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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Tieflochbohrer mit einem Schaft
und einem Schneidteil, welches aus einem Spannutenabschnitt und
einer Schneidspitze besteht, wobei der Spannutenabschnitt schraubenförmig
umlaufende Spannuten aufweist, die durch entsprechend schraubenförmig
umlaufende Stege voneinander getrennt sind, und wobei an der Schneidspitze
mindestens eine stirnseitige Schneidkante angeordnet ist, welche
einen Nennradius des Bohrers definiert, wobei die axiale Länge des
Schneidteils mindestens das Zwanzigfache des Nennradius beträgt,
und wobei der Radius des Spannutenabschnitts über den größten
Teil seiner Länge kleiner ist als der Nennradius.
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Ebenso
betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung
eines entsprechenden Tieflochbohrers.
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Wie
der Name bereits zum Ausdruck bringt, dienen Tieflochbohrer dazu,
besonders lange bzw. tiefe Bohrungen herzustellen, d. h. Bohrungen,
die im Verhältnis zu ihrem Durchmesser sehr tief sind und deren
Länge typischerweise mindestens das Zwanzigfache des Radius
bzw. mindestens das Zehnfache des Durchmessers beträgt.
Beim Herstellen von im Verhältnis zum Durchmesser derart
tiefen Bohrungen treten zusätzliche Probleme auf, die bei
sogenannten Kurzlochbohrern nicht bekannt sind und dort auch keine
Rolle spielen. Ein großes Problem ist insbesondere der
Spantransport, da die Späne allein durch die schraubenförmig
umlaufenden Nuten in Richtung des Nutenauslaufs am Übergang
zum Schaft transportiert werden müssen, wobei sie diesem
Transport über die große Länge des Schneidteils
hinweg einen erheblichen Reibungswiderstand entgegensetzen und wobei
dieser Transport, wenn der Bohrer vertikal von oben in ein Werkstück
eintaucht, entgegen der Schwerkraft erfolgen muß.
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Ein üblicher
Ansatz zur Vermeidung eines Spänestaus in den Spannuten
besteht darin, Tieflochbohrer mit möglichst großen
Spannutquerschnitten herzustellen. Dies ist aber zwangsweise mit
einer Reduzierung des Kerndurchmessers und/oder auch einer Reduzierung
des Stegquerschnittes verknüpft, wobei die Stege die die
Spannuten voneinander trennenden Elemente des Spannutenabschnitts
sind. Darüber hinaus versucht man auch zu vermeiden, daß die
Umfangsflächen der Stege bzw. entsprechender Rundfasen
auf den Stegen mit der Bohrlochwand in Kontakt geraten, weil auf
diese Weise zusätzliche Reibung entsteht, die proportional
zu der Eingriffslänge der Stege in dem Bohrloch ist, so
daß diese Reibung besonders bei sehr langen und tiefen Bohrlöchern
kritische Werte annehmen kann, was die Bohrleistung vermindert und
unter Umständen auch zum Bruch des Bohrers führen
kann.
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Aus
diesem Grund wird bei derartigen Bohrern auch der Radius der Stege
bzw. der Rundfasen auf den Stegen reduziert, so daß die
Umfangsflächen der Stege bzw. der Rundfasen zu der Bohrlochwand einen
gewissen kleinen Abstand einhalten, während dieser Durchmesser
der Bohrlochwand durch mindestens eine oder zwei Schneidkanten bzw.
Schneidecken an der Spitze des Tieflochbohrers definiert wird.
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Als
Rundfasen bezeichnet man dabei die in Rotationsrichtung des Bohrers
vorderen Bereiche der Stege am Übergang zu den Spannuten,
die eventuell Nebenschneidkanten definieren und gegenüber welchen
die in Rotationsrichtung nachfolgenden Umfangsflächen der
Stege oftmals ohnehin schon im Radius reduziert sind. Bei manchen
Bohrern können derartige Rundfasen, die in diesem Zusammenhang mitunter
auch kurz als „Fasen" bezeichnet werden, auch im Abstand
hinter den Nebenschneidkanten auf der Umfangsfläche der
Stege verlaufen. Sie folgen dabei in der Regel dem schraubenförmigen
Pfad, der durch die Stege und Spannuten vorgege ben ist. Sofern solche
Rundfasen vorhanden sind, definieren sie demnach den äußeren
Radius des Bohrers im Spannutenabschnitt.
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Alle
oben erwähnten Maßnahmen reduzieren den Gesamtquerschnitt
des Materials im Spannutenabschnitt und reduzieren damit auch die
Stabilität, die Biegesteifigkeit und schließlich
auch die Bruchfestigkeit des Bohrers. Zwar sind in jüngerer Zeit
immer bessere und widerstandsfähigere Materialien, insbesondere
verbesserte Hartmetall-Legierungen bzw. Sintermetalle und – Keramiken
für Schaft und Schneidteil entwickelt worden, gleichzeitig
sind jedoch auch die Anforderungen hinsichtlich einer effizienten
Herstellung tiefer Bohrungen gestiegen, so daß es nach
wie vor schwierig ist, die widerstreitenden Anforderungen an Tieflochbohrer,
d. h. einerseits eine hohe Bohrleistung, gute Bohrlochqualität
und eine ausreichende Stabilität, und andererseits guten
Spantransport und damit große Spannutenquerschnitte, sowie
geringe Reibung an den Bohrlochwänden, gleichzeitig zu
erfüllen. Dabei hat sich herausgestellt, daß insbesondere
bei sehr dünnen und langen Bohrern mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis
von mehr als 10, insbesondere bei Bohrern mit kleinem Nenndurchmesser
von zum Beispiel weniger als 10 mm oder gar weniger als 5 mm, der
Spannutenabschnitt bei hohen Drehzahlen zu Schwingungen im Bohrloch
neigt, da die Biegesteifigkeit mit zunehmender Länge und
immer geringer werdenden Querschnitten und Durchmessern entsprechend
abnimmt. Dies führt dazu, daß insbesondere Bohrer
mit kleinen Nennradien und großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnissen
eine verringerte Bohrleistung (zum Beispiel wegen einer zur Vermeidung
starker Schwingungen notwendigen Herabsetzung der Drehzahl) haben,
wobei auch die Bohrlochqualität reduziert sein kann und
die Bohrer unter Umständen auch stärker bruchgefährdet
sind.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Tieflochbohrer zu schaffen, der bei geringer Reibung
im Bohrloch eine verbesserte Bohrleistung aufweist und weniger leicht
zu Schwingungen und/oder schwingungsinduzierten Zusatzbelastungen
neigt.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Stege bzw.
Rundfasen des Spannutenabschnitts entlang ihrer Umfangsflächen
an mindestens einer axialen Position eine sich im wesentlichen in
Umfangsrichtung erstreckende Stützrippe aufweisen, wobei die
radial äußere Fläche der Stützrippe
einen Radius definiert, der größer ist als der
Radius des Spannutenabschnitts in dem bzw. den axial an die Stützrippe angrenzenden
Bereich(en).
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Anders
gesprochen weist der Steg bzw. weisen die Stege bzw. die Rundfasen
des Spannutenabschnitts an mindestens einer axialen Position einen lokal
verdickten Bereich auf, d. h. einen Bereich mit etwas größerem
Radius als es dem gegenüber dem Nennradius verkleinerten
Radius der Stege und/oder Rundfasen in dem Spannutenabschnitt ansonsten entspricht.
Dieser Abschnitt ist als Stützrippe ausgebildet, d. h.
es ist ein axial relativ kurzer oder schmaler Abschnitt, der sich
im wesentlichen in Umfangsrichtung auf der Außenfläche
bzw. Umfangsfläche des Stegs oder einer Rundfase erstreckt.
Da Rundfasen in Umfangsrichtung gemessen eine deutlich geringere
Breite haben als die Stege, sind die auf Rundfasen angeordneten
Stützrippen ebenfalls in Umfangsrichtung recht kurz, d.
h. Ihre Länge in Umfangsrichtung entspricht maximal der
Breite der Rundfasen. Die äußere Umfangsoberfläche
der einen oder mehreren Stützrippen auf der (den) Rundfase(n)
definiert wiederum einen Radius, der größer ist
als der Radius des Spannutenabschnittes im übrigen, jedoch
immer noch kleiner ist als der Nennradius des Bohrers, jedoch dem
Nennradius nahezu beliebig nahe kommen kann. Dies gilt allerdings
nur ab einem gewissen Abstand von der Bohrerspitze, wo der Radius
bzw. Durchmesser des Spannutenabschnittes bereits entsprechend reduziert
ist, beispielsweise ab einem Abstand von 4R von der Bohrerspitze,
wobei R der Nennradius ist.
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Diese
Stützrippe sorgt aber dafür, daß, sobald
der die Stützrippe aufweisende Abschnitt des Tieflochbohrers
sich innerhalb des Bohrlochs befindet, die möglichen Schwingungsamplituden
des Spannutenabschnitts in diesem Bereich automatisch reduziert
werden, da der Abstand zwischen Stützrippe und Bohrlochwand
deutlich kleiner ist als der Abstand bzw. Spalt zwischen den übrigen
Abschnitten der Umfangsflächen der Stege bzw. Rundfasen
und der Bohrlochwand. Da gleichzeitig diese Stützrippe nur
eine relativ kleine Oberfläche aufweist, kann die dadurch
zusätzlich entstehende Reibung vernachlässigt
werden.
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Es
versteht sich, daß eine entsprechende Stützrippe
nur dort erforderlich ist, wo der Spannutenabschnitt über
einen hinreichend langen axialen Bereich einen deutlich kleineren
Radius als das Bohrloch hat, da nur dort der Spannutenabschnitt
eine entsprechende, störende Schwingungsamplitude erreichen
kann. Etwaige Bereiche des Spannutenabschnitts, die einen größeren
Durchmesser haben, benötigen eine entsprechende Stützrippe
nicht.
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Die
Stützrippen sind zweckmäßigerweise über
den verjüngten Bereich des Spannutenabschnittes in axialer
Richtung im wesentlichen gleichmäßig verteilt.
Eine Stützrippe an nur einer axialen Position (die in Umfangsrichtung
aus mehreren getrennten Abschnitten bestehen kann) ist demnach vorzugsweise
in etwa in der Mitte zwischen der Schneidspitze und dem Spannutenauslauf
(der sich am Schaftende befindet) angeordnet. Mehrere Stützrippen
an verschiedenen axialen Positionen sind vorzugsweise über
die Länge des Spannutenabschnittes äquidistant und
mit dem entsprechenden Abstand auch zum Spannutenauslauf bzw. zur
Schneidspitze über die axiale Länge des Spannutenabschnittes gleichmäßig
verteilt.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist der Radius der Stützrippe
größer als der maximale Radius des Spannutenabschnitts
insgesamt, jedoch mit Ausnahme eines unmittelbar an die Schneidspitze
angrenzenden Bereichs. Da der Übergang von der Schneidspitze
zu dem Spannutenabschnitt üblicherweise durch die den Nennradius
des Bohrers bestimmende Schneidecke definiert wird, hat der Spannutenabschnitt
im unmittelbaren Anschluß an diese Schneidecke zunächst
noch einen etwas größeren Durchmesser, der typischerweise entweder
konstant diesen maximalen Wert hat, oder entlang eines sich konisch
leicht verjüngenden Bereichs abnimmt. Vorzugsweise verjüngt
sich der Spannutenabschnitt, ausgehend von einem maximalen Radius
am Übergang von der Schneidspitze, unter einer geringen
Steigung von 0,1 bis 0,8 μm pro mm axialer Länge,
wobei diese konische Verjüngung aber auch erst wenige mm
hinter der Schneidecke am Übergang von Schneidspitze zu
Spannutenabschnitt beginnen kann, um den Nennradius des Bohrers
auch nach einem etwaigen Nachschleifen exakt zu erhalten.
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Die
axiale Länge des sich konisch verjüngenden Bereichs
des Spannutenabschnitts hängt unter anderem von dem Konuswinkel
(der sich aus der oben erwähnten Steigung ergibt) und der
angestrebten Durchmesserdifferenz zwischen Spannutenabschnitt und
Nenndurchmesser in dem axial weiter zurückliegenden Bereich
des Spannutenabschnitts ab. Typischerweise erstreckt sich der konisch
verjüngte Bereich des Spannutenabschnitts über
eine axiale Länge, die zwischen dem Einfachen und dem 16-fachen
des Bohrerradius liegt. Die effektive Verjüngung über
den Bereich des konischen Abschnittes hinweg beträgt gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung bei 0,2% bis 6% des Nennradius,
dh. der kleinste Radius am axial hinteren Ende des konischen Abschnittes
ist zwischen 0,2% und 6% kleiner als der Nennradius, wobei die kleineren
Prozentwerte eher bei größeren Nennradien auftreten
während die größeren relativen Radiusdifferenzen
eher bei den kleineren Nennradien Anwendung finden. In absoluten
Zahlen schwanken die Radiusdifferenzen zwischen Nennradius und kleinstem
Radius am Ende des sich konisch verjüngenden Abschnittes
in dem Bereich von 5 μm bis 1 mm, bevorzugt im Bereich
von mindestens 20 μm bis maximal 200 μm. In diesem
konischen Abschnitt kann man auf Stützrippen verzichten,
obwohl sie auch dort, insbesondere bei entsprechender Länge
des konischen Abschnittes von z. B. mehr als dem Zehnfachen des
Nennradius, vorgesehen werden könnten.
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In
dem dahinter liegenden Abschnitt ist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der
Radius des Spannutenabschnitts bis zum Schaft ganz oder überwiegend
konstant bleibt. Gemäß einer Ausführungsform
kann allerdings der Spannutenabschnitt sich in Richtung des Schafts
auch wieder leicht konisch aufweiten oder weiter verjüngen,
bleibt jedoch geringer als der Nennradius.
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Der
Radius des Spannutenabschnitts ist gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um mindestens
0,5% kleiner als der Nennradius des Bohrers, er kann insbesondere
aber auch 1 bis 3% kleiner sein als der Nennradius.
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Andererseits
liegt jedoch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung auch darin,
daß der Radius des Spannutenabschnitts im Vergleich zu
entsprechenden Tieflochbohrern ohne Stützrippen etwas größer sein
kann als es nach dem aktuellen Stand der Technik zur Verringerung
der Bohrlochkontakte und der entsprechenden Reibung üblich
war, da aufgrund der Stützrippen auch bei kleiner Durchmesserdifferenz zwischen
den Umfangsflächen der Stege und der Bohrlochwand nicht
mehr die Gefahr besteht, daß größere
Teile dieser Umfangsflächen mit der Bohrlochwand in Kontakt
kommen und erhebliche Reibung verursachen. Die Stützrippen
hingegen kommen sehr leicht mit der Bohrlochwand in Berührung, weisen
jedoch nur eine sehr kleine Oberfläche und damit geringe
Reibung auf.
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Der
Radius der Stützrippe ist gemäß einer Ausführungsform
um höchstens 1%, bevorzugt um höchstens 0,2% kleiner
als der Nennradius des Bohrers, was bedeutet, daß etwaige
Schwingungsamplituden des Spannutenabschnitts auf diesen Wert (höchstens
1% bzw. höchstens 0,2% des Nennradius) beschränkt
werden, wodurch die Belastung des Bohrers aufgrund von Schwingungen
erheblich reduziert wird. In absoluten Zahlen sollten die Stützrippen einen
um höchstens 100 μm, besser höchstens
10 μm kleineren Radius haben als es dem Nennradius des
Bohrers entspricht.
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Zweckmäßigerweise
sind entlang des Spannutenabschnitts mehrere Stützrippen
beabstandet voneinander angeordnet und vorzugsweise haben benachbarte
Stützrippen jeweils den gleichen Abstand zueinander. Dieser
Abstand kann beispielsweise zwischen dem Zweifachen und dem 16-fachen des
Nennradius liegen, was aber auch vom absoluten Nenndurchmesser bzw.
Nennradius des Bohrers abhängen kann. Bei Bohrern mit sehr
kleinem Durchmesser wird man tendenziell den Abstand der Stützrippen
ebenfalls etwas reduzieren, während man bei Bohrern mit
großem Nenndurchmesser womöglich nur eine oder
jedenfalls sehr wenige Stützrippen be nötigt. Im
allgemeinen reicht ein Abstand vom Zehnfachen des Nennradius zwischen
benachbarten Stützrippen aus.
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Vorzugsweise
haben die Stützrippen eine (in axialer Richtung gemessene)
Breite zwischen 0,1 und 5 mm, insbesondere zwischen 0,5 und 1,2
mm. Diese geringe Breite der Stützrippen stellt sicher,
daß auch nur entsprechend geringe Reibungskräfte
auftreten, wenn diese Stützrippen mit der Bohrlochwand in
Kontakt kommen. Die radiale Dicke der Stützrippen ist entsprechend
der Radiusdifferenz zwischen Umfangsflächen der Stege und
Bohrlochwand bzw. Nennradius so gewählt, dass ihre Umfangsoberfläche
zwar einen größeren Radius aufweist als die Stege
bzw. die Rundfasen der Stege, jedoch kleiner bleibt als der Nennradius.
Die Dicke der Stützrippen liegt damit typischerweise zwischen
etwa 0,3% und 3% des Nennradius, wobei jedoch Überschreitungen und
Unterschreitungen dieser Grenzwerte nicht zwingend ausgeschlossen
sind.
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Die
Länge der Stützrippen entspricht der Umfangslänge
der jeweiligen Stege oder Rundfasen und liegt zum Beispiel zwischen
1% und 40%, bevorzugt zwischen 2% und 8% des Bohrerumfangs bzw. Umfangs
des Bohrloches mit Nennradius, wobei eine Stützrippe bei
einer gegebenen axialen Position aus mehreren über den
Umfang verteilten Abschnitten bestehen kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform sind die Stützrippen als im Bereich
der Spannuten unterbrochene, ansonsten aber umlaufende Stützringe
ausgebildet, insbesondere aus ursprünglich in einre Ebene
senkrecht zur Bohrerachse umlaufenden Stützringen hergestellt.
Insbesondere bei Bohrern mit mehreren Spannuten und dementsprechend
mehreren Stegen liegen also die Stützrippen auf den verschiedenen
Stegen jeweils in gleichen axialen Positionen. Die äußeren
Umfangsoberflächen der Stützrippen liegen vorzugsweise
auf einer gemeinsamen Zylinder- oder Konusoberfläche und
haben damit in einer gegebenen axialen Position jeweils einen konstanten Außenradius
und vorzugsweise auch jeweils dieselbe Länge (in Umfangsrichtung)
und dieselbe Breite (in Axialrichtung).
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Bevorzugt
ist allerdings eine Variante, bei welcher die Stützrippen
jeweils nur auf den Rundfasen eines solchen Tieflochbohrers vorgesehen
sind. Diese sind in Umfangsrichtung entsprechend kürzer und
haben eine entsprechend geringe Reibung im Bohrloch.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung sind die Stützrippen
einstückig mit den Stegen bzw. Rundfasen des Spannutenabschnitts
ausgebildet, d. h. bei der Herstellung des Bohrers und insbesondere
des Spannutenabschnitts werden diese Rippen unmittelbar mit angeformt.
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Oder
umgekehrt ausgedrückt wird der Umfang des Bohrers in der
Weise bearbeitet und teilweise abgetragen, daß die Stützrippen
als Elemente mit maximalem Durchmesser bzw. Radius stehen bleiben.
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Wahlweise
können die Stützrippen jedoch auch getrennt aufgebracht
werden, insbesondere dann, wenn sie aus einem anderen, zum Beispiel
verschleißfesteren oder reibungsärmeren Material
bestehen sollen als der Spannutenabschnitt des Bohrers.
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Darüber
hinaus ist es aber auch möglich, die Rippen mit entsprechenden
Beschichtungen zu versehen, welche die Reibung reduzieren und/oder
die Rippen verschleißfester machen.
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Mehrere
Stützringe oder alle Stützringe (genauer gesagt:
deren Umfangsoberflächen) eines Bohrers können,
anstatt auf einer gemeinsamen Zylinderfläche, wahlweise
auch auf einer gemeinsamen konischen Hüllfläche
liegen, die, ausgehend von dem Nennradius an der Schneidspitze,
eine sehr geringe Verjüngung von zum Beispiel 0,1 μm
bis 10 μm pro mm axialer Länge definiert.
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Um
die Bohrlochwand nicht zu beschädigen und auch zur Verringerung
von Verschleiß und Reibung ist es zweckmäßig,
wenn die Rippen, die beispielsweise im Querschnitt in etwa rechtwinklig
oder trapezförmig sind, angefaste Kanten aufweisen. D.
h. die in Umfangsrichtung verlaufenden Längskanten der
Rippen ebenso wie die parallel zu den Spannuten verlaufenden vorderen
Kanten (und wahlweise auch die in Rotationsrichtung hinteren Kanten)
sollten angefast sein. Die Rippen können selbstverständlich auch
einen halbkreisförmigen oder teilelliptischen oder sonstwie
gekrümmten Querschnitt haben, so daß zumindest
in Umfangsrichtung verlaufende Kanten nicht vorhanden sind und es
ist auch möglich, die in Rotationsrichtung jeweils vorderen
Enden einer solchen Stützrippe zur Spannut hin abzuschrägen oder
abzurunden.
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Die
Länge des Schneidteils beträgt in einer Ausführungsform
der Erfindung mindestens das Vierzigfache und in einer bevorzugten
Ausführungsform gar mindestens das Fünfzigfache
des Nennradius. Darüber hinaus ist eine Anwendung der Erfindung auf
solche Bohrer zweckmäßig, deren Nennradius im Bereich
zwischen 0,5 und 20 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,5 und
5 mm liegt wobei die Erfindung besonders effektiv bei Bohrern mit
Radien von 2, mm und weniger zur Geltung kommt.
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Weiterhin
können die erfindungsgemäßen Bohrer mit
einer sog. Innenkühlung ausgestattet sein, d. h. mindestens
eine den Schaft und das Schneidteil in axialer Richtung durchsetzende
Bohrung aufweisen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
entsprechenden Tieflochbohrers nach einem der Ansprüche
1 bis 25, ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- a) Herstellen eines Rohlings mit einem Schaft
und einem Schneidteil bestehend aus einem in etwa zylindrischen
oder leicht konischen Spannutenabschnitt, und einer konischen Spitze,
wobei der Spannutenabschnitt, gegebenenfalls mit Ausnahme eines
kurzen an die Spitze angrenzenden Bereichs über den überwiegenden
Teil seiner Länge einen gegenüber dem maximalen
Radius (Nennradius R) der Spitze geringfügig reduzierten
Radius hat,
- b) Herstellen einer Bohrerkontur mit einem über die überwiegende
Länge des Spannutenabschnittes gegenüber dem Nennradius
weiter verringerten Radius
- c) Herstellen mindestens einer schraubenförmig umlaufenden
Spannut und Ausbilden der Bohrerspitze,
- d) Vorsehen von mindestens kurzen Abschnitten ringförmig
umlaufender Stützrippen, wobei der Radius der Umfangsoberflächen
der ringförmigen Abschnitte dem ursprünglichen
Radius des Rohlings an der jeweiligen axialen Position entspricht, indem
entweder
- d1) in Schritt (b) ringförmigen Abschnitten oder Teilen
ringförmiger Abschnitte von der Radiusreduzierung ausgenommen
werden, oder
- d2) in Schritt (d) abschnittsweise Stützrippen auf die
Stge und/oder Rundfasen des Bohrers aufgebracht werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt
(b) ein sich in Richtung Schaft konisch verjüngender Bereich,
der von einem Bereich mit maximalen Radius (Nennradius R) am Übergang
zur Bohrerspitze ausgeht.
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Gemäß einer
weitern Variante ist das Verfahren derart weitergebildet, dass der
Rohling vor Schritt (b) oder optional in Schritt (b) nach dem anfänglichen Herstellen
des sich konisch verjüngenden Bereiches mit einem harten,
verschleißfesten Material beschichtet wird.
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Der
erfindungsgemäße Tieflochbohrer wird bevorzugt
aus Vollhartmetall hergestellt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen
Figuren. Es zeigen:
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1 einen
Rohling eines Tieflochbohrers aus Vollhartmetall gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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2 den
Rohling nach 1 nach einer ersten Bearbeitungsstufe,
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3 den
Rohling nach 1 nach einer zweiten Bearbeitungsstufe,
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4 eine
Ausschnittvergrößerung aus 3 nach der
Herstellung von Spannuten (z. B. durch Schleifen),
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5 eine
Ansicht entsprechend 4, jedoch zu einer Variante
des Bohrers, und
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6 den
Querschnitt durch einen fertig geformten Tieflochbohrer gemäß der
Ausführungsform nach 5, nach
Fertigstellung der Spannuten und der Rundfasen, wobei in der rechten
und der linken Hälfte der 6 jeweils
eine andere Variante dargestellt ist.
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Man
erkennt in 1 schematisch den Rohling eines
Tieflochbohrers mit einem Schaft 1 und einem Schneiteil 2,
wobei der Schneidteil 2 in diesem Rohzustand weder Spannuten
noch Schneidkanten aufweist, sondern lediglich als im wesentlichen
zylindrischer Stab mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis
(Länge L; Durchmesser D = 2R) von mindestens 10 (in
dem dargestellten Ausführungsbeispiel unterbrochen gezeichnet)
hergestellt ist. Der Schneidteil 2 weist eine durch eine
gestrichelte Linie abgetrennt dargestellte konische Schneidspitze 3 mit einem
Spitzenwinkel > 90° auf
und auch der Schneidteil 2 weist eine hier übertrieben
dargestellte, äußerst geringe Konizität
auf, die einer Durchmesserverjüngung von der Schneidspitze 3 bis
zum Schaft 1 von 0,1 μm bis maximal 60 μm
pro Millimeter Länge entspricht. Bei einem Bohrer mit einem
Nenndurchmesser von 10 mm und einer Schneidteillänge von
120 mm beträgt also die Durchmesserverjüngung
zwischen Spitze und Schaft nur zwischen etwa 12 μm und
maximal 720 μm, wobei bevorzugte Verjüngungen
bei etwa 1 μm pro mm Länge lägen, d.
h. im vorliegenden Beispiel würde bei einer Länge
L von 100 mm die Verjüngung insgesamt z. B. 0,1 mm betragen und
wäre demnach in der Zeichnung nicht sichtbar. Zur Verdeutlichung
ist deshalb diese Verjüngung in 1 übertrieben
dargestellt. Statt der konischen Verjüngung könnte
aber der Spannutenabschnitt dieses Rohlings (der noch nicht mit
Spannuten versehen ist) auch einfach zylindrisch mit einem z. B.
um 10 μm bis 200 μm kleineren Durchmesser als
es dem Zweifachen des Nennradius entspricht, ausgebildet sein. In
einer bevorzugten Variante des entsprechenden Herstellungsverfahrens
wird dieser Rohling vor dem Einschleifen aller weiteren Konturen
mit einer harten, verschleißfesten und vorzugsweise auch
reibungsarmen Beschichtung versehen.
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2 zeigt
den Rohling nach einer weiteren Bearbeitungsstufe, in welcher ein
an die Schneidspitze 3 angrenzender Teil 9 des
Spannutenabschnitts 4 eine stärkere konische Verjüngung
erfahren hat, die typischerweise zwischen 1 μm und 8 μm
pro mm Nutzlänge beträgt, wobei sich dieser verjüngte
Abschnitt 9 über eine axiale Länge a
erstreckt, die mindestens dem Einfachen des Nennradius bis maximal dem
Sechzehnfachen des Nennradius entspricht. Typischerweise erstreckt
sich dieser Abschnitt mit einer zusätzlichen konischen
Verjüngung, der an der Schneidspitze beginnt, über
eine axiale Länge vom Zehnfachen des Nennradius R (Fünffachen
des Durchmessers). Ausgehend von einer mittleren Verjüngung
von etwa 4 μm pro mm axialer Länge und einer Länge
des konischen Abschnitts, die dem Fünffachen des Durchmessers
entspricht (was in der Zeichnung verkürzt dargestellt ist),
könnte also die Durchmesserverjüngung vom maximalen
Radius an der Schneidspitze bis zum minimalen Radius am Ende des
vorderen konisch verjüngten Abschnitts bei etwa 200 μm
im Durchmesser, d. h. bei ca. 100 μm im Radius, liegen.
In einer Variante des Herstellungsverfahrens erfolgt die Beschichtung
mit einem harten, verschleißfesten Material erst nach dieser
Bearbeitungsstufe des Rohlings Anschließend wird die verbliebene
Kontur des Spannutenabschnitts so hinterarbeitet, daß lediglich
in gewissen Abständen Stützringe bzw. Stützrippen 7 stehenbleiben,
deren Außendurchmesser nach wie vor der (leicht konischen oder
zylindrischen) Kontur des ursprünglichen Rohlings entspricht
(siehe 3).
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Zwischen
den Stützringen 7 hat der Spannutenabschnitt dann
vorzugsweise einen Durchmesser, der in etwa dem vor dem ersten Stützring
liegenden kleinsten Durchmesser des vorderen, konisch verjüngten
Abschnitts 9 entspricht. Mit anderen Worten, in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Spannutenabschnitts
zwischen dem vorderen konischen Abschnitt und dem Schaft in etwa
konstant um beispielsweise 250 μm geringer als der Nenndurchmesser
des Bohrers, der durch den Durchmesser der Schneidecken an der Spitze
des Bohrers definiert wird. Die Außenfläche der
Stützringe folgt dabei der Kontur des ursprünglichen
Rohlings, d. h. sie liegen entweder auf einer zylindrischen oder
sich sehr leicht konisch verjüngenden Oberfläche.
Dabei weisen nur noch die Außenflächen der Stützringe,
die bis dahin unbearbeitete Bohrerspitze 3 und gegebenenfalls
der vordere konische Abschnitt 9 die gegebenenfalls aufgebrachte
harte und verschleißfeste Beschichtung auf.
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In
dem nächstfolgenden Bearbeitungsschritt gemäß 3 werden
die Schneidspitze 3 mit entsprechenden Schneidkanten und
die schraubenförmig umlaufenden Spannuten 5 hergestellt.
Es versteht sich, daß auch die Stützringe bzw. – Rippen 7 im
Bereich der Spannuten 5 vollständig entfernt werden.
Darüber hinaus können auch die verbleibenden Stege 6 noch
weiterhin hinterarbeitet und im Durchmesser reduziert werden, wobei
nur entlang der an die Spannuten anschließenden, in Umfangsrichtung vorderen
Kanten der Stege sogenannte Rundfasen 8 verbleiben, die
im Durchmesser nicht weiter reduziert werden, sondern dem um beispielsweise
250 μm im Durchmesser reduzierten zylindrischen Abschnitt zwischen
den Stützringen gemäß 3 entsprechen.
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Die 4 und 5 zeigen
Ausschnittvergrößerungen aus dem Spannutenabschnitt 4 des Bohrers
gemäß 3, jedoch nach der Herstellung von
Schneidkanten und Spannuten 5. 5 zeigt eine
Variante mit glatten, unstrukturierten Außenflächen
der Stege 6, die allerdings mit den erfindungsgemäßen
Stützrippen 7 versehen sind, welche sich in Umfangsrichtung
entsprechend der Stegbreite über die Außenflächen
des Stege 6 erstrecken. 5 zeigt
eine Variante, bei welcher die Außenfllächen der
Stege weiter hinterarbeitet sind, so daß nur noch Rundfasen 8 den
ursprünglichen Außendurchmesser zwischen den Stützringen 7 des
Spannutenabschnittes 4 der Zwischenstufe gemäß 3 haben.
Bei dieser Ausführungsform weisen nur noch die Außenflächen
der Rundfasen 8 an voneinander beabstandeten axialen Positionen
jeweils Abschnitte der ursprünglich ringförmig
umlaufenden Stützrippen 7 auf Dabei ist gemäß 5 eine
entsprechende Rundfase 8' zusätzlich auch in einem
von der in Umfangsrichtung vorderen Kante 12 (= Nebenschneidkante) der
Stege beabstandeten Bereich vorgesehen, wie man in 5 und
auch im rechten Teil der 6 erkennen kann. Bei einem Bohrer
mit zwei Hauptschneidkanten und dementsprechend zwei Spannuten und
zwei Stegen, die um jeweils 180° versetzt schraubenförmig
um den Kern des Bohrers verlaufen, haben dann die in Umfangsrichtung
aufeinander folgenden (benachbarten) Abschnitte 7, 7' der
Stützringe eine Umfangsabstand von deutlich weniger als 180°,
was sicherstellt, daß die Amplitude etwaiger Querschwingungen
des Bohrers auch in einer Ebene senkrecht zu der Ebene, die die
auf den Rundfasen 8 angebrachten Stützringabschnitte 7 verbindet,
entsprechend begrenzt wird. Es versteht sich, dass die zweite Rundfase 8' eines
Steges 6 auch noch weiter in Richtung der (in Umfangsrichtung)
hinteren Kante des jeweiligen Steges 6 versetzt sein kann
als es in 6 schematisch dargestellt ist.
Die Stützringabschnitte 7, 7' bei einer
gegebenen axialen Position könnten dann jeweils um einen
Winkel zwischen 80° und 100°, vorzugsweise um
etwa 90°, versetzt zueinander angeordnet werden.
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6 zeigt
demnach in einem senkrecht zur Bohrerachse verlaufenden Schnitt
in der rechten und der linken Hälfte zwei verschiedene
mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der im linken Teilbild erkennbaren Ausführungsform sind
Rundfasen 8 nur entlang der vorderen Kanten, d. h. entlang
der sogenannten Nebenschneidkanten 12 der Stege 6 vorgesehen,
gemäß dem rechten Teilbild ist eine zusätzliche
Rundfase 8' auch im Abstand von der vorderen Kante 12,
d. h. in Umfangsrichtung versetzt auf der Umfangsfläche 13 des
Steges 6 vorgesehen, wie dies der Ausführungsform
nach 5 entspricht. Diese Rundfasen 8' folgen
dem schraubenförmigen Verlauf der Stege 6 und
Spannuten 5 und erstrecken sich somit über die
gesamte Länge l des Spannutenabschnitts, falls gewünscht
mit Ausnahme des vorderen konischen Bereichs 9.
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Man
erkennt in 6 zusätzlich auf den Rundfasen 8, 8' noch
die erwähnten Stützrippen 7, 7' oder
Stützringe, wobei allerdings von den ursprünglichen
Stützringen nur noch sehr kurze Abschnitte 7, 7' verblieben
sind, deren Länge der in Umfangsrichtung gemessenen Breite
der Rundfasen 8 entspricht. Diese Stützringe reduzieren
an wenigen axialen Positionen und auch jeweils an wenigen Umfangspunkten die
Durchmesserdifferenz zwischen Bohrlochwand und Oberfläche
des Spannutenabschnitts bis auf sehr geringe Werte in der Größenordnung
von vorzugsweise nur 5 μm bis 50 μm, so daß diese
Stützrippen 7 schon bei sehr geringen Schwingungsamplituden
mit der Wand des Bohrlochs in Berührung kommen und damit
die Schwingungsamplituden begrenzen. Da diese Stützrippen
typischerweise nur in axialen Abständen zwischen dem Einfachen
und dem Sechzehnfachen des Nennradius, vorzugsweise etwa dem Zehnfachen
des Nennradius entlang des Spannutenabschnitts angeordnet sind und
da die Stützrippen 7 auch in Umfangsrichtung aus
nur sehr kurzen Abschnitten bestehen, rufen sie nur eine geringe
zusätzliche Reibung hervor, welche die Funktion des Bohrers
im übrigen nicht beeinträchtigt.
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Die
axialen Abstände benachbarter Stützrippen werden
dabei zweckmäßigerweise so gewählt, daß die
auf den Rundfasen verbleibenden Abschnitte der Stützrippen 7 auf
axial benachbarten Stützrippen unterschiedliche Umfangspositionen
einnehmen, vorzugsweise um jeweils mindestens 30°, im Falle der
Ausführungsform im linken Teilbild der 6 vorzugsweise
um 90° und im Falle der Ausführungsform im rechten
Teilbild der 6 vorzugsweise 45° oder um
90° versetzt zueinander.
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Der
durch die vorderen Hauptschneidkanten 11 definierte Nennradius
R des Bohrers ergibt sich aus der in 6 gestrichelt
eingezeichneten zylindrischen Bohrlochwand 15. Dieser Radius
R ist geringfügig, d. h. beispielsweise bei Bohrern mit
Nenndurchmessern unterhalb von 5 mm um 10 μm bis 100 μm
größer als der Radius r2 der
Stützrippen. Dieser Radius r2 der
Stützrippen ist wiederum um beispielsweise 100 bis 500 μm
größer als der Radius. r1 des Spannutenabschnittes,
der durch den Radius der Rundfasen 8, 8' bestimmt
wird. der Radius r1' der hinterarbeiteten
Umfangsflächen 13 der Stege 6 ist nochmals
um einige 100 μm geringer als der Radius r1.
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Darüber
hinaus ermöglichen es die Stützrippen 7,
abweichend von den zuvor beschriebenen, herkömmlichen Durchmesserreduktionen
und Hinterarbeitungen, sowohl die konische Verjüngung im
vorderen Abschnitt als auch die Durchmesserreduzierung des gesamten
Spannutenabschnitts gegenüber den derzeit üblichen
Tieflochbohrern zu verringern, da aufgrund der vorstehenden Stützrippen
nun nicht mehr die Gefahr besteht, daß die Umfangsflächen 13 der
Stege oder der Rundfasen 8, 8' mit der Bohrlochwand
in Eingriff treten.
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Falls
nicht schon der Rohling gemäß 1 oder 2 mit
einem harten, verschleißfesten und eventuell auch reibungsarmen
Material beschichtet wurde, können abschließend
die Stützringe 7, 7' und eventuell auch
die Rundfasen 8, 8' zusätzlich mit einem
Material beschichtet werden, welches die Verschleißfestigkeit
erhöht und vorzugsweise auch nur eine geringe Reibung mit
den zu bearbeitenden Werkstückmaterialien hat.
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Auch
der vordere Bereich einschließlich der Spitze 3 des
Bohrers kann bei Bedarf bis zu einer Länge, die maximal
dem Dreifachen des Nenndurchmessers entspricht, mit einem Material
zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit beschichtet werden.
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Ein
vorderer Spitzenabschnitt des Bohrers, der die Spitze
3 und
einen weiteren, kurzen Teil des Spannutenabschnittes
4 umfasst,
kann auch als auswechselbarer Spitzenabschnitt (nicht dargestellt)
mit dem übrigen Teil des Spannutenabschnittes
4 lösbar und
austauschbar verbunden sein, wie dies beispielsweise aus der
EP 0 874 706 bekannt ist
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005005982 [0002]
- - EP 0874706 [0057]