WO2007090600A1

WO2007090600A1 - Verfahren zur herstellung einer gewindebohrung mit ansenkung und bohrer zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: WO2007090600A1
Application number: PCT/EP2007/000982
Authority: WO
Inventors: Gerhard Fischer
Original assignee: Ernst Reime Vertriebs Gmbh
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2007-08-16
Also published as: JP2009525884A; EP1846188A1; DE102006005887A1; CN101378872A

Abstract

Verfahren und Bohrer zur Herstellung einer Gewindebohrung mit Ansenkung mit folgenden beiden Verfahrensschritten; ein mit der Hauptspindel der Bohrmaschine kinematisch gekoppelter Bohrer mit mindestens einer Bohrhauptschneide (10) an seiner Stirnseite (9) und mit Gewindeschneidzähnen (8) auf seinem Umfang fährt in einem Arbeitshub in Mittellängsrichtung (3) der Hauptspindel in das Werkstück hinein und bohrt synchron sowohl das Kernloch aus oder auf und schneidet ein Innengewinde in die Innenwand des Kernlochs. Im zweiten Verfahrensschritt fährt der Bohrer aus der so entstandenen Gewindebohrung heraus und die Hauptspindel des Bohrers verfährt orthogonal zu ihrer Mittellängsrichtung an den Rand der Gewindebohrung heran. Die Hauptspindel führt den Bohrer mit einer Kreisbewegung am Rand der Gewindebohrung entlang, wobei eine am Bohrer vorgesehene Fase (14) die Ansenkung in den Rand der Gewindebohrung spant.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Herstellung einer Gewindebohrung mit Ansenkung und Bohrer zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gewindebohrung mit Ansenkung sowie ein Bohrwerkzeug zur Durchführung dieses Verfahrens.

In der Technik ist es häufig erforderlich, in ein Werkstück eine Kernlochbohrung einzu- bringen. Diese Bohrung kann sowohl als Sackloch als auch als Durchgangsloch ausgestaltet sein. Wird die Bohrung in ein Werkstück neu auf dem Wege der Zerspanung eingebracht, spricht man von Kernbohren. Wird ein bereits vorgeformtes Kernloch auf Sollmaß gebohrt, spricht man von Aufbohren. Des Weiteren ist es bekannt, in die zylindrischen Seitenwände von Bohrungen Gewinde einzuformen. Ein bekanntes Gewin- defertigungsverfahren ist das Gewindebohren. Hierfür trägt ein spezielles Bohrwerkzeug auf seiner Mantelfläche Gewindeschneidzähne zum Einformen des Gewindes in die Bohrungswand. Schließlich ist es bekannt, am Bohrungsrand eine Ansenkung anzuformen. Diese Ansenkung am Bohrungsrand und damit auch am Innengewindeanfang dient als Zentrierhilfe bzw. als Einführschräge beim Einschrauben der ein Außen- gewinde tragenden Schraube in die Gewindebohrung.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, derartige Gewindebohrungen mit einer Ansenkung in einem dreistufigen Fertigungsverfahren herzustellen. Bei diesem Fertigungsverfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt das Kernloch aufgebohrt oder ausgebohrt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird das Gewinde mit Hilfe eines Gewindebohrers eingeformt und in einem dritten Arbeitsgang wird schließlich die Ansenkung in den Bohrungsrand eingeformt. Aus dem Stand der Technik ist es des Weiteren bekannt, sogenannte Stufenwerkzeuge zu verwenden. Diese Werkzeuge weisen sowohl Bohrschneiden als auch Gewindeschneidzähne als auch eine Senkstufe auf. Derartige Stufenbohrer sind beispielsweise bekannt aus Spur/Stöferle Handbuch der Fertigungstechnik, Band 3 - Spanen, Teil 1 , S. 351 , 379, Carl Hanser Verlag München/Wien 1979. Nachteilig bei derartigen Stufenbohrern ist die Tatsache, dass mit einem Stufenbohrer stets nur ein Kernloch bzw. Gewindeloch mit einer vordefinierten Tiefe gefertigt werden kann. Für die Fertigung von Kernlöchern bzw. Gewindebohrungen mit verschiedenen Tiefen sind jeweils verschiedene, an die jeweilige Tiefe ange- passte Stufenbohrer erforderlich.

Da die Fertigung mit Hilfe von spanenden Fertigungsverfahren sehr kostspielig ist, ist man bei der Fertigung von Montageteilen, beispielsweise Getriebedeckeln oder Getriebegehäusen dazu übergegangen, in die entsprechenden Rohteile Bohrungen von vornherein mit einzuformen, insbesondere einzugießen. Da beim Eingießen stets ein Gusskern in der Bohrung zunächst einliegen muss und dieser Gusskern später gezo- gen werden muss, sind diese Bohrungen stets leicht konisch angeschrägt. Wegen dieser Anschrägung einerseits und der geringen Oberflächengüte, insbesondere der geringen Maßhaltigkeit eines Gießverfahrens andererseits, werden diese eingeformten Bohrungen üblicherweise in einem weiteren Arbeitsgang auf ihr Sollmaß aufgebohrt und mit einem Innengewinde versehen.

Um verschiedene Bohrungen desselben Durchmessers, aber mit variierender Bohrungstiefe aufzubohren, verwendet man deshalb Kombinationsgewindebohrer mit Bohrschneiden einerseits und Gewindeschneidzähnen andererseits. Nach dem Aufbohren des Bohrlochs und dem gleichzeitigen Einschneiden des Gewindes während des Bohrvorgangs wird mit einem separaten Senkwerkzeug die vorerwähnte Ansenkung in den Bohrungsrand in einem separaten Arbeitsgang eingebracht.

Nachteilig hierbei ist der erforderliche Werkzeugwechsel vom Kombinationsgewindebohrer zum Senkwerkzeug einerseits und die zusätzliche Belegung eines Werkzeugplatzes im Werkzeugmagazin durch das Senkwerkzeug andererseits.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fertigung einer Gewindebohrung mit Ansenkung so zu gestalten, dass die Durchlaufzeit zur Fertigung der Gewindebohrung weiter verringert ist und das Verfahren weiter vereinfacht ist. Die- se Aufgabe löst das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Werkzeug vorzustellen. Diese Aufgabe ist durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 3 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche enthalten teilweise zweck- mäßige und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen der in den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen beanspruchten Erfindung.

Das erfindungsmäßige Verfahren macht sich die Tatsache zu nutze, dass in der mo- dernen Fertigungstechnik Bearbeitungsmaschinen mit dreidimensional verstellbaren Arbeitsspindeln eingesetzt werden. Insbesondere eigenen sich zur Durchführung des Verfahrens Werkzeugmaschinen, welche in der Lage sind, Innengewinde auf dem Wege der sogenannten Schraubeninterpolation herzustellen. Bei der Schraubeninterpolation werden von der Hauptspindel der Werkzeugmaschine eine Kreisbewegung und eine Linearbewegung zur Erzeugung der Schraubenlinie überlagert. Auf diese Weise sind beispielsweise mit Hilfe von Gewindefräsern sämtliche Gewindekombinationen herstellbar.

Beim vorliegenden Verfahren wird zunächst ein mit der Hauptspindel kinematisch ge- koppelter Bohrer, üblicherweise ein in das Spannfutter der Bohrmaschine eingespannter Bohrer in einem ersten Arbeitshub in Mittellängsrichtung der Hauptspindel in das Werkstück eingebracht, um ein Kernloch auszubohren oder ein eingeformtes Kernloch aufzubohren. Mit an der Umfangsfläche des Bohrers angebrachten Gewindeschneidzähnen wird zugleich mit dem Bohrvorgang in die Seitenwand des gebohrten Kernlochs ein Innengewinde eingeschnitten. Es entsteht somit die Gewindebohrung. An diesen ersten Verfahrensschritt schließt sich sogleich der zweite Verfahrensschritt ohne einen Werkzeugwechsel an. Nach dem Herausfahren des Werkzeugs, also des Bohrers aus der Gewindebohrung, fährt die Hauptspindel in einem rechten Winkel zu ihrer Mittellängsachse und damit zur Bohrrichtung an den Rand der Gewindebohrung heran und führt den Bohrer mit einer Kreisbewegung am Rand des Kernlochs entlang und schneidet dabei die Ansenkung in den Rand der Gewindebohrung. Nach Vollendung dieses zweiten Arbeitsgangs ist die Gewindebohrung mit Ansenkung vollständig gefertigt und einsetzbar.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der Bohrer zunächst analog der Vorgehensweise bei der Schraubeninterpolation um den vollständigen Betrag der Tiefe der Ansenkung in Mittellängsrichtung der Werkzeugspindel in die Gewindebohrung eingetaucht. Nach dem Eintauchen fährt der Bohrer eine Viertelkreiseinfahrschleife, - A - schneidet die Ansenkung in den Rand der Gewindebohrung, um sodann mit einer Viertelkreisausfahrschleife in das Zentrum der Gewindebohrung zurückzukehren und die Bohrung zu verlassen. Das erfindungsmäßige Verfahren kann auch mit anderen Ein- und Ausfahrschleifen realisiert werden.

Der Hauptvorteil des erfindungsmäßigen Verfahrens liegt darin, dass der Werkzeugwechsel vom kombinierten Gewindebohrwerkzeug zum Senkwerkzeug vollständig entfällt. Mit dem erfindungsmäßigen Verfahren ist es möglich, sowohl das Aufbohren bzw. Ausbohren des Kernlochs als auch das Einschneiden des Gewindes als auch das An- senken des Lochrandes bzw. Bohrungsrandes mit einem Werkzeug in einer Aufspannung zu verwirklichen. Des Weiteren wird der entsprechende Platz im Werkzeugmagazin für das Senkwerkzeug nicht mehr benötigt. Es kann ein anderes Werkzeug in das Werkzeugmagazin anstelle des Senkwerkzeugs eingebracht werden. Dies hat vor allem den Vorteil, dass der Hauptzeitzyklus für das Werkzeugmagazin sich verlängert, so dass sich die Intervalle für den Werkzeugwechsel im Werkzeugmagazin analog dazu verringern. Die damit verbundene Zeitersparnis und daraus resultierende Kostenreduktion ist evident.

Die Ansprüche 3 bis 6 betreffen einen zur Durchführung des Verfahrens angepassten Bohrer. Der Bohrer trägt an seiner Stirnfläche mindestens eine Bohrhauptschneide. Jede Bohrhauptschneide korrespondiert mit zwei weiteren Bohrnebenschneiden am Bohrerumfang. Die den Bohrnebenschneiden zugeordneten Nebenfreiflächen tragen jeweils die Gewindeschneidzähne. Zwischen jeder der Hauptfreiflächen an der Bohrerstirnseite und den angrenzenden Nebenfreiflächen am Bohrerschaft ist eine Fase ein- geformt. Diese Fase verläuft derart schräg, dass sich zwischen der Hauptschneide und der ihr zugeordneten Nebenschneide eine schräge Schneidfase bildet zum Abspanen der Senkung im zweiten Verfahrensschritt. Darüber hinaus verbessert die Fase im Bereich zwischen Bohrerstirnseite und Bohrerschaft die Spanabfuhr bei Bohren, nämlich beim Einschneiden der Hauptschneiden in das Werkstück. Die Fase hat somit eine Doppelfunktion. Einerseits ist sie das Formwerkzeug zur Fertigung der Ansenkung. Zum Anderen begünstigt sie die Spanabfuhr des Bohrers während des Bohrvorgangs. Der Schrägungswinkel der Ansenkung kann beliebig ausgewählt werden. In der Regel werden genormte Winkelmaße für den Schrägungswinkel der Ansenkung gewählt. Ein Beispiel für eine derartige Norm ist die DIN 76, Teil 3. Dort sind für Innengewinde bzw. Muttergewinde Gewindegrundlöcher angegeben, die jeweils am Gewindeeinstich bzw. Gewindeanfang eine Ansenkung aufweisen. Der Außendurchmesser der Ansenkung entspricht hierbei nach der Norm maximal dem 1 ,05-Fachen des Gewindedurchmessers d. Aus diesem Durchmesserverhältnis resultiert ein Öffnungswinkel ß der Ansenkung gemäß DIN 76 von 120°. Bezogen auf die Mittellängsachse der Bohrung entspricht der Öffnungswinkel ß dem doppelten Betrag des Schrägungswinkels der An- Senkung. Da der Schrägungswinkel der Fase bezogen auf die Mittellängsachse des Bohrers dem Schrägungswinkel der Ansenkung entspricht, wird der Öffnungswinkel ß von 120° mit einer Fase mit einem Schrägungswinkel von 60° gefertigt. Mit anderen Worten hängt die Geometrie der mit dem erfindungsmäßigen Verfahren einerseits und dem erfindungsmäßigen Bohrer zur Durchführung des Verfahrens andererseits gefer- tigten Ansenkung stets von der Geometrie der am Bohrer ausgebildeten Fase ab. Da nach dem erfindungsmäßigen Verfahren eine Einschnittbearbeitung vorgesehen ist, also die Fertigung des Gewindes und der Ansenkung in einem kontinuierlichen Fertigungsgang, ist die Breite der Fase am Bohrer geringfügig größer als die Breite der mit der Fase zu fertigenden Ansenkung. Vorzugsweise entspricht die Fasenbreite 105% der Breite der zu fertigenden Ansenkung.

In einer Weiterbildung des Bohrers ist es vorgesehen, einen oder mehrere Kühlkanäle im Bohrer anzubringen. Während des Bohrvorgangs kann somit ein flüssiges Kühlschmiermittel an die Wirkstelle transportiert werden. Mit Hilfe des flüssigen Kühl- Schmiermittels werden einerseits der Bohrer und das Werkstück abgekühlt und andererseits der Bohrer und das Werkstück geschmiert. Zudem dient das Kühlschmiermittel zum Abtransport der beim Bohren entstehenden Späne. Die Späne werden mit Hilfe des flüssigen Kühlschmiermittels gleichsam aus der Bohrung herausgespült bzw. von der Wirkstelle des Bohrers am Werkstück weggespült. Das Kühlschmiermittel dient also auch zur Verbesserung der Spanabfuhr. Im Falle eines zu bohrenden Sacklochs mündet der Kühlkanal im Bereich der Freiflächen bzw. der Bohrerquerschneide aus. Beim Bohren von Durchgangslöchern hingegen sind mehrere Ausläufe für das Kühlschmiermittel am Bohrerumfang im Bereich der Gewindeschneidzähne angeordnet. Anhand des nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiels ist die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsmäßigen Bohrers,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Bohrerkopfs und eines Teils des sich daran anschließenden Bohrerschafts,

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht des Bohrerkopfs des in Fig. 1 dargestellten Bohrers, Fig. 4 eine Draufsicht auf die Stirnseite des Bohrerkopfs gemäß Pfeil IV in Fig. 3, Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Bohrers und Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung der Spitze des Bohrerkopfs des Bohrers gemäß der Darstellung in Fig. 5.

In Fig. 1 erkennbar ist der zylinderförmige Bohrerschaft 1 mit einem Vierkant 2 an seinem Freiende. Der Vierkant 2 ist eine Verdrehsicherung für den im Spannfutter einer Werkzeugmaschine eingespannten Bohrer.

An dem dem Vierkant 2 in Mittellängsrichtung 3 abgewandten Freiende des Boh- rerschafts 1 ist der Bohrkopf 4 ausgebildet. Der Bohrkopf 4 besteht aus mehreren, im Ausführungsbeispiel vier Spannuten 5. In Drehrichtung 6 des Bohrkopfs 4 sind zwischen den Spannuten 5 Rippen des Bohrerkörpers ausgebildet, welche auf ihren Außenflächen, den Nebenfreiflächen 7 Schneidzähne tragen. Es sind dies die sich in Mittellängsrichtung 3 in das Freiende des Bohrkopfs 4 anschließenden Gewindeschneid- zahne 8 einerseits und die sich an die Gewindeschneidzähne in Mittellängsrichtung 3 anschließenden Führungszähne 18 andererseits. Die Schneidzähne 8 dienen zum eigentlichen Schneiden des Gewindes, während die Führungszähne 18 den Bohrer während des weiteren Bohr- bzw. Gewindeschneidvorgangs im bereits geschnittenen Innengewinde führen.

Auf der Stirnseite 9 des Bohrkopfs 4 verlaufen jeweils rechtwinklig zur Mittellängsrichtung 3 die beiden zueinander ebenfalls wiederum rechtwinklig verlaufenden Bohrhauptschneiden 10. Die Bohrhauptschneiden 10 sind im Zentrum des Bohrkopfs 4 von der Kühlkanalöffnung 11 durchbrochen. In der Kühlkanalöffnung 11 mündet der den Bohrer in Mittellängsrichtung 3 durchsetzende Kühlkanal 12 aus zur Ausleitung von Kühlschmiermittel an die Wirkstelle während des Bohrvorgangs.

Zwischen den Bohrhauptschneiden 10 sind auf der Stirnseite des Bohrkopfs 4 die Hauptfreiflächen 13 ausgebildet. Zwischen den Hauptfreiflächen 13 und den Nebenfreiflächen 7 ist am Bohrkopf 4 die schräg verlaufende Fase 14 ausgebildet. Bezogen auf die in Mittellängsrichtung 3 verlaufende Mittellängsachse 15 des Bohrers beträgt der Schrägungswinkel 16 der Fase 14 im Ausführungsbeispiel 38°. Zur Realisie- rung einer Ansenkung mit einem Öffnungswinkel von 120° gemäß DIN 76, Teil 3 wird eine Fase 14 mit einem Schrägungswinkel 16 von 60° gewählt. Die Fasenbreite 19 ist vorzugsweise geringfügig größer als die Breite der mit der Fase 14 gefertigten Ansenkung.

Die Wirkungsweise des im Ausführungsbeispiel dargestellten Bohrers ist Folgende: Zum Aufbohren eines Kernlochs zu einer Gewindebohrung fährt der Bohrer in das vorgeformte Kernloch ein und schneidet dieses Kernloch mit seinen Bohrhauptschneiden 10 und den an den Nebenfreiflächen 7 ausgebildeten Bohrnebenschneiden auf Maß. Zugleich schneiden die auf den Nebenfreiflächen 7 angeordneten Gewindeschneidzäh- ne 8 ein Gewinde in die Innenwand des Kernlochs, so dass eine Gewindebohrung entsteht.

Nach dem Vollenden der Gewindebohrung fährt der Bohrer wiederum in Mittellängsrichtung 3 entlang seiner Mittellängsachse 15 aus der Gewindebohrung heraus. So- dann verfährt die mit der Mittellängsachse 15 fluchtende Hauptspindel des Maschinenwerkzeugs den Bohrer in der zur Mittellängsrichtung 3 rechtwinklig verlaufenden Orthogonalrichtung 17 an den Bohrungsrand. Auf dem Wege einer Viertelkreiseinfahrschleife gelangt die Fase 14 mit dem Bohrungsrand in Eingriff und die der Fase 14 zugeordneten Schneidkanten schneiden durch Drehung des Bohrers in Drehrichtung 6 und eine gleichzeitige von der Hauptspindel des Maschinenwerkzeugs gesteuerte Kreisbewegung des Bohrers entlang dem Bohrungsrand die Ansenkung in den Bohrungsrand. Nach Vollendung der Ansenkung wird der Bohrer mittels einer Viertelkreisausfahr- schleife außer Eingriff mit dem den Gewindeanfang bildenden Bohrungsrand gebracht und vom Werkstück weggefahren. Die Gewindebohrung mit Ansenkung am Gewindeanfang ist dadurch vollständig vollendet.

Bezugszeichenliste

Bohrerschaft

Vierkant

Mittellängsrichtung

Bohrkopf

Spannut

Drehrichtung

Nebenfreifläche

Gewindeschneidzahn

Stirnseite

Bohrhauptschneide

Kühlkanalöffnung

Kühlkanal

Hauptfreifläche

Fase

Mittellängsachse

Schrägungswinkel

Orthogonalrichtung

Führungszahn

Fasenbreite

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Gewindebohrung mit Ansenkung mit folgenden s Verfahrensschritten: a) ein mit der Hauptspindel einer Bohrmaschine kinematisch gekoppelter Bohrer mit mindestens einer Bohrhauptschneide (10) an seiner Stirnseite (9) und mit Gewindeschneidzähnen (8) auf seinem Umfang fährt in einem Arbeitshub in Mittellängsrichtung (3) der Hauptspindel in das Werkstück o hinein und bohrt synchron aa) das Kernloch aus oder auf und bb) schneidet ein Innengewinde in die Innenwand des Kernlochs und vollendet so die Gewindebohrung; b) nach dem Herausfahren des Bohrers aus der so gefertigten Gewin- 5 debohrung fährt die Hauptspindel orthogonal zu Ihrer Mittellängsrichtung

(3) den Bohrer an den Rand der Gewindebohrung heran und führt den Bohrer mit einer Kreisbewegung am Rand der Gewindebohrung entlang und spant so eine Ansenkung in den Rand der Gewindebohrung zur Vollendung der Gewindebohrung mit Ansenkung. 0

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Schnitts der Ansenkung der Bohrer um den vollständigen Betrag der Tiefe der Ansenkung in Mittellängsrichtung (3) der Werkzeugspindel 5 in die Gewindebohrung eintaucht und eine Viertelkreiseinfahrschleife fährt, orthogonal zur Mittellängsrichtung der Werkzeugspindel die Ansenkung spant und eine Viertelkreisausfahrschleife fährt.

3. Bohrer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch,

• eine sich über die Stirnfläche (9) des Bohrers erstreckende Bohrhauptschneide (10), • zwei mit der Bohrhauptschneide (10) korrespondierende Bohrnebenschneiden am

Bohrerumfang,

• Gewindeschneidzähne (8) auf den Nebenfreiflächen (7) am Bohrerumfang und

• eine zwischen jeder Hauptfreifläche (13) und der an sie angrenzenden Nebenfreifläche (7) schräg verlaufende Fase (14).

4. Bohrer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei sich zueinander rechtwinklig erstreckende Bohrhauptschneiden (10),

• vier mit den Bohrhauptschneiden (10) korrespondierende Bohrnebenschneiden am Bohrerumfang,

• Gewindeschneidzähne (8) auf den vier Nebenfreiflächen (7) am Bohrerumfang und

• vier Fasen (14) zwischen den vier Hauptfreiflächen (13) und den an sie jeweils angrenzenden Nebenfreiflächen (7).

5. Bohrer nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen dem Schrägungswinkel der Ansenkung entsprechenden Schrägungswinkel (16) der Fase (14).

6. Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen den Bohrer in Mittellängsrichtung (3) durchsetzenden Kühlkanal (12).