DE102016225458A1

DE102016225458A1 - Ultraschallbohrwerkzeug

Info

Publication number: DE102016225458A1
Application number: DE102016225458.8A
Authority: DE
Inventors: Heiner Storck; Georg Stellmann; Michael Guenther
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-06-21
Also published as: WO2018114319A1

Abstract

Bei einem Ultraschallbohrwerkzeug (300) zum Einbringen einer Bohrung (302) in ein im Wesentlichen mineralisches oder metallisches Werkstück (160), wobei an einem Kopfabschnitt (304) des Ultraschallbohrwerkzeugs (300) ein Schneidelement (306) angeordnet ist, weist das Ultraschallbohrwerkzeug (300) zwei spiralförmig um eine Längsmittelachse (122) gewendelte Abtransportnuten (310, 312) auf, die dazu ausgebildet sind, einen beim Ultraschallbohren entstehenden Werkstückabtrag (320) zur Reibungs- und Verschleißminimierung aus der Bohrung (302) heraus zu befördern.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Ultraschallbohrwerkzeug zum Einbringen einer Bohrung in ein im Wesentlichen mineralisches oder metallisches Werkstück, wobei an einem Kopfabschnitt des Ultraschallbohrwerkzeugs ein Schneidelement angeordnet ist.
Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallbohrmaschinen bekannt. Die Schlagfrequenz einer derartigen Ultraschallbohrmaschine bewegt sich üblicherweise in einem Bereich zwischen 20kHz und 200kHz. Im Vergleich hierzu sind gebräuchliche Schlagbohrmaschinen oder Bohrhämmer in der Regel mit einem rein mechanisch arbeitenden Schlagwerk ausgestattet, dessen Schlagfrequenz im Fall einer Schlagbohrmaschine bei weniger als 0,5kHz und bei einem Bohrhammer üblicherweise kleiner als 0,1kHz ist. Aufgrund der im Vergleich hierzu deutlich höheren Schlagfrequenz einer Ultraschallbohrmaschine führt im Betrieb jeweils entstehender Bohrstaub zu einem hohen reibungsbedingten Verschleiß des Bohrwerkzeugs bzw. des Bohrers der Ultraschallbohrmaschine.
Aus der DE 33 17 989 A1 ist ein Bohrwerkzeug mit zwei wendelförmigen Abfuhrnuten bekannt. Die beiden Abfuhrnuten verlaufen ausgehend von einem Bohrkopf bis zu einem Einsteck- bzw. Einspannteil des Bohrers. Im Bereich des Bohrkopfes weisen die Abfuhrnuten ihre geringste Steigung auf. In den übrigen Zonen verfügen die Abfuhrnuten über eine abweichende Steigung. Infolgedessen werden in gleichen Abständen liegende Querschnittssprünge am Bohrwerkzeug vermieden, so dass sich auftretende Querschwingungen nicht durch teilweise stetig oder kontinuierlich reflektierte Impulse verstärken. Es wird ferner eine erhebliche Schallreduzierung erreicht. Der beim Bohren kritische mittlere Teil des Bohrwerkzeuges erhält zudem eine höhere Biegesteifigkeit. Das vorbekannte Bohrwerkzeug ist jedoch nicht zum Einsatz in einer Ultraschallbohrmaschine bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallbohrwerkzeug zum Einbringen einer Bohrung in ein im Wesentlichen mineralisches oder metallisches Werkstück, wobei an einem Kopfabschnitt des Ultraschallbohrwerkzeugs ein Schneidelement angeordnet ist. Das Ultraschallbohrwerkzeug weist zwei spiralförmig um eine Längsmittelachse gewendelte Abtransportnuten auf, die dazu ausgebildet sind, einen beim Ultraschallbohren entstehenden Werkstückabtrag zur Reibungs- und Verschleißminimierung aus der Bohrung heraus zu befördern.
Aufgrund der vorzugsweise vergleichsweise kleinen Steigung der Abtransportnuten des Ultraschallbohrwerkzeugs im Bereich des Bohrlochinneren wird ein Zurückrutschen des Werkstückabtrags in Richtung des Bohrlochgrundes erschwert, wodurch sich die Reibung zwischen dem Ultraschallbohrwerkzeug und dem Bohrloch reduziert und sich damit einhergehend die Standzeit des Ultraschallbohrwerkzeugs erhöht. Das Ultraschallbohrwerkzeug ist vorzugsweise zur Verwendung mit einer handgeführten Ultraschallbohrmaschine vorgesehen, die ein Werkzeuggehäuse aufweist, in dem eine elektrische oder pneumatische Antriebseinheit zum rotatorischen Antrieb des Ultraschallbohrwerkzeugs angeordnet ist, die mindestens einen Schwingungsaktor aufweist, der dazu ausgebildet ist, einer jeweiligen Rotationsbewegung des Ultraschallbohrwerkzeugs eine longitudinale Ultraschallschwingung zu überlagern. Das kopfabschnittseitige Schneidelement des Ultraschallbohrwerkzeugs ist bevorzugt mit einem Hartmetall, wie z. B. Widia^® etc. gebildet.
Vorzugsweise nimmt ein Steigungswinkel jeder Abtransportnut ausgehend von einem im Betrieb werkstückseitigen, ersten Bohrerabschnitt bis zu einem axial hiervon weggerichteten, zweiten Bohrerabschnitt zu, wobei der erste Bohrerabschnitt zur Aufnahme großer und der zweite Bohrerabschnitt zur Aufnahme kleiner Amplituden der Ultraschallschwingung vorgesehen ist. Infolgedessen wird der Neigung des Werkstückabtrags bzw. des Bohrstaubs im Bereich der höchsten Amplitude der Ultraschallschwingung wieder in das Bohrloch zurück zu fallen entgegengewirkt. Eine Förderrichtung des Werkstückabtrags verläuft hierbei vom ersten Bohrerabschnitt in Richtung des zweiten Bohrerabschnitts.
Bevorzugt nehmen die Steigungswinkel der Abtransportnuten ausgehend von dem ersten Bohrerabschnitt bis zu dem zweiten Bohrerabschnitt linear zu.
Hierdurch ist eine vereinfachte und damit kostengünstigere Herstellbarkeit des Ultraschallbohrwerkzeugs gegeben.
Gemäß einer Ausführungsform nehmen die Steigungswinkel der Abtransportnuten ausgehend von dem ersten Bohrerabschnitt bis zu dem zweiten Bohrerabschnitt nichtlinear zu.
Hierdurch kann die Förderwirkung des Ultraschallbohrwerkzeugs weiter erhöht werden.
Bevorzugt beträgt der Steigungswinkel der Abtransportnuten zwischen 25° und 75°.
Hierdurch lässt sich für die meisten Applikationsszenarios ein zumindest weitgehend optimiertes Verhältnis zwischen der Fördergeschwindigkeit und der Fördermenge des Werkstückabtrags erzielen.
Gemäß einer Ausführungsform weist jede Abtransportnut eine vom ersten Bohrerabschnitt wegweisende, gewendelte Förderfläche auf, die mit der Längsmittelachse einen Winkel von zumindest annähernd 90° einschließt.
Infolgedessen wird eine radial auswärts gerichtete Bewegung des Werkstückabtrags erschwert. Die spiralförmig gewendelte Förderfläche selbst ist hierbei geometrisch durch eine s.g. „Erzeugende“ definiert. Unter dem Begriff einer „Erzeugenden“ wird im Kontext dieser Beschreibung im einfachsten Fall eine radial auswärts gerichtete sowie senkrecht zur Längsmittelachse des Ultraschallbohrwerkzeugs verlaufende und um diese rotierende Gerade mit begrenzter Länge verstanden, die sich synchron zu ihrer Rotationsbewegung axial entlang der Längsmittelachse verschiebt und hierbei die spiralförmig gewendelte Förderfläche bestreicht bzw. definiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jede Abtransportnut eine vom ersten Bohrerabschnitt wegweisende, gewendelte Förderfläche auf, die mit der Längsmittelachse einen Winkel von kleiner oder größer als 90° einschließt.
Hierdurch wird eine radial einwärts gerichtete Bewegung des Werkstückabtrags unterstützt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen sind die Förderflächen jeweils geradlinig oder zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet.
Infolgedessen kann den Förderflächen eine plane oder eine konkav bzw. muldenförmig gekrümmte Form gegeben werden, wobei eine muldenförmige bzw. hohlkehlartige Förderfläche im Vergleich zu einer planen Förderfläche die Ablagerung bzw. Zwischenspeicherung noch größerer Volumina des Werkstückabtrags erlaubt. Eine abschnittsweise in sich plane Förderfläche weist eine geradlinige Erzeugende auf, wohingegen eine konkav bzw. nach Art einer Senke gekrümmte Förderfläche eine gekrümmte Erzeugende erfordert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist jede Förderfläche eine vom ersten Bohrerabschnitt axial weggerichtete und bündig mit einer Außenmantelfläche des Ultraschallbohrwerkzeugs abschließende Randaufdickung auf.
Durch die in Bezug zu den Förderflächen axial erhaben ausgeführten Randaufdickungen kann der Werkstückabtrag nicht zwischen die Außenmantelfläche des Ultraschallbohrwerkzeugs und die Bohrung bzw. die Innenwand der Bohrung geraten, wodurch eine Reibungs- und Verschleißerhöhung im Bohrbetrieb reduziert wird.
Bevorzugt liegt ein Verhältnis zwischen einem Außendurchmesser der Außenmantelfläche des Ultraschallbohrwerkzeugs und einem Kerndurchmesser des Ultraschallbohrwerkzeugs zwischen 1,0 und 4,0.
Die Erfindung ermöglicht somit die mechanische Belastbarkeit des Ultraschallbohrwerkzeugs zum dauerhaften Betrieb mit einer intensiven Ultraschallschwingung in weiten Grenzen anwendungsgerecht einzustellen.
Vorzugsweise ist das Ultraschallbohrwerkzeug mit einer Stahllegierung, insbesondere mit dem Schnellarbeitsstahl 1.3343 S 6-5-2, gebildet.
Infolgedessen vermindern sich die Verschleißneigung und der Reibungswiderstand des Ultraschallbohrwerkzeugs weiter.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Schnellarbeitsstahl einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen.
Hierdurch lässt sich die Haltbarkeit des Ultraschallbohrwerkzeugs weiter steigern.
Figurenliste
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ultraschallbohrmaschine,
2 eine perspektivische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Ultraschallbohrwerkzeugs,
3 eine schematische Draufsicht auf einen Kopfabschnitt des Ultraschallbohrwerkzeugs von 2,
4 eine Draufsicht auf einen Kopfabschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Ultraschallbohrwerkzeugs,
5 eine Draufsicht auf einen Kopfabschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Ultraschallbohrwerkzeugs, und
6 eine Draufsicht auf einen Kopfabschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Ultraschallbohrwerkzeugs.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt beispielhaft eine handgeführte Ultraschallbohrmaschine 100, die bevorzugt mit einem Ultraschallbohrwerkzeug 150 verbindbar ist. Die Ultraschallbohrmaschine 100 weist vorzugsweise ein Werkzeuggehäuse 180 mit einem ergonomisch geformten Handgriff 185 zum einhändigen Ergreifen durch einen Benutzer auf. Das Ultraschallbohrwerkzeug 150 verfügt hier lediglich beispielhaft über einen zylindrischen Schaft 152 und einen Kopfabschnitt 154, der in Richtung eines mit der Ultraschallbohrmaschine 100 zu bearbeitenden, z.B. im Wesentlichen mineralischen oder metallischen Werkstücks 160, gerichtet ist.
In dem Werkzeuggehäuse 180 ist ein elektrischer oder ein pneumatischer Antriebsmotor 130 angeordnet, der zum rotatorischen Antrieb eines optionalen Getriebes 140 ausgebildet ist. Durch das Getriebe 140 wird ein Schwingungsaktor 105 - wie mit einem Doppelpfeil 206 angedeutet - drehend angetrieben. Der Antriebsmotor 130, das Getriebe 140 sowie der Schwingungsaktor 105 unter Einschluss der Werkzeugaufnahme 120 bilden eine kompakte Antriebseinheit 135 der Ultraschallbohrmaschine 100 aus.
In den sich bei aktiviertem bzw. eingeschaltetem Antriebsmotor 130 mitdrehenden Schwingungsaktor 105 ist mindestens ein vorzugsweise piezoelektrisches Schwingelement 106 integriert, das zur Erzeugung einer vergleichsweise intensiven longitudinalen Ultraschallschwingung 110 dient, die im Wesentlichen in Richtung einer Längsmittelachse 122 wirkt und die der Drehbewegung des Schwingungsaktors 105 überlagert ist. Die von dem Schwingelement 106 des Schwingungsaktors 105 generierte Ultraschallschwingung 110 kann bevorzugt eine Schwingungsfrequenz von 20 kHz bis hin zu mehreren 100 kHz erreichen.
Das mindestens eine Schwingelement 106 des Schwingungsaktors 105 ist vorzugsweise zumindest bereichsweise mit einem geeigneten, piezoelektrischen Material gebildet und kann ringförmig ausgeführt sein. Der Schwingungsaktor 105 wird nachfolgend auch kurz als „Piezoaktor“ bezeichnet. Ein derartiger Piezoaktor mit exemplarisch ringförmigen, piezoelektrisch arbeitenden Schwingelementen ist unter anderem in der WO 2010/076230 A1 detailliert beschrieben, deren Offenbarung hiermit explizit in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird, sodass auf eine detaillierte Beschreibung des konstruktiven Aufbaus des Schwingungsaktors 105 bzw. des darin integrierten Schwingelements 106 und deren Funktion verzichtet werden kann.
Der Schwingungsaktor 105 ist bevorzugt derart mit einer Werkzeugaufnahme 120 mechanisch gekoppelt, dass sich die Rotationsbewegung des Piezoaktors 105 in Richtung eines Doppelpfeils 206 unter Einschluss der Ultraschallschwingung 110 auf das Ultraschallbohrwerkzeug 150 überträgt. Die Werkzeugaufnahme 120 ist vorzugsweise konstruktiv zur dauerhaft schwingungsfesten sowie zur Durchführung eines Wechsels des Ultraschallbohrwerkzeugs 150 benutzerseitig im Bedarfsfall einfach wieder trennbaren Aufnahme des Ultraschallbohrwerkzeugs 150 ausgelegt. In dem Handgriff 185 des Werkzeuggehäuses 180 der Ultraschallbohrmaschine 100 befindet sich ferner ein mittels eines Fingers des Benutzers betätigbarer elektrischer Handschalter 170 zum elektrischen Ein- und Ausschalten einer elektronischen Steuereinrichtung 200.
Lediglich beispielhaft ist die Ultraschallbohrmaschine 100 zur netzabhängigen Stromversorgung elektrisch mittels einer Netzzuleitung 190 mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz verbindbar. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf netzgespeiste Ultraschallbohrsysteme beschränkt ist, sondern vielmehr bei unterschiedlichsten handgeführten Elektrowerkzeugen Anwendung finden kann, bei denen ein Schwingungsaktor zum oszillierenden Antrieb eines zugeordneten Ultraschallbohrwerkzeugs verwendet wird, unabhängig davon, ob das Elektrowerkzeug netzabhängig und/oder netzunabhängig mittels eines Akkupacks betreibbar ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ultraschallbohrmaschine 100 mittels eines Akkupacks betreibbar.
Durch das Niederdrücken des elektrischen Handschalters 170 seitens des Benutzers wird die elektronische Steuereinrichtung 200 über die Netzzuleitung 190 mit Wechselstrom versorgt und hierdurch aktiviert bzw. eingeschaltet.
Infolgedessen erzeugt die Steuereinrichtung 200 ein z.B. zu einer gepulsten dauerhaften Ansteuerung des Schwingungsaktors 105 geeignetes, elektrisches Steuersignal 202, so dass die longitudinale Ultraschallschwingung 110 generiert und mittels der Werkzeugaufnahme 120 bevorzugt verlustarm auf das Ultraschallbohrwerkzeug 150 übertragen wird.
Eine Frequenz der Ultraschallschwingung 110 ist bevorzugt mittels der elektronischen Steuereinrichtung 200 stufenlos und in Abhängigkeit von dem zu bearbeitenden Werkstück 160 einstellbar, wobei die Frequenz der Ultraschallschwingung 110 während eines Bearbeitungsvorgangs vorzugsweise im Wesentlichen konstant gehalten wird. Bevorzugt zeitgleich mit der Aktivierung des Piezoaktors 105 wird der Antriebsmotor 130 zum drehenden Antrieb des Ultraschallbohrwerkzeugs 150 mittels eines elektrischen Kontrollsignals 204 überwacht von der elektronischen Steuereinrichtung 200 eingeschaltet. Der Antriebsmotor 130 zum drehenden Antrieb des Ultraschallbohrwerkzeugs 150 und der Piezoaktor 105 sind bevorzugt mittels des elektronischen Kontrollsignals 204 sowie des Steuersignals 202 jeweils unabhängig voneinander ein- und ausschaltbar.
Beispielhafte Ausbildungsformen des Ultraschallbohrwerkzeugs 150 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 bis 6 beschrieben.
2 zeigt ein Ultraschallbohrwerkzeug 300 gemäß einer ersten Ausführungsform, das bevorzugt zumindest dazu ausgebildet ist, im Betrieb eine mindestens näherungsweise zylindrische Bohrung 302 in das Werkstück 160 von 1 einzubringen. An einem Kopfabschnitt 304 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 ist bevorzugt ein Schneidelement 306 angeordnet.
Das Ultraschallbohrwerkzeug 300 verfügt bevorzugt über eine erste und eine zweite, jeweils spiralförmig um die Längsmittelachse 122 von 1 spiralförmig-gewendelt verlaufende Abtransportnuten 310, 312. Deren erfindungsgemäßes Wendeldesign ist vorzugsweise dazu ausgebildet, einen beim Ultraschallbohren des Werkstücks 160 entstehenden Werkstückabtrag 320 zur Reibungs- und Verschleißminimierung möglichst effektiv in Richtung eines Pfeils 314 aus der Bohrung 302 heraus zu befördern, wobei das Ultraschallbohrwerkzeug 150 in Richtung eines Pfeils 316 um die Längsmittelachse 122 rotiert.
Bevorzugt nehmen Steigungswinkel α_1,2,3 der Abtransportnuten 310, 312 ausgehend von einem sich axial an den Kopfabschnitt 304 anschließenden bzw. werkstückseitigen ersten Bohrerabschnitt 330 bis zu einem zweiten Bohrerabschnitt 332 zu, wobei in dem ersten Bohrerabschnitt 330 im Betrieb bevorzugt die größten Ultraschallamplituden und in dem zweiten Bohrerabschnitt 332 deutlich kleinere, longitudinale Ultraschallamplituden vorherrschen. Durch die im Bereich des ersten Bohrerabschnitts 330 und somit im Bereich hoher Ultraschallamplituden in Relation zum Steigungswinkel α₃ besonders kleinen Steigungswinkel α_1,2 der Abtransportnuten 310, 312, wird das Zurückrutschen des Werkstückabtrags 320 in die Bohrung 302 beim Ultraschallbohren mittels des Ultraschallbohrwerkzeugs wirkungsvoll verhindert, wodurch sich eine lebensdauerverlängernde Reibungs- und Verschleißminderung des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 ergibt. Die Steigungswinkel α_1,2,3 können ausgehend vom ersten Bohrerabschnitt 330 bis hin zum zweiten Bohrerabschnitt 332 abschnittsweise linear oder nichtlinear zunehmen, wobei die Steigungswinkel α_1,2,3 Werte zwischen 25° und 75° aufweisen können. Hierbei kann jede, der besseren zeichnerischen Darstellung halber nicht bezeichnete Windung bzw. jeder Gang der Abtransportnuten 310, 312 einen individuellen Steigungswinkel aufweisen.
Die erste Abtransportnut 310 verfügt bevorzugt über eine spiralförmig-gewendelt verlaufende erste Förderfläche 340 und an der zweiten Abtransportnut 312 ist vorzugsweise entsprechend eine spiralförmig-gewendelt verlaufende zweite Förderfläche 342 ausgeformt. Die spiralförmig-gewendelten Förderflächen 340, 342 sind illustrativ jeweils vom ersten Bohrerabschnitt 330 weggerichtet und dienen bevorzugt als eine in Bezug zur Längsmittelachse 122 näherungsweise senkrecht verlaufende Auflage- bzw. Speicherfläche für den Werkstückabtrag 320. Die Förderflächen 340, 342 bilden vorzugsweise jeweils eine von zwei, der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht bezeichnete Seitenwände der beiden Abtransportnuten 310, 312. Hier verlaufen die Förderflächen 340, 342 unter einem Winkel β₁ von etwa 90° in Bezug zur Längsmittelachse 122 und sind abschnittsweise eben ausgebildet, d.h. Erzeugende der Förderflächen 340, 342 - von denen hier lediglich eine Erzeugende 344 angedeutet ist - weisen hier die Geometrie einer Geraden auf, die sich ausgehend von einem im Wesentlichen zylindrischen Kern 350 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 radial nach außen bis zu einer gleichfalls zylindrischen Außenmantelfläche 352 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 erstreckt und damit senkrecht zur Längsmittelachse 122 verläuft. Der lediglich strichliniert angedeutete Kern 350 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 weist illustrativ einen Durchmesser D_K auf, während eine Außenmantelfläche 352 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 über einen Außendurchmesser D_A verfügt, wobei ein numerisches Verhältnis zwischen Außendurchmesser D_A und dem Durchmesser D_K zur Anpassung der mechanischen Belastbarkeit des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 an die jeweilige Anwendung vorzugsweise zwischen 1,0 und 4,0 betragen kann.
Zur weiteren Optimierung der Förderwirkung des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 können, der besseren zeichnerischen Übersicht halber hier nicht dargestellte Fördernuten mit Förderflächen ausgebildet sein, die mit der Längsmittelachse 122 jeweils von 90° verschiedene Winkel β_2,3 einschließen. Hierdurch lässt sich die „Speicherkapazität“ bzw. das Aufnahmevermögen der Förderflächen des vom Ultraschallbohrwerkzeug 300 generierten Werkstückabtrags 320 weiter verbessern und sich zugleich die Gefahr vermindern, dass größere Mengen des Werkstückabtrags 320 zwischen die Außenmantelfläche 352 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 und die Bohrungsinnenwand 354 der Bohrung 302 geraten. Derartige Förderflächen weisen jeweils eine zeichnerisch lediglich gestrichelt angedeutete Erzeugende 360, 362 auf, die über eine von der geradlinig und quer zur Längsmittelachse 122 verlaufenden Erzeugenden 344 der Förderflächen 340, 342 abweichende Geometrie verfügt. So weisen in radialer Richtung in etwa ebene Förderflächen, die jedoch unter einem Winkel β₂ von kleiner als 90° zur Längsmittelachse 122 gerichtet verlaufen, exemplarisch die geringfügig geneigte Erzeugende 360 auf, während konkave Förderflächen eine in Richtung des Werkstücks 160 zumindest geringfügig bogenförmig gekrümmte Erzeugende 362 aufweisen.
Darüber hinaus können zur weiteren Optimierung der Förderwirkung des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 im Bereich des ersten und zweiten Bohrerabschnitts 330, 332 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 zumindest abschnittsweise an mindestens einer der beiden Förderflächen 340, 342 angedeutete, optionale Randaufdickungen bzw. Randwulste vorgesehen sein, von denen hier lediglich eine erste und eine zweite Randaufdickung 370, 372 mit punktierten Doppellinien angedeutet sind. Die beiden Randaufdickungen 370, 372 sind bevorzugt jeweils axial von dem Werkstück 160 bzw. dem Kopfabschnitt 304 weggerichtet und schließen vorzugsweise radial bündig mit der Außenmantelfläche 352 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 ab (vgl. 5, 6).
Das Ultraschallbohrwerkzeug 300 ist bevorzugt mit einer mechanisch sowie thermisch hochbelastbaren Stahllegierung, insbesondere mit dem Schnellarbeitsstahl 1.3343 S6-5-2, gebildet. Zur weiteren Optimierung der Standzeit des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 hat dieses vorzugsweise eine nachfolgend beispielhaft beschriebene Wärmebehandlung durchlaufen. Die beispielhafte Wärmebehandlung beginnt in der Regel mit einem Weichglühen bei einer Temperatur von 770°C bis 860°C für zwei Stunden bis fünf Stunden. Anschließend ist eine Abkühlung des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 in einem Ofen vorgesehen. Der eigentliche Härteprozess wird bei 1190°C bis 1230°C durchgeführt, wobei sich an die Härtung eine Abkühlung an der Umgebungsluft oder über Antimon (Sb) bei 500°C bis 550°C anschließt. Zur Fertigstellung wird das Ultraschallbohrwerkzeug 300 noch bei 530°C bis 560°C für etwa eine Stunde je 20 mm Materialstärke, mindestens jedoch für zwei Stunden angelassen. Zum Abschluss ist noch ein Abkühlvorgang an ruhiger Umgebungsluft notwendig.
3 zeigt den Kopfabschnitt 304 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 von 2, an dem das Schneidelement 306 von 2 angeordnet ist. Auf den ebenen, d.h. zumindest in dieser Ansicht zumindest annähernd parallel zum Schneidelement 306 verlaufenden, in sich planen Förderflächen 340, 342 der beiden Abtransportnuten 310, 312 liegt beidseits benachbart zum zylindrischen Kern 350 des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 der Werkstückabtrag 320, der somit nicht mehr in reibungs- und verschleißerhöhender Weise in die Nähe der Außenmantelfläche 352 und damit der hier nicht dargestellten Bohrungsinnenwand 354 geraten kann.
4 zeigt ein Ultraschallbohrwerkzeug 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei dem im Bereich eines Kopfabschnitts 402 wiederum ein Schneidelement 404 angeordnet ist. Eine erste Transportnut 410 verfügt bevorzugt über eine erste Förderfläche 420 für den Werkstückabtrag 320 von 2 und eine zweite Transportnut 412 bildet eine zweite Förderfläche 422 für den Werkstückabtrag 320 aus, wobei die erste und die zweite Förderfläche 420, 422 in Bezug zum Schneidelement 404 als wesentlicher Unterschied zum Ultraschallbohrwerkzeug 300 von 2 und 3 bevorzugt geneigt verlaufen und somit ein größeres Volumen des Werkstückabtrags 320 aufnehmen und aus einer Bohrung heraus befördern können. Hierdurch wird die Gefahr des radialen Abrutschens des Werkstückabtrags 320 ausgehend von einem zylindrischen Kern 414 des Ultraschallbohrwerkzeugs 400 in Richtung einer gleichfalls zylindrischen Außenmantelfläche 416 des Ultraschallbohrwerkzeugs 400 reduziert. Infolgedessen lassen sich Reibungs- und Verschleißeffekte des Ultraschallbohrwerkzeugs 400 im Vergleich zum Ultraschallbohrwerkzeug 300 von 2 und 3 weiter reduzieren.
Die beiden spiralförmig gewendelten Förderflächen 420, 422 sind hierbei bevorzugt geometrisch mit der geneigten Erzeugenden definiert (vgl. 2, Bezugsziffer 360). Im Übrigen folgt der konstruktive Aufbau des Ultraschallbohrwerkzeugs 400 wiederum dem des Ultraschallbohrwerkzeugs 300 von 2 und 3, insbesondere nach Maßgabe der 1 bis 3.
5 zeigt ein Ultraschallbohrwerkzeug 500 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dieses verfügt bevorzugt über einen Kopfabschnitt 502 mit einem daran angeordneten Schneidelement 504. Zwei Abtransportnuten 510, 512 weisen erneut Förderflächen 520, 522 auf, die vorzugsweise korrespondierend zum Ultraschallbohrwerkzeug 300 von 2 und 3 parallel zum Schneidelement 504 ausgerichtet sind, so dass die erste und die zweite Förderfläche 520, 522 mittels der geradlinig und rechtwinklig zur Längsmittelachse 122 verlaufenden Erzeugenden definiert sind (vgl. 2, Bezugsziffer 344).
Im Unterschied zum Ultraschallbohrwerkzeug 300 von 2 und 3 ist jedoch an der ersten Förderfläche 520 bevorzugt eine erste Randaufdickung 524 und an der zweiten Förderfläche 522 eine zweite Randaufdickung 526 vorgesehen, vorzugsweise integral ausgebildet, wodurch sich das Volumen des von den Förderflächen 520, 522 aufnehmbaren und abrutschsicher aus einem Bohrloch heraustransportierbaren Volumens des Werkstückabtrags 320 von 2 in Relation zu den vorherigen Ausführungsformen der Ultraschallbohrwerkzeuge weiter steigern lässt. Um das Volumen des von den Förderflächen 520, 522 aufnehmbaren und abrutschsicher zu fördernden Werkstückabtrags 320 weiter zu optimieren, können die abschnittsweise ebenen Förderflächen 520, 522 - hier nicht dargestellt - zusätzlich noch in Richtung des Schneidelements 504 konkav gekrümmt bzw. als Senken ausgebildet sein. In einer derartigen Konstellation sind die Förderflächen 520, 522 bevorzugt geometrisch durch die konkav gekrümmte Erzeugende definiert (vgl. 2, Bezugsziffer 362). Die Randaufdickungen 524, 526 schließen vorzugsweise radial bündig mit einer zylindrischen Außenmantelfläche 530 des Ultraschallbohrwerkzeugs 500 ab und sind dabei in axialer Richtung von dem Kopfabschnitt 502 weggerichtet.
6 zeigt ein Ultraschallbohrwerkzeug 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dieses verfügt bevorzugt über einen Kopfabschnitt 602 mit einem daran angeordneten Schneidelement 604.
Eine erste und eine zweite Abtransportnut 612, 614 weisen wiederum Förderflächen 620, 622 auf, die als wesentlicher Unterschied zum Ultraschallbohrwerkzeug 500 von 5 hier bevorzugt zusätzlich geringfügig geneigt zu dem Schneidelement 604 verlaufen, wobei die erste und die zweite Förderfläche 620, 622 vorzugsweise mittels der geneigten und nicht rechtwinklig zur Längsmittelachse 122 verlaufenden Erzeugenden definiert sind (vgl. 2, Bezugsziffer 360). Zusätzlich sind an den beiden Förderflächen 620, 622 bevorzugt noch Randaufdickungen 624, 626 vorgesehen, vorzugsweise integral ausgebildet, die in Verbindung mit den geneigten bzw. schräg gestellten Förderflächen 620, 622 zu einer nochmaligen Erhöhung der Aufnahme-und Förderkapazität bezüglich des beim Ultraschallbohren mittels des Ultraschallbohrwerkzeugs 600 auftretenden Werkstückabtrags 320 führen. Der Werkstückabtrag 320 liegt wiederum auf den Förderflächen 620, 622 in einem Bereich zwischen den Randaufdickungen 624, 626 und einem zylindrischen Kern 614. Die Randaufdickungen 624, 626 schließen radial bündig mit einer zylindrischen Außenmantelfläche 626 ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3317989 A1 [0003]
WO 2010/076230 A1 [0031]

Claims

Ultraschallbohrwerkzeug (150, 300, 400, 500, 600) zum Einbringen einer Bohrung (302) in ein im Wesentlichen mineralisches oder metallisches Werkstück (160), wobei an einem Kopfabschnitt (154, 304, 402, 502, 602) des Ultraschallbohrwerkzeugs (150, 300, 400, 500, 600) ein Schneidelement (306, 404, 504, 604) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallbohrwerkzeug (150, 300, 400, 500, 600) zwei spiralförmig um eine Längsmittelachse (122) gewendelte Abtransportnuten (310, 312, 410, 412, 510, 512, 610, 612) aufweist, die dazu ausgebildet sind, einen beim Ultraschallbohren entstehenden Werkstückabtrag (320) zur Reibungs- und Verschleißminimierung aus der Bohrung (302) heraus zu befördern.
Ultraschallbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steigungswinkel (α_1,2,3) jeder Abtransportnut (310, 312, 410, 412, 510, 512, 610, 612) ausgehend von einem im Betrieb werkstückseitigen, ersten Bohrerabschnitt (330) bis zu einem axial hiervon weggerichteten, zweiten Bohrerabschnitt (332) zunimmt, wobei der erste Bohrerabschnitt (330) zur Aufnahme großer und der zweite Bohrerabschnitt (332) zur Aufnahme kleiner Amplituden der Ultraschallschwingung (110) vorgesehen ist.
Ultraschallbohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungswinkel (α_1,2,3) der Abtransportnuten (310, 312, 410, 412, 510, 512, 610, 612) ausgehend von dem ersten Bohrerabschnitt (330) bis zu dem zweiten Bohrerabschnitt (332) linear zunehmen.
Ultraschallbohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungswinkel (α_1,2,3) der Abtransportnuten (310, 312, 410, 412, 510, 512, 610, 612) ausgehend von dem ersten Bohrerabschnitt (330) bis zu dem zweiten Bohrerabschnitt (332) nichtlinear zunehmen.
Ultraschallbohrwerkzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (α_1,2,3) der Abtransportnuten (310, 312, 410, 412, 510, 512, 610, 612) zwischen 25° und 75° beträgt.
Ultraschallbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abtransportnut (310, 312, 510, 512) eine vom ersten Bohrerabschnitt (330) wegweisende, gewendelte Förderfläche (340, 342, 520, 522) aufweist, die mit der Längsmittelachse (122) einen Winkel (β₁) von zumindest annähernd 90° einschließt.
Ultraschallbohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Abtransportnut (410, 412, 610, 612) eine vom ersten Bohrerabschnitt (330) wegweisende, gewendelte Förderfläche (420, 422, 620, 622) aufweist, die mit der Längsmittelachse (122) einen Winkel (β_2,3) von kleiner oder größer als 90° einschließt.
Ultraschallbohrwerkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderflächen (340, 342, 420, 422, 520, 522, 620, 622) jeweils geradlinig oder zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet sind.
Ultraschallbohrwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Förderfläche (340, 342, 520, 522, 620, 622) eine vom ersten Bohrerabschnitt (330) axial weggerichtete und bündig mit einer Außenmantelfläche (530, 616) des Ultraschallbohrwerkzeugs (500, 600) abschließende Randaufdickung (370, 372, 524, 526, 624, 626) aufweist.
Ultraschallbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einem Außendurchmesser (D_A) der Außenmantelfläche (352, 416, 530, 616) des Ultraschallbohrwerkzeugs (150, 300, 400, 500, 600) und einem Kerndurchmesser (D_K) des Ultraschallbohrwerkzeugs (150, 300, 400, 500, 600) zwischen 1,0 und 4,0 liegt.
Ultraschallbohrwerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallbohrwerkzeug (150, 300, 400, 500, 600) mit einer Stahllegierung, insbesondere mit dem Schnellarbeitsstahl 1.3343 S6-5-2, gebildet ist.
Ultraschallbohrwerkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellarbeitsstahl einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen ist.