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Die Erfindung betrifft einen Stufenbohrer sowie ein Spiralwerkzeug, z.B. ein Spiralbohrer oder Spiralfräser, mit einem solchen Stufenbohrer.
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Stand der Technik
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Die in der Beschreibung verwendeten Richtungsterminologie „proximal“ und „distal“ sowie „in Proximalrichtung“ und „in Distalrichtung“ sowie „proximalseitig“ sowie „distalseitig“ sind in Bezug auf ein den Spiralbohrer oder Spiralfräser, in dieser Anmeldung aus Gründen der Vereinfachung zusammengefasst unter dem Oberbegriff „Spiralwerkzeug“ antreibendes Antriebsaggregat zu verstehen, z.B. eine Bohrmaschine oder ein Akkuschrauber, das an dem Proximalende drehfest mit dem Spiralwerkzeug verbindbar ist zum Aufbringen eines Drehmoments auf den Spiralbohrer oder -fräser.
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Ein solcher Stufenbohrer erstreckt sich von einem mit einem Antrieb verbindbarer oder verbundenen Proximalende bis zu einem Distalende um eine mittlere Rotationsachse R und umfasst einen, mehrere Stufen umfassenden Arbeitsabschnitt sowie einen mit diesem Arbeitsabschnitt verbundenen und im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Antriebsabschnitt.
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In einer äußeren Mantelfläche des Arbeitsabschnitts ist mindestens eine spiralförmig in einem Spiralwinkel zur Rotationsachse angeordneter und um diese erstreckende Spiralnut ausgebildet, die eine in einer Drehrichtung D wirkende Nutseitenwand definiert.
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Der Arbeitsabschnitt umfasst mehrere Stufen, die Schneiden-Gruppe bilden, die sich sequenziell, also abschnittsweise, und spiralförmig um die Rotationsachse außenseitig von dem Distalende des Konus-Abschnitts bis zu dem Proximalende des Konus-Abschnitts verbreiternd erstrecken.
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Jede Stufe umfasst eine sich quer zur Rotationsachse R erstreckende und zum Distalende gerichtete eine konisch, sich in einem Distalflächenwinkel zur einer Vertikalen parallel zur Drehachse erstreckende Stufendistalfläche sowie eine sich quer zu dieser Stufendistalfläche in einem Abstand zur Rotationsachse erstreckende, insbesondere zylindrische Stufenproximalfläche. Die Schnittstelle der Stufendistalfläche und der Stufenproximalfläche mit der Nutseitenwand bildet somit eine Hauptschneidekante, die sich außenseitig umfänglich auf einer Mantelfläche des Stufenbohrers um die Rotationsachse herum erstreckt. Die Stufendistalfläche erstreckt sich also distal von der Hauptschneidekante der jeweiligen Stufe und die Stufenproximalfläche erstreckt sich proximal von dieser Hauptschneidekante.
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Die Stufen des Stufenbohrers vergrößern sich in Proximalrichtung sequenziell, also abschnittsweise, und bilden somit einen Konus-Abschnitt mit stufenweise steigendem Außendurchmesser der Stufenproximalflächen, die auch als Stufenseitenflächen fungieren, diese also seitlich begrenzen. Die Höhe der Stufen (Stufenhöhe), die sich entlang der Rotationsachse erstreckt, beträgt vorzugsweise der Materialstärke des zu bearbeitenden verlaufenden Längserstreckungsrichtung der Dicke der Materialstärke des zu bearbeitenden Materials entspricht.
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Einstückig kann an dem Distalende, vor der ersten - kleinsten - Stufe eine Zentrierspitze ausgebildet sein, die distale oder stirnseitige Hauptschneiden umfasst, die sich von dem distalen Zenit in Proximalrichtung oder Stirnrichtung unter Einschluss des Spitzenwinkels erstrecken.
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Ein solcher Stufenbohrer weist eine zentrale und von einem umfänglichen Kern umschlossene Rotationsachse auf, entlang der sich das Spiralwerkzeug von einem vorderen Distalende bis zu einem hinteren Proximalende erstreckt. Die Kerndicke ist das entscheidende Maß für die Stabilität des Spiralbohrers. Spiralbohrer mit großem (dicken) Kerndurchmesser besitzen eine höhere Stabilität und sind daher für höhere Drehmomente und härtere Werkstoffe geeignet. Zudem sind sie für den Einsatz in Handbohrmaschinen sehr gut geeignet, da sie gegen Schwingungen und Einwirkungen von seitlichen Kräften resistenter sind.
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Das hintere Proximalende ist in Distalrichtung erstreckend als ein Antriebsabschnitt ausgebildet, der den Kern umschließt zur Bildung eines Schafts, welcher seinerseits ausgebildet ist zur drehfesten Verbindung mit dem Antriebsaggregat.
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An den Antriebsabschnitt schließt sich in Distalrichtung ein ebenfalls den Kern umschlie-ßender, im Wesentlichen konischer Arbeitsabschnitt an, der in distaler Richtung spitz zu läuft und mit dem der Stufenbohrer Material aus einem Werkstück abträgt z.B. einer Metallplatte einem Gehäuse oder dergleichen.
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Der Arbeitsabschnitt umfasst die Stufen, die vorzugsweise deutlich breiter sind als der Schaft, sowie mindestens eine, vorzugsweise zwei außenseitig in einer Mantelfläche des Arbeitsabschnitts unter Einschluss des Spiralwinkels mit der Rotationsachse ausgebildete, kanal- und spiralförmig oder helix-artig ausgebildete Spiralnuten, die sich um die Rotationsachse erstrecken. Die in Rotationsrichtung vorne gelegene Nutseitenwand dieser Spiralnuten bildet mit den Stufendistalflächen und den Stufenproximalflächen mehrere Schneidkantenpaare mit sich abschnittsweise verbreiternden Hauptschneidekanten, also mit sich in Proximalrichtung stufenweise verbreiternden Durchmessern.
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Neben den an den Kanten der Spiralnuten mit den Stufendistalflächen und Stufenproximalflächen gebildeten Schneiden dienen die Spiralnuten auch als Kanalsystem zur Aufnahme und zum Abtransport der Späne, die in einem Bearbeitungsprozess von einem Werkstück abgetrennt werden. Je breiter das Nutprofil ist, umso besser ist die Spanabfuhr. Eine schlechte Spanabfuhr bedeutet eine höhere Wärmeentwicklung, die wiederum zu Ausfällen und letztendlich zum Bruch des Bohrers führen kann. Breite Nutprofile sind flacher, schmalere Nutprofile sind tiefer. Die Tiefe des Nutprofils bestimmt die Stärke des Kerns. Flache Nutprofile lassen (dicke) Kerndurchmesser zu. Tiefe Nutprofile lassen wiederum nur kleine (dünne) Kerndurchmesser zu.
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Derartige Stufenbohrer sind in zahlreichen Ausführungsformen auf dem Markt und gut bekannt.
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Die Höhe der Stufen (Stufenhöhe), die sich entlang der Rotationsachse erstreckenden Längsachse parallel zu dieser erstreckt, entspricht vorzugsweise der Materialstärke des zu bearbeitenden Materials, um somit nach dem Vorbohren mit der Zentrierspitze und somit der genauen Ausrichtung des Stufenbohrers in dem gegebenen Material abschnittsweise zunächst über die distalseitigen Konusflächen stufenweise verbreiterte Bohrungen einzubringen bis der gewünschte Durchmesser erreicht ist.
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In dieser Anmeldung wird auf die Veröffentlichung der Geometrie eines Schneidteils gemäß Wikipedia unter Verweis auf 11 Bezug genommen, welche die Winkel in der Werkzeug-Orthogonalebene darstellt.
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Der Schneidteil ist derjenige Teil eines Stufenbohrers, der bei der Bearbeitung wirksam ist und an dem sich die Schneidkeile befinden. Die wichtigsten Begriffe zu seinen Flächen, Schneiden Bezugssystemen und Winkeln sind in der DIN 6581 genormt.
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Als Spanfläche wird diejenige Fläche des Schneidkeils bezeichnet, über die der Span bei der Bearbeitung abläuft. Die anderen, angrenzenden Flächen werden als Freifläche bezeichnet. Die Kante des Keils, die an der Spanfläche lieg und in Vorschubrichtung zeig, ist die Hauptschneide S; die andere wird als Nebenschneide S` bezeichnet.
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Der Freiwinkel wird zwischen der Schneidebene und der Freifläche gemessen. Große Freiwinkel (zwischen 6° und 15°) verringern die Reibung zwischen Werkstücken und Werkzeug und werden vor allem bei Werkstoffen angewandt, die zum Verkleben neigen und bei Werkzeugen aus zähem Hartmetall wie P40, H40 oder K40. Freiwinkel verschlechtern aber auch die Wärmeabfuhr aus dem Werkzeug und ergeben bei sonst gleichen Verhältnissen größere Verschleißmarken. Sie schwächen auch die Größen des Keilwinkels und führen daher zu größerem Verschleiß. Kleine Freiwinkel (2° bis 5°) ermöglichen einen stabileren Schneidkeil und verringern dadurch Verschleiß und Schwingungen des Werkzeugs. Schwingungen können zum Rattern führen. Kleine Freiwinkel erhöhen jedoch auch die Reibung zwischen Stufenbohrer und Werkstück.
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Der Keilwinkel wird zwischen Freifläche und Spanfläche gemessen. Er sollte für harte und spröde Werkstückstoffe groß sein und für weiche zähe Werkstoffe klein. Für das Schruppen wird auch ein er großer Keilwinkel gewählt. Er wird in der Regel als erstes festgelegt. Bei Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl (HSS) oder Hartmetall nimmt er Werte zwischen 60° und 120° an.
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Der Spanwinkel wird zwischen Spanfläche und Werkzeug-Bezugsebene gemessen. Er kann auch negativ sein. Große positive Spanwinkel (+6° bis +25°) verbessern Oberfläche und Spanfluss, verringern aber Spanstauchung, Schnittkraft, Reibung zwischen Span und Werkzeug und die erforderliche Antriebsleistung für die Maschinen. Die Späne neigen jedoch zur Fließspanbildung, also langen Spänen, die sich in der Maschine verheddern können und die es grundsätzlich soweit als möglich zu verhindern gilt. Negative Spanwinkel werden vor allem für die Bearbeitung von hartem, spröden Werkstoffen, sowie zur Schruppbearbeitung und zum Schaben eingesetzt. Beim Spanen mit geometrisch unterbestimmter Schneide, zu dem das Schleifen, Honen, Läppen, Strahlspanen, Gleitspanen und Bürstspanen gehören, weist das Schleifkorn überwiegend negative Spanwinkel auf.
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Nachteile am Stand der Technik
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Bestehende Stufenbohrer ermöglichen nur einen beschränkten Vorschub. Bei einem zu großen Vorschub kommt es zu einer erheblichen Wärmeentwicklung, was die Standzeit, also die Lebensdauer des Stufenbohrers erheblich negativ beeinflussen kann.
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Ferner haben bekannte Stufenbohrer das Problem schlechter oder unsauberer Schnittgeometrien an der Innenwand des in dem Werkstück erzeugten Bohrlochs, welche wesentlich durch Abnutzung der Längsschneiden bedingt sind. Dieses verursacht zudem einen unrunden Lauf, welches weitere Ungenauigkeiten in dem Bohrloch hervorrufen kann.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile am Stand der Technik zumindest teilweise zu vermeiden und insbesondere einen Stufenbohrer sowie ein Spiralwerkzeug mit einem Stufenbohrer vorzusehen, welches eine besser Schnittleistung aufweist.
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Lösung
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In der einfachsten Ausführungsform wird die Aufgabe bereits durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst; optionale, aber nicht zwingende Merkmale sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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In der abstraktesten Ausführungsform wird die Aufgabe bereits dadurch gelöst, dass zwischen einem von einer radialen Außenkante der Hauptschneidekante, genauer gesagt einer hier gebildeten Hauptschneidespitze auf die Rotationsachse gefällten Lot und der sich entgegen der Drehrichtung D umfänglich auf der äußeren Mantelfläche erstreckenden Hauptschneidekante ein Hauptschneidewinkel eingeschlossen ist. Anders ausgedrückt fällt die Hauptschneidekante entgegen der Drehrichtung ab oder nochmals anders ausgedrückt erstreckt sich die Hauptschneidekante schräg, also in dem Hauptschneidewinkel zur Rotationsachse, wohingegen sich das Lot naturgemäß senkrecht zur Rotationsachse erstreckt. Der Hauptschneidewinkel ist der von einem - in der Frontansicht - radialen äußersten Punkt, nämlich der Hauptschneidespitze, also dem Schnittpunkt der jeweiligen Stufenoberfläche, der jeweiligen Stufenseitenfläche und der an diese angrenzenden Nutseitenwand gebildete und somit vorstehende Schnittpunkt. Diese Hauptschneidespitze der jeweiligen Stufe wird somit durch vier Winkel gebildet, nämlich
- • dem Hauptschneidewinkel, eingeschlossen zwischen dem Lot durch die Hauptschneidespitze auf die Drehachse und der sich entgegen der Drehrichtung auf der äußeren Mantelfläche der jeweiligen Stufe erstreckende Hauptschneidekante;
- • einem axialen Stufendistalwinkel, eingeschlossen zwischen der Stufendistalfläche und einer Vertikalen parallel zur Drehachse durch die Hauptschneidespitze;
- • einem Stufenproximalwinkel, eingeschlossen zwischen der Stufenproximalfläche und einer vertikalen parallel zur Drehachse durch die Hauptschneidespitze
- • sowie einem Stufeninnenwinkel, eingeschlossen zwischen eine Verlängerung der Nutinnenwand an der Schneidspitze und einer Vertikalen parallel zur Drehachse.
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Der Hauptschneidewinkel kann zwischen 0,5 bis 15 Grad betragen, beträgt insbesondere 3 bis 10 Grad. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt bei 5 bis 7 Grad.
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Der Stufenproximalwinkel kann zwischen 1 bis 8 Grad betragen und beträgt bevorzugt 6 Grad.
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Der Stufeninnenwinkel kann zwischen 5 bis 15 Grad betragen und beträgt bevorzugt 7 bis 12, insbesondere 8 Grad.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung realisiert erstmalig einen mehrfachen Freiwinkel gegenüber den einzelnen, an die jeweilige Hauptschneidspitze angrenzenden Flächen Dieses ermöglicht einen besonders sauberen Schnitt, eine hohe Schnittleistung bei signifikant reduzierter Wärmeentwicklung. Dieses erhöht letztendlich die Standzeit des Stufenbohrers signifikante.
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Weil erfindungsgemäß eine spiralförmige Schneidkante in eine bestehende Spirale eingebracht wird, quasi also eine Spirale in der Spirale gefertigt wird, wird durch den spiralförmigen Nutenverlauf in dem Stufenverlauf eine gegenläufige Asymmetrie im Bereich der Stufen erzeugt, welche durch den Hauptschneidewinke x1 bestimmt ist und aufgrund der so gebildeten, gegenüberliegenden Schneidkanten eine besonders zuverlässigen Spanbruch erzeugt, der eine Fließspanbildung wirksam verhindert.
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Der erfindungsgemäße Stufenbohrer unterscheidet sich im Stand der Technik bekannten Stufenbohrern erkennbar dadurch, dass neben der Stufendistalfläche auch die Stufenproximalfläche jeder Stufe konisch ausgebildet sind, sich also jeweils schräg zu einer Parallelen zur Drehachse erstrecken, wobei sich die die Stufendistalfläche in Proximalrichtung zur Hauptschneidekante der jeweiligen Stufe hin konisch verbreitert und auch die Stufenproximalfläche sich in Distalrichtung zur jeweiligen Hauptschneidekante der Stufe hin verbreitert.
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Somit wird erfindungsgemäß an der Hauptschneidspitze ein mehrfacher Freiwinkel, also in mehreren Ebenen zu den angrenzenden Flächen realisiert, nämlich ein Freiwinkel radialer Richtung, zwei Freiwinkel parallel zur axialen Richtung sowie ein Freiwinkel zu der angrenzenden Nutinnwand der Spiralnut.
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Die Erfindung beruht auf die im Rahmen der Entwicklung der Erfindung gewonnene Erkenntnis, dass durch diese Ausgestaltung des Stufenbohrers mit einem Hauptschneidewinkel größer null, also eine nicht senkrecht zur Rotationsachse sich erstreckenden Hauptschneide kürzere Späne erzeugt, also ein schnelleren Spanbruch mit kürzeren Spänen realisiert wird und vor allem die Bildung von längeren Fließspänen verhindert wird. Dieses ermöglicht ein schnelleres Schneiden, somit eine höhere Schnittleistung von bis zu 50 Prozent bei gleichzeitig ruhigerem Schnitt, also reduzierte dynamische Nebeneffekte in Form von Schwingungen.
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Erfindungsgemäß ist somit ein gegenüber dem Stand der Technik wesentlich höherer Vorschub möglich, wobei aber gleichzeitig die Bildung von Fließspan wirksam unterbunden wird, also ein sehr gleichmäßiger Spanbruch realisiert wird. Dabei tritt fast keine Erwärmung des Stufenbohrers auf.
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Der erfindungsgemäße Stufenbohrer ist somit besonders gut für HSS Bohrer einsetzbar, also ein Bohrer, mit denen mit hoher Geschwindigkeit in Stahl gebohrt werden kann, auch bezeichnet als „High Speed Steel“ Bohrer. Diese werden auch häufig als „Schnellarbeitstahl“ bezeichnet, womit allumfassend ein hochdiktierter Werkzeugstahl bezeichnet wird. Das Material auf einer Temperatur von bis zu 600 °C eine Härte behält, ist mit HSS gegenüber einem gewöhnlichen Werkzeugstahl eine drei bis viermal höhere Schrittgeschwindigkeit möglich.
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Der Hauptschneidewinkel kann zwischen 0,5 bis 15 Grad, insbesondere 3 bis 10 Grad groß sein und beträgt besonders bevorzugt 5 bis 7 Grad beträgt.
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Erfindungsgemäß kann der Stufenbohrer als selbständiges Werkzeug oder als Bestanteil eines Bohrers ausgebildet sein.
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Wenn der Stufenbohrer als selbstständiges Werkzeug ausgebildet ist, hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass dieser in Proximalrichtung anschließend an den Arbeitsabschnitt ein im Wesentlichen zylindrischer Antriebsabschnitt umfasst, der mit einem Antriebsgerät, z.B. einer Bohrmaschine oder einem Akkuschrauber lösbar verbindbar oder verbunden ist.
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Der Durchmesser der zusammengesetzten Schneiden-Gruppen nimmt sequentiell oder abschnittsweise zu von dem Distalende zu dem Proximalende des Konus-Abschnitts. Jede der zusammengesetzten Schneiden-Gruppen ist ausgebildet zum Trennen von Spänen in kleinere Späne und die mindestens eine Spiralnut ist ausgebildet zum Ableiten der Späne.
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Mindestens eine zweite zylindrische zweite Stufenfläche ist unmittelbar angrenzend ausgebildet zu einer konischen ersten Stufenfläche von der nächsten zusammengesetzten Schneiden-Gruppe. Der Durchmesser der letzten zusammengesetzten Schneiden-Gruppen am Ende des konischen Abschnitts, unmittelbar angrenzend an den Zylinderabschnitt entspricht dem des Zylinderabschnitt des Arbeitsabschnitts des Bohrers.
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Die Stufen des Stufenbohrers vergrößern sich in einer Proximalrichtung sequenziell, also abschnittsweise, unter Bildung eines Konus-Abschnitts mit stufenweise steigendem Außendurchmesser der Stufenzylinderflächen, der Höhe oder Länge entlang der koaxial zur Rotationsachse verlaufenden Längserstreckungsrichtung der Dicke der Materialstärke des zu bearbeitenden Materials entspricht.
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Es ist erkennbar, dass die Stufen umso kleiner werden, die größer der Hauptschneidewinkel ist
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Bevorzugt weist der Stufenbohrer an dem Distalende eine Zentrierspitze mit einem Spitzenwinkel von kleiner 180 Grad ein vorzugsweise 118 Grad (für weichere Werkstoffe) sowie 135 Grad (für härtere Werkstoffe) auf, die gleichzeitig die distalseitigen Haupt- oder Distalschneiden bilden, die sich radial nach außen von zum am distalsten Ende gelegenen Zenit der Zentrierspitze radial nach außen erstrecken und dort in einen zylindrischen Abschnitt der Zentrierspitzte übergeht, die beispielsweise einen Durchmesser von 6 mm aufweist.
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Bevorzugt weist die Zentrierspitze einen Durchmesser von 6 bis 8 mm und einer Länge von 9 mm vom distalen Zenit bis zur Stufendistalfläche der ersten Stufe auf.
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Die Arbeitsabschnitt umfasst sodann in Proximalrichtung mehrere Stufen, wobei jede Stufenzylinderfläche jeweils in die in Distalrichtung vorangehende Stufenzylinderfläche um einen konstanten Betrag zunimmt, z.B. 2 mm und wobei Höhe der Stufenzylinderflächen vorzugsweise ebenfalls konstant ist und z.B. 4 bis 5 mm beträgt.
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So kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Stufenbohrer z.B. 11 Stufen umfassen, die sich von dem zylindrischen Außendurchmesser der Zenits der Zentrierspitze in 2-Millimeter-Schritten verbreitern auf einen maximalen Außendurchmesser von 30 mm des zylindrischen Stufenzylinderfläche der letzten Stufe verbreitert.
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Sodann kann sich in Proximalrichtung unter Verjüngung des Außendurchmessers ein Konusabschnitt anschließen, der an sodann in einen zylindrischen Antriebsabschnitt übergeht, der vorzugsweise einen Außenmehrkant, insbesondere einen Außensechskant umfasst mit einem Außendurchmesser von 9-10 mm.
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Ausführungsformen der Erfindung umfassen einen Bohrer mit dem zylindrischen Arbeitsabschnitt mit einem konisch zum distalen Stirnende zulaufenden Stufenbohrer am distalen Stirnende, also einen Stufenbohrer einteilig ausgebildet mit dem Spiralbohrer.
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Auf der diametral gegenüberliegenden Seiten der Zentrierspitze beginnen in einem bevorzugten Winkel von etwa 45 Grad zur Rotationsachse erstreckend auf beiden Seiten des Stufenbohrers die beiden Spiralnuten und erstrecken sich helix- oder spiralförmig so um die äußere Mantelfläche des Stufenbohrers. Somit werden in Drehrichtung D an den Kanten zwischen den Stufen und der Nutseitenwände der Spiralnuten Schneidkanten ausgebildet, also jeweils eine distale Schneidkante an der jeweiligen Stufendistalfläche, eine proximale Schneidkante an der Stufenproximalfläche einer Stufe sowie eine jeweilige Hauptschneidespitze am Übergang der jeweiligen Stufendistal-zu der jeweiligen Stufenproximalfläche.
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Die bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Hauptschneidewinkel der einzelnen Stufen des Stufenbohrers gleich sind. Eine weitere Variabilität ist durch unterschiedliche Ausgestaltung der Hauptschneidewinkel auf unterschiedlichen Stufen des Stufenbohrers realisierbar.
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Die Steigungen der Spiralwinkel der Helix-artig oder Wendel förmig den Stufenabschnitt des Stufenbohrers umschlingenden Spiralnuten können gleich sein. Der Spanbruch kann dadurch verbessert und der ungewünschten Fließspanbildung dadurch noch besser entgegengewirkt werden, wenn die Spiralwinkel von mindestens zwei Spiralnuten asymmetrisch ausgebildet sind, also unterschiedliche Steigungen aufweisen. Beispielsweise kann die Steigung einer ersten Spiralnut zunehmen, während die Steigung einer zweiten Spiralnut abnimmt.
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Beispielsweise kann die Steigung einer ersten Spiralnut von 25 auf 35 Grad ansteigen, während die Steigung einer zweiten Spiralnut von 35 auf 25 Grad abnimmt.
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Die Herstellung des Stufenbohrers oder des Bohrers mit distalseitigem Stufenbohrer Spiralnuten erfolgt vorzugsweise mit einer 5-Achsen-Schleifmaschine, wobei der Bohrerkörper entlang einer Längsachse eingespannt ist und die Spiralnuten unter Drehung dieses Bohrerkörpers mit einer in einem kartesischen Koordinatensystem bewegliche Schleifscheibe und um eine Rotationsachse drehbare Schleifscheibe geschliffen werden. Der Schleifautomat nimmt dabei die Verstellung des Winkels der Schleifscheibe bei entsprechendem Vorschub vor.
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Ausführungsformen können Führungsfasen an den Längsschneiden umfassen, welche eine zusätzliche Führung des Spiralwerkzeugs im Bohrloch realisieren helfen.
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Für den Fachmann ist verständlich, dass die Erfindung sowohl für rechtsschneidende als auch für linksschneidende Stufenbohrer und Spiralwerkzeuge verwendbar ist, obwohl die rechtsdrehende Variante der bevorzugte Ausführungsform darstellt
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Auch ist die Erfindung nicht auf Spiralwerkzeuge mit nur zwei Spiralnuten beschränkt. Erfindungsgemäß können auch Ausführungsformen mit 3, 4, 5 oder 6 oder mehr Spiralnuten vorgesehen sein.
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Ein Stufenbohrer kann auch erfindungsgemäß mit mindestens zwei asymmetrischen Spiralnuten ausgebildet sein und erzielt dabei die zuvor geschilderten technischen Wirkungen der Verbesserung der Schnittleistung bei ruhigerem Schnitt und mit einer deutlich besseren Güte des Bohrlochs bzw. Fräsverlaufs.
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Demnach betrifft die Erfindung auch ein Spiralschneidwerkzeug mit einem Arbeitsabschnitt umfassend einen Konus-Abschnitt und einem mit diesem verbundenen ZylinderAbschnitt, einem Antriebsabschnitt axial verbunden mit dem Arbeitsabschnitt an dem Zylinder-Abschnitt gegenüberliegend von dem Konus-Abschnitt; mindestens eine spiralförmig in einer Außenfläche des Arbeitsabschnitts, sich von einem Vorder- oder Stirnende des Arbeitsabschnitts proximal erstreckenden Spiralnut umfassend eine Spiralnutseitenwand; eine Vielzahl zusammengesetzter Schneiden-Gruppen, die sequentiell und spiralförmig außenseitig von einem Vorderende des Konus-Abschnitts bis zu einem Hinterende des Konus-Abschnitts erstrecken; jede der Vielzahl an zusammengesetzter Schneiden-Gruppen umfassend eine konische erste Stufenfläche, eine zylindrische zweite Stufenfläche angrenzend an die erste Stufenfläche eine Hauptschneidkante ausgebildet an einer Verbindungsstelle der konischen ersten Stufenfläche und der Seitenwand der Spiralnut; eine Nebenschneidenkante ausgebildet an einer Verbindungsstelle der zylindrischen zweiten Stufenfläche und einem Seitenwandende der Spiralnut; und einer Schneidspitze ausgebildet an der Schnittstelle der Hauptschneidkante, der Nebenschneidkante und dem Seitenwandende der Spiralnut; und eine Vorderschneide an dem Stirnende, häufig einfach als Bohrerspitze oder mitunter auch als Querschneide bezeichnet. Der Durchmesser der zusammengesetzten Schneiden-Gruppen nimmt sequentiell oder abschnittsweise zu von dem Vorder- bis zu dem Hinterende des Konus-Abschnitts. Jede der zusammengesetzten Schneiden-Gruppen ist ausgebildet zum Trennen von Spänen in kleinere Späne und die Spiralnut ist ausgebildet ist zum Ableiten der Späne. Mindestens eine zweite zylindrische zweite Stufenfläche ist unmittelbar angrenzend ausgebildet zu einer konischen ersten Stufenfläche von der nächsten zusammengesetzten Schneiden-Gruppe. Der Durchmesser der letzten zusammengesetzten Schneiden-Gruppen am Ende des konischen Abschnitts, unmittelbar angrenzend an den Zylinderabschnitt entspricht dem des Zylinderabschnitt des Arbeitsabschnitts des Bohrers.
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In der folgenden Figurenbeschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Erfindungsbeschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, mit denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie, wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“ usw. in Bezug auf die Orientierungen der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierung positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist nicht im einschränkenden Sinne aufzufassen.
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Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „integriert“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Integration.
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Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich der unbestimmte Artikel und der bestimmte Artikel nicht nur auf ein einzelnes Bauteil, sondern sind zu verstehen als „mindestens eins“. Die Terminologie umfasst die zuvor genannten Worte, Abwandlungen davon sowie ähnliche Bedeutungen. Ferner sollte verstanden werden, dass die Begriffe „etwa“, „im Wesentlichen“ und ähnliche Begriffe in Verbindung mit den Dimensionen und einer Eigenschaft einer Komponente der Erfindung die beschriebene Dimension und Eigenschaft nicht als strikte Grenze oder Parameter beschreiben und geringfügige Abwandlungen davon nicht ausschließen, welche funktional ähnlich sind. Zumindest umfassen Beschreibungsteile mit numerischen Parametern auch Abwandlungen dieser Parameter gemäß den mathematischen und fertigungstechnischen Prinzipien im Stand der Technik, z.B. Rundungen, Abweichungen und andere systematische Fehler, Fertigungstoleranzen etc.
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In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischem Bezugszeichen versehen, soweit dieses zweckmäßig ist.
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Bezugszeichenlinien sind Linien, die das Bezugszeichen mit dem betreffenden Teil verbinden. Ein Pfeil hingegen, der kein Teil berührt, bezieht sich auf eine gesamte Einheit, auf die er gerichtet ist.
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Die Darstellungen in den Figuren sind im Übrigen nicht unbedingt maßstäblich. Zur Veranschaulichung von Details können bestimmte Bereiche übertrieben groß dargestellt sein. Darüber hinaus können die Zeichnungen plakativ vereinfacht sein und enthalten nicht jedes bei der praktischen Ausführung gegebenenfalls vorhandene Detail.
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Sämtliche Merkmale der jeweiligen Ausführungsbeispiele seien hierbei für sich eigenständig und unabhängig von anderen Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispiels offenbart. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines Spiralbohrers mit einem erfindungsgemäßen Stufenbohrer;
- 2 eine Frontansicht des Spiralbohrers mit Stufenbohrer gemäß 1;
- 3 eine vergrößerte distale Seitenansicht des Stufenbohrers gemäß 1;
- 4 eine vergrößerte distale Frontansicht des Stufenbohrers gemäß 2;
- 5 die vergrößerte distale Seitenansicht des Stufenbohrers gemäß 1;
- 6 die vergrößerte distale Frontansicht des Stufenbohrers gemäß 2;
- 7 die vergrößerte distale Seitenansicht des Stufenbohrers gemäß 1 um 180° gedreht;
- 8 die vergrößerte distale Frontansicht des Stufenbohrers gemäß 6 um 180° gedreht;
- 9 eine nochmals vergrößerte distale Seitenansicht Stufenbohrers gemäß 5;
- 10 eine nochmals vergrößerte distale Fronansicht des Stufenbohrers gemäß 6; und
- 11 eine Darstellung der Winkel in der Werkzeug-Orthogonalebene.
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Der in den Figuren dargestellte Spiralbohrer umfasst jeweils im Wesentlichen zwei Abschnitte, nämlich einen distalen Stufenbohrer-Abschnitt A sowie einen sich in Proximalrichtung an diesen anschließenden Spiralbohrer-Abschnitt B.
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Der Spiralbohrer ist rotationssymmetrisch zu einer gleichzeitig die Längsachse bildende Rotationsachse R ausgebildet.
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Der Spiralbohrer-Abschnitt B umfasst einen Schaft 2 am Proximalende, der ausgebildet und dazu bestimmt ist mit einem Bohrfutter eines Antriebs, wie z. B. einer Bohrmaschine drehfest aber lösbar verbunden zu werden.
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In Distalrichtung an den Schaft einstückig angeformt ist der Spiralbohrer, der sich also mit der zylindrischen Mantelfläche des Schafts 2 grundsätzlich weiter zum Distalende hin erstreckt, in dem aber diametral gegenüberliegend zwei sich um die mittlere Rotationsachse R herum Helix förmig oder Wendel förmig erstreckende, Spiralnuten 4,6 ausgebildet sind, die sich von dem distalen Ende des Schafts 2 bis zur Zentrierspitze 8 erstrecken.
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Der Spiralbohrer-Abschnitt B geht an dem Distalende über in einen konischen, distal sich im Außendurchmesser verjüngenden Stufenbohrer-Abschnitt A, der also ebenfalls einstückig mit dem Spiralbohrer-Abschnitt B ausgebildet ist
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Dieser Stufenbohrer Abschnitt A ist in den 3 und 4 vergrößert dargestellt, wobei 3 eine Frontansicht des Stufenbohrer-Abschnitts A darstellt und 4 eine um 90° im Verhältnis zur Ansicht von 3 dargestellte Seitenansicht des Stufenbohrer-Abschnitts A.
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Wie bereits zuvor angedeutet, umfasst der Stufenbohrer-Abschnitt A an dem Distalende die Zentrierspitze 8, die einen distalen Zenit 10 umfasst, von dem sich radial nach außen und in Proximalrichtung erstreckend zwei Hauptschneiden 12,12'-erstrecken, die am radial außenseitigen Ende in eine, sich in Proximalrichtung erstreckende, zylindrische Zentrierspitzen-Mantelfläche 14 übergeht.
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Von den Stufen ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine mit Bezugsziffern bezeichnet. Jede Stufe umfasst eine distalseitige, konisch sich in Proximalrichtung verbreiternde Stufendistalflächen oder Stufendistal-Mantelflächen 16, an die sich proximalseitig je eine Stufenproximalfläche oder Stufenproximal-Mantelfläche 18 anschließt und wobei an dem Schnittpunkt zwischen der Stufendistalflächen 16 und der Stufenproximalflächen 18 eine Hauptschneidekante 20 gebildet wird, welche mit einer Nutseitenwand 22 der Spiralnut 4, 6 somit Schneidkanten bildet, und zwar eine distale Stufendistal-Schneidkante 16' sowie eine Stufenproximal-Schneidkante 18', mit der zwischen diesen beiden ausgebildete Hauptschneidespitze 20`.
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Jede Stufe erstreckt sich von der Hauptschneidespitze 20' ausgehend entgegen der Drehrichtung D auf der äußeren Mantelfläche weiter in der Hauptschneidekante 20, welche erfindungsgemäß entgegen der Drehrichtung D abfällt, so dass also die Hauptschneidekante 20 mit einem sich durch die Hauptschneidespitze 20' erstreckenden Lot L auf die Rotationsachse R einen Hauptschneidewinkel x1 einschließt.
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Dieses Lot L ist in den 3 bis 8 als; strichpunktierte Linie eingezeichnet und erstreckt sich somit in der jeweiligen Frontansicht jeweils durch den Schnittpunkt der in den 5-8 dargestellten distalsten Stufe zwischen der Stufendistalfläche 16 und der Stufenproximalfläche 18 genau durch die den Schnittpunkt dieser beiden Flächengebildete an der Hauptschneidespitze 20`, von der ausgehend sich gemäß den Ansichten in den 3 und 6 sodann die Hauptschneidekante 20 auf der äußeren Mantelfläche der Stufe entgegen der Drehrichtung D abfällt, also den Hauptschneidewinkel x1 ein mit dem Lot L einschließt.
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Erfindungsgemäß umfassen alle Stufen einen solchen Hauptschneidewinkel x1, vorliegend alle denselben Hauptschneidewinkel von 5 bis 7 Grad.
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Durch das durchziehen des Lots in den 5-8 sieht man, dass in einer anderen Ansicht als die Frontansicht, also in den 5 und 7, z.B. in der 5, dass die Hauptschneidekante 20 der entsprechenden Stufe oberhalb von dem Lot L ist und in der Darstellung gemäß 7, dass die Hauptschneidekante 20 der entsprechenden Stufe, hier der distalsten Stufe, unterhalb von dem Lot L angeordnet ist. In der 8 hingegen, die ebenfalls eine Stirnansicht darstellt, jedoch um 180 gedreht im Vergleich zu der Stirnansicht gemäß 6, erstreckt sich das Lot L wieder durch die Hauptschneidespitze 20'.
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Die 9 und 10 zeigen nochmals gegenüber der Darstellung in den 5 und 6 vergrößerte Ansichten des distalen Stirnendes des Spiralbohrer-Werkzeugs mit verbundenem Stufenbohrer, insbesondere vergrößerte Distalansichten des Stufenbohrers, und zwar die 9 die vergrößerte distale Seitenansicht der 5 und die 5 die vergrößerte distale Stirnansicht der 6. Deutlich erkennbar ist hier die erfindungsgemäße Ausbildung, wonach sowohl die jeweilige Stufendistalfläche 16 als auch die zugehörige Stufenproximalfläche konisch ausgebildet sind, sich also von der jeweilig angrenzenden Stufe zur Hauptschneidekante 20 hin konisch verbreitern.
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X1 bezeichnet den Hauptschneidewinkel. Dieses ist der zwischen dem Lot L durch die Hauptschneidespitze 20' auf die Drehachse D und der sich entgegen der Drehrichtung D auf der äußeren Mantelfläche der jeweiligen Stufe erstreckende Hauptschneidekante 20 eingeschlossene Winkel. Der Hauptschneidewinkel kann zwischen 0, 5 bis 15 Grad betragen, beträgt insbesondere 2 bis 10 Grad, vorzugsweise 5 bis 7 Grad.
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X2 bezeichnet den Stufenproximalwinkel. Der Stufenproximalwinkel ist der zwischen der Stufenproximalfläche und einer Vertikalen parallel zur Drehachse durch die Hauptschneidespitze eingeschlossene Winkel. Der Stufenproximalwinkel kann zwischen 1 bis 8 Grad betragen und beträgt bevorzugt 6 Grad.
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X3 bezeichnet den Stufeninnenwinkel. Der Stufeninnenwinkel X3 ist der zwischen der Nutinnenwand an der Schneidspitze und einer Vertikalen parallel zur Drehachse eingeschlossene Winkel. Dieser kann zwischen 5 bis 15 Grad betragen und beträgt bevorzugt 7 bis 12, insbesondere 8 Grad.
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Die Längsschneiden 24 des an den Stufenbohrer proximal angrenzenden Spiralbohrers umfassen vorzugsweise angrenzend an die spiralförmige Längsschneiden 24 jeweils eine dieser zugeordnete Führungsphase 26 umfassen.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen - einschließlich der Zusammenfassung - offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste:
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- D
- Drehrichtung
- R
- Rotationsachse (=Bohrerlängsachse)
- A
- Stufenbohrer-Abschnitt
- B
- Spiralbohrer-Abschnitt
- L
- Lot
- 2
- Schaft
- 4, 6
- Spiralnut
- 8
- Zentrierspitze
- 10
- Zenit
- 12,12'
- Hauptschneide
- 14
- Zentrierspitzenzylinderabschnitt
- 16
- Stufendistalfläche
- 16'
- Stufendistal-Schneidkante
- 18
- Stufenproximalfläche
- 18'
- Stufenproximal-Schneidkante
- 20
- Hauptschneidekante
- 20`
- Hauptschneidespitze
- 22
- Nutinnenwand
- 24
- Längsschneide
- 26
- Führungsphase
- x1
- Hauptschneidewinkel
- X2
- Stufenproximalwinkel
- X3
- Stufeninnenwinkel
