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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Spiralbohrer für die Metallbearbeitung,
mit einem Bohrerschaft und einer Bohrerspitze, die mindestens eine
und vorzugsweise zwei Hauptschneiden 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, die neben den Haupt- und Nebenschneiden auch die Freiflächen und
die Spannuten erfaßt.
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Ein
entsprechender Bohrer ist aus der
DE
34 04 944 bekannt. Diese Druckschrift befaßt sich
in erster Linie ganz allgemein mit der Beschichtung beliebiger Körper und
insbesondere von Schneidwerkzeugen und erwähnt als Substrat unter anderem
auch einen Spiralbohrer mit Sinterkarbidspitze. Auf diesem Substrat
wird beispielsweise eine harte Schicht aus TiN mit Hilfe der sogenannten
PVD-Technik (physical vapour deposition) aufgebracht.
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Entsprechende
mit TiN beschichtete Bohrer oder auch Bohrer mit anderen Beschichtungen
sind bereits seit langem auf dem Markt.
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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 Stahlbohrern erreichbaren Arbeits- und Vorschubgeschwindigkeiten
deutlich langsamer als im Falle von Bohrern aus Hartmetall oder
mit Hartstoffbeschichtung.
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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.
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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.
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Aus
der
DE 25 42 001 ist
ein Gesteinsbohrer bekannt, der anstelle der eingelöteter Hartmetallspitze,
eine Beschichtung aus Hartmetall-Karbidschrot oder ähnlich harten
Materialien aufweist. Die Beschichtung dient vor allem der Erhöhung der
Verschleißfestigkeit,
wobei auch die Verschleißfestigkeit der
Förderwendel
erhöht
werden soll, um das beim Gesteinsbohren entstehende Bohrmehl effektiv
fördern
zu können.
Dabei werden auch Ausführungsformen
erwähnt,
bei welchen die Beschichtung auf den vorderen Abschnitt des Bohrers
beschränkt
ist.
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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
Eigenschaften von beschichteten Bohrer mit den günstigen Eigenschaften der Spanbildung
bzw. des Spantransportes der unbeschichteten Bohrer aus Schnellarbeitsstahl
verknüpft.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst.
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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 Zerspanungsfähigkeit und Belastbarkeit der Bohrerspitze
und damit des Bohrers insgesamt auswirkt.
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Überraschend
ist dabei insbesondere, daß die
günstige
Eigenschaftskombination von guter Standzeit, guter Bohrleistung
und gutem Spantransport auf einen relativ engen Parameterbereich
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.
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Als
geeignete Beschichtungen haben sich dabei Titannitrit (TiN) und
Titanaluminiumnitrit (TiAlN) erwiesen, wobei bei der Beschichtung
mit TiAlN mehrere Schichten in wechselnden Konzentrationen von Stickstoff
und Aluminium besonders bevorzugt sind. Auch andere Hartstoffe wie
z. B. Titancarbonitrid (TiCN) kommen selbstverständlich als geeignetes Beschichtungsmaterial
in Frage.
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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.
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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 Bohrerdurchmessers 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.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
und der dazugehörigen
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines Bohrers gemäß der Erfindung,
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2 einen
Bohrversuch mit Erfassung der auftretenden Drehmomente bei einem
vollständig
beschichteten Bohrer,
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3 einen
Bohrversuch mit Erfassung der auftretenden Drehmomente bei einem
unbeschichteten Bohrer
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4 entsprechende
Meßergebnisse
für einen
Bohrer, bei welchem die Beschichtungslänge das 1,5fache des Bohrerdurchmessers
betrug.
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Man
erkennt in 1 in einer Seitenansicht einen
Bohrer mit einem Schaft 1, in welchem spiral- bzw. wendelförmige Nuten 4 ausgebildet
sind. Das hintere, in 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.
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Die
Spitze 2 des Bohrers weist zwei Hauptschneiden 3 auf,
von denen in 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 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.
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Der
Beschichtungsbereich ist in 1 durch Schraffuren
angedeutet, wobei die unterschiedliche Richtung der Schraffuren
nur die unterschiedliche Lage und Form der einzelnen beschichteten
Flächen andeutet.
Außer
der Schneidkante 3, der Freifläche und der Nebenfreiflächen 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 Bohrerdurchmessers
betragen. Der Bohrer ist deshalb in 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.
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Die 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.
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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 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 der
Drehmomente und zum Bruch des Bohrers führt.
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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 Vermidnerung
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.
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Für die Messung
gemäß 3 wurde
in der gleichen Versuchsanordnung ein vollständig unbeschichteter Bohrer
aus Schnellarbeitsstahl verwendet. Dabei ist jedoch darauf hinzuweisen,
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%.
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In 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.
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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.