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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugvorrichtung zur zerspanenden Bearbeitung von Werkstücken mittels Rotation, wobei die Werkzeugvorrichtung einen Kopf und einen Schaftbereich umfasst.
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Stand der Technik
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Bei derartigen Werkzeugvorrichtungen handelt es sich beispielsweise um Bohrer oder Fräser, die lediglich in geringem Maße Druckeigenspannungen in die zu bearbeitenden Werkstoffe bzw. Werkstücke einbringen. Bei mittels zerspanenden Werkzeugvorrichtungen bearbeiteten Werkstücken, die als Komponenten im späteren Betrieb hohen Belastungen bzw. Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie z.B. Injektorkörper oder Pumpen in Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail) der neuesten Generation, halten die Strukturen insbesondere im Bereich von durch – im Prinzip strukturschwächenden – Zerspanung gebildeten Bohrungen diesen Belastungen auf Dauer oft nicht stand, so dass ein vorzeitiger Funktionsausfall solcher Komponenten droht.
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Vorteile der Erfindung
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Die Werkzeugvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Werkzeugvorrichtung zusätzlich zur Zerspanungsstufe noch eine integrierte Bearbeitungsstufe aufweist, mit der eine Strukturverfestigung der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks im gleichen Arbeitsgang erzielbar ist, indem mittels des wenigstens einen Körpers eine Druckeigenspannung in die Werkstückoberfläche eingebracht wird. Dazu ist in einer Außenfläche der Werkzeugvorrichtung wenigstens ein Körper derart aufgenommen, dass der wenigstens eine Körper im in das Werkstück eingetauchten Zustand der Werkzeugvorrichtung bei während der Rotation hergestelltem Kontakt mit einer zerspanten Fläche des Werkstücks Druck auf die Fläche ausübt. Durch den während der Rotation der Werkzeugvorrichtung auf der Oberfläche des Werkstücks unter Druck laufenden Körper erfährt die Oberfläche eine plastische Verformung und mithin eine Strukturverfestigung. Dadurch wird vorteilhaft bei einer aus einem solchen Werkstück gefertigten Komponente eine höhere Belastbarkeit und mithin längere Lebensdauer erzielt.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen.
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Um während der Rotation der Werkzeugvorrichtung Druck auf die Werkstückoberfläche auszuüben, ragt der wenigstens eine Körper aus der Außenfläche heraus. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass der wenigstens eine Körper in einer Aufnahmetasche aufgenommen ist, wobei die Aufnahmetasche als Vertiefung in der Außenfläche der Werkzeugvorrichtung ausgebildet sein kann. Dabei ist der wenigstens eine Körper beispielsweise hydraulisch ansteuerbar, indem der jeweiligen Aufnahmetasche wenigstens ein zumindest teilweise im Innern der Werkzeugvorrichtung verlaufender und zur zugehörigen Aufnahmetasche führender Zuleitungspfad für ein fluides oder gasförmiges Druckmittel zugeordnet ist, wobei bei ausreichendem Druck durch das Druckmittel im Zuleitungspfad der in der Aufnahmetasche aufgenommene Körper aus der Außenfläche nach außen herausragt und bei unzureichendem Druck in der Außenfläche versenkt ist. Indem der Zuleitungspfad von einem in der Werkzeugvorrichtung verlaufenden Kühlmittelkanal abzweigt, kann auch das im Kühlmittelkanal durchfließende Kühlmittel zur Druckmittelversorgung des Zuleitungskanals verwendet werden. Um im Bedarfsfall ausreichend Druck in der Aufnahmetasche zu erzeugen, damit der darin aufgenommene Körper aus der Öffnung der Aufnahmetasche vorrückt, wird der Druck im Kühlmittelkanal entsprechend erhöht.
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Eine Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass die Werkzeugvorrichtung als Einlippen-Tieflochbohrer ausgebildet ist, wobei als Außenfläche zur Aufnahme des wenigstens einen Körpers eine Umfangsfläche vorgesehen ist. Bei einer Variante der Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Außenfläche eine Umfangsfläche des Kopfs vorgesehen ist, die ein Zylindermantelsegment umfasst. Vorzugsweise ist eine Vielzahl von Körpern vorgesehen, von denen jeweils wenigstens zwei Körper eine Gruppe bilden, indem die zwei Körper einander etwa diametral gegenüberliegend zugeordnet bei etwa gleicher Axiallage in der Außenfläche angeordnet sind. Dabei sind mehrere Gruppen von einander zugeordneten Körpern gebildet, wobei die jeweiligen Gruppen axial beabstandet voneinander in der Außenfläche angeordnet sind. Die Körper des Einlippen-Tieflochbohrers liegen während des Zerspanvorgangs an der Werkstückoberfläche, d.h. an der Bohrlochwandung an und bringen so Druckeigenspannungen ein. Dabei wird die Vorschub- und Drehbewegung des Einlippen-Tieflochbohrers während des Bearbeitungsvorgangs genutzt. Zusätzlich genutzt werden die aufgrund der Länge der Werkzeugvorrichtung auftretenden dynamischen Bewegungen der Werkzeugvorrichtung, welche durch Verdrehen und daraus resultierenden Axialschwingungen verursacht werden, wodurch die Werkzeugvorrichtung an die Bohrlochwandung angedrückt wird und die Körper ihre Druckeigenspannung auf die Bohrlochwandung übertragen können. Die Werkzeugvorrichtung kann alternativ auch als sog. BTA-Bohrer (BTA: „boring and trepanning association“) oder Ejektor-Bohrer ausgebildet sein.
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Bei einer anderen Variante der Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Außenfläche eine Umfangsfläche des Schaftbereichs vorgesehen ist. Dabei kann der wenigstens eine Körper beispielsweise kugelförmig oder auch leistenförmig ausgebildet sein, dessen in radialer Richtung gesehene Dicke so gewählt ist, dass der Körper gegenüber dem durchmessergrößeren Kopf vorsteht. Dadurch weist die Werkzeugvorrichtung zwei in längsaxialer Richtung voneinander beabstandete Bearbeitungsstufen auf, die bei der beim Bohrvorgang typischen Vorschubbewegung nacheinander zu Einsatz kommen, so dass auf die zerspanende Ausbildung eines Bohrlochs die rollierende Verfestigung mittels der im Schaftbereich angeordneten nächsten Bearbeitungsstufe folgt, wobei der wenigstens eine Körper dazu in der Umfangsfläche des Schaftbereichs starr vorstehend angeordnet sein kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann als Außenfläche zur Aufnahme des wenigstens einen Körpers zumindest eine Führungsleiste vorgesehen sein, welche am Umfang der Werkzeugvorrichtung außen verlaufend ausgebildet ist.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, dass die Werkzeugvorrichtung als Kegelsenker ausgebildet ist, wobei als Außenfläche zur Aufnahme des wenigstens einen Körpers wenigstens eine angrenzend zu einer Schneidkante angeordnete Freifläche vorgesehen ist. Vorzugsweise sind in jeder Freifläche mehrere Körper angeordnet. Bevorzugt sind die in der jeweiligen Freifläche aufgenommenen Körper entlang einer etwa parallel zu einer angrenzenden Schneidkante verlaufenden Linie etwa gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet, wobei für jede Freifläche etwa die gleiche Anzahl von darin aufgenommenen Körpern vorgesehen ist. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Bearbeitung und mithin weitgehend homogene Verfestigung der Werkstückoberfläche aufgrund der Vielzahl von im Wesentlichen symmetrisch innerhalb der Freiflächen angeordneten Körpern erzielen. Es versteht sich dabei, dass die Körper des Kegelsenkers während des Zerspanvorgangs nicht an der Werkstückoberfläche anliegen, sondern erst im Anschluss an die Zerspanung, d.h. im Bedarfsfall, hydraulisch angesteuert werden und aufgrund des dabei erzeugten Drucks aus den Freiflächen vorrücken.
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Indem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Körper rotationssymmetrisch ausgebildet sind, können die Körper in den zugehörigen Aufnahmetaschen rotationsbeweglich gelagert aufgenommen sein, so dass ein gleichmäßiger Rollierprozess möglich ist, der zur Steigerung der Druckschwellfestigkeit in der aus dem solchermaßen bearbeiteten Werkstück gefertigten Komponente führt. Aufgrund der Lagerung der Körper in den Aufnahmetaschen ist somit ein Austausch von verschlissenen Körpern möglich.
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Solche rotationssymmetrische Körper sind bevorzugt kugelförmig ausgebildet, jedoch sind auch zylinderförmig ausgebildete Körper möglich.
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Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in schematisch gehaltenen Ansichten:
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1 eine Draufsicht auf den kopfseitigen Teil eines Einlippen-Tieflochbohrers als erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung, wobei kugelförmige Körper in einer Außenfläche der Werkzeugvorrichtung angeordnet sind,
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2 eine Seitenansicht des Einlippen-Tieflochbohrers von 1, wobei die kugelförmigen Körper am Umfang des Bohrkopfs angeordnet sind,
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3 eine Seitenansicht des Einlippen-Tieflochbohrers, wobei leistenförmig ausgebildete Körper am Umfang des Schaftbereichs ausgebildet sind,
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4 einen Schnitt längs der Schnittlinie I-I von 3,
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5 eine Draufsicht auf einen Kegelsenker als zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung, wobei kugelförmige Körper in Gruppen in Freiflächen des Kegelsenkers angeordnet sind,
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6 eine Seitenansicht des Kegelsenkers von 5, und
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7 eine vergrößerte Detailansicht des Kegelsenkers von 6.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung 10, die im Wesentlichen als Einlippen-Tieflochbohrer mit einem Bohrkopf 11 und einem durchmesserkleineren Schaft 12 ausgebildet ist, wobei sich der Schaft 12 über einen Absatz 13 in längsaxialer Richtung von dem Bohrkopf 11 wegerstreckt. Eine im Querschnitt etwa V-förmige Spanabfuhrnut 14 mit einem Öffnungswinkel im Bereich von etwa 120° bis 140° erstreckt sich in längsaxialer Richtung über den Bohrkopf 11 und den Schaft 12 und dient dazu, beim Bohrvorgang anfallende Späne abzuführen. Eine am Bohrkopf 11 vorgesehene Schneide 18 verläuft von der Bohrermittelachse bis zum Umfang des Bohrkopfs 11.
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Wie insbesondere 1 anhand einer Draufsicht zeigt, ist ferner ein in längsaxialer Richtung den Schaft 12 und den Bohrkopf 11 durchsetzender Kühlmittelkanal 15 vorgesehen, welcher im Querschnitt etwa nierenförmig ausgebildet ist, zur Zufuhr eines Kühlmittels dient und am Ende des Bohrkopfs 11 im Bereich der Spitze 11´ ausmündet, um den Bohrkopf 11 und dessen Schneide 18 während des Bohrvorgangs zu kühlen.
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Am Umfang des Bohrkopfs 11 sind Führungsleisten 16 und 17 sind ausgebildet, um dem Bohrkopf 11 die erforderliche Führung in der Bohrung zu vermitteln.
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Ferner sind am Umfang des Bohrkopfs 11 Körper 20 vorgesehen, die dazu dienen, während des zerspanenden Bohrvorgangs zugleich Druckeigenspannungen auf die Wandung der Bohrung zu übertragen und dadurch die Oberfläche im Bereich der Wandung durch plastische Verformung zu verfestigen. Diese Körper 20 können gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgebildet sein und sind in – nicht dargestellten – Taschen, die als Vertiefungen in der Umfangsmantelfläche des Bohrkopfs 11 ausgebildet sind, praktisch unverlierbar aufgenommen. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei einander paarweise zugeordnete Körper 20 bei gleicher Axiallage ungefähr diametral einander gegenüberliegend am Umfang der Bohrkopfs 11 zu beiden Seiten der zentralen Führungsleiste 16 angeordnet. Wie 2 veranschaulicht, sind eine Vielzahl von Körpern 20 in längsaxialer Richtung gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet.
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3 und 4 veranschaulichen ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die Körper 20 leistenförmig ausgebildet am Umfang des Schafts 12 angeordnet sind, wobei, wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, jeweils zwei Körper 20 einander diametral einander gegenüberliegen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Körper 20 vorzugsweise in – nicht dargestellten – Taschen unverlierbar aufgenommen, welche als Vertiefungen im Umfang des Schafts 12 ausgebildet sind. Damit die Körper 20 die zur Verfestigung der Oberfläche einer Bohrlochwandung erforderliche Druckeigenspannung aufbringen können, ist deren Überstand in radialer Richtung so bemessen, dass sie gegenüber dem Umfang des Bohrkopfs 11 vorstehen.
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5 bis 7 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung 50, die im Wesentlichen als Kegelsenker mit einem Kopf 51 und einem Schaft 52 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Kopf 51, wie in 1 veranschaulicht ist, in vier gleichartige Segmente unterteilt, wobei jedes Segment jeweils eine Schneidkante 53 und eine daran angrenzende Freifläche 54 aufweist, der eine Spanfläche bzw. Spanabfuhrnut 56 gegenüberliegt. In jeder Freifläche 54 sind Körper 60 angeordnet, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgebildet sind. Bevorzugt sind die in der jeweiligen Freifläche 54 aufgenommenen Körper 60 entlang einer etwa parallel zu einer angrenzenden Schneidkante 53 verlaufenden Linie etwa gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Verfestigung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zu erzielen.
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Bevorzugt sind den zur Aufnahme der Körper 20 bzw. 60 in der Außenfläche dienenden Taschen – nicht dargestellte – Druckmittelpfade zugeordnet. Jeder Druckmittelpfad führt ein gasförmiges oder fluides Druckmittel und erstreckt sich derart innerhalb der Werkzeugvorrichtung, dass er an der jeweils zugeordneten Aufnahmetasche ausmündet. Ist ein ausreichender Druck durch das Druckmittel in dem Druckmittelpfad eingestellt bzw. vorhanden, so wird der jeweilige Körper in der zugehörigen Aufnahmetasche aufgrund des hydraulisch auf ihn wirkenden Drucks aus der Aufnahmetasche vorgepresst. Dabei begrenzt die Abmessung der Taschenöffnung an der Außenfläche den Überstand des jeweiligen Körpers gegenüber der Außenfläche. Ist der Druck im Druckmittelpfad unterhalb eines vorbestimmten Niveaus, so bleibt der jeweilige Körper in der zugehörigen Aufnahmetasche, d.h. in der Außenfläche, versenkt. Indem beispielsweise die einzelnen Druckmittelpfade von einem zentral in der Werkzeugvorrichtung verlaufenden Kühlmittelkanal abzweigen, kann mithin die hydraulische Ansteuerung der Körper über die Druckmittelpfade durch eine Erhöhung des Drucks im Kühlmittelkanal erfolgen. Der Anpressdruck für die Körper ist somit über den Kühlmitteldruck steuerbar. Alternativ ist es auch möglich, eine separate Bohrung als hydraulischen Ansteuerungskanal für die Druckmittelpfade vorzusehen.
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Zusammenfassend ist bei der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung, die zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken mittels Rotation dient, vorgesehen, dass in einer Außenfläche der Werkzeugvorrichtung 10; 50 wenigstens ein Körper 20; 60 derart aufgenommen ist, dass der wenigstens eine Körper 20; 60 im in das Werkstück eingetauchten Zustand der Werkzeugvorrichtung 10; 50 bei während der Rotation hergestelltem Kontakt mit einer zerspanten Fläche des Werkstücks Druck auf diese Werkzeugfläche ausübt. Zweckmäßigerweise ist eine Vielzahl von Körpern 20, 60 mit zugehörigen Aufnahmetaschen vorgesehen. Dabei sind die Körper 20, 60 mittels zugeordneter Druckmittelpfade hydraulisch ansteuerbar, wobei die Körper bei ausreichend erzeugtem Druck aus ihrer jeweils zugehörigen Aufnahmetasche vorrücken, um dadurch mechanischen Druck auf die Werkstückoberfläche auszuüben. Die Körper 20 bzw. 60 sind rotationssymmetrisch, vorzugsweise kugelförmig ausgebildet, jedoch sind auch zylinderförmig ausgebildete Körper möglich. In der erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung sind eine Zerspanungsstufe mit geometrisch bestimmter Schneide mit einer rollierend ausgebildeten Bearbeitungsstufe vereint.
