DE3730377A1 - Spanabhebendes bearbeitungswerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein spanabhebendes Bearbeitungswerk­ zeug mit gerader oder spiralenförmiger Spannut, insbesondere einen Bohrer.

Beim Bohren von z. B. Leiterplatten und anderen Sandwich- oder Kompositwerkstoffen ergeben sich vor allem bei großen Bohrdurchmessern etwa von 3,2 bis 8 mm große Leistungsauf­ nahme und große Drehmomente, sowie Wickelspäne, die sich vornehmlich durch den inhomogenen Aufbau dieser Platten und die Zusammensetzung aus unterschiedlichen Werkstoffen her­ leiten. So ergibt sich stets ein erheblicher Drehzahlabfall vornehmlich beim Eindringen in das Hartfasergewebe, was Tor­ sionsschwankungen zur Folge haben kann.

Ähnliche Probleme ergeben sich mit Wickelspänen, die unkon­ trollierbare Längen erreichen, sich festhaken können und da­ mit höhere Antriebsleistung erfordern und auch Verletzungs­ gefahren mit sich bringen. Ferner ergeben sich Probleme beim Abtransport der Späne, da die Absaugung erschwert, teilweise unmöglich gemacht wird.

Die Erfindung verfolgt daher die Aufgabe, eine neuartige Schneidengeometrie für Bohrer, insbesondere Spiralbohrer anzugeben, die es ermöglicht, den Aufbau von Torsions­ schwingungen an Werkzeugen zu verringern und die durch die Arbeitsschneide des Werkzeugs geschaffenen Späne so zu for­ men, daß der Abtransport mit Hilfe einer Absaugung oder der­ gleichen erleichtert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß mindestens eine Arbeitsschneide mit wenigstens einer quer zu ihr ein­ geformten Spanbrechernut versehen.

Auf diese Weise werden zunächst die Späne in schmalere, fasrige Fäden unterteilt, die vor allem bei dem hier in Betracht kommenden harten Werkstoff ohne sonderlichen Auf­ wand und ohne zusätzliche Mittel in kurze Längen gebrochen und dadurch leicht abgesaugt und ohne Schwierigkeiten wei­ tertransportiert werden können. Zum anderen ergibt sich so eine Aufteilung in einzelne nebeneinander, in der Regel mit Zwischenabstand vorgesehene Arbeitsschneidenelemente in Ver­ bindung mit verringertem Spanquerschnitt bei hoher Zerspa­ nungsgeschwindigkeit. Dabei wird bei gleicher Schneidlei­ stung das Drehmoment herabgesetzt und der Kraftbedarf ebenso vermindert wie der Drehzahlabfall beim Anbohren und beim Durchdringen des Fasergewebes von Leiterplatten bzw. anderer Sandwichwerkstoffe. Bei optimaler Schneidengestaltung kann ein Drehzahlabfall annähernd ganz vermieden werden. Die Minderung von Torsionsschwankungen verbessert insgesamt die Laufruhe. Erschütterungen kommen sehr weitgehend in Wegfall; dadurch wird auch die Standzeit erhöht und die Qualität der Bohrungsfläche verbessert.

Spanbrechernuten sind an sich bekannt an Dreh- und Fräswerk­ zeugen und insbesondere an den Umfangsschneiden sogenannter Schruppfräser durch das Anbringen rundgewindeähnlicher Pro­ file auf dem Umfang des Werkzeuges, die kurze, handhabbare Späne, auch von langspanenden Werkstoffen bilden.

Ferner ist es bekannt, an den Schneiden von Reibahlen, Räum­ werkzeugen und anderen spangebenden Werkzeugen Spanbrecher­ nuten einzuarbeiten, um die Bildung kurzer, handhabbarer Späne zu ermöglichen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sollten wenigstens zwei Arbeitsschneiden mit mindestens je einer eingeformten Spanbrechernut versehen sein und die Länge der Arbeits­ schneiden und die Breite und Anordnung der Spanbrechernuten sollten so aufeinander abgestimmt sein, daß das bei der Bearbeitung entstehende Schnitt-Torsionsmoment symmetrisch zur Bohrerachse auf den Spiralbohrer wirkt.

Gemäß einem weiteren Vorschlag werden wenigstens zwei Arbeitsschneiden rotationssymmetrisch ausgebildet, ins­ besondere unter gleichen oder ungleichen Teilungswinkeln zueinander angeordnet.

So lassen sich Spanbrechernuten wenigstens zweier Arbeits­ schneiden, insbesondere aller Arbeitsschneiden rotations­ symmetrisch zueinander anordnen. Dies vereinfacht die Her­ stellung einer Vielzahl von Ausführungen, wenn man z. B. jeweils zwei gegenüberliegende Arbeitsschneiden, die anderen Schneiden in geeigneter Weise zugeordnet sein können, rota­ tionssymmetrisch anordnet.

Bevorzugt wird derzeit jedoch, die zwischen den Spanbrecher­ nuten am Bearbeitungswerkzeug verbleibenden vorragenden Schneidenteile der einzelnen Arbeitsschneiden asymmetrisch zur Drehachse einander rotatorisch überlappend anzuordnen. Auf diese Weise wird trotz der Unsymmetrie der Spanbrecher­ nuten und dadurch bedingt der verbleibenden Schneidenteile die Schwankung des Torsionsmomentes herabgesetzt und die Bohrleistung bei gesteigerter Oberflächengüte weiter ver­ bessert. Wenn zudem die Seitenflanken der Spanbrechernuten als Schneiden geschliffen sind, ergibt sich bei verklei­ nerter Spandicke und damit verringerter Schneidenbelastung eine höhere Schneidleistung.

Die Spanbrechernuten können, wie in den Unteransprüchen definiert und in der Figurenbeschreibung erläutert, jede beliebige Form haben, soweit die Arbeitsschneide nicht durchgehend geradlinig bleibt. Neben symmetrischen Quer­ schnitten kommen also auch wieder asymmetrische Quer­ schnitte in Betracht. Es lassen sich die Endkanten wenig­ stens einer Spanbrechernut und einer anschließenden Erhebung einer Arbeitsschneide zu einer insbesondere sinusartigen Linie verbinden, um den Spanfluß zu vergleichsmäßigen und die örtliche Schneidenbelastung zu verringern. Ferner können Arbeitsschneiden mit Spanbrechernuten unterschiedlichen Querschnittes und ggf. unterschiedlicher Anordnung ausge­ stattet sein.

Zur weiteren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes soll jetzt auf die Zeichnung Bezug genommen werden, die Ausfüh­ rungsformen der Erfindung beispielsweise wiedergibt. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des Schneidkopfes eines erfindungsgemäßen Zweischneiden-Spiralbohrers,

Fig. 2 ein Vergleichsfeld einer Vielzahl von mit Spannuten versehenen Arbeitsschneiden eines solchen Spiralbohrers,

Fig. 3 eine Ansicht der Stirnfläche dieses Bohrers von oben in Fig. 1 gesehen,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Dreischneiden-Spiral­ bohrers, dessen Arbeitsschneiden gemäß der Erfindung mit Spanbrechernuten versehen sind,

Fig. 5 drei Vergleichsfelder mit übereinander gezeichneten Schneidenkonfigurationen für die einzelnen Arbeitsschneiden und

Fig. 6 eine Ansicht des Schneidkopfes nach Fig. 4 von oben in dieser Figur gesehen, mit Abwandlungen.

Der in Fig. 1 gezeigte Schneidkopf (1) kann in dieser Form einstückig mit einem Einspannschaft ausgeführt oder in einer geeigneten bekannten Weise fest oder lösbar an einem solchen Schaft angebracht sein. Der Schneidkopf sollte möglichst als Ganzes aus einem harten Schneidwerkstoff wie Hartmetall, keramischem Schneidwerkstoff oder ultrahartem polykristal­ linen Schneidstoff wie kubischer Diamant (PKD) oder kubi­ schem Bornitrid (CBN), bestehen.

Der Bohrer nach Fig. 1 weist an seiner Bohrerstirn (2) im wesentlichen diametral gegenüberliegende Arbeitsschneiden I und II auf, die in der Ansicht von oben gem. Fig. 3 gleichen Abstand a von einer mittleren Längsebene (3) des Schneid­ kopfes haben. Mit (4) ist die beide Arbeitsschneiden ver­ bindende Querschneide bezeichnet. Beide Arbeitsschneiden bilden einen Spitzenwinkel von ca. 160°, der den Werkstoff- und Betriebsbedingungen entsprechend geändert werden kann. Die Arbeitsschneiden I und II können in Form, Länge und Neigung zur Bohrerachse voneinander abweichen.

Jede Arbeitschneide I, II ist auf der Umlauf-Vorderseite begrenzt durch eine Spannut (5) mit Spanfläche (6) und Rückenfläche (7) sowie eine Hauptfreifläche (8). Ferner geht von jeder Schneidenecke (9) eine die Brustfläche (6) außen begrenzende Nebenschneide (10) aus, die an eine Fase (11) in Form einer Rechteckleiste angeformt ist, die vom zylindri­ schen Bohrergrundkörper bzw. von der Nebenfreifläche (12) nach außen ragt.

Durch die Arbeitsschneide I hindurch sind von der Hauptfrei­ fläche (8) zur Spanfläche (6) zwei Spanbrechernuten (15) eingeformt, die ebenso wie die drei Spanbrechernuten (151) der Arbeitsschneide II den Querschnitt eines Trapezes haben. Diese Spanbrechernuten können im Prinzip symmetrisch zur Bohrerachse (13), auch exakt in einer Querebene zu dieser Achse angeordnet sein. Zweckmäßigerweise werden sie jedoch etwas in die Hauptfreifläche (8) hinein vertieft, und in Spanflußrichtung verbreitert, um Freiraum für die durch die Arbeitsschneiden abgelösten und dort hindurchgeführten Späne zu schaffen.

Zwischen benachbarten Spanbrechernuten (15 bzw. 151) bleiben jeweils Arbeitsschneidenelemente (16) stehen, deren Länge um etwa 5% größer ist als die Breite der Spanbrechernuten (15 bzw. 151).

Nun sind die Spanbrechernuten (15) zu den Nuten (151) in ra­ dialer Richtung etwa um eine Teilung versetzt. Dadurch wird die von jeder Spanbrechernut (15 bzw. 151) durchlaufene Kreisringfläche vollständig von einer solchen Kreisring­ fläche überdeckt, die ein Schneidenelement (16) über­ streicht. Davon unabhängig werden auch die in die Span­ fläche (6) einmündenden Endkanten (18), wenigstens aber die Seitenkanten (19) der Spanbrechernuten scharfkantig als Schneiden ausgebildet.

Dies hat besondere Bedeutung für die symmetrische Ausbildung der beiden Arbeitsschneiden, wie dies die beiden unteren Schneidenformen If und Ig in Fig. 2 erkennen lassen. Dabei wird zwar jede Profilfläche zweimal, nämlich von beiden Arbeitsschneiden durchlaufen, aber die von den Spanbrecher­ nuten (151) bzw. deren Vorderschneiden durchlaufenen Ring­ flächen wechseln sich jeweils ab mit solchen Ringflächen, die von Arbeitsschneidenelementen (16) durchlaufen werden. Auf diese Weise kann mitunter eine größere Gleichförmigkeit der Werkstückoberfläche erzielt werden.

Bei den restlichen Arbeitsschneiden Ia bis Ie ist offen­ gelassen, ob die Schneidenprofile symmetrisch oder unsym­ metrisch sein sollen. Hier kommt beides in Betracht, etwa das wellenförmige Profil nach Ia mit unterschiedlicher bzw. veränderter Wellenhöhe, das Trapezprofil Ib oder das Wellen­ profil Ie mit gerundeter Schneidenschulter (91), die Wellen­ form Id mit sich ändernder Wellenbreite, die Wellenform nach Ie, wobei sich Breite und Höhe der Wellen ändern und zudem im Bereich der Bohrerachse (13) eine kleine Unsymmetrie vor­ gesehen ist, oder die Arbeitsschneide Ic mit eingeformten flachen Rinnen. Bevorzugt wird derzeit jedoch stets, daß sich die Breite der Spannuten im Ansatz an der Arbeits­ schneide nach innen verjüngt. Ferner sollte bei unsymme­ trischer Schneidenausbildung angestrebt werden, die Schneid­ momente beider Arbeitsschneiden I und II auszugleichen. Es müssen also die Summen der Produkte aus Spanquerschnitt und Hebelarm zur Bohrerachse an beiden Arbeitsschneiden konstant sein.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine vergleichbare Ausführung eines Dreischneiden-Spiralbohrers mit den Arbeitsschneiden I, II, III. Dort sind z. B. die Arbeitsschneiden I und III mit je­ weils drei identisch bzw. symmetrisch angeordneten, trapez­ förmig in gleichen Abmessungen ausgebildeten Spanbrecher­ nuten (15) und (153) versehen. Sie beschreiben identische Umlaufkreise wobei sich die Umlaufkreise der Spanbrecher­ nuten (152) der Arbeitsschneide II dazwischen einfügen. Die Arbeitsschneidenelemente (16) der Arbeitsschneiden I und III beschreiben wieder die gleichen Umlaufkreise, und der Zwi­ schenraum wird von den Schneidelementen (16) der Arbeits­ schneide II bedient.

Ähnlich verhält es sich mit der Anordnung II-III, wobei die Spanbrechernuten durch sinusförmige Wellenformen gebil­ det werden, während in der Reihe I2 bis III2 bei rechteck­ förmigen Spanbrechernuten die beiden inneren Nuten wenig­ tens nahezu identisch angeordnet sind und am äußeren Schneidenende jeweils eine Rundschulter (17) angebracht ist.

Die Nutenanordnung der Reihe III3 entspricht wieder der vorgeschilderten Anordnung mit einer Ausbildung als flache Rinne. In den Reihen I4-III4 ist wieder eine sinusförmige Wellenausbildung vorgesehen, die dort rotationssymmetrisch ist, während bei I5-III5 sich die Wellenform in Breite und Tiefe ändert und anstelle einer Schneidenecke wiederum eine Rundschulter (17) vorgesehen ist. Die Reihen I6-III6 und I7-III7 betreffen dagegen Anordnungen mit drei rotations­ symmetrischen Arbeitsschneiden.

Bei dem Dreischneidenbohrer lassen sich ebenso wie bei einem Bohrer mit vier oder mehr Arbeitsschneiden unsymmetrische Anordnungen vorsehen, wobei zweckmäßigerweise wenigstens zwei ggf. gegenüberliegende Schneiden rotationssymmetrisch ausgebildet werden.

Die Spanbrechernuten können durch einen Hohlschliff, also mit einem auch in Längsrichtung der Nut konkav gewölbten Boden ausgeführt werden. Es kann aber auch zweckmäßig sein, diesen Boden leicht konvex auszuführen, insbesondere dann, wenn auf diese Weise die Nut allmählicher aus dem Bereich der Hauptfreiflächen herausgeführt werden soll. Im Prinzip kann sie auch durch diese Freifläche hindurchgeführt werden und dann die beiden Spannuten verbinden.

Die meisten der hier gezeigten Spanbrechernuten haben eine Breite, die um wenigstens 80% größer ist als ihre Tiefe, bei allen Nuten sind zudem die Seitenflächen zur Arbeits­ schneide um weniger als 90° geneigt.

Anstatt die Nuten trapezförmig zu gestalten, kann es mit­ unter zweckmäßig sein, wenigstens eine innere und/oder äußere Nutkante abzurunden, soweit man nicht eine sinus­ artige Wellenform bevorzugt. Ferner können Spannuten mit symmetrischem und asymmetrischem Querschnitt sowie gleicher und unterschiedlicher Querschnittsfläche auch an derselben Arbeitsschneide kombiniert werden.

Die Erfindung ist hier zwar ausschließlich für die Haupt­ schneide eines Spiralbohrers beschrieben, sie kann aber im Prinzip auch bei vergleichbaren Werkzeugen, etwa Bohrsenker, Bohrfräser und dgl. vorgesehen werden und im Prinzip auch an der Nebenschneide (10) bzw. einer anderen Umfangsschneide zum Einsatz gebracht werden.

In den Fig. 4 und 6 sind die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 3 eingesetzt. Ein Vergleich läßt jedoch erkennen, daß bei der Dreischneidenausführung Ausspitzungs­ nuten (20) angesetzt worden sind und eine Zentrierspitze (21) durch drei sternförmig zusammenlaufende Schneiden (22) mit negativem Spanwinkel gebildet ist. Im übrigen ist die Schneidengeometrie nur insoweit geändert, wie dies durch den Übergang der Zweischneidenausführung zur Dreischneiden­ ausführung notwendig geworden ist.

Bei den Ausführungen Fig. 3 und 6 ist erkennbar, daß die Spanbrechernuten (15, 151, 152, 153) rückseitig der jewei­ ligen Hauptschneide (I bis III) im Bereich der Hauptfrei­ flächen (8) auslaufend in den jeweiligen Bohrerflügel ein­ geformt sind. Fig. 3 ist in Übereinstimmung mit Fig. 1 an der Arbeitsschneide I mit zwei Spanbrechernuten (15) versehen, welchen asymmetrisch drei Spanbrechernuten (151) an der Arbeitsschneide II zugeordnet sind. Diese Spanbrechernuten verlaufen jeweils geradlinig unter einem Winkel zu einer vom Nuteintritt an der Arbeitsschneide ausgehenden Axialebene. Dadurch wird der Span unmittelbar nach dem Schnitt und damit radial abgelenkt und unter Umständen dabei gebrochen.

Dagegen sind gemäß Fig. 6 in allen drei Arbeitsschneiden (I bis III) - abweichend von Fig. 4 - jeweils zwei Spanbrecher­ nuten (15, 152 und 153) mit gleichem Radialabstand von der Bohrerachse (13) und damit rotationssymmetrisch eingeformt. Diese Nuten laufen dort zudem nicht linear, sondern gehen tangential zum Umlaufkreis von der jeweiligen Bohrerschneide aus und sind den Krümmungen der jeweiligen Umlaufkreise ent­ sprechend angepaßt. Auch die dabei bewirkte Radialablenkung kann ein Brechen der dünnen Späne zur Folge haben.

Die Spitzenwinkel der Bearbeitungswerkzeuge lassen sich dem Bearbeitungszweck und dem Werkstück- und Werkzeugstoff ent­ sprechend ebenso unterschiedlich gestalten wie beispiels­ weise die Spiralensteigung, Spanwinkel und dgl. Daten der Schneidengeometrie. Grundsätzlich können auch regelmäßige und unregelmäßige Formen von Arbeitsschneiden und Spannuten kombiniert werden.

Claims (15)

1. Spanabhebendes Bearbeitungswerkzeug mit gerader oder spiralenförmiger Spannut, insbesondere Bohrer, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Arbeitsschneide (I, II) mit wenigstens einer quer zu ihr eingeformten Spanbrechernut (15) versehen ist.

2. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1 mit wenigstens zwei Arbeitsschneiden (I, II), dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens zwei Arbeitsschneiden mit mindestens je einer einge­ formten Spanbrechernut (15) versehen sind und die Länge der Arbeitsschneiden (I, II) und die Breite und Anordnung der Spanbrechernuten (I, II) und die Breite und Anordnung der Spanbrechernuten (15, 151) so aufeinander abgestimmt sind, daß das bei der Bearbeitung auf den Spiralbohrer wirkende Torsionsmoment symmetrisch zur Bohrerachse (13) wirkt.

3. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei bzw. je zwei Arbeits­ schneiden (I, II) rotationssymmetrisch ausgebildet, insbe­ sondere unter gleichen oder ungleichen Teilungswinkeln zueinander angeordnet sind.

4. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spanbrechernuten (15, 151) wenigstens zweier Arbeitsschneiden (I, II), insbesondere aller Arbeits­ schneiden (I-III) rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sind.

5. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwischen den Spanbrechernuten (15) am Bearbeitungswerkzeug verbleibenden, vorragenden Schneiden­ teile (16) der einzelnen Arbeitsschneiden (I-III) asymmet­ risch zur Bohrerachse und einander rotatorisch überlappend angeordnet sind.

6. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Seitenkanten (19), vorzugsweise die ganzen Endkanten (18) der Span­ brechernuten (15) als Schneiden geschliffen sind.

7. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanbrechernuten (15) durch einen Hohlschliff mit in ihrer Längsrichtung konkav gewölb­ tem Nutgrund ausgebildet sind.

8. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Seitenfläche wenigstens einer Spanbrechernut (15) zur Arbeitsschneide (I- III), vorzugsweise um weniger als 90° geneigt ist.

9. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Spanbrechernut (15) trapezförmigen Querschnitt hat.

10. Bearbeitungswerkzeug nach wenigstens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Spanbrechernut (15) einen rinnenartig gerundeten Boden hat (Ic).

11. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt wenigstens einer Spanbrecher­ nut als flacher Korbbogen ausgebildet ist.

12. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine innere und/oder äußere Kante wenigstens einer Spanbrechernut (15) abgerundet ist.

13. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querkanten wenigstens einer Spanbrechernut (15) und einer anschließenden Erhebung einer Arbeitsschneide (II, III) zu einer insbesondere sinusartigen Wellenlinie (Id, Ie) verbunden sind.

14. Bearbeitungswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Spanbrechernut (15) asymmetrischen Querschnitt hat.

15. Bearbeitungswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit insbesondere gleichen Arbeitsschneiden (I-III) mit Spanbrechernuten (15) unterschiedlichen Querschnitts und ggf. unterschiedlicher Anordnung ausgestattet ist.