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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Bohrer, insbesondere einen
Tieflochbohrer, mit einem Schaft zum Einspannen in ein entsprechendes
Futter und einem Spannuten aufweisenden Abschnitt, dessen Länge mehr
als das Dreifache des Nenndurchmessers beträgt und dessen vorderes Ende
durch eine Bohrerspitze gebildet wird, welche durch stirnseitig
an dem vorderen Ende des Bohrers angeordnete Hauptschneiden definiert
wird.
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Entsprechende
Bohrer sind bereits seit langem bekannt. Die Erfindung ist insbesondere
auf sogenannte Tieflochbohrer gerichtet, bei welchen der Spannuten
aufweisende Abschnitt (im folgenden „Spannutabschnitt") mindestens das
Sechsfache, unter Umständen
auch mehr als das Zehnfache des Nenndurchmessers des Bohrers beträgt. Die
Merkmale und Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind jedoch mit
Vorteil auch für
Bohrer anwendbar, bei denen das Verhältnis der Länge des Spannutenabschnitts
zum Nenndurchmessers des Bohrers unter 8 liegt und man deshalb üblicherweise
nicht als Tieflochbohrer bezeichnet, auch wenn die Vorteile der
erfindungsgemäßen Maßnahmen
für den
Gebrauch bei derartigen kürzeren
Bohrern nicht zwingend erforderlich sein mögen.
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Ein
Problem, welches bei Bohrern generell auftreten kann, insbesondere
aber bei Tieflochbohrern verschärft
auftritt, ist die Spanabfuhr. Insbesondere bei Werkstoffen, die
eine Tendenz zur Bildung langer Späne haben, kann dies ein erhebliches
Problem darstellen.
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Es
gibt zahlreiche Ansätze
zur Lösung
dieses Problems. Ein Teil der Ansätze befaßt sich mit der Spanbildung
und Spanformung, d.h. der Ausbildung der Hauptschneidkanten und
des unmittelbar daran angrenzenden Bereichs, wo die Späne erzeugt und
geformt werden. Weitere Ansätze
betreffen die Größe und die
Querschnittsform der Spannuten und schließlich kann auch die Steigung
der Spannuten, die entweder gerade, d.h. achsparallel verlaufen
oder aber wendelförmig
bzw. schraubenförmig
um den Bohrerkern umlaufen, auf vielfältige Weise beeinflußt werden.
Als Bohrerkern wird dabei derjenige Teil des Spannutenabschnitts
bezeichnet, der radial innerhalb des Grundes der Spannuten liegt,
der also von den Spannuten nicht erfaßt wird.
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Des
weiteren sind auch schon zahlreiche Versuche unternommen worden,
entsprechende Bohrer zu beschichten oder von vorneherein aus einem
Material herzustellen, welches günstige
Verschleiß-,
aber auch günstige
Reibungseigenschaften hat.
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Alle
diese Ansätze
waren in begrenztem Maß erfolgreich.
Dennoch lassen sich besonders tiefe Bohrungen, deren Tiefe mehr
als das 10-fache und insbesondere mehr als das 15-fache des Durchmessers
beträgt,
oftmals nicht in einem Arbeitsgang herstellen, sondern der Bohrer
muß unter
Umständen zwischenzeitlich
aus dem Bohrloch herausgezogen werden, um die Späne zunächst zu entfernen, um dann
die Bohrung auf die gewünscht
Tiefe fortzusetzen. Auch unter hohem Druck durch Kühlmittelbohrungen
zugeführtes
Kühlschmiermittel
trägt zu
dem Spantransport bei, obwohl man allerdings große Mengen derartiger Kühlschmiermittel
lieber vermeidet, und die sogenannte „Minimalmengenschmierung" mit einem Öl/Luftgemisch
inzwischen oftmals bevorzugt wird.
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Gegenüber dem
bekannten Stand der Technik liegt daher der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Bohrer mit den eingangs genannten Merkmalen
zu schaffen, der in der Lage ist, in kontinuierlichem Betrieb sehr
tiefe Bohrungen von mehr als dem 10-fachen bis zu mehr als dem 20-fachen des Nenndurchmessers
durchzuführen
und der dabei besonders wirtschaftlich arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die Bohrerspitze
und mindestens der an die Bohrerspitze angrenzende Bereich der Spannuten
bis zu einem Abstand T von der Spitze des Bohrers, der maximal das
Dreifache des Nenndurchmessers beträgt, mit einem Hartstoff beschichtet
ist, während
mindestens die Spannuten in dem Bereich, der weiter als T von der
Spitze beabstandet ist, nicht mit dem Hartstoff beschichtet sind,
wobei der Bohrerkern im Bereich der Bohrerspitze oder in der Nähe der Bohrerspitze einen
maximalen Durchmesser hat, der mindestens 30% bis 55% des Nenndurch messers
des Bohrers entspricht, wobei dieser Kerndurchmesser sich zu einem
näher zum
Schaft hin gelegenen Bereich des Spannutabschnittes hin auf einen
minimalen Durchmesser von höchstens
20% bis 50% des Nenndurchmessers verjüngt, wobei die Differenz des
maximalen Kerndurchmessers im Bereich der Spitze zu dem minimalen
Kerndurchmesser in dem näher
zum Einspannabschnitt hin gelegenen Bereich mindestens 5% des Nenndurchmessers
beträgt.
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Ein
Bohrer mit dieser Kombination von Merkmalen hat sich als überraschend
günstig
im Hinblick auf seine Spanformungs- und Spantransporteigenschaften
erwiesen.
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Die
beschichtete Spitze, die vor allem für Zwecke der Erhöhung der
Standzeit und Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Bohrers an
sich bekannt ist, trägt
offenbar auch zu einer günstigen Spanformung
bei.
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Aufgrund
des großen
Kerndurchmessers im Bereich der Spitze steht außerdem zu Beginn der Spannuten
relativ wenig Platz für
die Späne
zur Verfügung,
was diese weiterhin zu stärkerem
Einrollen zwingt. Dabei wird die Spannut dennoch vor starkem Verschleiß geschont,
da sie im Bereich der Spitze und auch im angrenzenden Bereich zunächst noch beschichtet
ist.
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Gleichzeitig
nimmt der Kerndurchmesser von der Spitze aus bis zu einem näher am Schaft
gelegenen Bereich ab, so daß die
Spannuten entsprechend tiefer werden und einen größeren Querschnitt haben
können.
Dies erleichtert den Spantransport durch die Spannuten insbesondere
im Hinblick darauf, daß der
Spantransport zwar überweigend
durch Kühlschmiermittel
oder Druckluft, zu einem gewissen Teil aber durch die an der Bohrerspitze
neu erzeugten, nachgeschobenen Späne erfolgt.
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Vorzugsweise
verlaufen die Spannuten schraubenförmig, was den Spantransport
weiter erleichtert, da die Späne
dann teilweise an der Bohrwand reiben und gleichzeitig durch den
Grund bzw. die Wand der Spannut mitgenommen werden, was im Ergebnis
eine zum Schaft hin gerichtete Kraftkomponente auf die Späne erzeugt.
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Insbesondere
kann hierzu die Steigung der Spannuten bzw. die Steigung der die
Spannuten begrenzenden Nebenschneiden am Außenumfang des Bohrers relativ
klein sein, d.h. mit der Achse einen relativ großen Winkel von mindestens 20,
vorzugsweise mindestens 30°,
einschließen.
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Als
besonders günstig
erweist es sich auch, wenn die Beschichtung im Innern der Nuten
auf maximal das Dreifache des Bohrerdurchmessers, gemessen ab der
Spitze, beschränkt
ist. Die Hartstoffbeschichtung hat zumeist einen größeren Reibungskoeffizienten
für die
Späne als
die geschliffene Struktur der Spannuten des unbeschichteten Bohrers.
Aus diesem Grund ist es günstig
für den
Spantransport, wenn für
den größten Teil
der Länge
der Spannuten eine geringere Reibung vorhan den ist, die Spannuten
also unbeschichtet bleiben. Gegebenenfalls können die Spannuten auch poliert
sein.
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Die
Außenflächen der
Stege, insbesondere die Rundfasen, könnten auch über die gesamte Länge des
Spannutenteils mit einem Hartstoff beschichtet sein. Andererseits
ist es jedoch auch nicht zwingend erforderlich, daß die Stege
bzw. Rundfasen an ihrer Außenseite überhaupt
beschichtet sind, zweckmäßigerweise
sind aber auch die Rundfasen in dem vorderen, an die Spitze angrenzenden
Bereich beschichtet, wo auch die Innenflächen der Spannuten beschichtet
sind.
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Unter
Herstellungsgesichtspunkten ist es zweckmäßig, wenn Spannuten und Stege
insgesamt über
dieselbe axiale Länge
hinweg beschichtet sind. Dies wirkt dem Verschleiß der Rundfasen
in dem an die Spitze angrenzenden Bereich entgegen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verjüngt
sich auch der Außendurchmesser des
Bohrers, beginnend von einem maximalen Durchmesser an der Bohrerspitze,
genauer gesagt am Übergang
der Bohrerspitze zum Spannutenabschnitt, in Richtung des Schaftes,
jedoch in geringerem Maß als
der Kern. Konkret ist dabei eine Variante bevorzugt, bei welcher
die Verjüngung
des Außendurchmessers
zwischen 1 μm
und 8 μm
pro mm Abstand von der Bohrerspitze bzw. von dem Punkt des maximalen
Durchmessers aus, beträgt.
Diese Durchmesserverjüngung
erfolgt, von der Spitze aus gesehen, über eine axiale Länge von
maximal dem 8-fachen, vorzugsweise von maximal dem 5-fachen und minimal
dem 2-fachen des Nenndurchmessers des Bohrers und in dem verbleibenden
Bereich bis zum Einspannende bleibt dann der Außendurchmesser des Bohrers
konstant. Je nach dem Grad der Verjüngung und abhängig vom
dem Nenndurchmesser hat dann der Bohrer zum Beispiel bei Durchmessern oberhalb
2 mm in dem an den Schaft angrenzenden Spannutenabschnitt einen
um mindestens 4 μm
und beispielsweise bis zu ca. 1 mm geringeren Durchmesser als im
Bereich der Bohrerspitze. Dies reduziert die Reibung des Bohrers
bzw. der Rundfasen an der Wand des Bohrloches, ohne daß die Gefahr
besteht, daß Späne in den
Zwischenraum zwischen Außendurchmesser
des Bohrers (definiert durch die Rundfasen) und Wand der Bohrung
eindringen. Dies ist von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die Kernverjüngung und
die relativ große
Länge eines Tieflochbohrers,
da bei großer
Reibung, vor allem im vorderen Abschnitt des Bohrers, gerade der
Bereich mit der stärksten
Kernverjüngung
auch am meisten belastet werden würde.
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In
der besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung beträgt
der maximale Kerndurchmesser im Bereich der Spitze des Bohrers oder
in deren Nähe
mindestens 35% und höchstens
50% des Nenndurchmessers des Bohrers. Weiterhin ist es bevorzugt,
wenn die Differenz zwischen dem maximalen Kerndurchmesser an der
Spitze des Bohrers und dem minimalen Kerndurchmesser weiter hinten
in der Nähe
des Einspannabschnittes höchstens
20% des Nenndurchmesser beträgt.
Bevor zugt sind dabei Differenzen zwischen maximalem und minimalem Kerndurchmesser
in der Größenordnung
von 5 bis 12% des Nenndurchmessers, vorzugsweise zwischen 6 und
10%.
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Weiterhin
beträgt
in der bevorzugten Ausführungsform
das Maß T, über welches
die Spannuten und gegebenenfalls auch die Außenflächen der Stege, von der Spitze
ausgehend, mit einem Hartstoff beschichtet werden, etwa das 0,5-
bis 2,5-fache und besonders bevorzugt zwischen dem 1- und 1,5-fachen des Nenndurchmessers
des Bohrers. Dabei wird der Abstand T gemessen ab dem axial hinteren Ende
der Bohrerspitze, d.h. von der Position an, bei welcher der Bohrer
seinen maximalen Durchmesser bzw. Nenndurchmesser hat, der durch
die radial äußeren Ecken
der Hauptschneiden an der Spitze des Bohrers bestimmt wird.
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Die
Länge des
Spannutenabschnittes (= Gesamtlänge
des Bohrers abzüglich
Länge des
Schaftes) beträgt
mindestens das 8-fache, vorzugsweise mindestens das 10-fache und
besonders bevorzugt mehr als das 15-fache des Nenndurchmessers.
Dieses Maß bestimmt
jeweils die mit dem Bohrer in einem Bohrdurchgang maximal erzielbare
Bohrlochtiefe, die immer etwas geringer sein muß als die Länge des Spannutenabschnittes,
damit bis zur maximalen Bohrlochtiefe die Späne noch aus dem Bohrloch herausbefördert werden
können.
Spätestens
ab einem Wert von 20 für
das Verhältnis
von Länge
des Spannutenabschnitts zum Nenndurchmesser des Bohrers treten die
Vorteile des erfindungsgemäßen Bohrers hinsichtlich
Spanförderung,
Stabilität
und Produktivität
deutlich zu Tage.
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Weiterhin
weist der erfindungsgemäße Bohrer
in seiner bevorzugten Ausführungsform
auch Kanäle
für die
Zuführung
eines Kühlmittels
auf.
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Diese
Kanäle
erstrecken sich zunächst durch
den Einspannabschnitt des Schaftes und dann durch die Stege des
Bohrers, was bei relativ großen Bohrerlängen im
Vergleich zum Durchmesser eine präzise Anordnung der Kanäle und eine
ausgeklügelte
und sorgfältige
Herstellung erfordert.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
und der dazugehörigen
Figur. Die einzige Figur zeigt eine teilweise im Schnitt schematisch
dargestellte Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrers, bei welchem jedoch
der Durchmesser im Verhältnis
zur Bohrerlänge stark
vergrößert ist
und wobei Stege und die Spannuten nur durch die Einhüllende der
Rundfasen wiedergegeben sind, die im dem oberen Abschnitt einem Zylinder
und weiter unter zur Spitze hin einem Konus entspricht.
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Der
insgesamt mit 10 bezeichnete Bohrer weist einen Schaft 1,
einen daran anschließenden Spannutenabschnitt 2 und
eine das vordere Ende des Spannutenabschnitts begrenzende Bohrerspitze 3 auf.
Der Schaft 1 ist in einer Seitenansicht dargestellt, während der
größte Teil
des Spannutenab schnittes in einem axialen Längsschnitt dargestellt ist (allerdings
ohne den schraubenförmigen
Verlauf der Spannuten wiederzugeben), in welchem der innere Kernbereich 4 schraffiert
dargestellt ist. Die Bohrerspitze 3 weist im allgemeinen
zwei Hauptschneiden 5 auf, die sich unter einem Winkel
zwischen 60 und 70° relativ
zur Achse des Bohrers vom Zentrum oder einer Position in der Nähe des Zentrums
aus nach außen
erstrecken und durch ihre äußeren Enden
den maximalen Außendurchmesser
D des Bohrers definieren.
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Wie
man sieht, nimmt der Kerndurchmesser des Bohrers, ausgehend von
einem Maximalwert K an der Spitze 3 des Bohrers bis auf
einem Minimalwert k des Bohrers, der weiter hinten an dem Spannutenabschnitt 2 näher zum
Schaft 1 hin liegt, kontinuierlich ab, um dann am Ende
des Nutabschnitts 2 und zum Schaftabschnitt 1 hin
wieder zuzunehmen, bis schließlich
auf den vollen Durchmesser des Schaftes 1, wo die einzelnen
Spannuten 6 enden. Die Tiefe der Spannuten nimmt demnach,
ausgehend von der Spitze 3, des Bohrers, zum Schaft hin
zu. Auch der Außendurchmesser
des Bohrers nimmt, ausgehend von dem Wert D an den äußeren Schneidecken 7,
in Richtung des Schaftes 2 ab, und zwar über eine
Länge L,
die zwischen dem 2-fachen und 8-fachend es Nenndurchmessers D liegt.
Man beachte, daß alle
axialen Maße
in den Zeichnungen, wie zum Beispiel das Maß A oder L und das Maß T, im
Vergleich zu den tatsächlichen
Verhältnissen
gegenüber
dem Durchmesser D deutlich verkürzt
erscheinen. Tatsächlich
beträgt
das Maß T,
welches die Länge
der Beschichtung der Spannuten bezeichnet, im Bereich zwischen dem
0,5-fachen und 3-fachen des Bohrerdurchmessers, vorzugsweise im
Bereich des 1- bis 1,5-fachen des Bohrerdurchmessers, wobei im übrigen auch
die gesamte Spitze 3 mit einem Hartstoff beschichtet ist.
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Die
axiale Länge
A, über
welche hinweg die Kernverjüngung
stattfindet, entspricht in etwa der maximalen Bohrlochtiefe, für welche
der Bohrer vorgesehen ist, liegt also in etwa beim 10- bis 20-fachen des Bohrerdurchmessers
D oder noch darüber.
Maximale Verhältnisse
von Länge
zu Durchmesser. in der Größenordnung
von über
40 sind von der Anmelderin in Versuchen bereits praktisch realisiert
worden. Wobei ein Verhältnis
von mehr als 20 besonders bevorzugt ist.
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Darüber hinaus
ist es auch möglich,
die Stegbreite von der Bohrerspitze zum Einspannende hin kontinuierlich
schmaler zu machen. Hierdurch kann der Nutenquerschnitt nochmals
vergrößert werden,
was den Spantransport weiter erleichtert. Die Stegbreite kann auch
von vornherein relativ gering gehalten werden.
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Die
Querschnittsform der Spannuten
6 entspricht in einer solchen
Ausführungsform
beispielsweise dem sogenannten „UFL"-Querschnitt, wie er in der deutschen
Patentanmeldung
DE 196 27 436 definiert
wird, und ist dadurch auf einen optimalen Spantransport hin ausgelegt.
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Zusätzlich können die
Spannuten poliert sein, gegebenenfalls auch in dem vorderen, mit
Hartstoff beschichteten Abschnitt.
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Die
Verjüngungen
sowohl des Kerns als auch des Außendurchmessers von ihren jeweiligen maximalen
auf die minimalen Werte erfolgen vorzugsweise kontinuierlich und
in einem Längsschnitt bzw.
mit einer Einhüllenden,
wie es in der Figur dargestellt ist, entlang einer Geraden, wobei
jedoch auch andere Verläufe
der Querschnitt- bzw. Außendurchmesserverjüngung ohne
weiteres möglich
wären.
Die Verjüngungen
könnten
gegebenenfalls auch in mehreren Stufen erfolgen.
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Für Zwecke
der ursprünglichen
Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich
aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen
Fachmann erschließen,
auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren
Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen
Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder
Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen
wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder
sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher
denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und
der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.