DE102016202528A1

DE102016202528A1 - Bohr-Fräswerkzeug und damit ausführbare Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung

Info

Publication number: DE102016202528A1
Application number: DE102016202528.7A
Authority: DE
Inventors: Andre BURHORST; Guido MATZ
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-08-24
Also published as: US10105763B2; US20170239735A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bohr-Fräswerkzeug (100) für metallische Werkstücke, mit einem Bohr-Frässchaft (120), der mehrere umfangsseitig schneidende Schneidplatten (151, 152, 153, 154) und mehrere stirnseitig schneidende Schneidplatten (131, 132) aufweist, wobei wenigstens eine der stirnseitig schneidenden Schneidplatten (132) zugleich auch umfangsseitig schneidend ist und deren radial äußerster Schneidpunkt oder Schneidkantenabschnitt die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) in Radialrichtung (R) überragt. Es ist vorgesehen, dass die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) mit geraden Schneidkanten ausgebildet sind und diese Schneidkanten in ihrer Gesamtheit eine zylindrische Schnittkontur darstellen. Die Erfindung betrifft ferner zwei mit diesem Bohr-Fräswerkzeug (100) ausführbare Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung in einem metallischen Werkstück.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohr-Fräswerkzeug (Bohrfräser) für metallische Werkstücke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und zwei damit ausführbare Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung in einem metallischen Werkstück.
Aus der DE 196 09 820 A1 ist ein Bohr-Fräswerkzeug betreffender Art vorbekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bohr-Fräswerkzeug anzugeben, mit dem sowohl eine Bohrung erzeugt als auch die Bohrungsinnenfläche bearbeitet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Bohr-Fräswerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf zwei Verfahren zur Herstellung bzw. Erzeugung einer Bohrung (Durchgangsbohrung) unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Bohr-Fräswerkzeugs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Bohr-Fräswerkzeug hat einen Bohr-Frässchaft, der mehrere umfangsseitig schneidende Schneidplatten und mehrere stirnseitig schneidende Schneidplatten aufweist, wobei wenigstens eine der stirnseitig schneidenden Schneidplatten zugleich auch umfangsseitig schneidend ist und deren radial äußerster Schneidpunkt oder Schneidkantenabschnitt die (nur) umfangsseitig schneidenden Schneidplatten in Radialrichtung überragt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die (nur) umfangsseitig schneidenden Schneidplatten mit geraden Schneidkanten ausgebildet sind und diese Schneidkanten in ihrer Gesamtheit eine zylindrische Schnitt- bzw. Fräskontur darstellen.
Anders als bei dem aus der DE 196 09 820 A1 vorbekannten Bohr-Fräswerkzeug sind die umfangsseitig schneidendenden Schneidplatten am Bohr-Frässchaft des erfindungsgemäßen Bohr-Fräswerkzeugs zur Bearbeitung einer geradwandigen, über dem Bohrungsverlauf mit gleichmäßigen Querschnitten ausgebildeten Bohrung durch Umfangsfräsen (einschließlich Schruppen und Schlichten) der Bohrungsinnenfläche geeignet, wie nachfolgend noch näher erläutert.
Bevorzugt sind die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten treppenartig und sich in Axialrichtung überlappend entlang wendelartiger bzw. wendelförmiger Spannuten bzw. Spankammern, die von den stirnseitig schneidenden Schneidplatten abgehen bzw. wegführen, angeordnet. Insbesondere weist der Bohr-Frässchaft zwei stirnseitige Schneidplatten auf, von denen zwei wendelförmige Spannuten wegführen, entlang derer die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten angeordnet sind.
Die Schneidkanten der umfangsseitig schneidenden Schneidplatten können für ein Schruppfräsen oder Schlichtfräsen ausgebildet sein, um damit eine definierte Oberfläche der Bohrungsinnenfläche erzeugen zu können. Die Schneidkanten der Schneidplatten können hierfür ein erodiertes oder eingeschliffenes Profil aufweisen.
Das erfindungsgemäße Bohr-Fräswerkzeug kann ferner auch wenigstens eine Planschneide zum Plandrehen des Bohrungsrandes (am Bohrungseintritt) und/oder zum Planeinsenken aufweisen. Das erfindungsgemäße Werkzeug ist damit auch zum Erzeugen einer Planfläche und/oder einer vertieften, planen Fläche geeignet.
Das erfindungsgemäße Bohr-Fräswerkzeug kann ferner innenliegende Kühlmittelkanäle sowie Kühlmittelaustrittsöffnungen am Bohr-Frässchaft aufweisen.
Das erste erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung in einem metallischen Werkstück unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Bohr-Fräswerkzeugs umfasst folgende, in einem Arbeitsdurchgang ausgeführte Schritte:

– Durchbohren des Werkstücks mittels Vorschubbewegung des Bohr-Fräswerkzeugs (oder in kinematischer Umkehr des Werkstücks);
– Anhalten der Vorschubbewegung, sobald sich die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten am Schaft des Bohr-Fräswerkzeugs in der zuvor erzeugten Bohrung (Durchgangsbohrung) befinden bzw. sich in einer definierten axialen Relativposition befinden; und
– Zirkularbearbeitung der Bohrungsinnenfläche, bei der das Bohr-Fräswerkzeug zusätzlich zu seiner Drehung eine Umlaufbahn beschreibt.

Das zweite erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung in einem metallischen Werkstück unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Bohr-Fräswerkzeugs mit Planschneide umfasst folgende, in einem Arbeitsdurchgang ausgeführte Schritte:

– Durchbohren des Werkstücks mittels Vorschubbewegung des Bohr-Fräswerkzeugs;
– Plandrehen oder Planeinsenken des Bohrungsrandes (am Bohrungseintritt) am Ende der Vorschubbewegung;
– Rückbewegen bzw. Rückstellen des Bohr-Fräswerkzeugs, wobei die Rückstellbewegung angehalten wird, sobald sich die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten am Schaft des Bohr-Fräswerkzeugs in der zuvor erzeugten Bohrung (Durchgangsbohrung) befinden bzw. sich in einer definierten axialen Relativposition befinden; und
– Zirkularbearbeitung der Bohrungsinnenfläche.

Bei beiden erfindungsgemäßen Verfahren kann das Durchbohren ein Vollbohren oder ein Aufbohren sein. Ferner kann die Zirkularbearbeitung mit einer nicht-runden, d. h. mit einer von einer Kreisbahn abweichenden Umlaufbahn (nicht-rundes Zirkulieren) erfolgen, um dadurch gezielt unrunde Bohrungskonturen erzeugen zu können. Zudem können bspw. ovale oder dreieckige Unrundheiten durch eine nicht-runde Fräser-Zirkularbewegung ausgeglichen werden. Die Umlaufbahn bzw. Fräser-Zirkularbewegung kann bspw. eine Epitrochoide sein.
Die Erfindung, einschließlich deren Weiterbildungen und Ausgestaltungen, bietet zusammenfassend folgende Vorteile:

– Bohren und anschließende Schrupp- und/oder Schlichtbearbeitung der Bohrungsinnenfläche in einem Arbeitgang möglich. Ein bislang in einem separaten Arbeitsgang ausgeführtes Schlichtbohren kann durch die Zirkularbearbeitung substituiert werden.
– Kurze axiale Länge des Bohr-Fräswerkzeugs; der Bohr-Frässchaft weist bspw. nur eine axiale Länge auf, die in etwa der doppelten Dicke des zu durchbohrenden Werkstücks entspricht. Das kurze Bohr-Fräswerkzeug ist zudem sehr stabil, biegesteif und vibrationsarm.
– Sehr gute Erreichbarkeit von geforderten Bohrungsrundheiten und/oder Oberflächenrauhigkeiten an der Bohrungsinnenfläche. Definierte Rauheitsprofile können durch entsprechend ausgebildete Schneidkanten an den umfangsseitig schneidenden Schneidplatten erzeugt werden.
– Kurze Takt- bzw. Bearbeitungszeiten. Bei der Zirkularbearbeitung sind außerdem sehr hohe Schnitt- bzw. Fräsgeschwindigkeiten möglich.
– Durch geeignete Ausgestaltung der Zirkularbearbeitung lassen sich typische Unrundheitsprofile ausgleichen, die bspw. aus Bearbeitungskräften und/oder Werkstückspannungen (bspw. in Schmiedeteilen) resultieren.
– Die Zirkularbearbeitung ermöglicht die Einstellung und Veränderung einer definierten Umlaufbahn.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und nicht einschränkender Weise anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung gezeigte und/oder nachfolgend erläuterte Merkmale können, auch losgelöst von gezeigten und/oder beschriebenen Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden. In der Zeichnung zeigt
1 ein erfindungsgemäßes Bohr-Fräswerkzeug in einer Seitenansicht; und
2 einen erfindungsgemäßen Ablauf zum Herstellen einer Durchgangsbohrung mit dem Bohr-Fräswerkzeug aus 1.
Das in 1 gezeigte Bohr-Fräswerkzeug 100 weist einen Bohr-Frässchaft (Grundkörper) 120 und eine Werkzeugaufnahmeschnittstelle 110 auf. An der Stirnseite des Schafts 120 befinden sich zwei in Radialrichtung R überlappend schneidende Wendeschneidplatten 131 und 132. Im Schaft 120 sind zwei von den stirnseitig schneidenden Schneidplatten 131 und 132 wegführende wendelförmige bzw. spiralartige Spannuten (Spankammern) 141 und 142 ausgebildet. Entlang dieser Spannuten 141 und 142 sind jeweils mehrere (beispielhaft vier Stück) umfangsseitig schneidende und sich in Axialrichtung L überlappende Schneidplatten 151, 152, 153 und 154 mit geraden Schneidkanten angeordnet, die an den Stegen neben den Spannuten 141 und 142 in kaskaden- bzw. treppenartig ausgebildeten Taschen schraub-, löt- oder klebbefestigt sind. Bei diesen umfangsseitig schneidenden Schneidplatten handelt es sich bspw. um PKD-Schneidplatten.
In der gezeigten Darstellung sind nur die in der sichtbaren Spannut 141 angeordneten vier Schneidplatten 151, 152, 153 und 154 erkennbar. In der anderen, nicht sichtbaren Spannut 142 sind ebenfalls vier Schneidplatten angeordnet, die insbesondere gleiche Umlauf- bzw. Flugbahnen aufweisen, so dass jeweils zwei sich gegenüberliegende Schneidplatten ein Schneidplattenpaar bilden. Jede Schneidplatte kann durch eine zugeordnete Kühlmittelaustrittsöffnung 160 über innenliegende Kühlmittelkanäle mit Kühlmittel beaufschlagt werden, wobei sich die Kühlmittelaustrittsöffnungen 160 für die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten 151 bis 154 direkt in den treppenartig ausgebildeten Taschen befinden.
Das Bohr-Fräswerkzeug 100 weist ferner eine als Planschneide dienende Schneidplatte 170 mit einer inneren Übergangsfase 171 auf. Bevorzugt sind alle Schneidplatten 131, 132, 151, 152, 153, 154 und 170 auswechselbar. Die Schneidplatten 131, 132, 151, 152, 153, 154 und 170 können außerdem aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sein.
Die radial äußere Schneidplatte 132 an der Stirnseite des Schafts 120 ist zugleich auch umfangsseitig schneidend, wobei deren radial äußerster Schneidpunkt (siehe Pfeil) die am Schaftumfang angeordneten Schneidplatten 151 bis 154 in Radialrichtung R überragt, so dass die Umlauf- bzw. Flugbahn dieses Schneidpunkts durchmessergrößer ist als die Umlauf- bzw. Flugbahnen der Schneidkanten der nur umfangsseitig schneidenden Schneidplatten 151 bis 154. Ferner ist vorgesehen, dass die Schneidkanten der nur umfangsseitig schneidenden Schneidplatten 151 bis 154 in ihrer Gesamtheit eine zylindrische Schnitt- bzw. Fräskontur darstellen, dass also deren durchmesserkleinere Umlauf- bzw. Flugbahnen eine einheitliche, d. h. zusammenhängende zylindrische Mantelfläche bilden bzw. beschreiben.
Das Bohr-Fräswerkzeug 100 ermöglicht das Erzeugen einer Durchgangsbohrung in einem Werkstück, bspw. mit einem Durchmesser von ca. 50 mm, und im selben Arbeitsgang die spanende Bearbeitung der unmittelbar zuvor erzeugten Bohrungsinnenfläche. Dies wird nachfolgend anhand der 2 näher erläutert, wobei die beschriebene Vorgehensweise bspw. der Erzeugung eines Lagersitzes für die Aufnahme eines Wälzlageraußenrings dient.
Das Durchbohren des metallischen Werkstücks 200 erfolgt durch Dreh-Vorschubbewegung D/A des Bohr-Fräswerkzeugs 100 (und/oder des zu durchbohrenden Werkstücks 200), wobei sich die beiden stirnseitigen Schneidplatten 131 und 132 im Spaneingriff befinden, ohne dass die auf durchmesserkleineren Umlauf- bzw. Flugbahnen drehenden Schneidplatten 151 bis 154 am Umfang des Schafts 120 mit der erzeugten Bohrungsinnenfläche 220 in Spaneingriff gelangen. Am Ende der selben Vorschubbewegung A erfolgt ein Plandrehen des Bohrungsrandes oder auch Planeinsenken mithilfe der Planschneide 170, wobei mithilfe der Fase 171 an der Planschneide 170 eine entsprechende Fase (Einlauffase, Frontfase) am Bohrungsrand bzw. Bohrungseintritt erzeugt wird. Beim Plandrehen oder Planeinsenken erfolgt also auch ein Anfasen. Diese Abfolge ist in den 2a und 2b veranschaulicht, wobei das optionale Planeinsenken in 2b nur strichliniert veranschaulicht ist.
Die Rückstellbewegung B des Bohr-Fräswerkzeugs 100 wird angehalten, sobald sich die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten 151 bis 154 innerhalb der zuvor erzeugten Bohrung 210 befinden. Durch eine Zirkularbearbeitung (Zirkularfräsen) Z wird nun die Bohrungsinnenfläche bzw. Bohrungswandung 220 bearbeitet, wobei es sich bspw. um eine Fräs-, Schrupp- oder Schlichtbearbeitung handelt. Dies ist in 2c veranschaulicht. Die Schneidkanten der Schneidplatten 151 bis 154 sind entsprechend ausgebildet. Hierbei wird gleichzeitig die gesamte Bohrungsinnenfläche 220 bearbeitet. Die Zirkularbearbeitung Z erfolgt ohne axiale Relativbewegung zwischen dem Bohr-Fräswerkzeug 100 und dem Werkstück 200, wobei prinzipiell auch eine axiale Relativbewegung vorgesehen sein kann.
Während der Zirkularbearbeitung Z kann ohne Zeitverlust mithilfe wenigstens einer zusätzlichen und entsprechend ausgebildeten Schneidplatte am Schaft 120 auch eine rückseitige Fase am Bohrungsaustritt erzeugt werden. Dieses gleichzeitige Mitfertigen einer rückseitigen Fase kann als Rückwärtszirkulieren bezeichnet werden. Das erfindungsgemäße Bohr-Fräswerkzeug 100 ermöglicht also bei entsprechender Ausgestaltung auch das Rückwärtszirkulieren zum Erzeugen einer rückseitigen Fase am Bohrungsaustritt der zuvor im Werkstück 200 erzeugten Bohrung 210. In analoger Weise kann während der Zirkularbearbeitung Z auch am Bohrungseintritt eine Einlauffase erzeugt werden, sofern diese nicht bereits beim Plandrehen oder Planeinsenken erzeugt wurde.
Nach Beendigung der Zirkularbearbeitung Z wird das Bohr-Fräswerkzeug 100 bzw. dessen Schaft 120 konzentrisch in der erzeugten Bohrung 210 positioniert und berührungslos ausgefahren.
Eine andere Vorgehensweise ohne Plandrehen und/oder Einsenken des eintrittsseitigen Bohrungsrands ist oben erläutert.
Bei geeigneter Ausbildung des Bohr-Fräswerkzeugs 100 können prinzipiell in Axialrichtung L auch gering konkave oder gering konvexe Bohrungskonturen erzeugt werden. Dies gelingt insbesondere durch hinreichende Ausgestaltung und Anordnung der nur umfangsseitig schneidenden Schneidplatten 151 bis 154 zur Bildung einer entsprechend konvex-zylindrischen (tonnenförmigen) oder konkav-zylindrischen Schnitt- bzw. Fräskontur. Die Erzeugung nicht-runder Bohrungskonturen ist oben beschrieben.
Die Spannuten 141 und 142 sind im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Bohr-Frässchafts 120 ausgeführt. Damit kann sowohl beim Bohren als auch beim nachfolgenden Fräsbearbeiten eine gute Späneabfuhr von den stirnseitig und umfangsseitig schneidenden Schneidplatten 131, 132, 151, 152, 153 und 154 gewährleistet werden. Durch die versetzte Anordnung der umfangsseitig schneidenden Schneiplatten 151 bis 154 entlang der Spannuten 141 und 142 werden diese nicht oder nur gering durch entstehende Späne belastet oder beschädigt (kein direkter Beschuss) und unterliegen zudem keinem frühzeitigen Verschleiß, womit sich eine hohe Standzeit ergibt.
Bezugszeichenliste

100: Bohr-Fräswerkzeug
110: Werkzeugaufnahmeschnittstelle
120: Bohr-Frässchaft
131: Schneidplatte
132: Schneidplatte
141: Spannut
142: Spannut
151: Schneidplatte
152: Schneidplatte
153: Schneidplatte
154: Schneidplatte
160: Kühlmittelaustrittsöffnung
170: Planschneide
171: Fase
200: Werkstück
210: Bohrung
220: Bohrungsinnenfläche
A: Vorschubbewegung
B: Rückstellbewegung
D: Drehbewegung
L: axiale Richtung
R: radiale Richtung
Z: Zirkularbearbeitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19609820 A1 [0002, 0006]

Claims

Bohr-Fräswerkzeug (100) für metallische Werkstücke (200), mit einem Bohr-Frässchaft (120), der mehrere umfangsseitig schneidende Schneidplatten (151, 152, 153, 154) und mehrere stirnseitig schneidende Schneidplatten (131, 132) aufweist, wobei wenigstens eine der stirnseitig schneidenden Schneidplatten (132) zugleich auch umfangsseitig schneidend ist und deren radial äußerster Schneidpunkt oder Schneidkantenabschnitt die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) in Radialrichtung (R) überragt, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) mit geraden Schneidkanten ausgebildet sind und diese Schneidkanten in ihrer Gesamtheit eine zylindrische Schnittkontur darstellen.
Bohr-Fräswerkzeug (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) treppenartig und sich in Axialrichtung (L) überlappend entlang wendelförmiger Spannuten (141, 142), die von den stirnseitig schneidenden Schneidplatten (131, 132) abgehen, angeordnet sind.
Bohr-Fräswerkzeug (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohr-Frässchaft (120) zwei stirnseitige Schneidplatten (131, 132) aufweist, von denen zwei wendelförmige Spannuten (141, 142) wegführen, entlang derer die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) angeordnet sind.
Bohr-Fräswerkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkanten der umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) zum Schruppfräsen oder Schlichtfräsen ausgebildet sind.
Bohr-Fräswerkzeug (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkanten der umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) durch ein erodiertes Profil oder ein eingeschliffenes Profil eine definierte Rauigkeit aufweisen.
Bohr-Fräswerkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens eine Planschneide (170) aufweist.
Bohr-Fräswerkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses innenliegende Kühlmittelkanäle aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung (210) in einem metallischen Werkstück (200) unter Verwendung eines Bohr-Fräswerkzeugs (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, umfassend die folgenden, in einem Arbeitsdurchgang ausgeführten Schritte: – Durchbohren des Werkstücks (200) mittels Vorschubbewegung (A) des Bohr-Fräswerkzeugs (100); – Anhalten der Vorschubbewegung (A), sobald sich die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) am Bohr-Fräswerkzeugs (100) in der zuvor erzeugten Bohrung (210) befinden; und – Zirkularbearbeitung (Z) der Bohrungsinnenfläche (220).
Verfahren zur Herstellung einer Durchgangsbohrung (210) in einem metallischen Werkstück (200) unter Verwendung eines Bohr-Fräswerkzeugs (100) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden, in einem Arbeitsdurchgang ausgeführten Schritte: – Durchbohren des Werkstücks (200) mittels Vorschubbewegung (A) des Bohr-Fräswerkzeugs (100); – Plandrehen oder Planeinsenken des Bohrungsrandes am Ende der Vorschubbewegung (A); – Rückbewegen des Bohr-Fräswerkzeugs (100), wobei die Rückstellbewegung (R) angehalten wird, sobald sich die umfangsseitig schneidenden Schneidplatten (151, 152, 153, 154) in der zuvor erzeugten Bohrung (210) befinden; und – Zirkularbearbeitung (Z) der Bohrungsinnenfläche (220).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkularbearbeitung (Z) mit einer nicht-runden Umlaufbahn erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchbohren ein Vollbohren oder ein Aufbohren ist.