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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Bohrer zum Einsatz in einer
Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1. Ein derartiger Bohrer ist beispielsweise bekannt aus der
EP-B-290 520 . Aus
diesem Dokument ist auch das bei Bohrern während des Bohrvorgangs auftretende, in
der technischen Literatur unter dem Stichwort „Rattern” bekannte Problem bekannt,
dass ein unruhiges Drehverhalten des Bohrers während des Bohrens eine unregelmäßige Oberflächenstruktur
der Bohrungswand nach sich zieht. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass
in die Mantelflächen
der bekannten Bohrer gerade oder wendelförmige Spannuten eingeformt
sind, um den Abtransport der beim Bohrvorgang entstehenden Späne zu realisieren. Oftmals
sind die Spannuten einerseits und die Schneiden des Bohrers andererseits
symmetrisch über
den Bohrerumfang verteilt. Diese symmetrische Verteilung zieht den
weiteren Nachteil nach sich, dass die das „Rattern” verursachenden Schwingungen
am Bohrer während
des Bohrvorgangs periodisch wiederkehren. Dieses periodische Wiederkehren
der Schwingungen bewirkt ein Anwachsen der Schwingungsamplituden,
also ein ”Aufschaukeln” des Ratterns
während
des Bohrvorgangs mit der Folge, dass die auch als „Rattermarken” bezeichneten Unregelmäßigkeiten
in der Bohrungsseitenwand anwachsen, die Qualität der Bohrung also über die
Länge des
Bohrvorgangs abnimmt.
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Zur
Linderung dieses technischen Problems ist es beispielsweise aus
der vorerwähnten
Druckschrift bekannt, die am Bohrerumfang vorhandenen Nebenschneiden
des Bohrers mit sogenannten Führungsfasen
zu versehen. Diese Führungsfasen schmiegen
sich in der Regel an die Innenwand der Bohrung an und wirken auf
den Bohrer nach Art von Stützrippen.
Aus dem Stand der Technik ist deshalb auch die Anbringung mehrerer
Führungsfasen
an den unterschiedlichen Schneiden des Bohrers geläufig. Eine
weitere Maßnahme
zur Verhinderung des Unrundlaufens des Bohrers ist die asymmetrische Anordnung
der Spannuten und entsprechend der Bohrerschneiden. Auch diese Maßnahme ist
aus der vorerwähnten
EP-B-290 520 bekannt.
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Aus
der
EP 0 427 857 B1 ist
darüber
hinaus ein Bohrer mit einer in zwei Teilschneiden aufgeteilten Hauptschneide
bekannt. An der einen Teilschneide ist hierbei ein Randabschnitt
vorgesehen, welcher als Führung
dieser Teilschneide dient, um das Rundlaufverhalten des Bohrers
zu verbessern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Ratterneigung von Bohrern
weiter zu reduzieren.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe basiert auf der Grundüberlegung, die Hauptschneide
des Bohrers in zwei Funktionsbereiche zu unterteilen, nämlich in eine
als Führungsschneide
wirksame Teilschneide und in eine als Freischneide wirksame weitere
Teilschneide. Die Führungsschneide
weist hierbei an ihrem der Querschneide abgewandten Ende, also im Bereich
des Übergangs
von der Bohrerstirnseite zur Bohrermantelfläche eine Führungsfase auf. Diese Führungsfase
begrenzt die der Führungsschneide zugeordnete
Führungsschneiden-Nebenfreifläche auf
der einen Seite. Entgegen der Drehrichtung des Bohrers gesehen,
ist im Bereich der Führungsschneiden-Nebenfreifläche noch
eine weitere Stützfase
vorgesehen, wobei die Führungsfase
und die Stützfase so
an der Führungsschneiden-Nebenfreifläche angebracht
sind, dass in Drehrichtung des Bohrers gesehen, die Führungsfase
einerseits und die Stützfase andererseits
die Führungsschneiden-Nebenfreifläche jeweils
auf einer Seite begrenzen. Dies bedeutet, dass die der Führungsschneide
zugeordnete Führungs-Hauptfreifläche des
Bohrers an ihren der Querschneide bzw. der Bohrerspitze in Radialrichtung
abgewandten Eckpunkten in die Stützfase
bzw. die Führungsfase
einmündet
und so die Stützfase und
die Führungsfase
den Übergang
der stirnseitigen Führungsschneiden-Hauptfreifläche zur
Mantelfläche
des Bohrers bilden.
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Die
Führungsfase
und die Stützfase
dienen in der bekannten Weise dazu, den Bohrer während des Bohrvorgangs an der
Bohrerinnenwand abstützend
zu füh ren.
Die Stützfase
und die Führungsfase bilden
somit ein zusammenwirkendes Stützrippenpaar
am Bohrerumfang.
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Die
weiterhin vorhandene Freischneide weist in ihrem Übergang
zu der ihr zugeordneten Freischneiden-Nebenfreifläche einen
Freiwinkel auf. Auf diese Weise ist der Bohrer in Radialrichtung
im Bereich der Freischneiden nur über die der Freischneide zugeordnete
Freischneiden-Nebenschneide geringfügig am Bohrungsinnenwand abgestützt. Dies zieht
eine kontinuierliche Schnittwirkung der Freischneiden-Nebenschneide
nach sich, so dass die Freischneiden-Nebenschneide die Rattermarken
auf der Innenfläche
der Bohrung zeitnah beseitigt, so dass das geschilderte Aufschaukeln
der Amplituden der Ratterschwingungen wirksam verhindert ist.
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Mit
anderen Worten gewährleisten
die Führungsfase
und die Stützfase
im Bereich der Führungsschneide
eine sichere Führung
des Bohrers in der Bohrung, während
die Freischneide dafür
sorgt, dass Unregelmäßigkeiten
an den Bohrungsinnenwänden
während
des Bohrvorgangs schnell wieder beseitigt werden, was eine ungewöhnlich glatt
beschaffene Bohrungswand einerseits und eine optimierte Laufruhe
des Bohrers andererseits nach sich zieht. Die Rautiefe im Bereich
der Bohrungswand wird mit der Erfindung wirksam verfeinert.
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Des
Weiteren bewirkt die Erfindung, dass der Bohrer mit seiner Freischneide
einerseits und der der Freischneide zugeordneten Freischneiden-Nebenschneide
andererseits stets schneidend auf die Bohrung einwirkt, während die
Führungsschneide
in Kombination mit der Führungsfase
und der Stützfase eine
kontinuierliche Nachführung
des Bohrers während
der Drehbewegung realisieren. Schließlich bewirkt der Freiwinkel
im Bereich der Freischneiden-Nebenfreifläche eine optimale Spanabfuhr.
Die Führungsschneide,
der ihr zugeordnete Freiwinkel gegenüber der Führungsschneiden-Nebenfreifläche sowie
die stets schneidende Führungsschneiden-Nebenschneide
verhindern überdies
wirksam ein Verklemmen des Bohrers während des Bohrvorgangs.
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Die
Unteransprüche
beinhalten teilweise zweckmäßige und
teilweise für
sich selbst erfinderische Weiterbildungen der vorstehend erläuterten
Erfindung.
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Zur
zusätzlichen
Stabilisierung der Freischneide ist in besonderer Ausgestaltung
eine zwischen der Freischneide und der Freischneiden-Nebenschneide
angeord nete Schneid-Eckenfase vorgesehen. Diese kann als Einfachfase
(Anspruch 2) oder als Zweifachfase (Anspruch 3) ausgestaltet sein.
Eine derartige Schneid-Eckenfase
begünstigt die
Spanabfuhr und trägt
somit zur Absenkung der Ratterneigung einerseits und zur Reduzierung
der Gefahr gegen ein Verklemmen des Bohrers während des Bohrvorgangs andererseits
bei. Die Schneid-Eckenfasen, sowohl im Bereich der Schneidenecke
der Freischneide als auch im Bereich der Schneidenecke der Führungsschneide
angeordnet sein können,
stabilisieren den Rundlauf des Bohrers und führen zu einer Verlängerung
der wirksamen Schneidkante. Des weiteren begünstigen sie den Aufbau einer
Reibschneide. Schließlich
begünstigen sie
den Spanabfluss nach oben, was wiederum zu einer beschädigungsfreien
Bohrungswand führt.
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Weiterhin
vorteilhaft ist es, einen Schneid-Eckenradius im Bereich der Schneidenecken
der Führungsschneide
einerseits und der Freischneide andererseits vorzusehen (Anspruch
4). Auch diese Maßnahme
begünstigt
angestrebten ruhigen Lauf des Werkzeugs.
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Anspruch
5 beinhaltet einen grundsätzlich asymmetrischen
Aufbau des erfindungsmäßigen Bohrers
zur Verhinderung periodisch auftretender Ratterschwingungen. Der
von 180° unterschiedliche Teilungswinkel
zwischen der Freischneide und der Führungsschneide führt zu einer
gewollten Abdrängung
des Bohrers im Bereich der Freischneide und zu einem gewollten Auffangen
des Bohrers im Bereich der Führungsschneide
zur Kompensation dieser Abdrängung.
Diese gesteuerte Abdrängung
und deren ebenso gesteuerte Kompensation ziehen ein besonders gutes
Rundlaufverhalten des Bohrers nach sich.
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In
noch vorteilhafterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Teilungswinkel
zwischen der Führungsschneide
und der Freischneide einen einer Primzahl entsprechenden Betrag
aufweist (Anspruch 6). Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit
einem Teilungswinkel von 193° (Anspruch
7). Ein derart unteilbarer Teilungswinkel verhindert den Aufbau
periodischer Schwingungen nahezu ideal.
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Die
Ansprüche
8 und 9 stellen klar, dass die Erfindung sich sowohl auf gerade
genutete Bohrer als auch auf Bohrer mit wendelförmigen Spannuten, nämlich Spiralbohrer
bezieht. Diese Bohrer können auch
mit zusätzlichen,
durch den Bohrerkern verlaufenden Kühlkanälen ausgerüstet sein, wobei auch die Kühlkanäle entweder
gerade oder gewendelt ausgeführt
sein können.
In einer besonderen Ausführungsform
ist es auch möglich,
einen Spiralbohrer mit gerade verlaufenden Kühlkanälen zu kombinieren.
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Schließlich betrifft
Patentanspruch 10 eine Sonderbauform des erfindungsmäßigen Bohrers
als Tieflochbohrer. Nach der Lehre des Anspruchs 11 genügt es bei
einem derartigen Tieflochbohrer, die Bereiche des Tieflochbohrers
an der Wirkstelle, also am Bohrende bzw. den Bohrerbereich aus Hartmetall
zu fertigen, während
die übrigen,
nur als Träger
wirksamen Bereiche, also der Auslauf, der Schaft oder die Angriffsfläche aus
einem kostengünstigen
Werkzeugstahl gefertigt sein können.
Diese Trägermaterialien
benötigen
die speziellen Hartstoffeigenschaften eines Hartmetalls nicht.
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Nach
der Lehre des Anspruchs 12 ist es mit der Erfindung auch möglich, den
Bohrer so herzustellen, dass sich vom Bohrende her zunächst nicht
verjüngt.
Der sich an das Bohrende anschließende Bohrerbereich weist also
einen konstanten Durchmesser auf. Erst der sich daran anschließende Auslauf
verjüngt
sich zum Schaft hin. Durch diese zylindrische Ausgestaltung der
Hüllfläche des
Bohrers im gesamten Bohrerbereich mit einem konstanten Durchmesser
verringert den Druck auf die Führungsfasen.
Der Kontaktbereich der Haupt- und Nebenschneiden wird hierbei verlängert. Die
fehlende Verjüngung
im Bohrerbereich führt
dazu, dass auch beim Nachschleifen der Durchmesser des Bohrers nicht reduziert
wird. Dies wirkt sich auf die Bohrungsqualität positiv aus. Insbesondere
ist mit dem erfindungsmäßigen Bohrer
eine höhere
Toleranzklasse erreichbar als dies bei Bohrern nach dem Stand der
Technik der Fall ist.
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf die Stirnseite des erfindungsmäßigen Bohrers,
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2 eine Draufsicht auf die Stirnseite mehrerer
verschiedener Varianten des erfindungsmäßigen Bohrers,
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3 eine
Ausschnittsvergrößerung des Ausschnitts
III in 1,
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4 Ausschnittsvergrößerungen
des Ausschnitts III in 1 mehrerer unterschiedlicher
Ausführungsformen
des erfindungsmäßigen Bohrers,
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5 die
Seitenansicht mehrerer verschiedener Ausgestaltungen des Bohrendes
des erfindungsmäßigen Bohrers,
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6 eine
schematische Darstellung der Kraftverteilung am erfindungsmäßigen Bohrer
und
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7 eine
schematische Seitenansicht des Bohrwerkzeugs.
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Der
in den Figuren dargestellt Bohrer weist eine im Querschnitt hohlzylindrische
Grundform auf und besteht aus einem Bohrerkern 1 und zwei
in den Bohrerkern 1 eingeformten Spannuten 2.
Während des
Bohrvorgangs rotiert der Bohrer in Drehrichtung 3. Während des
Bohrens schneiden auf der in den Figuren dargestellten Stirnseite
des Bohrers die Querschneide 4, die Führungsschneide 5 und
die Freischneide 6. Die Querschneide 4, die Führungsschneide 5 und
die Freischneide 6 bilden die Hauptschneide des Bohrers,
wobei die Querschneide 4 diese Hauptschneide zweiteilt.
Die Querschneide 4 kann – sofern dies erwünscht ist – auch ausgespitzt sein.
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Den
beiden die Querschneide 4 zur Hauptschneide ergänzenden
Teilschneiden 5, 6 sind jeweils Hauptfreiflächen und
Nebenfreiflächen
zugeordnet. Im Falle der Führungsschneide 5 ist
im Quadranten unten rechts in der 1 die Führungsschneiden-Hauptfreifläche 7 erkennbar
und entsprechend im Quadranten links oben in 1 ist die
der Freischneide 6 zugeordnete Freischneiden-Hauptfreifläche 8 erkennbar.
Die beiden Hauptfreiflächen 7, 8 sind
jeweils durchbrochen von einer Kühlkanalöffnung 9.
Die Kühlkanalöffnungen 9 sind
die Auslauföffnungen
zweier den Bohrerschaft durchsetzender in Längsrichtung des Boh rers verlaufender
Kühlkanäle. Durch
die Kühlkanalöffnungen 9 gelangt
im Betrieb des Bohrers ein Kühlschmiermittel
an die Wirkstelle des Bohrers in der Bohrung.
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In
Radialrichtung 10 schließt sich an die Führungsschneiden-Hauptfreifläche 7 die
Führungsschneiden-Nebenfreifläche 11 an.
Die Führungsnebenfreifläche 11 verläuft auf
dem Zylinderaußenmantel
des Bohrerkerns 1, also senkrecht zur Zeichenebene der
Figuren, insbesondere der 1. Analog dazu
schließt
sich an die Freischneiden der Hauptfreifläche 8 in Radialrichtung 10 die
Freischneiden-Nebenfreifläche 12 an.
Auch die Freischneiden-Nebenfreifläche 12 verläuft auf
dem Zylinderaußenmantel
des Bohrerkerns 1 senkrecht zur Zeichnungsebene der Figuren,
insbesondere der 1.
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Die
Führungsschneiden-Nebenfreifläche 11 ist
in Drehrichtung 3 an ihrem an die Führungsschneide 5 grenzenden
Ende von der sich an die Schneidenecke 15 anschließenden Führungsfase 13 begrenzt.
Das entgegen der Drehrichtung 3 gesehene rückwärtige Ende
der Führungsschneiden-Nebenfreifläche 11 bildet
die Stützfase 14.
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2 zeigt einige Abwandlungen der in 1 gezeigten
Ausführungsform.
Der besseren Übersichtlichkeit
halber sind in der Darstellung der 2 einige
Bezugsziffern aus 1 fortgelassen. Zur besseren
Erkennbarkeit der Unterschiede ist in 2a die
in 1 gezeigte Ausführungsform nochmals unverändert dargestellt. 2b zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
des erfindungsmäßigen Bohrers
mit einer Schneid-Eckenfase 17 an der Führungsschneide 5.
In 2c ist eine Schneid-Eckenfase 17 und
eine weitere Schneid-Eckenfase 17' sowohl an der Führungsschneide 5 als
auch an der Freischneide 6 ausgebildet. 2c zeigt
einen Bohrer mit jeweils doppelter Schneid-Eckenfase. 2d zeigt
schließlich
eine Ausführungsform
mit einem im Bereich der Führungsschneide 5 ausgebildeten
Schneid-Eckenradius 24 zur Ausrundung der Schneidecke der
Führungsschneide 5.
All diese Maßnahmen
dienen zur Verringerung des auf die Führungsfase 13 bzw.
des auf die Stützfase 14 ausgeübten Drucks
während
der Rotation des Werkzeugs.
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Die
Schneidenecke 15 der Freischneide 6 ist in 3 besonders
gut erkennbar. Der 3 ist ferner zu entnehmen, dass
die Freischneide 6 im Übergang
zur Freischneiden-Nebenfreifläche 12 einen Freiwinkel 16 aufweist.
In 3 ist der besseren Deutlichkeit halber die Innenmantelfläche 18 der Bohrung
schematisch angedeutet.
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4 zeigt
einige Abwandlungen der in 3 dargestellten
Schneidenecke 15 der Freischneide 6. Wiederum
sind aus Gründen
der besseren Übersichtlichkeit
gegenüber
der Darstellung in 3 einige Bezugsziffern fortgelassen. 4a zeigt
der besseren Vergleichbarkeit halber noch einmal die in 3 dargestellte
Ausführungsform. 4b zeigt
eine Schneid-Eckenfase 17 im Bereich der Hauptschneide 6. 4c zeigt
eine doppelte Schneid-Eckenfase, welche sich zusammensetzt aus einer
Schneid-Eckenfase 17 und einer weiteren Schneid-Eckenfase 17'. 4d zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsmäßigen Bohrers
mit ausgerundeter Schneidenecke 15. Hierfür ist ein Schneid-Eckenradius 24 im
Bereich der Schneidenecke 15 der Hauptschneide 6 vorgesehen.
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5 zeigt
eine Seitenansicht des in 4 in Draufsicht
dargestellten Bohrers. 5a zeigt eine Ausführungsform
des erfindungsmäßigen Bohrers mit
Schneidenecke 15 ohne weitere Bearbeitung. 5b zeigt
den erfindungsmäßigen Bohrer
mit einer einfachen Schneid-Eckenfase 17 im Bereich der Schneidenecke 15. 5c zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsmäßigen Bohrers
mit einer Doppel-Schneid-Eckenfase, welche aus einer Schneid-Eckenfase 17 und
einer der Schneid-Eckenfase 17 benachbarten weiteren Schneid-Eckenfase 17' besteht. 5d zeigt
schließlich
eine Ausführungsform
des erfindungsmäßigen Bohrers
mit einer Ausrundung 24 im Bereich der Schneidenecke 15.
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In 6 erkennbar
ist der asymmetrische Aufbau des Bohrerkerns 1 des erfindungsgemäßen Bohrers.
Der Teilungswinkel 19 in Drehrichtung 3 gemessen
zwischen der Freischneide 6 und der Führungsschneide 5 ist
von 180° verschieden.
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Vorzugsweise
soll der Teilungswinkel 19 den Betrag einer Primzahl aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist ein Teilungswinkel 19 von 193°.
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Infolge
des asymmetrischen Aufbaus des Bohrerkerns durch den von 180° verschiedenen
Teilungswinkel 19, weisen die beiden durch die Querschneide 4 getrennten
Hälften
des Bohrerkerns 1 auch unterschiedliche Massen auf. Dies
führt zu
einer Abdrängung
des Bohrers während
des Bohrvorgangs. Diese Abdrängung
ist durch den in 6 gestrichelt dargestellten
Richtungspfeil 20 repräsentiert.
Die durch den Richtungspfeil 20 repräsentierte Abdrängung wird
jedoch durch die Führungsfase 13 und
die Stützfase 14 wieder
kompensiert. Die Führungsfase 13 übt hierfür eine Passivkraft 21 aus, während von
der Stützfase 14 eine
Passivkraft 21' ausgeht.
Der Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass die Führungsschneidenschnittkraft 22 und
die Freischneidenschnittkraft 23 unterschiedlich groß sind. Des
Weiteren sei erwähnt,
dass auch im Bereich der Schneidenecke 15 wiederum eine
Passivkraft 21'' wirkt.
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Infolge
der unterschiedlich hohen Passivkräfte 21, 21', 21'' einerseits und der unterschiedlich hohen
Schnittkräfte 22, 23 andererseits,
ist ein Klemmen des Bohrers in der Bohrung verhindert, was zu einer
optimierten Bohrungsoberflächenqualität führt.
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Aus
der Prinzipdarstellung der 7 ist erkennbar,
dass der erfindungsmäßige Bohrer
in Bohrerlängsrichtung 25 in
mehrere Bereiche unterteilt ist. Der Bohrer erstreckt sich in Bohrerlängsrichtung 25 von
seinem Maschinenende 26 bis zu seinem Bohrende 27.
Das Bohrende 27 trägt
hierbei eine Hauptschneide, welche ihrerseits wiederum aus der Querschneide 4,
der Führungsschneide 5 und
der Freischneide 6 besteht. An das Bohrende 27 schließt sich
in Bohrerlängsrichtung 25 als
zylindrischer Bereich der Bohrerbereich 28 an. Der Bohrerbereich 28 mündet an
seiner dem Bohrende 27 in Bohrerlängsrichtung 25 abgewandten
Seite in einen Auslauf 29. Der Bohrer verjüngt sich
im Bereich des Auslaufs 29 in den Schaft 30 hinein.
Der Schaft 30 weist an seinem dem Bohrende 27 abgewandten Maschinenende 26 noch
eine Angriffsfläche 31 auf
für das
Bearbeitungswerkzeug, in welches der Bohrer eingesetzt wird.
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Beim
erfindungsmäßigen Bohrer
ist der Bohrerbereich 28 möglichst lang ausgestaltet.
Der Bohrerbereich 28 hat einen zylinderförmigen Querschnitt.
Der konstante zylinderförmige
Querschnitt des Bohrerbereichs 28 weist keinerlei Verjüngung oder ähnliches
auf. Dies hat den Vorteil, der Bohrer beim Nachschleifen seine Kontur
nicht ändert.
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Diese
Ausgestaltung ohne Verjüngung
im Bohrerbereich 28 ermöglicht
erst die in der Erfindung gewählte
Anordnung und Ausgestaltung der Führungsschneide und der Freischneide.
Weiter tragen die Stützfase 14 und
die Führungsfase 13 hierzu
bei. Dies gilt auch für
die übrigen
Ausgestaltungsmerkmale.