DE102011000793A1

DE102011000793A1 - Selbstschärfendes Bohrwerkzeug

Info

Publication number: DE102011000793A1
Application number: DE102011000793A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Bode & Ortner Ip Pooling GmbH
Current assignee: LINDENTREE GMBH, DE
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Vorgesehen ist ein Bohrwerkzeug (1) mit einem Kopfabschnitt (2) an dessen Hauptschneidenkanten (3, 3') Freiflächen (4, 4') und Spanflächen (5) keilförmig aufeinander treffen, wobei der Kopfabschnitt (2) einen Grundkörper (6) mit einer ersten Härte und eine Beschichtung (7) mit einer zweiten Härte aufweist, wobei die erste Härte kleiner als die zweite Härte ist, und wobei die Beschichtung so auf dem Grundkörper angeordnet oder aufgebracht ist, dass ihre dem Grundkörper abgewandte Oberfläche (8) die Freiflächen ausbildet und dass die Spanflächen bis auf einen im wesentlichen der Beschichtungsdicke d entsprechenden Abschnitt (9) durch einen nicht beschichteten Oberflächenabschnitt (10) des Grundkörpers ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein selbstschärfendes Bohrwerkzeug, etwa einen Spiralbohrer.
Überraschend hat sich gezeigt, dass ein an sich für Schneidmesser schon bekanntes Prinzip der Selbstschärfung aus der DE 10 2004 052 682 A1 sich ebenfalls auf Bohrwerkzeuge übertragen lasst, deren Geometrie einem Zerspanungsvorgang statt einem Schneidvorgang angepasst sein und damit völlig anderen Druck-, Zug-, Biege- und Torsions- und Temperaturbeanspruchungen genügen muss, als dies etwa bei Schneidmessern der Fall ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bohrwerkzeug zur Verfügung zu stellen, welches es ermöglicht, dass sich das Bohrwerkzeug bei Gebrauch durch gezielte Abrasion selbst schärft, insbesondere ohne Änderung des Bohrernenndurchmessers oder Verschlechterung des Spantransportes.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Bohrwerkzeugs sind in den entsprechenden abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Nach der Erfindung wird die Selbstschärfung durch gezielte Abrasion der Hauptschneide durch das Werkstück erzielt; das Prinzip der Selbstschärfung basiert bei dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug auf der Kombination gezielter Oberflächenhärtung bzw. der Ausbildung einer harten Beschichtung, sowie aufeinander abgestimmter Eigenschaften der Werkzeugwerkstoffe in Verbindung mit dem zu bearbeitenden Werkstück. Hierbei sind insbesondere die Härten der beim erfindungsgemäßen Bohrer kombinierten Werkstoffe entscheidend. Lediglich ein begrenzter Anteil bzw. eine dünne Schicht bzw. Beschichtung der Werkzeugoberfläche ist als gehärtete Komponente bzw. harte Beschichtung ausgebildet. Als hoch verschleißfeste Beschichtung kommen hierbei einerseits keramische Beschichtungen und andererseits die Ausbildung einer Hartmetall-Hartschicht in Betracht, wenn das Bohrwerkzeug insgesamt als Gradienten-Hartmetall (bzw. Funktionsgradienten-Hartmetall) ausgebildet ist.
Unter Keramik bzw. keramischer Beschichtung kann ein nicht metallischer anorganischer, vollständig oder teilweise kristalliner Werkstoff, welcher bei der Herstellung auf hohe Temperaturen erhitzt wird, verstanden werden. Geeignet können hierbei Keramiken aus der Gruppe der Silikatkeramiken sein. Als Hartmetalle können Legierungen bezeichnet werden, die auf pulvermetallurgischem Wege aus metallischen Hartstoffen und aus zähen Metallen der Eisengruppe, sog. Bindemetallen, hergestellt sind. Die Hartstoffphase besteht oft aus Karbiden bzw. weist Karbide auf. Insbesondere für den Einsatz im Rahmen der erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuge kann Wolframkarbid (WC) geeignet sein. Die Bindemetallphase kann vorzugsweise durch Kobalt (Co) gebildet sein. Da an der Grenzfläche von der Hartmetall-Hartbeschichtung und dem eine geringere Härte aufweisenden Grundkörper des Bohrwerkzeugs unter Umständen Probleme auftreten können, etwa eine Ablösung der Beschichtung unter Belastung, können ebenfalls Funktionsgradienten-Hartmetalle eingesetzt. Hierbei existiert anstelle einer scharf definierten Grenzfläche zwischen harter Beschichtung und Hartmetall innerhalb des Grundkörpers ein kontinuierlicher Übergang der Härte von der Außenschicht bzw. Beschichtung ins Innere des Grundkörpers. Funktionsgradienten-Hartmetalle können bekanntermaßen durch Vakuumsintern oder Mikrowellensintern hergestellt werden.
Die Beschichtung und der Grundkörper unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Werkstoffeigenschaften derart, dass der Grundkörper eine höhere Biegefestigkeit gegenüber der Beschichtung aufweist. Das Abrasionsverhalten des Grundkörpers soll zudem im Vergleich zur Beschichtung erhöht sein, um die selbstständige Ausbildung einer scharfen Hauptschneidenkante zu ermöglichen. Dies ist durch einen höheren Gleitreibungskoeffizienten (auch als Reibbeiwert, Reibungszahl oder Reibungskoeffizient bezeichnet) der Paarung Grundkörper/Werkstückmaterial im Vergleich zum Gleitreibungskoeffizienten der Paarung Beschichtung/Werkstückmaterial erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßes Bohrwerkzeug weist gegenüber Bohrwerkzeugen nach dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf: Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs kann die Standzeit deutlich erhöht werden. Hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit eines mit einem Bohrwerkzeug durchgeführten Zerspanungsprozesses deutlich verbessert.
Ferner bewirkt der Einsatz selbstschärfender erfindungsgemäßer Bohrer eine über die gesamte Nutzungsdauer des Bohrers konstante Produktqualität.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Das in 1 gezeigte Bohrwerkzeug 1 weist einen Kopfabschnitt 2 auf, an dessen Hauptschneidenkanten 3 Freiflächen 4 und Spanflächen 5 keilförmig aufeinander treffen, wobei der Kopfabschnitt 2 einen Grundkörper 6 aus Werkzeugstahl und eine Beschichtung 7 aus einem Wolframkarbid-Hartmetall besteht. Eine Bindemetallphase der Beschichtung ist durch Kobalt (Co) gebildet. Die Beschichtung 7 ist so auf dem Grundkörper 6 auf dem Grundkörper aufgebracht ist, dass ihre dem Grundkörper abgewandte Oberfläche 8 zumindest im Bereich der Hauptschneiden die Freiflächen 4 bildet. Die Spanflächen 5 sind bis auf einen im wesentlichen der Beschichtungsdicke d entsprechenden Abschnitt 9 entlang der Hauptschneiden durch einen nicht beschichteten Oberflächenabschnitt 10 des Grundkörpers 6 ausgebildet.
Es versteht sich das der hier einstückig einen Spiralbohrer ausbildende Grundkörper 6 auch lediglich den Kopfabschnitt 2 ausbilden kann. Dieser Kopfabschnitt 2 kann in diesem Fall etwa durch Hartlöten fluchtend mit einem Bohrwerkzeugabschnitt, der insbesondere den Bohrerschaft bilden kann, zu einem einsatzfähigen Bohrwerkzeug 1 verbunden werden.
Der Grundkörper 6 weist auf einer Freiflächenseite 4, 4' eine Beschichtung 7 auf, deren Härte deutlich größer als die Härte des Grundkörpers 6 ist. Es versteht sich, dass die Beschichtung 7 nicht die gesamte Freifläche 4, 4' ausbilden muss, sondern lediglich im Bereich der beiden Hauptschneiden 3, 3' vorzusehen sein kann. So ist es beispielsweise völlig unproblematisch, die Freiflächen 4, 4' nach einer Beschichtung teilweise wieder von der Beschichtung 7 zu befreien, etwa durch nachträgliches Schleifen von in 1 gezeigten Facette 11 im Bereich des Kühlkanals 12, oder der darunter liegenden Facette 13, oder generell die Beschichtung 7 dort gar nicht erst vorzusehen.
Die mittlere Dicke d der Beschichtung 7 ist generell wesentlich kleiner als die mittlere Dicke D des Grundkörpers 6 senkrecht zur Beschichtung 7. Grundkörper 6 und Beschichtung 7 sind so gestaltet, dass die ein Freiflächenabschnitt 4, 4' des Bohrwerkzeugs 1 durch die (Grundkörperabgewandte) Oberfläche 8 der Beschichtung 7 gebildet wird. Die Spanflächen 5 des Bohrwerkzeugs 1 werden durch die an der Hauptschneidenkante 3, 3' auf die Freiflächen 4, 4' treffenden Flächen des Grundkörpers gebildet. Der variierende Keilwinkel beträgt im vorliegenden Fall im Mittel etwa 35 Grad.
Die gehärtete Oberfläche bzw. die Beschichtung 7 besitzt vorzugsweise einen geringen Reibbeiwert bzw. eine geringe Reibungszahl als das Grundkörpermaterial für geeignet ausgewählte zu bearbeitende Werkstücke. Der Grundkörper 7 besteht, wie bereits beschrieben, aus einem deutlich weicheren Werkstoff und besitzt im Vergleich zu der Beschichtung 7 einen höheren Reibbeiwert bzw. einen kleineren Kehrwert des Reibbeiwertes.
Entscheidend ist, dass lediglich jede Freifläche 4, 4' zumindest im Bereich der Hauptschneiden 3, 3' oberflächlich gehärtet ist (Beschichtung). Die Härtung bzw. Beschichtung ist hierbei im Vergleich zum Grundkörper sehr dünn ausgeführt, sie kann linear entlang der Hauptschneiden variieren, bevorzugt zwischen 100 μm und 200 μm am äußeren Bohrerrand bis hin zu 10 μm bis 50 μm in Richtung des Bohrerzentrums. Dadurch, dass der Grundkörper 6 aus einem deutlich weicheren Werkstoff wie die Beschichtung 7 besteht und im Vergleich zur Beschichtung einen höheren Reibbeiwert besitzt, verursacht der Kontakt des Werkstücks mit dem weicheren Werkstoff des Grundkörpers eine definierte Abrasion an der unbeschichteten Spanfläche des Bohrers. Eine Beschichtung nutzt entsprechend des Härteverhältnisses zwischen Beschichtung und Grundkörperwerkstoff derart ab, dass sich permanent eine scharfe Hauptschneidenkante ausbildet.
Das Bohrwerkzeug kann als Funktionsgradienten-Hartmetall-Werkzeug ausgeführt sein. Im Beispiel ist das Bohrwerkzeug als Keramik-Metall-Verbund ausgeführt (die dünne Beschichtung 7 ist als Keramik ausgeführt, der Grundkörper 6 aus Metall, insbesondere aus Werkzeugstahl).
Die unterschiedlichen Härteverhältnisse und Reibbeiwerte ermöglichen in Kombination mit der Werkzeuggeometrie die beschriebene Selbstschärfung des Bohrwerkzeugs 1. Das Werkzeug 1 wird im Betrieb durch Abrasion beansprucht. Die bis auf Abschnitt 9 unbeschichtete Spanfläche 5 nutzt aufgrund der geringeren Härte und aufgrund des höheren Reibbeiwerts deutlich stärker ab als die beschichtete Freifläche 4, 4', sodass sich die Hartschicht als scharfe Kante ausbildet und sich so ein Selbstschärfungseffekt ergibt. Die genauen Werte der Reibungskoeffizienten, der Härten, Beschichtungsdicke und der Bohrergeometrie sind abhängig zu bestimmen unter Beachtung etwa von Drehzahl, Bohrernenndurchmesser und Werkstückmaterial. Durch unterschiedliche Reibbeiwerte von Beschichtungswerkstoff und Grundkörperwerkstoff können unterschiedliche Abnützungsraten realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Bohrwerkzeug
2: Kopfabschnitt
3, 3': Hauptschneidenkanten
4, 4': Freiflächen
5: Spanflächen
6: Grundkörper
7: Beschichtung
8: Oberfläche
9: Abschnitt
10: Oberflächenabschnitt
11: Facette
12: Kühlkanal
13: Facette
d: Beschichtungsdicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004052682 A1 [0002]

Claims

Bohrwerkzeug (1) mit einem Kopfabschnitt (2) an dessen Hauptschneidenkanten (3, 3') Freiflächen (4, 4') und Spanflächen (5) keilförmig aufeinander treffen, wobei der Kopfabschnitt (2) einen Grundkörper (6) mit einer ersten Härte und eine Beschichtung (7) mit einer zweiten Härte aufweist, wobei die erste Härte kleiner als die zweite Härte ist, und wobei die Beschichtung so auf dem Grundkörper angeordnet oder aufgebracht ist, dass ihre dem Grundkörper abgewandte Oberfläche (8) die Freiflächen ausbildet und dass die Spanflächen bis auf einen im wesentlichen der Beschichtungsdicke d entsprechenden Abschnitt (9) durch einen nicht beschichteten Oberflächenabschnitt (10) des Grundkörpers ausgebildet sind.
Bohrwerkzeug (1) nach Anspruch 1, wobei der nicht beschichtete Oberflächenabschnitt (10) des Grundkörpers (6) durch Abschleifen der Beschichtung (7) an diesem Abschnitt erzeugt ist.
Bohrwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Beschichtung d senkrecht zur Schichtebene über 50 μm und/oder unter 200 μm beträgt.
Bohrwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Beschichtung (7), die eine Keramik, insbesondere eine Titankeramik enthält oder daraus besteht.
Bohrwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (6) insbesondere im Kopfabschnitt Stahl enthält oder daraus besteht.
Bohrwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Grundkörper (6) und/oder eine Beschichtung (7), der bzw. die eine Hartmetalllegierung bzw. eine Legierung, welche einen metallischen Hartstoff und ein Bindemetall aufweist, enthält oder daraus besteht.
Bohrwerkzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff ein Carbid, insbesondere Titancarbid TiC ist.
Bohrwerkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung von innen nach außen linear zunimmt.