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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Bohrerkopf, der sich entlang einer Rotationsachse in Axialrichtung erstreckt und der einen stirnseitigen Zentralbereich mit ersten Hauptschneiden aufweist, die sich bis zu einem ersten Radius erstrecken und der weiterhin einen in Axialrichtung gegenüber dem Zentralbereich zurückversetzten äußeren Bereich mit zweiten Hauptschneiden aufweist, die sich bis zu einem zweiten äußeren Radius erstrecken. Zwischen dem stirnseitigen Zentralbereich und dem äußeren Bereich ist ein Zwischenbereich ausgebildet, der sich an den Zentralbereich anschließt und diesen mit dem äußeren Bereich verbindet.
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Stufenbohrer, wie beispielhaft einer in der
US 7,267,514 B2 beschrieben ist, weisen einen derartigen Aufbau auf. Bei Stufenbohrern sind zwei axial zueinander versetzte Hauptschneiden ausgebildet, sodass am Ende ein gestuftes Bohrloch ausgebildet wird. Der Zentralbereich ist bei Stufenbohren typischerweise nach Art eines axial hervorstehenden Zapfens ausgebildet. An diesen Zapfen schließt sich dabei ein Zwischenbereich an. Bei der
US 7,267,514 B2 verjüngt sich dieser Zwischenbereich in Axialrichtung zu dem zurückliegenden äußeren Bereich mit den zweiten Hauptschneiden konisch, sodass beim Bohren ein Freigang im Bereich dieses Zwischenbereichs erreicht ist.
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Bohrwerkzeuge werden häufig als modulare Bohrwerkzeuge ausgebildet, bei denen in einem Träger stirnseitig ein Bohrerkopf oder zumindest ein stirnseitiger Schneideinsatz eingesetzt wird. Ein Beispiel hierfür ist aus der
US 7,101,125 B2 zu entnehmen.
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Die Bohrer rotieren im Betrieb um eine Mitten- oder Rotationsachse. Am vordersten Punkt ist auf der Rotationsachse üblicherweise eine Spitze ausgebildet, welche zur Zentrierung des Bohrers dienen soll. Eine hochgenaue Zentrierung des Bohrers ist für eine hochgenaue Bohrlocherzeugung von besonderer Bedeutung.
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Zu Beginn des Bohrvorgangs besteht häufig das Problem, dass der Bohrer radial abgedrängt wird. Dies liegt u. a. auch daran, dass im Bereich der Spitze selbst kein Schneidvorgang erfolgt, da hier keine Relativbewegung zwischen Werkstück und Bohrer stattfindet.
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Die Ausgestaltung als Stufenbohrer dient u. a. auch dazu, den vorderen Zentralbereich nach Art eines Pilotbohrers einzusetzen. Üblich sind auch sogenannte Ausspitzungen, mit denen der Bereich um die Spitze möglichst klein gehalten wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Bohrerkopf anzugeben, welcher eine verbesserte Zentrierwirkung aufweist.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Bohrerkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Bohrerkopf erstreckt sich entlang einer Rotationsachse in Axialrichtung, weist einen stirnseitigen Zentralbereich mit ersten Hauptschneiden auf, die sich bis zu einem ersten Radius erstrecken. Weiterhin weist er einen in Axialrichtung gegenüber dem Zentralbereich zurückversetzten äußeren Bereich mit zweiten Hauptschneiden auf, die sich bis zu einem zweiten äußeren Radius, insbesondere einem Bohrernennradius erstrecken. Der stirnseitige Zentralbereich und der äußere Bereich sind über einen Zwischenbereich miteinander verbunden. Um zu Beginn des Bohrvorgangs eine gute Zentrierwirkung zu erreichen ist nunmehr vorgesehen, dass der Zwischenbereich sich in Axialrichtung ausgehend vom stirnseitigen Zentralbereich zum äußeren Bereich hin unter einem Neigungswinkel erweitert.
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Durch die insbesondere sich konisch erweiternde Ausgestaltung des Zwischenbereichs ist dieser insgesamt in etwa kegelmantelförmig ausgebildet, wobei sich der Kegel zum stirnseitigen Zentralbereich hin verjüngt. Beim Bohrvorgang stützt sich daher dieser Zwischenbereich an dem Werkstück ab und führt aufgrund seiner Konizität zu einer automatischen Zentrierung des Bohrers.
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Mit diesem Ansatz wird daher der Zwischenbereich gerade gegenläufig zu der üblichen Ausgestaltung bei Stufenbohrern ausgebildet, bei denen sich dieser Zwischenbereich üblicherweise in Axialrichtung verjüngt, um einen Kontakt mit dem Werkstück zu vermeiden.
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Der Bohrerkopf ist dabei wahlweise Teil eines einstückigen Bohrwerkzeugs, beispielsweise Vollhartmetallbohrer. Alternativ ist der Bohrerkopf Teil eines modularen Bohrwerkzeugs, bei dem entweder der gesamte Bohrerkopf als austauschbarer Einsatz oder auch nur ein Teil des Bohrerkopfs als austauschbarer Schneideinsatz in einen Träger einsetzbar ist.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung liegt der Neigungswinkel bezogen auf die Rotationsachse im Bereich zwischen 3° und 15° und vorzugsweise im Bereich von etwa 7°. Der Zwischenbereich, also die ausgebildete Mantelfläche ist daher nur unter einem geringen Winkel zur Rotationsachse orientiert, verläuft daher vergleichsweise steil im Unterschied zu den üblicherweise vergleichsweise flach orientierten Hauptschneiden. Durch diesen Neigungswinkel ist eine effektive Zentrierung gewährleistet.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung weitet sich der Zwischenbereich insgesamt konisch. Hierunter wird verstanden, dass in einer Schnittebene betrachtet, die von der Rotationsachse sowie einer Radialrichtung aufgespannt ist, der Zwischenbereich sich geradlinig entlang einer Linie erstreckt. Im Übergangsbereich zum axial zurückliegenden äußeren Bereich können auch Rundungen ausgebildet sein. Dies ist üblicherweise dadurch bedingt, dass die auch als Bohrerstirn bezeichnete Stirnfläche des Bohrers vorzugsweise durch Schleifen hergestellt wird. Die konische Ausgestaltung erlaubt ein definiertes Zentrieren aufgrund der geradlinigen Ausgestaltung. Alternativ besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, den Zwischenbereich insgesamt nach Art einer Rundung auszubilden. In diesem Fall ist die Rundung so gewählt, dass die Übergangspunkte vom Zwischenbereich zu dem stirnseitigen Zentralbereich einerseits und zum axial zurückversetzten äußeren Bereich andererseits auf einer Geraden liegen, die zu der Rotationsachse den Neigungswinkel einschließt.
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In bevorzugter Weiterbildung sind an dem Zwischenbereich Zwischenschneiden ausgebildet, die die ersten mit dem zweiten Hauptschneiden verbinden. Der Zwischenbereich ist daher also insgesamt schneidend ausgebildet. Dadurch treten beim Bohrvorgang im Zwischenbereich Zerspanungskräfte auf, die maßgebend für die gewünschte Zentrierwirkung sind. Durch die insbesondere konisch geneigte Ausbildung des Zwischenbereichs wirken diese Zerspanungskräfte gleichmäßig in radialer Richtung, sodass also eine gewünschte Zentrierwirkung erzielt wird. Die einzelnen Schneiden sind dabei üblicherweise in geeigneter Weise um den Umfang verteilt angeordnet. Bei einer Ausführungsvariante mit zwei effektiven Schneiden liegen diese vorzugsweise um 180° drehversetzt symmetrisch zueinander. Die jeweilige effektive Schneide ist dabei gebildet durch die erste Hauptschneide, der sich daran anschließenden Zwischenschneide des Zwischenbereichs und schließlich der sich daran wieder anschließenden zweiten Hauptschneide des äußeren Bereichs. Diese durch diese drei Schneidenbereiche gebildete effektive Hauptschneide verläuft dabei vorzugsweiße durchgehend und ohne Unterbrechung von der Rotationsachse bis zu einem äußeren Nennradius des Bohrerkopfes, an dem üblicherweise ein äußeres Schneideck ausgebildet ist. Grundsätzlich können bei Bedarf kurze Unterbrechungen in diese effektiven Schneiden eingebracht sein, die beispielsweise nach Art von Spanbrechernuten wirken. Weitere Schneiden sind vorzugsweise nicht vorgesehen.
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Der erste Radius des Zentralbereichs liegt vorzugsweise im Bereich zwischen dem 0,25- bis zu dem 0,8-fachen des äußeren Radius. Der äußere Radius ist wie bereits erwähnt vorzugsweise der Nennradius, sodass also der erste Radius im Bereich des 0,25- bis zum 0,8-fachen des Nennradius liegt. Die Wahl der Größe des ersten Radius hängt hierbei insbesondere von dem Material des zu bearbeitenden Werkstücks ab.
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In zweckdienlicher Weiterbildung erstreckt sich der Zwischenbereich in Axialrichtung über eine axiale Länge von 0,1 mm bis maximal 5 mm.
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Die axiale Länge ist dabei insbesondere in Abhängigkeit eines vorgegebenen Vorschubs bemessen, und zwar bevorzugt derart, dass sich die gesamte Zwischenschneide zu Beginn des Bohrvorgangs bereits bei einer Bohrerumdrehung in Eingriff mit einem zu bearbeitenden Werkstück befindet. Die axiale Länge ist dabei vorzugsweise etwas kürzer als der axiale Vorschub. Damit ist gewährleistet, dass der Zwischenbereich zu Beginn des Bohrvorgangs sofort in Eingriff kommt und damit seine Zentrierwirkung ausüben kann. Unter Vorschub wird dabei die Zustellbewegung des Bohrers in Axialrichtung bei einer vollständigen Drehung um 360° um die Rotationsachse verstanden. Alternativ ist die axiale Länge größer als der axiale Vorschub gewählt und liegt beispielsweise beim 1 bis 3-fachen des axialen Vorschubs.
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Der Vorschub ist dabei üblicherweise stark materialabhängig. So werden für harte Werkstoffe üblicherweise vergleichsweise kleine Vorschübe und bei weicheren Materialien wie beispielsweise Leichtmetalle auch größere Vorschübe gefahren, die beispielsweise im Bereich von einem Millimeter pro Umdrehung liegen. Für härtere Werkstoffe, wie beispielsweise Stähle liegt daher die axiale Länge vorzugsweise im Bereich von lediglich 0,1 mm bis 1 mm.
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Die ersten Hauptschneiden des Zentralbereichs sind bevorzugt unter einem Spitzenwinkel zueinander orientiert, der im Bereich von 90° bis 180° und insbesondere im Bereich von etwa 140° liegt. Bei einer Ausgestaltung mit 180° ist daher ein Flachbohrer ausgebildet. Vorzugsweise sind die ersten Hauptschneiden jedoch dachförmig unter dem angegebenen spitzen Winkel von insbesondere im Bereich von etwa 140° orientiert.
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Zweckdienlicherweise sind weiterhin auch die zweiten Hauptschneiden des äußeren Bereichs unter einem Spitzenwinkel zueinander orientiert, der in diesem Bereich liegt. Insbesondere sind sie dachförmig zueinander orientiert. Bevorzugt sind sie unter dem gleichen Spitzenwinkel wie die ersten Hauptschneiden zueinander orientiert. Alternativ sind die beiden Spitzenwinkel verschieden zueinander.
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Zweckdienlicherweise ist weiterhin vorgesehen, dass Spannuten in den Zwischenbereich und vorzugsweise bis hinein in den stirnseitigen Zentralbereich geführt sind. Die Spannuten schließen sich jeweils an die einzelnen Schneiden des jeweiligen Bereichs (Zentralbereich, Zwischenbereich, äußerer Bereich) an.
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Beschreibung der Figuren
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 Einen Bohrerkopf in Seitenansicht, welcher als auswechselbarer Bohrerkopf für ein modulares Bohrwerkzeug ausgebildet ist,
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2 ein zur 1 vergleichbarer Bohrerkopf in Aufsicht auf dessen Bohrerstirn sowie
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3 eine vergrößerte, schematisierte Darstellung des in 1 mit einem Kreis gekennzeichneten Bereichs.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In den 1 und 2 ist ein Bohrerkopf 2 dargestellt, welcher im Ausführungsbeispiel als ein austauschbarer Bohrerkopf zum Einsetzen in einen hier nicht näher dargestellten Träger eines modularen Bohrwerkzeugs ausgebildet ist.
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Der Bohrerkopf weist als vordere Stirnfläche eine Bohrerstirn 4 auf. Diese Bohrerstirn 4 ist insgesamt durch drei Teilbereiche gebildet, nämlich einen stirnseitigen Zentralbereich 6, einen Zwischenbereich 8, sowie einen äußeren Bereich 10. In den Bohrerkopf sind insgesamt zwei Spannuten 12 eingebracht, die sich im Ausführungsbeispiel wendelförmig erstrecken. Diese werden üblicherweise in einem Schaftbereich des Trägers weitergeführt.
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Der Bohrerkopf 2 weist an seiner der Bohrerstirn 4 gegenüberliegenden Seite einen Kupplungszapfen 14 mit anschließendem Einführzapfen 16 auf. Über den Kupplungszapfen 14 wird eine lösbare Verbindung mit dem Träger ausgebildet. Entlang der Spannut 12 verläuft jeweils eine Nebenschneide 18, an die sich in Umfangsrichtung eine Stütz- oder Führungsfase 20 an einem Bohrrücken des Bohrkopfs 2 anschließt.
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Der gesamte Bohrerkopf 2 erstreckt sich in einer Axialrichtung 22 entlang einer Rotationsachse 24, um die er beim Betrieb rotiert. Die Rotationsachse 24 definiert eine Mittenachse.
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Der stirnseitige Zentralbereich 6 weist zwei erste Hauptschneiden 26 auf, die sich ausgehend von einem Zentrum in etwa in radialer Richtung nach außen bis zu einem ersten Radius r1 erstrecken. An diese erste Hauptschneiden 26 schließen sich Zwischenschneiden 28 des Zwischenbereichs 8 an. An diese wiederum schließen sich zweite Hauptschneiden 30 des äußeren Bereichs 10 an, die sich bis zu einem Nennradius r2 des Bohrkopfs 2 erstrecken. Über den Nennradius r2 wird daher der Radius der erzeugten Bohrung definiert. Im Ausführungsbeispiel ist der Bohrerkopf 2 bezüglich einer 180° Drehung um die Rotationsachse 24 drehsymmetrisch ausgebildet.
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Wie insbesondere aus der vergrößerten, schematisierten Darstellung der 3 zu entnehmen ist, ist der Zwischenbereich 8 insgesamt als ein sich in Axialrichtung 22, also in Richtung von der Bohrstirn 4 zu einem rückwärtigen Bereich, als ein sich konisch erweiternder Zwischenbereich 8 ausgebildet. Der Zwischenbereich 8 ist daher insgesamt als eine sich verbreiternde Kegelmantelfläche ausgebildet. Der Zwischenbereich 8 ist dabei unter einem Neigungswinkel α bezüglich der Axialrichtung 22 orientiert. Der Neigungswinkel α liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3° und 15° und im Ausführungsbeispiel etwa bei 11°.
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Gleichzeitig sind sowohl die ersten Hauptschneiden 26 als auch die zweiten Hauptschneiden 30 unter einem Spitzenwinkel β zueinander orientiert, welcher vorzugsweise im Bereich zwischen 120° und 150° und im Ausführungsbeispiel bei etwa 140° liegt. Alternativ sind die beiden Spitzenwinkel ß unterschiedlich ausgebildet. Dabei ist der Spitzenwinkel ß der ersten Hauptschneiden 26 größer oder kleiner als der Spitzenwinkel ß der zweiten Hauptschneiden 30.
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Der erste Radius r1 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen dem 0,25- und 0,8-fachen des Nennradius r2. Vorzugsweise liegt er eher im unteren Bereich, also beispielsweise im Bereich zwischen dem 0,25-fachen und dem 0,4-fachen. Im Ausführungsbeispiel liegt er bei etwa einem Drittel des Nennradius r2.
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Der Zwischenbereich 8 erstreckt sich weiterhin über eine axiale Länge L, die insgesamt vergleichsweise kurz bemessen ist, zumindest im Vergleich zu herkömmlichen Ausgestaltungen von Stufenbohrern. Sie liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 2 mm. In Abhängigkeit des zu bearbeitenden Werkstoffes kann die axiale Länge L auch darüber liegen und beispielsweise bis maximal 5 mm betragen.
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Die hier beschriebene Ausgestaltung der Bohrerstirn 4 mit dem sich unter einem Neigungswinkel α verbreiternden Zwischenbereich 8 kann grundsätzlich bei unterschiedlichen, an sich bekannten Stirngeometrien für Bohrer ausgebildet werden. So ist in 2 beispielhaft ein Stirnanschliff nach Art eines Kegelmantelanschliffs dargestellt, bei dem sich an eine jeweilige effektive Hauptschneide jeweils eine in etwa kegelmantelförmige Freifläche 32 anschließt. In diese ist zur Verjüngung eines Kernbereichs des Bohrers zudem eine Ausspitzung 34 in an sich bekannter Weise eingebracht. Unter effektive Hauptschneide wird hierbei die insbesondere unterbrechungsfreie, durchgehende Schneide verstanden, welche durch die drei Teilbereiche erste Hauptschneide 26, Zwischenschneide 28 sowie zweite Hauptschneide 30 gebildet ist.
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Aus 2 ist weiterhin zu entnehmen, dass bei dem hier gewählten Anschliff der Bohrerstirn 4 die beiden ersten Hauptschneiden 26 durch eine Querschneide miteinander verbunden sind, sodass insgesamt ein in etwa S-förmiger Schneidenbereich ausgebildet ist.
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Neben dem hier dargestellten Anschliff der Bohrstirn 4 werden beispielsweise auch an sich bekannte sogenannte Vier-Flächen-Anschliffe etc. für die Bohrerstirn 4 eingesetzt.
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Der Zwischenbereich 8 bildet aufgrund seiner konischen Ausgestaltung einen Zentrierbereich aus und bewirkt eine Zentrierwirkung beim Bohrvorgang. Aufgrund seiner Neigung greift er in das zu bearbeitende Werkstück ein. Infolge der Zwischenschneiden 28 erfolgt also im Zwischenbereich 8 eine spanende Bearbeitung des Werkstücks. Hierdurch treten Zerspanungskräfte auf, welche eine Radialkomponente in Richtung zur Rotationsachse 24 aufweisen. Durch die drehsymmetrische Ausgestaltung erfolgt durch diese auftretenden Zerspanungskräfte eine effektive Zentrierwirkung und der gesamte Bohrerkopf 2 und damit der Bohrer wird effektiv zentriert geführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7267514 B2 [0002, 0002]
- US 7101125 B2 [0003]
