Werkzeuge zu gewährleisten, wird der Bohrerschaft aus hochfestem und vergütbarem Werkstoff in Form von Rohren gefertigt, welche bestimmte Legierungsbestandteile sowie eine hohe Präzision bei der Herstellung besitzen müssen. Zwangsläufig erhöhen derartige Bedingungen in der Massenfertigung den Preis derartiger Werkzeuge beträchtlich.

Ziel der Erfindung

Ziel ist die Schaffung eines wirtschaftlich herstellbaren Bohrwerkzeuges, insbesondere Tiefbohrwerkzeuges, welches hinsichtlich Lebensdauer und Bohrungsqualität hohen Anforderungen entspricht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Bohrwerkzeugen zu schaffen, dessen den Bohrkopf tragender Bohrerschaft aus rohrförmigem unlegiertem Kohlenstoffstahl hergestellt wird, der nach spanloser Kaltverformung einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll, welche eine hohe Wechselbiegefestigkeit und Torsionsfestigkeit desselben gewährleistet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß verfahrensgemäß der Bohrerschaft des Bohrwerkzeuges dem Arbeitsschritt Glühen bei einer Temperatur von 65O⁰C mit möglicher Abweichung von ±10°C über einen Zeitraum von etwa 30 min unterzogen wird. Diesem Glühen schließt sich ein Aufkohlen bei Temperaturen von 920⁰C mit Abweichungen von ebenfalls ±10°C über etwa 180 min an. Das folgende Vergüten besteht aus einem Härten bei Temperaturen von 85O⁰C über etwa 25min mit abschließendem Anlassen bei Temperaturen von 500⁰C. Für genanntes Vergüten sind ebenfalls maximale Temperaturabweichungen von ±10⁰C möglich. Der aus unlegiertem Kohlenstoffstahl bestehende Bohrerschaft wird vorzugsweise aus Stahlrohr der Qualität St35hb hergestellt, welcher im Aufkohlungsprozeß einen Kohlenstoffgehalt bis maximal 0,8% erhält. Vorzugsweise erfolgt das Abschrecken im Härteprozeß in Abhängigkeit von Länge und Durchmesser des Bohrerschaftes im Öl- oder Wasserbad.

Der für den Bohrerschaft verwendete unlegierte Kohlenstoffstahl gewährleistet eine günstige Kaltverformung zwecks Einbringung der Spannut, wobei die nachfolgende Aufkohlung an der Oberfläche des Bohrerschaftes eine zähe sorbitische trostitische Schicht mit Zwischenstufengefüge gewährleistet. Zur Vermeidung einer Überkohlung ist der Kohlenstoffgehalt im Werkstoff auf maximal 0,8% zu begrenzen.

Es entsteht dadurch ein Gefüge mit hoher Zähigkeit, welches keinen Zementit in Form eines Zementitnetzes aufweist. Das erreichte zementitfreie Gefüge gewährleistet somit die Aufnahme hoher Torsionsschwingungen und ist daher für relativ lange Bohrwerkzeuge mit kleinem Durchmesser sehr vorteilhaft einsetzbar. Bei einer Einsatzhärtetiefe von beispielsweise 0,6 bis 0,8 mm einschließlich des technologisch bedingten Schleifaufmaßes ist das Verhältnis von aufgekohlter Schicht an der inneren und äußeren Oberfläche des rohrförmigen Bohrerschaftes zu dem zähen inneren Kern so günstig, daß die erforderlich hohe Wechselbiegefestigkeit und Torsibnsfestigkeit erreicht wird. Da die aufgekohlte Schicht einen um den zähen Kern gebildeten geschlossenen Ring darstellt, wird diese vorteilhafte Wirkung noch unterstützt.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die Zeichnung folgendes darstellt:

Fig. 1: einen Bohrerschaft mit Einspannhülse des Tiefbohrwerkzeuges in Seitenansicht

Fig. 2: einen separaten Bohrkopf des Tiefbohrwerkzeuges in Seitenansicht

Fig. 3: den Querschnitt des Bohrkopfes gemäß Fig. 2 in der Ebene A-A

Fig.4: einen separaten Bohrkopf anderer Ausführungsform mit Führungsleisten in Seitenansicht

Fig. 5: den Querschnitt des Bohrkopfes gemäß Fig. 4 in der Ebene B-B

Fig. 6: den vergrößerten Querschnitt des Bohrerschaftes gemäß Fig. 1 in der Ebene C-C

Das gezeigte Tiefbohrwerkzeug 1 ist als Einlippenbohrer ausgebildet und besteht aus einem rohrförmigen Bohrerschaft 2, welcher an einem Ende eine Einspannhülse 3 und am anderen Ende einen die Schneide enthaltenden Bohrkopf 4 aufweist. Einspanhhülse 3 und Bohrkopf 4 sind mit dem Bohrerschaft 2 durch Hartlöten fest verbunden.

Der Bohrerschaft 2 weist eine in Längsachse verlaufende Spannut 5 auf, welche mit gleicher Profilkontur als Spannut 6 auf den Bohrkopf 4 übergeht. Diese Spannut 5 erstreckt sich auf mehr als einem Drittel des Umfangesdes rohrförmigen Bohrschaftes 2 und gewährleistet somit eine sichere Spanabfuhr. Der übrige Teil des Bohrschaftes 2 weist einen glatten und kreisbogenförmigen Ringquerschnitt auf.

Als Werkstoff für den Bohrkopf 4 findet vorzugsweise Hartmetall und als Grundwerkstoff Stahl mit 60-70 kp/mm² Zugfestigkeit Verwendung wobei dieser Bohrkopf 4 einen Kanal 7 für die Zuführung von Kühlflüssigkeit sowie aus Hartmetall bestehende Führungsleisten 8 zur Selbstführung an seiner Peripherie aufweist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt Figur 2 einen Bohrkopf 9, der vorzugsweise aus Vollhartmetall für kleinere Bohrdurchmesser geeignet ist und keine Führungsleisten zur Selbstführung benötigt. Der Querschnitt dieses Bohrkopfes 9 besitzt gemäß Fig. 3 zwei Kanäle 10 zur stabilen Versorgung des Tiefbohrwerkzeuges mit Kühlflüssigkeit. Hierbei weist der Bohrkopf 9 ebenfalls eine Spannut 11 auf, die mit gleicher Profilkontur in die Spannut 11 auf, die mit gleicher Profilkontur in die Spannut 5 des Bohrerschaftes 2 übergeht. Der beschriebene, den Bohrkopf 4 bzw. 9 tragende Bohrerschaft 2 wird hierbei aus handelsüblichem Präzisions-Stahlrohr der Qualität St35hb hergestellt, wobei die Spannut 5 in bekannter Weise durch Kaltverformung eingewalzt bzw. eingerollt wird. Zur Gewährleistung der Festigkeit des Bohrerschaftes 2 gegenüber auftretenden dynamischen Kräften wird dieser einem speziellen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen. Hierbei erfolgt als erster Schritt ein Glühen des kaltverformten Bohrerschaftes 2 zum Zwecke der Spannungsfreiheit über vorzugsweise 30 min bei einer Temperatur von 650⁰C mit möglicher Abweichung von +1O⁰C. Nachfolgend wird der Bohrerschaft 2 einem Aufkohlungsprozeß unterworfen, welcher bei einer Temperatur von 920⁰C ( + 1O⁰C) über einen Zeitraum von etwa 180min

erfolgt, wobei der Kohlenstoffanteil im Werkstoff auf maximal 0,8% gebracht wird. Das Aufkohlen erfolgt dabei in der geregelten Schutzgasatmosphäre eines Ofens (nicht im Salzbad). Anschließend wird der so behandelte Bohrerschaft 2 einem Vergütungsprozeß ausgesetzt. Dieser Vergütungsprozeß besteht aus einem Härten bei Temperaturen von 850°C mit Abweichungen von ±10°C über einen Zeitraum von etwa 25 min, wobei das Abschrecken in Abhängigkeit von Länge und Durchmesser des Bohrerschaftes 2 im Öl- oder Wasserbad erfolgt. Ein den Vergütungsprozeß abschließendes Anlassen erfolgt bei 500⁰C mit Abweichungen von wiederum ±10°C

Der so wärmebehandeite Bohrerschaft 2 wird nunmehr mit dem Bohrkopf 4 bzw. 9 sowie der Einspannhülse 3 hart verlötet.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Bohrwerkzeugen, insbesondere für aus mehreren Teilen unterschiedlicher
   Werkstoffqualitäten bestehende Tiefbohrwerkzeuge, deren rohrförmiger Bohrerschaft aus unlegiertem Kohlenstoffstahl
   besteht und durch spanlose Kaltverformung eingebrachte Span- und Stabilisierungsnuten aufweist, wobei mit der
   Wärmebehandlung eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes im Bohrerschaft verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrerschaft (2) dem Arbeitsschritt Glühen bei einer Temperatur von 650°C mit möglicher Abweichung von ±10°C über einen Zeitraum von etwa 30 min unterzogen wird, sich ein Aufkohlen bei Temperaturen von 920°C mit gleichen Abweichungen von ±10°C über etwa 180min anschließt, wobei das folgende Vergüten ein Härten bei Temperaturen von 850°C (±10°C
   Abweichung) über etwa 25 min sowie ein Anlassen bei Temperaturen von 500⁰C (±10⁰C Abweichung) beinhaltet.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrerschaft 2 aus Stahlrohr der Qualität St35 hb besteht, welches im Aufkohlungsprozeß einen Kohlenstoffgehalt bis maximal 0,8% erhält.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckung des Bohrerschaftes 2 im Härteprozeß in
   Abhängigkeit seiner Länge und seines Durchmessers im Öl- oder Wasserbad erfolgt.