DE69926067T2

DE69926067T2 - Schneidwerkzeug mit vergrössertem diameter und reduzierter länge des kopfes für faser verstärkte verbundmaterialien

Info

Publication number: DE69926067T2
Application number: DE69926067T
Authority: DE
Inventors: Ingvar Eriksson; Leif Zackrisson; Dag Linderholm
Original assignee: Novator AB
Current assignee: Novator AB
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: US6007281A; AU3963699A; ES2200733T1; JP2002511344A; EP1091821B1; EP1091821A1; ES2200733T3; DE99922696T1; DE69926067D1; WO1999052663A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Lochs oder einer Aussparung in einem Verbundwerkstoff-Werkstück.
2. Beschreibung des Standes der Technik.
Strukturen für die Luft- und Raumfahrt- und weitere Anwendungen sind häufig aus dünnen, gekrümmten Außenhäuten bzw. Ummantelungen unterschiedlichen Materials wie etwa Aluminium, Titan, rostfreiem Stahl und faserverstärkten Verbundwerkstoffen aufgebaut. In strukturellen Anwendungen sind unterschiedliche Komponenten häufig mit Hilfe von Schraub- bzw. Bolzenverbindungen befestigt. Schraub- bzw. Bolzenlöcher für Raumfahrtstrukturen haben typischerweise einen Durchmesser von 4–20 mm, wobei hohe Anforderungen an die Qualität gestellt werden, um den Zusammenhalt bzw. die Unversehrtheit der Struktur zu gewährleisten.
Zwischen den Anforderungen an ein Loch und den Abmessungen einerseits und Beschädigung andererseits besteht ein Zusammenhang. Die Anforderungen an Abmessungen umfassen zum Beispiel den Durchmesser eines zylindrischen Lochs, die Höhe des zylindrischen Teils des Lochs, den Durchmesser und Winkel von Senkern, Rundheit und Ausrichtung zur Normalenrichtung der Oberfläche. Anforderungen hinsichtlich Beschädigungen umfassen unter anderem eine erlaubte Grathöhe, Oberflächengüte und – hinsichtlich faserverstärkten Verbunden – eine erlaubte Ablösung bzw. Delamination bzw. Abblättern.
Besondere Probleme treten auf, wenn Löcher in faserverstärkte Verbundwerkstoffe gebohrt werden. Polymer-Verbundwerkstoffen sind seit den 1950er Jahren allgemein bekannt. Diese Materialien bestehen aus einem Schutz- oder Bindepolymer, entweder einem thermoplastischen oder einem duroplastischen Kunststoff, üblicherweise als Matrix bezeichnet, und Fasern (z.B. Glas-, Kohlenstoff- oder Amidfasern), die als Verstärkungsmaterial betrachtet werden können. Die Fasern können durchgängig und in bestimmten Richtungen ausgerichtet sein, oder sie können relativ kurz und zufällig bzw. willkürlich in der Matrix angeordnet sein. Verbundwerkstoffe mit durchgängigen und ausgerichteten Fasern liefern Produkte mit mechanischen Eigenschaften, die besser als jene herkömmlicher Polymer- und Metallmaterialien sind, insbesondere was ihre gewichtbezogene Festigkeit und Steifigkeit betrifft. Verbundwerkstoffe mit kürzeren Fasern finden dort Anwendung, wo eher weniger anspruchsvolle Eigenschaften gefordert werden. Ein Faktor, der die breitere Anwendung von Verbundwerkstoffen verhindert, ist das Fehlen wirksamer Verfahren zur Schneidbearbeitung. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffen bedeuten, dass bekannte Fertigungsverfahren nicht grundsätzlich mit erfolgreichen Resultaten angewendet werden können.
Produkte, die aus Verbundwerkstoffen bestehen, enthalten häufig Löcher für unterschiedliche Zwecke. Diese Löcher können erforderlich sein, zum Beispiel um das Verlegen von Serviceleitungen, den Zusammenbau oder eine Prüfung bzw. Inspektion zu ermöglichen. Schraub- bzw. Bolzenlöcher sind eine besonders wichtige Lochkategorie. Strukturen für praktische Anwendungen werden häufig aus Komponenten aufgebaut, die miteinander verbunden werden, um so ein fertiges Produkt zu bilden. Der Zweck der Verbindung besteht darin, die Last von einem Strukturelement auf ein weiteres zu übertragen. Eine häufige Form der Verbindung ist die Schraub- bzw. Bolzenverbindung, in der die Last entweder durch Scherlast oder Zuglast in der Schraube bzw. dem Bolzen übertragen wird. Die Stärke einer Schraub- bzw. Bolzenverbindung wird zu einem großen Teil durch die Qualität und Genauigkeit des Lochs beeinflusst. Es sollen drei besondere Problembereiche genannt werden, die auftreten, wenn Löcher in verstärkten Verbundwerkstoffen auf Polymerbasis erzeugt werden.

1. Niedrige interlaminare Festigkeit. Bei der maschinellen Bearbeitung geschichteter Verbundwerkstoffen besteht die Gefahr, dass sich die Schichten aufgrund des geringen interlaminaren Zusammenhalts trennen (delaminieren). Eine Beschädigung durch übermäßiges Delaminieren bzw. Trennen von Schichten kann die Festigkeit des Laminats bzw. Schichtstoffs gefährden.
2. Geringe Beständigkeit gegenüber Wärme und Kälte bestimmter thermoplastischen Kunststoffe. Die während der Fertigung erzeugte Wärme kann bewirken, dass sich die Matrix aufweicht und das Werkzeug blockiert, was eine weitere Verarbeitung unmöglich macht. Um eine gute Lochqualität zu erhalten, ist es daher erforderlich, eine wirksame Kühlung der Werkzeug/Loch-Kontaktlinie bereitzustellen und das durch Schneiden entfernte Material (Späne, Splitter bzw. Bruchstücke und Schleifstaub) kontinuierlich von dem Loch abzuführen.
3. Hohe Verschleißfestigkeit von Fasern. Die Schneidbearbeitung der Faserverbundwerkstoffe bewirkt einen starken Verschleiß des Werkstoffs aufgrund der guten Verschleißeigenschaften des Fasermaterials. Dies führt zu hohen Verschleißkosten, insbesondere bei der Erzeugung von Löchern mit einer hohen Anforderung an die Präzision.

Die Verfahren, die zur Erzeugung von Löchern in Verbundschichtstoffen verwendet werden, sind traditionell Bohren, Aufbohren, Fräsen, Sägen und Schleifen. Das mit diesen Lochbildungsverfahren wie sie derzeit angewendet werden verbundene Problem besteht darin, dass sie aus verschiedenen Gründen von einem technischen/wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet nicht ausreichend effektiv sind.
Hohe Verschleißkosten sind ein allgemeines Problem in Verbindung mit einer Schneidbearbeitung, wo eine hohe Genauigkeit gefordert wird. Man muss beim Aufbohren oder Bohren sehr vorsichtig sein, um zu gewährleisten, dass ein Schichtablösen bzw. Abblättern sowohl auf der Eintritts- als auch auf der Austrittsseite vermieden wird. Spezielle Schnittwerkzeuge sind erforderlich, um die festgesetzte Lochqualität zu erreichen, und es müssen spezielle Abläufe formuliert bzw. entworfen werden. Um einen übermäßigen Schichtablösungsschaden auf der Austrittsseite des Schichtstoffes zu vermeiden, muss örtlich ein seitlicher Druck um den Rand des Lochs ausgeübt werden. Ein weiteres zuvor offenbartes Verfahren zum Schutz der Austrittsseite vor Beschädigung besteht darin, das Laminat bzw. den Schichtstoff mit einer zusätzlichen Schutzschicht zu versehen.
Sägen ist ein besonders ungeeignetes Verfahren zur Erzeugung von Löchern mit einer hohen Anforderung an die Genauigkeit. Wenn Löcher durch Schleifen hergestellt werden, wird von einem zylindrischen, rohrförmigen Körper Gebrauch gemacht, dessen Bearbeitungsseite mit einer verschleißfesten Oberflächenschicht beschichtet ist. Löcher werden durch Schleifen der Oberfläche des Materials in Querrichtung erzeugt, wobei der Schleifkörper zuerst in Drehung versetzt wird. Dieses Verfahren ist langsam und ergibt eine geringe Genauigkeit.
Ferner ist in der WO 93/23192 ein Verfahren zur Bildung von unbeschädigten Löchern in faserverstärktem Material durch Erweitern bzw. Aufbohren eines vorgebildeten Lochs offenbart, wobei die Drehachse des Schleifkörpers orthogonal zu der Längsrichtung der Fasern am Rande des Lochs ausgerichtet ist. Das vorgeschlagene Verfahren unterscheidet sich ferner von zuvor offenbarten oberflächenmodifizierenden Lochfertigungsverfahren dahingehend, dass das durch Schneiden entfernte Materialvolumen beträchtlich größer ist. Im Falle der Lochbildung durch radiales Entfernen von Material ist das durch Schneiden entfernte Materialvolumen proportional zu der Änderung des Radius vor und nach der Bearbeitung. Im Falle einer herkömmlichen, Oberflächen modifizierenden Bearbeitung liefert die Profiltiefe des Randes des Lochs ein charakteristisches Maß dieser Radiusänderung. Wenn eine Bearbeitung durch das vorgeschlagene Verfahren ausgeführt wird, definiert die radiale Ausdehnung jeder Beschädigung eine untere Grenze für die Differenz des Radius vor und nach der Bearbeitung. Diese untere Grenze ist im allgemeinen beträchtlich größer als die Profiltiefe des Randes des Lochs. Daraus folgt, dass die Größe des vorgeformten Lochs im Vergleich zu dem vorgeformten Loch signifikant verschieden ist. Eine mit diesem Verfahren verbundene herstellungs-ökonomische Schwäche ist die Tatsache, dass das Vorhandensein eines vorgeformten Lochs erforderlich ist.
Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass Lochbildungsverfahren, in denen bewirkt wird, dass ein Körper, der um eine Drehachse angetrieben wird, auch eine Kreisbewegung ausführt (d.h., die Drehachse wird derart verschoben, dass die Seite in der Lage ist, sich relativ zu dem Rand des Lochs zu bewegen), allgemein bekannt sind. Die SE 173 899 offenbart ein Bearbeitungs werkzeug, mit einem Werkzeugträger, der exzentrisch um eine Hauptachse rotiert, wobei der Abstand zwischen dem Werkzeugträger und der Hauptachse einstellbar ist. Die Einstellung des Abstandes zwischen dem Werkzeugträger und der Hauptachse verwendet eine Führungskomponente, die zusammen mit dem Werkzeugträger um die Hauptachse rotiert. Die Führungskomponente, die zusammen mit dem Werkzeugträger rotiert, ist senkrecht zu der Hauptachse angeordnet und ist als Nocke ausgeführt, die dazu geeignet ist, relativ zu dem Werkzeughalter um sie zu rotieren, wobei das Führungsprofil der Nocke mit dem Werkeughalter in direktem Eingriff ist. Die Vorteile dieser Erfindung umfassen unter anderem das Fehlen eines freien Spiels und die raumsparende Ausführung der Führungskomponente. Die SE 382 506 offenbart ein drehbar angetriebenes, kombiniertes Schneidwerkzeug zur Erzeugung von Löchern in stationären Werkstücken, wobei die Löcher mit einer konischen Startphase versehen sein können.
In dem US-Patent Nr. 5 641 252, das der WO 94/11142 entspricht, ist ein Verfahren zur maschinellen Herstellung von Löchern in einem faserverstärkten Verbundwerkstoff offenbart, das auf dem Gebiet einen bedeutenden Schritt nach vorn darstellt. Die Mittenachse des Lochs tritt durch einen vorbestimmten Punkt auf der Oberfläche des Werkstücks und ist in einer bestimmten Richtung relativ zu den Längsrichtungen der Fasern in der unmittelbaren Umgebung des Punkts ausgerichtet. Das Material wird gleichzeitig sowohl in einer axialen als auch in einer radialen Richtung maschinell bearbeitet, indem bewirkt wird, dass das Werkzeug eine axiale Bewegung beschreibt und nicht nur um seine eigene Achse, sondern auch exzentrisch um die Mittenachse rotiert. Dieses Verfahren ermöglicht die maschinelle Herstellung von Löchern, ohne eine Schichtablösung bzw. Delamination in dem Verbundwerkstoff hervorzurufen. Große Probleme, die bei diesem bekannten Verfahren auftreten, sind nachstehend in Verbindung mit dem Stand der Technik, wie er in den 1 bis 4 dargestellt ist, weiter diskutiert.
Die SE-8-400 916 offenbart ein Werkzeug für die maschinelle Herstellung von Löchern in Stahl. Das Schneidwerkzeug besitzt einen konischen Schneidkopf mit einem scharfen Punkt an dem entfernten Ende. Die Bearbeitungsoberfläche des Werkzeugs bildet einen Winkel von ungefähr 30 Grad mit der Längsachse des Werkzeugs und einen Winkel von ungefähr 60 Grad mit dem Boden des Lochs, das erzeugt wird. Ein solcher Schneidkopf neigt dazu, Löcher zu erzeugen, deren Durchmesser oben größer ist als unten.
Raumfahrt- und verwandte Strukturen sind typischerweise aus unterschiedlichen Materialien, übereinander gestapelten sind, aufgebaut. Besondere Probleme treten auf, wenn Strukturen, die mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien (Materialstapel) enthalten, zusammen gebohrt werden. Solche Probleme umfassen Grate zwischen den Schichten, Verschluss von Löchern und Beschädigungen des Füllermaterials zwischen den Schichten (flüssige Ausgleichsscheibe). Das Bohren von Löchern unter Verwendung traditioneller Techniken erzeugt Wärme, die einen schnellen Verschleiß des Werkzeugs bewirken kann. Dieses Problem ist besonders ausgeprägt, wenn Löcher in Titan gebohrt werden.
Weitere Beispiele des Standes der Technik werden durch die US-Patente Nr. 4 190 386, 4 338 050, 5 685 674 und 4 757 645 bereitgestellt, die Verfahren zum Herstellen von Löchern in Verbundwerkstoffen beschreiben, und durch die GE-A-2 048 135, die ein Verfahren zum Bearbeiten eines vorgeformten Lochs auf die gewünschte Größe/Geometrie beschreibt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung beseitigt die mit den zuvor offenbarten Verfahren verbundenen Nachteile und Einschränkungen und ermöglicht die rationelle und kostengünstige Herstellung von Löchern ohne Festigkeit reduzierende Beschädigungen und Grate, und garantiert so eine reproduzierbar gute Lochqualität.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist durch die Merkmale des beigefügten Anspruchs 1 gekennzeichnet.
Die exzentrische Drehbewegung ist vorzugsweise eine reine Drehbewegung, d.h. sie wird mit einem konstanten Abstand zwischen der Mittenachse und der Drehachse des Werkeugs ausgeführt.
Die exzentrische Drehbewegung wird vorzugsweise mit linearer Zustellung ausgeführt, d.h. mit veränderlichen Abständen zwischen der Mittenachse und der Drehachse des Werkzeugs.
Das Verfahren weist eine Anzahl von wesentlichen Vorteilen im Vergleich mit allgemein bekannten Techniken auf

1. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Löchern mit konstanten oder gleichmäßigen Durchmessern entlang ihrer Tiefe.
2. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Löchern ohne Festigkeit reduzierende Beschädigungen oder Grate.
3. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von schadfreien Löchern, ohne zuerst ein Loch vorformen zu müssen.
4. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Löchern mit engen Toleranzen. Die Maßgenauigkeit des Lochs wird im Wesentlichen durch die Genauigkeit der Positionierung des Werkzeugs relativ zu einer Mittenachse bestimmt. Die der Geometrie des Werkzeugs auferlegten Anforderungen sind hingegen nicht besonders hoch, da jedes einzelne Werkzeug vor dem Einsatz einfach zu kalibrieren ist.
5. Das Verfahren verringert das Risiko des Werkzeugs, blockiert zu werden. Da der Durchmesser des Werkzeugs sehr viel kleiner als das der Lochs ist, ermöglicht das Verfahren, dass das durch Schneiden entfernte Material mit einfachen Mitteln, zum Beispiel Druckluft, abgeführt wird. Das Verfahren ermöglicht auch eine wirksame Kühlung des Werkzeugs und des Randes des Lochs.
6. Das Verfahren reduziert die Kosten der Abnutzung im Vergleich zu zuvor offenbarten Verfahren erheblich, aufgrund der Fähigkeit, das Werkzeug mit einem verschleißfesten Material, zum Beispiel einer Diamantbeschichtung, zu beschichten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben erwähnten und weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, wird deutlicher erkennbar und die Erfindung wird besser verstanden mit Bezug auf die nachfolgende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:
1 eine Draufsicht eines Bogens aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, wobei die Hauptrichtungen der verstärkenden Fasern gekennzeichnet sind;
2 eine perspektivische Querschnittsansicht durch den Bogen in 1;
3 eine perspektivische Teilansicht eines herkömmlichen Schneidwerkzeugs;
4 ein seitlicher Teilquerschnitt eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung eines Lochs in dem Bogen gemäß 1 unter Verwendung eines Beispiels eines herkömmlichen Schneidwerkzeugs von 3;
5 ein seitlicher Teilquerschnitt einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung eines Lochs in einem Verbundwerkstoffstapel, der den Bogen gemäß 1 enthält;
6 eine Draufsicht des Verfahrens von 5;
7 eine Teilseitenansicht eines Werkzeugs zur Ausführung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
8 eine Ansicht von unten des in 7 gezeigten Werkzeugs;
9 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform eines Schneidwerkzeugs zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
10 eine vergrößerte Ansicht des Schneidkopfs des in 9 gezeigten Werkzeugs;
11 eine Seitenansicht des in 9 gezeigten Werkzeugs;
12 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform eines Schneidwerkzeugs zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
13 eine vergrößerte Ansicht des Schneidkopfs des in 12 gezeigten Werkzeugs;
14 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform eines Schneidwerkzeugs zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
15 eine vergrößerte Ansicht des Schneidkopfs des in 14 gezeigten Werkzeugs; und
16 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform eines Schneidwerkzeugs zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in allen Ansichten. Die hierin dargelegten Exemplifizierungen stellen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer Form dar, und solche Exemplifizierungen sind nicht als den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise begrenzend zu verstehen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme jetzt auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1 und 2 ist ein faserverstärkter Verbundschichtstoff bzw. Verbundlaminat 10 aus einer Anzahl von Lamellen (Schichten) 12 mit durchgehenden Fasern aufgebaut, wobei die Lamellen übereinander gestapelt sind. In dem dargestellten Beispiel liegen die Fasern in Ebenen ausgerichtet, die zu der Ebene des Schichtstoffs/Laminats parallel sind. Die Richtungen der Fasern (0, 90, +45 und –45 Grad) sind in 1 schematisch dargestellt. 2 zeigt eine Platte 10 mit vier Lamellen 12. Die oberste Lamelle 12 zeigt Fasern, die in einer Richtung von +45 Grad ausgerichtet sind. Jede der unteren drei Schichten hat eine entsprechende der drei möglichen Richtungen (0, 90 und -45 Grad). Wie es auf der Seite der in 2 gezeigten Platte 10 zu erkennen ist, hat eine Faser der Boden- bzw. unteren Schicht 12 eine Richtung von 90 Grad. Entsprechend zeigt eine Faser der Schicht 12 direkt über der Bodenschicht (die drittoberste Schicht) auf der Vorderseite eine Richtung von 0 Grad. Somit hat die zweite Schicht von oben die verbleibende Richtung von -45 Grad.
Ein herkömmliches Verfahren zur Erzeugung eines Lochs 14 in der Platte 10 ist in 4 gezeigt. Wie es gezeigt ist, ist die Platte 10 aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff mit mehreren Schichten aufgebaut ist. Die Platte 10 ist auf Schichten 15 und 17 angeordnet, die zum Beispiel aus Titan und Aluminium gebildet sind, wodurch zusammen ein Faser/Metall/Metall-Verbundstoff gebildet ist. Ein im Wesentlichen zylindrisches herkömmliches Schneidwerkzeug 16 ist in 3 in seinem nicht im Einsatz befindlichen Zustand gezeigt. Das Schneidwerkzeug 16 weist eine Axialbearbeitungsoberfläche 18 und eine Radialbearbeitungsoberfläche 20 auf. Das Schneidwerkzeug 16 hat einen Durchmesser, der erheblich kleiner als der Durchmesser des Lochs 14 ist, das das Schneidwerkzeug 16 erzeugt. Da das Schneidwerkzeug 16 gegen eine Seite 22 des Lochs 14 arbeitet bzw. schneidet, übt die Seite 22 des Lochs 14 eine Radialkraft F_r auf die Radialbearbeitungsoberfläche 20 des Schneidwerkzeugs 16 aus. Das bearbeitende Ende des Schneidwerkzeugs 16 wird durch die Radialkraft F_r zur Mitte des Lochs 14 gebogen und/oder abgelenkt, da der offene Raum innerhalb des Lochs 14 keine entgegengesetzte Radialkraft auf das Werkzeug 16 ausübt. Das Biegen und/oder Ablenken des Werkzeugs 16, das in 4 zur Erläuterung übertrieben dargestellt ist, führt dazu, dass das obere Ende der Seite 22 stärker bearbeitet wird als das untere Ende der Seite 22. Folglich neigt sich die Seite 22 von unten nach oben auswärts. Mit anderen Worten, das Loch 14 ist leicht konisch, da der Loch durchmesser am oberen Ende des Lochs 14 größer als der Lochdurchmesser am unteren Ende des Lochs 14 ist. Dieser Zustand ist unerwünscht, da in vielen Anwendungen ein konstanter bzw. gleichmäßiger Durchmesser durch ein Loch hindurch erforderlich ist. Das Problem ist besonders bedeutsam, wenn tiefe Löcher mit Werkzeugen mit kleinem Durchmesser hergestellt werden.
Das Schneidwerkzeug der SE-8-400 916 würde die gleichen Probleme wie oben beschrieben erzeugen. Dieses Schneidwerkzeug hat einen konischen Schneidkopf mit einem scharfen Punkt an dem entfernten Ende. Aufgrund der Auslegung des Schneidkopfs ist es klar, dass das Werkzeug zur Herstellung von Löchern mit konstantem Durchmesser in relativ dünnen Bogen nicht geeignet ist, da die Höhe des Schneidkopfs nicht viel kleiner als die Tiefe des Lochs ist, das erzeugt wird. In einem solchen Fall wird die Länge der Berührungslinie mit dem Werkstück während des Herstellungsprozesses variieren. Die Basis des konischen Schneidkopfes scheint einen Durchmesser zu haben, der nur geringfügig größer als der Durchmesser des konzentrischen Schafts ist, an dem er befestigt ist. Jedwede Ablenkung des Schneidkopfes in radialer Richtung würde dazu führen, dass der Schaft des Schneidwerkzeugs die Seite des Lochs berührt, was, wie oben beschrieben, zu einer Aufweitung des oberen Bereichs des Lochs führt. Daher ist das Werkzeug nicht zur maschinellen Herstellung tiefer Löcher mit Werkzeugen mit kleinem Durchmesser geeignet, wo eine beträchtliche Ablenkung zu erwarten ist. Was das Problem noch verschärft, ist eine Buchse, die einen Abschnitt des Schafts umgibt. Diese Buchse erhöht effektiv den Durchmesser des Schafts auf den der Basis des Schneidkopfs oder darüber hinaus, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer unbeabsichtigten Bearbeitung des oberen Abschnitts des Lochs erhöht wird.
Ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung eines Lochs 24 in der Platte 10, das auf den Schichten 15 und 17 angeordnet ist, ist in 5 gezeigt. Ein Schneidwerkzeug 26 umfasst einen Schaft 28 und einen im Wesentlichen konzentrischen Schneidkopf 30, die jeweils einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzen (6). Der Ausdruck "Schneid ...", wie er hier verwendet wird, soll im weitesten Sinne einen beliebigen maschinellen Bearbeitungsvorgang zum Entfernen von Material bedeuten, wie etwa Schneiden, Schleifen, Feilen etc. Der Schneidkopf 30 umfasst eine Axialbearbeitungsoberfläche 32 und eine Radialbearbeitungsoberfläche 34, die jeweils mit einer Schneid- oder Schleifoberfläche mit einer verschleißfesten Oberfläche 35, die Wolframkarbid oder Diamant enthalten kann, versehen ist. Der Schneidkopf 30 hat einen Durchmesser bzw. eine Breite, die erheblich kleiner als der Durchmesser des Lochs 24 ist, das der Schneidkopf 30 erzeugt. Zum Beispiel kann der Durchmesser des Schneidkopfs 30 in etwa zwischen 50 und 60 Prozent des Durchmessers des Lochs 24 betragen, wobei der Lochdurchmesser ungefähr im Bereich zwischen 4 und 25 mm (0,156 und 1 Inch bzw. Zoll) liegen kann. Ferner hat der Schneidkopf 30 einen Radius r_c, der beträchtlich größer als ein Radius r_s des Schafts 28 ist. Die erforderliche radiale Differenz zwischen dem Schneidkopf zwischen dem Schneidkopf und dem Schaft hängt von der radialen Ablenkung des Schneidwerkzeugs und der Tiefe des Lochs ab. Die Radialbearbeitungsoberfläche 34 des Schneidkopfs 30 hat eine Höhe h, die erheblich niedriger als eine Tiefe d des Lochs 24 ist. Die erforderliche Höhe h wird durch die axiale Vorschubgeschwindigkeit und die Drehzahl der exzentrischen Rotation bestimmt. Zum Beispiel kann die Höhe h zwischen 0,7 und 3 mm betragen. Die Tiefe d des Lochs 24 kann zwischen dem 1- und 6-fachen des Durchmessers des Lochs 24 betragen. Somit kann die Tiefe d ungefähr zwischen 4 und 15,2 mm (0,156 und 6 Zoll) liegen. Es ist möglich, dass der Schaft 28 eine Abschrägung 38 (in 5 in gestrichelten Linien gezeigt) umfasst, die einen allmählichen Übergang zwischen dem Radius r_c und dem Radius r_s liefert und somit dem Schnittwerkzeug 26 ferner eine zusätzliche Biegesteifigkeit verleiht.
Da während des Bearbeitungs- bzw. Zerspanungsprozesses der Radius r_c des Schneidkopfs 30 beträchtlich größer als ein Radius r_s des Schafts 28 ist, wird verhindert, dass der Schaft 28 eine Seite 36 des Lochs 24 berührt. Da das Schneidwerkzeug 26 gegen die Seite 36 des Lochs 24 arbeitet bzw. schneidet, übt die Seite 36 des Lochs 24 eine Radialkraft F_r auf die Radialbearbeitungsoberfläche 34 des Schneidwerkzeugs 26 aus, ähnlich wie dies bei dem herkömmlichen Verfahren von 4 der Fall ist, mit der Ausnahme, dass die Seite 36 eine Radialkraft nicht direkt auf den Schaft 28 ausübt. Selbst, wenn der Schaft 28 bis zu einem gewissen Grad abgelenkt wird, verhindert der kleinere Radius des Schafts 28, dass der Schaft 28 die Seite 36 berührt.
Ferner, aufgrund der relativen Dünnheit des Schneidkopfs 30 berührt jeder einzelne Punkt auf der Seite 36 die Radialbearbeitungsoberfläche 34 während einer in etwa gleich langen Zeit im Verlaufe der Herstellung des Loches 24, wobei eine im Wesentlichen konstante axiale Vorschubgeschwindigkeit angenommen ist. Mit anderen Worten, sobald der Schneidkopf 30 einen bestimmten Punkt auf der Seite 36 des Lochs 24 passiert hat, wird das Schneidwerkzeug 26 diesen Punkt der Seite 36 nicht erneut berühren. Da verhindert wird, dass der Schaft 28 den Lochrand berührt und die Höhe h des Schneidkopfs 30 relativ gering ist, ist die Radialkraft F_r während des gesamten Prozesses annähernd konstant. Die hat zur Folge, dass das Loch 24 einen im Wesentlichen konstanten und gleichmäßigen Durchmesser über die Tiefe d aufweist.
Zusätzlich hat die relative Dünnheit des Schneidkopfs 30 einen kleineren sich in Kontakt mit einer Seite 36 des Lochs 24 befindlichen Oberflächenbereich des Schneidwerkzeugs 26 zur Folge. Anstatt das Schneidwerkzeug über eine Länge mit der Seite 36 in Kontakt ist, die gleich der Tiefe d ist, wird nur eine Höhe h zum Eingriff mit der Seite 36 angeboten. Dieser kleinere Oberflächenbereich führt zu einem entsprechend größeren seitlichen Druck, der auf die Seite 36 des Lochs 24 ausgeübt wird, wodurch er besser und gleichmäßiger die Seite 36 bildet. Das heißt, die Maschine, die das Schneidwerkzeug 26 antreibt, übt sowohl eine axiale als auch eine laterale Last mit einem vorbestimmten Betrag auf das Schneidwerkzeug 26 aus. Der sich ergebende Druck (z.B. Pfund/Zoll²), der über den Schneidkopf 30 gegen die Seite 36 ausgeübt wird, ist eine Funktion der seitlich ausgeübten Kraft dividiert durch den Kontaktbereich zwischen dem Schneidwerkzeug 26 und der Seite 36. Ist der Kontaktbereich zwischen einem herkömmlichen Schneidwerkzeug 16 und der Seite 36 größer, so ist der zum Zwecke des Schnitts gegen die Seite 36 ausgeübte resultierende seitliche Druck kleiner. Auf der anderen Seite ist dadurch, dass der Schneidkopf 30 mit eine relativ niedrige Höhe h aufweist, der Oberflächenkontaktbereich zwischen der Seite des Schneidkopfs 30 und der Seitenwand 36 relativ klein, und der resultierende seitliche Druck, der zum Zwecke des lateralen Schneidens gegen die Seite 36 ausgeübt wird, ist größer.
Wenn die Höhe h ausreichend klein ist, ist die Radialkraft F_r während des gesamten Bearbeitungsprozesses im Wesentlichen konstant, da sich die gesamte Höhe h in Kontakt mit der Seite des Lochs befinden wird. Die Ablenkung des Schneidwerkzeugs wird ebenfalls im Wesentlichen konstant sein, was zu einem im Wesentlichen zylindrischen Loch führt. Wenn jedoch die Höhe h nicht klein ist, dann wird die Radialkraft F_r variieren, da ein immer größerer Abschnitt der Höhe h in Kontakt mit der Seite des Lochs gerät. Die Ablenkung des Schneidwerkzeugs wird in diesem Fall variieren, was zu einem konischen Loch führt. Wenn ein Schneidwerkzeug eine ausreichend kleine Höhe h aufweisen würde, der Durchmesser des Schafts jedoch gleich dem Durchmesser des Schneidkopfs wäre, dann würde die Radialkraft F_r auf den Schneidkopf immer noch konstant sein, jedoch würde der Schaft die Seite des Lochs berühren. Dieser Kontakt würde eine veränderliche Ablenkung des Schnittkopfs und somit ein konisches Loch zur Folge haben.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung umfasst ein Schneidwerkzeug 40 (7) einen Schneidkopf 42 in Form einer schmalen Klinge, die wenigstens eine Schneidkante 43 enthält. Die Klinge 42 hat eine Breite oder Abmessung w (8), die größer als der Radius r_s des Schafts 28 ist, so dass nur eine Radialbearbeitungsoberfläche 44 der Klinge 42 in Kontakt mit der Seite eines Lochs ist, das erzeugt wird. Die Schneidkanten 43 könnten, betrachtet entlang der Drehachse des Werkzeugs, möglicherweise verdreht bzw. gewunden oder gekrümmt sein. Der Ausdruck "Breite" wie er hier verwendet wird soll eine effektive Schneidabmessung des Schneidwerkzeugs in einer Richtung bedeuten, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Werkzeugs ist, unabhängig davon, ob der Schneidkopf die Form eines Schleifers, einer einzelnen Schneidklinge, einer Mehrzahl von Schneidklingen etc. hat.
Schneidwerkzeuge weiterer Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung sind in den 9–15 gezeigt. Die Höhen h der Schneidköpfe dieser Werkzeuge sind im Vergleich sowohl zur Tiefe des Lochs, das bearbeitet wird, als auch zur Breite des Schneidkopfs, klein.
Die Schneidköpfe des Werkzeugs der 12–15 weisen Axialbearbeitungsoberflächen mit Formen auf, die nicht flach sind. Insbesondere weist das Werkzeug der 12 und 13 eine Axialbearbeitungsoberfläche 48 auf, die nach oben in Richtung der radialen Bearbeitungsoberfläche geneigt ist. Ferner hat das Werkzeug der 14 und 15 eine Axialbearbeitungsoberfläche 50, die konvex geformt ist. Eine konkav ausgebildete Axialbearbeitungsoberfläche wäre auch möglich.
Ein Schneidwerkzeug einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist in 16 gezeigt. Ein Schneidwerkzeug 52 umfasst einen einstückig ausgelegten Senker 54, bei dem ein Schneidkopf 56 mit einem Schaft 58 verbunden ist. Ein gefaster Rand 60 der Senkung 54 erzeugt eine abgesenkte Aufweitung 62 des Lochs 64.
Das Loch 24 wird erzeugt, indem wenigstens ein Schneidwerkzeug 26 exzentrisch bezüglich der Mittenachse des geplanten Lochs angeordnet wird. In Verbindung damit wird der Schichtkörper so ausgerichtet, dass eine Drehachse 46 des Werkzeugs orthogonal zu den wesentlichen Längsrichtungen der Fasern ist. Das Material wird in einer axialen und einer radialen Richtung bearbeitet, indem bewirkt wird, dass das Werkzeug eine axiale Bewegung ausführt und sich nicht nur um seine eigene Achse dreht, sondern auch exzentrisch um die Mittenachse. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch verwendet werden, um ein vorhandenes Loch aufzuweiten.
Die Werkzeuge gemäß den 5–16 dienen hauptsächlich der Erzeugung von zylindrischen Löchern durch das Verfahren gemäß der Erfindung.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann nicht nur auf faserverstärkte Verbundwerkstoffe angewendet werden, sondern in einer alternativen Ausführungsform auch auf Metallverbundwerkstoffen, die metallverstärkte Verbundwerkstoffe, enthalten, Metall-Metall-Verbundwerkstoffe und Metall-Faser-Verbundwerkstoffe.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Lochs (24; 64) in einem Verbundwerkstoff-Werkstück (10, 15, 17), wobei das zu erzeugende Loch (24; 64) einen ersten Durchmesser und eine Tiefe aufweist und wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Schneidwerkzeugs (26; 40; 52) mit einem Schaft (28; 58), einem Schneidkopf (30; 42; 56) an einem distalen Ende des Schafts und einer Drehachse (46), wobei der Schneidkopf (30; 42; 56) einen zweiten Durchmesser (2r_c ; w) hat, der wesentlich kleiner als der erste Durchmesser des zu erzeugenden Lochs (24; 64) ist, wobei der Schaft (28; 58) einen Durchmesser (2r_s ) hat, der kleiner als der zweite Durchmesser (2r_c ; w) ist, und wobei der Schneidkopf (30; 42; 56) eine radiale Bearbeitungsoberfläche (34; 44) mit einer Höhe (h), die wesentlich kleiner als die Tiefe (d) des Lochs (24; 64) ist, und eine axiale Bearbeitungsoberfläche (32; 43) hat; Ausrichten des Schneidwerkzeugs (26; 40; 52) so, dass dessen Drehachse (46) im Wesentlichen orthogonal zur Oberfäche des Werkstücks ist; und zeitgleiches Bearbeiten des Werkstücks in axialer wie auch radialer Richtung relativ zu einer Längsachse des Lochs (24; 64) durch zeitgleiches Drehen des Schneidwerkzeugs (26; 40; 52) um seine Drehachse (46), Bewegen des Schneidwerkzeugs (26; 40; 52) in axialer Vorschubrichtung und exzentrisches Bewegen des Schneidwerkzeugs (26; 40; 52) um die Längsachse des Lochs (24; 64), so dass eine im Wesentlichen konstante Kontaktfläche zwischen dem Schneidwerkzeug (26; 40; 52) und der Seitenwand des Lochs über die gesamte Tiefe des Lochs, das bearbeitet wird, aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Durchmesser des Schneidkopfs (30; 42; 56) etwa zwischen 50 und 80% des ersten Durchmessers des Lochs (24; 64) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des Schneidkopfs (30; 42; 56) etwa zwischen 1 und 2 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmesser des Lochs (24; 64) etwa zwischen 4 und 25 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmesser des Lochs (24; 64) etwa zwischen 4,9 und 6,4 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Lochs (24; 64) etwa zwischen dem 1- und 6-fachen des ersten Durchmessers des Lochs (24; 64) liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Lochs etwa zwischen 4 und 152 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus wenigstens zwei Materialschichten besteht, wobei wenigstens eine der Schichten einen faserverstärkten Werkstoff enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (52) einen integralen Senkerabschnitt (54) mit einer an dem Schaft (58) ausgebildeten gefasten Kante (60) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (40) wenigstens eine axiale Schnittkante (43) umfasst, wobei die wenigstens eine Schnittkante eine Schnittkante ist, die in Richtung der Drehachse betrachtet geradlinig, verdrillt oder gekrümmt ist.