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Die
Erfindung betrifft eine Bohrerspitze für ein Bohrwerkzeug
zur Zerspanung insbesondere von Stahl- oder Guss-Werkstoffen, beispielsweise
Grauguss und insbesondere graphitische Werkstoffe (Kugelgraphit
(GGG), Vermiculargraphit (GGV)) oder zwischenstufenvergütetes
Gusseisen (Austempered Ductile Iron-ADI).
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Aus
der
EP 1 230 058 B1 ist
eine Bohrerspitze mit einem sogenannten Spiropoint-Anschliff oder Schraubenflächenanschliff
als Spitzenanschlifft offenbart. Kennzeichnend für diese
Anschliffform ist die >>S<<-förmige
Querschneide, die bogenförmig in die Hauptschneide mündet.
Der Vorteil dieses Anschliffs ist eine hohe Zentriergenauigkeit
und eine durch den vergleichsweise großen Freiwinkel im
Zentrum dort erreichte Reduktion der thermischen Belastung. Ein Nachteil
dieses Anschliffs ist die benötigte relativ große
Vorschubkraft, die in der bei diesem Anschliff üblichen
relativ langen Querschneide ihre Ursache hat. Aus den oben genannten
Vor- und Nachteilen ergibt sich, dass Bohrwerkzeuge mit Spiropoint-Anschliff vorzugsweise
bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und relativ kleinen Vorschüben
eingesetzt werden.
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Der
konventionelle Anschliff bei Wendelbohrern ist der Kegelmantelanschliff,
bei dem die Freifläche Teil eines Kegelmantels ist. Bei
diesem Anschliff reduziert sich der Spanwinkel bis zur Bohrermitte
und kann vergleichsweise hohe negative Werte im Bohrerzentrum aufweisen.
Der Freiwinkel ist im Zentrum entsprechend gering. Dadurch erhöht
sich die Reibung vor allem im Zentrum des Bohrerspitze, wo auch
eine Scherung und Quetschung des zu zerspanenden Werkstoffs stattfindet.
Die Scherung und Quetschung des Werkstoffes im Zentrum verursacht eine
hohe thermische und mechanische Belastung des Werkzeuges. Als Folge
dieser Belastung kann sich Kolkverschleiß in der Ausspitzung
der Bohrerspitze zeigen, der zum Kolklippenbruch und damit bis hin
zum plötzlichen und völligen Werkzeugausfall führen
kann (evtl. Werkzeugbruch). Zudem sind beim Kegelmantelanschliff
die Zentriereigenschaften im Vergleich zum Schraubenflächenanschliff
weniger gut. Aufgrund der vergleichsweise kurzen Querschneide werden
beim Kegelmantelanschliff jedoch geringere Vorschubkräfte
benötigt.
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Bekannt
sind ferner Kegelmantelanschliffe, deren Freiwinkel im Zentrum der
Bohrerspitze kleiner ist, als im Bereich des Schneidenecks, also
am Übergang der Hauptschneide zur Nebenschneide. Durch einen
geeigneten Flächenanschliff der Freifläche bis zum
Bohrerspitzenzentrum, genauer bis zu einem Übergang zu
einer dort angebrachten Ausspitzung, lässt sich ein in
radialer Richtung stets gleicher Freiwinkel von etwa 8 Grad bis
hin zu 10 Grad erreichen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bohrerspitze vorzuschlagen, die
neben guten Zentriereigenschaftenden den Vorteil eines relativ großen
zentralen Freiwinkels besitzt und die oben genannten Nachteile verkleinern
kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren
anzugeben, mit der eine solche Bohrerspitze angeschliffen werden kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Bohrerspitze nach Anspruch
1. Weitere positive Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in
den Unteransprüchen. Die vorgeschlagene Bohrerspitze weist über eine
Querschneide miteinander verbundene Hauptschneiden auf. An jede
der Hauptschneiden schließt sich eine Hauptfreifläche
an, wobei die Hauptfreifläche ausgehend vom Außenumfang
der Bohrerspitze in Axialrichtung einen zunehmenden Freiwinkel ausbildet.
Dabei ist im Bereich der Querschneide ein um einen Faktor von 1,2-
bis 2,2 größerer Freiwinkel ausgebildet ist, als
im Bereich des Außenumfangs.
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Durch
die vorgeschlagene Bohrerspitze wird vorteilhafterweise ein größerer
Freiwinkel im Zentrum der Bohrerspitze ausgebildet, als im Übergang der
Hauptschneide zur Führungsfase, also am Außenumfang
der Bohrerspitze. Der Freiwinkel wird abhängig vom Durchmesser
der Bohrerspitze gewählt, vorzugsweise so, dass bei kleinem
Durchmesser der Bohrerspitze bzw. des Werkzeugs ein verhältnismäßig
großer Freiwinkel gewählt wird und umgekehrt. Ein
großer Freiwinkel im Zentrum reduziert wirksam Quetschvorgänge.
Außerdem kann bei einem großen Freiwinkel im Zentrum
die Querschneidenbreite kleiner gewählt werden, da aufgrund
der dann geringeren mechanischen Belastung der Schneidkeil der Bohrerspitze
weniger stabil ausgelegt werden kann. Die kleinere Querschneidenbreite
kann etwa durch eine positive Ausspitzung erreicht werden.
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Bei
größeren Werkzeugdurchmessern ist weiterhin ein
stabiler Steilkeil erforderlich, da aufgrund der dort üblicherweise
verwendeten größeren Vorschübe höhere
mechanische Belastungen entstehen. Allerdings hat sich gezeigt,
dass auch dort Werkzeuge mit verhältnismäßig
kleinen Querschneidenbreiten große Vorschübe verkraften
können.
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In
einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Hauptfreifläche
in mehrere, sich reihenförmig einander anschließenden
Nebenfreiflächen, die sich ferner jeweils der Hauptschneide
anschießen, aufgeteilt, wobei jeweils eine innere Nebenfreifläche
einen größeren Freiwinkel aufweist, als eine sich
daran anschließende äußere Nebenfreifläche. Hier
hat sich insbesondere als günstig erwiesen, wenn eine erste
Nebenfreifläche sich der Querschneide anschließt
und einen definierten Freiwinkel im Bereich von 13 bis 15 Grad ausbildet,
und eine zweite Nebenfreifläche sich der ersten Nebenfreifläche
anschließt und einen definierten Freiwinkel im Bereich
von 11 bis 12,9 Grad ausbildet, und weiter eine dritte Nebenfreifläche
sich zweiten Nebenfreifläche anschließt und einen
definierten Freiwinkel im Bereich von 9 bis 10,9 Grad ausbildet
und wobei schließlich eine vierte Nebenfreifläche
sich dritten Nebenfreifläche anschließt und einen
definierten Freiwinkel im Bereich von 7 bis 8,9 Grad ausbildet. Selbstverständlich
können auch 3, 5, 6 oder noch mehr Nebenfreiflächen ausgebildet
sein, wobei in diesen Fällen die Winkelbereiche entsprechend
kleiner oder größer unterteilt werden müssen.
Pro Nebenfreifläche wird also ein Freiwinkel ausgebildet.
So beträgt etwa bei einem Werkzeugdurchmesser von 10 mm
der Freiwinkel der fassettenförmig ausbildbaren Nebenfreifläche
an der Schneidenecke (sofern überhaupt eine solche an der
Bohrerspitze ausgebildet ist) rund 8 bis 10 Grad und steigt in Sprüngen
von 2 oder 3 Grad zum Zentrum der Bohrerspitze hin auf ein Maximum
von 14 Grad an.
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In
einem besonderen Ausführungsbeispiel bildet die Hauptfreifläche
mit der einfachen Formel y = mx + b einen Freiwinkel in Abhängigkeit
von dem Abstand der Nebenfreifläche zur Mittelachse der Bohrerspitze
aus, wobei y der genannte Abstand zur Mittelachse in Millimeter,
x der Freiwinkel in Grad; m ein Wert zwischen –1,5 und –2
und b ein Wert zwischen 25 und 30, insbesondere zwischen 27 und
29 ist. Mit dieser Formel hat bei einer Bohrerspitze mit 15 mm Durchmesser
eine innerste Nebenfreifläche, die etwa 1,5 mm bis 2,5
mm von der Mittelachse entfernt ist, einen Freiwinkel von 14 Grad,
eine Nebenfreifläche, die etwa 2,5 mm bis 4 mm von der
Mittelachse entfernt ist, einen Freiwinkel von 12 Grad, eine Nebenfreifläche,
die etwa 4 mm bis 6 mm von der Mittelachse entfernt ist einen Freiwinkel
von 10 Grad, und eine Nebenfreifläche, die etwa 6 mm bis
7,5 mm von der Mittelachse entfernt ist einen Freiwinkel von 8 Grad.
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In
einer weiteren Ausführungsform bilden die Hauptschneiden
im Profil einen Radius, der um mindestens den Faktor 1,3, bevorzugt
mindestens den Faktor 5, und insbesondere mindestens den Faktor 10
größer als der Durchmesser der Bohrerspitze ist. Der
Radius ist möglichst groß zu wählen,
d. h. die Hauptschneide sollte wenig gekrümmt sein, etwa
um eine gute Zentrierbarkeit bei nachfolgenden Bohrwerkzeugen zu
erreichen. Insbesondere können die Hauptschneiden in diesem
oder in einem eigenen Ausführungsbeispiel in der Projektion
einen Radius bilden, der um mindestens den Faktor 1,3, bevorzugt mindestens
den Faktor 5, und insbesondere mindestens den Faktor 10 größer
als der Durchmesser der Bohrerspitze ist.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen,
dass die Hauptschneiden in der Projektion und im Profil jeweils
eine Gerade bilden.
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Es
ist ferner in einer weiteren Ausführung bevorzugt, dass
die Hauptschneide übergangslos kontinuierlich und kantenfrei
geschliffen ist.
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Ferner
ist noch vorgesehen, dass die Bohrerspitze eine die Querschneide
verkürzende Ausspitzung aufweist.
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Die
oben genannte Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren
zur Herstellung einer Bohrerspitze, wobei die Bohrerspitze über
eine Querschneide miteinander verbundene Hauptschneiden aufweist,
an die sich jeweils eine Hauptfreifläche anschließt,
wobei die Hauptfreifläche ausgehend vom Außenumfang
der Bohrerspitze in Axialrichtung einen zunehmenden Freiwinkel ausbildet,
wobei im Bereich der Querschneide ein größerer
Freiwinkel ausgebildet ist, als im Bereich des Außenumfangs, wobei
die Hauptfreifläche in mehrere, sich reihenförmig
einander anschließenden Nebenfreiflächen, die sich
ferner jeweils der Hauptschneide anschießen, aufgeteilt
ist, wobei jeweils eine innere Nebenfreifläche einen größeren
Freiwinkel aufweist, als eine sich daran anschließende äußere
Nebenfreifläche. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine Schleifscheibe und die Bohrerspitze in einem Schleifvorgang
derartig zueinander geführt werden, dass die Schleifscheibe
und die Bohrerspitze beim Schleifen der Nebenfreiflächen
eine überlagerten Bewegung gekippt werden, um die verschiedenen
Freiwinkel der Nebenfreifläche herzustellen. Das Verfahren ermöglicht
durch die Vor- und Zurückbewegung ein Oszillieren welches
in einem Schleifprogramm programmiert werden kann.
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Zum
Erreichen der Scheiben-Verfahrbewegung kann das Nutprofil des Bohrwerkzeugs
derart angepasst werden, dass eine Projektion der Hauptschneide
(Draufsicht auf die Bohrerspitze) als Gerade erscheint.
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Das
Verfahren kann dadurch weitergebildet werden, dass die Schleifscheibe
in einer kontinuierlichen Vor- und Zurückbewegung die Nebenfreiflächen
nacheinander schleift und dabei eine kreisförmige Bahnkurve
beschreibt.
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Die
Aufgabe kann auch durch ein alternatives Verfahren zur Herstellung
einer Bohrerspitze gelöst werden. Auch hier weist die Bohrerspitze über eine
Querschneide miteinander verbundene Hauptschneiden auf, an die sich
jeweils eine Hauptfreifläche anschließt, wobei
die Hauptfreifläche ausgehend vom Außenumfang
der Bohrerspitze in Axialrichtung einen zunehmenden Freiwinkel ausbildet,
wobei im Bereich der Querschneide ein größerer
Freiwinkel ausgebildet ist als im Bereich des Außenumfangs, wobei
die Hauptfreifläche in mehrere, sich reihenförmig
einander anschließenden Nebenfreiflächen, die sich
ferner jeweils der Hauptschneide anschießen, aufgeteilt
ist, wobei jeweils eine innere Nebenfreifläche einen größeren
Freiwinkel aufweist, als eine sich daran anschließende äußere
Nebenfreifläche. Bei dem alternativen Verfahren wird eine
Schleifscheibe und die Bohrerspitze in einem Schleifvorgang derartig
zueinander geführt, dass die Schleifscheibe in einer geraden
Bahn nach außen geführt wird und dabei gleichzeitig
gekippt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass eine gerade
Hauptschneide ausbildbar ist.
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Zum
Schleifen kann generell eine relativ schmale Topfscheibe, die auch
hohl oder rund abgerichtet sein kann, verwendet werden. Während
sich beim alternativ vorgeschlagenen Verfahren die Schleifscheibe
beim Anschliff einer ersten Nebenfreifläche auf einer Geraden
bewegt wird sie gleichzeitig um einen Kippwinkel gekippt. Es versteht
sich, dass alternativ auch das Bohrwerkzeug gekippt werden kann.
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Im
Folgenden werden anhand der Figuren einige vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindungen beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines gerade genuteten Vollhartmetall-Bohrers
mit einer Bohrerspitze gemäss einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
Stirnansicht des in 1 gezeigten Bohrerspitze;
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Die 1 und 2 zeigen
einen geradegenuteten Bohrer aus einem Hartmetall gemäss
einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Mit 101 ist eine
Hauptschneide bezeichnet, mit 105 eine Querschneide und
mit 102 ein Schneideneck. Dabei ist die Hauptschneide 101 in
zwei Abschnitte 101a, 101b eingeteilt: Im äußeren,
an die Nebenschneide anschließenden Abschnitt 101a weist
die Hauptschneide 101 in der durch Schneidenecke und Bohrerachsenparallele
am Aufpunkt der Querschneide 105 aufgespannten Ebene eine
stetige konvexe Krümmung auf, während sie in einem
Zentralabschnitt 101b in der durch Schneideneck 102 und
Bohrerachsenparallele am Aufpunkt der Querschneide 105 aufgespannten
Ebene geradlinig unter dem Spitzenwinkel α verläuft.
Dabei geht der Abschnitt 101a tangential in den Abschnitt 101b über;
mit T2 ist dabei die Tangente des Abschnitts 101a am Übergang
in den Abschnitt 101b eingezeichnet, die gleichzeitig ein Schenkel
des Spitzenwinkels α ist.
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Am
Außenende des Abschnitts 101a schließt die
Hauptschneide mit einem Winkel β (gemessen in der durch
das Schneideneck 102 und die Bohrerachsenparallele durch
den Aufpunkt der Querschneide 105 aufgespannten Ebene)
zwischen Tangente T1 an den gekrümmten Hauptschneidenabschnitt 101a und
Nebenschneide 103 ab, so dass ein zwar stumpfes aber dennoch
deutlich erkennbares Schneideneck 102 ausgebildet ist.
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Zwei
kegelmantelförmig angeschliffenen Hauptfreiflächen 109 weisen
zusätzlich eine Hinterschlifffläche 115 auf,
wobei sich jeweils am durch die Hauptfreifläche 109.
und die Hinterschlifffläche 115 gebildeten Kamm
eine Mündungs- bzw. Austrittsöffnung des – Y-förmigen – Innenkühlkanals
befindet.
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Ferner
weisen die Hauptfreiflächen 109 in 2 jeweils
vier sich an die Hauptschneide 101 anschließende
Nebenfreiflächen 122 bis 125 mit in Richtung
Bohrerachse ansteigendem Freiwinkel auf. Die Nebenfreifläche 122 liegt
dabei etwa zwischen 1,5 mm bis 2,5 mm von der Bohrerachse entfernt
und besitzt einen Freiwinkel von 14 Grad. Die Nebenfreifläche 123 liegt
etwa zwischen 2,5 mm bis 4 mm von der Bohrerachse entfernt und besitzt
einen Freiwinkel von 12 Grad. Die Nebenfreifläche 124 liegt
etwa zwischen 4 mm bis 6 mm von der Bohrerachse entfernt und besitzt
einen Freiwinkel von 10 Grad. Die Nebenfreifläche 125 liegt
etwa zwischen 6 mm bis 7,5 mm von der Bohrerachse entfernt und besitzt
einen Freiwinkel von 8 Grad. Die Nebenfreiflächen sind schraffiert
gezeigt, wobei die Schraffurflächen lediglich schematisch
zu verstehen sind. In 1 schließen sich jeweils
fünf Nebenfreiflächen der Hauptschneide an.
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Durch
die Hinterschliffläche 115 wird die Austrittsöffnung 117 zum
Stegrücken hin bzw. zur Spannut hin auf geweitet, so dass
es zu einem erhöhten Kühlmitteldurchsatz und einer
verstärkten Ableitung des Kühlmittels in die Spannut
kommt.
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Besonders
in 2 deutlich zu erkennen ist eine Ausspitzung 119,
die in einem Schleifgang mit einer wiederum in 1 besonders
deutlich zu erkennenden Hauptschneidenkorrektur 121 eingebracht
ist. Die Hauptschneidenkorrektur 121 gibt der Hauptschneide 101 ihren
in der Draufsicht geradlinigen Verlauf und stumpft den Spanwinkel
an der Hauptschneide 101 auf in etwa 90 Grad ab, so dass ein
besonders verschleißfester Schneidkeil entsteht. Die Ausspitzung 119 führt
zu einer trotz des grossen Kerndurchmessers DK kleinen Länge
der Querschneide 105, so dass einerseits im Zusammenwirken
mit dem Zentralabschnitt 101b der Hauptschneide 101 eine
gute Zentrierspitze gebildet wird und übermässige
Reibungswerte aufgrund der drückenden Querschneide 105 vermieden
werden können und andererseits eine hohe Stabilität
des Bohrers aufgrund des grossen Bohrerkerns gewährleistet
ist. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt
das Verhältnis Bohrernenndurchmesser zu Bohrerkern in etwa
3,5.
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Insgesamt
gelingt es mit der in den 1 und 2 gezeigten
Merkmalskombination der geradegenuteten Ausführungsform
der Erfindung, einen Bohrer herzustellen, der auf die Zerspanung
von abrasiven und hohe Zähigkeits- bzw. Biegefestigkeitsanforderungen
stellenden Werkstoffen wie beispielsweise Grauguss und insbesondere
GGV oder ADI optimiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Hauptschneide
- 102
- Schneideneck
- 103
- Nebenschneide
- 105
- Querschneide
- 109
- Hauptfreifläche
- 117
- Austrittsöffnung
- 119
- Ausspitzung
- 121
- Hauptschneidenkorrektur
- 122
- Nebenfreifläche
- 123
- Nebenfreifläche
- 124
- Nebenfreifläche
- 125
- Nebenfreifläche
- T1
- Tangente
- T2
- Tangente
- DK
- Kerndurchmesser
- α
- Spitzenwinkel
- β
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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