DE60131158T2

DE60131158T2 - Bohrer mit verbesserter schneideinsatzformation

Info

Publication number: DE60131158T2
Application number: DE60131158T
Authority: DE
Inventors: Jan Edvardsson; Jörgen Wiman; Ake SJÖLANDER
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: EP1280625B1; JP2009000811A; CN1213830C; WO2001076794A1; EP1280625A1; SE0001347D0; KR100676241B1; ATE376900T1; RU2277458C2; SE0001347L; CN1422196A; DE60131158D1; SE0100646D0; BR0110000A; KR20020091197A; SE523702C2; SE519575C2; PL196746B1; PL357764A1; US7393163B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bohrer mit einem im wesentlichen massiven Schaft mit einem ersten, eine Spitze bildenden Ende, welches mindestens zwei Schneidkanten aufweist zum schneidenden Bearbeiten von metallischen Werkstücken, um Löcher in diesen herzustellen, einem entgegengesetzten zweiten Ende und einer Anzahl von Hohlkehlen, welche der Anzahl von Schneidkanten entspricht und sich von dem spitzen Ende zu dem anderen Ende hin erstrecken mit dem Zweck, Späne zu bilden und von der entsprechenden Schneidkante zu entfernen.
Hintergrund der Erfindung und Beschreibung des Standes der Technik
Die Hohlkehlen z. B. eines Spiralbohrers haben zwei wichtige Funktionen, nämlich auf der einen Seite das Bilden von Spänen (einschließlich Spanbrechen) und auf der anderen Seite das Entfernen dieser gebildeten Späne. Die Spanbildung erfolgt in einem Raum unmittelbar hinter jeder Schneidkante unabhängig davon, ob die Kante durch ein Schärfen der Bohreroberseite als solche gebildet ist oder durch einen getrennten Schneideinsatz, der auf der Spitze mechanisch oder z. B. durch Löten befestigt ist. In diesem vorderen Raum einer Hohlkehle wird das anfänglich bandartige Material, welches durch die Schneidkante von einem Werkstück abgetrennt wird, sich zu kräuseln und zu brechen gezwungen, wodurch getrennte Späne mit einer speziellen Form und Größe erzeugt werden.
Beim Ausgestalten von Bohrern der vorstehenden Art gibt es oft die Schwierigkeit, gewünschte hohe Schneidgeschwindigkeiten zu erreichen, weil die thermischen Brüche oft an der aktiven Schneidecke auftreten, wo sich diese thermischen Brüche gewöhnlich zeigen.
Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung, eine neue Art Bohrer zu schaffen, der in der Lage ist, während des Metallbohrens höhere Schneidgeschwindigkeiten zu erreichen.
Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, einen neuen Bohrertyp vorzusehen, bei welchem die Einsätze eine solche optimierte Ausbildung haben, daß eine hohe Schneidgeschwindigkeit ermöglicht wird, ohne die Oberflächenausführung der Lochwand in dem zu bohrenden Loch zu beeinträchtigen.
Es ist eine dritte Aufgabe, einen Bohrer zu schaffen, bei welchem den Bohrereinsätzen eine solche optimierte Ausbildung gegeben wurde, daß eine erhöhte Schneidgeschwindigkeit während des Rohrens ermöglicht wird, während eine gute Lebensdauer des Bohrwerkzeuges erhalten bleibt.
Diese und andere Aufgaben werden mittels eines Bohrers gelöst, dem die kennzeichnenden Merkmale gegeben wurden, die in den anliegenden Ansprüchen dargelegt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen ist:
1 eine perspektivische Ansicht eines Bohrers gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Längsansicht eines Bohrers, wie er in 1 gezeigt ist,
3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Bohrerspitze, wie in 2,
4 eine vergrößerte Seitenansicht des Nasenabschnittes des Bohrereinsatzes, wie in 3,
5 eine auseinandergezogene Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,
6 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform in 5,
7 eine perspektivische Ansicht unter Darstellung einer alternativen Ausführungsform,
8 eine etwas vergrößerte Seitenansicht unter Darstellung eines Bohrers nach 7,
9 eine vergrößerte Seitenansicht des Nasenabschnittes eines Bohrereinsatzes gemäß einer alternativen Ausführungsform und
10 eine Querschnittsansicht eines Bohreinsatzes gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
In den Zeichnungen bezeichnet 1 allgemein einen massiven Schaft aus einem geeigneten Werkzeugstahl mit einem ersten Ende oder einer Spitze 2 und einem entgegengesetzten zweiten Ende 3. An diesem zweiten, hinteren Ende hat der Schaft der dargestellten Ausführungsform einen dickeren Teil 4, der für das Einsetzen in einen Halter geeignet ist. Von einem Kern ragen zwei Anschlußflächen 6, 6' heraus, welche zwei Hohlkehlen 7, 7' begren zen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Bohrer ein Spiralbohrer, auf welchem sich die Anschlußflächen 6, 6' sowie die Hohlkehlen 7, 7' schraubenförmig um die Längsachse des Schaftes erstrecken. In der Praxis haben diese Hohlkehlen in bekannter Weise zweckmäßig einen gleichmäßigen Steigungswinkel im Bereich von 20–30°. Als alternative Ausführungsformen könnten diese Hohlkehlen 7, 7' gerade sein. An der Spitze 2 sind zwei Schneidkanten 8, 8' vorgesehen, die in diesem Falle auf speziellen Schneideinsätzen 9, 9' gebildet sind, die in zweckmäßiger Weise an der Spitze befestigt wurden, z. B. durch Verlöten. Diese Schneidkanten 8, 8' könnten jedoch ebensogut durch Schleifen geeignet geformter Oberflächen auf dem Schaft als solchen oder auf einem Teil gebildet sein, der von dem Schaft lösbar ist. Es sei auch bemerkt, daß der Schaft 1 mit einer oder mehreren axialen Leitungen (siehe 3) versehen sein kann, welche zu zwei Öffnungen 10, 10' in der Nachbarschaft der Schneidkanten 8, 8' führen. In bekannter Weise kann Kühlmedium durch diese Leitungen zu der Bohrerspitze zugeführt werden. Der Begriff "massiver Schaft", wie er in der vorliegenden Beschreibung und in folgenden Ansprüchen benutzt wird, hat den Zweck, den Bohrer gemäß der Erfindung von solchen Bohrern zu unterscheiden, die rohrartige Schäfte haben, es werden aber nicht solche Schäfte ausgeschlossen, die eine oder mehrere Leitungen für ein Kühlmedium in einem ansonsten massiven Körper haben.
Gemäß der Erfindung sind die Endabschnitte der Kantenoberflächen des Einsatzes in der Form von gekrümmten Nasenabschnitten (bzw. Vorsprungabschnitten) 11, die vorzugsweise auf Eckenabschnitten vorgesehen sind, welche sich von dem übrigen Teil des Einsatzes erstrecken. Die Oberfläche mit dem Nasenradius eines jeden solchen Eckenabschnittes 11 soll aus einer Vielzahl von kreisförmigen Segmenten zusammengesetzt sein, die sich mit der oberen Fläche des Einsatzes an Schneidlinien schneiden, welche Kantenabschnitte mit verschiedenen unterschiedlichen Radien R₁, R₂ und R₃ bilden, wie in 4 gezeigt ist. Wenn verschiedene Radien vorgesehen sind, erscheinen immer benachbarte Segmente mit unterschiedlichen Radiusabschnitten längs der Kantenabschnitte. Der Radius R₂ soll immer wesentlich größer sein als R₁, wodurch eine Oberflächenausführung vorgesehen wird, welche den "Abstreifereffekt" längs der Kante d verbessert. Dies gilt sowohl während des axialen Rohrens nach vorn in das Werkstück hinein wie auch während des axialen Versetzens des Bohrers in eine entgegengesetzte Richtung. Der Radius R₃ ist etwas kleiner als sowohl R₁ als auch R₂.
Die geraden Kanten 8, 8' der Bohrerspitze sind so geformt, daß sie sich gegenseitig in dem Bohrzentrum 12 unter einem stumpfen Winkel treffen, wo sie zusammen längs der Schneid kanten eine S-förmige Kontur und positive Spanflächen vorsehen. Die Krümmung dieser Schneidkanten 8, 8' ist in der Nachbarschaft der Bohrmittenlinie CL größer als weiter von dieser weg. Die Spanflächen sind in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Mittenlinie an einem Spanwinkel 0 vorgesehen. Diese S-förmige Kontur in Kombination mit dem 0°-Spanwinkel im Zentrum trägt zur Bildung kurzer, kommaförmiger Späne bei, die leicht entfernt werden können. Die Ausbildung der Schneidkanten 8, 8' und die Ausbildung der Spanflächen ist in größerer Einzelheit in dem schwedischen Patent SE-B-440 324 beschrieben.
5 zeigt einen alternativen Bohrer gemäß der Erfindung, der einen Bohrkörper 13 und eine separate Bohrspitze 14 hat. Die vordere Fläche 15 des Bohrkörpers 13 ist eben und bezüglich der Mittenlinie CL des Bohrers senkrecht ausgerichtet. Ein mittig vorgesehener Spülkanal 16 erstreckt sich von dem Verankerungsende zu einer axial innerhalb der vorderen Fläche 15 angeordneten Position. Der Kanal 16 steht mit zwei diametral gegenüberliegenden Kanälen 17A und 17B in Verbindung, die am Umfang der vorderen Fläche 15 enden. Jeder der kurzen Kanäle 17A und 17B ist unter einem spitzen Winkel von der Mittenlinie CL vorgesehen, der einen Wert von zwischen 15° und 20° hat. Die Bohrspitze 14 hat eine zylindrische Grundgestalt mit teilweise konischer oberer Oberfläche. Die Bohrspitze 14 weist auch Spannuten auf, die als Verlängerungen der Spannuten 7, 7' vorgesehen sind. An seiner Unterseite ist eine mittige Ausnehmung 18 (siehe 6) vorgesehen, um einen federnd elastischen Zapfen 19 des Bohrkörpers 13 aufzunehmen. Die Bohrspitze 14 wurde auch mit zwei Bohrungen 19A und 19B versehen, die für die Aufnahme von Schrauben 20A und 20B angeordnet sind, die in der Bohrerspitze aufgenommen und angeordnet sind, um gewindemäßig in dem Bohrkörper 13 in entsprechend vorgesehenen Bohrungen 21A und 21B in Eingriff zu kommen.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Bohrer als ein gerader massiver Bohrkörper vorgesehen, dessen vorderer Abschnitt zwei symmetrische Schneidkanten aufweist, die sich in der Bohrermitte treffen, deren Umfangsabschnitte mit einer Oberfläche mit einem Nasenradius gemäß der Erfindung versehen sind. Der Bohrkörper besteht in diesem Falle aus einem zusammengesetzten Hartmetallkörper, der einen Kern und ein umgebendes Rohr aufweist, wobei der Kern aus einer relativ harten Hartmetallsorte und das Rohr aus einer abriebfesteren Hartmetallsorte bestehen. Der Kernabschnitt besteht aus einer WC-Co-Sorte mit 5–20, vorzugsweise 10–15 Gew.-% Co, während der äußere Rohrabschnitt aus 8–20 Gew.-% eines oder mehrerer Karbide und/oder Karbonitride in der Gruppe 4–6 besteht, vorzugsweise Ti, Ta oder Nb. Die Differenz im Co-Gehalt zwischen dem Kern und dem Rohr sollte 2–4 Gew.-% betragen. Es sollte eine Übergangszone geben von 300–500 μm Breite, als Übergang im Co-Gehalt zwischen dem Kern und dem Rohr gemessen.
Zwecks Vermeidung von Problemen bei der Herstellung eines solchen Verbundbohrkörpers und von thermischen Brüchen, die damit zusammenhängen, sollte das hohle Rohr durch metallurgische Pulvermittel mit dem Pressen in zwei Schritten gemäß dem Verfahren hergestellt werden, welches in dem schwedischen Patent SE-C-510 763 beschrieben ist.
Um eine gute Oberflächenausführung in dem zu bohrenden Loch zu bekommen, hat man festgestellt, daß die unterschiedlichen Radien der mit Radius versehenen Kanten, wenn man die Ausbildung des Nasenradiusabschnittes 11 auswählt, der verschiedene kreisförmige Segmente aufweist, in dem folgenden Bereich ausgewählt werden sollten:
R₁: 0,1–2,0 mm, vorzugsweise 0,2–1,6 mm
R₂: 1,6–10,0 mm
R3: 0,1–1,0 mm
Bei der Verwendung von Bohrern mit einer Grundgeometrie und einer Nasenradiusfläche gemäß der Erfindung hat man es während des Löcherbohrens in niedriglegiertem Stahl möglich gefunden, die Schneidgeschwindigkeit zu verdoppeln. Bei einer Ausführungsform wurde eine Schneidgeschwindigkeit von 100 m/Min. verwendet, während es möglich war, nach dem Umschalten auf einen Einsatz mit einer Nasenradiusausbildung gemäß der Erfindung eine Schneidgeschwindigkeit von 250 m/Min. zu erreichen. Zur gleichen Zeit hat man gefunden, daß es möglich ist, die Lebensdauer des Bohrers beizubehalten, was ein Zeichen für die Überlegenheit ist, die man mit einem Bohreinsatz mit einer Nasenradiusausbildung gemäß der Erfindung erreichen kann.
Der Bohrschaft 1 in den 7–8 hat zwei Spülkanäle 7, 7', die neben den Einsatztaschen angeordnet sind und schraubenförmig oder gerade gestaltet sei können, während sie auf wechselnden Seiten der Mittenlinie CL angeordnet sind. Der Bohrschaft 1 kann auch (nicht gezeigte) Kanäle für das Überleiten eines Spülfluids zu dem Schneidende des Bohrers hin aufweisen.
Die Einsatztaschen sind für die Aufnahme von zwei Einsätzen 9, 9' ausgeformt, die ein mittiges Loch 9'' haben und dafür vorgesehen sind, mittels einer Mittenschraube festgeklemmt zu werden, die in dem Bohrschaft in Gewindeeingriff kommen. Einer der Einsätze ist ein Mitteneineinsatz 9', während der andere Einsatz ein äußerer Einsatz 9 ist, der bezüglich der Mittenlinie CL unter einem Winkel α derart geneigt ist, daß die Größe des Loches daraus bestimmt wird. Zwischen dem äußeren und dem inneren Einsatz gibt es einen Einschnürungsabschnitt M, der ausreichend breit ist, so daß eine notwendige Festigkeit erreicht wird. Die Abmaße des Bohrers werden durch einen Durchmesser D bestimmt. Jede Einsatztasche weist eine tangentiale Stützoberfläche 22a, eine axiale Stützoberfläche 22b und eine radiale Stützoberfläche 22c auf.
Jeder Einsatz hat eine polygonale Grundgestalt, in diesem Falle eine quadratische Grundgestalt mit zwei gegenüberliegenden flachen Oberflächen 23, welche durch vier zueinander senkrecht angeordnete Kantenoberflächen verbunden sind. Die Bodenoberfläche des Einsatzes ist kleiner als die obere Fläche 23, so daß der Einsatz mit einem positiven Freiwinkel erscheint. Die Schnittlinien zwischen den Seitenflächen und den oberen Flächen sorgen für Hauptschneidkanten 24, 25, wo jede Hauptkante gerade ungebrochen und gleichmäßig an ihren Enden zu dem Nasenabschnitt 26, 27 gerundet ist.
Wie man aus 8 sieht, ist der äußere Einsatz 9 nach außen bezüglich der Mittenachse CL geneigt. Der Mitteneinsatz 9' könnte ein wenig axial vor dem äußeren Einsatz 9 angeordnet sein, um eine bessere Führung der Radialkräfte zu fördern, so daß der gewünschte Durchmesser beibehalten werden kann. Der äußere Einsatz ist bezüglich einer Linie L unter einem Winkel α geneigt, die parallel zu der Mittenachse CL verläuft. Die Größe des Winkels α sollte 0,5–5° sein.
Gemäß der Erfindung sind die Endabschnitte der Kantenflächen in der Form von gekrümmten Nasenabschnitten 26, 27, die am Eckenabschnitt vorgesehen sind, wobei jeder solcher Eckenabschnitt durch eine Vielzahl von kreisförmigen Segmenten begrenzt ist, welche sich mit der oberen Einsatzfläche schneiden, um Kantenabschnitte mit einigen unterschiedlichen Radien R₁, R₂ und R₃ vorzusehen, wie in dem vergrößerten Schnitt in 9 gezeigt ist. Benachbarte Segmente erscheinen immer mit anderen Radiusabschnitten längs der Kantenabschnitte. Der Radius R₂ soll immer erheblich größer sein als R₁, was zu einer Oberflächenausführung beiträgt, welche die "Abstreifer"-Wirkung längs der Nebenkante 28 verbessert. Dies gilt sowohl bei dem maschinellen Bearbeiten durch axiales Bohren nach vorn in das Werkstück hinein wie auch während des axialen Versetzens des Bohrers in entgegengesetzte Richtung. Der Radius R₃ ist etwas kleiner als sowohl R₁ als auch R₂.
Die primäre gekrümmte Kante 26 sollte einen Radius R₁ haben, der an einer Position neben der Hauptschneidkante 24 etwas kleiner ist im Vergleich zu dem Radius R₂ der Nebenschneidkante 28. Ferner sollte auch eine gekrümmte Kante mit einem etwas kleineren Radius R₄ angeordnet sein im Vergleich zu dem Radius R₁, der zwischen der gekrümmten Nasenkante 26 und der Nebenschneidkante 28 vorgesehen ist.
10 zeigt eine Ausführungsform des Einsatzes 9 der Erfindung, wo der Einsatz eine doppelpositive Geometrie hat. Dies bedeutet, daß der Einsatz gleich große obere und Bodenoberflächen 23a, 23b hat, die sich beide jedoch mit den Kantenoberflächen 29a, 29b unter einem spitzen Winkel β schneiden.
Die Kantenoberflächen 29a, 29b bestehen somit aus einwärts nach unten gerichteten Kanten, die sich unter einem stumpfen Winkel γ derart treffen, daß ein deutlicher Einschnürungsabschnitt 31 vorgesehen wird. Hierdurch erhält der Einsatz die Möglichkeit, als Wendeeinsatz verwendet zu werden, während die Kantenanzahl im Vergleich zu einem einseitigen Einsatz zweimal benutzt wird. Das Mittenloch 30 des Einsatzes hat einen Querschnitt, der von der oberen Fläche 23a und einwärts abnimmt, und in ähnlicher Weise hat das Loch einen abnehmenden Querschnitt von der Bodenfläche 23b und einwärts zur Mitte des Einsatzes hin.
Betreffend die Radien R₁ und R₂ hängt das ausgewählte Maß von dem Durchmesser des Bohrers ab. Für Bohrdurchmesser 13–18 mm sollte R₁ 0,2–0,4 mm betragen, und R₂ sollte 1,6–4,0 mm betragen. Für Bohrer im Durchmesserbereich von 18–58 mm sollte R₁ 0,4–1,6 mm betragen, und R₂ sollte 2,5–10 mm sein. Der Radius R₄ sollte 0–1,0 mm betragen. Die Länge der Nebenkante 28 sollte im Bereich von 0,1–0,5 mm liegen.

Claims

Bohrer mit einem massiven Schaft (1), welcher durch eine axiale Mittellinie (CL) definiert ist und ein Spitzenende (2), welches mit mindestens zwei Scheidkanten (8, 8') für die Erzeugung eines Loches in einem Werkstück versehen ist, sowie ein hinteres Ende (3) und eine Anzahl von Hohlkehlen (7, 7') hat, welche der Anzahl von Schneidkanten entspricht, wobei die Hohlkehlen sich von dem Spitzenende (2) zu dem hinteren Ende (3) hin erstrecken und den Zweck haben, Späne zu bilden und von der Schneidkante (8, 8') zu entfernen, wobei jede Schneidkante eine Hauptkante hat, die sich von einem mittleren Ende zu einem Umfangsende erstreckt, deren Mittenende axial vor dem Umfangsende angeordnet ist, sowie eine zweite Kante am Umfangsende der Hauptkante hat, wobei die zweite Kante eine gekrümmte Gestalt hat, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kante eine Vielzahl von kreisförmigen Segmenten mit unterschiedlichen Radien (R₁, R₂, R₃) aufweist, nämlich ein vorderes Segment mit einem ersten Radius (R₁), ein mittleres Segment mit einem zweiten Radius (R₂) und ein hinteres Segment mit einem dritten Radius (R₃), wobei das vordere Segment einen Radius (R₁) hat, der auf der einen Seite kleiner ist als der Radius (R₂) des Zwischensegmentes und auf der anderen Seite größer ist als der Radius (R₃) des hinteren Segmentes.
Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R₁) des vorderen Segmentes der gekrümmten zweiten Kante im Bereich von 0,1–0,2 mm liegt, der Radius (R₂) des Zwischensegmentes im Bereich von 1,6–10,0 mm liegt, und der Radius (R₃) des hinteren Segmentes im Bereich von 0,1–1,0 mm liegt, wobei der Radius (R₁) des Frontsegmentes immer kleiner ist als der Radius (R₂) des Zwischensegmentes und größer ist als der Radius (R₃) der hinteren Segmente unabhängig von deren absoluten Größen.
Bohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Zwischensegmentes im Bereich von 0,1–0,5 mm liegt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der massive Schaft einen Kern einer harten Sintercarbidsorte, die 5–20 Gew.-% Co enthält, und einen rohrförmigen Außenabschnitt aufweist, welcher die gekrümmte zweite Kante (11, 11') aufweist, die aus einer abriebwiderstandsfähigeren Sintercarbidsorte besteht, die 8–20 Gew.-% eines oder mehrerer Carbide und/oder Carbonitride von Ti, Ta oder Nb enthält.