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"Verfahren und Werkzeug zur Herstellung von Bohrungen" Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung von Bohrungen, insbesondere
langen durchgehenden Bohrungen großen Durchmessers und insbesondere auf Werkzeugmaschinen
mit üblichen Antriebsleistungen.
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Üblicherweise werden Bohrungen sowohl kleinen als auch großen Durchmessers
mittels Spiralbohrers hergestellt. Bei großen Bohrungen werden in der Regel zunächst
kleine Bohrungen vorgebohrt, die allmählich unter Verwendung jeweils größerer Bohrer
aufgebohrt werden, bis der endgültige Bohrungsdurchmesser erreicht ist.
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Hierzu ist jedoch ein sehr großer Arbeitsaufwand bei großer Materialzerspanung
erforderlich.
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Es ist des weiteren in der spanabhebenden Fertigung für alle Bearbeitungsverfahren
wie Drehen, Fräsen oder Hobeln der Einsatz von hartmetallbestückten Werkzeugen Stand
der Technik. Als spanabhebendes Bearbeitungsverfahren ist jedoch das Bohren von
Löchern ins volle Material heute noch nicht mit Hartmetall möglich, da hierbei in
der Mitte des schneidenden Werkzeuges, also in der Achse des sich bildenden Loches,
die Schnittgeschwindigkeit gleich Null ist. Nur die T ieflochb ohrverfahr en ermöglichen
mit außergewöhnlich großer Antriebsleistung und großen Kühlmittelpumpen das Bohren
von Löchern ins Volle unter Einsatz von Hartmetallschneiden. Es wird hierbei mit
Voll- oder Kernlochbohrköpfen gearbeitet. Doch sind hierzu teure und aufwendige
Sondermaschinen mit entsprechend großen Antriebsleistungen erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beliebig tiefe Bohrungen
großen Durchmessers auf wirtschaftliche Weise mit möglichst kleinem Arbeitsaufwand
und in beliebiger Lage, z. B. sowohl horizontal als auch vertikal, herzustellen.
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Die Erfindung besteht zu einem wesentlichen Teil darin, daß mittels
eines Hohlbohrwerkzeuges unter Stehenlassen eines inneren Werkstückkernes ein diesen
Kern umgebender Hohlzylinder durch Zerspanen desselben, insbesondere bis zur Trennung
des Kernes vom übrigen Werkstück, ausgeschnitten und die äußere zylindrische Fläche
des Kernes zur Führung des Hohlbohrwerkzeuges verwendet wird. Hierdurch werden folgende
Vorteile erzielt: 1) Dadurch, daß nur der Hohlzylinder einer Zerspanung unterliegt,
kann der für die Zerspanung erforderliche Arbeitsaufwand und die Antriebsleistung
der Werkzeugmaschine auf einen Bruchteil des Aufwandes bzw. der Leistung verringert
werden, die bei Zerspanung des gesamten Bohrquerschnittes erforderlich sind.
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2)- Infolge der Führung des Hohlbohrwerkzeuges auf dem stehenbleibenden
Kern ist eine außerordentlich hohe Fluchtgenauigkeit erzielbar, so daß auch bei
großen Bohrungen großer Tiefe praktisch jedes Verlaufen der Bohrung, d.h. jedes
Abweichen von der vorbestimmten Bohrungsachse, praktisch ausgeschlossen werden kann.
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3) Da das Hohlbohrwerkzeug bis zum Durchbruch durch das Werkstück
vorgetrieben werden kann, ist ein nachträgliches Abtrennen
des
stehenbleibenden Kernes nicht erforderlich.
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4) Da der Kern unzerspant bleibt, kann das Material des Kernes für
andere Zwecke, z.B. zur Herstellung von Wellen, Bolzen, Zapfen od. dgl. weiterverwendet
werden.
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Nach einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung (Anspruch 2) wird
die Zerspanung des Hohlzylinders radial von außen nach innen vorgenommen. Vorzugsweise
kann hierbei das Verfahren entsprechend Anspruch 3 durchgeführt werden. Dadurch
wird mit besonderer Sicherheit gewährleistet, daß, während das Hohlbohrwerkzeug
die Bohrung z.B.
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zunächst an seinem größten Durchmesser anschneidet, der Innenkern
das Hohlbohrwerkzeug bis zum Durchbruch desselben stabil führt.
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Damit das Hohlbohrwerkzeug schon bei Beginn des Bohrens eine genaue
Führung erhält und sich nicht verläuft, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
(Anspruch 4) zum Ansetzen des Hohlbohrwerkzeuges diesem zunächst eine hilfsweise
Führung zur Zentrierung mit Bezug auf die Achse der herzustellenden Bohrung erteilt.
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Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf ein Hohlbohrwerkzeug zum
Herstellen von Bohrungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Stehenlassen
eines Werkstückkernes, der von einer
axialen Innenbohrung des Werkzeuges
aufgenommen wird, mit an der ringförmigen Arbeitsstirnfläche des Werkzeuges angeordneten
Schneiden, wobei das Werkzeug erfindungsgemäß (Anspruch 5) an seiner Innenbohrung
mit einer zylindrischen Führungsfläche zur Führung auf dem Werkstückkern versehen
ist. Vorzugsweise ist die Führungsfläche axial unmittelbar anschließend an die Schneiden
angeordnet, so daß der Arbeitsdruck sich unmittelbar an der Führungsfläche abstützen
kann und dadurch eine besonders hohe Fluchtgenauigkeit in der Herstellung der Bohrung
erzielbar ist (Anspruch 6).
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Damit die Führung des Werkzeuges auf dem Werkstückkern nicht durch
Späne beeinträchtigt wird, ist das Werkzeug (Anspruch 7) derart ausgebildet, daß
zwischen der Außenfläche des Werkzeuges und der Fläche der herzustellenden Werkstückbohrung
ein Raum zur Spanabfuhr verbleibt. Gleichzeitig kann hierbei {Anspruch 8) die innere
Führun gsfläche des Werkzeuges mit Längskanälen zur Zuführung eines zur Arbeitsstirnfläche
des Werkzeuges gerichteten Kühlmittel stromes versehen sein. Der z.B.
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bei Herstellung einer vertikalen Bohrung mit erhöhtem Druck zugeführte
Kühlmittelstrom verhindert hierbei, daß Späne in die Zuführungskanäle
gelangen,
und bewirkt, daß diese gleichgerichtet mit dem Kühlmittelstrom durch den äußeren
ringförmigen oder gegebenenfalls auch in einzelne Kanäle mehr oder weniger aufgeteilten
äußeren Spanabfuhrraum von der Arbeitsstelle des Werkzeuges weggefördert werden.
Zugleich ergibt sich der Vorteil, daß das durch die Kanäle zugeführte Kühlmittel
gleichzeitig die Führungsfläche schmiert, mittels derer sich der Werkzeugkopf auf
dem Werkstückkern ab stützt.
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Zur Verringerung der Arbeitsleistung und zur Erhöhung der Arbeitsgenauigkeit
trägt es nach einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung bei, wenn die auf den
Umfang der Arbeitsstirnfläche verteilten Schneiden axial und radial zueinander versetzt
sind, so daß Ringflächen verschiedenen Durchmessers aufeinanderfolgend abgespant
werden (Anspruch 10). Vorzugsweise liegen hierbei die Schneidkanten der Schneiden
auf einem zur Achse des Werkzeugs konzentrischen oder im wesentlichen konzentrischen
flachen Kegel mit entgegen der Vorschubrichtung zurückgesetzter Kegelspitze (Anspruch
15) Damit kein Verklemmen der Späne zwischen Werkzeug und Werkstück stattfinden
kann und eine dadurch bewirkte Leistungsminderung oder Schäden und Brüche verhindert
werden, sind Spanleitstufenbreite und Spanleitstufentiefe der Schneiden so bemessen,
daß kurzbrechende Späne erzeugt werden (Anspruch 17). Breite und Tiefe der Spanleitstufe
sind hierbei relativ klein und dem jeweils zu zerspanenden Material anzupassen.
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Die Erfindung ist an sich nicht auf bestimmte Abmessungen der Bohrungen
beschränkt. So können ohne weiteres Bohrungen hergestellt werden, deren Länge das
15- bis 20-fache des Durchmessers beträgt oder übersteigt. Besonders wirtschaftlich
ist das Verfahren bei Bohrungen großen Durchmessers.
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Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit trägt es ferner bei, wenn - in
an sich bekannter Weise - die Schneiden, insbesondere aus einem Hartmetall, in etwa
radiale Schlitze der Arbeitsstirnfläche des Werkzeuges eingesetzt, z. B. hart eingelötet
oder als Wechsel-oder Wendeplatten eingebracht sind (Anspruch 18). Der Werkstoff
der Schneide kann hierbei der maximalen Schnittgeschwindigkeit angepaßt werden,
indem die radial äußeren Schneiden z. B. aus einem höhere Schnittgeschwindigkeiten
zulassenden Werkstoff als die radial inneren Schneiden hergestellt sind (Anspruch
19).
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Das Verfahren ist - insbesondere horizontal - sowohl bei umlaufendem
Werkstück und stehendem Werkzeug auf einer Drehmaschine als auch umgekehrt bei umlaufendem
Werkzeug und stehendem Werkstück auf einem Bohrwerk anwendbar. Auch ist eine vertikale
Anwendung auf Bohrmaschinen möglich. Die Drehrichtung kann beliebig gewählt werden.
Bei umlaufendem Werkstück wird die Späneabfuhr durch die Zentrifugalkräfte, die
auf Kühlmittel und Späne wirken, begünstigt. Ein gleicher Effekt kann jedoch auch
bei Einsatz auf Bohrwerk und Bohrmaschine erzielt werden, insbesondere dann, wenn
das
umlaufende Werkzeug bzw. der Werkzeugschaft am Umfang kordiert wird.
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Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen
Werkzeuges einschließlich zugehöriger Hilfsmittel sind den weiteren Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibund zu entnehmen. Hierbei zeigen Fig. 1 ein erfindungsgemäßes
horizontal umlaufendes Hohlbohrwerkzeug während der Herstellung einer Hohlbohrung
auf einem Bohrwerk im Längsschnitt, Fig. 2 das gleiche Hohlbohrwerkzeug bei Beginn
der Bohrung unter Verwendung eines zur Zentrierung dienenden Hilfsmittels, Fig.
3 eine Stirnansicht des Hohlbohrwerkzeuges, Fig. 4 bis 6 Ansichten der t drei am
Werkzeugumfang angeordneten Schneiden im radialen Schnitt entsprechend den Pfeilen
4, 5 bzw. 6 in Fig. 3, Fig. 7 einen Schnitt durch eine der Schneiden im Schnitt
nach Linie 7-7 der Fig, õ und Fig. 8 einen Schnitt durch das Werkstück nach Durchbruch
des Werkzeuges und Abtrennung des Kernes vom übrigen Werkstück.
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Das Hohlbohrwerkzeug 10 weist einen Schaftträger 11, einen Werkzeugschaft
12 und einen das eigentliche Bohrwerkzeug bildenden, mit Schneiden versehenen Bohrwerkzeugkopf
13 auf. Werkzeugschaft 12 und Schaftträger 11 sind durch Gewinde 14, Bohrwerkzeugkopf
13 und Werkzeugschaft 12 durch Gewinde 15 miteinander verbunden. Die
Gewinde
sind hierbei so gefertigt, daß sie sich unter dem vom Schaftträger 11 auf den Bohrwerkzeugkopf
13 übertragenen Arbeitsdrehmoment festziehen. Der Werkzeugschaft ist als Rohr oder
Hülse mit einer Innenbohrung i6, der Bohrwerkzeugkopf 13 mit einer Innenbohrung
17 versehen, welche als Führungsfläche für das Werkzeug dient. Einzelne Kanäle 18
im Bohrwerkzeug 13, die über den Umfang desselben verteilt sind und in Achsrichtung
oder schräg hierzu, z.B. spiralförmig, verlaufen, dienen zur Zuführung von Kühlmittel
in Pfeilrichtung xl. Sie sind so angeordnet, daß sie teilweise zur Führungsfläche
17 geöffnet sind, die Öffnungsbreite jedoch kleiner als der Bohrungsdurchmesser
ist.
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Durch die lösbare Befestigung des Bohrwerkzeugkopfes 13 am Werkzeugschaft
12 kann der Bohrwerkzeugkopf leicht ausgewechselt werden und gegebenenfalls aus
einem Spezialmaterial bestehen. An seiner Arbeitsstirnfläche ist der Bohrwerkzeugkopf
13 mit einem sich keilförmig erweiternden Ansatz 19 oder mit einzelnen Ansätzen
sowie mit einzelnen etwa radialen Schlitzen 20, vorzugsweise in den Ansätzen, versehen,
in die einzelne etwa dreieckförmige Hartmetallplatten 21, 22; 23 mit Schneiden 24,
25, 26 eingesetzt sind.
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Die Platten 21 können auch mit eingesintertem Loch für eine Befestigungsschraube
od. dgl. zum Schnellwechseln der Platten versehen sein. Schlitze 20 und Schneiden
24, 25, 26 sind jedoch nicht genau radial angeordnet, sondern zum zugeordneten Radius
jeweils um einen b&-stimmten Anstellwinkel Ct, von z.B. 6 bis 120 versetzt.
Außerdem
sind die Schneiden 24, 25 und 26 mit Bezug auf eine zur
Achse a-a des Hohlbohrwerkzeuges senkrechte Ebene um einen bestimmten Winkel», von
z.B. 1 bis 40 geneigt angeordnet. Die Schneiden 24, 25 und 26 sind des weiteren
in radialer Richtung zueinander versetzt, und zwar derart, daß die Schneide 24 einen
radial größten Arbeitsbereich, die Schneide 25 einen radial mittleren Bereich und
die Schneide 26 einen radial inneren Bereich zu bearbeiten hat.
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Die Bereiche überschneiden sich jedoch jeweils um eine gewisse radiale
Breite el bzw. e2> um eine Gratbildung zwischen den einzelnen radialen Bereichen
auszuschließen. Entsprechend der Neigung der Schneiden mit dem Neigungswinkel (3
ragt die radial äußere Schneide 24 in Vorschubrichtung v des Arbeitswerkzeuges axial
am weitesten nach vorn, während die Schneiden 25 und 26 entsprechend dem negativen
Kegelwinkel entgegen der Vorschubrichtung v zurückliegen.
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Statt auf einem flachen Kegelwinkel wie im Falle des dargestellten
Ausführungsbeispieles können die Schneiden auch stufenweise zueinander versetzt
sein, indem z. B. die Schneidenkanten jeweils senkrecht zur Achse a-a der herzustellenden
Bohrung angeordnet sind.
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Die Schneiden 24, 25 und 26 weisen vorzugsweise eine relativ kleine
Spanleitstufenbreite b (z.B. von 0, 8 bis 1, 2 mm) und eine t entsprechend kleine
Spanleitstufentiefe/(z. B. von 0>4 bis 0, 8 mm}
auf, so daß
bei der Arbeit des Werkzeuges nur kurzbrechende Späne erzeugt werden. Doch sind
die Werte b und t jeweils dem Werkstückmaterial, dem Werkzeugvorschub und der Schnittgeschwindigkeit
des Werkzeuges anzupassen, wie auch umgekehrt der Vorschub dem Werkstoff und der
Schneidenanordnung angepaßt werden kann.
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Die Außenschneide 21 ist zweckmäßig an ihrem radial äußeren Ende bei
27, die radial innere Schneide 26 an ihrem radial inneren Ende bei 28 abgerundet,
wodurch sich eine schonende Zerspanung des Werkstückes ermöglichen läßt. Die radial
mittlere Schneide 25 kann dagegen, ebenso wie die radial äußere Schneide 24 an ihrem
radial inneren Ende und die radial innere Schneide 26 an ihrem radial äußeren Ende
mit Vorteil scharfkantig ausgebildet bzw. nur geringfügig' abgerundet sein.
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Das Werkstück, in dem eine Bohrung durch das Hohlbohrwerkzeug 10 herzustellen
ist, ist in den Fig. 1, 2 und 8 mit dünnen Linien angedeutet und mit 29 bezeichnet.
Damit das Werkzeug genau koaxial zur Achse a-a der herzustellenden Bohrung ansetzt,
ist als Hilfsmittel ein Stopfen 30 vorgesehen, der aus einem zylindrischen -scheibenförmigen
Kopf 31, dessen Durchmesser demjenigen der Führungsbohrung 17 im Werkzeug 13 entspricht;
und einem hierzu'-gleichachsigen Zapfen 32 besteht. Zur Aufnahme des Zapfens 32
wird zunächst
im Werkstück 29 in üblicher Weise eine zur Achse
a-a genau zentrische kleinere Bohrung 33 vorgebohrt, deren Durchmesser demjenigen
des Zapfens 32 entspricht, so daß das Hilfsmittel 30 in der in Fig. 2 dargestellten
Weise bis zum Anliegen des Hilfsmittelkopfes 31 an der Werkstückstirnfläche 29a
in die Bohrung 33 eingesetzt werden kann. Hierauf kann das Hohlbohrwerkzeug 10 mit
dem Bohrwerkzeugkopf 13 auf den scheibenförmigen Kopf 31 des Hilfsmittels aufgesetzt
werden, wie dieses ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist. Beim Antrieb des Werkzeuges
und beim Vorschub desselben in Richtung v tritt zunächst die radial äußere Schneide
24 in das Werkstück 29 ein, worauf die radial mittlere Schneide 25 und hierauf die
radial innere Schneide 26 entsprechend dem flachen Kegelwinkel mit dem Winkelßfolgt.
Das Werkzeug 13 führt sich hierbei mittels seiner Führungsfläche 17 auf dem Außenumfang
des Hilfsmittelkopfes 31.
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Durch die Schneiden 24,25 und 26 wird aus dem Werkstück 29 ein Hohlzylinder
34 mit einer Außenumfangsfläche 35 und einer Innenumfangsfläche 36 ausgebohrt, wobei
die Außenfläche 35 des Hohlzylinders 34 die Innenfläche der herzustellenden Bohrung
37 bildet.
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Durch die kegelförmige Anordnung bzw. Versetzung der Schneiden 24,
25 und 26 wird der ausgespante Hohlzylinder 34 durch eine ent sprechend schwach
kegelförmige Stirnfläche 38 begrenzt. Innerhalb
des Hohlzylinders
verbleibt ein zylindrischer Kern 39, der durch die Innenumfangsfläche 36 des Hohlzylinders
34 begrenzt wird.
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In Fig. 1 ist ein Zwischenzustand beim Herstellen der Bohrung 37 dargestellt.
Das Kühlwasser wird durch die Kanäle 18 in Pfeilrichtung x1 zugeführt und gelangt
zwischen den Hartmetallplatten 21, 22 und 23 hindurch in Pfeilrichtung x2 in den
äußeren Spaltraum 34a, der innerhalb des hohlzylindrischen Raumes zwischen dem Außenumfang
des Werkzeugkopfes 13 bzw. des Werkzeugschaftes 12 und der ausgebohrten inneren
Bohrungsfläche 35 des Werkstückes 29 gebildet wird. In gleicher Richtung x2 werden
auch die von den Schneiden 24, 25 und 26 abgenommenen Späne auf der Außenseite des
Werkzeuges entlang abgeführt, wobei, wie oben ausgeführt, vorzugsweise nur kurze
Späne erzeugt werden, so daß ein Verklemmen derselben zwischen Werkzeug und Werkstück
nicht eintreten kann.
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Die Bohrung ist fertiggestellt, sobald die radial äußere Schneide
24 die der Stirnfläche 29a gegenüberliegende Stirnfläche 29b erreicht hat und damit
das Werkstück 29 durchbrochen hat. Der im Innern des Werkzeuges stehengebliebene
Kern 39, auf dem sich während des gesamten Arbeitsvorganges das Werkzeug 13 mittels
seiner inneren Führungsfläche 17 geführt hat, ist damit vom übrigen Werkstück 39
getrennt. Entsprechend dem flachen Kegel mit demWinkel bleibt
ein
scheibenförmiger Bund 40 mit entsprechendem Winkel und entsprechender Kegelfläche
38 am Kernstück 39 erhalten.
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Anstelle von drei Schneiden 24, 25, 26 können auch mehr oder gegebenenfalls
weniger Schneiden vorgesehen sein. Bei mehr als drei Schneiden können diese je zueinander
radial und -gegebenenfalls auch axial versetzt oder auch z. B. paarweise auf gleichem
Durchmesser angeordnet sein.