DE20209768U1

DE20209768U1 - Bohrer

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Publication number: DE20209768U1
Application number: DE20209768U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2012-06-25

Abstract

Bohrer, insbesondere Spiralbohrer, insbesondere zum Bohren ins Volle von Werkstücken mit Sandwichaufbau, wobei eine Schicht faserverstärkt ist, mit einer Bohrerspitze (1), mindestens zwei Hauptschneiden, zwei Haupt-Nebenschneiden (5) mit angrenzender Haupt-Rundschliffase (7) und zwei Hauptspannuten, dadurch gekennzeichnet, dass
der Bohrer als Stufenbohrwerkzeug ausgebildet ist, mit einem Vorbohrabschnitt (VA) kleineren Durchmessers und einem auf Endmaß bearbeitenden Feinbearbeitungsabschnitt (FA), in dem zwischen den Hauptspannuten verbleibende Stege jeweils durch zumindest eine zusätzliche Nut in einen vorlaufenden Steg (11) und zumindest einen nachlaufenden Steg (13) unterteilt sind, wobei am nachlaufenden Steg (13) eine Nachbearbeitungs-Nebenschneide (23) mit angrenzender Nachbearbeitungs-Rundschlifffase (17) ausgebildet ist,
von den vorlaufenden Ecken (14, 15) der Rundschlifffasen (7, 17) am Feinbearbeitungsabschnitt (FA) jeweils nach innen zum Vorbohrabschnitt (VA) hin laufende Stufen-Schneidkanten (19, 21) ausgehen, wobei
die Stufen-Schneidkanten (19, 21) am nachlaufenden Steg (13) einerseits und am vorlaufenden Steg (13) andererseits bezüglich einer auf der Bohrerachse senkrechten Ebene (Q) gegensinnig geneigt sind und
die Schneidenecke (15) am nachlaufenden Steg (13) näher zur Bohrerspitze (1) liegt als die Schneidenecke (14) am vorlaufenden Steg (11).

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrer für passgenaue Bohrungen, insbesondere in Sandwichmaterialien, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Besonders im Flugzeugbau finden heute verstärkt Sandwichmaterialien Anwendung. Für die Außenhaut moderner Flugzeuge werden beispielsweise Flachbauteilen eingesetzt, die eine Schicht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, eine Schicht aus Titan und eine weitere Schicht aus Aluminium aufweisen, wobei die Schichten unterschiedlich angeordnet sein können. Derartige Materialien weisen trotz ihres geringen Gewichtes eine hohe Stabilität auf. Allerdings kommt es beim Zusammenbau solcher Bauteile zu Schwierigkeiten:
Die Einzelteile von Flugzeugaußenhäuten werden meist miteinander vernietet. Oft sind dabei Nietroboter im Einsatz, die anhand von Daten, die durch eine Abtastung der Außenhautkontur, beispielsweise mittels Lasermarkierungen, die in den einzelnen Flachbauteilen vorgebohrten Nietbohrungen abfahren und vernieten. Auch kombinierte Bohr-/Nietroboter, die die Nietbohrungen erst an den definierten Stellen bohren und anschliessend die entsprechende Niete setzen, sind bekannt. Nachdem früher kein besonderes Augenmerk auf die Toleranzen der zur Aufnahme der Nieten vorgesehenen Bohrungen gelegt wurde, musste nach folgenschweren Materialabrissen erkannt werden, dass eine enge Tolerierung der Nietbohrungen erforderlich ist. Zielvorgaben liegen dabei im Toleranzbereich H8, wobei das Bohren mit Mindermengenschmierung (MMS) durchgeführt werden soll.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung ein Bohrwerkzeug zu schaffen, mit dem insbesondere bei Sandwichmaterialien die Passgenauigkeit der Bohrungen verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Beim Bohren sind Bauteil mit Sandwich-Aufbau, die Lagen aus CFK (kohlefaservertärkte Kunststoffe) enthalten besonders kritisch, denn vielfach kommt es beim Bohren zur Delamination, d.h. dem Ausreisen einzelner Fasern und damit zu einem Ausfransen des Bohrlochs. Andererseits sind in derartigen Sandwich-Materialien auch härtere Schichten, beispielsweise aus Aluminium eingearbeitet, die ebenfalls durchtrennt werden müssen, ohne dass es zu einem Bruch am Bohrwerkzeug kommt.
Durch die erfindungsgemäße Bohrergestaltung wird eine Delamination wirkungsvoll verhindert, während auch härtere Sandwich-Schichten durchtrennt werden können. Erfindungsgemäß wird eine Funktionstrennung in die Funktion "Vorbohren" am Vorbohrabschnitt und "Nachschneiden" am erst im Abstand nachfolgenden Feinbearbeitungsabschnitt vorgenommen. Der Großteil des zu zerspanenden Materials wird dabei bereits am VOrbohrabschnitt zerspant. An der Stufe des nachfolgenden Feinbearbeitungsabschnitts sind einerseits eine von der Bohrerspitze weg geneigte Stufenschneidkante am vorlaufenden Steg, andererseits eine zur Bohrerspitze hin geneigte Stufenschneidkante am nachlaufenden Steg vorgesehen. Die vorlaufende Stufenschneidkante liegt somit auf einem positiven Konus, die nachlaufende Stufenschneidkante auf einem negativen Konus.
Am Spanungsquerschnitt trägt somit die Stufenschneidkante am vorlaufenden Steg nur Material im Bereich nahe des durch den Vorbohrabschnitt geschaffenen (Vor-)Bohrungsumfangs ab, während die nachbearbeitende Stufenschneidkante am nachlaufenden Steg das Material nahe des (größeren) Endumfangs schneidet. Dadurch, dass die Schneidenecke der nachlaufende Stufenschneidkante näher zur Bohrerspitze liegt als die der vorlaufenden Schneidkante wird das Material, das sich am Zerspanungsquerschnitt zwischen den beiden Stufenschneidkanten befindet, vom Außenumfang abgetrennt. Das von der nachlaufenden Stufenschneidkante und der dort spitz vorstehenden Schneidenecke abgetrennte Material wird aber noch nicht vollständig zerspant, sondern zum Inneren der Bohrung hin abgedrängt, wo es dann von der nächsten vorbeikommenden, vorlaufenden Stufenschneidkante zerspant werden kann, ohne eine Delamination am Außenumfang zu verursachen. Bei diesem Zerspanvorgang ist der Materialwiderstand geringer, da das Material einerseits schon vorgebohrt ist, andererseits durch die Stufenschneidkante und die spitz vorstehenden Schneidenecke am nachlaufenden Steg schon vom Material am Enddurchmesser der Bohrung getrennt ist. Es kommt dabei zu einer "Arbeitsteilung" der vorlaufenden Hauptschneide und der nachlaufenden Hauptschneide, wobei in einem ersten Schritt an der vorlaufenden Stufenschneidkante das radial außerhalb am vom Vorbohrabschnitt vorgebohrten Loch anschließende Material abgetragen wird, während in einem anschließenden Schritt durch die nachfolgende Stufenschneidkante das radial innerhalb am zu erzielenden Endaußenumfang anschließende Material abgetrennt wird. Auf diese Weise wird einerseits die Belastung der Schneidkanten klein gehalten, so dass die nachlaufende Schneidkante insbesondere an ihrer Schneidkante trotz ihrer unter Belastungsgesichtspunkten ungünstigen Bauform auch beim Bohren in hartem oder zähen Material nicht bricht, während andererseits eine saubere und auch bei faserigen Werkstoffen delaminationsfreie Abtrennung des zu zerspanenden Materials vom Außenumfang der Bohrung gelingt.
Vorzugsweise werden dabei gemäß Anspruch 4 Winkel von 150° am vorlaufenden Steg und von 85° am nachlaufenden Steg eingesetzt, die sich in Versuchen als besonders wirtkungsvoll erwiesen haben, d.h. die einen guten Kompromiss zwischen zu hoher Belastung und genügender Abtrennwirkung der Schneidkante am nachlaufenden Steg darstellen.
Die axiale Lage der Stufenschneidkanten zueinander ist dabei so abgestimmt, dass sich an der Stufe ein im wesentlichen v-förmiger Spanungsquerschnitt ergibt. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Stufenschneidkanten so gekreuzt sind, dass der Scheitelpunkt des v-förmigen Stufenquerschnitts in einem Korridor von ± 30% um die Mitte des radialen Abstands vom Außenumfang des kleineren Vorbohrabschnitts zum größeren Feinbearbeitungsabschnitt liegt, besonders vorzugsweise genau der Mitte dieses radialen Abstands entspricht, da auf diese Weise die Zerspanungsarbeit besonders gut auf die beiden Stufenhauptschneiden aufgeteilt wird.
Zusäzlich ist am nachlaufenden Steg eine nachbearbeitende Nebenschneide mit anschließender Rundschlifffase ausgebildet, so dass der Bohrungsaußendurchmesser auf das gewünschte Maß ausgeschabt, bzw. ausgerieben wird, wobei die Nebenschneide zum Nachreiben vorzugsweise einen positiven Spanwinkel aufweist und ganz besonders vorzugsweise einen Spanwinkel von 14°. Ein durch die Bohrarbeit erwärmtes und ausgedehntes Material kann sich nach dem Vorbeilauf der Rundschlifffase des vorlaufenden Abschnitts, auf die die zusätzliche Nut folgt, wieder zusammenziehen, so dass die mit einem positiven Spanwinkel versehene Nachbearbeitungs-Nebenschneide am nachlaufenden Steg den Umfang der Bohrung passgenau Ausschaben kann, ohne dass zerspantes Material in der zusätzlichen Nut zu einem Zerkratzen des Bohrungsumfangs führt.
Gemäß Anspruch 6 steigt die Breite der Rundschlifffase ausgehend von der Bohrerstufe an. Auf diese weise gelingt es, die Belastung des Bohrwerkzeugs in axialer Richtung entlang des Bohrwerkzeugs besser zu verteilen, da die Rundschlifffase am Ansatz an der Bohrerstufe weniger steif ist als an einem axial weiter hinten liegenden Abschnitt des Bohrwerkzeugs, an dem sie ihre volle Breite erreicht, so dass das Bohrwerkzeug dort vollständig ausgesteift ist. Es ergibt sich somit auf Grund der des an der Stufe dünneren und nachgiebigeren nachlaufenden Stegabschnitts eine Verteilung der Ausreibarbeit auf einen längeren Nebenschneidenabschnitt.
Mit der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 gelingt eine gleichmäßigere Verteilung des Drucks auf die Nebenschneiden über eine axiale Länge des Bohrers, die besonders bevorzugt dem 1,5-fachen des Bohrerdurchmessers nach der Stufe entspricht.
Auch eine gemäß Anspruch 10 gegenüber der bei Bohrern üblichen Bohrerverjüngung verkleinerte Verjüngung des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs, vozugsweise 0,02 bis 0,4 mmm pro 100 mm Länge und ganz besonders bevorzugt mit etwa 0,04 mm pro 100 mm Länge trägt zu einer Aussteifung des von der Bohrerspitze entfernten Bohrerabschitts gegenüber des näher an der Spitze gelegenen Bohrerabschnitts bei, so dass die Nebenschneide auf einer größeren Länge schneidet.
Um den Verschleiß an den Bohrerschneiden gering zu halten, während eine zu große Verrundung vermieden wird, weist der Bohrer in vorteihafter Weise eine dünne Hartschicht auf. Als besonders geeignet hat sich dabei Diamant erwiesen, der sehr dünnlagig (im Atomlagen-Bereich) aufgetragen werden kann.
Um andererseits die Spanabfuhr in den spanführenden Nuten (Hauptspannuten am Vorbohrbereich und Nuten vor den vorlaufenden Stegen am Feinbearbeitungsbereich) zu verbessern, weist der Bohrer gemäß Anspruch 18 eine Weichstoffbeschichtung, vorzugsweise aus MoS₂, auf.
Der Schneidwinkel der Hauptschneiden sowie der Stufenschneidkanten, d.h. der Anstellwinkel der Spanflächen zur Bohrerachse wird dabei durch den Spiralwinkel des Bohrers bestimmt, mit dem der Bohrer gewendelt ist. Der Spiralwinkel liegt dabei gemäß Anspruch 16 in einem Bereich von 20–40°.
Um auch die Belastung der Schneidenecken an den Hauptschneiden am Vorbohrabschnitt gering zu halten, weist das Bohrwerkzeug einen flachen Spitzenwinkel auf, so dass nur kleine beim Zerspanen an den Hauptschneiden nur geringe Radialkraftanteile auftreten. Gemäß Anspruch 12 liegt der Spitzenwinkel dabei in einem Bereich von 140°–170° und insbesondere gemäß Anspruch 13 bei 150°.
Die Freiflächen des Bohrers sind dabei frei geschliffen, vorzugsweise über einen Flächenanschliff des Bohrers. Mit einem 4-Flächen-Anschliff gelingt es darüber hinaus, die Hauptschneide des nachlaufenden Stegs axial nach hinten zu versetzten, so dass sie nicht in den Zerspanungsbereich eingreift, sondern ihm nachläuft.
Durch eine Ausspitzung kann darüber hinaus vorteilhaft eine Querschneidenverkürzung erreicht werden, so dass die Zentriereigenschaften des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs weiter verbessert werden können.
Insgesamt gelingt es mit dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug, selbst besonders leicht delaminierende, faserverstärkte Werkstoffe, wie beispielsweise CFK mit eingelegten Kupfernetzen passgenau und ohne Delamination beim Bohren ins Volle zu bearbeiten. Neben einer Bearbeitung durch einen Roboter, die mit konstantem Vorschub vorgenommen werden kann, ist auch ein manuelles Bohren mit einer handgeführten Bohrmaschine ohne konstanten Vorschub möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Die einzelnen Merkmale der Ausführungsformen gemäss den Ansprüchen lassen sich, soweit es sinnvoll erscheint, beliebig kombinieren.
Die Erfindung ist aber nicht auf die in den Ansprüchen genannten Ausführungsformen beschränkt, insbesondere wären auch Kegelmantelanschliffe der Freiflächen denkbar.
Die einzelnen Merkmale der Ausführungsformen gemäss den Ansprüchen lassen sich, soweit es sinnvoll erscheint, beliebig kombinieren.
Nachfolgend werden anhand schematischer Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine maßstabsgetreue Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bohrers;
2 eine vergrößerte Seitenansicht der Spitze des in 1 gezeigten Bohrers;
3 Einzelheit "X" aus 2;
4 eine skizzierte Schnittansicht entlang der Bohrerlängsachse des in 1 und 2 dargestellten Bohrers;
5 eine vergrößerte Darstellung der Situation beim Austritt der Bohrerstufe aus dem zu zerspanenden Material;
6 eine vergrößerte Darstellung der Situation beim Eintritt der Bohrerstufe in das zu zerspanende Material; und
7 in vergrößertem Maßstab den Schnitt A-A in 1.
Der in 1 maßstabsgetreu gezeigte Bohrer der Länge L hat einen Vorbohrabschnitt VA mit eine kleiner Durchmesser d und einen nach einer Stufe darauf folgenden Feinbearbeitungsabschnitt FA mit einem größeren Durchmesser D. Dabei führt der Vorbohrabschnitt die Funktion eines reinen Bohrers aus, während der mit dem nachfolgenden Feinbearbeitungsabschnitt das Bohrloch auf den Enddurchmesser nachgebohrt und ausgerieben wird. Der Spiralwinkel des Bohrers beträgt dabei 40°.
An der Bohrerspitze 1 ist der Spitzenwinkel WT angetragen, der einen Wert von 150° hat, also sehr flach verläuft, um beim Bohren möglichst geringe Kraftkomponenten in radiale Richtung zu lenken. Somit fallen die in 2 gezeigten Hauptschneiden 3 flach bis zur Schneidenecke ab. Es ist dabei eine eingefräste Anspitzung 4 zu erkennen, durch die eine Verkürzung der Bohrerquerschneide 2 erzielt wird, um so ein punktgenaues Anbohren ins Volle zu ermöglichen. Beide Hauptschneiden 5 verlaufen von der Bohrerquerschneide 2 zu den Schneidenecken, an denen Haupt-Nebenschneiden 5 angrenzen, die auf den vorlaufenden Kanten der Bohrerstefe wendelförmig auf einem Zylinder mit dem Durchmesser d bis zur Bohrerstufe verlaufen, an der der nachlaufende Feinbearbeitungsabschnitt FA anschliesst.
Nach der Bohrerstufe weist der Bohrer den in 1 entlang der Linie A-A aufgenommenen Querschnitt auf, der in 7 in vergrößerter Darstellung gezeigt wird. Dabei wird deutlich, dass der Bohrer neben den beiden Haupt-Spannuten 10, die vor den beiden Haupt-Nebenschneiden 5 einen Kanal zur Spanabfuhr bilden, noch zusätzliche Nuten 12 ausgebildet sind, die die beiden Stege des Bohrers in einen vorlaufenden Steg 11 und einen nachlaufenden Steg 13 unterteilen und im wesentlichen nicht spanführend sind, sondern jeweils dem als Reibahlenzahn ausgebildeten nachlaufenden Steg 13 vorgelagert sind. Der vorlaufenden Steg 11 wird dabei jeweils von der Spanfläche bis zur Haupt-Nebenschneide 5, umfangsseitig durch Haupt-Rundschlifffasen 7, sowie rückseitig durch die zusätzliche Nut eingegrenzt 12. Nach der rückseitigen zusätzlichen Nut 12 folgt umfangsseitig der nachlaufende Steg 13, der im wesentlichen den Querschnitt eines Reibahlenzahns aufweist. An der Spanfläche am nachlaufenden Steg 13 ist ein positiver Rückspanwinkel WSR von 14° vorgesehen, der aber grundsätzlich so groß wie möglich sein sollte, so dass eine Nachbearbeitungs-Nebenschneide 23 beim Bohren den Bohrungsinnenumfang ausschabt. An die Nachbearbeitungs-Nebenschneide 23 schließt umfangsseitig eine weitere Rundschlifffase 17 an, die nach dem Schaben den Bohrungsinnenumfang nachreibt.
Aus 7 wird deutlich, dass die zusätzliche Nut 12 wesentlich weniger tief in den Bohrer eingeformt ist als die Hauptspannut 10. Mit kurz-lang-gestrichener Linie ist dabei ein Kreis mit dem Durchmesser d_i eingezeichnet, auf dem die beiden innersten Punkte der beiden zusätzlichen Nuten 12 liegen. Dagegen liegen die beiden innersten Punkte der beiden Hauptspannuten 10 auf dem wesentlich engeren Kreis mit dem Durchmesser d_g, der mit einfach gestrichener Linie eingezeichnet ist.
Die Stufenschneidkanten 19, 21 am vorlaufenden und nachlaufenden Stegabschnitt 11, 13 sind dabei zueinander geneigt, so dass sich – wie in 4 gezeigt – ein v-förmiger Spanungsquerschnitt A_Z ergibt. Die Stufenschneidkante 19 am vorlaufenden Steg 11 verläuft dabei in einem stumpfen Winkel WST zur Bohrerachse in Richtung zur Bohrerspitze 1, die Stufenschneidkante 21 am nachlaufenden Steg 13 in einem spitzen Winkel WSP zur Bohrerachse in Richtung zur Bohrerspitze 1.
Die sich somit überlagernden Stufenschneidkanten 19, 21 können besonders gut der 3 entnommen werden, in der die in 2 als "X" bezeichnete Einzelheit dargestellt ist. Im Spanungsquerschnitt überlagern sich die beiden Klingen 19, 21 am Punkt V, der somit den Scheitelpunkt des v-förmigen Spanungsquerschnitts A_Z bildet. Während der sich in der Nähe der Schneidenecke 15 befindliche schneidende Bereich der Stufenschneidkante 21 am nachlaufenden Steg 13 mit durchgezogener Linie gezeichnet ist, ist der nichtschneidende, weil durch die vorlaufende Stufenschneidkante 19 überlagerte Bereich der Stufenschneidkante 21 am nachlaufenden Steg 13 mit gestrichelter Linie gezeichnet. Die Schneidenecke der Stufenschneidkante 19 an vorlaufenden Steg 11 ist dabei mit 14 bezeichnet.
Vorzugsweise weisen bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Bohrers nicht nur die Freiflächen an der Bohrerspitze 1 einen Freiwinkel auf, sondern auch die Stege an der Stufe. Der Freiwinkel an den Frreiflächen hinter den Stufenschneidkanten beträgt dabei vorzugsweise 6°–15°, und besonders bevorzugt 12°.
Wie sich aus 2 ergibt, ist die Rundschliffase 17 am nachlaufenden Bereich abgetragen, was bei der Ausgestaltung gemäß 2 im Bereich des nachlaufenden Stegs 17 durch eine sich in Axialrichtung vorzugsweise linear verjüngende Abschrägungsfläche 37 geschieht. Zwar ist es der 2 nicht zu entnehmen, doch ist auch im Bereich des vorlaufenden Stegs 11 die Rundschliffase 7 entsprechend abgetragen. Anstelle der Abschrägungsflächen 37 können auch eingeschliffene Stufen vorliegen, die in vorbestimmtem Abstand Ax von der Schneidenecke 15 auslaufen. Das Maß Ax beträgt vorzugsweise das 1,5-fache des Bohrerdurchmessers. Die Rundschiffasenbreite an der Schneidenecke ist gegenüber herkömmlichen gattungsbildenden Werkzeugen um etwa 50% verringert und beträgt beispielsweise 0,8mm. Sie nimmt vorzugsweise linear über eine axiale Länge von etwa 1,5xD zu, vorzugsweise auf einen Wert zwischen 4 und 12% des Werzeugdurchmessers.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn der spitze Winkel WSP zwischen der Stufenschneidkante 21 an jedem nachlaufenden Steg 13 und der Bohrerlängsachse in Richtung Bohrerspitze zwischen 75 bis 89°, besonders bevorzugt zwischen 81 und 89° , wie z.B. bei 85° liegt und der stumpfe Winkel WST zwischen der Stufenhauptschneide 19 am vorlaufenden Stegabschnitt 11 und der Bohrerlängsachse B in Richtung der Bohrerspitze bei 130 bis 170°, besonders bevorzugt bei etwa 150° liegt und die Stufenschneidkanten 19, 21 derart zusammenwirken, dass sich an der Stufe ein im wesentlichen v-förmiger Spanungsquerschnitt Az ergibt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Scheitelpunkt V des v-förmigen Spanungsquerschnitts Az von der Bohrerlängsachse B einen radialen Abstand R aufweist, wobei R = d + (D − d)/4 ± 30%, und besonders bevorzugt genau R = d + (D – d)/4 mit D als dem Durchmesser des Bohrers nach der Stufe, und d als dem Durchmesser des Bohrers vor der Stufe.
Bevorzugt nimmt dabei die Breite (B(L)) der Rundschlifffasen (7, 17) ausgehend von der Stufe zu, wobei die Ausgangsbreite vorzugsweise 50% einer vollen Breite (B_V) der Rundschlifffase beträgt und wobei die Breite (B(L)) der Rundschlifffasen (7, 17) ausgehend von der Stufe über eine Länge (L) auf die volle Breite (B_V) vorzugsweise linear ansteigt. Die Länge (L) ist dabei bevorzugt gleich dem 0,7 bis 3-fachen, insbesondere gleich dem 1,5-fachen des Bohrerdurchmessers (D) nach der Stufe, und die volle Breite (B_V) der Rundschlifffase liegt im Bereich von 4%–15% des Bohrerdurchmessers (D) nach der Stufe; sie beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise 0,8 mm.
Außerdem weist der Bohrer bevcorzugt eine Verjüngung von der Bohrerspitze aus in Axialrichtung entlang des Bohrers auf, die 25%–80% der üblichen Bohrerverjüngung beträgt, welche vorzugsweise im Bereich von 0,02–0,4 mm liegt, wodurch sich vorzugsweise eine Verjüngung von etwa 0,04 mm pro 100 mm Länge ergibt. Auf diese Weise kann der maximale Druck an den Schneidenecken 14, 15, der dort wegen hoher Reibung zu einem Temperaturproblem führen kann, gesenkt werden und der Druck besser über die Bohrerlänge verteilt werden.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn ein den Scheitelpunkt V des Spanungsquerschnitts A_Z berührender Punkt auf der nachlaufenden Schneidkante 21 am nachlaufenden Steg 13 einem den Scheitelpunkt V berührenden Punkt auf der vorlaufenden Schneidkante 19 am vorlaufenden Steg 11 in axialer Richtung nacheilt.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind dabei ein Spitzenanschliff in der Ausgestaltung als Flächenanschliff, eine Ausspitzung 4 der Querschneide 2, durch die eine Querschneidenverkürzung herbeigeführt wird, sowie ein Spiralwinkel WN im Bereich von 20°–40°.
Der Bohrer hat einen Spiralwinkel WN, der im Bereich von 20°–40° liegt. Im übrigen kann das Werkzeug mit üblichen Beschichtungen ausgestattet sein, und zwar zumindest im Bereich der scharfen Schneiden. Wenn es sich um eine Hartstoffschicht handelt, ist diese vorzugsweise dünn ausgeführt, wobei die Dicke der Schicht vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 3 μm liegt.
Die Hartstoffschicht besteht beispielsweise aus Diamant, vorzugsweise monokristallinem Diamant. Sie kann aber auch als Titan-Nitrid- oder als Titan-Aluminium-Nitrid-Schicht ausgeführt sein, da derartige Schichten ausreichend dünn abgeschieden werden.
Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Weichstoffschicht Anwendung finden, die zumindest im Bereich der Nuten vorliegt. Diese Weichstoffbeschichtung besteht vorzugsweise aus MoS₂.
Als Werkstoff für den Bohrer können alle gängigen Werkstoffe moderner Hochleistungsbohrer Anwendung finden, wie z.B. Hartmetall, Schnellstahl wie HSS oder HSSE, HSSEBM, Keramik, Cermet oder andere Sintermetall-Werkstoffe.
Mit dem vorstehen beschriebenen Aufbau des Bohrwerkzeugs ergibt sich folgende Wirkungsweise, die anhand der 6 und 5 beschrieben wird: Über die verkürzte Querschneide 2 erfolgt eine gute Zentrierung des Werkzeugs beim Anbohren, und zwar unabhängig davon, welches Material des Sandwich-Bauteils angebohrt wird.
Nachdem das Sandwichmaterial mit dem Vorbohrabschnitt vorgebohrt worden ist, kommt es zu der in 6 dargestellten Eintrittsituation des Feinbearbeitungsabschnitts in das Material. Das Sandwichmaterial ist dabei schraffiert dargestellt. Der Vorschubrichtung ist dabei durch die Richtung des Pfeils gegeben.
Am Vorbohrquerschnitt greift zuerst die Schneidkante 19 am vorlaufenden Steg. Im weiteren Verlauf des Eintrittvorgangs kommt es dann zu einem Ankratzen des Materials im Bereich des Endumfangs der Bohrung durch die Schneidenecke 15 der nachlaufenden Schneidkante 21. Im Mittelabschnitt zwischen Vorbohr- und Endabmaß der Bohrung schneiden zu diesem Zeitpunkt weder die vorlaufende Schneidkante 19 noch die nachlaufende Schneidkante 21. Mit zunehmender Eindringtiefe ins Material setzt aber auch dort der Zerspanungsvorgang ein. Sobald die Schneidenecken 15 bzw. 14 in das Material eintaucht, treten die verkürzten Rundschliffasen 17 bzw. 7 in Funktion. Weil diese im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen verkürzt sind, ist die thermische Belastung niedriger. Nun trennt die Schneidenecke 15 an der unter spitzem Winkel zur Bohrerspitze hin geneigten Schneidkante 21 des nachlaufenden Stegs das Material delaminationsfrei am Endumfang der Bohrung ab, während das eigentliche Zerspanen aufgeteilt auf einen Innenabschnitt der vorlaufenden Schneidkante 19 und einen Außenabschnitt der nachlaufenden Schneidkante 21 erfolgt.
Mit zunehmender Eindringtiefe des Feinbearbeitungsabschnitts FA ins Material setzt zusätzlich die Feinbearbeitung d.h. das Ausreiben des Bohrungsdurchmessers an den Nachbearbeitungs-Nebenschneiden 23 ein. Kurz vor dem vollständigen Durchbohren kommt es zu der in 5 dargestellten Austrittssituation beim Austreten der Bohrerstufe. In 5 ist die Vorschubrichtung wiederum durch einen Pfeil angedeutet und das zu durchbohrende Material schraffiert dargestellt. Nachdem der Vorbohrungsabschnitt VA die Bohrung auf den Vorbohrdurchmesser durchgebohrt hat, tritt als erstes ein Innenbereich der Schneidkante 19 am vorlaufenden Steg aus, während sich gleichzeitig die Schneidenecke 15 an der unter spitzem Winkel zur Bohrerspitze hin geneigten Schneidkante 21 des nachlaufenden Stegs dem Materialende nähert. Wenn die Schneidenecke 15 das Materialende schließlich errreicht, wird ein ringförmiges Materialsegment herausgetrennt, wie in 5 mit dem Bezugszeichen 50 angedeutet.
Selbstverständlich sind Abweichungen von der zuvor beschriebenen Ausführungsform möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So kann das Werkzeug auch gerade genutet sein. Auch kann im Steg anstelle einer einzigen weiteren Nut eine Vielzahl solcher Nuten eingebracht sein, deren Geometrie in weiten Grenzen variiert sein kann. Die Nuttiefe ebenso wie die Nutweite kann entsprechend dem zu zerspanenden Werkstoff angepasst sein. Auch kann anstelle des Vier-Flächen-Anschliffs auch ein anderer, gängiger Spitzenanschliff, beispielsweise ein Kegelmantelanschliff oder ein Kreuzanschliff vorgesehen sein. Schließlich ist die Anzahl der Haupt-Spannuten nicht auf zwei begrenzt. Auch drei- oder mehrnutige Werkzeuge können mit der erfindungsgemäßen Geometrie ausgestattet werden.

Claims

Bohrer, insbesondere Spiralbohrer, insbesondere zum Bohren ins Volle von Werkstücken mit Sandwichaufbau, wobei eine Schicht faserverstärkt ist, mit einer Bohrerspitze (1), mindestens zwei Hauptschneiden, zwei Haupt-Nebenschneiden (5) mit angrenzender Haupt-Rundschliffase (7) und zwei Hauptspannuten, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrer als Stufenbohrwerkzeug ausgebildet ist, mit einem Vorbohrabschnitt (VA) kleineren Durchmessers und einem auf Endmaß bearbeitenden Feinbearbeitungsabschnitt (FA), in dem zwischen den Hauptspannuten verbleibende Stege jeweils durch zumindest eine zusätzliche Nut in einen vorlaufenden Steg (11) und zumindest einen nachlaufenden Steg (13) unterteilt sind, wobei am nachlaufenden Steg (13) eine Nachbearbeitungs-Nebenschneide (23) mit angrenzender Nachbearbeitungs-Rundschlifffase (17) ausgebildet ist, von den vorlaufenden Ecken (14, 15) der Rundschlifffasen (7, 17) am Feinbearbeitungsabschnitt (FA) jeweils nach innen zum Vorbohrabschnitt (VA) hin laufende Stufen-Schneidkanten (19, 21) ausgehen, wobei die Stufen-Schneidkanten (19, 21) am nachlaufenden Steg (13) einerseits und am vorlaufenden Steg (13) andererseits bezüglich einer auf der Bohrerachse senkrechten Ebene (Q) gegensinnig geneigt sind und die Schneidenecke (15) am nachlaufenden Steg (13) näher zur Bohrerspitze (1) liegt als die Schneidenecke (14) am vorlaufenden Steg (11).
Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanwinkel (WSR) der Nachbearbeitungs-Nebenschneide (23) positiv ist.
Bohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanwinkel (WSR) der Nachbearbeitungs-Nebenschneide (23) im Bereich zwischen 8 und 20°, vorzugsweise bei etwa 14° liegt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stufenschneidkante (21) an jedem nachlaufenden Steg (13) und Bohrerlängsachse (B) in Richtung Bohrerspitze ein spitzer Winkel (WSP) von vorzugsweise zwischen 75 bis 89°, besonders bevorzugt zwischen 81 und 89°, wie z.B. 85° aufgespannt wird, zwischen der Stufenhauptschneide (19) am vorlaufenden Stegabschnitt (11) und der Bohrerlängsachse (B) in Richtung der Bohrerspitze ein stumpfer Winkel (WST) von vorzugsweise 130 bis 170°, besonders bevorzugt von etwa 150°, so dass die Stufenschneidkanten (19, 21) derart zusammenwirken, dass sich an der Stufe ein im wesentlichen v-förmiger Spanungsquerschnitt (Az) ergibt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelpunkt (V) des vförmigen Spanungsquerschnitts (Az) von einer Bohrerlängsachse (B) einen radialen Abstand (R) aufweist, wobei R = d + (D – d) /4 ± 30%, vorzugsweise genau R = d + (D – d)/4 aufweist und (D) den Durchmesser des Bohrers nach der Stufe, (d) den Durchmesser des Bohrers vor der Stufe bezeichnet.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Breite (B(L)) der Rundschlifffasen (7, 17), die ausgehend von der Stufe zunimmt, wobei die Ausgangsbreite vorzugsweise 50% einer vollen Breite (B_V) der Rundschlifffase beträgt.
Bohrer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B(L)) der Rundschlifffasen (7, 17) ausgehend von der Stufe über eine Länge (L) auf die volle Breite (B_V) vorzugsweise linear ansteigt, wobei die Länge (L) gleich dem 0,7 bis 3-fachen, vorzugsweise dem 1,5-fachen des Bohrerdurchmessers (D) nach der Stufe ist.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die volle Breite (B_V) der Rundschlifffase im Bereich von 4%–15% des Bohrerdurchmessers (D) nach der Stufe liegt und besonders bevorzugt 0,8 mm beträgt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) des Bohrers nach der Stufe im Bereich von 3–30 mm liegt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verjüngung des Bohrers von der Bohrerspitze aus in Axialrichtung entlang des Bohrers, die 25%–80% der üblichen Bohrerverjüngung beträgt, welche vorzugsweise im Bereich von 0,02–0,4 mm liegt, wodurch sich vorzugsweise eine Verjüngung von etwa 0,04 mm pro 100 mm Länge ergibt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Scheitelpunkt (V) des Spanungsquerschnitts (A_Z) berührender Punkt auf der nachlaufenden Schneidkante (21) am nachlaufenden Steg (13) einem den Scheitelpunkt (V) berührenden Punkt auf der vorlaufenden Schneidkante (19) am vorlaufenden Steg (11) in axialer Richtung nacheilt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spitzenwinkel (WT), der in einem Bereich von 140°–170° liegt.
Bohrer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spitzenwinkel (WT) gleich 150° ist.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spitzenanschliff in der Ausgestaltung als Flächenanschliff.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausspitzung (4), durch die eine Querschneidenverkürzung herbeigeführt wird.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spiralwinkel (WN), der im Bereich von 20°–40° liegt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der scharfen Schneiden eine vorzugsweise dünne Hartstoffbeschichtung vorgesehen ist.
Bohrer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht aus Diamant besteht.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zumindest im Bereich der Nuten eine Weichstoffbeschichtung, vorzugsweise aus MoS₂ vorgesehen ist.