DE102011016209A1

DE102011016209A1 - Drehschneidwerkzeugmit PKD-Schneidspitze

Info

Publication number: DE102011016209A1
Application number: DE102011016209A
Authority: DE
Inventors: Karthik Sampath; Armin Zimmermann; Steve George
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2011-11-03
Also published as: GB2506768A; US20110268518A1; US20170080534A1; US10328536B2; GB201107274D0; CA2731714A1; FR2959433A1; GB201321071D0; US9539652B2; GB2506768B; GB2480011A; GB2480011B; DE102011016209A8; FR2959433B1

Abstract

Ein Drehschneidwerkzeug (20) umfasst einen länglichen Körper, der um eine Längsachse (A-A) herum angeordnet ist, wobei der längliche Körper eine Spiralnut (32) und eine Schneidspitze (22) aus polykristallinem Diamant enthält. Die Schneidspitze (22) umfasst einen inneren Abschnitt (50) mit einem inneren Spitzenwinkel (γ) und einen äußeren Abschnitt (52) mit einem von dem inneren Spitzenwinkel (γ) verschiedenen äußeren Spitzenwinkel (Γ).

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft allgemein Drehschneidwerkzeuge und insbesondere Drehschneidwerkzeuge wie etwa Bohrer mit PKD-Schneidspitzen (polykristalliner Diamant). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ausbilden eines Drehschneidwerkzeuges mit einer Schneidspitze aus polykristallinem Diamant.
Allgemeiner Stand der Technik
PKD-Bohrer wurden historisch als gerade genutete Bohrer mit Facettenspitzen ausgebildet. In jüngster Zeit wurden PKD-Bohrer mit spiralförmigen Nuten und komplexeren Spitzengeometrien ähnlich massiven Carbidbohrern ausgebildet. Eine der Hauptverwendungen für solch hoch entwickelte PKD-Bohrer ist für das Bohren in Verbundmaterialien wie etwa CFRP-Titanverbundmaterialien (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer – kunststofffaserverstärktes Polymer). Zum Schneiden solcher Materialien verwendete Bohrer erfordern eine hohe Verschleißfestigkeit, um in CFRP zu überleben, während sie eine Geometrie besitzen, die Titan effektiv schneiden kann. Kunden aus dem Luftfrachtbereich, die üblicherweise solche CFRP-Verbundmaterialien nutzen, erfordern weiterhin, dass die Grathöhe des Titanabschnitts des gebohrten Verbundmaterials bei etwa 100 Mikrometer gehalten wird. Bekannte PDK-Bohrer erzeugen in den ersten Löchern ein Loch mit hoher Qualität, erzeugen aber bald danach schnell inakzeptable Grate (in der Regel etwa 5 Löcher oder weniger). Dementsprechend müssen solche Bohrer regelmäßig mit hohen Kosten ausgetauscht werden.
Deshalb gibt es Raum für Verbesserung bei Drehschneidwerk-zeugen, die zum Bohren von CRFP-Titan verwendet werden, besonders bei der Qualität der geschnittenen Löcher und der Dauerhaftigkeit des Schneidwerkzeugs.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Mängel beim Stand der Technik werden durch Ausführungsformen der Erfindung behandelt, die sich auf ein Schneiddrehwerkzeug beziehen, eine Schneidspitze aus polykristallinem Diamant zur Verwendung mit einem Drehschneidwerkzeug und ein Verfahren zum Ausbilden eines Drehschneidwerkzeugs mit einer polykristallinen Schneidspitze.
Als ein Aspekt der Erfindung wird ein Drehschneidwerkzeug bereitgestellt. Das Drehschneidwerkzeug umfasst einen um eine Längsachse herum angeordneten länglichen Körper. Der Körper enthält eine spiralförmige Nut und eine Schneidspitze aus polykristallinem Diamant. Die Schneidspitze umfasst einen inneren Abschnitt mit einem inneren Spitzenwinkel und einen äußeren Abschnitt mit einem äußeren Spitzenwinkel, der von dem inneren Spitzenwinkel verschieden ist.
Der äußere Spitzenwinkel kann größer sein als der innere Spitzenwinkel. Der innere Spitzenwinkel kann im Bereich von etwa 110 Grad bis etwa 140 Grad liegen. Der äußere Spitzenwinkel kann im Bereich von etwas 145 Grad bis etwa 180 Grad liegen. Der längliche Körper kann aus einem Carbidmaterial hergestellt sein. Der längliche Körper kann Folgendes umfassen: Ein erstes Ende gegenüber der Schneidspitze und mindestens zwei dort hindurch verlaufende Kühlmittelpassagen, wobei sich jede Kühlmittelpassage von dem ersten Ende zu der Schneidspitze erstreckt. Jede Kühlmittelpassage kann von allgemein spiralförmiger Gestalt sein.
Als weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Schneidspitze aus polykristallinem Diamant zur Verwendung mit einem Drehschneidwerkzeug bereitgestellt. Die Schneidspitze umfasst einen inneren Abschnitt mit einem inneren Spitzenwinkel und einen äußeren Abschnitt mit einem äußeren Spitzenwinkel, der von dem inneren Spitzenwinkel verschieden ist.
Der äußere Spitzenwinkel kann größer sein als der innere Spitzenwinkel. Der innere Spitzenwinkel kann im Bereich von etwa 110 Grad bis etwa 140 Grad liegen. Der äußere Spitzenwinkel kann im Bereich von etwas 145 Grad bis etwa 180 Grad liegen.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Drehschneidwerkzeugs mit einer Schneidspitze aus polykristallinem Diamant bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Ausbilden von mindestens zwei Kühlmittelpassagen in einem allgemein zylindrischen Werkzeugkörper; Ausbilden von mindestens zwei Kühlmittelpassagen in einem Spitzenabschnitt, wobei der Spitzenabschnitt von dem Werkzeugkörper getrennt ist; und Koppeln des Spitzenabschnitts an dem Werkzeugkörper, um das Drehschneidwerkzeug auszubilden.
Der Spitzenabschnitt kann über einen Hartlötprozess an den Werkzeugkörper gekoppelt werden. Die mindestens zwei Kühlmittelpassagen können durch einen Extrusionsprozess in dem allgemein zylindrischen Werkzeugkörper ausgebildet werden. Die mindestens zwei Passagen können über einen EDM-Bohrprozess in dem Spitzenabschnitt ausgebildet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein eingehendes Verständnis der Erfindung kann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bei Lektüre in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erworben werden. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht entlang einer Linie allgemein senkrecht und innerhalb der gleichen horizontalen Ebene wie der primäre Schneidkantenabschnitt und der zweite Schneidkantenabschnitt des Schneidendes eines Spiralbohrers gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine Draufsicht auf das Schneidende des in 1 gezeigten Bohrers,
3 eine Draufsicht auf das Schneidende eines Bohrers gemäß einer weiteren nicht beschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 eine vergrößerte Ansicht der in 3 gezeigten Draufsicht,
5 eine Teilquerschnittsansicht entlang der Pfeile „5-5” in 3,
6 eine Seitenansicht des in 3 gezeigten Bohrers entlang der Pfeile „6-6” in 3,
7 eine halbtransparente Ansicht eines Bohrers nach dem Stand der Technik, die die inneren Kühlmittelpassagen zeigt,
8 eine halbtransparente Ansicht eines Bohrers gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die inneren Kühlmittelpassagen zeigt, und
9 eine Draufsicht auf das Schneidende des in 8 gezeigten Bohrers.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Richtungsausdrücke, die hierin verwendet werden, wie etwa beispielsweise links, rechts, Front, Rückseite, oben, unten und Ableitungen davon, beziehen sich auf die Orientierung der in den Zeichnungen gezeigten Elemente und beschränken nicht die Ansprüche, sofern nicht darin ausdrücklich angeführt. Identische Teile sind in allen Zeichnungen mit der gleichen Bezugszahl versehen.
Die 1 und 2 zeigen einen Abschnitt eines beispielhaften Spiralbohrers 20 gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Bohrer 20 ist konfiguriert, um drehmäßig um eine mittlere Längesachse A-A angetrieben zu werden oder dass sich ein nicht gezeigtes assoziiertes Werkstück dreht oder sich sowohl der Bohrer 20 als auch das Werkstück relativ zueinander drehen. Unter Bezugnahme auf 1 ist der Bohrer 20 so ausgelegt, dass an dem Außenende eines Schafts 24 ein Schneidende 22 ausgebildet ist. Der Schaft 24 umfasst einen ersten Abschnitt 24a, der bevorzugt aus Carbidmaterial ausgebildet ist, und einen zweiten Abschnitt 24b, der bevorzugt aus PKD-Material ausgebildet ist, an oder um das Schneidende 22 herum angeordnet. In Verbundmaterialien enthaltene Kohlenstofffasern sind sehr abrasiv und ein PKD-Werkzeugmaterial hilft, die Lebensdauer und die Kantenschärfe des Bohrers 20 zu verlängern. Eine scharfe Kante ist kritisch, um unerwünschte Beschädigung an dem bearbeiteten Verbundmaterial zu minimieren und weiterhin die Grathöhe zu minimieren, wenn der Bohrer 20 das Metall eines CRFP-Titan-Verbundmaterials verlässt. Eine stumpfe Kante verursacht allgemein eine übermäßige Delaminierung in CRFP und ist gleichermaßen ungünstig, wenn Titan geschnitten wird, was zu höheren Beanspruchungen und Temperaturen führt, was schließlich zu einem vorzeitigen Absplittern des Bohrers und einer Beschädigung des Werkstücks führt.
Bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Schaft 24 ausgebildet, indem zuerst das PKD-Material auf ein kleines Carbidstück gesintert wird, das dann an ein größeres Carbidstück hartgelötet wird, wie etwa an einer Hartlötlinie 24c, in 1 mit einer gestrichelten Linie gezeigt. Es versteht sich jedoch, dass beim Ausbilden des Schafts 24 andere Verfahren oder Schritte verwendet werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Unter weiterer Bezugnahme auf die 1 und 2 enthält der Schaftabschnitt 24 zwei Spanaustragsnuten 32. Die Nuten 32 werden von der Spitze des Schneidendes 22 aus ausgebildet und erstrecken sich nach hinten zu einem Punkt bei einem nicht gezeigten Befestigungsschaftabschnitt des Bohrers 20, der ausgelegt ist, um in einem Maschinenwerkzeug montiert zu werden, wie üblicherweise in der Technik bekannt ist. Die Nuten 32 sind allgemein symmetrisch und befinden sich in gleichen Intervallen in der Umfangs- und axialen Richtung und sind in einem allgemeinen Spiralpfad angeordnet, der unter einem Spiralwinkel φ (1) bezüglich der Längsachse A-A orientiert ist. Die Nuten 32 stellen sicher, dass Verbundfasern des Werkstücks gut geschnitten werden, während eine Delaminierung minimiert wird, wenn der Bohrer 20 in das Werkstück eintritt. Der Spiralwinkel φ der Nuten spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei dem Lochschneidprozess. Ein niedriger Spiralwinkel φ oder eine gerade Nut würde die metallischen Späne nicht effektiv evakuieren, während eine hoher Spiralwinkel φ die Festigkeit der Schneidkante reduzieren würde. Ein bevorzugter Spiralwinkel ermöglicht auch eine entsprechende Kräuselung der geschnittenen Späne. Bei mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass der bevorzugte Spiralwinkel φ etwa 22,5 Grad beträgt. Allgemein hat sich herausgestellt, dass ein derartiger Spiralwinkel φ im Bereich zwischen etwa 18 Grad und etwa 30 Grad liegt. Es versteht sich, dass auch eine andere Spirale verwendet werden könnte. Bei solchen Ausführungsformen liegt der lokale Spiralwinkel nahe der Schneidkante bevorzugt innerhalb des angegebenen Bereichs, doch kann der Spiralwinkel zum Schaft hin innerhalb oder außerhalb des Bereichs variieren.
Das Schneidende 22 enthält ein paar Schneidkanten 30 (2), die entlang des schneidenden Kamms ausgebildet sind, wo die vorderen Nutenwandoberflächen 33 (1) die obere Flanke 34 schneiden. Jede obere Flanke 34 enthält vordere Oberflächensektionen 34a und hintere Oberflächensektionen 34b auf gegenüberliegenden Seiten des Bohrers 20. Jede Schneidkante 30 besitzt mindestens einen ersten Schneidkantenabschnitt 36 und einen zweiten Schneidkantenabschnitt 35, wobei sich der erste Schneidkantenabschnitt 36 radial von einer zentralen, allgemein geraden Meißelkante 41 zu dem zweiten Schneidkantenabschnitt 35 erstreckt und sich der zweite Schneidkantenabschnitt 35 radial nach außen bis mindestens ungefähr in der Nähe eines äußeren Rands 39 auf dem externen radialen Umfang des Bohrers 20 erstreckt. Die Meißelkante 41 wird durch schneidende Spitzenoberflächen 45 ausgebildet. Der zweite Schneidkantenabschnitt 35 erstreckt sich radial nach außen zu einem dritten äußeren Schneidkantenabschnitt 37. Der dritte äußere Schneidkantenabschnitt 37 erstreckt sich von dem zweiten geraden Abschnitt 35 radial nach außen zu dem Bohrerrand 39 und axial nach hinten. Die Länge der Meißelkante 41 ist im Vergleich zu dem Durchmesser des Bohrers so ausgelegt, dass sie etwa zwischen 1%–10% des Bohrerdurchmessers beträgt.
Das oben beschriebene symmetrische Design der Schneidkanten 30 erleichtert sehr die Stabilität bei der Verwendung des Bohrsystems. Diese Charakteristik wird durch die neutrale oder ausgewogene Geometrie der Schneidoberflächen erreicht, die eine etwaige Tendenz des Bohrersystems, bei Gebrauch zu schlagen, signifikant senkt. Es versteht sich jedoch, dass Schneidkanten 30 sowie andere, hierin als in den Ausführungsbeispielen symmetrisch beschriebene Elemente auch asymmetrisch sein können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die vorderen Sektionen 34a der oberen Flanke 34 unmittelbar bei allen Abschnitten der Schneidkante 30 sind unter einem ersten Freiwinkel allgemein zwischen 5 Grad und 20 Grad oder etwa 10 Grad orientiert. Die hinteren Sektionen 34b der oberen Flanke 34 sind unter einem größeren Freiwinkel als die vorderen Sektionen 34a orientiert. Die hinteren Oberflächensektionen 34b sind unter einem zweiten Freiwinkel allgemein zwischen 15 Grad und 50 Grad, 25 Grad bis 40 Grad oder etwa 20 Grad orientiert. Bei der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist der erste Schneidkantenabschnitt 36 konvex und weist bei einer Draufsicht entlang der Mittelachse einen allgemein konstanten Krümmungsradius R auf, wie in 2 zu sehen. Der Krümmungsradius R ist allgemein auf den Bereich von 8% des Außendurchmessers XD des Bohrers bis 20% des Außendurchmessers XD bei Betrachtung aus einer Draufsicht entlang der Mittelachse des Bohrers eingestellt, wie in 2 gezeigt. Der Krümmungsradius R eliminiert allgemein den scharfen Übergang zwischen den Schneidkanten 30, sodass ein Bruch der Schneidkanten 30 unabhängig von Bohrbedingungen verhindert werden kann. Es wird in Betracht gezogen, dass es sich bei dem ersten Schneidkantenabschnitt 36 auch um andere konvexe krummlinige Geometrien anstatt eine konvexe Gestalt mit einem allgemein konstanten Radius handeln kann. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der erste Schneidkantenabschnitt 36 auch in anderen nicht krummlinigen Gestalten (z. B. ohne Begrenzung, Abschrägungen) ausgebildet sein könnte, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der Bohrer 20 wird bevorzugt durch Verdünnen an dem Schneidende des Bohrers 20 geformt. Das Verdünnen wird auf einem dicken zentralen Kernabschnitt an der Spitze des Bohrerhauptkörpers angewendet, und ein krummliniger erster Schneidkantenabschnitt 36 wird durch das Verdünnen ausgebildet, wobei sich der erste Schneidkantenabschnitt 36 von der zentralen Meißelkante 41 zu dem zweiten Schneidkantenabschnitt 35 erstreckt. Es versteht sich, dass bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform sich der erste Schneidkantenabschnitt 36 nicht bis zu der Mitte des Bohrers 20 erstreckt. Der erste Abschnitt 36 der Schneidkante wird an einer Position ausgebildet, die von der Mittelachse des Bohrers geringfügig beabstandet ist, um eine Schwächung der Mitte des Bohrers, die durch eine Stresskonzentration verursacht wird, zu reduzieren.
Die in 1 und 2 gezeigten Verdünnungsoberflächen an der Bohrerspitze 22 der vorliegenden Erfindung reichen von dem zentralen Kern des Bohrers 20 zu der Seitenwand 49 des Bohrers 20. Die erste Verdünnungsoberfläche 38 erstreckt sich von der Rückseite der Spanaustragsnut 32 zu der hinteren Oberfläche 34b der oberen Flanke bei Betrachtung von einer Draufsicht entlang der Mittelachse A-A des Bohrers 20 (wie in 2 gezeigt). Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die Verdünnungsoberfläche 38 so angeordnet, dass sie von der externen Umfangsseitenwand 49 zu dem Mittelkern des Bohrers 20 nahe der Mittelachse A-A reicht.
Jede Verdünnung auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelachse A-A besteht auch zwei Verdünnungsoberflächen, der ersten Verdünnungsoberfläche 38 und der zweiten Verdünnungsoberfläche 44. Wie in 1 zu sehen ist, verläuft die zweite Verdünnungsoberfläche 44 im Grunde parallel zu der Mittelachse A-A des Bohrers 20. Es wird bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung in Betracht gezogen, dass die zweite Verdünnungsoberfläche 44 bezüglich der Schneidrichtung des Bohrers 20 geringfügig nach vorne oder hinten abgewinkelt sein kann, um einen negativen oder positiven Spanwinkel zu erhalten. Der erste Schneidkantenabschnitt 36 ist entlang des schneidenden Kamms ausgebildet, wo die zweite Verdünnungsoberfläche 44 die Spitzenoberfläche 45 schneidet. Die erste Verdünnungsoberfläche 44 erstreckt sich allgemein nach unten durch eine mit der zweiten Verdünnungsoberfläche 38 ausgebildete Falte 46. Die erste Verdünnungsoberfläche 44 ist bevorzugt keine flache Ebene, sondern stattdessen eine konvexe Oberfläche, wie am Besten durch die Linie 36 in 2 dargestellt (man beachte, die Linie 36 stellt den Schneidkantenabschnitt dar, der dort ausgebildet ist, wo die erste Verdünnungsoberfläche 44 die Spitzenoberflächen 45 schneidet).
Die zweite Verdünnungsoberfläche 38 ist allgemein flach und planar und unter einem konstanten Rückwärtswinkel bezüglich einer Ebene orientiert, die die Mittelachse A-A des Bohrers 20 schneidet. Bei einer Ausführungsform der Erfindung verläuft die die Längsachse A-A schneidende Ebene ebenfalls parallel zu dem zweiten Schneidkantenabschnitt 35, wenngleich diese die Mittelachse schneidende Ebene nicht parallel zu den zweiten Schneidkantenabschnitten 35 verlaufen muss. Der Rückwärtswinkel beträgt allgemein zwischen 30 und 50 Grad, alternativ zwischen 40 Grad und 45 Grad oder kann etwa 45 Grad betragen. Es versteht sich, dass die zweite Verdünnungsoberfläche 38 anderweitig als flach und planar geformt sein kann, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine Flankenkante 43 stellt eine obere Grenze der Verdünnung dar. Die Flankenkante 43 wird definiert als die Kreuzung zwischen der zweiten Verdünnungsoberfläche 38 und der hinteren Oberflächensektion 34b der oberen Flanke. Die Flankenkante 43 ist unter einem Winkel θ bezüglich der Meißelkante 41 orientiert (siehe 2). Der Winkel θ ist allgemein innerhalb des Bereichs von 75 Grad bis 105 Grad oder innerhalb des Bereichs 85 Grad bis 95 Grad oder auf etwa 90 Grad eingestellt (wie gezeigt).
Eine nach oben geneigte Spitzenoberfläche 45 ist mit jeder der oberen Flankenoberflächen 34a, 34a und Schneidkanten 30, 30 assoziiert. Wie in 1 gezeigt, sind die mit den Spitzenoberflächen 45 assoziierten ersten Schneidkantenabschnitte 36 allgemein so orientiert, dass sie einen inneren Spitzenwinkel γ bilden, der den Winkel der Spitzenoberfläche 45 und der assoziierten ersten Schneidkantenabschnitte 36 darstellt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schneidkante 30 auf einer Seite der Drehachse A-A symmetrisch zu der Schneidkante 30 auf der gegenüber liegenden Seite der Drehachse A-A. Es versteht sich jedoch, dass die Schneidkanten 30 auch asymmetrisch sein könnten, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform sind die Spitzenoberflächen 45 bezüglich der Drehachse A-A allgemein unter dem gleichen Winkel (nicht nummeriert) orientiert. Der innere Spitzenwinkel γ liegt bevorzugt im Bereich von etwa 110 Grad bis etwa 140 Grad.
Der innere Spitzenwinkel γ definiert allgemein eine innere Spitze 50 nahe dem zentralen Abschnitt des Bohrers 20. Eine derartige innere Spitze 50, die axial über die umliegenden Flächen hervorsteht, liefert im Allgemeinen eine verbesserte Stabilität und ermöglicht eine gute Zentrierung des Bohrers 20, wenn er in ein Werkstück (nicht gezeigt) eintritt. Durch Reduzieren des inneren Spitzenwinkels γ der inneren Spitze 50, wodurch die innere Spitze 50 steiler wird, können das Anfahren, die Stabilität und die Verringerung beim Schlagen des Bohrers wie gewünscht verbessert werden, indem der Winkel γ konfiguriert wird, wie für verschiedene Anwendungen erforderlich. Es versteht sich jedoch, dass das Verringern des Winkels γ zwar allgemein das Anlaufen, die Stabilität und die Schlagreduzierung des Bohrers verbessert, aber eine derartige Verringerung allgemein auch die scharfe Spitze des Bohrers 20 schwächt.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 sind die zweiten Schneidkantenabschnitte 35 allgemein so orientiert, dass sie einen äußeren Spitzenwinkel Γ bilden. Der Winkel Γ liegt bevorzugt im Bereich von etwa 145 Grad bis etwa 180 Grad. Der äußere Spitzenwinkel Γ definiert allgemein eine periphere oder äußere Spitzengeometrie, die eine außenliegende Schulter oder auch äußere Spitze 52 bildet. Die relativ flache Geometrie der äußeren Spitze 52 stellt sicher, dass Schneidkräfte allgemein axial entlang des Bohrers 20 anstatt seitlich gerichtet werden und verringert somit die Größe des Grats, der entlang der Austrittskante eines gebohrten Lochs abrollt.
Der dritte äußere Schneidkantenabschnitt 37 kann krummlinig sein und einen konstanten Drehradius aufweisen oder stattdessen abgeschrägt sein. Es wird auch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungsformen des Bohrers möglicherweise keinen dritten äußeren Schneidkantenabschnitt 37 aufweisen, sondern nur aus einem ersten Schneidkantenabschnitt 36 und einem zweiten Schneidkantenabschnitt 35 bestehen können, der sich von dem ersten Schneidkantenabschnitt 36 radial nach außen zu dem äußersten Rand des Bohrers erstreckt, dort eine scharfe Ecke bildend.
Bezüglich der 3–9, in denen eine zweite nicht beschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, ist zu verstehen, dass gleiche Teile des zuvor erörterten Bohrers die gleichen Referenzelementnummern beibehalten und diese Teile nicht wieder ausführlich erörtert werden.
Insbesondere ist 3 eine Ansicht ähnlich der der zuvor vorgestellten 2, doch ist die Meißelkante 141 relativ zu dem Werkzeugaußendurchmesser viel kürzer als die zuvor erörterte Meißelkante 41. Die vergrößerte Ansicht von 3 in 4 hebt dieses Merkmal hervor. Außerdem weist der erste krummlinige Schneidkantenabschnitt 136, wie erörtert wird, einen positiven axialen Spanwinkel auf.
Unter Bezugnahme auf die 3–6 weist der Bohrer 100 eine Längsachse A-A (6) auf, die in der Stirnansicht von 4 die Mitte des Bohrers 100 ist. Wie in 6 gezeigt, enthält der Bohrer 100 wie der zuvor beschriebene Bohrer 20 einen Schaft 124 mit einem Abschnitt 124a, der bevorzugt aus Carbidmaterial ausgebildet ist, und einen zweiten Abschnitt 124b, der bevorzugt aus PKD-Material ausgebildet ist, an oder um ein Schneidende 122 herum angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schaft 124 ausgebildet, indem zuerst das PKD-Material an ein kleines Carbidstück gesintert wird, das dann an ein größeres Carbidstück hartgelötet wird, wie durch die gestrichelte Hartlötlinie 124c gezeigt. Es versteht sich jedoch, dass beim Ausbilden des Schafts 124 andere Verfahren oder Schritte eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine erste Spitzenoberfläche 45a und eine zweite Spitzenoberfläche 45b schneiden sich an der Mittelachse A-A und befinden sich allgemein dieser benachbart und schneiden sich unter Ausbildung der Meißelkante 141. Eine gedachte Halbierende 102 erstreckt sich radial durch die Mittelachse A-A senkrecht zu der Meißelkante 141 und definiert eine erste Werkzeughälfte 103 auf einer Seite der Halbierenden 102 und eine zweite Hälfte 104 auf der anderen Seite der Halbierenden 102.
Jede Werkzeughälfte 103, 104 besitzt einen ersten krummlinigen Schneidkantenabschnitt 136, der sich radial von der Meißelkante 141 erstreckt, und einen zweiten Schneidkantenabschnitt 135, der sich von dem ersten Schneidkantenabschnitt 136 radial nach außen erstreckt. Bei Betrachtung von dem Schneidende 122 (6) ist die Meißelkante 141 so gekrümmt, dass sie mit der krummlinigen Schneidkante 136 der ersten Werkzeughälfte 103 und der ersten krummlinigen Schneidkante 136 der zweiten Werkzeughälfte 104 harmoniert. Es versteht sich bei Betrachtung von 4, dass die Meißelkante 141 glatt mit der ersten krummlinigen Schneidkante 136 der ersten Werkzeughälfte 103 und der ersten krummlinigen Schneidkante 136 der zweiten Werkzeughälfte 104 harmoniert, um ein kontinuierliches „s”-förmiges Verbindungsstück zwischen jeder der ersten krummlinigen Schneidkanten bereitzustellen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache von besonderem Interesse, dass die ersten krummlinigen Schneidkantenabschnitte 136 bei der Meißelkante 141 jeder Werkzeughälfte 103, 104 jeweils benachbarte Oberflächen aufweisen, die einen positiven axialen Spanwinkel definieren. Insbesondere dient die zweite Verdünnungsoberfläche 144 (6) als die Spanwinkelfläche für den ersten krummlinigen Schneidabschnitt 136. Es versteht sich, dass der positive axiale Spanwinkel X (5) zwischen der zweiten Verdünnungsoberfläche 144 und der Mittelachse A-A allgemein zwischen 0 und 15 Grad betragen kann und bevorzugt etwa 5 Grad beträgt.
Außerdem ist die Länge L (4) der Meißelkante 141 relativ zu dem Außendurchmesser XD (3) des Bohrers 100 kurz. Insbesondere beträgt die Länge L der Meißelkante 141 allgemein zwischen etwa 1% und 4%, bevorzugt etwa 2,5%, des Außendurchmessers XD des Bohrers 100.
3 zeigt einen Krümmungsradius R der ersten krummlinigen Schneidkante 136, und dieser Krümmungsradius R kann allgemein zwischen etwa 8% und 20% des Außendurchmessers XD des Bohrers 100 betragen. Wie zuvor erwähnt und bezüglich 4 ist die Meißelkante 141 so gekrümmt, dass sie mit dem ersten krummlinigen Schneidkantenabschnitt 136 sowohl der ersten Werkzeughälfte 103 als auch der zweiten Werkzeughälfte 104 harmoniert. Folglich nehmen die Meißelkante 141 und die benachbarten ersten krummlinigen Schneidkantenabschnitte 136 eine „s”-Gestalt an. Diese „s”-Gestalt liefert zusammen mit dem positiven axialen Spanwinkel X des ersten krummlinigen Schneidkantenabschnitts 136 eine verbesserte Fähigkeit zum Zentrieren des Schneidwerkzeugs 100 und verleiht dem Schneidwerkzeug 100 auch zusätzliche Stabilität.
Wie zuvor erörtert, weist der Bohrer 100 eine Meißelkante 141 mit ersten krummlinigen Schneidkantenabschnitten 136 auf die mit der Längsachse A-A des Bohrers 100 einen positiven Spanwinkel X bilden. Es ist auch möglich, ein derartiges Schneidwerkzeug herzustellen, ohne dass die Meißelkante eine positive Spanwinkeloberfläche aufweist, wobei aber die Meißelkante 141 glatt mit dem ersten krummlinigen Kantenabschnitt 136 harmoniert, um eine glatte „s”-Gestalt zu erzeugen.
Bei Bohren von CRFP-Titan erzeugte der hierin beschriebene Bohrer 100 Löcher mit Graten von allgemein weniger als 50% von bekannten Bohrern, während er etwa doppelt so lange hielt wie bekannte Bohrer.
Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 wird ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu einem Beispiel des in 7 gezeigten Stands der Technik gezeigt. Unter Bezugnahme auf 7 wird ein beispielhafter Bohrer 200 nach dem Stand der Technik mit einem Carbidkörper 202 mit einem hartgelöteten Spitzenabschnitt 204 gezeigt. Kühlmittel wird einem Paar von Öffnungen 206 in dem hartgelöteten Spitzenabschnitt 204 durch ein Paar gerader Passagen 208 zugeführt, die in dem hartgelöteten Spitzenabschnitt 204 vorgesehen sind und sich von einer einzelnen Öffnung 210 in der Hartlötfügestelle 203 zu jeder der Öffnungen 206 erstrecken. Die Öffnung 210 ist an dem Ende einer einzelnen mittleren Kühlmittelpassage 212 angeordnet, die axial entlang der Mittelachse A-A des Bohrers 200 verläuft.
Im Gegensatz zu dem in 7 gezeigten Design nach dem Stand der Technik zeigen die 8 und 9 einen Bohrer 300 mit einem Kühlmittelzufuhrsystem gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ähnlich zu dem Layout nach dem Stand der Technik enthält der Bohrer 300 einen Carbidkörper 302 mit einem hartgelöteten Spitzenabschnitt 304. Kühlmittel wird an ein paar Öffnungen 306 in dem hartgelöteten Spitzenabschnitt 304 durch ein Paar gerader Passagen 308 geliefert, die im hartgelöteten Spitzenabschnitt 304 vorgesehen sind und sich von einem Paar Öffnungen 310 in der Hartlötfügestelle 303 derart erstrecken, dass jede Passage 308 zwischen einer jeweiligen der Öffnungen 306 und einer jeweiligen der Öffnungen 310 angeordnet ist. Jede der Öffnungen 310 ist an dem Ende einer jeweiligen spiralförmigen Kühlmittelpassage 312 angeordnet, die auf allgemein spiralförmige Weise um die Mittelachse A-A des Bohrers 300 entlang eines Spiralwinkels δ relativ zu der Mittelachse A-A in axialer Richtung verläuft.
Passagen 312 werden ausgebildet, wenn die Carbidstäbe anfänglich extrudiert werden. Der Spiralwinkel δ der Passagen 312 wird allgemein von dem erforderlichen Spiralwinkel an der Nut gesteuert (d. h. die Ganghöhe (oder Steigung) des Kühlmittellochs ist in der Regel die gleiche wie die gewünschte Ganghöhe, um den erforderlichen Nutenspiralwinkel zu erhalten). In einigen Fällen gibt es zulässige Abweichungen, solange das Kühlmittel nicht den Pfad des Nutenprofils schneidet. In der Regel wird das Kühlmittelloch allgemein zwischen 30–80% des Bohrerradius in der radialen Richtung und umfangsmäßig etwa 25 bis 60 Grad von der Kante der Schneidecke platziert.
In der Regel werden die Passagen 308 in dem Spitzenabschnitt 304 vor dem Hartlöten an den Carbidkörper 302 ausgebildet. Solche Passagen 308 können über EDM-Lochbohren oder andere geeignete Prozesse ausgebildet werden. Die Passagen 308 werden bevorzugt unter einem Winkel ausgerichtet, so dass die existierenden Kühlmittellöcher in dem Stab tangential getroffen werden, doch könnten sich die Passagen 308 auch unter anderen Winkeln treffen (z. B. könnten sie ohne Beschränkung parallel zu der Achse des Bohrers verlaufen).
Bei einem derartigen neuen Design, wie in 8 und 9 gezeigt, werden Festigkeit und Steifheit nicht signifikant kompromittiert, im Gegensatz zu dem Beispiel von 7, wo eine einzelne Zentrale Kühlmittelpassage 212 genutzt wird. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik gibt es keine Gefahr einer „schwachen” Kreuzung an den Last tragenden Bereichen nahe dem Kern. Das Design der vorliegenden Erfindung mit mehreren Kühlmittelpassagen, die durchgehend getrennt voneinander verlaufen, gestattet, dass mehr Kühlmittelvolumen zu der Schneidkante gebracht wird. Das Design mit mehreren Kühlmittelpassagen liefert auch keine Beschränkungen für Bohrer mit kleinerem Durchmesser. Weiterhin erhöht das Design mit mehreren Kühlmittelpassagen allgemein nicht die Herstellungskosten, da in jedem Fall zwei Löcher durch das PKD-Material hergestellt werden müssen.
Wenngleich hier in Verbindung mit einem Bohrer mit PKD-Spitze beschrieben, versteht sich, dass das Design mit mehreren Kühlmittelpassagen ohne Werteres auch auf andere Anwendungen angewendet werden könnte, die das Hartlöten eines Spitzenabschnitts an einen existierenden Stab beinhalten. Bei solchen Anwendungen verwendete Stabmaterialien können üblicherweise beispielsweise ohne Beschränkung Carbid, Keramik, Pulvermetall, Schnelldrehstahl, Stahl und andere beinhalten. Bei solchen Anwendungen verwendete Spitzenmaterialien können beispielsweise ohne Beschränkung Carbid, Cermet, Keramik, PKD, pCBN und andere beinhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierte Bohrer können in allen Industriezweigen in vielen Anwendungen verwendet werden, eignen sich aber besonders gut zur Verwendung in Lochschneidoperationen mit Verbundmaterialien (z. B. ohne Beschränkung CRFP-Titan-Verbundmaterialien).
Andere Anwendungen, Ausführungsformen und Variationen an den hierin beschriebenen offenbarten Ausführungsformen ergeben sich dem Fachmann und können hergestellt werden, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.
Wenngleich spezifische Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, versteht der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen zu jenen Details angesichts der Gesamtlehren der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sollen die offenbarten besonderen Anordnungen nur illustrativ sein und nicht den Schutzbereich der Erfindung beschränken, der die volle Breite der beigefügten Ansprüche und jeglicher und aller Äquivalente davon erhalten soll.

Claims

Drehschneidwerkzeug (20, 100, 300) das Folgendes umfasst: einen länglichen Körper, der um eine Längsachse (A-A) herum angeordnet ist, wobei der Längskörper eine Spiralnut (32) und eine Schneidspitze (22) aus polykristallinem Diamant enthält, wobei die Schneidspitze (22) folgendes umfasst: einen inneren Abschnitt (50) mit einem inneren Spitzenwinkel (γ); und einen äußeren Abschnitt (52) mit einem äußeren Spitzenwinkel (Γ), wobei der innere Spitzenwinkel (γ) sich vom äußeren Spitzenwinkel (Γ) unterscheidet und der innere Abschnitt (50) axial über den äußeren Abschnitt hervorsteht.
Drehschneidwerkzeug (20, 100, 300) nach Anspruch 1, wobei der äußere Spitzenwinkel (Γ) größer ist als der innere Spitzenwinkel (γ).
Drehschneidwerkzeug (20, 100, 300) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der innere Spitzenwinkel (γ) im Bereich zwischen etwa 110 Grad bis etwa 140 Grad liegt.
Drehschneidwerkzeug (20, 100, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der äußere Spitzenwinkel (Γ) im Bereich zwischen etwa 145 Grad bis etwa 180 Grad liegt.
Drehschneidwerkzeug (20, 100, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der längliche Körper aus einem Carbidmaterial ausgebildet ist.
Drehschneidwerkzeug (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der längliche Körper Folgendes umfasst: ein erstes Ende gegenüber der Schneidspitze (22); und mindestens zwei dort hindurch verlaufende Kühlmittelpassagen (308, 312), wobei jede Kühlmittelpassage (308, 312) von dem ersten Ende zu der Schneidspitze (22) verläuft.
Drehschneidwerkzeug (300) nach Anspruch 6, wobei jede Kühlmittelpassage (308, 312) von allgemein spiralförmiger Gestalt ist.
Drehschneidwerkzeug (300) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die beiden Kühlmittelpassagen (308, 312) die durchgehend getrennt voneinander verlaufen.
Schneidspitze (22) aus polykristallinem Diamant zur Verwendung mit einem Drehschneidwerkzeug (20, 100, 300), wobei die Schneidspitze (22) folgendes umfasst: einen inneren Abschnitt (50) mit einem inneren Spitzenwinkel (γ); und einen äußeren Abschnitt (52) mit einem äußeren Spitzenwinkel (Γ) der von dem inneren Spitzenwinkel (γ) verschieden ist, wobei der innere Abschnitt (50) axial über den äußeren Abschnitt (52) hervorsteht.
Schneidspitze (22) nach Anspruch 9, wobei der äußere Spitzenwinkel (Γ) größer ist als der innere Spitzenwinkel (γ).
Schneidspitze (22) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei der innere Spitzenwinkel (γ) im Bereich zwischen etwa 110 Grad bis etwa 140 Grad liegt.
Schneidspitze (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der äußere Spitzenwinkel (Γ) im Bereich zwischen etwa 145 Grad bis etwa 180 Grad liegt.
Schneidspitze (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei durchgehend getrennt voneinander verlaufende Kühlmittelpassagen (308, 312) vorgesehen sind.
Verfahren zum Ausbilden eines Drehschneidwerkzeugs (300) mit einer Schneidspitze (22) aus polykristallinem Diamant, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Ausbilden von mindestens zwei sich axial ersteckenden Kühlmittelpassagen (312) in einem allgemein zylindrischen Werkzeugkörper (302); Ausbilden von mindestens zwei Kühlmittelpassagen (308) in einem Spitzenabschnitt (304), wobei der Spitzenabschnitt (304) von dem Werkzeugkörper (302) getrennt ist und sich die Kühlmittelpassagen von einer Rückseite des Spitzenabschnittes zur Schneidspitze des Spitzenabschnittes erstreckt; und Koppeln des Spitzenabschnitts (304) an den Werkzeugkörper (302), um das Drehschneidwerkzeug (300) auszubilden, wobei die Kühlmittelpassagen des Spitzenabschnittes mit den Kühlmittelpassagen des Werkzeugkörpers ausgerichtet werden, so dass axial durchgehende Kühlmittelpassagen erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Spitzenabschnitt (304) über einen Hartlötprozess an den Werkzeugkörper (302) gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei die mindestens zwei Kühlmittelpassagen (312) durch einen Extrusionsprozess in dem allgemein zylindrischen Werkzeugkörper (302) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die mindestens zwei Passagen (308) über einen EDM-Bohrprozess in dem Spitzenabschnitt (304) ausgebildet werden.