DE19602030A1 - Bohrer - Google Patents

Bohrer

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bohrer und ins besondere einen Spiralbohrer mit einem Bohrerschaft und einer Bohrerspitze, die mindestens eine und vorzugsweise zwei Haupt­ schneiden aufweist, wobei sich, von der Bohrerspitze ausgehend und entsprechend der Anzahl der Hauptschneiden, je eine Spannut vorzugsweise wendelförmig entlang des Schaftes des Bohrers erstreckt und wobei der Bohrer eine Hartstoffbeschichtung aufweist.
Bohrer der vorgenannten Art sind bereits seit längerem bekannt. Dabei bestehen mit Hartstoffen beschichtete Bohrer im allgemeinen aus Stahl, vorzugsweise einem sogenannten Schnellarbeitsstahl, der zwar eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweist, jedoch im Vergleich zu Hartstoffen eine geringere Härte hat, so daß die Bohrer relativ schnell verschleißen und häufig nachgeschliffen werden müssen, wobei auch das Nachschleifen nur in begrenztem Umfang möglich ist. Außerdem sind die mit derartigen Bohrern erreichbaren Arbeits- und Vorschubgeschwindigkeiten deutlich langsamer als im Falle von Bohrern aus Hartmetall oder mit Hartstoffbeschichtung.
Aus diesem Grund werden derartige Stahlbohrer, vor allem für den industriellen Einsatz, inzwischen schon zu einem erheblichen Anteil mit Hartstoffen beschichtet, welche die Standzeit dieser Werkzeuge und ihre Schneid- bzw. Rotations- und Vorschubgeschwindigkeiten beträchtlich erhöhen können.
Die Hartstoffbeschichtung hat dabei auch den Vorteil, daß diese Schicht gegenüber den meisten metallischen Materialien, die mit derartigen Bohrern bearbeitet werden, einen geringeren Reibungskoeffizienten hat als das Stahl- bzw. Legierungsmaterial des Bohrers selbst. Derartige Bohrer arbeiten vor allem bei geringen Bohrtiefen relativ zufriedenstellend. Man hat jedoch bereits festgestellt, daß diese Bohrer die Spanbildung verändern, was unter anderem auch auf die geringere Reibung zwischen Span und Spanfläche zurückzuführen ist. Die Spanbildung tendiert dabei stärker in Richtung Fließspanbildung, was bei Werkzeugen, deren Zerspanungsstelle im Inneren des Werkstoffes liegt, also insbesondere bei Bohrern, Gewindebohrern etc., zur Verschlechterung von Spanformung und Spanbruch und aus diesem Grunde auch zur Verschlechterung des Spantransportes führt. Um diesen nachteiligen Effekten zu entgehen, wird teilweise bewußt auf die Hartstoffbeschichtung verzichtet, insbesondere wenn man anstrebt, in einem einzigen Bohrvorgang ohne Unterbrechung große Bohrtiefen zu erzielen, z. B. in der Größenordnung des 6- bis 10-fachen des Bohrlochdurchmessers.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bohrer mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, der einfach herstellbar ist und der hinsichtlich der Standzeit und Bearbeitungsgeschwindigkeit die günstigen Eigen­ schaften von beschichteten Bohrer mit den günstigen Eigenschaften der Spanbildung bzw. des Spantransportes der unbeschichteten Bohrer aus Schnellarbeitsstahl verknüpft.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Hartstoffbeschichtung zwar einerseits die gesamte Bohrerspitze einschließlich Haupt- und Nebenschneiden, Freiflächen und Spannuten umfaßt, andererseits jedoch die Beschichtung in axialer Richtung auf einen Abschnitt beschränkt ist, der höchstens das 3fache des Bohrerdurchmessers beträgt. Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, daß derartige Bohrer offenbar sehr gute Spanbildungs- und Spantrans­ porteigenschaften aufweisen und dabei in der Arbeitsgeschwindigkeit und Standzeit den vollständig beschichteten Bohrern in nichts nachstehen. Vorzugsweise beträgt die axiale Länge des beschichteten Bereiches weniger als das 1,5fache des Durchmessers, insbesondere das 0,7 bis 1,2fache des Bohrerdurchmessers. Obwohl also das Beschichtungsmaterial prinzipiell einen geringeren Reibungskoeffizienten gegenüber dem Werkstoffmaterial hat, scheint es jedenfalls bezüglich der Späne, die von der mit Hartstoff beschichteten Schneide und der ebenfalls mit Hartstoff beschichteten Spanfläche gebildet werden, günstiger zu sein, wenn der weitere Transport nicht entlang beschichteter Flächen der Spannuten, sondern entlang der unbeschichteten Spannuten erfolgt. Wenn man daher die Beschichtung von vornherein nur auf einen kleinen Bereich an der Spitze des Bohrers beschränkt, erhält man gleichzeitig die Beschichtung an der Schneidkante, der Freifläche und auf auf der unmittelbar an die Schneidkante angrenzenden Spanfläche, was sich günstig auf die Standzeit, die Zerspanungs­ fähigkeit und Belastbarkeit der Bohrerspitze und damit des Bohrers insgesamt auswirkt.
Überraschend ist dabei insbesondere, daß die günstige Eigenschaftskombination von guter Standzeit, guter Bohrleistung und gutem Spantransport auf einen relativ engen Parameterbe­ reich der Beschichtung begrenzt ist, nämlich im wesentlichen etwas das 0,7 bis 2,5fache des Bohrerdurchmessers für die axiale Beschichtungslänge, wobei allerdings auch bis zum 3fachen des Durchmessers die Beschichtung erfolgen kann, wenn mit dem Bohrer keine allzugroßen Bohrtiefen erreicht werden sollen.
Als geeignete Beschichtungen haben sich dabei Titannitrit (TiN) und Titanaluminiumnitrit (TiAlN) erwiesen, wobei bei der Beschichtung mit TiAlN mehrere Schichten in wechselnden Konzen­ trationen von Stickstoff und Aluminium besonders bevorzugt sind. Auch andere Hartstoffe wie z. B. Titancarbonitrid (TiCN) kommen selbstverständlich als geeignetes Beschichtungsmaterial in Frage.
Bevorzugt wird die Erfindung eingesetzt für Tieflochbohrer, d. h. für Bohrer, bei welchen die axiale Länge der Spannuten mindestens das 6fache, vorzugsweise mehr als das 8fache oder mehr als das 10fache des Bohrerdurchmessers beträgt. Erst bei den großen Bohrtiefen im Bereich vom 8 bis 10fachen des Bohrerdurchmessers und dabei vor allem beim Bohren in einem Durchgang, daß heißt ohne Unterbrechung, ohne zwischenzeitliches Herausziehen des Bohrers aus dem Bohrloch und ohne zwischenzeitliches Entfernen der Späne, kommen die Vorteile der Erfindung voll zur Geltung.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden Bohrers wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß der Bohrer zunächst ohne Beschichtung eine Endbearbeitung erfährt, und zwar einschließlich der Herstellung eines endgültigen Anschliffes, und anschließend in einer Beschichtungsanlage (z. B. durch Sputtern) in einer Hülse mit dem Hartstoff beschichtet wird, wobei die Hülse nur einen kurzen Abschnitt an der Bohrerspitze freiläßt, dessen axiale Länge höchstens das 3fache des Bohrerdurch­ messers beträgt. Vorzugsweise läßt die Hülse weniger als das 1,5fache, insbesondere nur das 0,7- bis 1,2fache des Bohrerdurchmessers als axiale Länge des Spitzenabschnittes des Bohrers frei. Dabei kann allerdings ein Teil des Hartstoffmaterials auch in die stirnseitig offenen Spannuten hineindiffundieren, so daß die Beschichtung in den Spannuten nicht so deutlich abgegrenzt ist wie an der Außenfläche des Bohrers. Dies ist jedoch für die mit der Erfindung erzielten Wirkungen unschädlich. Insbesondere wird man aus diesem Grund jedoch gerade bei Bohrern mit großem Durchmesser zu kürzeren Beschichtungslängen tendieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Bohrers gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Bohrversuch mit Erfassung der auftretenden Drehmomente bei einem vollständig beschichteten Bohrer,
Fig. 3 einen Bohrversuch mit Erfassung der auftretenden Drehmomente bei einem unbeschichteten Bohrer,
Fig. 4 entsprechende Meßergebnisse für einen Bohrer, bei welchem die Beschichtungs­ länge das 1,5fache des Bohrerdurchmessers betrug.
Man erkennt in Fig. 1 in einer Seitenansicht einen Bohrer mit einem Schaft 1, in welchem spiral- bzw. wendelförmige Nuten 4 ausgebildet sind. Das hintere, in Fig. 1 unten dargestellte Ende des Schaftes 1 kann unterschiedliche Formen annehmen und ist jeweils dafür ausgelegt, von einem bestimmten Spannsystem bzw. Spannfutter gehalten zu werden.
Die Spitze 2 des Bohrers weist zwei Hauptschneiden 3 auf, von denen in Fig. 1 eine sichtbar ist. Die an der Bohrerspitze auf der Rückseite der Schneide anschließende Fläche 5 ist eine sogenannte Freifläche, während auf der anderen Seite an die Hauptschneide 3 die in Fig. 1 nicht unmittelbar sichtbare Spanfläche anschließt, d. h. diejenige Fläche, auf welcher der von der Hauptschneide 3 abgeschälte Span abläuft. Diese Spanfläche ist gleichzeitig ein Teil der Wand der Spannut 4, die von der jeweiligen Schneidkante ausgeht und in welcher die Späne aus dem jeweiligen Bohrloch heraustransportiert werden. Vorzugsweise hat die Schneidkante zum Bohrerzentrum hin einen abgerundeten oder facettenartig abgekanteten Verlauf, um eine quetschende Querschneide möglichst kurz zu halten oder ganz zu vermeiden. In Verbindung mit der Beschichtung unterliegen auch solchermaßen gestaltete Schneidkanten keinem übermäßigen Verschleiß. Die genaue Ausbildung der Schneidkanten und insbesondere der Nebenschneiden ist aber für die vorliege Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Wesentlich ist jedoch, daß die Spitze 2 des Bohrers über eine axiale Länge l mit einem Hartstoff beschichtet ist, wobei diese Hartstoffbeschichtung den vor allem im Bereich der Spitze 2 auftretenden Verschleiß eines derartigen Bohrers beträchtlich reduziert und darüberhinaus wesentlich größere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten, erlaubt als sie mit einem unbeschichteten Bohrer zu erreichen wären.
Der Beschichtungsbereich ist in Fig. 1 durch Schraffuren angedeutet, wobei die unter­ schiedliche Richtung der Schraffuren nur die unterschiedliche Lage und Form der einzelnen beschichteten Flächen andeutet. Außer der Schneidkante 3, der Freifläche und der Neben­ freiflächen am Schaft ist insbesondere auch die Spannut 4 in dem Bereich B der Bohrerspitze beschichtet. Im Verhältnis zum Durchmesser D des Bohrers beträgt die axiale Länge l des Bereiches B maximal das 3fache dieses Durchmessers, im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa das 0,8fache. Der Bohrer zeigt seine überlegenen Eigenschaften vor allem beim Tieflochbohren in einem Durchgang, was dementsprechend voraussetzt, daß er auch eine entsprechende Länge hat. Allgemein spricht man vom Tieflochbohren erst dann, wenn die Tiefe eines Bohrloches mindestens das 5 oder 6fache des Bohrlochdurchmessers beträgt. Damit auch aus einem Bohrloch, welches z. B. die 10fache Tiefe des Bohrlochdurchmessers haben soll, die von den Schneidkanten 3 abgeschälten Späne aus dem Bohrloch heraustransportiert werden können, muß auch die axiale Länge der Spannuten 4 mindestens das 10fache des Bohrerdurch­ messers betragen. Der Bohrer ist deshalb in Fig. 1 in der Länge unterbrochen dargestellt, weist also in der Realität im Verhältnis zum Durchmesser eine erheblich größere Länge und insbesondere einen erheblich längeren, mit Spannuten versehenen Abschnitt auf.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen Bohrungsversuche, die mit Bohrern durchgeführt wurden, die jeweils identische Maße und identische äußere Formen hatten. Konkret wurden Bohrer mit 8 mm Durchmesser verwendet, wobei die Bohrtiefe bis zu 100 mm betrug, also etwa das 12fache des Bohrerdurchmessers erreichte. Die Rotationsgeschwindigkeit des Bohrers wurde so eingestellt, daß die Umfangsgeschwindigkeit etwa 20 m pro Minute betrug, und der Vorschub wurde auf 0,16 mm pro Umdrehung festgelegt. Außerdem wurde das Bohrloch während des Bohrvorganges mit einer üblichen Emulsion gekühlt und gespült. Als Versuchswerkstoff, in welchen die Löcher gebohrt wurden wurden, wurde ein Stahl mit der Bezeichnung C45 verwendet.
In den Figuren ist jeweils das an den Bohrern auftretende Drehmoment in vertikaler Richtung gegenüber der aktuell erreichten Bohrtiefe aufgetragen. Dieses Drehmoment entspricht dem Widerstand gegen das Drehen des Bohrers, welcher zum einen durch die (relativ gleichmäßigen) Zerspanungskräfte, zum anderen durch die Reibung der Späne an der Bohrlochwand hervorgerufen wird. Man erkennt in Fig. 2, daß bei einem komplett mit TiN beschichteten Bohrer bei einer Bohrtiefe, die etwa dem 5 bis 6fachen des Bohrerdurchmessers entspricht, der Bohrvorgang unruhig zu werden beginnt und das Gesamtdrehmoment leicht ansteigt. Ab etwa dem 8fachen des Bohrerdurchmessers wird der Anstieg des Drehmomentes deutlicher, und knapp oberhalb des 10fachen des Durchmessers tritt ein Spanstau auf, was zu einer drastischen Erhöhung dem Drehmomente und zum Bruch des Bohrers führt.
Der im vorliegenden Fall verwendete Versuchsaufbau ermöglichte im wesentlichen nur die Darstellung der sogenannten "statischen Kräfte". Dieser statische Anteil wird durch das relativ konstante Drehmoment wiedergegeben, welches man in allen Figuren, mindestens in etwa bis zu einer Bohrtiefe erkennt, die dem Sechsfachen des Bohrlochdurchmessers entspricht. Die dynamischen Anteile, d. h. sehr kurzzeitig auftretende Drehmoment- bzw. Belastungsspitzen wurden dabei herausgefiltert. Daher ist die Aussage, daß der Bohrvorgang im Falle des vollständig beschichteten Bohrers bei einer Bohrtiefe, die etwa dem Fünf- bis Sechsfachen des Bohrerdurchmessers entspricht, unruhig zu werden beginnt, nicht allein und nicht eindeutig an der dargestellten Meßkurve zu erkennen, sondern vor allem anhand der während des Versuchs an Meßgeräten erkennbaren Drehmoment- und Spannungsspitzen, die zeitlich zu kurz waren, als daß sie in den beiliegenden Figuren erkennbar sein könnten. Derartige dynamische Anteile der Bohrerbelastung führen aber zu einem drastischen Anstieg des Verschleißes und zu einer Verminderung der Bohrlochqualität, d. h. zu rauheren Bohrlochwänden mit insgesamt höheren Toleranzen, so daß ein solcher unruhiger Bohrvorgang in der Praxis nicht hinzunehmen ist. Ein vollständig beschichteter Bohrer ist daher schon ab Bohrtiefen, die dem 5-fachen des Durchmessers entsprechen, nicht mehr für das Herstellen einer präzisen Bohrung in einem Arbeitsdurchgang verwendbar.
Für die Messung gemäß Fig. 3 wurde in der gleichen Versuchsanordnung ein vollständig unbeschichteter Bohrer aus Schnellarbeitsstahl verwendet. Dabei ist jedoch darauf hinzuwei­ sen, daß ein solcher Bohrer selbstverständlich eine verminderte Verschleißfestigkeit aufweist und wesentlich geringere Bohrleistungen (Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit) hat. Das beim Bohren mit einem solchen Bohrer auftretende Drehmoment bleibt bis zu einer Bohrtiefe, die etwa dem 8fachen des Bohrerdurchmessers entspricht, näherungsweise konstant und beginnt erst danach leicht anzusteigen. Wenn die Bohrtiefe das 12fache des Bohrerdurchmessers erreicht hat, beträgt der Anstieg des Drehmomentes gegenüber dem Drehmoment bei geringen Bohrtiefen etwa 50 bis 60%.
In Fig. 4 ist schließlich das Versuchsergebnis wiedergegeben, welches für einen Bohrer ermittelt wurde, bei welchem sich die Beschichtung auf einen Spitzenabschnitt B beschränkt, dessen axiale Länge das 1,5fache des Bohrerdurchmessers D beträgt. Dabei umfaßt die Beschichtung mit TiN in diesem Fall auch die Spannuten. Wie man erkennt, weist bei diesem Bohrer das Drehmoment nur geringe Schwankungen auf und bleibt bis zum 12fachen des Bohrerdurchmessers praktisch-konstant. Auch für Beschichtungen bis zum 2,5fachen des Durchmessers erhält man noch ein weitgehend konstantes Drehmoment bei entsprechenden Versuchen. Erst darüber beginnt der Bohrvorgang bei größeren Bohrtiefen unruhig zu werden.
Daraus ist zu schließen, daß sowohl die vollständige Beschichtung als auch der vollständige Verzicht auf eine solche Beschichtung auch für Tieflochbohrer nachteilig ist, während die auf den Spitzenbereich B beschränkte Beschichtung der Spannuten offenbar die besten Ergebnisse hinsichtlich Spanbildung und Spantransport liefert.

Claims (7)

1. Bohrer, insbesondere Spiralbohrer mit einem Bohrerschaft (1) und einer Bohrerspitze (2), die mindestens eine und vorzugsweise mindestens zwei Hauptschneiden (3) aufweist, wobei sich, von der Bohrerspitze (2) ausgehend, entsprechend der Anzahl der Hauptschneiden je eine Spannut (4) vorzugsweise wendelförmig entlang des Schaftes (1) erstreckt und wobei der Bohrer eine Hartstoffbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffbeschichtung neben den Haupt- und Nebenschneiden sowie den Freiflächen (5) auch die Spannuten (4) erfaßt, jedoch auf einen Bereich (B) an der Spitze beschränkt ist, dessen axiale Länge (l), gemessen von der Bohrerspitze aus, das 3fache des Bohrerdurchmessers (D) nicht übersteigt.
2. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Beschichtungslänge des Bereiches (B) das 1,5fache des Durchmessers nicht übersteigt und vorzugsweise das 0,7 bis 1,2fache des Bohrerdurchmessers (D) beträgt.
3. Bohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungs­ material Titannitrit (TiN) ist.
4. Bohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungs­ material aus mehreren Schichten der Zusammensetzung TiNAl besteht, wobei die relativen Konzentrationen von Stickstoff (N) und Aluminium (Al) in abwechselnd aufein­ anderfolgenden Schichten unterschiedlich sind
5. Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Spannuten (4) mindestens das 6fache, vorzugsweise mindestens das 10fache des Bohrerdurchmessers (D) beträgt.
6. Verfahren zum Herstellen eines Spiralbohrers mit Beschichtung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bohrer zunächst ohne Beschichtung eine Endbearbeitung ein­ schließlich des Herstellens eines endgültigen Anschliffes der Bohrerspitze erfährt und anschließend in einer Sputteranlage in einer Hülse mit Hartstoff beschichtet wird, wobei die Hülse den Bohrer mit Ausnahme eines spitzen Abschnittes, dessen axiale Länge höchstens dem 3fachen des Bohrerdurchmessers entspricht, vollständig abdeckt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse einen Abschnitt an der Bohrerspitze freiläßt, der in etwa dem 0,7 bis 1,2fachen des Bohrerdurch­ messers entspricht.
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