DE3786096T2

DE3786096T2 - Methode und Werkzeug zum Gewindeschneidbohren.

Info

Publication number: DE3786096T2
Application number: DE87103446T
Authority: DE
Inventors: Edward B Palm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-03-13
Filing date: 1987-03-10
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2007-03-11
Also published as: CA1326114C; KR870008654A; CN1014216B; CN87103520A; DE8718098U1; KR950010255B1; ES2004562A6; AU598800B2; MX161668A; EP0237035B1; JP2814078B2; DE3786096D1; JPS62271628A; EP0237035A3; EP0237035A2; BR8701173A; US5429459A; AU7000987A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gewindebohrung in einem Werkstück, umfassend die Schritte des Bereitstellens eines langgestreckten Werkzeuges mit einer Bohrfläche an einem Ende und einem Gewindeschneidprofil entlang der Seitenfläche, Drehen des Werkzeuges um eine Longitudinalachse während es axial verschoben wird, um die Bohrfläche gegen und in ein Werkstück zu befördern, um eine Bohrung in diesem auszubilden, und nach der Ausbildung der Bohrung, Drehung des Werkzeuges zum Gewindschneiden in deren Wand. Die Erfindung betrifft ebenso ein Gewindeschneid- und Bohrwerkzeug zum Bohren eines Loches und zum Schneiden eines Gewindes in der Wand desselben.
Ein herkömmliches Verfahren, eine Gewindebohrung in einem Werkstück zur Verfügung zu stellen, besteht darin, zuerst die Bohrung unter Verwendung einer Bohrspitze oder ähnlichem zu bohren, danach die Bohrspitze aus dem Loch zurückzuziehen und unter Verwendung eines Gewindebohrers die Bohrung zu schneiden, um ein Gewinde in der Wand desselben zur Verfügung zu stellen. Anstelle eines Gewindebohrers kann ein Gewindeschneidwerkzeug verwendet werden. Gewindeschneiden war nur zufriedenstellend bei größeren Bohrlochdurchmessern wie 5/8 oder 3/4 (Zoll) und es war zu langsam für kleinere Bohrungen. Das US-Patent Nr. 2,813,280 zeigt eine Kombination eines Bohrers und eines Gewindeschneiders.
Wesentliche Einsparungen der Produktionskosten können erzielt werden, wenn anstatt des Erfordernisses der Verwendung separater Bohr- und Schneide- oder Fräswerkzeuge, dasselbe Werkzeug für den Gesamtvorgang verwendet werden könnte, denn so könnte die Notwendigkeit des Übergebens des Werkstückes von einem formgebenden Vorgang zu einem anderen oder die Verwendung einer Werkzeugmaschine mit separaten Köpfen zur Bewegung der Bohr- und Schneide- oder Fräswerkzeuge nacheinander in eine Arbeitsposition vermeiden werden. Das US-Patent Nr. 3,334,366 zeigt eine Werkzeugmaschine mit einer Spindel, die so ausgelegt ist entweder einen Bohrer oder einen Gewindeschneider zu halten, wobei aber der Bohrer zurückbewegt werden muß bevor der Gewindeschneider in die Spindel eingespannt werden kann.
Ein herkömmliches Werkzeug zur Herstellung einer Gewindebohrung umfaßt einen Spiralbohrer am vorderen Teil des Werkzeuges, ein Schälwerkzeug, welches hinter diesem angeordnet ist, und einen Gewindeschneider, der hinter diesen beiden einzelnen Werkzeugen angeordnet ist. Um in der Lage zu sein, das durch den Spiralbohrer erzeugte Bohrloch zu schneiden, muß der Spiralbohrer bei diesem Werkzeug in einem Maß eingearbeitet sein, welches länger ist als der Gewindeabschnitt, so daß das herkömmliche Werkzeug vorwiegend nur dazu verwendet werden kann, Gewindeabschnitte in Durchgangsbohrungen zu erzeugen, wodurch jedoch aufgrund des Aufbaus dieses Werkzeuges das Werkstück wegen der zusätzlichen Bohrlänge entsprechend des nach vorne ragenden Spiralbohrers geschwächt wird. Der Aufbau dieses Werkzeuges erfordert es darüberhinaus, daß das Werkzeug mehrmals aus dem Bohrloch zurückbewegt wird.
Es ist darüberhinaus ein Werkzeug zur Herstellung einer Gewindebohrung bekannt (US-PS 2 684 492), bei dem hinter dem Bohrabschnitt ein Schneidebereich angeordnet ist, der einen größeren Durchmesser als der Bohrabschnitt aufweist. Bei der Verwendung eines derartigen Werkzeuges, bei dem der Schneideprozess gleichzeitig mit dem Bohrprozess stattfindet, kann keine korrekte Gewindebohrung hergestellt werden.
Nach der vorliegenden Erfindung kann dasselbe Werkzeug sowohl für das Bohren eines Loches in einem Werkstück als auch zum Schneiden von Gewinden in der Wandung der Bohrung verwendet werden. Auf diese Weise sind wesentliche Einsparungen der Herstellungszeit möglich und die Herstellungskosten werden reduziert. Das Werkzeug zur Durchführung dieses Arbeitsvorganges, welches als Gewindefräsbohrer bezeichnet wird, umfaßt einen langgestreckten Schaft mit einer Bohrspitze oder einer Bohrfläche an einem Ende und es ist entlang der Seitenfläche mit Gewindeschneidflächen versehen. Beim Betrieb wird das Werkzeug rotiert und axial bewegt, um dessen Bohrspitze gegen das Werkzeug zu führen, und ein Loch wird in das Werkstück gebohrt. Dann wird die Rotationsachse des Werkzeuges lateral um einen Betrag, der wenigstens gleich der Tiefe des zu schneidenden Gewindes ist, ausgelenkt, um die Gewindeschneid flächen in Kontakt mit der Wandung des Bohrloches zu bringen und die Schneidflächen auszurichten, um den Gewindefräsvorgang zu bewirken. Die Rotationsachse des Werkzeuges wird dann um 360º in einer kreisartigen Bewegung um die Wandung des Bohrloches bewegt, während das Werkzeug gleichzeitig axial um einen Gewindegang ausgelenkt wird. Dies dient zum Fräsen des Gewindes in der Wandung des Bohrloches. Die Rotationsachse wird dann zum Zentrum der Bohrung zurückgestellt und das Werkzeug wird aus dem Bohrloch zurückgezogen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Werkzeug mit hoher Geschwindigkeit von mehr als 15.000 U/min rotiert, vorzugsweise im Bereich von 30.000 U/min. Die Bohrspitze und die Gewindeschneidflächen können aus verschiedenen Materialien gebildet sein. Beispielsweise sind bei einem Gewindefräsbohren von Plastikzusammensetzungen, wie Kevlarzusammensetzungen (TM), Glasfiber, Karbonfaser o. ä. in einem Binder aus Epoxidharz, die Bohr- und Fräsflächen vorzugsweise aus polykristallinem Diamant oder polykristallinem kubischem Bohrnitrit gebildet. Zum Gewindefräsbohren von Eisenmaterialien können keramische Flächen vorgesehen sein, während beim Gewindefräsbohren von Gußeisen Siliziumnitrit oder -karbid verwendet werden können. Das Gewindefräsbohrwerkzeug ist in einer Einspannvorrichtung befestigt, welche von einer Hochgeschwindigkeitsspindel auf genommen ist, welche zur axialen Auslenkung in Richtung und weg vom Werkstück und für eine laterale Auslenkung und eine Orbitalbewegung gelagert ist, um das Gewindefräsen zu bewirken. In einer Produktionsumgebung ist die Spindel vorzugsweise Teil eines Gewindeschneidbohrkopfes, welcher in einer Werkzeugmaschine zur Einstellung einer Beziehung zu der Aufeinanderfolge der Werkstücke aufgenommen ist, die dem Kopf zum Bohren und Gewindefräsen vorgelegt werden. Die Bewegungen der Einspannvorrichtung, die durch den Gewindeschneid-Bohrkopf getragen wird, sind vorzugsweise computergesteuert.
Während des Gewindefräs- und Bohrvorganges wird das Loch im Werkstück gleichzeitig gereinigt, so daß Abfallmaterialien abgeführt werden, das Bohrloch nicht verstopft wird und die Arbeitsweise des Werkzeuges nicht beeinträchtigt wird. Zu diesem Zweck wird Flüssigkeit in das Bohrloch eingeführt, um den Abfall axial entlang des Werkzeuges und heraus aus dem Bohrloch zu verdrängen. In dem offenbarten Ausführungsbeispiel ist der Gewindefräsbohrer mit Flüssigkeitsdurchgangsmitteln zur Zufuhr druckbeaufschlagter Flüssigkeit zum Bohrloch in der Nachbarschaft der Schneidflächen versehen, und beim Entweichen der Flüssigkeit aus dem Bohrloch nimmt diese den Abrieb oder Abfall mit. Das Werkzeug kann mit Turbinenschaufelmitteln versehen sein, die derart angeordnet sind, daß sie dicht über der Öffnung des Bohrloches um das Werkzeug herum angeordnet sind, um ein partielles Vakuum an der Mündung der Bohrung hervorzurufen, so daß ein Fluß der Druckflüssigkeit herbeigeführt und der Abrieb aus dem Bohrloch entfernt wird.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Vertikalteilschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Gewindefräsbohrkopfes, wobei ein Gewindefräsbohrwerkzeug mit einem Werkstück darunter dargestellt ist, welches mit einer Gewindebohrung durch die Verwendung der Vorrichtung versehen wurde;
Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt entlang der Linie 2-2, nach Fig. 1;
Fig. 3 zeigt einen Vertikalschnitt eines Gewindefräsbohrwerkzeuges beim Bohren einer Bohrung in ein Werkstück;
Fig. 4 zeigt ein Gewindefräsbohrwerkzeug, welches zur Vorbereitung des Gewindefräsvorganges wenig vom Boden der Bohrung zurückgezogen ist;
Fig. 5 zeigt das Gewindefräsbohrwerkzeug nach den Fig. 3 und 4, welches in Vorbereitung zum Gewindefräsvorgang lateral um die Tiefe des Gewindefräsprofiles ausgelenkt ist;
Fig. 6 zeigt das Gewindefräsbohrwerkzeug nach den Fig. 3 und 4 während des Gewindefräsvorganges;
Fig. 7 zeigt einen Seitenschnitt eines Gewindefräsbohrwerkzeuges, welches für das Gewindefräsbohrverfahren verwendbar ist;
Fig. 8 zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie 8-8 nach Fig. 7;
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf das Gewindefräsbohrwerkzeug nach Fig. 7 in einer Ansicht auf die Bohrspitze in Richtung des Pfeiles 9 nach Fig. 7;
Fig. 10 und 11 zeigen vergrößerte Teilansichten durch die Gewindefräsflächen des Gewindefräsbohrwerkzeuges nach Fig. 7, welche im wesentlichen in den Bereichen 10 und 11 in Fig. 7 aufgenommen wurden;
Fig. 12 zeigt eine Seitenansicht eines Gewindefräsbohrers mit einem hindurchführenden Flüssigkeitsdurchgang zum Aufbringen eines Flüssigkeitdrucks in das Bohrloch, um den Abrieb aus diesem abzuführen;
Fig. 13 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite des Gewindefräsbohrers nach Fig. 12;
Fig. 14 zeigt eine Draufsicht auf den Boden des Gewindefräsbohrers nach Fig. 12;
Fig. 15 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 15-15 nach Fig. 13;
Fig. 16 bis 21 zeigen die Schritte des Gewindefräsbohrens unter Verwendung des Werkzeuges nach Fig. 12.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird eine Gewindebohrung 20 in einem Werkstück 22 durch ein Werkzeug 24 gebildet, welches als Gewindefräsbohrer bezeichnet wird. Dieses Werkzeug ist an einem Gewindefräsbohrkopf 26 befestigt, welcher die Fähigkeit hat:
(1) Rotieren des Werkzeuges mit einer Drehzahl von 15.000 U/min oder mehr;
(2) axiales Bewegen des Werkzeuges gegen das Werkstück 22, um eine Bohrung hierin zu bohren;
(3) laterales Auslenken des Rotationszentrums des Werkzeuges um die Tiefe der zu fräsenden Gewinde;
(4) Bewegen des Werkzeuges 24 auf einer Kreisbahn um 360º unter gleichzeitiger axialer Auslenkung um einen Gewindegang, wobei Gewinde in der Bohrung des Werkstückes gefräst werden; und
(5) Zurückstellen des Rotationszentrums des Werkzeuges auf das Zentrum des Bohrloches und Zurückziehen des Werkzeuges aus diesem.
Die vorbeschriebenen Bewegungen des Werkzeuges 24, das vom Gewindefräsbohrkopf 26 getragen wird, sind möglich, wenn das Werkzeug 24 in eine Einspannvorrichtung 28 befestigt ist, die von einer Hochgeschwindigkeitsspindel 30 getragen wird. Solch eine Spindel ist von der Art, wie sie von der Fortuna Werke Maschinenfabrik GmbH hergestellt wird und in den USA durch Russell T. Gilman, Inc., 624 Beech Street, Geofton, WI. verkauft wird. Andere Spindelhersteller sind:
Bryant Grinder Corp., Springfield, VT;
The Precise Corp., 3715 Blue River Ave., Racine, WI.
Die Spindel trägt die Einspannvorrichtung und das Werkzeug 24, so daß das letztere sich von einem Ende des Kopfes 26, wie in der Fig. 1 gezeigt, erstreckt. Die Spindelgeschwindigkeit sollte wenigstens 15000 U/min betragen und vorzugsweise im Bereich von 30000 U/min liegen.
Verschiedene Anordnungen zur Aufnahme der Spindel können vorgesehen sein und es ist schematisch eine Anordnung gezeigt, welche die erforderlichen Bewegungen bewirkt. Andere Anordnungen werden den Fachleuten einfallen. In der gezeigten schematischen Anordnung umfaßt der Gewindefräsbohrkopf 26 ein Gehäuse 32 in dem die Spindel 30 befestigt ist. Die Spindel wird durch einen äußeren kreisförmigen Ring 34 getragen, welcher eine zylindrische Peripherie 35 aufweist, die durch eine innere zylindrische Oberfläche 38 des Gehäuses 32 getragen wird. Der äußere kreisförmige Ring hat eine innere Peripherie 40, die gegenüber seiner äußeren Peripherie 36 exzentrisch ist, wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht. Ein Zahnkranz 42 auf dem äußeren kreisförmigen Ring kämmt ein Antriebszahnrad 44 auf einer Antriebswelle eines elektrischen Stellmotors 46, der am Gehäuse 32 befestigt ist, wobei ein Betrieb des Motors den äußeren kreisförmigen Ring 34 entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn, wie gewünscht, antreibt. Der Stellmotor 46 kann von der Art sein, wie er durch Portescap U.S., 2550 Eisenhower Ave., Valley Forge, PA, unter der Modellnummer P-530 hergestellt wird. Anstatt von Zahnkränzen und Antriebszahnrädern können synchronriemenartige Antriebe zwischen dem Motor und dem Ring 34 verwendet werden.
Innerhalb der exzentrischen inneren Peripherie 40 des kreisförmigen Ringes 34 ist ein Spindelauslenkring 48 befestigt, der eine Aufnahmeöffnung 49 für die Spindel aufweist, die exzentrisch gegenüber seiner äußeren Oberfläche 50 ist und in welcher die schnelldrehende Spindel befestigt ist. Die Spindel 30 ist in einer exzentrischen Position gegenüber der äußeren Peripherie 50 des Spindelauslenkringes befestigt, so daß bei einer Drehung des Auslenkringes innerhalb des kreisförmigen Ringes 34 in eine Position, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, das Rotationszentrum oder die Rotationsachse 52 der Spindel mit dem Rotationszentrum oder der Rotationsachse des kreisförmigen Ringes 34 übereinstimmt, d. h. übereinstimmt mit dem Mittelpunkt der äußeren zylindrischen Oberf läche 36.
Ein zweiter Stellmotor 54 ist an dem Spindelauslenkring 48 befestigt und mit einem Zahnrad 56 versehen, der einen inneren Zahnkranz 58 auf dem äußeren kreisförmigen Ring 34 kämmt. Der Stellmotor 54 kann von derselben Art sein wie der Motor 46. Beim Betrieb des Motors 54 wird der Spindelauslenkring innerhalb des kreisförmigen Ringes 34 gedreht, um die Rotationsachse 52 der Spindel 30 lateral auszulenken. Eine derartige Auslegung dient dazu, das Werkzeug 24 lateral zu verschieben. Es ist erkennbar, daß eine solche Auslenkung auftreten kann, während das Werkzeug 24 bei einer hohen Drehzahl, welche durch die Spindel 30 vorgesehen wird, rotiert wird. Damit kann das Werkzeug 24 durch den Betrieb des Motors 54 lateral um die Tiefe des herzustellenden Gewindes ausgelenkt werden.
Um die Auslenkung des Werkzeuges 24 lateral in die Tiefe des herzustellenden Gewindes zu vervollständigen, bewirkt eine Ansteuerung des Motors 56 eine Rotation des kreisförmigen Ringes 34, wobei die Achse 52 der Spindel und daraufhin das Werkzeug 24 um eine Kreisbahn von 360º rotiert werden, um das Werkzeug 24 um die Innenseite des Bohrloches 20 zu führen. Der Radius einer solchen Kreisbahn weist selbstverständlich den Betrag der lateralen Auslenkung der Achse 52 der Spindel gegenüber der Achse des Bohrloches auf. In der Praxis wird das Loch 20 gebohrt, wobei die Spindelachse im Mittelpunkt der äußeren zylindrischen Peripherie 35 des äußeren kreisförmigen Ringes zentriert ist, und dann wird die Spindelachse für den Gewindefräsvorgang lateral von dieser Position ausgelenkt.
Gleichzeitig mit der Orbitalbewegung der Spindel und des Werkzeuges ist es notwendig das Werkzeug axial um einen Gewindegang zu verschieben, um schraubenförmige Gewinde in die Bohrung 20 zu fräsen. Eine derartige Axialbewegung der Spindel wird mittels des Stellmotores 60 bewerkstelligt, welcher mit dem Gehäuse 32 verbunden ist und eine Gewindewelle 32 aufweist, die mit der Spindel im Eingriff ist, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Bei einer Ansteuerung des Motors 60 zur Drehung seiner Welle in eine Richtung kann die Spindel 30 axial aus dem Gehäuse 32 verschoben werden oder bei einer umgekehrten Ansteuerung des Motors 60 kann die Spindel vom Werkstück zurückgezogen werden.
Das Gehäuse 32 des Gewindefräsbohrkopfes 26 kann als Einheit in einer geeigneten Werkzeugmaschine befestigt sein, welche die Fähigkeit hat, den Kopf in eine Position zu bewegen, um auf eine Abfolge von Werkstücken einzuwirken, wie beispielsweise in einer Produktionsumgebung. Eine derartige Werkzeugmaschine ist nicht gezeigt, da sie aus verschiedenen Konfigurationen bestehen kann, welche dem Fachmann geläufig sind.
Die Stellmotoren 46, 54 und 60 werden, falls gewünscht, durch ein Computerprogramm gesteuert, um die Bewegungen des Werkzeuges 24, wie bisher - und insbesondere im folgenden beschrieben, zu steuern. Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 wird das bei einer hohen Drehzahl rotierende Werkzeug 24 axial entlang seiner Rotationsachse durch den Motor 60 vorgeschoben, um die Bohrspitze 64 gegen das Werkstück 22 zu führen, und bei einer fortgeführten Bewegung gegen das Werkstück wird die Bohrspitze eine zylindrische Bohrung 66 mit einer ebenen Wand hierin bohren, deren Durchmesser im wesentlichen mit dem Kerndurchmesser des in der Bohrung herzustellenden Gewindes korrespondiert. Daher besteht der erste Arbeitsvorgang, der durch das Werkzeug 24 durchgeführt wird, darin, die Bohrung 66 in das Werkstück zu bohren.
Der zweite Schritt, welcher in bestimmten Fällen eine Option darstellt, besteht darin, das Werkzeug 24 um wenigstens einen Gewindegang vom Boden des Bohrloches zurückzuziehen, wobei der Zustand nach dem Zurückziehen in Fig. 4 gezeigt ist, wo die Spitze 64 gezeigt ist, die sich in einem Abstand von einem Gewindegang vom Boden 67 des Bohrloches befindet. Ob dieser Schritt benötigt wird, kann von der Rotationsgeschwindigkeit des Gewindefräsbohrers, vom Materialtyp des Werkstücks und anderen Faktoren, welche von der besonderen gegebenen Situation abhängen, abhängen.
Der dritte Schritt beim Gewindfräsbohrverfahren besteht darin, das Rotationszentrum des Werkzeuges 24 lateral um eine Entfernung, die gleich der Tiefe des herzustellenden Gewindes ist, auszulenken. Dies wird durchgeführt, während das Werkzeug 24 mit einer hohen Drehzahl rotiert wird, und nach einer solchen Auslenkung ist die Position des Werkzeuges relativ zum Bohrloch 66 so, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, in der das Werkzeug nach links ausgelenkt dargestellt ist, wobei die Fräsflächen des Gewindeprofils in die Wand der Bohrung 66 eingegraben sind, um die Herstellung des Gewindeprofils in der Bohrung zu beginnen.
Der nächste Schritt beim Gewindefräsbohrverfahren besteht darin das Werkzeug 24 zu veranlassen, sich kreisförmig um 360º um die Innenseite der Bohrung 66 zu bewegen, einem Weg folgend, bei dem das Rotationszentrum des Werkzeuges 24 einem kreisförmigen Weg folgt, dessen Radius vom Zentrum des Bohrloches aus gleich der Auslenkung ist, wie sie in Fig. 5 bewirkt wurde. Sofern es gewünscht ist, schraubenförmige Gewinde in der Bohrung herzustellen, ist es notwendig gleichzeitig mit der Orbitalbewegung das Werkzeug 24 axial um einen Betrag auszulenken, der gleich der Gewindesteigung ist. Eine derartige Auslenkung wird mit einer gleichförmigen Rate durchgeführt, die zur Orbitalbewegung des Werkzeuges 24 derart korrespondiert, daß der Steigungswinkel des Gewindes gleichförmig im Umgang ist. In Fig. 6 ist ein Werkzeug 24 gezeigt, das im wesentlichen 180º seiner Orbitalbewegung durchgeführt hat und es wurde axial um im wesentlichen 1/2 eines Gewindeganges gegenüber dem Boden 66 des Bohrloches ausgelenkt. Wenn es gewünscht wird ringförmige Gewinde herzustellen (ohne einen Steigungswinkel), wird der Gewindefräsbohrer nicht axial während seiner Orbitalbewegung verschoben.
Nachdem das Werkzeug 24 eine 360º-Kreisbahn durchgeführt hat, wird es lateral verschoben, um sein Rotationszentrum zurück in Übereinstimmung mit der Mittelpunktslinie der Bohrung im Werkstück zu bringen, dann wird das Werkzeug aus der Bohrung zurückgezogen, und es hinterläßt eingeformte Gewinde hierin. Es muß beachtet werden, daß der Gesamtvorgang des Bohrens der Bohrung, des Fräsens des Gewindes und des Zurückziehens des Werkzeuges aus der Bohrung eine Sache von wenigen Sekunden oder ein Bruchteil davon ist.
Es ist für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, daß die Steuerung des Gewindefräsbohrkopfes zur Durchführung der oben beschriebenen Bewegungen leicht der Steuerung eines programmierbaren Computers unterstellt werden kann, wobei die Vorschubraten, die lateralen Auslenkungen, die Lochtiefe u. ä. in Übereinstimmung der Größe des herzustellenden Schraubengewindes und dem Material des Werkstückes variiert werden können.
Der Gewindefräsbohrer 24 ist detailliert in den Fig. 7 bis 11 dargestellt. Das Werkzeug umfaßt einen Schaft 68 mit einem Spannfutteraufnahmeabschnitt 70 an einem Ende zur Aufnahme in einer Einspannvorrichtung zur Befestigung des Werkzeuges in einem Gewindefräsbohrkopf. Am entgegengesetzten Ende des Werkzeuges befindet sich die Bohrspitze 64 mit den Schneidkanten 72 und 74 und den unteren Ablaufkanten 76 und 78.
Die Seitenwand des Schaftes ist mit einem Gewindeprofil versehen, welches eine Vielzahl von Gewindenuten umfaßt, die um die Achse des Schaftes in einer symmetrischen Konfiguration angeordnet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei derartige Gewindenuten bei 80 und 82 vorgesehen. Jede der Gewindenuten weist ein Gewindeprofil auf, welches von jeder gewünschten Gewindekonfiguration sein kann. Das in dem Ausführungsbeispiel gezeigt Profil ist das einer Gewinde-Verschlußform, wie sie im US-Patent Nr. 4,023,914 beschrieben ist und unter dem Warenzeichen SPIRALOCK vermarktet wird. Die Lehre des US-Patents Nr. 4,023,914 ist hiermit durch Zitierung aufgenommen.
Jeder der Gewindenutenfräser ist vorzugsweise mit Schneidoder Fräsflächen 84 und 86 versehen, die aus einem Material hergestellt sind, welches härter als das des Schaftes sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen aus einem Komposit aus natürlichem oder synthetischem polykristallinem Diamant und/oder polykristallinem kubischem Bohrnitrit gebildet. Diese werden besonders zufriedenstellend bei einer Verwendung zum Bohren und Gewindefräsen von Kompositwerkstücken, welche aus Karbonfasern, KEVLAR, Glasfasern u.ä. in verschiedenen Harzbindern wie Epoxitharz u.ä. Harzen, oder jeglichem anderem besonders abreibendem Werkstückmaterial sein. Polykristalline Schneidflächen, welche für diesen Zweck geeignet sind, können von der Art sein, wie sie in den US-Patenten Nr. 4,241,135, 4,242,106 und 4,247,304 beschrieben sind, welche hierbei durch Zitierung aufgenommen sind, aber das Komposit ist durch diese Lehren nicht beschränkt.
Zum Bohren und Gewindefräsen von Gußeisen sind die Arbeitsflächen des Gewindefräsbohrers vorzugsweise mit Siliziumnitrit oder -karbid verkleidet, und beim Bohren und der Gewindeherstellung in Eisenmaterialien, wie Stahl, kann eine keramische Fläche verwendet werden.
Polykristalline Diamant- oder kubische Bohrnitritkomposite sind in den Fig. 8, 10 und 11 mit 88 bezeichnet und können auf den Gewindenuten in irgendeiner herkömmlichen Art befestigt sein. Beispielsweise, aber ohne Beschränkung, kann das Komposit mit einer metallischen Auskleidung 90 versehen sein, mittels welcher das Komposit durch eine Hartlötschicht 92 mit der Gewindenut 80 fest verbunden ist. Die Haftschicht ist in Fig. 8 allgemein mit 94 bezeichnet. Der Schwerpunkt des Gewindefräsbohrers sollte im wesentlichen auf seiner beabsichtigten Rotationsachse liegen, um dynamische Unwuchten bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten zu minimieren.
Es wird deutlich, daß die Tatsache, ob es sich bei dem im Werkstück gebildeten Gewinde um ein rechtsgängiges oder linksgängiges Gewinde handelt, von der Richtung der Orbitalbewegung des Gewindefräsbohrers und von der Richtung seiner Axialveschiebung abhängt. Beispielsweise wird eine Orbitalbewegung im Uhrzeigersinn ein linksgängiges Gewinde ergeben, wenn der Gewindefräsbohrer gleichzeitig axial in eine Richtung verschoben wird, aber es wird sich ein rechtsgängiges Gewinde ergeben, wenn die axiale Verschiebung in die entgegengesetzte Richtung erfolgt.
In den Fig. 12 bis 15 ist eine modifizierte Art des Gewindefräsbohrers gezeigt, der derart gestaltet ist, daß ein Flüssigkeitsfluß die Bohrung, in dem das Werkzeug arbeitet, eingeführt wird, welche den Abfall oder den Abrieb, welcher durch das Werkzeug hervorgerufen wird, mitreißt und diesen aus der Mündung des Loches um das Werkzeug herum abführt. Um einen Flüssigkeitsfluß hervorzurufen, erstreckt sich ein langgestreckter Druckflüssigkeitsdurchlaß 100 koaxial entlang des Werkzeuges von seinem oberen Ende 102 zu der unteren Bohrspitze 64a. Unmittelbar kurz vor der Bohrspitze verzweigt sich der Durchlaß 100 in die Äste 104 und 106, welche sich zur Bohrspitze hinter den unteren Ablaufkanten 76a und 77a, wie in die Fig. 12, 14 und 15 gezeigt, öffnen.
Druckbeaufschlagte Flüssigkeit wird in den Durchlaß 100 vom oberen Ende des Werkzeuges eingeführt, fließt durch dieses hindurch nach unten zu dem Schnittende 64a, gelangt von da aus zurück nach oben in das Bohrloch und aus der Mündung desselben im Bereich um das Schneidwerkzeug herum aus dieser heraus. Dieser Flüssigkeitsfluß des gezeigten Ausführungsbeispiels wird durch einen Flüssigkeitsdruckerzeuger 111, der schematisch in der der Fig. 12 gezeigt ist, hervorgerufen, welcher mittels einer Flüssigkeitsdruckleitung mit dem oberen Ende des Durchlasses 100 verbunden ist. Eine Turbine 110 ist von dem Schaftabschnitt 68 in der Nähe des oberen Endes des Schnittabschnitts befestigt und umfaßt unmittelbar unterhalb das Einspanneingriffabschnitts eine Vielzahl von radial sich nach außen erstreckenden Schaufeln 112. Die Schaufeln können auf einem Kreisring 114 gebildet sein, welcher über die Schaftabschnitte 68a und 70 gestülpt ist und danach auf dem Schaft des Schneidwerkzeuges befestigt wurde. Die Neigung der Schaufeln ist derart, daß ein partielles Vakuum an der Mündung der Bohrung, in der das Schneidwerkzeug arbeitet, erzeugt wird, und in den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Schaufeln derart ausgelegt, ein partielles Vakuum bei rechtsgängiger-, oder Rotation im Uhrzeigersinn des Werkzeuges hervorzurufen. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Turbine 110 vollständig wegzulassen und sich nur auf die Beaufschlagung von Flüssigkeitsdruck am oberen Ende des Durch-lasses 100 von der Quelle 111 zu stützen, oder die Turbine 110 kann in Verbindung damit verwendet werden.
Die Fig. 16 bis 21 zeigen das Werkzeug 24a in verschiedenen Stadien der Bewegung, um den Gewindefräsbohrvorgang zu bewirken. In Fig. 16 ist das Werkzeug oberhalb des Werkstückes 22a angeordnet. Der Gewindefräsbohrkopf ist in den Fig. 16 bis 21 nicht gezeigt, aber es muß verstanden werden, daß das Werkzeug 24a von diesem getragen wird. In der Fig. 17 wurde das Werkzeug 24a axial in das Werkstück bewegt, um ein Loch 66a hierin zu bohren. Wenn die Turbine 110 sich der Oberfläche 116 das Werkstückes 22a nähert, wird der Luftzwischenraum S zwischen der Turbine und der Oberfläche geringer, bis die Turbinenschaufeln unmittelbar in der Nähe der Oberfläche angeordnet sind, um an diesem Punkt mit dieser zusammenzuwirken, um eine wirksame Vakuumkammer in der Nachbarschaft der Mündung der Bohrung 66a zu bilden, wobei das Vakuum innerhalb der Bohrung hervorgerufen wird und dazu beiträgt einen Flüssigkeitsfluß durch den Durchlaß 100 hervorzurufen, wie bereits oben in Verbindung mit den Fig. 12 bis 15 beschrieben, wodurch der Abrieb oder Abfall, den das Schneidwerkzeug bei seiner Bewegung in dem Werkstück hervorruft, aus der Bohrung durch deren Mündung um das Werkzeug herum abgeführt wird.
In Fig. 18 wurde das Werkzeug um einen Gewindegang zurückgezogen. In Fig. 19 wurde das Werkzeug radial um einen Gewindedurchmesser in Vorbereitung für seine Orbitalbewegung um das Loch herum ausgelenkt. Nach dem Gewindefräsen wird das Werkzeug in den Mittelpunkt der Bohrung zurückgestellt und zurückgezogen, wie in der Fig. 21 gezeigt, bis es seine Ausgangsposition, wie in Fig. 16 gezeigt, wieder erreicht hat.

Claims

1. Verfahren zum Gewindeschneidbohren einer Gewindebohrung (20) in einem Werkstück (22) umfassend die Schritte: Bereitstellung eines länglichen Werkzeugs (24) mit einer Bohrfläche an einem Ende und einem Gewindeschneidprofil entlang der Seitenfläche; Drehung des Werkzeugs um eine Longitudinalachse während es axial verschoben wird, um die Bohrfläche gegen und in ein Werkstück zu befördern, um eine Bohrung (20) in diesem auszubilden, und nach Ausbildung der Bohrung Drehung des Werkzeugs zum Gewindeschneiden in deren Wand (66), dadurch gekennzeichnet, daß nach Ausbildung der Bohrung sich das Gewindeschneidprofil in der Bohrung und nicht in schneidendem Eingriff mit der Wand (66) der Bohrung befindet, und daß während der Drehung des Werkzeugs (24) die Drehachse radial um einen Abstand versetzt wird, der gleich der Tiefe des auszubildenden Gewindes ist und, während der Drehung des Werkzeugs (24) dessen Drehachse bahnförmig um die Bohrung bewegt wird, um ein Gewinde in dessen Wand zu schneiden, wonach die Drehachse radial zurück zur Mitte der Bohrung versetzt und das Werkzeug aus der Bohrung zurückgezogen wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem während der bahnförmigen Bewegung der Drehachse des Werkzeugs dieses mindestens um eine Gewindesteigung axial verschoben wird, um ein spiralförmiges Gewinde in die Wand (66) der Bohrung zu schneiden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, das den Schritt der Zurückziehung des Werkzeugs (24) vom Boden (67) der Bohrung mindestens eine Gewindesteigung nach Ausbildung der Bohrung und vor der radialen Versetzung der Drehachse enthält.

4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, bei dem das Werkzeug (24) radial versetzt wird, um seine Drehachse zu versetzen.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Drehachse des Werkzeugs (24) bahnförmig über 360º um die Bohrung bewegt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, das den Schritt der Einführung einer Flüssigkeit unter Druck in die Bohrung angrenzend zu deren Boden (67) enthält, wobei die Flüssigkeit veranlaßt wird, entlang dem Werkzeug (24) hin zur Mündung der Öffnung zu fließen um Abfallmaterial aus Bohrung zu spülen.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Flüssigkeit unter Druck durch das Werkzeug (24) in die Bohrung eingeführt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, das dem Schritt der Erzeugung eines unterdrucks an der Mündung der Bohrung um das Werkzeug (24) enthält, um die unter Druck am Boden (67) der Bohrung eingeführt Flüssigkeit aus dieser herauszuziehen.

9. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, bei denen in Folge zur Ausbildung der Bohrung, jedoch vor der radialen Versetzung des Werkzeugs (24) um einen Abstand, der gleich der auszubildenden Gewindetiefe ist, das Werkzeug von dem Boden (67) der Bohrung um einen Abstand zurückgezogen wird, der mindestens einer Gewindesteigung gleich ist.

10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, bei dem während der bahnförmigen Bewegung des Werkzeugs (24) dieses axial in einer Richtung hin zum Boden (67) der Bohrung um eine Gewindesteigung verschoben wird.

11. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 8, bei dem während der bahnförmigen Bewegung des Werkzeugs (24) dieses axial in einer Richtung aus der Bohrung hinaus um eine Gewindesteigung verschoben wird.

12. Gewindeschneidbohrwerkzeug, das umfaßt:

einen länglichen Schaft (68), der dazu vorgesehen ist, an einem Ende zur Drehung und Handhabung eingespannt zu werden, und der an dem anderen Ende eine Bohrspitze (64) zum Bohren einer Bohrung (20) besitzt, wenn das Werkzeug (24) gedreht und longitudinal in ein Werkstück (22) verschoben wird, mindestens eine sich longitudinal erstreckende Spannut (80, 82) auf dem Schaft und

und Gewindeschneidflächen (84, 86) auf der Spannut, die ein Gewindeprofil zum Schneiden des in dem Werkstück auszubildenden Gewindes besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Durchmesser der Gewindeschneidflächen (84, 86) auf dem länglichen Schaft nicht größer als der maximale Durchmesser der Bohrspitze (64) ist, der mit diesem verbunden ist, so daß das Werkzeug, welches sowohl Gewindeschneidmittel als auch Bohrmittel besitzt, in das Werkstück bewegt werden kann, um die Bohrung zu bohren, und daß das Gewindeschneidmittel in die Bohrung eingeführt werden kann, ohne sich in schneidendem Eingriff mit der Wand der Bohrung zu befinden, während die Bohrung gebohrt wird.

13. Werkzeug gemäß Anspruch 12, bei dem die Gewindeschneidflächen (84, 86) und die Bohrspitze (64) mit einer Oberfläche versehen sind, die Materialien enthält, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die polykristallinen Diamant, polykristallines, kubischen Bohrnitrit, Keramiken und Siliziumnitrit enthält.

14. Werkzeug gemäß Anspruch 12, bei dem Mittel vorgesehen sind, die einen Flüssigkeitsdurchgang (100) bestimmen, der sich axial von dem länglichen Schaft (68) zur Verbindung des einen Endes mit einer Druckflüssigkeits-Quelle erstreckt und der sich auswärts aus dem Schaft (68) an einem Punkt zur Zuführung des Flüssigkeitsdrucks auf das Werkstück (22) öffnet, um Abfallmaterial aus einer Bohrung (20) zu spülen, in der das Werkzeug (24) betrieben wird.

15. Werkzeug gemäß Anspruch 14, bei dem das Durchgangsmittel (100) sich durch das andere Ende des Schaftes (68) zur Zuführung des Flüssigkeitsdruckes an der Bohrspitze (64) angrenzend in eine Bohrung in einem Werkstück öffnet.

16. Werkzeug gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem Drehflügelmittel (110, 112) auf dem Schaft zur Erzeugung eines Unterdrucks an der Mündung der Bohrung vorgesehen sind, in der sich das Werkzeug dreht.

17. Werkzeug gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem eine Vielzahl von Drehflügeln (112) sich radial von dem Schaft zwischen dem einen Ende und der Spannut erstrecken und zu der Achse des Schafts geneigt sind, um einen Unterdruck an der Mündung einer Bohrung zu erzeugen, in der sich das Werkzeug dreht.