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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bohreinheit mit einem Bohrer,
der einen Kühlkanal
hat, und mit einer Vorrichtung zum Zuführen von Kühlfluid zu dem Kühlkanal
des Bohrers.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Maschinenindustrie hat zu allen Zeiten eine Produktivitätssteigerung
und Qualitätsverbesserung
angestrebt. Um dies beim Lochschneiden zu erreichen, was eine der
schwierigsten Tätigkeiten
in der Maschinenindustrie darstellt, strebt man gewöhnlich die
Erhöhung
der Schneiddaten des Bohrers an, um auf diese Weise eine höhere Produktivität zu erhalten.
Eine höhere
Schneidgeschwindigkeit ergibt auch eine glattere Oberfläche, weil
die Gratbildung abnimmt. Ein Problem bei erhöhter Schneidgeschwindigkeit,
insbesondere beim Bohren in Metall, besteht jedoch darin, daß ein starker
Abrieb der Bohrerecken infolge der hohen Temperatur erhalten wird, die
bei der Bearbeitung entsteht. Zur Verminderung des Abriebs wird
Kühlflüssigkeit
zugeführt,
kürzlich mittels
Kühlkanälen, die
in dem Bohrer geformt sind. Ein Beispiel eines solchen Bohrers ist
in der US-A-5,173,014 gezeigt, welche einen Bohrer mit zwei vollständigen Zähnen, zwei
umfangsmäßig arbeitenden
Zähnen
und zwei Kühlkanälen beschreibt. Bei
Verwendung einer Anzahl von Zähnen
erhält
man eine vorteilhaftere Kraftverteilung des Bohrers, wodurch die
Präzision
des Bohrers erhöht
wird. US-A-5,174,691 zeigt einen Langbohrer mit einem mittigen Kühlkanal,
der mit zwei Öffnungen
komplettiert ist. Für
einen guten Spantransport bei langen gebohrten Löchern wird die Kühlflüssigkeit
mit einem Druck von etwa 5500 kPa zugeführt.
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Die
US-A-5,569,035, auf welche der Oberbegriff des unabhängigen Anspruches
1 zurückgeht, zeigt
einen Bohrer, der drei Schneidkanten hat, um die Möglichkeit
des Überhitzens
des Kernaufbaus dadurch zu verringern, daß die benötigte Hauptschneidkraft und
die für
den Vorschub des Bohrers notwenige Zeit reduziert werden.
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Es
wurde auch gezeigt, daß das
Erreichen von Löchern
schwierig ist, welche enge Toleranzen erfordern, wenn man herkömmlich bohrt,
und der Vorschub des Bohrers muß oft
infolge der Tatsache beschränkt
werden, daß hohe
axiale Kräfte
gefordert werden. Ein zur Verfügung
stehendes Verfahren, welches gute Toleranzen vorsieht und niedrige
Axialkraft erfordert, ist das Tiefbohren. Bei diesem Verfahren sind
jedoch eine gute Steuerung des Bohrers und kleine Vorschübe erforderlich,
wodurch sich eine niedrige Herstellungsrate ergibt. Diese Erfordernisse führen dazu,
daß es
oft nicht möglich
ist, dieses Verfahren zu benutzen, aber herkömmliches Bohren wird mit einer
Nachbehandlung mit Reibahle verwendet. In vielen Fällen müssen außerdem die
Löcher nachgebohrt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Erreichen einer Bohreinheit,
die mit den vorgenannten Nacheilen nicht behaftet ist und die bei
einer langen Lebensdauer des Bohrers eine hohe Produktivität außer dem
Aufgeben der Qualität
der Löcher zuläßt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Den
Zweck der Erfindung erhält
man mittels einer Bohreinheit mit einem Bohrer mit einem Kühlkanal
und mit einer Vorrichtung zum Zuführen von Kühlfluid zu dem Kühlkanal
des Bohrers, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Bohrer
drei Zähne
aufweist, deren erster sich vom Umfang des Bohrers in seine Mitte
erstreckt, während
der zweite und der dritte Zahn sich vom Umfang des Bohrers einwärts erstrecken,
ohne sein Zentrum zu erreichen, daß sich der Kühlkanal
axial in das Zentrum des Bohrers erstreckt und im Spitzenpunkt des
Bohrers abgebogen ist, so daß er
in dem Raum zwischen dem Zentrum und den Endpunkten des zweiten
und dritten Zahnes herauskommt, sowie die Zuführanordnung für das Kühlfluid
für das
Zuführen
von Fluid unter hohem Druck verwendet wird. Durch Ausgestalten des
Bohrers mit drei Zähnen
wird eine hohe Produktivität
mit engen Toleranzen der gebohrten Löcher ermöglicht, während gleichzeitig nur eine
kleine axiale Vorschubkraft erforderlich ist und nur einer der Zähne in der Mitte
des Loches arbeitet. Mittels des Zuführens des Kühlmediums unter hohem Druck
wird eine wirksamere Kühlung
erhalten, was zu einem kleineren Abrieb des Bohrers und einem geringeren
Risiko für strukturelle
Veränderungen
in dem bearbeiteten Material führt.
Gleichzeitig wird der Spantransport erleichtert unter Vorsehen eines
verringerten Risikos für
das Unterbrechen der Späne,
den Werkzeugausfall und Beschädigungen
auf den Lochoberflächen. Da
sich der Kühlkanal
im wesentlichen in die Bohrermitte erstreckt, wird eine maximale
Festigkeit des Bohrers erhalten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Druck des zugeführten
Kühlfluids
größer als
3000 kPa, und die Zähne
sind ungleichmäßig um den
Bohrerumfang herum verteilt, wobei der Winkel, umfangsmäßg zwischen
dem ersten Zahn und dem zweiten bzw. dritten Zahn gesehen, 110° bzw. 200° beträgt. Ferner
sind teilweise konische Schlitze in dem Bohrkern zwischen den drei
Zähnen
geformt, welche Schlitze sich zur Bohrermitte erstrecken. Die teilweise
konischen Schlitze sind vorzugsweise unter Verwendung desselben
Werkzeuges, welches ein konisches Schleifwerkzeug bildet, gestaltet,
dessen Erzeugende bei der Bearbeitung des Bohrkerns einen Winkel
von mindestens 30° zur
Bohrerachse bildet.
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Ein
sehr wichtiger Unterschied, wenn sich nur ein Zahn zur Rotationsmitte
erstreckt, relativ zu der Situation, wenn zwei Zähne sich in diese erstrecken
können,
besteht darin, daß einer
eine gestörte Meißelkante
und ihre negative Schneidgeometrie ganz (100%) vermeidet, welche
pflügt
statt schneidet. Infolge der Tatsache, daß es keine Meißelkante gibt,
ist das Kraftbild so verändert,
daß mehr exzentrische
bzw. in schlechterem Zustand befindliche oder schwache Einzelteile
in der Längsrichtung
des Loches weniger Federwirkung haben, was zu besseren Toleranzen
führt.
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Für Bohrer
mit einer großen
Meißelkante
entspricht 20% des Lochdurchmessers im Lochzentrum 80% der axialen
Kraft. Ein kleiner Teil der Reduktion der Axialkraft kann mit hohen
Schneidfluiddrücken wiedergewonnen
werden.
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Wenn
der Freiwinkel vom geometrischen Standpunkt nicht groß genug
gemacht werden kann bei Bohrern mit zwei oder mehreren Zähnen, die
sich zur Mitte erstrecken, ist es von der Geometrie klar, daß dieses
Problem merklich besser gelöst
wird, wenn man nur einen Zahn hat, der sich zur Mitte erstreckt.
Dies wird zum Eliminieren der negativen Belastung gemacht, welche
der Freiwinkel im Zentrum hat.
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Nach
unserer Beurteilung hat die Erfindung gemäß der US-A-5,173,014 das Problem
nicht mit einer hohen Vorschubkraft in der axialen Bahn gelöst, was
die Konsequenz bei Zähnen
ist, die sich zur Mitte erstrecken, statt daß man nur einen Zahn hat. Nur
ein Zahn, der sich zur Mitte erstreckt, ermöglicht das Erhalten positiver
Schneidwinkel am Zentrum.
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Ein
zusätzlicher
Aspekt besteht darin, daß es erheblich
schwieriger ist, vier Punkte auf einem Kreis zusammenfallen zu lassen
als drei Punkte mit der Folge einer besseren Zylindrizität des vollständigen Loches
infolge eines nachteiligen Kraftbildes, bei differenzierten Winkeln,
und im vorliegenden Fall gibt es eine Möglichkeit, das Risiko selbsterzeugter
Torsionsschwingungen zu reduzieren. Ferner hat ein Bohrer mit vier
Zähnen
einen kleineren Spanraum, was zu erhöhten Spanproblemen führt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, bei denen gilt:
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1 zeigt
eine Ansicht eines Tiefbohrers bei einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Bohreinheit
von unten,
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2 zeigt
eine Seitenansicht des Spitzenpunktes des Tiefbohrers der 1 und
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3 und 4 zeigen
dieselben Ansichten eines Halbdrehbohrmeißels wie 1 bzw. 2 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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Beschreibung
von Ausführungsformen
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In
den 1 und 2 ist bei einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung der unterste Teil eines Bohrers 1 gezeigt,
der mit einer nicht gezeigten Bohreinheit verbunden ist, die eine
Vorrichtung zum Zuführen
von Kühlflüssigkeit
unter hohem Druck zu einem axialen, im wesentlichen zentral verlaufenden
Kühlkanal 2 in
dem Bohrer 1 enthält.
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Der
Bohrer 1 hat drei Zähne 3, 4, 5,
von denen sich nur der erste Zahn 3 vom Umfang des Bohrers
ganz zu seinem Zentrum erstreckt. Die Zähne 4 und 5 enden
in einem Abstand vor dem Zentrum, und ihre inneren Enden sind in
demselben Abstand von der Mitte angeordnet. Die Kanten 6, 7 bzw. 8 der
Zähne 3, 4, 5 erstrecken
sich alle radial vom Umfang zur Mitte hin, und der Winkel zwischen
den Kanten 6 und 7, 7 und 8 bzw. 8 und 6 betragen
jeweils 140, 110 bzw. 110°.
Die Kanten 6, 7, 8 haben alle einen inneren
und einen äußeren Teil,
wobei der innere Teil nächst
dem Bohrerzentrum einen großen
Winkel zur Bohrerachse bildet, während
die äußeren Teile
einen spitzeren Winkel bilden. Wie zuvor erwähnt, hat nur der Zahn 3 eine
Kante 6 mit einem inneren Teil, der sich ganz zur Bohrermitte
erstreckt. Die Zähne 4 und 5 arbeiten
mittels dieser Ausgestaltung im wesentlichen am Umfang.
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Da
die Zähne 4 und 5 sich
nicht zur Bohrermitte erstrecken, sind diese weniger kraftwirksam
als der Zahn 3, unterstellt man, daß die Zähne um den Bohrerumfang ungleichmäßig verteilt
sein müssen, um
die gewünschte
Kraftverteilung beim Bohren zu erhalten. Ferner sorgt der innere
Teil des Zahnes 3, der sich zum Bohrerzentrum hin erstreckt,
für unterschiedliche
Beiträge
zu der Gesamtkraft je nach dem Material im Werkstück. Die
Winkel zwischen dem Zahn 3, der sich zur Mitte hin erstreckt,
und den anderen zwei Zähnen
können
deshalb zwischen 135 – 145,
105 – 115
bzw. 215 – 225° differieren.
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Die
Zähne 3, 4 und 5 verändern sich
jeweils zu Stegen 9, 10 bzw. 11, die
sich axial längs
des Bohrers 1 erstrecken. Die Stege 9, 10, 11 sind
mit Randstreifen 12, 13 bzw. 14 versehen.
Ferner ist der Bohrkern an dem Spitzenpunkt des Bohrers mit Schlitzen 15, 16, 17 versehen,
die sich zwischen dem entsprechenden Nachbarzahn vom Umfang des
Kerns zum Bohrerzentrum erstrecken. Diese Schlitze werden mit Unterstützung eines
konischen Körpers
erhalten, wobei derselbe konische Körper vorzugsweise für das Erreichen
aller Schlitze verwendet wird. Somit haben die Schlitze dieselbe
Form wie ein Abschnitt der Hülloberfläche des
konischen Körpers.
In der vorliegenden Beschreibung wird diese Form „teilweise konische
Form" genannt. Der
Konuswinkel dieses konischen Körpers
ist vorzugsweise größer als
60°, und
der konische Körper
ist vorzugsweise beim Arbeiten des Bohrkerns in solcher Weise ausgerichtet, daß seine
Erzeugende einen Winkel von mindestens 30° zur Bohrerachse bildet. Der
konische Körper
wird auch vorzugsweise dafür
benutzt, Sorge dafür
zu tragen, daß die
inneren Kantenteile der Zähne 4, 5 in dem
beabsichtigten Abstand vom Bohrerzentrum abschließen.
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Der
Kühlkanal 2 kommt
in dem Raum zwischen den inneren Teilen der Zähne 3 und 4 heraus und
läuft somit
im Spitzenpunkt des Bohrers geneigt zu der Bohrerachse. Weil sich
der Kühlkanal
im wesentlichen längs
der Bohrerachse erstreckt, wird eine maximale Festigkeit des Bohrers 1 erhalten.
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Da
sich der Zahn 3 zum Bohrerzentrum erstreckt, hat der Bohrer 1 keine
Meißelkante,
wodurch der sogenannte Pflügeeffekt,
der an der Meißelkante herkömmlicher
Doppelschneidbohrer erscheint, ausgeschaltet ist, was zu einem hohen
Maß die
plastische Deformation des bearbeiteten Materials am Lochende verringert.
Dadurch erhält
man den Vorteil, daß nur
eine leichte Gratbildung am Ende des Loches auftritt und ein kleiner Überstand
des bearbeiteten Materials beim Durchbohren entsteht. Im Vergleich
zu Bohrern mit zwei Zähnen,
die im Zentrum des Bohrers arbeiten, ist eine geringere Vorschubkraft
eines erfindungsgemäßen Bohrers
bei demselben Vorschub pro Umdrehung erforderlich. Die am Umfang
arbeitenden Zähne 4 und 5 tragen
dazu bei, daß ein
höheres
Volumenschneiden auftritt, als wenn nur ein Zahn benutzt würde, und
ermöglichen
das Erreichen eines Kraftgleichgewichtes zwischen den drei Zähnen, so
daß der
Bohrer während
des ganzen Betriebs ein festes Drehzentrum hat. Ferner tragen die
Zähne 4, 5 dazu
bei, eine gute Qualität
der Lochoberflächen
vorzusehen, vorausgesetzt, daß in
einigen Fällen
nach dem Abschließen
des Bohrens keine Nachbehandlung der Oberflächen erforderlich ist. Da der
Bohrer 1 mit einem Kraftgleichgewicht und einer guten Steuerung
mittels der drei Randstreifen arbeitet, gibt es weniger Vibrationen
des Bohrers im Betrieb, und das Risiko der Exzentrizität des gebohrten Loches
ist klein. Das Risiko der Exzentrizität mittels Verbiegen langer
Bohrer verringert sich ebenso infolge der Tatsache, daß nur eine
kleine axiale Vorschubkraft erforderlich ist, wenn ein Bohrer gemäß der Erfindung
betrieben wird.
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Eine
Vorbedingung, um in der Lage zu sein, den beschriebenen Bohrer in
wirksamer Weise zu betreiben, d.h. mit hoher Geschwindigkeit und
Vorschubgeschwindigkeit, besteht darin, daß das Kühlmedium unter hohem Druck
zugeführt
wird. Zu diesem Zweck ist die Bohrmaschine, das Bohrwerkzeug oder
dergleichen, in welchem der Bohrer 1 gehaltert ist, mit
einer Vorrichtung zum Zuführen
von Kühlmedium
unter hohem Druck zu dem Kühlkanal 2 versehen.
Die Vorrichtung kann zum Beispiel aus einer Pumpe gebildet sein,
zum Beispiel einer mit einem Getriebe angetriebenen Pumpe von PARKER,
USA, welche Kühlmedium
pumpt, zum Beispiel eine Schneidfluidemulsion KFL 350 BIO von QUAKER, USA
aus einem Tank. Die Pumpe sollte eine Verdrängung von mindestens K · D2 haben, wobei K = 0,15 l/Min. und D = Bohrdurchmesser,
und der Druck des Kühlmediums
sollte mindestens 3000 kPa betragen. Der Übergang zwischen der stationären Leitung
von der Pumpe zu dem sich drehenden Kühlkanal im Bohrer wird mittels
eines Drehteils vorgesehen, vorzugsweise eines Drehteils von WTO,
Deutschland. Andere Komponenten einer Bohrmaschine, eines Bohrwerkzeuges
oder dergleichen mit einer Bohreinheit gemäß der Erfindung sind herkömmlich und brauchen
im einzelnen nicht genauer beschrieben zu werden. Es sei bemerkt,
daß der
Bohrer 1 bei allen Arten von Bohrwerkzeugen oder dergleichen
verwendet werden kann, die mit einem Hoch druckgerät gemäß der Erfindung
versehen sind. Die Gestaltung des Bohrwerkzeuges selbst in anderer
Hinsicht stellt nicht Teil der Erfindung dar und braucht daher in
den Zeichnungen nicht veranschaulicht zu werden.
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Beim
Zuführen
einer Kühlflüssigkeit
wird ein Dampffilm mit der größten Erstreckung
an den äußersten
Enden der Kanten gebildet, welche die Teile der Zähne bilden,
die mit der höchsten
Geschwindigkeit laufen. Dieser Film isoliert die Kanten von der umgebenden
Kühlflüssigkeit
und macht es schwieriger, die Wärme
von dort zu beseitigen. Durch Zuführen der Kühlflüssigkeit unter hohem Druck
werden sowohl die Dicke als auch die Erstreckung des Dampffilms
merklich verringert, und die Beseitigung der Wärme wird merklich erleichtert.
Dadurch kann die Temperatur der Kanten niedrig gehalten werden, was
zu einem verringerten Abrieb führt,
der besonders an den äußeren Ecken
bemerkenswert ist, sowie zu einem geringeren Risiko für strukturelle
Umformungen in dem bearbeiteten Material. Das Risiko der Auftragsschweißung, zum
Beispiel an den Randstreifen, wird merklich verringert. Außer dem
Kühlen des
Bohrers sorgt das Kühlmedium
für ein
gutes Schmieren der Randstreifen, so daß die Reibung zwischen diesen
und der Lochoberfläche
klein wird.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil mit einem hohen Druck des Kühlmediums
besteht darin, daß das Beseitigen
der Späne
von dem Spitzenpunkt des Bohrers zu den Räumen zwischen den Stegen 9, 10, 11 und
längs dieser
Räume deutlich
verbessert ist. Dadurch sind die Risken der Spanunterbrechung, des
Werkzeugausfalls und von Beschädigungen
auf den Lochoberflächen
wesentlich verringert.
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Die 3 und 4 zeigen
dieselben Ansichten wie 1 bzw. 2 eines Halbdrehbohrmeißels 18 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
Erfindung. In ähnlicher
Weise hat dieser Bohrer drei Zähne 19, 20, 21 mit
Kanten 22, 23, 24. Nur die Kante 22 des
Zahnes 19 arbeitet im Zentrum des Bohrers und erreicht
dieses. Die Kanten 23, 24 der Zähne 20, 21 halten
vor dem Bohrerzentrum an, und die Schlitze 25, 26 erstrecken
sich zwischen den inneren Enden dieser Kanten und dem Bohrerzentrum. Ein
Kühlkanal,
der in 4 nicht gezeigt ist, erstreckt sich zentral in
der Bohrkernmitte und ist in gleicher Weise wie bei dem Bohrer der
ersten Ausführungsform
im Spitzenpunkt des Bohrers gebogen, so daß er an der Seite des Zentrums
des Bohrers herauskommt. Die Öffnung
des Kühlkanals 27 ist
in 3 gezeigt. Die Zähne 19, 20, 21 formen
sich in schraubenförmige
Stege um, von denen der Steg 28 des Zahnes 19 mit
seinem Randstreifen 29 gezeigt ist.
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Die
Kanten des Bohrers 18 sind in gleicher Weise wie bei dem
Bohrer 1 in solcher Weise geformt, daß beim Bohren ein Kraftgleichgewicht
entsteht. Der Bohrer 18 zeigt dieselben Vorteile und guten
Eigenschaften wie der Bohrer 1.
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Das
Material der Bohrer ist bevorzugt Hartmetall, aber es können auch
andere Materialien, wie Hochgeschwindigkeitsstahl (HSS), verwendet
werden. Es ist auch möglich,
daß der
Schaft aus einem anderen Material gebildet sein kann als der Spitzenpunkt
bzw. die Bohrmeißelspitze
des Bohrers.