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Die Erfindung betrifft ein Rotationswerkzeug, insbesondere einen Bohrer, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotationswerkzeugs.
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Hintergrund der Erfindung
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In der
EP 1 748 859 B1 ist ein sogenannter Flachbohrer beschrieben, bei dem zwei Hauptschneiden im Bereich eines Zentrums über eine Querschneide verbunden sind. Die Hauptschneiden liegen in einer gemeinsamen horizontalen Stirnebene. Weiterhin verlaufen die Hauptschneiden geradlinig. Im Bereich des Zentrums und der Querschneide ist eine Ausspitzung durch einen separaten Schleifschritt eingebracht, wobei die dabei ausgebildete Schlifffläche sich in radialer Richtung nach außen bis zu einem Schneideck erstreckt und eine Spanfläche ausbildet, welche unter einem Spanwinkel orientiert ist. Mit einem derartigen Flachbohrer lassen sich zuverlässig Sacklöcher mit ebenem Bohrgrund erzeugen.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rotationswerkzeug, insbesondere einen Bohrer anzugeben, welcher gute Schnittleistungen ermöglicht.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Rotationswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Das Rotationswerkzeug ist dabei insbesondere als ein Bohrer ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Längsachse. Frontseitig ist eine Stirnfläche ausgebildet, an der sich zumindest eine und vorzugsweise zumindest zwei Hauptschneiden befinden, welche sich von einem Schneideck in radialer Richtung zu einem innenliegenden Zentrum erstrecken. Bei dem Rotationswerkzeug handelt es sich um ein genutetes Werkzeug mit jeweils mindestens einer Spannut pro Hauptschneide. Das Zentrum ist durch einen zentralen Materialkern des Bohrwerkzeugs gebildet. An der Stirnfläche endet der Bohrer an einer Zentrumsspitze, die auf der Längsachse liegt. Die Längsachse definiert zugleich auch eine Rotationsachse, um die das Rotationswerkzeug im Betrieb rotiert. Zusätzlich zur üblicherweise geschliffenen Spannut ist eine weitere gemeinsame Schlifffläche durch einen zusätzlichen Schleifschritt eingebracht. Diese erstreckt sich vom Zentrum bis zu einem radial äußeren Bereich im Bereich der Hauptschneide. Im Zentrum dient die Schlifffläche zur Ausbildung einer Ausspitzung und im weiteren Verlauf der Hauptschneide dient die Schlifffläche zur Ausbildung und Festlegung des Spanwinkels. Der durch die Schlifffläche ausgebildete Spanwinkel verändert sich stufenfrei und insbesondere kontinuierlich in Richtung zum Zentrum. Alternativ zu einer kontinuierlichen Veränderung kann der Spanwinkel über einen gewissen Radialabschnitt auch konstant sein, wobei der Radialabschnitt mit dem konstanten Spanwinkel sich beispielsweise über einen Bereich von einigen Prozent, insbesondere von maximal 15% oder von maximal 50 % des Nennradius erstreckt.
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Unter Spanwinkel wird hierbei der Winkel zwischen einer vertikalen, sich in Richtung der Längachse erstreckenden Ebene und der Schlifffläche verstanden. Dieser wird durch das Einbringen der Schlifffläche ausgebildet. Im entsprechenden Schleifschritt werden also die Hautpschneide und der sich daran anschließenden Bereich der Spannut angeschliffen.
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Unter stufenfreier Veränderung des Spanwinkels wird insbesondere verstanden, dass weder die Schlifffläche noch die Hauptschneide im Bereich der Schlifffläche einen Knick, also eine Kante aufweisen. Oder in anderen Worten: Die Veränderung des Spanwinkels in radialer Richtung zum Zentrum (∆γ/∆r) hin ist stetig, weist also keinen Sprung auf. Der Spanwinkel verändert sich dabei insbesondere ausschließlich in eine Richtung, d.h. er nimmt nicht abwechselnd zu und ab. Insbesondere verringert er sich in Richtung zum Zentrum hin. Herstellungstechnisch wird dies durch eine entsprechende Ansteueerung einer Schleifscheibe erreicht, so dass ein Anstellwinkel der Schleifscheibe bezüglich des Rotationswerkzeugs bevorzugt kontinuierlich zur stufenfreien Veränderung des Spanwinkels verstellt wird. Der Begriff„stufenfrei“ umfasst daneben weiterhin eine insbesondere incrementale Annäherung an eine solche kontinuierliche Veränderung des Anstellwinkels, d.h. die Schleifscheibe wird unter unterschiedlichen Winkeln angestellt, so dass – auf mikroskopischer Ebene geringfügige Schliffkanten an zwei aufeinanderstoßenden Teilfschliffflächen erzeugt werden. An der Schliffkante weichen die beiden Teilschliffflächen dabei jedoch allenfalls geringfügig, z.B. um maximal etwa 3° von einer fluchtenden 180°-Ausrichtung der beiden Teilschliffflächen ab. Im Falle einer incrementale Annäherung sind daher auch eine Vielzahl, insbesondere mehr als 3 und vorzugsweise mehr als 5 derartiger Schliffkanten und eine entsprechende Anzahl von Teilschliffflächen innerhalb der Schlifffläche ausgebildet.
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In zweckdienlicher Ausbildung ist die Veränderung kontinuierlich, d.h. die Veränderung des Spanwinkels ist für jeden Schneidenabschnitt ungleich Null. Es bestehen also keine Schneidenabschnitte, die über den gesamten Abschnitt einen konstanten Spanwinkel aufweisen.
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Unter dem Merkmal, das sich die Schlifffläche bis zu einem äußeren radialen Bereich erstreckt wird weiterhin insbesondere verstanden, dass sich die Schlifffläche ausgehend vom Zentrum, also von der Rotationsachse über zumindest 50% oder 60% und vorzugsweise zumindest über 80% eines Nennradius des Rotationswerkzeugs erstreckt.
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Durch die Ausgestaltung mit der zusätzlichen Schlifffläche ist zum einen die Ausbildung eines Spanwinkels unabhängig von der zuvor eingeschliffenen Spannut ermöglicht, so dass also in einfacher Weise durch die zusätzliche gemeinsame Schlifffläche ein für einen jeweiligen Bearbeitungszweck geeigneter Spanwinkel unabhängig von der Ausbildung der Spannut eingeschliffen werden kann. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist in dem sich verändernden Spanwinkel zu sehen. Durch die gemeinsame, gleichmäßige und kantenfreie Schlifffläche ist zum einen gewährleistet, dass trotz der Variation des Spanwinkels im Bereich der Schlifffläche keine Knickstellen ausgebildet sind. Üblicherweise ist eine derartige Knickstelle im Übergangsbereich zur Ausspitzung hin gegeben. Durch die gemeinsame Schlifffläche ist dies vermieden. Dies führt insgesamt zu einem homogenen Schnittkraft-Verlauf über die gesamte Schneidenlänge des Bohrers.
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Durch den variierenden Spanwinkel ergibt sich weiterhin der besondere Vorteil, dass gleichzeitig zu diesem homogenen Verlauf die Schnittkraft in vorteilhafter Weise variiert, beispielsweise von einem scharfkantigen Schneideck hin zu einem eher stumpfen Zentrum. Dadurch können die einzelnen Schneidenabschnitte besonders vorteilhaft den zu erwartenden Belastungen beim Zerspanungsvorgang und / oder den Belastungsgrenzen des Rotatioinswerkzeugs angepasst werden.
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In bevorzugter Ausbildung erstreckt sich dabei die Schlifffläche ausgehend vom Schneideck durchgehend zumindest bis zum Zentrum. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass im gesamten Bereich der Hauptschneide kein Knick vorliegt. Dadurch ergibt sich ein vollständig homogener Schnittkraft-Verlauf ohne Sprünge über die gesamte Schneidenlänge.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, das Schneideck mit einer Eckenform und/oder mit einer Nebenschneidenform, beispielsweise eine Fase oder ein Radius oder eine Verrundung auszubilden. Diese Ecken- oder Nebenschneidenform ist beispielsweise als als einfache schräge Anschlifffläche ausgebildet ist. In einem solchen Fall erstreckt sich die Schlifffläche ebenfalls bis zum Schneideck, dessen Beginn durch die Eckenform festgelegt ist.
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Alternativ zur der bis zum Schneideck sich erstreckenden Schlifffläche endet die Schlifffläche bereits vor dem Schneideck, so dass also in einem äußersten radialen Bereich die ursprüngliche Spannutwand sich bis zur Hautpschneide erstreckt und damit auch den Spanwinkel definiert. Bei dieser Variante ist der verändernde Verlauf des Spanwinkels bevorzugt derart gewählt, dass dieser auch bei der Übergangsstelle zur ursprünglichen Spannut stufenfrei, also knick- und kantenfrei im Sinne der obigen Definition von stufenfrei ist. Die Schlifffläche geht daher knickfrei in die ursprüngliche, also bereits bestehende Spannutwand über.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist am Schneideck ein positiver Spanwinkel ausgebildet, sodass also ein spitzer Schneidkeil geschaffen ist. Der Spanwinkel verringert sich in bevorzugter Ausbildung in Richtung zum Zentrum.
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Im Bereich des Zentrums, also insbesondere im Bereich, wo die Hauptschneide zur Querschneide übergeht, nimmt der Spanwinkel nur geringe Werte von beispielsweise –5° bis +10° und bevorzugt bis maximal +2° an und weist insbesondere einen Wert von null auf. Positive Vorzeichen beim Spanwinkel bedeuten, dass ein spitzer Schneidkeil und negative Werte, dass ein stumpfer Schneidkeil ausgebildet ist. Durch die Wahl des allenfalls sehr geringen Spanwinkels oder sogar leicht negativen Spanwinkels im Zentrum ist die Schneide dort insgesamt weitgehend stumpf ausgebildet, sodass im Bereich des Zentrums dieses insgesamt sehr robust ist.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass am radial äußersten Bereich der Schliffläche und damit insbesondere am Schneideck der Spanwinkel im Bereich von 5° bis 20° oder bis 30° und insbesondere bei etwa 10° bis 15° und vorzugsweise bei 15° liegt. Dadurch ist insgesamt ein vergleichsweise spitzer Schneidkeil am Schneideck ausgebildet, so dass im Bereich des Schneidecks der Bohrer insgesamt sehr schnittfreudig ist, wohingegen durch den geringen Spanwinkel im Zentrumsbereich dort die Schneide weniger schnittfreudig und stumpf ausgebildet ist. Grundsätzlich ist der Spanwinkel am Schneideck begrenzt durch einen Spannutwinkel. Je nach Wahl des Spannutwinkels kann daher der Spanwinkel am Schneideck auch größer als 20° sein und Werte bis maximal zum Spannutwinkel annehmen.
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Dieser liegt üblicherweise bei maximal 30° Unter Spannutwinkel wird der Winkel verstanden unter dem die Spannut bezüglich einer Vertikalen orientiert ist. Der Spannutwinkel gibt daher auch die Wendelsteigung bei einer gewendelten Spannut an. Der Spannutwinkel wird auch als Drallwinkel bezeichnet.
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Die Hauptschneiden verlaufen weiterhin in zweckdienlicher Ausgestaltung geradlinig in radialer Richtung, weisen also keinen bogenförmigen Verlauf auf. In Kombination mit dem variierenden Spanwinkel lassen sich dabei gewünschte definierte Schnittkräfte für die einzelnen Schneidenabschnitte festlegen.
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Grundsätzlich lässt sich jedoch der Vorteil des sich variierenden Spanwinkels durch die gemeinsame Schlifffläche auch bei gebogenen Hauptschneiden erreichen. In bevorzugter Alternative ist daher die Hauptschneide insbesondere konkav gebogen ausgebildet.
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Bei der Spannut handelt es sich allgemein um eine gewendelte Spannut, welche unter dem Spannutwinkel verläuft. Bei herkömmlichen Bohrern wird der Spanwinkel an der Hauptschneide durch diesen Spannutwinkel bestimmt. Durch die zusätzlich eingebrachte Schlifffläche im Bereich der Hauptschneide wird der Spanwinkel unabhängig von dem Spannutwinkel ausgebildet.
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Durch die zusätzlich eingebrachte Schlifffläche wird dabei als charakteristisches Merkmal ein Knick in der Spannutwand im Übergangsbereich von der Schlifffläche zu dem weiteren Verlauf der Spannutwand ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erstreckt sich die Schlifffläche über die gesamte Spannut, erstreckt sich also ausgehend vom Schneideck über das Zentrum hinweg bis zum gegenüberliegenden Ende der Spannut. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein einfaches Einschleifen der Schlifffläche.
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Zweckdienlicherweise ist vorgesehen, dass die Stirnfläche insgesamt bevorzugt nach Art einer Kegelmantelfläche ausgebildet ist. Die Stirnfläche ist allgemein bevorzugt lediglich durch die in die Stirnfläche hineinreichenden Spannuten unterbrochen. Ausgehend von einer Zentrumsspitze fallen daher Freiflächen der Stirnfläche in radialer Richtung nach außen ab. Die Freiflächen schließen sich dabei in Umfangsrichtung stirnseitig an die Hauptschneiden an. Unter „nach Art einer Kegelmantelfläche“ werden hierbei unterschiedliche Schliffvarianten verstanden, wie beispielsweise der Kegelmantelschliff, aber auch Mehrflächenschliffe, wie beispielsweise der Vierflächenschliff. Der wesentliche Vorteil im Vergleich beispielsweise zu einem Flachbohrer ist darin zu sehen, dass für ein Anbohren eine Zentrumsspitze zur Verfügung steht und dadurch eine bessere Führung des Bohrers gerade beim Beginn des Bohrvorgangs erzielt ist.
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Beschreibung der Figuren
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:
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1 eine Stirnansicht auf einen Bohrer,
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2 eine ausschnittsweise erste Seitenansicht auf ein Schneideck des Bohrers gemäß 1
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3 eine ausschnittsweise zweite Seitenansicht auf den im Vergleich zur 2 etwa um 90° gedrehten Bohrer gemäß 1
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4 eine ausschnittsweise Seitenansicht in Blickrichtung wie bei 2 auf eine vertikale radial äußere Schnittebene gemäß der Schnittlinie IV-IV in 1, sowie
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5 eine ausschnittsweise Seitenansicht in Blickrichtung wie bei 2 auf eine vertikale radial innere Schnittebene gemäß der Schnittlinie V-V in 1
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Das in den Figuren dargestellte Rotationswerkzeug ist als ein Bohrer 2 ausgebildet, welcher sich entlang einer Längsachse 4, die zugleich eine Rotationsachse bildet, in Längsrichtung erstreckt. Der Bohrer 2 weist eine frontseitige im Wesentlichen kegelmantelförmige Stirnfläche 6 auf. Der Bohrer weist im Ausführungsbeispiel zwei Hauptschneiden 8 auf, welche sich jeweils von einem äußeren Schneideck 10 geradlinig zu einem Zentrum 12 erstrecken. Die beiden Hauptschneiden 8 sind im Zentrum 12 üblicherweise über eine Querschneide 14 miteinander verbunden. Wie insbesondere aus den Seitenansichten zu entnehmen ist, weist der Bohrer 2 im Zentrum 12 eine etwas erhabene Zentrumsspitze 16 auf. Dies wird üblicherweise von der Querschneide 14 gequert.
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Aufgrund ihres geradlinigen Verlaufs und der Rotationssymmetrie, wonach die beiden Hauptschneiden 8 bezüglich der Längssachse 4 um 180° drehversetzt sind, verlaufen die beiden Hauptschneiden 8 parallel zueinander. An die Hauptschneiden 8 schließt sich jeweils eine Freifläche 18 an, die jeweils einen Teil der Stirnfläche 6 bildet. Die im Wesentlichen kegelmantelförmige Stirnfläche 6 ist durch Spannuten 20 unterbrochen. Die Spannuten 20 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel wendelförmig entlang des Bohrers 2. Sie sind dabei unter einem Spannutwinkel α bezüglich einer Vertikalen orientiert (vgl. 2)
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Zwischen den Spannuten 20 ist umfangsseitig jeweils ein Bohrrücken 22 ausgebildet. Im Übergangsbereich von der Spannut 20 zum Bohrrücken 22 ist im Ausführungsbeispiel eine Führungsphase 24 angeordnet.
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Wie insbesondere aus der Seitenansicht gemäß der 2, 3 zu entnehmen ist, ist am stirnseitigen Ende der Spannut 20 eine Schlifffläche 26 eingebracht. Diese erstreckt sich ausgehend vom Zentrum 12 in Richtung zum Schneideck 10 als gleichmäßige Fläche und reicht zumindest bis in einen äußeren radialen Bereich im Bereich der Spannut. Die Schlifffläche 26 reicht dabei bevorzugt zumindest bis zur Mitte der Hauptschneide 8 und vorzugsweise – wie in den Figuren dargestellt, bis zum Schneideck 10. Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Schliffläche darüberhinaus am stirnseitigen Ende der Spannut 20 im Übergangsbereich zur Stirnfläche 6 über die gesamte Spannut 20, also vom Schneideck 10 bis zum gegenüberliegenden Ende der Spannut 20, wo diese in den Bohrrücken 22 übergeht.
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Diese Schlifffläche 26 bildet im Bereich des Zentrums 12 eine Ausspitzung 28 aus. Da die Schlifffläche 26 in radialer Richtung weiter insbesondere durchgehend bis zum äußeren Schneideck 10 verläuft, definiert sie zudem einen Spanwinkel γ der Hauptschneide 8. Dieser ist festgelegt als der Winkel zwischen einer Vertikalen und der Schlifffläche 26, wie dies beispielsweise in den 2, 4 sowie 5 dargestellt ist.
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Der Spanwinkel γ ist dabei am Schneideck 10 als ein positiver Spanwinkel ausgebildet, sodass ein spitzwinkliger Schneidkeil vorliegt. Durch das Einschleifen der Schlifffläche 26 wird etwas von der Spannutwand im Bereich der Stirnfläche 6 abgenommen und auch die Hauptschneide 8 geschliffen. Dadurch wird der Spannutwinkel α der gewendelten Spannut 20 reduziert, sodass also der Spanwinkel γ geringer ist als der Spannutwinkel α. Allgemein erreicht der Spanwinkel γ maximal den Spannutwinkel α, welcher beispielsweise bis zu 30° betragen kann. Vorzugsweise liegt der Spanwinkel γ am Schneideck im Bereich von etwa 10° bis 15°.
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Wie insbesondere durch Vergleich der 2, 4 und 5 hervorgeht, verringert sich der Spanwinkel γ in Richtung zum Zentrum 12 hin. Die Veränderung ∆γ/∆r des Spanwinkels γ in radialer Richtung r ist dabei stetig, so dass also eine knickfreie Schlifffläche 26 ausgebildet ist und damit auch eine knickfreie Hauptschneide 8. Bevorzugt verändert sich der Spanwinkel γ kontinuierlich. Im Zentrum 12 selbst, also im Bereich der Ausspitzung 28, und damit im Übergangsbereich zwischen der Hauptschneide 8 zur Querschneide 14 beträgt der Spanwinkel γ vorzugsweise null oder ist sogar leicht negativ bis beispielsweise –5°. Durch diese Maßnahme ist der Bohrer 2 im Bereich der Eckenschneide 10 durch den spitzeren Schneidkeil insgesamt schneidfreudiger als im Zentrum 12, was sich insgesamt positiv auf die Schneidleistung und die benötigte Kraft für die Zerspanung auswirkt. Durch die Reduzierung auf einen Bereich von etwa 0° für den Spanwinkel γ ist demgegenüber im Zentrum 12 ein im Wesentlichen massiver Keil ausgebildet, welcher den im Zentrum 12 bei der Bearbeitung auftretenden Belastungen sehr gut standhalten kann.
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Herstellungstechnisch wird hierbei derart vorgegangen, dass die Schlifffläche 26 in die jeweilige Spannut 20 nachträglich eingebracht wird. Hierzu wird eine Schleifscheibe verwendet, die unter einem bestimmten Winkel angestellt ist, sodass der gewünschte Spanwinkel γ ausgebildet wird. Während des Schleifvorgangs wird nunmehr die Schleifscheibe in radialer Richtung r verstellt und dabei wird die relative Winkellage zwischen dem Bohrer 2 und der Schleifscheibe kontinuierlich verstellt, sodass sich der in radialer Richtung r variierende Spanwinkel γ ergibt.
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Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsvariante besteht auch die Möglichkeit, die Schlifffläche 26 nicht vollständig bis zum Schneideck 10 durchzuführen. Die Schlifffläche 26 endet bei dieser Variante daher in einem Radialabstand vor dem Schneideck 10. Dieser Abstand beträgt dabei maximal 60% oder 50% und vorzugsweise maximal 20% eines Bohrernennradius. Dieser ist definiert als der Radius von der Rotations- und Längsachse 4 bis zum Schneideck 10.
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Durch das zusätzliche nachträgliche Einbringen der Schlifffläche 26 bildet sich im Übergangsbereich zwischen der Schlifffläche 26 und der weiteren Spannutwand ein Knick 30 aus, wie dies insbesondere anhand der 2 im Bereich der Führungsfase 24 zu erkennen ist. An dieser Stelle ist auch gut der Unterschied zwischen dem Spanwinkel γ und dem Spannutwinkel α zu entnehmen.
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Insgesamt wird durch die gemeinsame Schlifffläche 26, die nachträglich in die Spannut 20 eingebracht wird, und dem sich kontinuierlich verändernden Spanwinkel γ eine verbesserte Schnittkraftverteilung über die radiale Länge der Hauptschneide 8 erreicht. Insbesondere sind durch den gleichmäßigen homogenen, knickfreien Verlauf keine Spannungsspitzen zu befürchten. Vielmehr verändert sich die auf die Schneide einwirkende Kraft gleichmäßig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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