DE102011001177B4

DE102011001177B4 - Mehrschneidiges Bohrwerkzeug

Info

Publication number: DE102011001177B4
Application number: DE102011001177.3A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schwenk
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: DE102011001177A1; WO2012149916A1

Abstract

Mehrschneidiges Bohrwerkzeug zum Bohren ins Volle, mit einem Spitzenanschliff, bei dem der Freiwinkel (WNF1) der Hauptschneide (12) mit abnehmendem Abstand zur Bohrerachse (30) stetig zunimmt und die Hauptschneide (12) in eine Schneidkante (12A) einer vor Mitte liegenden Kernausspitzung (24) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass der Normal-Freiwinkel (WNF1i) der Hauptschneide (12, 12A) im Bereich der Kernausspitzung (24) im Bereich zwischen 7 und 11° und im Bereich des Schneidenecks (WNF1a) unter 5° liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschneidiges, insbesondere zweischneidiges Bohrwerkzeug zum Bohren ins Volle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bohrwerkzeuge dieser Art sind in der modernen Fertigungstechnik unabdingbar. Sie haben in den letzten Jahrzehnten eine enorme Entwicklung hinsichtlich Standzeit und Arbeitsgenauigkeit genommen. Aufgrund der immer genauer und stabiler arbeitenden Werkzeugmaschinen gelingt es auch, hoch komplexe Anschliffe reproduzierbar herzustellen, auch wenn das Material des Bohrwerkzeugs aus der Gruppe der Hartstoffe, wie z. B. der Hartmetalle (VHM), gewählt wird.
Eines besondere Herausforderung für derartige Bohrwerkzeuge stellt die Bearbeitung von hochfesten und zähen Werkstoffen, wie z. B. der Vergütungsstähle C70 und 42CrMo4, oder von warmfesten Legierungen, wie z. B. der Nickel-Chrom-Legierung INCONEL 718, dar. Es sind bereits verschiedene Versuche unternommen worden, ein Werkzeug der eingangs beschriebenen Art in der Weise zu gestalten, dass sich bei beherrschbaren Spindelbeanspruchungen eine gute Standzeit erzielen lässt.
Ein Spitzenanschliff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise bereits in der DIN 1412 Form A oder DIN 1312 Form B beschrieben. In der letzteren Norm wird die Ausspitzung in der Weise vorgenommen, dass gleichzeitig eine Korrektur eine Hauptschneide vorliegt. Den mit abnehmendem Abstand zur Bohrerachse stetig zunehmenden Freiwinkel erhält man gemäß dieser Anschliffgeometrie dadurch, dass ein sogenannter Kegelmantelanschliff angebracht wird, d.h. dass die Freifläche von dem Mantelabschnitt eines Kegels gebildet wird, dessen Achse parallel zu einer Ebene verläuft, die im Wesentlichen parallel zur Hauptschneide und senkrecht zur Bohrerachse verläuft, jedoch um ein bestimmtes Maß vor der Hauptschneide liegt.
Der Spitzenanschliff eines Bohrwerkzeugs wird dann besonders wichtig, wenn der Kerndurchmesser des Bohrwerkzeugs angehoben wird, um dem Werkzeug mehr Stabilität zu geben. Durch die in den letzten Jahrzehnten entwickelten Werkzeugbeschichtungen einerseits und durch die in jüngster Zeit stark verbesserte Schmier-/Kühltechnik unter Einbeziehung der sogenannten Minimalschmierung (MMS-Technologie) gelingt es, die Querschnitte der Spannuten auch bei Werkzeugen zum Bohren ins Volle erheblich zu verkleinern, was zu einem Anstieg des Kerndurchmessers führt.
In den Dokumenten DE 10 2008 004 564 A1 , DE 10 2009 025 223 A1 und DE 10 2007 040 178 A1 sind beispielsweise moderne Spitzenanschliffe für zweischneidige Bohrwerkzeuge beschrieben. Die Besonderheit des Anschliffs gemäß DE 10 2009 025 223 A1 besteht darin, die von der Ausspitzung gebildete Zentrumsschneide in zwei Teilschneiden zu unterteilen, die miteinander einen stumpfen Winkel einschließen.
Gemäß der Druckschrift DE 10 2008 004 564 A1 wird zur Verbesserung des Eigenzentrierverhaltens der Anschliff im Zentralbereich so gestaltet, dass sich im Zentralbereich zwei Krümmungsbereiche ergeben, die entgegengesetzt gekrümmt sind.
Das Bohrwerkzeug gemäß DE 10 2007 040 178 A1 ist hinsichtlich des Spitzenanschliffs so gestaltet, dass sich ein besseres Spanabflussverhalten im Zentrum des Bohrwerkzeugs ergibt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Spanflächen der Hauptschneiden und die Spanflächen der Zentrumsschneiden in einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet sind und dass die Freiflächen Teilabschnitte aufweisen, welche in einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet sind, wobei diese Teilabschnitte sowohl der Spanfläche der Zentrumsschneide als auch der Spanfläche der Hauptschneide zugeordnet sind.
Schließlich ist es aus dem Dokument EP 1 230 058 B1 bekannt, den Spitzenanschliff mit einer besonders gestalteten Freifläche auszustatten, wobei die Freifläche zwei Teilbereiche aufweist, die homogen und kantenfrei ineinander übergehen. Die Herstellung eines derartigen Spitzenanschliffs erfordert allerdings eine auf die Schleifkinematik abgestimmte spezielle Schleifscheibengeometrie, so dass es schwierig wird, Bohrwerkzeuge mit derartiger Anschliffgeometrie wirtschaftlich in die Fertigungslogistik einzugliedern.
Zudem ist es aus der Druckschrift US 4,561,813 A bekannt, ein Bohrwerkzeug mit einem ersten Freiwinkel der Hauptschneide über seine Länge konstant zwischen 6° und 8° und einem zweiten Freiwinkel der Hauptschneide über seine Länge konstant von 25° auszubilden, wobei sich eine solche Geometrie als nachteilig hinsichtlich der dadurch resultierenden Standzeit des Bohrwerkzeugs herausgestellt hat.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein mehrschneidiges, insbesondere zweischneidiges Bohrwerkzeug zum Bohren ins Volle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in der Weise weiterzubilden, dass sich bei vertretbarem Herstellungsaufwand eine verbesserte Standzeit, insbesondere bei der Bearbeitung von hochfesten und/oder hochzähen und/oder warmfesten Werkstoffen, wie z. B. von Vergütungsstählen und Nickel-Chrom-Legierungen ergibt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wurde überraschend festgestellt, dass der Standweg des Bohrwerkzeugs maßgeblich vom Verlauf des Normal-Freiwinkels vom Zentrum zum Schneideneck abhängt. Während man bislang davon ausgegangen ist, dass der Freiwinkel im Zentrum des Bohrwerkzeugs eine Größe im Bereich von etwa 15° haben sollte, damit er am Schneideneck noch in der Größenordnung von etwa 10° gehalten werden kann, wird erfindungsgemäß der Freiwinkel über die gesamte Länge der Schneide wesentlich verkleinert. Es wurde festgestellt, dass sich mit der erfindungsgemäßen Freiwinkelgestaltung trotz einem zu erwartenden Anstieg der Vorschubkraft und des Bohrwerkzeug-Drehmoments eine spürbare Verlängerung des Standwegs erzielen lässt. Dieses Ergebnis ist überraschend und hat darüber hinaus den zusätzlichen Vorteil, dass sich der verbesserte Standweg des Bohrwerkzeugs mit verhältnismäßig einfachen Anschliff-Geometrien und damit mit einer einfachen Kinematik der den Anschliff erzeugenden Werkzeugmaschine erzielen lässt.
Die Versuche haben im Einzelnen gezeigt, dass der Normal-Freiwinkel ausgehend von einem Wert im Bereich der Kernausspitzung zwischen 8 und 10° hin zum Schneideneck so weit abnehmen kann, dass er dort bei annähernd 0° liegt. In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass diese erfindungsgemäße Gestaltung des Spitzenanschliffs zu einem Werkzeug führt, das wesentlich größere Verschleißmarkenbreiten zulässt als herkömmlich gestaltete Bohrwerkzeuge, ohne dass es zu einem Werkzeugbruch bzw. zu unzulässigen Durchmesserabweichungen der hergestellten Bohrung kommt. Im Vergleich zu einem Vier-Flächen-Anschliff, d.h. zu einem Anschliff, bei dem der Freiwinkel der Hauptschneide von der Schneidenecke bis zum Schneidenzentrum gleich bleibt, konnte sogar festgestellt werden, dass der erfindungsgemäße Anschliff trotz wesentlich verkleinertem Normal-Freiwinkel im radial äußeren Bereich der Schneidkante mit einer geringeren Vorschubkraft und mit geringeren Antriebs-Drehmomenten betrieben werden konnte.
Dieses Phänomen konnte insbesondere bei der Bearbeitung der Werkstoffe C70 und 42CrMo4 wiederholt und reproduzierbar nachgewiesen werden. Ein weiteres, überraschendes Ergebnis der erfindungsgemäßen Entwicklung liegt dabei darin, dass es auch im Bereich der Schneidenecke trotz der zu erwartenden höheren thermischen Beanspruchung nicht zu vorzeitigen Ausbrüchen gekommen ist. Eine Erklärung für dieses überraschende Phänomen wird darin gesehen, dass der erfindungsgemäße sehr kleine Normal-Freiwinkel im Bereich des Schneidenecks zur Folge hat, dass dort auch mehr Material zur Ableitung der Reibungswärme zur Verfügung steht, was positiv zur Anhebung des Standwegs des Bohrwerkzeugs genutzt werden kann.
Mit der Weiterbildung des Anspruchs 2 wird eine einfache Möglichkeit zur Feinanpassung des Zerspanungsverhaltens bei der Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe mit dementsprechend unterschiedlicher Spanbildung geschaffen.
Die Geometrie der ersten Freifläche ist - wie oben bereits beschrieben - unter anderem dadurch charakterisiert, dass sich der Freiwinkel der Hauptschneide mit zunehmendem Abstand zur Bohrerachse stetig verkleinert. Dies kann beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass die erste Freifläche von einem Schraubflächenanschliff gebildet ist. Es ist jedoch auch möglich, diese Freifläche durch einen gewöhnlichen Kegelmantelanschliff herzustellen, was den Vorteil einer noch einfacheren Schleifkinematik hat.
Demgegenüber kann dann, wenn sich an die erste Freifläche eine zweite Freifläche anschließt, die Anschliffkinematik dadurch stark vereinfacht werden, dass die zweite Freifläche als ebene Fläche gestaltet wird.
Wie eingangs bereits dargelegt, hat die Erfindung dann besondere Vorteile, wenn der Anschliff an einem sehr steifen Werkzeug angebracht wird, wie beispielsweise bei einem Werkzeug aus Vollhartmetall (VHM) der Fall ist. Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass der erfindungsgemäße Anschliff gerade dann besondere Vorteile hat, wenn Bohrwerkzeuge mit extrem vergrößertem Kerndurchmesser mit diesem Anschliff ausgestattet werden. Es konnte in Versuchen gezeigt werden, dass sich die eingangs erläuterten positiven Standweg-Effekte selbst dann noch zeigen, wenn der Kerndurchmesser in Bereiche zwischen 0, 30 und 0,45 x D angehoben wird, wobei D den Nenndurchmesser des Bohrwerkzeugs bezeichnet.
Mit der Weiterbildung des Anspruchs 8 wird im Bereich des Bohrerzentrums ein sehr großer Spanraum gebildet, wodurch die Vorschubkräfte leichter kontrollierbar bleiben.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Anschliffs werden dann noch gesteigert, wenn das Bohrwerkzeug mit innenliegenden Kühlkanälen ausgestattet wird. Vorteilhaft ist es in diesem Fall, wenn die Kühlkanäle jeweils in die zweite Freifläche münden, wodurch die Mündung des Kühlkanals einen größeren Abstand zum Bohrungsgrund erhält. Dadurch kann das Kühl-/Schmiermittel effektiv an die im Eingriff befindliche Schneide des Werkzeugs einschließlich der Querschneide geleitet werden. Diese Gestaltung ist sowohl bei der Verwendung von flüssigen Kühl-/Schmierstoffen als auch dann von Vorteil, wenn das Werkzeug für die sogenannte Trockenbearbeitung, d.h. für die MMS (Minimalmengenschmierung) -Technologie eingesetzt wird. Dieser Effekt kann dadurch noch optimiert werden, dass die Mündungsöffnungen gemäß Anspruch 11 freigeschliffen werden.
Mit der Weiterbildung des Anspruchs 9 wird die Zentrumsschneide zusätzlich stabilisiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs;
2 eine Seitenansicht des Spitzenbereichs des in 1 gezeigten Bohrwerkzeugs bei einer Blickrichtung gemäß „II“ in 1;
3 eine Ansicht des Werkzeugs gemäß 1 bei einer Blickrichtung entlang „III“ in 1;
4 eine Teilansicht des Werkzeugs gemäß 2 bei einer Blickrichtung entlang „IV“ in 2, d.h. entlang der Hauptschneide;
5 den Teilschnitt „V-V“ in 2;
6 in vergrößerter Darstellung die Einzelheit „X“ gemäß 1;
7 in vergrößerter Darstellung die Einzelheit „Y“ gemäß 2;
8 in vergrößerter Darstellung die Einzelheit „Z“ gemäß 1;
9 eine Seitenansicht des Bohrwerkzeugs bei einer Blickrichtung gemäß „IX“ in 1;
10 eine Ansicht des Bohrwerkzeug bei einer Blickrichtung parallel zu einer Vorschubbewegung einer die Ausspitzung des Werkzeugs herstellenden Schleifscheibe; und
11 ein Diagramm zur Darstellung der Messergebnisse verschiedener Bohrversuche, wobei die Standwege eines erfindungsgemäßen Werkzeugs mit denjenigen zweier Vergleichsbeispiele verglichen werden.

1 zeigt die Stirnansicht eines zweischneidigen Bohrwerkzeugs 10, das zwei Hauptschneiden 12 und zwei Spannuten 14 aufweist. Bei dem Bohrwerkzeug 10 handelt es sich um ein Werkzeug zum Bohren ins Volle, d.h. um ein Werkzeug, das mit einem Spitzenanschliff ausgestattet ist, der eine bis nahe dem Zentrum laufende Hauptschneide aufweist und nachfolgend näher beschrieben werden soll.
Wie aus den 2, 3, 9 und 10 ersichtlich, sind die Spannuten 14 wendelförmig in das Werkzeug eingeschliffen. Es soll jedoch bereits an dieser Stelle hervorgehoben werden, dass die Erfindung auch bei Werkzeugen angewendet werden kann, die gerade genutet sind.
Der Anschliff ist punktsymmetrisch aufgebaut, d.h. die durch den Anschliff gebildeten Kanten und Flächen sind zum Zentrum 15 des Bohrwerkzeugs punktsymmetrisch.
Der Anschliff wird im Wesentlichen von drei Flächen gebildet, nämlich von einer ersten Hauptfreifläche 18A, einer sich daran anschließenden zweiten Hauptfreifläche 18B und einer Kernausspitzung 24, die - wie sich am besten aus der Darstellung gemäß 6 zeigen lässt - nahe an das Zentrum 15 des Bohrwerkzeugs heranreicht. Das Maß, um das die Kernausspitzung 24 vor der Mitte bzw. vor dem Zentrum des Bohrwerkzeugs endet, ist in 6 mit KVM bezeichnet. Das Maß liegt bei einem Bohrwerkzeug mit einem Nenndurchmesser von etwa 7 mm zwischen 0,00 und 0,04 mm.
Mit dem Bezugszeichen 16 sind innenliegende Kühlkanäle bezeichnet, die sich in den Stegen des Bohrwerkzeugs zum nicht gezeigten Spanabschnitt des Bohrwerkzeugs erstrecken und bezüglich des Spitzenanschliffs derart positioniert sind, dass die Mündungsöffnungen im Bereich der zweiten Hauptfreifläche 18B liegen. Wie sich ferner aus den Darstellungen gemäß den 1 und 6 ergibt, sind die Mündungsöffnungen in der zweiten Hauptfreifläche 18B frei geschliffen, so dass ein Kanal 26 von der Mündungsöffnung zur Kernausspitzung 24 entsteht. Der Kanal 26 verläuft im Wesentlichen in Umfangsrichtung und ermöglicht es dem über die Kühl-/Schmiermittelkanäle 16 zugeführten Kühl-/Schmiermittel die in Eingriff befindlichen Schneiden mit größerem Volumenstrom zu erreichen.
Nachfolgend wird die Geometrie des erfindungsgemäßen Spitzenanschliffs im Einzelnen näher erläutert.
In 2 ist mit der Bezeichnung WSP der Spitzenwinkel des Bohrwerkzeugs bezeichnet, d.h. der Winkel, den die beiden Hauptschneiden 12, 12A miteinander einschließen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel, das ein Bohrwerkzeug mit einem Nenndurchmesser von etwa 7 mm zeigt, beträgt dieser Spitzenwinkel 140°. Vorteilhafte Spitzenwinkel liegen im Bereich zwischen 120 und 150°, vorzugsweise zwischen 135 und 145°.
Wie sich ferner aus den Darstellungen gemäß den 1 und 6 ergibt, wird durch die Kernausspitzung 24 nicht nur ein Schneidenabschnitt 12A im Bohrerkern ausgebildet, sondern zugleich die Hauptschneide 12 geringfügig korrigiert. Im Einzelnen wird durch die Kernausspitzung 24 ein Übergangsradius RB angeschliffen, der bei dem Werkzeug mit einem Nenndurchmesser von etwa 7 mm im Bereich von etwa 1,5 bis 1,6 mm liegt.
Nachfolgend wird die Lage der Kernausspitzung 24 näher beschrieben:

Vorzugsweise wird die Kernausspitzung 24 durch eine Schleifscheibe eingeschliffen, deren Querschnitt im Bereich ihrer Arbeitskante aus 10 ersichtlich ist. Der Eckenwinkel WEC (siehe 10) beträgt zwischen 100 und 110°, beispielsweise 105 ± 0,1°. Mit RK ist der Kantenradius der Schleifscheibe bezeichnet, die bei einer Vorschubbewegung der Schleifscheibe in einer auf der Zeichenebene der 10 senkrechten Richtung gleichzeitig eine gerundete Ausspitzungskante 34 mit einem Übergangsradius RK zwischen einem Schneidbrustabschnitt 24B und einer Ausspitzungsfläche 24F bildet. Der Wert dieses Kantenradius RK liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 und 0,2 mm.

Die Eintauchbewegung der Schleifscheibe zur Herstellung der Kernausspitzung 24 ist so festgelegt, dass sich im Bereich des Schneidbrustabschnitts 24B ein - aus der 3 ersichtlicher - leicht negativer axialer Spanwinkel WSAK ergibt, der im Bereich zwischen 0 und 2° liegt. Gleichzeitig ist die Eintauchbewegung der Schleifscheibe - wie aus 9 ersichtlich - so festgelegt, dass der Kantenradius RK zwischen der Schneidbrust 24B und der Ausspitzungsfläche 24F eine Ausspitzungskante 34 erzeugt, die um den Neigungswinkel WN zur Bohrerachse 30 geneigt ist. Der Neigungswinkel WN liegt im Bereich zwischen 30 und 40°, vorzugsweise zwischen 33 und 37°.
Schließlich wird die Schleifscheibe derart bewegt und ausgerichtet, dass - in einer Ebene senkrecht zur Bohrerachse 30 betrachtet, der Schneidbrustabschnitt 24B in einem Winkel WK (siehe 6) im Bereich zwischen 25 und 35°, vorzugsweise zwischen 28 und 32° zu einer Ebene ER (siehe 1 und 6) verläuft, die durch das Zentrum 15 des Bohrwerkzeugs geht und parallel zu einem radial äußeren Bereich der Hauptschneide 12 ausgerichtet ist. Dieser Winkel bestimmt, den Knick der Hauptschneide zwischen den Abschnitten 12 und 12A, wobei vorteilhafter Weise über die Schleifscheibe, mit der die Kernausspitzung hergestellt wird, auch der Übergangsradius geschliffen wird
Mit dem Bezugszeichen 28 ist eine Nebenschneide bezeichnet, hinter der sich die Nebenfreifläche 32 anschließt.
Am Übergang zwischen der Hauptschneide 12 und der Nebenschneide 28 befindet sich das Schneideneck 36. Wie sich aus der vergrößerten Darstellung gemäß 7 ergibt, ist das Schneideneck 36 mit einer Fase ausgestattet, die eine Breite BFA im Bereich zwischen 0,05 und 0,15 mm hat. Die Fase am Schneideneck 36 ist darüber hinaus leicht hinterschnitten, was sich - gemäß 7 - durch die Winkelangabe WHS ergibt. Der Winkel WHS liegt vorzugsweise zwischen 9 und 11 °.
Die Anfasung des Schneidenecks 36 ist darüber hinaus so gelegt, dass sie mit der Bohrerachse einen Winkel WAS zwischen 40 und 50° einschließt.
Darüber hinaus lässt die 7 erkennen, dass sowohl die Hauptschneidkante 12 als auch die Nebenschneidkante 28 angefast bzw. gebrochen sind, was beispielsweise durch Bürsten von Hand erfolgen kann. Die Fasenbreite BFH an der Hauptschneide 12 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0,04 und 0,08 mm.
Wie sich aus den Darstellungen der 1 und 6 ergibt, liegt die Hauptschneide 12 um ein Maß KVM „vor Mitte“, d.h. in Drehrichtung des Bohrwerkzeugs versetzt zu einer Radialebene ER des Bohrwerkzeugs, die im Wesentlichen parallel zum Hauptschneidenabschnitt 12 verläuft. In dieser Radialebene ER liegt darüber hinaus eine Kante 20, an der sich die erste Hauptfreifläche 18A und die zweite Hauptfreifläche 18B berühren.
In 6 ist mit MAM ein Maß bezeichnet, um welches die Bohrerachse zum Zentrum der von den Hauptfreiflächen 18A, 18B gebildeten Rest-Querschneide 22R (siehe 8) versetzt ist. Dieses Maß MAM ist äußerst klein und liegt in der Größenordnung zwischen 0,01 und 0,018 mm. Es ergibt sich beispielsweise dadurch, dass die Hauptschneiden 12, 12A mit einer geringfügigen Schneidhöhendifferenz geschliffen werden, die beispielsweise in der Größenordnung von 0,02 mm liegt, so dass die Schneiden sich in der Länge geringfügig voneinander unterscheiden.
Das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug wurde im Hinblick darauf gestaltet, dass eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit und eine erheblich gesteigerte Standzeit bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass sich entgegen allen Erwartungen eine erhebliche Verbesserung des Standvermögens (gemäß DIN 6583) bei der Bearbeitung hochfester und/oder hochzäher und/oder besonders warmfester Stähle dann ergibt, wenn der Normal-Freiwinkel der Hauptschneide im Bereich der Kernausspitzung 24 erheblich kleiner als üblich gehalten wird und der Normal-Freiwinkel im Bereich der vor Mitte liegenden, im Wesentlichen geraden Hauptschneide 12 noch einmal kleiner, nämlich unter 5°, gehalten wird. Dies soll nachfolgend anhand der 2 bis 5 näher erläutert werden.
4 ist die Ansicht des Anschliffs bei Betrachtung in Richtung der Hauptschneide 12. Die Zeichenebene der 4 ist dementsprechend die Ebene, in der der Normal-Freiwinkel WNF der Hauptschneide 12 gemessen wird. Erfindungsgemäß liegt der Normal-Freiwinkel NWF1a der ersten Hauptfreifläche im Bereich des Schneidenecks 36, d.h. im radial äußeren Bereich des Hauptschneidenabschnitts 12 unter 5°, vorzugsweise unter 4°, beispielsweise im Bereich zwischen 3° und 5°. Der Normal-Freiwinkel NWF2 der zweiten Hauptfreifläche 18B ist wesentlich größer und liegt beispielsweise im Bereich zwischen 18° und 22°.
Mit zunehmendem Abstand vom Schneideneck 36 nimmt der Normal-Freiwinkel WNF allmählich zu, was in der Regel dadurch erreicht wird, dass die erste Hauptfreifläche nach der Art eines Kegelmantelanschliffs oder nach der Art eines Schraubflächenanschliffs hergestellt wird. Diese allmähliche Zunahme des ersten Normal-Freiwinkels NWF1 trägt dem Umstand Rechnung, dass die Spanfläche mit abnehmendem Abstand vom Bohrerzentrum steiler wird.
Erfindungsgemäß nimmt der erste Normal-Freiwinkel NWF1 allerdings wesentlich geringer zu als dies bislang im Stand der Technik der Fall war. Wie sich aus der Schnittdarstellung gemäß 5 ergibt, beträgt der Normal-Freiwinkel NWF1i im Bereich der Kernausspitzung lediglich zwischen 7 und 11°, vorzugsweise zwischen 8 und 10°. Der Normal-Freiwinkel der zweiten Hauptfreifläche 18B im Bereich der Kernausspitzung kann in der gleichen Größenordnung wie der Winkel NWF2 an der Außenseite des Bohrwerkzeugs gehalten sein.
Unter Bezugnahme auf die 5 soll noch klarstellend hervorgehoben werden, dass der in 5 gezeigte Winkel nicht exakt dem tatsächlichen Normal-Freiwinkel WNF entspricht, da dieser definitionsgemäß in einer Ebene gemessen wird, die senkrecht auf der Tangente des betreffenden Hauptschneidenabschnitts steht. Der Schnitt V-V in 2 ist demgegenüber so geführt, dass er um den Winkel WK, den der Schneidenabschnitt 12A mit der Hauptschneide 12 einschließt (siehe 6), zu der Schneiden-Normalebene gekippt ist.
Aus 4 ist noch erkennbar, dass die Hauptschneide 12 im Bereich der Kanten um einen Faseninkel F12 angefast ist, wobei der Winkel im Bereich zwischen 20 und 30° liegen kann.
Aus der Einzelheit Z gemäß 8 ist ersichtlich, wie fertigungstechnisch die erfindungsgemäße Gestaltung der ersten Hauptfreifläche 18A mit der erfindungsgemäßen Einstellung der Normal-Freiwinkel kontrollierbar ist. Bei einem Bohrwerkzeug mit einem Nenndurchmesser von 6,8 mm kann beispielsweise in einem Radiusabstand R3 von 3 mm die Absenkung eines Punkts PAF gegenüber einem zugehörigen Punkt auf demselben Radius an der Hauptschneide, d.h. an einem Punkt PAH gemessen werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt diese Absenkung beispielsweise im Bereich zwischen 0,05 und 0,06 mm. Die Lage des Messpunkts PAF wird durch einen vorgegebenen Messwinkel MW1 festgelegt, der beispielsweise bei 8° liegt.
Demgegenüber beträgt die Absenkung des Messpunkts PIF, der vom Bohrerzentrum den Abstand R/2 hat, gegenüber dem auf diesem Radius liegenden Punkt PIH auf der Hauptschneide 12 bereits zwischen 0,10 und 0,11 mm. Die erste Hauptfreifläche wird unter Zuhilfenahme einer numerisch gesteuerten Schleifvorrichtung hergestellt. Auf diese Weise ist es mit einfachen Mitteln möglich, die Kontrollmessungen der Soll-Absenkungen an den verschiedenen Messpunkten der Haupt-Freifläche 18A vorzunehmen.
Es wurden Bohrwerkzeuge aus Vollhartmetall (VHM) hergestellt, und zwar mit einer Hartmetallsorte DK 460 UF der Firma Gührung OHG. Die Härte dieses Werkstoffs beträgt 1620 (HV 30). Die Zusammensetzung beträgt 90% Wolframcarbid und 10% Kobalt. Die Korngröße lag in der Größenordnung kleiner 0,5 µm. Die Biegebruchfestigkeit dieser Hartmetallsorte liegt bei 3700 N/mm².
Die Bohrer wurden mit einer mehrlagigen Schicht aus Titanaluminiumnitrid und Titannitrid ausgestattet. Alle Bohrwerkzeuge waren mit innenliegenden Kühl-/Schmiermittelkanälen ausgestattet.
Der Anschliff wurde gemäß den 1 bis 10 ausgeführt. Dementsprechend betrug der Normal-Freiwinkel NWF1i um 8° und der Normalfreiwinkel NWF1a um 3°.
Das Bohrwerkzeug mit einem Nenndurchmesser von 6,8 mm wurde mit einer Schnittgeschwindigkeit v_c von 105 m/min und einem Vorschub f von 0,2 mm/U betrieben. Dabei wurden Sacklöcher mit einer Tiefe von 30 mm in Werkstücke aus 42 CrMo4, C70 und aus einer Nickelchromlegierung INKONEL 718 gebohrt. Es wurde mit einer Minimalmengenschmierung (MMS-Technologie) gearbeitet, d.h. mit einer Schmiermittel-Emulsion mit 8% Ölanteil bei einem Druck von 40 bar.
Die Versuche wurden wiederholt mit geringfügig abweichenden Normal-Freiwinkeln zwischen 4,5° innen und 8,8° ausgeführt. Es wurden die Vorschubkräfte und Drehmomente sowie die Temperatur laufend gemessen.
Neben der geforderten Maßhaltigkeit wurde als Kriterien zur Festlegung des Standwegs bei den Versuchen im Werkstoff 42CrMo4 der Werkzeugbruch, der Ausbruch der Hauptschneide oder eine Verschleißmarkenbreite VB_max ≥ 360 µm, für die Versuche im Werkstoff INCONEL 718 der Werkzeugbruch und der Ausbruch der Hauptschneide festgelegt.
Vergleichsversuche wurden mit Vollhartmetall- (VHM-) -Werkzeugen gleicher Spannutengeometrie, jedoch mit anders gestalteter Lage der ersten Hauptfreifläche 18A durchgeführt. Das erste Vergleichswerkzeug wurde mit einem Vier-Flächen-Anschliff ausgestattet, so dass der Normal-Freiwinkel der ersten Hauptfreifläche 18A von außen nach innen gleich bleibend bei 8° gehalten wurde.
Das zweite Vergleichswerkzeug wurde mit einer ersten Hauptfreifläche 18A ausgestattet, bei der der Normal-Freiwinkel der ersten Hauptfreifläche im radial äußeren Bereich bei 8° lag und im inneren Bereich der Hauptschneide im Bereich des Bohrerzentrums bei 14°.
In 11 sind die Messergebnisse einander gegenübergestellt. Die Säule V2 zeigt den Standweg des Vergleichswerkzeugs mit einem Normal-Freiwinkel NWF1 zwischen 8° außen und 14° innen. Die Säule V1 bildet den Standweg für das erste Vergleichswerkzeug mit dem Vier-Flächen-Anschliff ab. Die Säule E zeigt die Messergebnisse für den erfindungsgemäßen Bohrer.
Man erkennt, dass der in m wiedergegebene Standweg Lf (in m gemessen) des ersten Vergleichswerkzeugs V1 gegenüber dem Standweg für das zweite Vergleichswerkzeug V2 bereits erheblich größer ist. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Anschliffs lässt sich jedoch der gute Standweg des ersten Vergleichswerkzeugs V1 noch einmal beträchtlich steigern. In Zahlen ausgedrückt ergab sich für das zweite Vergleichswerkzeug V2 ein Standweg von lediglich 76 m, für das erste Vergleichswerkzeug V1 ein Standweg von 115 m und für das erfindungsgemäße Werkzeug ein Standweg von 124 m. Dieses Ergebnis ist überraschend, da sowohl die Vorschubkraft als auch das erforderliche Drehmoment beim erfindungsgemäßen Werkzeug erwartungsgemäß höher ist als beim Vergleichswerkzeug V2. Trotzdem verträgt das erfindungsgemäße Werkzeug die größeren mechanischen Beanspruchungen wesentlich besser als die Vergleichswerkzeuge, und zwar trotz des Umstands, dass der Kerndurchmesser der untersuchten Werkzeuge im Bereich zwischen 0,3 und 0,4 x D lag. Es hat sich sogar gezeigt, dass die Vorschubkraft und das Drehmoment an der Bohrspindel beim erfindungsgemäßen Werkzeug geringer gehalten waren als bei dem Vergleichswerkzeug V1.
Es konnte also gezeigt werden, dass die erfindungsgemäße Gestaltung des Anschliffs dazu führt, dass das Bohrwerkzeug über den gesamten Schneidenverlauf einen stabilen Schneidkeil erhält, der dem auftretenden Verschleiß unter Beibehaltung der Arbeitsgenauigkeit länger als erwartet standhält. Der Normal-Freiwinkel kann dabei am Schneideneck sogar 0° oder kleine negative Werte annehmen.
Selbstverständlich sind Abweichungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
Das Werkzeug wurde als Werkzeug beschrieben, das insgesamt aus einem zähen und festen Werkstoff besteht, wie z. B. aus Vollhartmetall (VHM). Es ist jedoch gleichermaßen möglich, lediglich den die Schneidenausbildenden Teil des Bohrers mit einem Anschliff wie vorstehend beschrieben auszustatten. Es ist gleichermaßen möglich, das Bohrwerkzeug aus einem anderen Material wie z. B. aus Werkzeugstahl, insbesondere HSS, HSSE oder einem anderen Hartstoff wie z. B.einem Cermet-Werkstoff herzustellen. Schließlich ist es auch möglich, das Werkzeug aus Schnellstahl herzustellen und mit einem Hartstoff-Schneideinsatz auszustatten, der lediglich die beiden Hauptschneiden, die Querschneide und die zwischen den Hauptfreiflächen liegende Kante 20, 120 ausbildet.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das Werkzeug mit anderen gängigen Beschichtungen, insbesondere Hartstoffbeschichtungen oder Weichstoff-Beschichtungen auszustatten.
Es ist auch möglich, den Anschliff auch an Werkzeugen mit mehr als zwei Schneiden vorzusehen, beispielsweise an sogenannten Drei-Schneidern. Es ist auch möglich, das Werkzeug mit Nassschmierung zu betreiben.
Schließlich ist es nicht erforderlich, die vorstehend beschriebenen Winkel exakt einzuhalten. Vielmehr sind Abweichungen in der Größenordnung von bis zu 10% möglich, ohne auf den erfindungsgemäßen Effekt spürbar verzichten zu müssen.
Die Erfindung schafft somit ein mehrschneidiges, insbesondere zweischneidiges Bohrwerkzeug zum Bohren ins Volle mit einem Normal-Freiwinkel, der vorzugsweise vor Mitte liegenden Hauptschneide mit abnehmendem Abstand zur Bohrerachse stetig zunimmt und die Hauptschneide in eine Schneidkante einer vor Mitte liegenden Kernausspitzung übergeht. Erfindungsgemäß liegt der Normal-Freiwinkel der Hauptschneide im Bereich der Kernausspitzung im Bereich zwischen 7 und 11°, vorzugsweise zwischen 8 und 10°, und im Bereich des Schneidenecks unter 5°, vorzugsweise unter 4°.

Claims

Mehrschneidiges Bohrwerkzeug zum Bohren ins Volle, mit einem Spitzenanschliff, bei dem der Freiwinkel (WNF1) der Hauptschneide (12) mit abnehmendem Abstand zur Bohrerachse (30) stetig zunimmt und die Hauptschneide (12) in eine Schneidkante (12A) einer vor Mitte liegenden Kernausspitzung (24) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass der Normal-Freiwinkel (WNF1i) der Hauptschneide (12, 12A) im Bereich der Kernausspitzung (24) im Bereich zwischen 7 und 11° und im Bereich des Schneidenecks (WNF1a) unter 5° liegt.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Normal-Freiwinkel (WNF1) der Hauptschneide (12, 12A) festlegende erste Freifläche (18A) über eine im Wesentlichen auf Mitte liegende Kante (20) in eine zweite Freifläche (18B) übergeht.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die an die Hauptschneide (12, 12A) angrenzende erste Freifläche (18A) durch einen Schraubflächenanschliff gebildet ist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die an die Hauptschneide (12, 12A) angrenzende erste Freifläche (18A() durch einen Kegelmantelanschliff gebildet ist
Bohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Freifläche (18B) von einer ebenen Fläche gebildet ist.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Kerndurchmesser (DK), der im Bereich zwischen 0,25 und 0,45, wobei D den Nenndurchmesser des Bohrwerkzeugs bedeutet.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernausspitzung (24) die Hauptschneide (12, 12A) korrigiert.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernausspitzung (24) um ein Maß (KVM) vor Mitte liegt, das im Bereich zwischen 0,02 und 0,06 mm liegt.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Spanwinkel (WSAK) im Bereich der Kernausspitzung (24) überwiegend negativ ist.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernausspitzung (24) von zwei über einen Radius (RK) verbundenen im Wesentlichen ebenen Flächen (24B, 24F) gebildet ist, die unter einem Winkel (WEC) zwischen 100 und 110° zueinander stehen und derart im Werkzeug liegen, dass eine zwischen den ebenen Flächen liegende, vom Radius (RK) gebildete Ausspitzungskante (34) mit der Bohrerachse (30) einen Winkel (WN) im Bereich zwischen 30 und 40° einschließt, und in einer Ebene senkrecht zur Bohrerachse (30) betrachtet, in einem Winkel (WK) im Bereich zwischen 25 und 35° zu einer Ebene (ER) verläuft, die durch das Zentrum (15) des Bohrwerkzeugs geht und parallel zu einem radial äußeren Bereich der Hauptschneide (12) ausgerichtet ist.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 10, mit innenliegenden Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (16) in die jeweilige zweite Freifläche (18B) münden.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest im Bereich seines Schneidteils aus Hartstoff besteht.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Spitzenwinkel (WSP) im Bereich zwischen 120 und 150 °.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die einer erhöhten thermischen und/oder mechanischen Beanspruchung ausgesetzten Bereiche des Bohrwerkzeugs mit einer Beschichtung versehen sind, die zumindest einen Bestandteil aus der Gruppe der Titannitrid (TiN)-, der Titancarbid (TiC)-, der Titanaluminiumnitrid (TiAINi)- und Titancarbonitrid (TiCN)-Beschichtungen aufweist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Multilayer-TiAIN-Schicht mit gradientem Aufbau.
Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch wendelförmige Spannuten (14).