DE20304580U1

DE20304580U1 - Bohrer

Info

Publication number: DE20304580U1
Application number: DE20304580U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2013-03-22
Also published as: WO2004082874A1; DE112004000973D2

Abstract

Bohrer, insbesondere Spiralbohrer und insbesondere zum Bohren ins Volle bei Werkstücken aus Verbundmaterial mit zumindest einer faserverstärkten und einer metallischen Schicht, mit durch Hauptspannuten (10; 110) getrennten Stegen, die jeweils durch zumindest eine Zusatznut (12; 112) in einen Vorlaufsteg (8; 108) und zumindest einen Nachlaufsteg (9; 109) unterteilt sind, die umfangsseitig jeweils von Rundschlifffasen (7, 17; 107, 117) begrenzt werden, wobei das Spankammervolumen (Vz1; Vz1) der Zusatznuten (12; 112) kleiner als das Spankammervolumen (Vh1; Vh2) der Hauptspannuten (10; 110) ist, dadurch gekennzeichnet dass Freiflächen (11, 11ü, 13; 111, 113) der Stege derart verlaufen, dass der Nachlaufsteg (9; 109) seinem Vorlaufsteg (8; 108) axial nacheilt, wobei die Nacheilung (N1; N2) von einem äußersten Punkt (S1; S101) auf einer Vorlaufsteg-Hauptschneide (3, 3ü; 103) zu einem äußersten Punkt (S2; S102) auf der Nachlaufsteg-Hauptschneide (21; 121) kleiner als 2/10 des Bohrer-Nenndurchmessers (D) ist, bevorzugt kleiner gleich 1/10 des Bohrer-Nenndurchmessers (D), insbesondere kleiner gleich 1/10...

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrer für passgenaue Bohrungen, insbesondere in Verbundmaterialien, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Besonders im Flugzeugbau finden heute verstärkt Verbund- bzw. Sandwichmaterialien Anwendung. Für die Außenhaut moderner Flugzeuge werden beispielsweise Flachbauteile aus Verbundmaterialien eingesetzt, die beispielsweise eine Schicht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, eine Schicht aus Titan und eine weitere Schicht aus Aluminium aufweisen, wobei die Schichten unterschiedlich angeordnet sein können, oder aus einem Verbund einer Aluminium- mit einer CFK-Schicht bestehen. Derartige Materialien weisen trotz ihres geringen Gewichtes eine hohe Stabilität auf. Allerdings kommt es beim Zusammenbau solcher Bauteile zu Schwierigkeiten.
Die Einzelteile von Flugzeugaußenhäuten werden meist miteinander vernietet. Dabei kommen teilweise Nietroboter zum Einsatz, die anhand von Daten, die durch eine Abtastung der Außenhautkontur, beispielsweise mittels Lasermarkierungen, die in den einzelnen Flachbauteilen vorgebohrten Nietbohrungen abfahren und vernieten. Auch kombinierte Bohr-/Nietroboter, die die Nietbohrungen erst an den definierten Stellen bohren und anschliessend die entsprechende Niete setzen, sind bekannt. Andererseits werden die Bohrungen jedoch auch häufig per Hand und mit entsprechenden Handbohrmaschinen in die Flugzeugbauteile eingebracht.
Nachdem früher kein besonderes Augenmerk auf die Toleranzen der zur Aufnahme der Nieten vorgesehenen Bohrungen gelegt wurde, musste nach folgenschweren Materialabrissen erkannt werden, dass eine enge Tolerierung der Nietbohrungen erforderlich ist. Zielvorgaben liegen dabei im Toleranzbereich IT8 – IT11.
Um derartig enge Toleranzen einhalten zu können, werden herkömmlich mehrere Arbeitschritte nacheinander ausgefgührt, beispielsweise Vorbohren, Aufbohren und anschließendes Ausreiben der erzeugten Bohrung.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung ein Bohrwerkzeug zu schaffen, mit dem bei guten Standzeiten und Passgenauigkeit der Bohrungen auch bei der Verarbeitung von Verbundmaterialien die Werkzeugwechselzeiten gesenkt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu wurde der Zerspanungsvorgang in Verbundmaterialien in eingehenden Versuchen untersucht.
Allgemein sind Bauteile mit Sandwich-Aufbau, die Lagen aus CFK (kohlefaservertärkte Kunststoffe) enthalten, in der zerspanenden Bearbeitung besonders schwierig zu handhaben, denn vielfach kommt es dabei zur Delamination, d.h. dem Ausreißen einzelner Fasern und damit zu einem Ausfransen des Bohrlochs.
Andererseits weisen derartige Sandwich-Materialien zumindest eine metallische Schicht auf, um dem entsprechenden Bauteil die nötige Belastbarkeit zu verleihen. Dabei werden beispielsweise Titan-, VA-Stahl- oder Aluminium-Schichten eingesetzt, die ebenfalls zerspant werden müssen, ohne dass es zu einem Bruch am Bohrwerkzeug kommt.
Daneben treten weitere Problemfälle auf. So entsteht bei der Bearbeitung einer Titanschicht aufgrund der großen Härte und damit hohen Reibung eine starke Wärmeentwicklung. Insbesondere bei den im Flugzeugbau häufig eingesetzten Handbohrmaschinen ist darüber hinaus oft keine ins Werkzeug integrierte Kühlmittelzufuhr vorgesehen, so dass lediglich eine direkte Zufuhr desd Kühlmittels in die Bohrung möglich ist. Da die Kühlmittelzufuhr auf diese Weise beschränkt ist, kommt es dabei oft zu dem Effekt, dass das eingesetzte Schmiermittel während des Durchbohrens der Titanschicht verdampft, so dass anschließende Schichten trocken bearbeitet werden.
Andere Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium, neigen dagegen dazu, am Werkzeug anzuschweißen. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn eine Schicht aus einem derartigen Werkstoff nach einer sehr harten Schicht, wie beisapielsweise der oben stehend genannten Titanschicht bearbeitet werden müssen. Denn bei einer im Anschluß an die Zerspanung einer Titanschicht zu zerspanenden Aluminiumschicht wird aufgrund der Hitzeentwicklung die Aufschweißneigung des Aluminiums noch verstärkt.
Der erfindungsgemäße Bohrer bewährt sich dabei speziell unter diesen erschwerten Einsatzbedingungen. Er weist dazu gemäß Anspruch 1 Stege auf, die durch Zusatznuten in einen vorlaufenden und einen nachlaufenden Stegabschnitt (im weiteren Vorlaufsteg und Nachlaufsteg) unterteilt werden, wobei der Nachlaufsteg dem Vorlaufsteg axial nacheilt, d.h. die Hauptschneide am Nachlaufsteg der Hauptschneide am Vorlaufsteg. Die Nacheilunggemessen jeweils vom äußersten Punkt der Vorlaufsteg-Hauptschneide und der Nachlaufsteg-Hauptschneide – liegt dabei unter 2/10 des Bohrer-Nenndurchmessers, bevorzugt bei oder unter 1/10 des Bohrer-Nenndurchmessers, insbesondere bei oder unter 1/10 mm und die Radialkoordinate der Rundschlifffase am Nachlaufsteg entspricht im wesentlichen der der Rundschlifffase am Vorlaufsteg.
Es sich gezeigt, dass bei der Zerspanung von CFK-Material einzelne Fasern von der Hauptschneide nicht bis zum Außenumfang der Bohrung hin erfasst werden, sondern in einem weiter innen liegenden Bereich durchtrennt werden und die von der Bohrungswand hervorsteheden Faserstummel vom Vorlaufsteg in Umfangsrichtung an die Bohrungswand gedrückt werden. Diese Faserstummel richten sich erst nach dem Vorbeilauf der Rundschlifffase wieder auf und können dann am Nachlaufsteg erfasst werden. Durch die axiale Nacheilung des Nachlaufstegs wird dabei verhindert, dass es an der Nachlaufsteg-Hauptschneide zu einem Zerspanungsvorgang kommt. Dadurch, dass die Nachlaufsteg-Hauptschneide nicht schneidet, kommt es zu dem Effekt, dass kein zerspantes Material in die zusätzliche Nut gelangt und dort ein Zerkratzen des Bohrungsumfangs hervorrufen kann.
Es erfolgt somit im wesentlichen eine Funktionstrennung in die Funktion "Schneiden" am Vorlaufsteg und "Nachreiben" am Nachlaufsteg. Mit dem erfindungsgemäßen Bohrer ist es somit möglich, auch beim Einsatz in Vebundmaterial mit zumindest einer CFK-Schicht und einer metallischen Schicht mit einem Arbeitsgang pro Bohrung auszukommen.
Zur zentrierte Abstützung des Bohrwerkzeugs am Bohrungsumfang sind dabei sowohl am Nachlauf- als auch am Vorlaufsteg Rundschlifffasen vorgesehen, die im wesentlichen auf der gleichen Radialkoordinate liegen. Die Rundschlifffasen an Vor- und Nachlaufsteg stützen dabei den Bohrer während der an der Vorlaufsteg-Hauptschneide ablaufenden Zerspanung in der Bohrung ab, so dass ein Aussteifen der Bohrung und damit zentriertes Führen des Bohrwerkzeugs gelingt.
Die zentrierte Abstützung des Bohrwerkzeugs am Bohrungsumfang erfolgt dabei zu einem bedeutenden Teil am Nachlaufsteg. Während dazu die Nacheilung so groß sein muss, dass bei gewünschten Vorschubwerten sichergestellt ist, dass an der Nachlaufsteg-Hauptschneide keine Zerspanung stattfindet, hat es sich andererseits gezeigt, dass die Zentriergenauigkeit beim Eintritt in das Material, insbesondere in das CFK-Material, stark davon abhängig ist, dass die Führung durch den Nachlaufsteg möglichst schnell nach dem Zerspanungsvorgang einsetzt.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Werte für die Nacheilung und die Radialkoordinaten auf dem Vorlauf- und Nachlauflaufsteg wird sowohl die Funktionstrennung als auch ein rechtzeitiges Einsetzen der Führung an der Rundschlifffase am Nachlaufsteg beim Materialeintritt sichergestellt. Es hat sich zudem gezeigt, dass bei Nacheilungswerten im erfindungsgemäßen Bereich die Delamination beim Eintritt in ein CFK-Material gering gehalten werden kann. Insgesamt können mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug sowohl CFK-Werkstoffe bei geringer Delamination als auch metallische und harte Schichten bei ausreichenden Standzeiten geschnitten werden.
In der vorteilhaften Ausführungsform gemäß Anspruch 2 ist der Bohrer als Zweischneider gestaltet, d.h. mit je zwei Vorlaufstegen und Nachlaufstegen. Im Rahmen der Erfindung kommt aber auch eine Bauform als Drei- oder Mehrschneider in Betracht. Auch bei Einlippenbohrern kann eine erfindungsgemäße Gestaltung sinnvoll sein.
Insbesondere die vorteilhafte Ausgestaltung des Bohrwerkzeugs gemäß Anspruch 3 mit einem positiven Spanwinkel an der Nachlaufsteg-Nebenschneide ermöglicht eine wirkungsvolle Kombination der Arbeitsgänge Bohren und Feinbearbeitung mit nur einem Werkzeug. Denn aufgrund des positiven Spanwinkels an den Nachlaufsteg-Nebenschneiden können insbesondere überstehende Faserreste, aber auch andere Oberflächenrauhigkeiten durch eine Nachbearbeitung im Sinne eines Nachreibens am Bohrungsumfang zuverlässig entfernt werden. Die mit einem positiven (radialen) Spanwinkel versehenen Nachlaufsteg-Nebenschneiden schaben somit den Umfang der Bohrung passgenau aus. Dabei werden Fasern durchtrennt, die beim Schneiden im CFK-Material durch den Schneidvorgang an der Hauptschneide aus dem faserigen Material herausgerissen wurden. Somit gelingt es auch beim Schneiden im faserigen CFK-Material, eine glatte Oberflächenstruktur des Bohrungsumfangs zu schaffen. Die eigentliche Schneidarbeit am vor der Bohrerspitze gelegenen, zu zerspanenden Material wird aber an der Vorlaufsteg-Huaptschneide geleistet.
Als besonders geeignet für den radialen Spanwinkel der Nachlaufsteg-Nebenschneide haben sich dabei Werte von 6° bis 10°, insbesondere 8° herausgestellt.
Dabei kann die Vorlaufsteg-Nebenschneide einen positiven, neutralen oder negativen radialen Spanwinkel aufweisen. Wenn die Vorlaufsteg-Nebenschneide einen neutralen oder negativen radialen Spanwinkel hat wird jedoch erreicht, dass die Nachbearbeitung am Bohrungsumfang erst an der Nachlaufsteg-Nebenschneide einsetzt und die Vorlaufsteg-Nebenschneide im wesentlichen durchgleiten kann, ohne in Schneideingriff mit dem Material am Bohrungsumfang gebracht zu werden.
Auf diese Weise wird die Trennung der Funktionen in Zerspanung an der Vorlaufsteg-Hautschneide und Abstützen sowie Nachreiben an der Nachlaufsteg-Nebenschneide vervollkommnet und das hochbelastete Schneideneck am vorlaufenden Steg entlastet.
Es hat sich ferner gezeigt, dass die obenstehend beschriebenen Effekte bei verschiedenen Spitzenanschliffen erzielt werden können. Dies erlaubt es, einfach herstellbare Spitzenanschliffe zum Einsatz zu bringen, wie z.B. einen Flächenanschliff, der in der Regel von CNC-Maschinen herstellbar ist. Bei einem als Zweischneider ausgestalteten Bohrer ist dabei ein 4-Flächen-Anschliff vorteilhaft, mit dem es gelingt, die Hauptschneide des nachlaufenden Stegs axial definiert nach hinten zu versetzten, so dass sie bei den gewünschten Vorschüben nicht in den Zerspanungsbereich eingreift und andererseits sofort nach Eintritt des Bohrers in ein Werkstück die aussteifende Wirkung des Nachlaufstegs einsetzt.
Insbesondere bei einem 4-Flächenanschliff ist es dabei vorteilhaft, wenn die an die Vorlaufsteghauptschneide anschließenden ersten Freiflächen unter einem gegenüber herkömmlichen Bohrern reduzierten FReiwinkel verlaufen, insbesondere unter einem Freiwinkel von 6° bis 8°. Auf diese Weise gelingt auch eine Zerspanung von äußerst harten Materialien (z.B. Titan), ohne dass die Gefahr eines vorzeitigen Ab- oder Wegbrechens der Vorlaufsteg-Hauptschneide kommt.
Gemäß Anspruch 4 kann darüberhinaus durch eine Ausspitzung eine vorteilhafte Querschneidenverkürzung erreicht werden, so dass die Zentriereigenschaften des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs weiter verbessert werden können. Zudem hat sich gezeigt, dass durch die Querschneidenverkürzung eine Verringerung der Delamination beim Eintritt in das CFK-Material erreicht wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche und beziehen sich auf spezielle Problemfälle, die je nach Lage der einzelnen Schichten in dem zu durchbohrenden Sandwichmaterial und je nach Richtung, in der die Bohrung in das Material eingebracht wird, auftreten. Zur Erläuterung wird schon hier bezug auf die 10 und 11 genommen, in denen einige dieser spezifischen Problemfälle verdeutlicht werden.
10 zeigt eine Schnittansicht einer Bohrung durch ein dreilagiges Sandwichmaterial, wobei die obere Lage aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), die mittlere Lage aus Titan (TI) und die untere Lage aus Aluminium besteht. Die gewünschte Bohrrichtung (B) verläuft in der Blattebene nach unten. Dabei zeigten sich insbesondere an drei Stellen (P1, P2, P3) Probleme.
Zu P1: Schon beim Eintritt in das CFK-Material kommt es zu Delamination, d.h. zum Ausreißen einzelner Fasern aus dem Kunststoff, so dass sich am Eintritt ins CFK-Material (an P1) ein Delaminationstrichter bildet. Zudem führt die Delamination zu einem Verlaufen des Werkzeugs und somit zu einem Zentrierungsfehler des Werkzeugs. Die erfindungsgemäß definierte Nacheilung bewirkt eine Verringerung dieses Effekts. Auch die obenstehende Querschneidenverkürzung durch Ausspitzung wirkt diesem Effekt entgegen: Da an der Querschneide des Bohrers nicht geschnitten wird, sondern nur gedrückt, wird beim Eintritt in das CFK-Material zunächst nicht geschnitten, sondern lediglich Fasern aus dem Material herausgerissen.
Je kürzer die Querschneide, um so kleiner also die durch die Querschneide hervorgerufene Delamination.
Zu P2: Nach Zerspanung des CFK-Materials tritt der Bohrer in die Titanschicht ein. Dabei kommt es zu einer sog. Auswaschung am Rand der CFK-Schicht (P2). Es hat sich herausgestellt, dass die harten Titanspäne, die beim Einsetzen der Zerspanung in der Titanschicht entstehen, nach außen gedrückt werden und Material aus der CFK-Schicht auswaschen, bzw. ausreiben.
Zu P3: Bei der Zerspanung der Titanschicht wird der Bohrer extrem belastet und daher extrem heiss. Dadurch kommt es vielfach zu einem Verdampfen des Kühlmittels während der Zerspnaung der Titanschicht und somit zu einem Trockenlaufen, insbesondere an den Rundschlifffasen. In der Folge ist der Bohrer bei der folgenden Zerspanung in der Aluminiumlage immer noch extrem heiss, während das Kühlmittel schon vor Erreichen der Aluminuimlage verdampft. Es kommt dort daher zu einer verstärkten Neigung zu Materialaufschweißungen am Bohrer, so dass der Bohrungsdurchmesser zum Austritt aus der Al-Schicht hin zunimmt (P3). Zudem kommt es zu einer Gratbildung am Austritt aus der Al-hicht. die Materialaufschweißungen führen zudem dazu, dass der Bohrer nach relativ kurzen Standzeiten unbrauchbar werden kann.
11 zeigt eine Schnittansicht einer Bohrung durch ein zweilagiges Sandwichmaterial, wobei die obere Schicht aus Titan (TI) oder Aluminium (AL) besteht und die untere Schicht aus CFK und von oben nach unten gebohrt wird (B). Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Sandwichmaterial-Bearbeitung in wichtigen Einsatzgebieten, wie im Flugzeugbau meist mit Handbohrmaschinen durchgeführt wird. Eine bohrtiefenabhängige Drehzahl- und Vorschubregelung ist dabei nur bedingt möglich.
Im Gegensatz zum obenstehend unter P1 beschriebenenen Anfahren an eine offenliegende CFK-Schicht, bei dem zunächst unter geringem Anpressdruck und mit geringen Vorschubwerten gearbeitet wird, bis die CFK-Schicht durchbohrt ist, wird bei der verdeckt liegenden CFK-Schicht der 11 mit dem zur Zerspanung der oberen Schicht aus A1 eingesetzen hohen Drehzahl- und Anpressdruckwerten in das CFK-Material hineingefahren. Die CFK-Schicht wird anschließend durchbohrt, ohne dass eine Einstellung der Schnittgeschwindigkeit und des Vorschubs vorgenommen werden kann, bevor der Bohrer aus der CFK-Schicht ins Freie austritt.
Der obenstehend beschriebene Effekt der drückenden Querschneide, die nicht schneidet, tritt deshalb beim Austritt des Bohrers verstärkt auf. Dabei kommt es zu einer explosionsartigen, verstärkte Delamination (P4), weil zunächst nicht geschnitten wird, sondern lediglich Fasern aus dem Material herausgerissen werden. Nach Art eines Dum-Dum-Geschosses entsteht auf diese Weise an der Stelle P4 ein Austrittskrater.
Die genannten Bearbeitungsbespiele zeigen, dass an Sandwichmaterial-Bohrwerkzeuge je nach Sandwichaufbau und Bohrrichtung unterschiedlichen Anforderungen gestellt werden. Bauliche Maßnahmen, die sich für einen der gezeigten Problemfälle günstig auswirken, können sich auf der anderen Seite bei einem anderen Problemfall nachteilig auswirken, so dass für unterschiedliche Sandwichlageanordnungen und Bohrrichtungen unterschiedliche Werkzeuge vorgeschlagen werden, die jedoch sämtlich als vorteilhafte Ausführungsformen Teil der Erfindung sind.
Nach Anspruch 7 wird deshalb ein Bohrer vorgeschlagen, der einen Spitzenwinkel von kleiner als 100° aufweist, bevorzugt 90°. Die Bohrerspitze weist in diesem Fall fast keine Querschneide auf; die Hauptschneiden gehen anstatt dessen pyramidenförmig ineinander über, so dass eine tatsächliche Zentrierspitze vorhanden ist, die dafür sorgt, dass der Bohrer exakt an der gewünschten Stelle ins Material eindringt und nicht verläuft. Die "Delaminations-Explosion" unter den obenstehend mit bezug auf 11 (P4) beschriebenen Bedingungen beim handgeführten Austritt aus einer CFK-Lage ins Freie kann somit weitestgehend vermieden werden.
Da die drückende Querschneide weitestgehend beseitigt ist, tritt der Effekt der "Delaminations-Explosion" am Austritt aus der CFK-Lage nicht auf, so dass ein Austrittskrater nach art eines Dum-Dum-Geschosses vermieden werden kann. Aufgrund der starken Neigung der Hauptschneiden erweitert sich die Bohrung beim Austritt aus der CFK-Schicht zudem nur zögerlich, so dass der Bohrer beim Austritt nicht auf einen Schlag durchbricht, sondern nur peu à peu den Endabschnitt des CFK-Materials zerspant.
Die vorteilhafte Ausgestaltung des Bohrers nach Anspruch 8 eignet sich dagegen insbesondere für den in der 10 gezeigten Einsatzfall. Dabei verläuft die Vorlaufsteg-Hauptschneide – und damit die eigentliche Hauptschneide des Bohrers – unter einem Spitzenwinkel von 140° bis 170°, wobei sich insbesondere ein Wert von 150° als geeignet erwiesen hat. Die Vorlaufsteg-Hauptschneide schließt aber nicht direkt an der Schneidenecke an die Vorlaufsteg-Nebenschneide an, sondern über einen Übergangsbereich, in dem die Hauptschneide steiler abfällt. Die Hauptschneide ist dabei im inneren Bereich länger als im äußeren Übergangsbereich. Die Vorlaufsteg-Hauptschneide teilt sich somit in einen längeren inneren Bereich bzw. Abschnitt, in dem sie flach abfällt, und einen kürzeren Übergangsbereich bzw. -abschnitt, in dem sie steil abfällt.
Die geteilte Hauptschneide führt dabei auch zu einem geteilten Zerspanungsvorgang. Es kommt damit zu folgendem Effekt: Relativ lange Späne, die durch Zerspanung am inneren Bereich der Hauptschneide entstehen, werden nach außen abgelenkt und treffen dort auf die am Übergangsbereich entstehenden, relativ kurzen Späne. Aufgrund der Steilheit des Übergangsbereichs werden die Kurzspäne zum Spankammerinneren hin verdrallt. Dadurch werden die am flach abfallenden Innenabschnitt der Hauptschneide entstehenden Langspäne zurück ins Innere der Spankammer abgedrängt.
Beim Austritt aus einer CFK-Schicht und gleichzeitigem Eintritt in eine Hartstoffschicht, insbesondere eine Titanschicht, bei dem es häufig zu den obenstehend mit bezug auf 10 (P2) genannten Auswaschungen kommt, gelingt es somit, zu vermeiden, dass die Hartstoffspäne am CFK-Material am Bohrerumfang scheuern und die unerwünschte Auswaschung hervorrufen. Die Wand der im CFK-Material erzeugten Bohrung, die gegebenenfalls schon mittels Nachlaufsteg-Nebenschneide "sauber" nachgerieben wurde, wird somit nicht mehr nachträglich durch Hartspäne beim Eintritt in das harte Titan zerschunden.
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform nach Anspruch 8 betrifft die Belastung der Schneidenecken. An den Schneidenecken herrscht keine definierte Schnittbedingung, da sie einerseits zur Hauptschneide, andererseits zur Nebenschneide gehören. An der Schneidenecke findet daher kein Schneiden, sondern nur ein Drücken statt. Gleichzeitig wirken dort die höchsten Schnittgeschwindigkeiten und die höchsten Belastungen. Durch den Übergangsbereich wird die Belastung an der Schneidenecke entschärft, da sich der Übergang von Hauptschneide zur Nebenschneide nicht mehr auf einen Schlag an einer Schneidenecke vollzieht, sondern schrittweise über den Übergangsbereich. Der mit dem Übergangsbereich ausgestattetete Bohrer bietet somit höhere Standzeiten beim Bohren von Sandwichmaterial, insbesondere bei dem in der 10 gezeigten Bearbeitungsfall.
Auch bezüglich der obenstehend mit bezug auf 10 angesprochenen Aluminium-Aufschweißungen (P3) bietet diese Ausführungsform Vorteile. Derartige Aufschweißungen treten regelmäßig im Bereich der Schneidenecken auf. Das liegt einerseits daran, dass an der Schneidenecke aufgrund des Drückens eine hohe Reibung und damit Wärme entsteht, so dass es dort häufig zu lokalem Anschmelzen des Aluminiums kommt. Andererseits fließt Material, das durch die Hitze an der Bohrerspitze fließfähig wird, vor dem Bohrer her an der Hauptschneidkante entlang nach außen in Richtung zum entgegengesetzten Bohrerende hin und neigt dabei zum Anbacken an der Schneidenecke, da die Schneidenecke als Kante im Fluss des fließfähigen Aluminiums wirkt. Auch diese Wirkung wird durch den Übergangsbereich entschärft.
Insgesamt werden somit gemäß dieses Aspekts der Erfindung beim Bohren in Sandwichmaterial, insbesondere bei der in 10 dargestellten Bearbeitung, verbesserte Werkzeugstandzeiten und Fertigungstoleranzen, insbesondere am Übergang von CFK zu Titan und beim Austritt aus der Aluminiumschicht erzielt. In Versuchen haben sich Werte von unter 1 : 4 für das Verhältnis der Länge des Übergangsbereichs zur Länge der restlichen Vorlaufsteg-Hauptschneide als günstig herausgestellt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsform haben Verbesserungen der Gestaltung des Übergangsbereichs zum Inhalt.
Auf einfache Weise läßt sich der Übergangsbereich durch eine umfangsseitige Anfasung des Vorlaufstegs gemäß Anspruch 8 realisieren. In Versuchen hat sich dabei ein Fasenwinkel zur Axialrichtung von 10° bis 20° und insbesondere von 15° als günstig erwiesen.
Mit der nach Anspruch 9 gekrümmten Anfasung wird erreicht, dass die Schneidenecke zwischen Anfasung und Nebenschneide entlastet wird, da die Radialkräfte entsprechend dem nahezu in Radialrichtung verlaufenden Übergangsbereich an der Schneidecke minimiert werden.
Hinsichtlich des Abflusses von fließfähigem Material ist es vorteilhaft, wenn der Übergangsbereich gemäß Anspruch 10 durch eine Abrundung gebildet wird. Auf diese Weise kann zugleich die Belastung am Übergang der Hauptschneide zur Nebenschneide reduziert werden.
Der Übergangsbereich kann dabei auch als eine Kombination einer Abrundung mit einer obenstehend genannten gekrümmten Anfasung, d.h. in etwa S-förmig gestaltet sein.
Bei der Ausgestaltung der Hauptschneide mit Übergangsbereich wird dabei bewusst eine gewisse Gratbildung beim Austritt aus dem Aluminium in Kauf genommen, um die obenstehend genannten Verbesserungen hinsichtlich Standzeit und Bohrungstoleranz zu erzielen. Insbesondere hinsichtlich der Aufschweißungen beim (trockenen) Durchbohren der Aluminiumschicht haben sich darüber hinaus die breiten Rundschlifffasen der Ausführungsform nach Anspruch 11 als vorteilhaft erwiesen, da die gegenüber herkömmlichen Bohrern größere Abstützfläche eine geringere Flächenpressung an den Rundschlifffasen bewirkt.
Durch die Gestaltung des Bohrers mit den breiten Rundschlifffasen kann somit insgesamt die Maßhaltigkeit und Rundheit der Bohrungen weiter gesteigert werden. Dies gilt insbesondere für die aufgrund der Trockenbearbeitung der Titanschicht zwangsweise trocken erfolgende Bearbeitung von Aluminium, wie sie im in der 10 gezeigten Bearbeitungsfall gefordert ist.
Dabei kann die Rundschlifffasenbreite entlang der Axialrichtung des Bohrers variieren, bevorzugt ist sie jedoch konstant.
Um den Verschleiß an den Bohrerschneiden weiter zu verringern, während eine zu große Verrundung und damit Unschärfe vermieden wird, weist der Bohrer in vorteilhafter Weise zumindest im Bereich der scharfen Schneiden eine Beschichtung auf, vorzugsweise eine Hartschicht. Im Bereich der scharfen Schneiden bedeutet dabei zumindest im Bereich der Vorlaufsteg-Hauptschneide und der Nachlaufsteg-Nebenschneide. Aus Verschleißschutzgründen kann eine derartige Beschichtung an den Rundschlifffasen, den Freiflächen, den Span- und Zusatznuten und im Bereich der nichtschneidenden Kanten aber auch dort sinnvoll sein, wo diese nicht unmittelbar an die scharfen und schneidenden Kanten angrenzen, insbesondere an der Vorlaufsteg-Nebenschneide und der Nachlaufsteg-Hauptschneide. Zudem kann eine Beschichtung auf einen Oberflächenbereich auf technisch einfache Art und Weise vollflächig aufgedampft werden, ohne dass besondere Abdeckungen nötig wären, und zwar bevorzugt im CVD-Verfahren (chemical vapor deposition), das beispielsweise mit Anlagen der Cemecon AG durchgeführt werden kann und mit einer Schichtdicken zwischen 8 μm und 16 μm.
Als besonders geeignet hat sich dabei Diamant erwiesen, der besonders gut auf Hartmetall als dem Bohrerbasismaterial haftet. Zudem weist Diamant eine geringe Affinität zu Aluminium auf, so dass dessen Aufschweißneigung (siehe 10, P3) verringt wird. Als Werkstoff für den Bohrer können im übrigen aber auch alle anderen gängigen Werkstoffe moderner Hochleistungsbohrer Anwendung finden, wie z.B. Schnellstahl wie HSS oder HSSE, HSSEBM, Keramik, Cermet oder andere Sintermetall-Werkstoffe.
Vorzugsweise besteht die Hartstoffschicht dabei aus nanokristallinem Diamant.
Mit ersten Prototypen von erfindungsgemäßen Bohrern in der Ausgestaltung mit breiten Rundschlifffasen gemäß Anspruch 11, Diamantbeschichtung gemäß Anspruch 13 und umfangsseitigen Anfasungen gemäß Anspruch 8 ließen sich im Bearbeitungsfall der 10 schon Standzeiten von 50 Bohrungen bei Toleranzabweichungen von 30 bis 40 μm und bei Schichtdicken von 5 mm CFK, 4 mm Titan und 6 mm Aluminium erzielen, wobei die Bearbeitung der Titan- und Aluminiumschicht trocken erfolgte.
Mit erfindungsgemäßen Bohrern in der Ausgestaltung mit breiten Rundschlifffasen gemäß Anspruch 11, Diamantbeschichtung gemäß Anspruch 13 und einem 90°-Spitzenwinkel gemäß Anspruch 5 ließen sich dagegen im Bearbeitungsfall der 11 bei Schichtdicken von 5 mm CFK und 6 mm Aluminium Standzeiten von über 150 Bohrungen im Toleranzfeld IT8 erzielen.
Für die Hartstoffschicht kommt neben Diamant aber beispielsweise auch Titan-Nitrid- oder Titan-Aluminium-Nitrid in Frage. Besonders geeignet sind u.a. eine Titan-Aluminium-Nitrid-Schicht und eine sogenannte Mehrlagen-Schicht, die unter der Bezeichnung "Fire I" von der Firma Gühring oHG vermarktet wird. Dabei handelt es sich um eine TiN-/(Ti,Al)N-Mehrlagens-Schicht.
Besonders bevorzugt kann auch eine Verschleißschutzschicht zur Anwendung kommen, die im wesentlichen aus Nitriden mit den Metallkomponenten Cr, Ti und Al und vorzugsweise einem geringen Anteil von Elementen zur Kornverfeinerung besteht, wobei der Cr-Anteil bei 30 bis 65 %, vorzugsweise 30 bis 60 %, besonders bevorzugt 40 bis 60 %, der Al-Anteil bei 15 bis 35 %, vorzugsweise 17 bis 25 %, und der Ti-Anteil bei 16 bis 40 %, vorzugsweise 16 bis 35 %, besonders bevorzugt 24 bis 35 %, liegt, und zwar jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht. Dabei kann der Schichtaufbau einlagig sein mit einer homogenen Mischphase oder er kann aus mehreren in sich homogenen Lagen bestehen, die abwechselnd einerseits aus (Ti_xAl_yY_z)N mit x = 0,38 bis 0,5 und y = 0,48 bis 0,6 und z = 0 bis 0,04 und andererseits aus CrN bestehen, wobei vorzugsweise die oberste Lage der Verschleißschutzschicht von der CrN-Schicht gebildet ist.
Um andererseits die Spanabfuhr in den spanführenden Nuten (Hauptspannuten am Vorbohrbereich und Nuten vor den vorlaufenden Stegen am Feinbearbeitungsbereich) zu verbessern, weist der Bohrer gemäß Anspruch 18 eine Weichstoffbeschichtung, vorzugsweise aus MoS₂, auf.
Eine gemäß Anspruch 19 gegenüber der bei Bohrern üblichen Bohrerverjüngung verkleinerte Verjüngung des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs, vozugsweise 0,02 bis 0,4 mmm pro 100 mm Länge und ganz besonders vorzugsweise genau 0,04 mm pro 100 mm Länge trägt zu einer Aussteifung des von der Bohrerspitze entfernten Bohrerabschitts gegenüber des näher an der Spitze gelegenen Bohrerabschnitts bei, so dass die Nachlaufsteg-Nebenschneiden auf einer größeren Länge schneiden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die einzelnen Merkmale der Ausführungsformen gemäss den Ansprüchen lassen sich, soweit es sinnvoll erscheint, beliebig kombinieren.
Nachfolgend werden anhand schematischer Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Bohrers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Schnittansicht entlang der Linie II – II in 1;
3 eine Seitenansicht eines Bohrers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie III – III in 3;
5 eine schematische Ansicht des Bohrers der 1 und 2 zur Erläuterung der Nacheilung der Nachlaufsteg-Hauptschneide gegenüber der Vorlaufsteg-Hauptschneide;
6 eine der 5 entsprechende schematische Ansicht des Bohrers der 3 und 4;
7 bis 9 Schnittansichten, die Details des Vorlaufstegs von Bohrern gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung im Schnitt zeigen;
10 eine Bohrung in einem Sandwichmaterial in einem ersten Bearbeitungsfall; und
11 eine Bohrung in einem Sandwichmaterial in einem zweiten Bearbeitungsfall.
Zunächst wird bezug genommen auf die in den 1, 2 und 5 dargestellte Ausführungsform des Bohrers. Diese Ausführungsform ist speziell für den Einsatz im schon obenstehend erläuterten und in der 10 dargestellten Bearbeitungsfall konzipiert. Der gezeigte Spiralbohrer weist dabei zwei über Hauptspannuten 10 getrennte Stege auf, die wiederum durch eine Zusatznut 12 in einen Vorlaufsteg 8 (2) und einen Nachlaufsteg 9 (2) unterteilt sind.
Dabei verlaufen innere Hauptschneidenabschnitte 3 an den beiden Vorlaufstegen 8 unter einem Spitzenwinkel WT1, der einen Wert von vorzugsweise 150° hat, also sehr flach, um beim Bohren möglichst geringe Kraftkomponenten in radiale Richtung zu lenken. Es ist dabei eine eingeschliffene Anspitzung 4 zu erkennen, durch die eine Verkürzung der Bohrerquerschneide erzielt wird, um so ein punktgenaues Anbohren ins Volle zu ermöglichen. Über die verkürzte Querschneide erfolgt somit eine gute Zentrierung des Werkzeugs beim Anbohren, und zwar unabhängig davon, welches Material des Sandwich-Bauteils angebohrt wird. Die Hauptschneiden 3, 3ü fallen jedoch nicht bis zur Schneidenecke S1 flach ab, sondern verlaufen jeweils von der Bohrerquerschneide aus nur bis zu einer Übergangsecke S1ü unter dem flachen Spitzenwinkel WT. Dort schließt sich ein Übergangsbereich 3ü an, an den wiederum an der Schneidenecke S1 eine vorlaufsteg-Nebenschneide 5 angrenzt. Der Übergangsabschnitt 3ü wird dabei von einer umfangsseitigen Anfasung des Vorlaufstegs 8 gebildet, wobei der Anfasungswinkel WF 15° beträgt. Die Nebenschneiden 5 verlaufen von der Schneidenecke S1 auf der vorlaufenden Kante des Vorlaufstegs 8 wendelförmig auf einem Zylinder mit dem Durchmesser D zum gegenüberliegenden Bohrerende hin.
Die Bohrerspitze ist dabei in Form eines 4-Flächenanschliffs angeschliffen, wobei eine erste Freifläche 11, 11ü in etwa dem Vorlaufsteg 8 entspricht und unter einem relativ flachen Freiwinkel verläuft, während eine zweite Freifläche 13 in etwa dem Nachlaufsteg 9 entspricht und unter einem steileren Freiwinkel soweit abfällt, dass die Schneidenecke S2 zwischen Nachlaufsteg-Hauptschneide 21 und Nachlaufsteg-Nebenschneide 23 gegenüber dem Schneideneck S1 zwischen Übergangsbereich 3ü der Vorlaufsteg-Hauptschneide 3, 3ü und Vorlaufsteg-Nebenschneide 5 axial nach hinten versetzt ist.
Zur Erläuterung der axialen Nacheilung N1 der Nachlaufsteg-Schneidenecke S2 gegenüber der Vorlaufsteg-Schneidenecke S1 wird jetzt auf die 5 bezug genommen, in der schematisch die Hauptschneide 3, 3ü am Vorlaufsteg und die Hauptschneide 21 am Nachlaufsteg an der gleichen Umfangskoordinate eingezeichnet sind, d.h. zunächst die Vorlaufsteg-Hauptschneide 3, 3ü und anschließend, nach einer Drehung des Bohrers um den entsprechenden Winkel auf die gleiche Umfangskoordinate (bei axialer Fixierung), die Nachlaufsteg-Hauptschneide 21. Es ist zu erkennen, dass die Nachlaufsteg-Hauptschneide 21 an ihrem äußersten Punkt (der Schneidenecke S2) der Vorlaufsteg-Hauptschneide 3, 3ü an deren äußerstem Punkt (dem Vorlaufsteg-Schneideneck S1) um den Wert N1 nacheilt, der in der Figur zu Zwecken der Veranschaulichung übertrieben groß eingezeichnet ist.
Der Bohrer weist dabei den in 1 entlang der Linie II–II aufgenommenen Querschnitt auf, der in 2 gezeigt wird. Neben den beiden Hauptspannuten 10, die vor den beiden Haupt-Nebenschneiden 5 einen Kanal zur Spanabfuhr bilden, sind die Zusatznuten 12 zu erkennen, die die beiden Stege des Bohrers jeweils in einen Vorlaufsteg 8 und einen Nachlaufsteg 9 unterteilen und zumindest im wesentlichen nicht spanführend sind, sondern jeweils dem als eine Art "Reibahlenzahn" ausgebildeten Nachlaufsteg 9 vorgelagert sind.
Der Vorlaufsteg 8 wird dabei jeweils von der Spanfläche bis zur Vorlaufsteg-Nebenschneide 5, umfangsseitig durch Vorlaufsteg-Rundschlifffasen 7, sowie rückseitig durch die Zusatznut 12 eingegrenzt. Nach der rückseitigen Zusatznut 12 schließt der Nachlaufsteg 9 an, der im wesentlichen den Querschnitt eines Reibahlenzahns aufweist. Die Spanfläche am nachlaufenden Steg 9 verläuft so, dass die Nachlaufsteg-Nebenschneide 23 einen positiven radialer Rückspanwinkel WSR von 14° aufweist, so dass die Nachlaufsteg-Nebenschneide 23 den Bohrungsinnenumfang ausschabt, während an der Vorlaufsteghauptschneide 3, 3ü die eigentliche Zerspanungsarbeit beim Bohren geleistet wird. Der Rückspanwinkel WSR kann dabei so groß wie möglich ausgeführt sein, wobei die Stabilität des Schneidkeils die Grenze bildet. An die Nachlaufsteg-Nebenschneide 23 schließt umfangsseitig eine weitere Rundschlifffase 17 an, an der sich der Nachlaufsteg am Bohrungsinnenumfang abstützt.
Aus 2 wird deutlich, dass die zusätzliche Nuten wesentlich weniger tief in den Bohrer eingeformt ist als die Hauptspannuten 10. Mit kurz-lang-gestrichener Linie ist dabei ein Kreis mit dem Durchmesser d_i eingezeichnet, auf dem die beiden innersten Punkte der beiden Zusatznuten 12 liegen. Dagegen liegen die beiden innersten Punkte der beiden Hauptspannuten 10 auf dem wesentlich engeren Kreis mit dem Durchmesser d_g, der mit einfach gestrichener Linie eingezeichnet ist. Der Bohrerkern mit dem Durchmesser d_g wird also nur von den Hauptspannuten 10 berührt, so dass durch die Zusatznuten 12 keine wesentliche Schwächung das Bohrers hervorgerufen wird.
Der wesentliche Teil der Zerspanung läuft dabei also an den Vorlaufstegschneidkanten 3, 3ü ab. Das zerspante Material wird über die Hauptspannuten 10 abgeführt, wobei einerseits am inneren Hauptschneidenabschnitt 3 Späne mit der Breite des Abschnitts 3 entstehen und andererseits am Übergangsabschnitt 3ü Späne mit der Breite des Abschnitts 3ü. Die am Übergangsabschnitt 3ü entstehenden Späne rollen dabei die am Abschnitt 3 entstehenden Späne in die Spankammer der Hauptspannut 10 zurück. Auf diese Weise gelingt es ein Zerkratzen der durch die Nachlauf-Nebenschneide sauber ausgeriebenen Bohrungswand zu vermeiden, insbesondere beim Übergang von einer CFK- in eine Hartstoffschicht, bei dem die Gefahr besteht, dass die harten Späne die relativ weiche, schon nachgeriebene Bohrung auswaschen.
Die Rundschlifffasen 7, 17 stützen dabei beim Bohren das Bohrwerkzeug gegen die Bohrungswand ab. Die Rundschlifffasen 7, 17 weisen dabei jeweils eine im Vergleich zu herkömmlichen Bohrern große Breite B7, B17 auf (B7: 12 mm, B17: 10 mm, D: 6,8 mm), so dass sich der Anpressdruck auf eine große Fläche verteilt und neben einer wirkungsvollen Abstützung am Bohrerumfang eine geringere Neigung zu Aufschweißungen beim Bearbeiten von Aluminium besteht.
Die an die eingentliche Zerspanung an den Vorlazufsteg-Hauptschneiden 3 anschließende Feinbearbeitung am Bohrungsumfang erfolgt dabei hauptsächlich mit den Nachlaufsteg-Nebenschneiden 23, die Abstützung des Bohrers im Bohrloch mit den Vorlaufsteg-Rundschlifffasen 7 und den Nachlaufsteg-Rundschlifffasen 17.
Insbesondere bei CFK-Material zeigt sich der Efekt, dass einzelne, an der Bohrungswand hervorstehende Fasern oder Faserstummel von der Vorlaufsteg-Hauptschneide 3 nicht erfasst werden und beim Vorbeilauf der Vorlaufsteg-Rundschlifffase 7 gegen die Bohrungswand gepresst werden. Erst nachdem die Vorlaufsteg-Rundschlifffase 7 vorbei gelaufen ist, richten sich diese Fasern wieder auf und können dann mit der Nachlaufsteg-Nebenschneide 23 durchtrennt werden, so dass sich eine glatte Oberfläche ergibt. Da die Nacheilung N1 (5) der Nachlaufsteg-Hauptschneide 21 gegenüber der Vorlaufsteg-Hauptschneide 3, 3ü erfindungsgemäß sehr klein ist – in der gezeigten Ausführungsform 1/10 mm – setzt dabei die Abstützwirkung an der Nachlaufsteg-Rundschlifffase sofort nach Eintritt in das zu durchbohrenden Material ein, so dass sich eine gute Rundlaufgenauigkeit ergibt.
Abwandlungen der Form des Übergangsabschnitts sind den 7, 8 und 9 zu entnehmen. In 7 ist der Übergangsabschnitt als gekrümmte Kurve K ausgestaltet, wobei der Anstieg des Krümmungswinkels gegenüber der Axialrichtung von innen nach außen zunimmt.
In der in 8 gezeigten Abwandlung wird der Übergangsabschnitt durch eine Abrundung R gebildet.
9 zeit einen Übergangsabschnitt mit einer in etwa S-förmigen Kontur KR.
Unter Verweis auf die 3, 4 und 6 soll nun auf eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Bohrwerkzeugs eingegangen werden. Funktionell gleiche oder ähnliche Merkmale sind dabei mit ähnlichen Bezugszeichen versehen. Diese Ausführungsform ist speziell für den Einsatz im schon obenstehend erläuterten und in der 11 dargestellten Bearbeitungsfall konzipiert. Dabei entsprechen die gezeigten Ansichten denjenigen der 1, 2 und 5.
Wie 4 zeigt entspricht der Querschnitt des Bohrers dabei dem der vorhergehend erläuterten Ausführungsform. Der Bohrer weist allerdings einen Spitzenwinkel WT2 von 90° auf. Der kleine Spitzenwinkel resultiert in einer kurzen Querschneide, die mit einer Ausspitzung 104 noch weiter verkürzt wird. Die Hauptschneide 103 am Vorlaufsteg 111 fällt über ihre gesamte Länge bis zur Vorlaufsteg-Schneidenecke 5101 mit dem Spitzenwinkel WT2 ab. Am Schneideneck 5101 schließt die Vorlaufsteg-Nebenschneide 105 und die Vorlaufsteg-Rundschlifffase 107 an, die ebenso wie die Nachlaufsteg-Rundschlifffase 1127 mit konstanter Breite B107 bzw. B117 von der Bohrespitze zum entgegengesetzten Bohrerende hin fverläuft. Wie insbesondere der 6 zu entnehmen ist, eilt die Nachlaufsteg-Schneidenecke S102 der Vorlaufsteg-Schneidenecke dabei um den wert N2 nach, der auch in der 6 zu Verdeutlichungszwecken übertrieben groß eingezeichnet ist und in etwa 1/10 mm beträgt.
Selbstverständlich sind dabei Abweichungen von den gezeigten Ausführungsformen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
So ist es beispielsweise denkbar, für eine Bearbeitung eines als Al-CFK-RL-Verbunds aufgebauten Sandwichmaterials einen Bohrer mit der in der 1 gezeigten Geometrie, aber ohne die Anfasung, bzw,. den Übergangsbereich aufzubauen. Denn in diesem Fall tritt die im Bearbeitungsfall der 10 durch die harte Titanschicht hervorgerufene Auswaschung an der CFK-Schicht nicht auf . Die durch die Anfasung hervorgerufene Gratbildung am Austritt aus der Al-Schicht muss somit in diesem Fall nicht hingenommen werden.
Ferner sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs denkbar, die für eine Innenkühlung vorbereitet sind, wie sie zukünftig unter Umständen auch bei den im Flugzeugbau eingesetzten Handbohrmaschinen unterstützt wird, um so insbesondere die bei der Zerspanung von Titan auftretende Hitzeentwicklung besser kontrollieren zu können.
Dabei sind verschiedene Ausgestaltungen der bohrerintegrierten Kühlmittelzufuhr denkbar.
Beim zentrisch eingebohrten Kühlkanal weist dabei bevorzugt jede Freifläche eine mit dem Kühlkanal über Verbindungskanäle mit dem Innenkühlkanal in Verbindung stehende Austrittsöffnung auf. Bei einem derartigen Yförmigen Kanalsystem treten dabei auch bei Mindernengenschmierung (MMS) keine unerwünschten Entmischungsvorgänge auf, da im Gegensatz zu gewendelten Kühlkanälen keine Zentrifugalkräfte wirken.
Neben einem zentrisch eingebohrten Kühlkanal, der leicht zu fertigen ist, wäre auch einer oder mehrere mit dem Bohrerspiralwinkel gewendelte Kühlkanäle denkbar, die den Vorteil einer gleichmäßigeren Kühlung, innerhalb des Bohrers mit sich bringen.
Das derart zugeführte Kühlmittel trifft so direkt auf den zu kühlenden Bereich des als nächstes zu zerspanenden Materials und kann somit sowohl die Hauptschneiden beim Schneidvorgang kühlen als auch die Spannuten ausreichend schmieren, um eine ausreichende Spanabfuhr zu gewährleisten.
Des weiteren können zusätzlich Austrittsöffnungen in den Spannuten vorgesehen sein, um die Spanabfuhr durch zusätzlich in die Spannuten eingebrachtes Kühlmittel weiter zu verbessern.
Zusammenfassend sind diejenigen Merkmale zusammengestellt, in denen sich einzeln und in jedweder Kombination miteinander die Erfindung verkörpert:
Ein Bohrer, insbesondere ein Spiralbohrer und insbesondere zum Bohren ins Volle bei Werkstücken aus Verbundmaterial mit zumindest einer faserverstärkten und einer Hartschicht, hat durch Hauptspannuten 10; 110 getrennte Stege;
die Stege sind jeweils durch zumindest eine Zusatznut 12; 112 in einen Vorlaufsteg 8; 108 und zumindest einen Nachlaufsteg 9; 109 unterteilt;
Vorlaufsteg 8; 108 und Nachlaufsteg 9; 109 sind umfangsseitig jeweils von Rundschlifffasen 7, 17; 107, 117 begrenzt;
dabei ist das Spankammervolumen Vz1; Vz1 der Zusatznuten 12; 112 kleiner als das Spankammervolumen Vh1; Vh2 der Hauptspannuten 10; 110;
Freiflächen 11, 11ü, 13; 111, 113 der Stege verlaufen derart, dass der Nachlaufsteg 9; 109 seinem Vorlaufsteg 8; 108 axial nacheilt;
die Nacheilung N1; N2 von einem äußersten Punkt S1; S101 auf einer Vorlaufsteg-Hauptschneide 3, 3ü; 103 zu einem äußersten Punkt S2; S102 auf der Nachlaufsteg-Hauptschneide 21; 121 ist kleiner als 2/10 des Bohrer-Nenndurchmessers D ist, bevorzugt kleiner gleich 1/10 des Bohrer-Nenndurchmessers D, insbesondere kleiner gleich 1/10 mm;
die Rundschlifffase am Nachlaufsteg weist im wesentlichen die gleiche Radialkoordinate auf wie die Rundschlifffase am Vorlaufsteg;
der Bohrer hat je zwei Vorlaufstege (8; 108) und Nachlaufstege (9; 109);
der Nachlaufsteg 9; 109 hat eine Nachlaufsteg-Nebenschneide 23; 123 mit einem positiven Spanwinkel WSR1; WSR2, der insbesondere im Bereich zwischen 6° und 10° liegt, vorzugsweise bei etwa 8°;
der Bohrer hat eine Ausspitzung 4; 104, durch die eine Querschneidenverkürzung herbeigeführt wird;
der Spitzenanschliff ist als 4-Flächenanschliff ausgestaltet;
die an die Vorlaufsteg-Hauptschneide anschließende Freifläche weist einen Freiwinkel zwischen 6° und 8° auf;
der Bohrer hat einen Spitzenwinkel WT2 kleiner gleich 100°, vorzugsweise 90°;
der Bohrer hat einen Spitzenwinkel WT1 von 140° bis 170° insbesondere 150°;
die Vorlaufsteg-Hauptschneide 3 schließt über einen ihr gegenüber steiler abfallenden Übergangsbereich 3ü an der Vorlaufsteg-Nebenschneide 5 an;
dabei ist die Länge des Übergangsbereichs 3ü kleiner als die Länge der restlichen Vorlaufsteg-Hauptschneide 3;
ein Verhältnis der Länge des Übergangsbereichs 3ü zur Länge der restlichen Vorlaufsteg-Hauptschneide 3 hat einen Wert von unter 1 : 4;
der Übergangsbereich 3ü ist von einer umfangsseitigen Anfasung der Freifläche 11, 11ü gebildet, bevorzugt mit einem Fasenwinkel WF von 10° bis 20°, insbesondere 15° zur Axialrichtung B;
die umfangsseitige Freiflächenanfasung ist stetig gekrümmt;
dabei verläuft die Krümmung K konkav zum Bohrer, wobei der Krümungswinkel zur Axialrichtung bevorzugt von Innen nach Außen zunimmt;
der Übergangsbereich ist von einer umfangsseitigen Abrundung R an der Freifläche gebildet;
die Rundschlifffasen 7, 17; 107, 117 an den Vorlauf- und Nachlaufstegen 8, 9; 108; 109 haben eine Breite B7, B17; B107, B117 von 10% bis 25% des Bohrer-Nenndurchmessers D, insbesondere 0,3 bis 0,8 mm;
der Bohrer hat zumindest im Bereich der scharfen Schneiden 3, 3ü, 23; 103, 123 eine Beschichtung, vorzugsweise in der Ausgestaltung als Hartstoffschicht;
die Dicke der Schicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 8 und 16 μm, insbesondere bei 12 μm;
die Schicht ist im CVD-Verfahren abgeschieden;
die Hartstoffschicht besteht aus Diamant, vorzugsweise nanokristallinem Diamant;
die Hartstoffschicht besteht aus TiN oder aus (Ti,Al)N, einer Mehrlagen-Schicht oder einer Schicht bestehend aus Nitriden mit den Metallkomponenten Cr, Ti und A1 und vorzugsweise einem geringen Anteil von Elementen zur Kornverfeinerung, wobei der Cr-Anteil bei 30 bis 65 %, vorzugsweise 30 bis 60 %, besonders bevorzugt 40 bis 60 %, der Al-Anteil bei 15 bis 35 %, vorzugsweise 17 bis 25 %, und der Ti-Anteil bei 16 bis 40 %, vorzugsweise 16 bis 35 %, besonders bevorzugt 24 bis 35 %, liegt, und zwar jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht;
der Aufbau der gesamten Schicht besteht aus einer homogenen Mischphase;
der Aufbau der gesamten Schicht besteht aus mehreren in sich homogenen Einzellagen, die abwechselnd einerseits aus (Ti_xAl_yY_z)N mit x = 0,38 bis 0,5 und y = 0,48 bis 0,6 und z = 0 bis 0,04 und andererseits aus CrN bestehen, wobei vorzugsweise die oberste Lage der Verschleißschutzschicht von der CrN-Schicht gebildet ist;
zumindest im Bereich der Nuten ist eine Weichstoffbeschichtung, vorzugsweise aus MoS2, vorgesehen;
der Nenndurchmesser D des Bohrers liegt im Bereich von 3 – 30 mm;
eine Verjüngung des Bohrers von der Bohrerspitze aus in Axialrichtung entlang des Bohrers beträgt 25% – 80 % der üblichen Bohrerverjüngung, die vorzugsweise im Bereich von 0,02 – 0,4 mm, liegt, so dass die Verjüngung besonders bevorzugt bei etwa 0,04 mm pro 100 mm Länge liegt;
der Spiralwinkel des Bohrers liegt im Bereich von 20° – 40°.

Claims

Bohrer, insbesondere Spiralbohrer und insbesondere zum Bohren ins Volle bei Werkstücken aus Verbundmaterial mit zumindest einer faserverstärkten und einer metallischen Schicht, mit durch Hauptspannuten (10; 110) getrennten Stegen, die jeweils durch zumindest eine Zusatznut (12; 112) in einen Vorlaufsteg (8; 108) und zumindest einen Nachlaufsteg (9; 109) unterteilt sind, die umfangsseitig jeweils von Rundschlifffasen (7, 17; 107, 117) begrenzt werden, wobei das Spankammervolumen (Vz1; Vz1) der Zusatznuten (12; 112) kleiner als das Spankammervolumen (Vh1; Vh2) der Hauptspannuten (10; 110) ist, dadurch gekennzeichnet dass Freiflächen (11, 11ü, 13; 111, 113) der Stege derart verlaufen, dass der Nachlaufsteg (9; 109) seinem Vorlaufsteg (8; 108) axial nacheilt, wobei die Nacheilung (N1; N2) von einem äußersten Punkt (S1; S101) auf einer Vorlaufsteg-Hauptschneide (3, 3ü; 103) zu einem äußersten Punkt (S2; S102) auf der Nachlaufsteg-Hauptschneide (21; 121) kleiner als 2/10 des Bohrer-Nenndurchmessers (D) ist, bevorzugt kleiner gleich 1/10 des Bohrer-Nenndurchmessers (D), insbesondere kleiner gleich 1/10 mm und die Rundschlifffase (17, 107) am Nachlaufsteg (9; 109) im wesentlichen die gleiche Radialkoordinate aufweist wie die Rundschlifffase (7, 107) am Vorlaufsteg (8; 108).
Bohrer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch je zwei Vorlaufstege (8; 108) und Nachlaufstege (9; 109).
Bohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachlaufsteg (9; 109) eine Nachlaufsteg-Nebenschneide (23; 123) mit einem positiven Spanwinkel (WSR1; WSR2) aufweist, der insbesondere im Bereich zwischen 6° und 10° liegt, vorzugsweise bei etwa 8°.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausspitzung (4; 104), durch die eine Querschneidenverkürzung herbeigeführt wird.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spitzenanschliff in der Ausgestaltung als 4-Flächenanschliff.
Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine an die Vorlaufsteg-Hauptschneide anschließende Freifläche mit einem Freiwinkel zwischen 6° und 8°.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spitzenwinkel (WT2) kleiner gleich 100°, vorzugsweise 90°.
Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrer einen Spitzenwinkel (WT1) von 140° bis 170° aufweist, insbesondere 150°, und die Vorlaufsteg-Hauptschneide (3) über einen ihr gegenüber steiler abfallenden Übergangsbereich (3ü) an der Vorlaufsteg-Nebenschneide (5) anschließt, wobei die Länge des Übergangsbereichs (3ü) kleiner als die Länge der restlichen Vorlaufsteg-Hauptschneide (3) ist.
Bohrer nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Verhältnis der Länge des Übergangsbereichs (3ü) zur Länge der restlichen Vorlaufsteg-Hauptschneide (3) von unter 1 . 4.
Bohrer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3ü) von einer umfangsseitigen Anfasung der Freifläche (11, 11ü) gebildet ist, bevorzugt mit einem Fasenwinkel (WF) von 10° bis 20°, insbesondere 15° zur Axialrichtung (B).
Bohrer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsseitige Freiflächenanfasung stetig gekrümmt ist, wobei die Krümmung (K) konkav zum Bohrer verläuft und der Anstieg des Krümungswinkels zur Axialrichtung bevorzugt von Innen nach Außen zunimmt.
Bohrer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich von einer umfangsseitigen Abrundung (R) an der Freifläche gebildet ist.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Rundschlifffasen (7, 17; 107, 117) an den Vorlauf- und Nachlaufstegen (8, 9; 108; 109) mit einer Breite (B7, B17; B107, B117) von 10% bis 25% des Bohrer-Nenndurchmessers (D), insbesondere 0,3 bis 0,8 mm.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der scharfen Schneiden (3, 3ü, 23; 103, 123) eine Beschichtung vorgesehen ist, vorzugsweise in der Ausgestaltung als Hartstoffschicht, wobei die Beschichtung bevorzugt im CVD-Verfahren abgeschieden ist, und wobei die Dicke der Schicht vorzugsweise im Bereich zwischen 8 μm und 16 μm liegt, insbesondere bei 12 μm.
Bohrer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht aus Diamant besteht, vorzugsweise nanokristallinem Diamant.
Bohrer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffschicht aus TiN oder aus (Ti,Al)N, einer Mehrlagen-Schicht oder einer Schicht bestehend aus Nitriden mit den Metallkomponenten Cr, Ti und A1 und vorzugsweise einem geringen Anteil von Elementen zur Kornverfeinerung besteht, wobei der Cr-Anteil bei 30 bis 65 %, vorzugsweise 30 bis 60 %, besonders bevorzugt 40 bis 60 %, der Al-Anteil bei 15 bis 35 %, vorzugsweise 17 bis 25 %, und der Ti-Anteil bei 16 bis 40 %, vorzugsweise 16 bis 35 %, besonders bevorzugt 24 bis 35 %, liegt, und zwar jeweils bezogen auf alle Metallatome in der gesamten Schicht.
Bohrer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der gesamten Schicht aus einer homogenen Mischphase besteht.
Bohrer nach Anspruch 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der gesamten Schicht aus mehreren in sich homogenen Einzellagen besteht, die abwechselnd einerseits aus (Ti_xAl_yY_z)N mit x = 0,38 bis 0,5 und y = 0,48 bis 0,6 und z = 0 bis 0,04 und andererseits aus CrN bestehen, wobei vorzugsweise die oberste Lage der Verschleißschutzschicht von der CrN-Schicht gebildet ist.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Nuten eine Weichstoffbeschichtung, vorzugsweise aus MoS2 vorgesehen ist.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Nenndurchmesser (D) des Bohrers im Bereich von 3 – 30 mm liegt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verjüngung des Bohrers von der Bohrerspitze aus in Axialrichtung entlang des Bohrers, die 25% – 80 % der üblichen Bohrerverjüngung beträgt, die vorzugsweise im Bereich von 0,02 – 0,4 mm liegt, so dass die Verjüngung besonders bevorzugt bei etwa 0,04 mm pro 100 mm Länge liegt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spiralwinkel, der im Bereich von 20° – 40° liegt.