DE102020134553A1 - Bohrfräswerkzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bohrfräswerkzeug, insbesondere zur Erzeugung von Werkstück-Bohrungen (57, 59) mit unterschiedlichen Durchmessern (D1, D2), mit insbesondere genau einer Bohrschneide (9), die eine Bohr-Längsschneidkante (11) und eine an der Bohrerspitze (16) querverlaufende Bohr-Stirnschneidkante (13) aufweist, die an einer radial äußeren Bohr-Schneidenecke (19) mit der Bohr-Längsschneidkante (11) zusammenläuft, wobei das Bohrwerkzeug zusätzlich Frässchneiden (21) aufweist, die bevorzugt umfangsverteilt hintereinander am Bohrer-Rücken (17) ausgebildet sind, und wobei im Bohrprozess an der querverlaufenden Bohr-Stirnschneidkante (13) eine Schnittkraft (F1) angreift. Erfindungsgemäß weist das Werkzeug zur Stabilisierung des Bohrprozesses zumindest eine Stützschneide (14) auf, die eine Stützkraft (F2) erzeugt. Die Länge (12) der Stützschneide (14) ist so bemessen, dass aufgrund der Korrespondenz der Kräfte (F1, F2) eine Werkzeugschwingungs-Neigung verhindert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft Bohrfräswerkzeug zur Erzeugung von Werkstück-Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Ein gattungsgemäßes Bohrfräswerkzeug ist grundsätzlich nach Art eines sogenannten Einlippen-Bohrers realisiert, der einschneidig mit genau einer Bohrschneide ausgebildet ist. Die Bohrschneide weist eine entlang der Werkzeug-Rotationsachse verlaufende Bohr-Längsschneidkante auf, an der eine Spannutfläche einer Bohr-Spannut in einen umfangsseitigen Bohrer-Rücken übergeht. Zudem weist die Bohrschneide eine an der Bohrerspitze quer verlaufende Bohr-Stirnschneidkante auf. Diese läuft an einer radial äußeren Bohr-Schneidenecke mit der Bohr-Längsschneidkante zusammen. Zudem weist das Bohrfräswerkzeug zusätzlich Frässchneiden auf, die bevorzugt umfangsverteilt hintereinander am Bohrer-Rücken ausgebildet sind.
• In einem Bohrprozess wird die Bohrschneide des Bohrfräswerkzeugs mit einer Schnittkraft beaufschlagt. Die Schnittkraft versucht das Werkzeug translatorisch zu verlagern, was zu einer Werkzeug-Biegung führt. Das Werkzeug wird dabei soweit gebogen, bis es genügend Vorspannung aufbaut, wodurch es kurzfristig wieder in den Ursprungszustand zurückkehrt. Dies wiederholt sich sehr schnell was im Bohrprozess zu einer Werkzeugschwingung führt.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bohrfräswerkzeug bereitzustellen, mit dem der Bohrprozess weitgehend ohne eine schnittkraftbedingte Werkzeugschwingung erfolgt.
• Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
• Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 kann zur Unterbindung bzw. Reduzierung einer schnittkraftbedingten Werkzeugschwingung das Bohrwerkzeug eine Stützschneide aufweisen, an der eine zur Schnittkraft gegensinnige Stützkraft angreift. Durch die zueinander gegensinnige Wirkung der Stütz- und Schnittkräfte wird eine Werkzeugschwingung im Bohrprozess reduziert bzw. unterbunden, so dass eine weitgehend schwingungsfreie Werkzeug-Rotation ermöglicht ist.
• In einer technischen Umsetzung kann die Stützschneide eine an der Bohrerspitze quer verlaufende Stütz-Stirnschneidkante aufweisen. Die Stütz-Stirnschneidkante kann an einer radial äußeren Stütz-Schneidenecke mit einer Stütz-Längskante zusammenlaufen.
• Die Länge der querverlaufenden Stütz-Stirnschneidkante ist bevorzugt so bemessen, dass der Bohrprozess gerade stabil (das schwingungsfrei) abläuft. Andererseits muss die Stütz-Stirnschneidkante aber so kurz wie möglich sein. Eine zu lange Stütz-Stirnschneidkante erfordert nämlich eine entsprechend große Stütz-Spannut, die die Werkzeug-Stabilität beeinträchtigen würde. In diesem Fall würde der Fräsprozess instabil sein oder müsste dieser mit sehr kleinen Vorschüben durchgeführt werden.
• Die Länge der Stützschneide ist somit von zentraler Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des Bohrfräswerkzeugs. Bevorzugt ist es, wenn die Länge der querverlaufenden Stütz-Stirnschneidkante im Vergleich zur Länge der querverlaufenden Bohr-Stirnschneidkante reduziert ist. Auf diese Weise kann der Spannut-Querschnitt, die Nuttiefe und/oder die Nutlänge der Stütz-Spannut kleiner als bei der Bohr-Spannut ausgelegt sein. Das Bohrfräswerkzeug ist daher mit zusätzlichem Werkzeug-Material versehen, wodurch die Werkzeugstabilität im Bohr-/Fräsprozess gesteigert ist.
• Die Stützschneide übernimmt im Bohrprozess in erster Linie eine Stützfunktion, um Werkzeugschwingungen zu vermeiden. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn die radial äußere Stütz-Schneidenecke auf einem kleineren Werkzeug-Durchmesser liegt als die radial äußere Bohr-Schneidenecke. Von daher sind im Bohrprozess die Bohrschneide und die querverlaufende Stütz-Stirnschneidkante in Spaneingriff, während die Stütz-Längskante der Stützschneide belastungsfrei, das heißt außer Spaneingriff ist.
• Im Hinblick auf einen Bohrprozess ohne Werkzeugschwingung ist ein möglichst vollständiger Kräfteausgleich zwischen der Schnittkraft und der Stützkraft von Bedeutung. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn die Bohrschneide und die Stützschneide mit Bezug auf die Werkzeug-Rotationsachse auf diametral gegenüberliegenden Werkzeug-Seiten angeordnet sind. In diesem Fall können die querverlaufende Bohr-Stirnschneidkante und die querverlaufende Stütz-Stirnschneidkante in Umfangsrichtung einen Winkel von im Wesentlichen 180° aufspannen.
• In einer konkreten Ausführungsform kann das Bohrfräswerkzeug zwei sich entlang der Rotationsachse erstreckende Bohrer-Stege aufweisen. Diese begrenzen in Umfangsrichtung die Bohr-Spannut und die Stütz-Spannut.
• Das erfindungsgemäße Bohrfräswerkzeug ist insbesondere für die nachfolgend beschriebene Prozessroutine ausgelegt: Bei dieser Prozessroutine wird in einem Bohrhub das rotierende Bohrfräswerkzeug in einer Bohr-Vorschubrichtung in ein Werkstück bis Erreichen einer Soll-Bohrtiefe eingetrieben, bis eine durchmesserkleine Bohrung erzielt wird. Nach abgeschlossenem Bohrhub kann ein Reversierhub erfolgen, bei dem das Bohrfräswerkzeug aus der durchmesserkleinen Bohrung herausgeführt wird. Anschließend erfolgt ein Fräshub. Zur Vorbereitung des Fräshubs wird das herausgeführte Bohrfräswerkzeug um einen Radialversatz mit Bezug auf die Bohrungsachse ausgesteuert. Im Fräshub fräst das Bohrfräswerkzeug in einer zur Bohr-Vorschubrichtung gleichläufigen Fräs-Vorschubrichtung die durchmesserkleine Bohrung bis auf eine durchmessergroße Bohrung auffräst. Der Fräshub erfolgt mittels einer Zirkularbewegung des Bohrfräswerkzeugs entlang einer Kreisbahn um die Bohrungsachse sowie unter Werkzeug-Rotation.
• Im Bohrhub sind nur die Bohrschneide und die Stützschneide in Spaneingriff mit dem Werkzeugstückmaterial, während die Frässchneiden außer Spaneingriff mit dem Werkstückmaterial bleiben. Demgegenüber sind im Fräshub sowohl die Bohrschneide als auch die Frässchneiden in Spaneingriff mit dem Werkstückmaterial, während die Stützschneide außer Spaneingriff ist. Vor diesem Hintergrund kann das Bohrfräswerkzeug die nachfolgend beschriebene Werkzeuggeometrie aufweisen: So können die Frässchneiden auf gleicher axialer Bohrfräswerkzeug-Höhe positioniert sein. Die Frässchneiden können zudem eine identische Schneidengeometrie aufweisen, bei der die Frässchneide eine entlang der Werkzeug-Rotationsachse verlaufende Fräs-Längsschneidkante aufweist, die an der Bohrerspitze an einer stirnseitigen Fräs-Schneidenecke abschließt. Die Frässchneiden, und zwar insbesondere die stirnseitigen Fräs-Schneidenecken, können um einen Axialversatz gegenüber der Bohr-Stirnschneidkante zurückgesetzt sein, um zu gewährleisten, dass im Bohrhub die Frässchneiden belastungsfrei bleiben. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Axialversatz zumindest dem Bohr-Vorschub pro Umdrehung (zum Beispiel 0,2 mm pro Umdrehung) im Bohrhub entspricht.
• Im Hinblick auf eine stabile Prozessführung ist es von Relevanz, dass im Bohrhub seitliche Auslenkungen des Bohrfräswerkzeugs unterbunden sind. Vor diesem Hintergrund kann das Bohrfräswerkzeug am Bohrer-Rücken umfangsverteilte Stützfasen (Rundschlifffasen) aufweisen. Diese erstrecken sich entlang der Werkzeug-Rotationsachse. Von diesen Stützfasen wird nachfolgend eine bohrschneidenseitige Stützfase beschrieben: Deren Stützfläche kann an der Bohr-Längsschneidkante mit der Spannutfläche der Bohr-Spannut zusammenlaufen.
• Im Hinblick auf eine prozesssichere Span-Abfuhr während des Fräshubs kann jeder Frässchneide in der Werkzeug-Rotationsrichtung eine Fräs-Spannut vorgelagert sein. Deren Spannutfläche kann an der Fräs-Längsschneidkante in eine Stützfläche einer frässchneidenseitigen Stützfase (Rundschlifffase) übergehen.
• Zur weiteren Steigerung der Prozesssicherheit ist es bevorzugt, wenn die Stützfläche der jeweiligen bohrschneidenseitigen Stützfase bzw. der frässchneidenseitigen Stützfasen entgegen der Werkzeug-Rotationsrichtung in eine Freifläche übergehen. Diese ist von der Stützfläche um einen Freiwinkel abgewinkelt und daher im Bohrhub außer Kontakt mit der Bohrungs-Wandung. Im weiteren Verlauf kann sich an die Freifläche (in Umfangsrichtung betrachtet) eine Fräs-Spannut oder die Bohr-Spannut anschließen. In gleicher Weise sind an der Bohrerspitze stirnseitige Freiflächen ausgebildet, die im Bohrprozess außer Spaneingriff mit dem Werkstückmaterial sind.
• Sämtliche Stützfasen sind im Bohrhub in Kontakt mit der Bohrungswandung. Demgegenüber wirken im Fräshub sämtliche Stützfasen als Freiflächen, die außer Kontakt mit der Bohrungswandung sind.
• Zudem ist hervorzuheben, dass bevorzugt die Bohr-Längsschneidkante sowie die Fräs-Längsschneidkanten und auch die Stützflächen sämtlicher Stützfasen auf identischem Werkzeug-Durchmesser liegen.
• Im Hinblick auf eine prozesssichere Späne-Abfuhr ist es bevorzugt, wenn das Bohrfräswerkzeug in einem Kühl- und/oder Schmiermittelsystem eingebunden ist. Hierzu kann im Bohrfräswerkzeug zumindest ein Kühl- und/oder Schmiermittelkanal verlaufen. Über dessen stirnseitigem Kanalaustritt kann die Bohrerspitze mit Kühl- und/oder Schmiermittel versorgt werden, dass im Bohrhub und/oder im Fräshub eine Späne-Abfuhr durch die Bohr-Spannut nach außen unterstützt. Hierzu ist es bevorzugt, wenn sowohl die Fräs-Spannuten als auch die Bohr-Spannut an der Bohrerspitze stirnseitig offen sind. Zudem ist es bevorzugt, wenn sich die Nuttiefe jeder Fräs-Spannut in Richtung Spannschaft über eine Nutlänge bis auf null reduziert. Die Fräs-Spannut ist somit schaufelförmig ausgebildet, wodurch gewährleistet ist, dass im Fräshub die entstehenden Späne in Richtung Bohrungsgrund der erzeugten Bohrung verlagert werden und von dort über die Kühl- und/oder Schmiermittelströmung entlang der Bohr-Spannut nach außen transportiert werden. Hierzu ist es zudem von Vorteil, wenn die Nutlänge und/oder die Nuttiefe der Fräs-Spannuten wesentlich kleiner sind als die Nutlänge und/oder die Nuttiefe der Bohr-Spannut.
• Das Bohrfräswerkzeug ist zusammen mit seiner Bohrschneide, seiner Stützschneide und seinen Frässchneiden bevorzugt aus einem Vollmaterial hergestellt, zum Beispiel in einem Schleifverfahren. In diesem Fall ist das Bohrfräswerkzeug fertigungstechnisch bedingt nur mit einer minimalen Bauteil-Verjüngung herstellbar, zum Beispiel 1 bis 2 µm einer Bauteillänge von 100 mm. Vor diesem Hintergrund ist die folgende Schneiden-Geometrie von Vorteil: So können die Bohr-Längsschneidkante und die Fräs-Längsschneidkanten jeweils unterteilt sein, und zwar in einen stirnseitigen Kantenabschnitt, der sich von der jeweiligen Schneidenecke um eine Kantenlänge in Richtung Spannschaft erstreckt. Bevorzugt weist der stirnseitige Kantenabschnitt eine im Vergleich zum davon abgewandten Kantenabschnitt reduzierte Bauteil-Verjüngung auf, um Vorschubriefen zu vermeiden. Bevorzugt ist es, wenn die Kantenlänge des stirnseitigen Kantenabschnitts zumindest dem Fräs-Vorschub pro Umdrehung, zum Beispiel 1mm pro Umdrehung, im Fräshub entspricht.
• Im Hinblick auf ein einwandfreies Fräs-Ergebnis nach dem Bohrhub ist eine möglichst große Anzahl von Frässchneiden von Relevanz, beispielhaft fünf Frässchneiden. Vor diesem Hintergrund kann der Spannut-Querschnitt der Bohr-Spannut und/oder der Stütz-Spannut in Richtung Bohrerspitze reduziert sein, und zwar unter gleichzeitiger Erhöhung der Stegbreite des jeweiligen Bohrer-Stegs im Umfangrichtung. Auf diese Weise wird das für die Frässchneiden verfügbare Bauraum-Angebot an der Bohrerspitze gesteigert, wodurch eine größere Anzahl von Frässchneiden ausgebildet werden kann.
• Das Bohrfräswerkzeug kann am Übergang zwischen Bohrkörper und Spannschaft eine Fasenschneide aufweisen. Mit deren Hilfe wird im Bohrhub eine Bohrloch-Fase erzeugt.
• Nachfolgend wird eine spezielle Bohrspitzen-Geometrie des Bohrfräswerkzeugs beschrieben: Demnach weist das Bohrfräswerkzeug an der Bohrerspitze eine abgeflachte Stirnseitenfläche auf. Diese kann einen zentrisch angeformten kegelförmigen Bohrspitzen-Fortsatz umziehen, der von der abgeflachten Stirnseitenfläche axial abragt. Die Bohr-Stirnschneidkante (und auch die Stütz-Stirnschneidkante) kann sich in etwa bis zur Kegelspitze des Bohrerspitze-Fortsatzes erstrecken.
• In einer Ausführungsvariante können alle Frässchneiden, insbesondere deren stirnseitige Fräs-Schneidenecken, um denselben Axialversatz (Δx₁) gegenüber der Bohrschneide zurückgesetzt sein. In diesem Fall können sämtliche Frässchneiden auf gleicher axialer Höhe angeordnet sein. Alternativ dazu kann der Axialversatz (Δx₁) zumindest dem maximalen Bohrvorschub (v_fu) pro Umdrehung, zum Beispiel 0,3mm, plus Sicherheits-Aufmaß (S) entsprechen, um die Belastungsfreiheit der Frässchneiden zu gewährleisten.
• Für eine gleichmäßigere Schneiden-Belastung können dagegen sämtliche Bohr- und Frässchneiden zueinander um Axialversätze (Δx₂) axial versetzt sein. Jeder Axialabstand (Δx₂) kann einem maximalen Zahnvorschub (v_fz) pro Umdrehung, zum Beispiel 0,05mm, plus Sicherheits-Aufmaß (S) entspricht, um die Beastungsfreiheit der Frässchneiden zu gewährleisten, wonach gilt: $${\text{v}}_{\text{fz}}=\frac{vƒu}{z}+\text{S},$$

  

  wobei
• v_fz = Zahnvorschub pro Umdrehung,
• v_fu = Bohrvorschub pro Umdrehung,
• z = Anzahl der Schneiden,
• S = Sicherheits-Aufmaß.
• Zur Vermeidung einer seitlichen Auslenkung während des Bohrhubs kann das Bohrfräswerkzeug am Bohrer-Rücken umfangsverteilte Stützfasen (Rundschlifffasen) aufweisen, die sich entlang der Werkzeug-Rotationsachse erstrecken.
• Jeder Frässchneide kann in der Werkzeug-Rotationsrichtung eine Fräs-Spannut vorgelagert sein, deren Spannutfläche an der Fräs-Längsschneidkante in eine frässchneidenseitige Stützfase (Rundschlifffase) übergeht. Die Stützfase kann entgegen der Werkzeug-Rotationsrichtung in eine Freifläche übergehen.
• Im Bohrhub können sämtliche Stützfasen in Kontakt mit der Bohrungswandung sein. Zudem können im Fräshub die Stützflächen sämtlicher Stützfasen als Freiflächen wirken, die außer Kontakt mit der Bohrungswandung sind. Die Bohr-Längsschneidkante und die Fräs-Längsschneidkanten können auf identischem Werkzeug-Durchmesser liegen.
• Die Fräs-Spannuten, die Bohr-Spannut und die Stütz-Spannut können an der Bohrerspitze stirnseitig offen sein, und dass insbesondere sich die Nuttiefe jeder Fräs-Spannut in Richtung Spannschaft über eine Nutlänge bis auf null reduziert. Die Nutlänge und/oder die Nuttiefe der Fräs-Spannuten können wesentlich kleiner sein als die Nutlänge und/oder die Nuttiefe der Bohr-Spannut bzw. der Stütz-Spannut.
• Das Bohrfräswerkzeug kann in einem Schleifverfahren aus einem Vollmaterial gefertigt sein, bei dem die Bohrschneide, die Stützschneide und die Frässchneiden materialeinheitlich und einstückig im Bohrkörper integriert sind. Nach dem Schleifverfahren kann das Bohrfräswerkzeug im Schneiden-Bereich mit einer verschleißfesten Materialschicht beschichtet werden, um die Bohrfräswerkzeug-Standzeit zu erhöhen.
• Das Bohrfräswerkzeug kann fertigungstechnisch bedingt nicht komplett zylindrisch sein, sondern lediglich mit einer minimalen Bauteil-Verjüngung herstellbar sein, zum Beispiel 0,1mm auf einer Bauteillänge von 100mm. In diesem Fall können die Bohr-Längsschneidkante und die Fräs-Längsschneidkanten jeweils unterteilt sind in einen stirnseitigen Kantenabschnitt und in einen davon abgewandten Kantenabschnitt. Der stirnseitige Kantenabschnitt kann sich von der jeweiligen Schneidenecke um eine Kantenlänge in Richtung Spannschaft erstrecken und in den davon abgewandten Kantenabschnitt übergehen. Der stirnseitige Kantenabschnitt kann ferner eine im Vergleich zum davon abgewandten Kantenabschnitt reduzierte Bauteil-Verjüngung aufweisen, um im Fräshub Vorschubriefen zu vermeiden. Beispielhaft kann die Kantenlänge zumindest der Zustellung pro Umdrehung, zum Beispiel 1mm, entsprechen.
• Der Spannut-Querschnitt der Bohr-Spannut bzw. der Stütz-Spannut kann in Richtung Spannschaft aufgeweitet sein. Die Aufweitung des Spannut-Querschnitts kann den Späne-Abtransport unterstützen.
• Zur Reduzierung des Spannut-Querschnitts kann die Bohr-Spannut eine Nut-Seitenwand mit einem stirnseitigen Wandabschnitt aufweisen, der in Richtung Nut-Innenraum geneigt ist.
• Am konischen Übergang zwischen dem Bohrkörper und dem Spannschaft kann zumindest eine Fasenschneide ausgebildet sein, die an der durchmesserkleinen Bohrung eine Bohrloch-Fase erzeugt. Die Bohr-Spannut und/oder die Stütz-Spannut können bis über den konischen Übergang hinaus verlängert sein, und zwar unter Bildung der Fasenschneide.
• Das Bohrfräswerkzeug kann an der Bohrerspitze eine abgeflachte Stirnseitenfläche aufweisen, die einen zentrisch angeformten kegelförmigen Bohrerspitze-Fortsatz umzieht. Die Bohr-Stirnschneidkante und/oder die Stütz-Stirnschneidkante können sich bis in etwa zur Kegelspitze des Bohrerspitze-Fortsatzes erstrecken.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
• Es zeigen:
• 1 bis 4 unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen Bohrfräswerkzeugs;
• 5a bis 5f jeweils Ansichten, die eine mit Hilfe des Bohrfräswerkzeugs durchführbare Prozessroutine veranschaulichen;
• 6 bis 8 weitere Ansichten eines erfindungsgemäßen Bohrfräswerkzeugs; sowie
• 9 und 10 jeweils eine Mantelfläche des Fräs-/Bohrwerkzeugs in Abwicklung.
• In den 1 bis 4 ist jeweils ein erfindungsgemäßes Bohrfräswerkzeug in unterschiedlichen Ansichten gezeigt. Demzufolge weist das Bohrfräswerkzeug einen Spannschaft 1 mit daran anschließendem Bohrkörper 3 auf. Der Bohrkörper 3 ist mit zwei Bohrer-Stegen 5, 6 (7) ausgebildet, die sich entlang der Werkzeug-Rotationsachse erstreckt und in Werkzeug-Umfangsrichtung eine ebenfalls Bohr-Spannut 7 und eine Stütz-Spannut 8 begrenzt.
• Das erfindungsgemäße Bohrfräswerkzeug weist genau eine Bohrschneide 9 auf, die aus einer Bohr-Längsschneidkante 11 und einer Bohr-Stirnschneidkante 13 besteht. An der Bohr-Längsschneidkante 11 geht eine Spannutfläche 15 der Bohr-Spannut 7 in einen Bohrer-Rücken 17 über. Die Bohr-Stirnschneidkante 13 verläuft an der Bohrerspitze 16 in Querrichtung. Zudem läuft die Bohr-Stirnschneidkante 13 an einer radial äußeren Bohr-Schneidenecke 19 mit der Bohr-Längsschneidkante 11 zusammen.
• Wie aus der 2 hervorgeht, weist das Bohrfräswerkzeug an seiner, der Bohrschneide 9 mit Bezug auf die Rotationsachse diametral gegenüberliegenden Werkzeugseite eine zusätzliche Stützschneide 14 auf. Die Stützschneide 14 weist eine an der Bohrerspitze 16 querverlaufende Stütz-Stirnschneidkante 18 auf. Diese geht an einer radial äußeren Stütz-Schneidenecke 20 in eine Stütz-Längskante 22 über. Der Stützschneide 14 ist in Rotationsrichtung die Stütz-Spannut 8 vorgelagert. Deren Spannutfläche 24 geht an der querverlaufenden Stütz-Stirnschneidkante 18 in einen umfangsseitigen Bohrer-Rücken 17 über.
• Wie aus der 3 weiter hervorgeht, ist die Länge I₁ der querverlaufenden Stütz-Stirnschneidkante 18 im Vergleich zur Länge I₂ der querverlaufenden Bohr-Stirnschneidkante 13 stark reduziert. Auf diese Weise kann der Spannut-Querschnitt der Stütz-Spannut 8 kleiner ausgelegt sein als bei der Bohr-Spannut 7, um einen zuverlässigen Spanabtransport zu gewährleisten. Die radial äußere Stütz-Schneidenecke 20 ist in der 3 auf einem kleineren Werkzeug-Durchmesser positioniert als die radial äußere Bohr-Schneidenecke 19. Von daher sind im Bohrprozess die Bohrschneide 9 und die querverlaufende Stütz-Stirnschneidkante 18 in Spaneingriff, während die Stütz-Längskante 22 belastungsfrei, das heißt außer Spaneingriff ist.
• In der 3 ist eine Schnittkraft F₁ angedeutet, die im Bohrprozess an der querverlaufenden Bohr-Stirnschneidkante 13 angreift. Um im Bohrprozess eine schnittkraftbedingte Werkzeugschwingung zu vermeiden, ist erfindungsgemäß die Stützschneide 14 bereitgestellt. An der Stützschneide 14 greift eine zur Schnittkraft F₁ gegensinnige Stützkraft F₂ an. Durch die beiden gegensinnigen Kräfte F₁ und F₂ wird zumindest teilweise ein Kraftausgleich bereitgestellt, wodurch eine Werkzeugschwingung im Bohrprozess vermieden wird.
• Die Länge der querverlaufenden Stütz-Stirnschneidkante 18 ist so bemessen, dass der Bohrprozess gerade stabil (das schwingungsfrei) abläuft. Andererseits muss die Stütz-Stirnschneidkante 18 aber so kurz wie möglich sein. Eine lange Stütz-Stirnschneidkante 18 erfordert nämlich (wegen der erhöhten Spanerzeugung) eine entsprechend große Stütz-Spannut 8, die die Werkzeug-Stabilität beeinträchtigen würde. In diesem Fall würde der Fräsprozess instabil sein oder müsste dieser mit sehr kleinen Vorschüben durchgeführt werden.
• Wie aus der 2 weiter hervorgeht, sind am Bohrer-Rücken 17 insgesamt fünf Frässchneiden 21 umfangsverteilt hintereinander ausgebildet. Die Frässchneiden 21 sind allesamt auf gleicher axialer Bohrfräswerkzeug-Höhe positioniert. Zudem weisen sämtliche Frässchneiden 21 eine identische Schneiden-geometrie auf. Demnach ist jede Frässchneide 21 mit einer entlang der Werkzeug-Rotationsachse geradlinig verlaufenden Fräs-Längsschneidkante 23 ausgebildet, die an der Bohrerspitze 16 an einer stirnseitigen Fräs-Schneidenecke 25 (4a) abschließt.
• Wie aus der 1, 4a und 4b hervorgeht, sind die stirnseitigen Fräs-Schneidenecken 25 der Frässchneiden 21 um einen Axialversatz Δx gegenüber der Bohr-Stirnschneidkante 13 zurückgesetzt. In der in der 4b gezeigten Skizze sind lediglich die relevanten Konturlinien hervorgehoben, die die Bohrschneide 9 und eine demgegenüber um den Axialversatz Δx zurückgesetzte Frässchneide 21 zeigen. Mittels des Axialversatzes Δx wird bewirkt, dass im später beschriebenen Bohrhub B (5) nur die Bohrschneide 9 in Spaneingriff mit dem Werkstückmaterial ist, während die Frässchneiden 21 außer Spaneingriff mit dem Werkstückmaterial sind. Der Axialversatz Δx entspricht zumindest dem Bohr-Vorschub f_B pro Umdrehung (zum Beispiel 0,2 mm) im später beschriebenen Bohrhub B, damit eine Belastungsfreiheit der Frässchneiden 21 gewährleistet ist.
• Zur Unterbindung einer seitlichen Auslenkung während des Bohrhubs B weist das Bohrfräswerkzeug am Bohrer-Rücken 17 eine Mehrzahl von umfangsverteilten Stützfasen 27, 28 (3) auf. Diese erstrecken sich entlang der Werkzeug-Rotationsachse. Von den Stützfasen 27, 28 wird nachfolgend zunächst eine bohrschneidenseitige Stützfase 27 (2 und 3) beschrieben: Diese läuft an der Bohr-Längsschneidkante 11 mit der Spannutfläche 15 der Bohr-Spannut 7 zusammen.
• Wie aus den 2 und 3 weiter hervorgeht, ist jeder Frässchneide 21 in der Werkzeug-Rotationsrichtung eine Fräs-Spannut 29 vorgelagert. Deren Spannutfläche geht an der Fräs-Längsschneidkante 23 in eine Stützfläche einer frässchneidenseitigen Stützfase (Rundschlifffase 28) über, die in der 3 angedeutet ist.
• Die Stützfläche der jeweiligen Stützfase 27, 28 geht in der 3 im weiteren Verlauf entgegen der Werkzeug-Rotationsrichtung in eine Freifläche 33 über, die mit einem Freiwinkel von der Stützfläche abgewinkelt ist. Im weiteren Verlauf in der Umfangsrichtung schließt sich eine Fräs-Spannut 29 oder die Bohr-Spannut 7 an die jeweilige Freifläche 33 an.
• Die Bohr-Längsschneidkante 11 und die Fräs-Längsschneidkanten 23 liegen allesamt auf identischem Werkzeug-Durchmesser.
• Zudem weist das Bohrfräswerkzeug Kühl- und oder Schmiermittelkanäle mit stirnseitigen Kanalaustritten 36 (3) auf, die die Bohrerspitze 16 mit Kühl- und/oder Schmiermittel versorgen, das im Bohrhub B und/oder im Fräshub F eine Späne-Abfuhr durch die Spannuten 7, 8, 29 nach außen unterstützt.
• Sowohl die Fräs-Spannuten 29 als auch die Bohr-Spannut 7 sind an der Bohrerspitze 16 stirnseitig offen. Die Nuttiefe jeder Fräs-Spannut 39 reduziert sich in Richtung Spannschaft 1 über eine Nutlänge I_F bis auf null. Wie aus der 1 hervorgeht, ist die Nutlänge I_F und/oder die Nuttiefe der Fräs-Spannuten 39 wesentlich kleiner als die Nutlänge I_B und/oder die Nuttiefe der Bohr-Spannut 7 bzw. der Stütz-Spannut 8.
• Nachfolgend wird die Geometrie der Bohrerspitze 16 beschrieben: Demzufolge weist die Bohrerspitze 16 eine abgeflachte Stirnseitenfläche 37 auf, die einen zentrisch angeformten kegelförmigen Bohrerspitze-Fortsatz 39 umzieht. Die Bohr-Stirnschneidkante 13 erstreckt sich in etwa bis zur Kegelspitze 41 des Bohrerspitze-Fortsatzes 39. Diametral gegenüberliegend erstreckt sich auch die Stütz-Stirnschneidkante 18 in etwa bis zur Kegelspitze 41 des Bohrerspitze-Fortsatzes 39.
• Das Bohrfräswerkzeug weist am Übergang zwischen Bohrkörper 3 und Spannschaft 1 eine Fasenschneide 49 (1) auf, die an einer durchmesserkleinen Bohrung 57 eine Bohrloch-Fase 51 (5c) erzeugt.
• Nachfolgend wird anhand der 5 eine bevorzugte Prozessroutine beschrieben, die mittels des erfindungsgemäßen Bohrfräswerkzeugs durchführbar ist: Demnach wird im Bohrhub B das rotierende Bohrfräswerkzeug in einer Bohr-Vorschubrichtung in ein Werkstück 55 bis Erreichen einer Soll-Bohrtiefe ts (5c) eingetrieben, und zwar unter Bildung einer durchmesserkleinen Bohrung 57. Nach abgeschlossenem Bohrhub B erfolgt ein Reversierhub R, bei dem das Bohrfräswerkzeug aus der durchmesserkleinen Bohrung 57 herausgeführt wird. Anschließend wird zur Vorbereitung eines Fräshubs F das herausgeführte Bohrfräswerkzeug mit einem Radialversatz Δr angesteuert. Das radial ausgesteuerte Bohrfräswerkzeug wird in einer zur Bohr-Vorschubrichtung gleichläufigen Fräs-Vorschubrichtung wieder in die durchmesserkleine Bohrung 57 eingeführt, wodurch diese bis auf eine durchmessergroße Bohrung 59 (5f) aufgebohrt wird. Der Fräshub F erfolgt mittels einer Zirkularbewegung des Bohrfräswerkzeugs entlang einer Kreisbahn um die Bohrungsachse sowie unter Werkzeug-Rotation.
• Das erfindungsgemäße Bohrfräswerkzeug ist aus einem Vollmaterial hergestellt, zum Beispiel in einem Schleifverfahren. Fertigungstechnisch bedingt weist das Bohrfräswerkzeug zwangsläufig eine in der 6 übertrieben groß dargestellte minimale Bauteilverjüngung auf, zum Beispiel 0,1mm auf eine Baulänge von 100mm.
• Vor diesem Hintergrund ist die folgende Schneiden-Geometrie von Vorteil, um Vorschubriefen zu vermeiden: So sind gemäß der 6 die Bohr-Längsschneidkanten 11 und die Fräs-Längsschneidkanten 23 unterteilt in jeweils einen stirnseitigen Kantenabschnitt 67, der sich von der jeweiligen Schneidenecke 25, 19 um eine Kantenlänge x_K erstreckt und in einen davon abgewandten Kantenabschnitt 69 übergeht. Der stirnseitige Kantenabschnitt 67 weist eine im Vergleich zum davon abgewandten Kantenabschnitt 69 reduzierte Bauteil-Verjüngung auf. Die Kantenlänge x_K entspricht dabei zumindest der Zustellung f_F pro Umdrehung (zum Beispiel 1mm) im Fräshub F, damit die Vorschubriefen bei der Erzeugung der durchmessergroßen Bohrung 59 prozesssicher vermieden werden können. In der 6 ist die Bauteil-Verjüngung aus Gründen des einfacheren Verständnisses stark übertrieben angedeutet.
• Bevorzugt ist es zudem, wenn sich der Spannut-Querschnitt der Bohr-Spannut 7 (und ggf. auch die Stütz-Spannut 8) in Richtung Bohrerspitze 16 reduziert, und zwar unter gleichzeitiger Erhöhung der Stegbreite des Bohrer-Stegs 5 in Umfangsrichtung. Auf diese Weise wird das für die Frässchneiden 21 verfügbare Bauraum-Angebot an der Bohrerspitze 16 gesteigert. Zur Reduzierung des Spannut-Querschnitts weist in der 7 eine Nut-Seitenwand 71 der Bohr-Spannut 7 einen stirnseitigen Wandabschnitt 75 auf, der in Richtung Nut-Innenraum geneigt ist.
• In der 9 ist die Mantelfläche des Bohrfräswerkzeugs in Abwicklung gezeigt. Demnach sind die Teilungsabstände t₁ bis t₆ zwischen der Bohrschneide 9 und den Frässchneiden 21 in Umfangsrichtung konstant. Zudem sind in der 9 sämtliche Frässchneiden 21 auf gleicher axialer Höhe angeordnet. Damit eine Belastungsfreiheit der Frässchneiden 21 im Bohrprozess gewährleistet ist, sind die Frässchneiden 21 um einen Axialversatz Δx₁ gegenüber der Bohrschneide 9 zurückgesetzt. Der Axialversatz Δx₁ entspricht in der 9 dem maximalen Bohrvorschub v_fu pro Umdrehung, zum Beispiel 0,3mm, plus einem Sicherheits-Aufmaß S.
• In der 10 ist eine alternative Ausführungsvariante gezeigt. Demnach sind die Frässchneiden 21 nicht auf gleicher axialer Höhe angeordnet. Vielmehr sind in der 10 sämtliche Bohr- und Frässchneiden 9, 21 zueinander um gleiche Axialversätze Δx₂ beabstandet. Jeder der Axialabstände Δx₂ entspricht einem maximalen Zahnvorschub v_fz pro Umdrehung, zum Beispiel 0,05mm, plus einem Sicherheits-Aufmaß S, um die Belastungsfreiheit der Frässchneiden 21 zu gewährleisten. Es gilt: $$\mathrm{\Delta }{\text{x}}_2={\text{v}}_{\text{fz}}+\text{S}=\frac{vƒu}{z}+\text{S},$$

  

  wobei
• V_fz = Zahnvorschub pro Umdrehung
• V_fu = Bohrvorschub pro Umdrehung
• z = Anzahl der Schneiden 9, 21
• S = Sicherheits-Aufmaß.
• Beispielhaft ergibt sich bei einem Bohrvorschub v_fu pro Umdrehung von 0,3mm sowie bei insgesamt sechs Schneiden 9, 21 ein Zahnvorschub v_fz von 0,05mm plus Sicherheits-Aufmaß S.
• Bezugszeichenliste

1

Spannschaft

3

Bohrkörper

5, 6

Bohrer-Stege

7

Bohr-Spannut

8

Stütz-Spannut

9

Bohrschneide

11

Bohr-Längsschneidkante

13

Bohr-Stirnschneidkante

14

Stützschneide

15

Spanfläche

16

Bohrerspitze

17

Bohrer-Rücken

18

Stütz-Stirnschneidkante

19

Bohr-Schneidenecke

20

Stütz-Schneidenecke

21

Frässchneiden

22

Stütz-Längskante

23

Fräs-Längsschneidkante

24

Spannutfläche

25

stirnseitige Fräs-Schneidenecke

27, 28

Stützfasen

29

Fräs-Spannut

33

Freifläche

36

Kanaleintritt

37

stirnseitige Freiflache

39

kegelförmiger Bohrerspitzen-Fortsatz

41

Kegelspitze

49,50

Fasenschneide

51

Bohrloch-Fase

55

Werkstück

57

durchmesserkleine Bohrung

59

durchmessergroße Bohrung

67

stirnseitiger Kanten-Abschnitt

69

von der Stirnseite abgewandter Kanten-Abschnitt

71,72

Nut-Seitenwände

73

Nutboden

75

stirnseitiger Wandabschnitt einer Nut-Seitenwand

xK

Kantenlänge

B

Bohrhub

F

Fräshub

R

Reversierhub

tS

Sollbohrtiefe

IF, IB, IS

Spannutlänge

vfu

Bohrvorschub

vfz

Zahnvorschub

nB

Bohrdrehzahl

fF

Zustellung

nF

Fräs-Drehzahl

D1, D2

unterschiedliche Bohrungsdurchmesser

F1

Schnittkraft

F2

Stützkraft

I1

Länge der Stütz-Stirnschneidkante

I2

Länge der Bohr-Stirnschneidkante

t1 bis t6

Teilungsabstände

z

Anzahl der Schneiden 9, 21

S

Sicherheits-Aufmaß

Δr

Radialversatz

Δx1, Δx2

Axialversatz

vfz

Zahnvorschub pro Umdrehung

vfu

Bohrvorschub pro Umdrehung

Claims (10)

1. Bohrfräswerkzeug, insbesondere zur Erzeugung von Werkstück-Bohrungen (57, 59) mit unterschiedlichen Durchmessern (D₁, D₂), mit insbesondere genau einer Bohrschneide (9), die eine Bohr-Längsschneidkante (11) und eine an der Bohrerspitze (16) querverlaufende Bohr-Stirnschneidkante (13) aufweist, die an einer radial äußeren Bohr-Schneidenecke (19) mit der Bohr-Längsschneidkante (11) zusammenläuft, wobei das Bohrwerkzeug zusätzlich Frässchneiden (21) aufweist, die bevorzugt umfangsverteilt hintereinander am Bohrer-Rücken (17) ausgebildet sind, und wobei im Bohrprozess an der querverlaufenden Bohr-Stirnschneidkante (13) eine Schnittkraft (F₁) angreift, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung des Bohrprozesses das Werkzeug zumindest eine Stützschneide (14) aufweist, die eine Stützkraft (F₂) erzeugt, und dass die Länge (I₂) der Stützschneide (14) so bemessen ist, dass aufgrund der Korrespondenz der Kräfte (F1, F2) eine Werkzeugschwingungs-Neigung verhindert wird.
2. Bohrfräswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschneide (14) eine an der Bohrerspitze (16) querverlaufende Stütz-Stirnschneidkante (18) aufweist, und dass insbesondere die Stütz-Stirnschneidkante (18) an einer radial äußeren Stütz-Schneidenecke (20) mit einer Stütz-Längskante (22) zusammenläuft.
3. Bohrfräswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (11) der querverlaufenden Stütz-Stirnschneidkante (18) gegenüber der Länge (12) der querverlaufenden Bohr-Stirnschneidkante (13) reduziert ist, wodurch der Spannut-Querschnitt, Nuttiefe und/oder Nutlänge der Stütz-Spannut (8) kleiner als bei der Bohr-Spannut (7) ausbildbar ist, so dass die Werkzeugstabilität im Bohr-/Fräsprozess gesteigert ist.
4. Bohrfräswerkzeug nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Stütz-Schneidenecke (20) auf einem kleineren Werkzeug-Durchmesser liegt als die radial äußere Bohr-Schneidenecke (19), so dass insbesondere im Bohrprozess die Bohrschneide (9) und die querverlaufende Stütz-Stirnschneidkante (18) in Spaneingriff sind, während die Stütz-Längskante (22) belastungsfrei, das heißt außer Spaneingriff ist.
5. Bohrfräswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrschneide (9) und die Stützschneide (14) mit Bezug auf die Werkzeug-Rotationsachse auf diametral gegenüberliegenden Werkzeug-Seiten angeordnet sind, und/oder dass insbesondere die querverlaufende Bohr-Stirnschneidkante (13) und die querverlaufende Stütz-Stirnschneidkante (18) in Umfangsrichtung einen Winkel von im Wesentlichen 180° aufspannen.
6. Bohrfräswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrfräswerkzeug zwei sich entlang der Rotationsachse erstreckende Bohrer-Stege (5, 6) aufweist, die in Umfangsrichtung die Bohr-Spannut (7) und die Stütz-Spannut (8) begrenzen.
7. Bohrfräswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrfräswerkzeug für eine Prozessabfolge ausgelegt ist, bei der in einem Bohrhub (B) das rotierende Bohrfräswerkzeug in einer Bohr-Vorschubrichtung in ein Werkstück (55) bis Erreichen einer Soll-Bohrtiefe (t_s) eingetrieben wird, und zwar unter Bildung einer durchmesserkleinen Bohrung (57), und bei der zur Vorbereitung eines Fräshubs (F) das Bohrfräswerkzeug um einen Radialversatz (Δr) ausgesteuert ist und dann im Fräshub (F) in einer zur Bohr-Vorschubrichtung gleich- oder gegenläufigen Fräs-Vorschubrichtung die durchmesserkleine Bohrung (57) bis auf eine durchmessergrößere Bohrung (59) auffräst, und zwar in einer Zirkularbewegung entlang einer Kreisbahn um die Bohrungsachse sowie unter Werkzeug-Rotation.
8. Bohrfräswerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bohrhub (B) die durchmesserkleine Bohrung (57) mit der Bohrloch-Fase (51) erzeugt wird, und dass nach abgeschlossenem Bohrhub (B) ein Reversierhub (R) erfolgt, bei dem das Bohrfräswerkzeug aus der durchmesserkleinen Bohrung (57) herausgeführt wird, und dass das herausgeführte Bohrfräswerkzeug mit dem Radialversatz (Δr) ausgesteuert wird, woraufhin der Fräshub (F) startet, bei dem das Bohrfräswerkzeug in einer Helixbewegung in die durchmesserkleine Bohrung (57) eingetrieben wird.
9. Bohrfräswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frässchneiden (21) eine identische Schneidengeometrie aufweisen, bei der jede Frässchneide (21) eine entlang der Werkzeug-Rotationsachse verlaufende Fräs-Längsschneidkante (23) aufweist, die an der Bohrerspitze (16) an einer stirnseitigen Fräs-Schneidenecke (25) abschließt.
10. Bohrfräswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsabstände (t₁ bis t₆) zwischen der Bohrschneide (9) und den Frässchneiden (21) in Umfangsrichtung konstant sind.

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