WO1995004624A1

WO1995004624A1 - Wendelbohrer

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Publication number: WO1995004624A1
Application number: PCT/DE1994/000895
Authority: WO
Inventors: Werner Just; Dieter MÜHLFRIEDEL
Original assignee: Kennametal Hertel AG; Kennametal Hertel AG Werkzeuge and Hartstoffe
Current assignee: Kennametal Hertel AG
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1994-08-02
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 1996-02-06
Also published as: JP3071466B2; CA2168889C; US5678960A; ATE175139T1; ES2127407T3; EP0712343B1; DE59407566D1; EP0712343A1; CA2168889A1; JPH09501109A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wendelbohrer, insbesondere für Metalle. Er weist einen im wesentlichen zylindrischen, in einen Schaft (2) und ein Schneidteil (3) gegliederten Grundkörper (1) auf, dessen Mittellängsachse (5) die Rotationsachse des Wendelbohrers ist. In die Zylindermantelfläche des Grundkörpers (1) sind mehrere Spannuten (4, 4') eingeformt, die sich vom Schaft (2) bis zur Bohrerspitze (6) durchgehend wendelförmig erstrecken und jeweils eine Spankammer (35) umgrenzen. Der Wendelbohrer ist dadurch gekennzeichnet, daß sein Bohrerkerndurchmesser von der Bohrerspitze (6) zum Schaft (2) hin kontinuierlich abnimmt.

Description

Wendelbohrer

Die Erfindung betrifft einen Wendelbohrer, insbesondere zur Bearbeitung von Metallen. Derartige Bohrer haben üblicherweise einen zylindrischen Grundkörper, der sich in einen Schaft und ein Schneidteil untergliedert. In die Mantelfläche des Schneidteils sind mehrere Spannuten eingeformt, die sich wendeiförmig um die Mittellängsachse des Bohrers bzw. dessen Bohrerkern erstrecken und in dessen die Bohrerspitze bildende OStirnseite münden. Bei Bohrern, die für eine Sollbohrtiefe bestimmt sind, die größer oder gleich dem Dreifachen ihres Bohrerdurchmessers ist, spricht man von Langbohrern. Bei Langbohrern beträgt also die Mindestbohrtiefe das Dreifache des Bohrerdurchmessers.

Bei Langbohrern tritt zum einen aufgrund des Verhältnisses von Bohrerlänge zu Bohrerdurchmesser das Problem auf, daß unerwünschte Torsionsschwingungen auftreten können. Ein weiteres Problem ist die Spanabfuhr bei zunehmender Bohrtiefe. Beim Bohren wird im Wirkbereich der Bohrerspitze bzw. der Hauptschneiden des Bohrers der abgehobene Span in der Spannut zwischen der Spanfläche, also der Spannutoberfläche, einerseits und der Innenwand des Bohrlochs andererseits eingerollt und zu einem etwa wendeiförmigen Gebilde geformt. Im weiteren Verlauf des Bohrvorgangs wird dieser Span bzw. Bruchstücke davon in der Spannut in Richtung zum Schaftende des Bohrers weiterbefördert. Dabei reibt der Span sowohl an der Spanfläche als auch an der Innenwand des Bohrlochs. Diese Reibung vermindert die Spanabflußgeschwindigkeit, was im Endeffekt zu einem Spänestau führen kann. Aufgrund des weiteren Nachtransports von Spänen kommt es zu einer weiteren Zunahme der Reibungskräfte und damit zu einem erheblichen Anstieg der Schnittkräfte und einer verstärkten Wärmeentwicklung. Die Folge ist ein überproportionaler Verschleiß der Bohrerhauptschneiden. Im Extremfall kann ein Spänestau zu einem Bruch des Bohrers führen.

Automatische Bohrmaschinen sind häufig mit einem elektronischen Überwachungssystem gekoppelt. Derartige elektronische Überwachungssysteme würden ein überproportionales Ansteigen der Schnittkräfte als einen Hinweis auf einen sehr großen Bohrerverschleiß bzw. als Schneidenausbrüche werten und die Bohrmaschine anhalten. Tatsächlich wäre jedoch die Bohrerschneide noch gar nicht verschlissen. Vielmehr wäre nur ein Spänestau vorhanden, weicher durch das alleinige Abschalten der Maschine nicht behebbar ist. Hierzu muß nämlich das Bohrwerkzeug weiterlaufen, jedoch ohne Vorschub, um den Spänestau zu beseitigen, also das angesammelte Spanmate rial übefdie Spannut aus dem Bohrlochbereich zu entfernen. Anschließend kann dann normal weitergebohrt werden.

Bei einem aus DE-DA-39 27 615 bekannten Langbohrer ist das Problem der Torsionsschwingungen dadurch gelöst, daß der Bohrerkern von der Spitze zum Schaft hin zunimmt. Durch diese Maßnahme ist aber die Spanabfuhr behindert, da die Tiefe der Spannut mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze abnimmt. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurden bei dem bekannten Bohrer die Spannuten stark verbreitert, was sich in einem Verhältnis von Rückenbreite bzw. Nebenfreifläche zur Nutbreite von 0,8-0,9 ausdrückt. Diese Spannutverbreiterung kann aber nur bedingt die Spanabfuhr verbessern, da die Tiefe der Spannut mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze abnimmt. Ein im Wirkbereich der Bohrerhauptschneiden gebildeter Rund- bzw. Wendelspan mit einem der Spannuttiefe im Bohrerspitzenbereich entsprechenden Durchmesser würde daher mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze immer weniger in die von der Spanfläche und der Bohrungsinnenwand umgrenzte Spankammer passen. Als Folge davon würde der Span vermehrt an der Spanfläche und der Innenwandung des Bohrlochs unter Verminderung der Spanabflußgeschwindigkeit reiben.

Aus dem Stand der Technik sind außerdem Wendelbohrer bekannt, deren Kerndurchmesser sich einerseits zum Schaft hin verdickt und deren Drallwinkel sich andererseits zur Verbesserung der Spanabfuhr in derselben Richtung verkleinert.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Wendelbohrer so zu gestalten, daß der geschilderte Spänestau unterbleibt und daß der Bohrer mit hohen Schnittwerten über die gesamte Bohrtiefe bzw. Schneidlänge ohne das Auftreten von nennenswerten Torsionsschwingungen gefahren werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung einen völlig anderen Weg als der bekannte Stand der- Technik. Gegenüber dem Stand der Technik wird der Kerndurchmesser des Bohrers von der Bohrerspitze zum Schaft hin nicht vergrößert, sondern er wird erfindungsgemäß zumindest in einem sich an die Bohrerspitze anschließenden Schneidteilbereich kontinuierlich verkleinert. Die Verkleinerung des Kerndurchmessers zieht es zwangsweise nach sich, daß sich die Tiefe der Spannut, d.h. also der Radialabstand zwischen der

Bohrloch-Innenwand und dem den Kerndurchmesser tangierenden

Spanflächenbereich vergrößert. Obwohl mit der Vergrößerung der Spannuttiefe auch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche bzw. des Volumens der Spannut einhergeht, ist nicht diese Flächen- oder Volumenvergrößerung entscheidend, sondern praktisch alleine die Vergrößerung der Spannuttiefe. Der im Wirkbereich der Bohrerspitze abgehobene Span weist einen Durchmesser auf, der in etwa der Tiefe der Spannut im Spitzenbereich des Bohrers entspricht. Während der Span im spitzennahen Bereich des Bohrers sowohl an der Spanfläche als auch an der Bohrloch-Innenwand reibt, wird er im spitzenfernen Bereich des Bohrloches nahezu ausschließlich von der Spanfläche der Spannut und dadurch reibungsärmer geführt. Durch die nunmehr praktisch fehlende Reibung an der Bohrloch-Innenwand verringert sich zum einen der Kraftaufwand für den Weitertransport des Spans. Durch diese widerstandsärmere Führung des Spans wird sein Abbremsen verhindert bzw. verringert, wodurch die

Spanabfuhrgeschwindigkeit praktisch über die gesamte Schneidlänge des

Wendelbohrers konstant bleibt und ein Spänestau wirksam vermieden ist. Zum anderen verringert die reibungsärmere Führung des Spans auf der Spanfläche die reibungsbedingte Wärmeentwicklung.

Es hat sich nun gezeigt, daß trotz der Verringerung des Kerndurchmessers in Richtung auf den Schaft des Wendelbohrers nennenswerte Torsionsschwingungen nicht auftreten. Der Grund dafür ist vor allen Dingen in der widerstandsarmen Spanabführung und der praktisch über die gesamte Bohrtiefe nahezu gleichbleibenden Schnittkraft zu suchen. Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch Verbindung mit einem elektronischen Überwachungssystem keine Unterbrechungen des Bohrvorgangs aufgrund des Ansteigens der Schnittkräfte infolge eines Spänestaus zu erwarten sind.

Wie bereits oben erwähnt, ist weniger die Vergrößerung der Querschnittsfläche bzw. des Volumens der Spannut entscheidend, sondern der Abstand zwischen Bohrlochinnenwand und Spanfläche, also die Spannuttiefe. Indem nun zusätzlich die Querschnittsform der Spannut bzw. der Krümmungsverlauf der Spanfläche, ebenfalls im Querschnitt gesehen, konstant gehalten wird, ist der erfindungsgemäße Wendelbohrer vielfach nachschleifbar. Dies ist insbesondere bei sehr hochwertigen Bohrern wie Vollhartmetallbohrem ein entscheidender Kostenvorteil. Bekanntermaßen wird beim Nachschleifen eines Wendelbohrers dessen Bohrer- bzw. Schneidlänge durch Materialabtrag im Bereich der Bohrerspitze verkürzt. Eine nur auf die Vergrößerung der Querschnittsfläche der Spannut abzielende Spannutaufweitung würde einem vielfachen Nachschleifen eines Wendelbohrers zuwiderlaufen, da durch die Aufweitung der Spannut in den entsprechenden spitzenfernen Bereichen völlig andere, zur Spanbildung und -formung ungeeignete Spannut-Querschnittsformen bzw. Spanflächenkrümmungen vorhanden sind. Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Bohrer gemäß Anspruch 2 die Querschnittsform der Spannut bzw. deren Krümmungsverlauf vorzugsweise über den gesamten zum Bohren nutzbaren Bereich, also die Schneidlänge des Bohrerschneidteiis, im wesentlichen konstant. Nach jedem Nachschleifvor gang ist somit im Spitzenbereich des Wendelbohrers stets eine zur Bildung und Formung des Spans geeignete Spanflächenform vorhanden. Dies ist naturgemäß nur erreichbar, wenn, wie in Anspruch 1 angegeben, sich der Kerndurchmesser des erfindungsgemäßen Wendelbohrers nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich verringert. Die kontinuierliche Verringerung des Bohrerkerndurchmessers muß sich aber nicht zwangsweise über die gesamte Schneidteillänge erstrecken. Mit häufig

nachgeschliffenen und nur noch einen Teil ihrer ursprünglichen Länge aufweisenden Bohrern können nämlich von Haus aus keine allzu großen Bohrtiefen mehr erreicht werden. Da sich das Problem der Spanabfuhr naturgemäß mit abnehmender Bohrtiefe verringert, kann es daher zweckmäßig sein, auf eine weitere Verringerung des

Bohrerkerndurchmessers im schaftnahen Schneidteilbereich des Bohrers zu verzichten. Der Verringerung des Bohrerkerndurchmessers sind außerdem bei sehr langen

Bohrern aus Gründen der Stabilität Grenzen gesetzt.

Der die Spanformung hauptsächlich beeinflussende Bereich der Spanfläche ist jener Flächenabschnitt, der den kleinsten Krümmungsradius aufweist. Gemäß Anspruch 3 nimmt dieser im folgenden als Spanformradius bezeichnete Krümmungsradius mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze zu. Auch hier ist wiederum nicht die dadurch bedingte etwaige Vergrößerung der Querschnittsfläche der Spannut entscheidend, sondern der folgende Effekt: Bei der Formung des Spans bestimmt der Spanformradius den Krümmungsgrad bzw. den Durchmesser eines wendeiförmig gewundenen Spans. Würde der Spanformradius über die Schneidlänge des Wendelbohrers konstant bleiben, wäre die Spanformungseigenschaft der Spanfläche an einer spitzenfernen Stelle nicht mehr optimal. Für die Spanformung ist nämlich nicht nur die Spanfläche allein, sondern auch die Bohrloch-Innenwandung und insbesondere das Verhältnis aus der Differenz zwischen dem Bohrerdurchmesser und dem Bohrerkerndurchmesser und dem Spanformradius mitverantwortlich. Da mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze die Spannuttiefe, d.h. also der Radialabstand zwischen dem für die Spanformung maßgeblichen Spanfiächenabschnitt und der Bohrloch-Innenwand bzw. die Differenz zwischen dem Bohrerdurchmesser und dem

Bohrerkerndurchmesser zunimmt, würde das genannte Abmessungsverhältnis bei gleichbleibendem Spanformradius mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze weiter vom optimalen Wertebereich wegliegende Werte annehmen. Die Spanformungseigenschaften spitzenferner Spannutbereiche, die nach mehrfachem Nachschleifen den Wirkbereich des Bohrers bilden würden, würden sich zunehmend verschlechtem. Nach Anspruch 4 soll das oben erwähnte Abmessungsverhältnis als größten Wert einen Wert von 4,0 annehmen. Dieser Wert wird erreicht, wenn der Spanformradius halb so groß ist wie die Spannuttiefe. Erfindungsgemäß kann der Wert des genannten Abmessungsverhältnisses zwischen 4,0 und 2,7 schwanken. Der Wert von 2,7 wird erreicht, wenn der Spanformradius etwa 3/4 der Spannuttiefe entspricht. Innerhalb des beanspruchten Wertebereiches ist eine zufriedenstellende Spanformung und

Spanabfuhr gewährleistet. Vorteilhafterweise wird ein einmal gewähltes

Abmessungsverhältnis über die Schneidlänge bzw. eine gegebenenfalls kürzer bemessene Nachschleiflänge beibehalten, damit nach jedem Nachschleifen des Wendelbohrers dieselben geometrischen Verhältnisse und damit

Spanformungseigenschaften im Wirkbereich der Bohrerspitze vorliegen. Es ist aber auch denkbar, daß sich das genannte Verhältnis mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze verkleinert. Die Verkleinerung sollte jedoch nicht mehr als maximal 40% von dem an der Bohrerspitze ursprünglich vorhandenen Wert betragen.

Der Kerndurchmesser eines erfindungsgemäßen Wendelbohrers wird so gewählt, daß er in einem Bereich von 0,22 D-0,35 D liegt, wobei D der Durchmesser des Bohrers bzw. des Schneidteils ist. Der Wert 0,22 D ist das Minimalmaß für den Bohrerkerndurchmesser. Würde der Bohrerkern noch dünner ausgebildet, müßte ein Bohrerbruch befürchtet werden. Der Wert 0,35 D benennt dagegen die Untergrenze der Spannuttiefe. Würde der Bohrerkern noch dicker gemacht werden, würde die Spannuttiefe zu klein werden, um den erfindungsgemäßen Effekt der reibungsarmen Spanabfuhr noch zu gewährleisten. Die Abnahme des Kerndurchmessers mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze ist vorteilhafterweise so ausgelegt, daß sie 0,2 mm-0,8 mm, bezogen auf 100 mm Bohrerlänge, beträgt. Der erfindungsgemäße Wendelbohrer ist vorzugsweise als Vollhartmetallbohrer ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Spannut ermöglicht es also, daß der Wendelbohrer innerhalb eines sehr weiten Bereiches nachgeschliffen werden kann. Es ist sogar möglich, daß ein häufig nachgeschliffener Wendelbohrer, der durch das Nachschleifen zum Bohren tiefer Bohrungen zu kurz geworden ist, weiterhin für kürzere Bohrtiefen verwendbar ist. Durch die kontinuierliche Vergrößerung der Spannuttiefe und die Beibehaltung der Spannut-Querschnittsform über nahezu die gesamte Schneidlänge läßt sich der erfindungsgemäße Wendelbohrer auch noch im Vergleich zu seiner Fabrikationslänge in erheblich gekürztem Zustand verwenden.

Zudem führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wendelbohrers zu einer Reduzierung der Schnittkräfte. Diese Reduzierung der Schnittkräfte bewirkt unmittelbar eine Verminderung der Belastung des Schneidstoffes selbst. Die genannten Faktoren bedingen wiederum eine erhebliche Verbesserung der Standzeiten. Versuche haben ergeben, daß die Standzdeiten mit einem erfindungsgemäßen Bohrer verdoppelt bzw. verdreifacht werden können. Die mit der beschriebenen Standzeitenerhöhung verbundenen Steigerungen von Wirtschaftlichkeit und Produktivität sind evident.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfinderischen Wendelbohrers beschrieben und anhand der beigefügten Diagramme werden weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Bohrers deutlich gemacht. Es zeigen:

Fig.1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Wendelbohrers,

Fig.2 eine schematische Seitenansicht des Bohrers gemäß Fig.1 mit schematisch angedeutetem aufgebrochenem Bohrerkern,

Fig.3 einen Querschnitt gemäß lll-lll in Fig.1 ,

Fig.4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig.1 ,

Fig.5 einen Querschnitt längs der Linie V-V in Fig.1 ,

Fig.6 einen Querschnitt entlang der Linie Vl-Vl in Fig.1 ,

Fig.7_. eine Darstellung, bei der die Querschnitte gemäß Fig.3-Fig.5 in vergrößerter

Darstellung konkruent übereinander gelegt sind,

Fig.8 einen Querschnitt gemäß Fig.4, jedoch mit schematisch eingezeichnetem

Span, und

Fig.9 einen Querschnitt gemäß Fig.5, ebenfalls mit in der Spannut angeordnetem

Span.

Fig.1 zeigt einen Wendelbohrer (im folgenden kurz Bohrer genannt) mit einem im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 1 , der in einen Schaft 2 und ein Schneidteil 3 untergliedert ist. In die Mantelfläche des Schneidteils 3 sind 2 sich diametral gegenüberliegende Spannuten 4,4' eingeformt. Die Spannuten erstrecken sich wendeiförmig um die Mittellängsachse 5 des Bohrers und münden in der die Bohrerspitze 6 bildenden Stirnseite des Bohrers. Das Schneidteil 3 seinerseits läßt sich in zwei Abschnitte unterteilen, nämlich einem sich von der Bohrerspitze 6 bis zur Hilfslinie 7 erstreckenden nutzbaren Abschnitt, wobei dieser Abschnitt die Schneidlänge 8 des Schneidteils 3 ist. Zwischen dem die Schneidlänge 8 definierenden Abschnitt und dem Schaft 2 ist ein Zwischenabschnitt angeordnet, in dem die Spannuten 4,4' abflachen und in die Mantelfläche des Schneidteils 3 übergehen, und der den Auslauf 11 des Schneidteils 3 bildet. Die Mittellängsachse 5 des Bohrers ist gleichzeitig dessen Rotationsachse, um die er in Richtung des Pfeiles 12 während seiner Anwendung drehbar ist. Der Bohrer gemäß Fig.1 weist im übrigen die bei Wendelbohrern üblichen Gestaltungsmerkmale auf, wie zwei Hauptschneiden 13,13', zwei Hauptfreiflächen 14,14', zwei Nebenfreiflächen 15,15' mit jeweils einer Führungsphase 16,16'. Die Hauptschneiden 13,13' bilden mit einer angenommenen Arbeitsebene 17 den Seitenfreiwinkel α. Der Drallwinkel der Spannuten 4,4' ist vorzugsweise über die gesamte Schneidlänge 8 konstant.

In Fig.2 ist das Schneidteil 3 mit geschnittenem Bohrerkern 18 dargestellt. Die den Bohrerkern 18 flankierenden Hilfslinien 21 markieren die Erstreckung des

Schneidteils 3 in Querrichtung 22. Sie stellen quasi die Längsschnittlinien eines gedachten Hüllmantels mit einem dem Durchmesser 23 des Schneidteils 3 entsprechenden Durchmesser dar. Wie aus Fig. 2 deutlich erkennbar ist, verjüngt sich der Bohrerkern 18 von der Bohrerspitze 6 in Richtung zum Schaft 2 hin kontinuierlich. Der Bohrerkerndurchmesser 24 ist somit im spitzennahen Bereich des Schneidteils 3 größer als in dessen schaftnahen Bereich. Die Bohrerkernverjüngung ist so gewählt, daß die Abnahme des Bohrerkerndurchmessers 24 auf einer Länge von 100 mm 02,-0,8 mm beträgt. Der Auslauf 11 des Bohrers weist eine Länge auf, die das 1 ,5-fache des

Bohrerdurchmessers 23 beträgt.

In den Querschnittdarstellungen gemäß Fig.3-5 ist die kreisförmige, den geschnittenen Schneidteil umschreibende Linie die Hüllinie 26 der Zylindermantelfläche des

Schneidteils 3. Wie aus den Fig.3-5 deutlich erkennbar ist, nimmt der Bohrerkerndurchmesser 24 von Fig.5, die einen Querschnitt im Spitzenbereich (Linie V-V in Fig. 1) des Bohrers zeigt, nach Fig.3, die einen Querschnitt im schaftnahen Bereich (Linie III- III in Fig. 1) des Schneidteils 3 darstellt, ab. Mit dieser Abnahme ist eine Zunahme der Spannuttiefe 27 verknüpft. Die Spannuttiefe 27 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur in der einen Spannut 4 der beiden Spannuten 4,4' angedeutet. Aus den Fig.3-5, sowie aus Fig.6, geht der Krümmungsverlauf der Spanfläche 9,9' hervor. Die Spanfläche erstreckt sich beginnend von der die Nebenschneide 28,28' bildenden vorderen Kante der Führungsphase 16,16' konvex und im wesentlichen radial nach innen auf die Mittellängsachse 5 zu und tangiert im Zentrum des Schneidteils 3 den Bohrerkern. Von dort erstreckt sie sich mit einer angenähert gleichen Krümmung wieder radial nach außen und ändert an einem Krümmungsumkehrpunkt 31 ihre Krümmungsrichtung. Der sich ab dem Krümmungsumkehrpunkt 31 radial nach außen erstreckende Bereich der Spanfläche 9,9' hat naturgemäß auf die Formgebung eines von einem Werkstück abgehobenen Spans praktisch keinerlei Einfluß. Dieser Bereich wird üblicherweise als Rückenkantenbruch bezeichnet und ist fertigungstechnisch bedingt. Der Kurvenverlauf der Spanfläche 9,9' kann, im Querschnitt gesehen, angenähert als Bogenabschnitt einer Ellipse 32 (Fig.6) angesehen werden. Die Längsachse 33 der Ellipse 32 ist dabei etwa radial zur Mittellängsachse 5 des Bohrers ausgerichtet. Es ist aber auch denkbar, daß der Kurvenverlauf der Spanfläche 9,9' mehr einem Kreisbogen angenähert ist.

Aus den Fig.3-5 ist weiterhin erkennbar, daß der an den Bohrerkern 18 angrenzende und für die Spanformung und insbesondere für den Krümmungsradius des Spans hauptsächlich maßgebende Hauptspanformbereich 34 einen im folgenden mit Spanformradius 35 bezeichneten Krümmungsradius aufweist, der von Fig.5 nach Fig.3 zunimmt. Der für die Formgebung maßgebliche Radius der Spanfläche 9,9" ist somit der Spanform radi us 35. Der Spanformradius 35 nimmt mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze 6 zu. Mit anderen Worten flacht die Krümmung des Hauptspanformbereiches 34 zusehends ab.

In der Darstellung gemäß Fig.7 sind die Querschnitte gemäß Fig.3-5 konkruent übereinandergelegt und vergrößert dargestellt. Die einzelnen Kurvenzüge sind entsprechend den Schnittlinien in Fig.1 mit III, IV und V gekennzeichnet. Aus dieser Darstellung geht nochmals deutlich die Abnahme des Bohrerkerndurchmessers 24 hervor. Anhand dieser Darstellung ist auch erkennbar, daß neben der Zunahme der Spannuttiefe 27 und der sich daraus ergebenden Querschnittsflächenvergrößerung der Spankammer 36 eine zusätzliche Vergrößerung der Spankammer 36 vorhanden ist. Diese kommt dadurch zustande, daß der sich an die Führungsphase 16,16' anschließende Spanflächenbereich mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze 6 weiter nach innen ausgebuchtet ist. Der sich daraus ergebende Querschnittsfiächenzuwachs 37 entspricht dem von den Querschnittslinien III und V begrenzten, etwa sichelartigen und sich von der Führungsphase 16,16' etwa bis zum Bohrerkern 18 erstreckenden Flächensegment. Dieser Flächenzuwachs ist jedoch, wie später noch deutlicher erläutert wird, von untergeordneter Bedeutung für den erfindungsgemäßen Wendelbohrer. Aus Fig.7 ist schließlich noch erkennbar, wie sich der Verlauf des Rückenkantenbruchs, also jenes sich vom Krümmungsumkehrpunkt 31 radial nach außen erstreckenden Spanflächenbereiches, mit zunehmender Entfernung von der Bohrspitze 6 verändert. Diese Veränderung ist im wesentlichen fertigungsbedingt und hat weder auf die Spanabfuhr noch auf das Spanformverhaiten des vorliegenden Bohrers einen entscheidenden Einfluß. Allerdings wird durch diese Aufweitung die Zuführung von Kühlflüssigkeit verbessert. Aufgrund der sich mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze 6 ändernden Verlaufs des Rückenkantenbruchs ergibt sich eine zunehmende Aufweitung der Spannut 4,4'. Diese Aufweitung ist auch aus Fig.1 erkennbar, in der die Spannuten breite 41 , gemessen quer zur Wendelrichtung 42 der Spannut 4,4', dargestellt ist. Die Spannutenbreite 41 nimmt in Richtung auf den Schaft 2 zu, so daß die in der Draufsicht gem. Fig.1 benachbarten Spannuten 4 und 4' sich in ihrer Spannutenbreite 41 unterscheiden. Der weiter schaftwärts angeordnete Spannutbereich weist eine größere Breite auf Spannbreite 41.

Die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Bohrers soll nun insbesondere anhand der Fig.8-9 erläutert werden: In Fig.8 ist schematisch die Spanbildung im Wirkbereich der Bohrerspitze 6, also etwa in einem der Schnittlinie V-V in Fig.1 entsprechenden Bereich dargestellt. Wenn sich der Bohrer in Richtung des Pfeiles 12 dreht, wird von den Hauptschneiden 13,13', die in Fig.8 etwa in Richtung der Mittellinie 43 verlaufen, ein Span 44 abgehoben. Dieser bewegt sich mit fortschreitender Rotation des Bohrers in Richtung des Pfeiles 12 entlang der Spanfläche 9,9' und wird aufgrund deren Krümmung in Richtung des Pfeiles 45 abgelenkt und wendeiförmig verformt. Der für die Außenkrümmung des Spans 44 maßgebliche Bereich der Spanfläche 9,9' ist jener an den Bohrerkern 18 angrenzende Hauptspanformbereich 34. Dieser Bereich weist den kleinsten Krümmungsradius der gesamten Spanfläche 9,9', nämlich den Spanformradius 35, auf und lenkt daher den Span 44 am stärksten ab. An seinem Innenumfang ist der Span 44 gestaucht, wie durch die Stauchungslinien 46 in Fig.8 und 9 angedeutet ist. Nachdem der Span 44 eine bestimmte Länge erreicht hat, kommt es häufig zu Spanbrüchen, vorzugsweise entlang der Stauchungslinien 46. Der Span wird mit fortschreitender Bohrtiefe vom Wirkort, nämlich dem Spitzenbereich des Bohrers in Richtung auf dessen Schaft 2 zubewegt. In diesen spitzenfernen Bereichen der

Spannut 9,9' bzw. der Spankammer 36 ist der Bohrerkerndurchmesser 24 geringer und damit die Spannuttiefe 27 größer. Aufgrund der im Spitzenbereich gemäß Fig. 8 vorhandenen Krümmung des Hauptspanformbereiches 34 erhält der Span 44 eine entsprechende Krümmung und daher einen dieser Krümmung etwa entsprechenden Spandurchmesser 47. Mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze 6 wird nun die Differenz zwischen der Spannuttiefe 27 und dem Spandurchmesser 47 zusehends größer. Die Folge ist, daß der Span bzw. die Spanbruchstücke in den spitzenfernen Bereichen nicht mehr an der Bohrlochinnenwandung, die annähernd der Hüllinie 26 in den Fig.8-9 entspricht, anliegen bzw. daran entlangreiben. Als Führungsfläche dient hier vielmehr nur noch der mit dem Außenumfang des Spans 44 in Kontakt stehende Spanflächenbereich. Die Führung des Spans 44 in den spitzenfernen

Spannutenbereichen erfolgt daher praktisch nur noch über die genannten mit dem Außenumfang des Spans 44 in Kontakt stehenden Spanflächenbereichen (vgl. Fig.9). Die Folge ist, daß dem Spanabfluß mit zunehmender Entfernung von dem Ort der Spanentstehung ein geringerer Widerstand entgegengesetzt ist. Ein Spänestau mit den bekannten negativen Begleiterscheinungen, nämlich der Zunahme der Schnittkraft und der Temperatur sowohl des Werkstücks, also auch des Bohrers, sind wirksam verhindert.

Ein erfindungsgemäßer Bohrer kann vielfach nachgeschliffen werden, da er über praktisch seine gesamte Schneidiänge 8 eine dem ursprünglichen Spitzenbereich entsprechende Querschnittsform der Spannut 4,4' bzw. der Spankammer 36 aufweist. Wenn beispielsweise der Bohrer bis auf eine der Linie IV-IV in Fig.1 entsprechende Restlänge nachgeschliffen wurde, ist eine Querschnittsform des Bohrers erreicht, wie sie etwa jener in Fig.9 dargestellten entspricht. Allerdings würde der gebildete Span 44 auch in Kontakt mit der Bohrlochwand (Nullinie 26) stehen, wie in Fig.8 dargestellt. Der für die Formeigenschaften des Hauptspanformbereiches 34 maßgebliche Spanformradius 35 nimmt nämlich in Richtung zum Schaft 2 hin zu, so daß der entstehende Span 44 eine entsprechend größere Außenkrümmung und damit einen entsprechend größeren Spandurchmesser 47 hat. Dieser Durchmesser 47 würde dann etwa der Spannuttiefe 27 in Fig.9 entsprechen.

Die Differenz aus dem Bohrerdurchmesser 23 (D) und dem Bohrerkerndurchmesser 24 (DK) entspricht der doppelten Spannuttiefe 27. Die Spannuttiefe ergibt sich somit aus D-D_K/2. Damit ein Span 44 in eine Spankammer 36 mit einer vorgegebenen Spannuttiefe 27 paßt, muß der Spanformradius 35 etwa die Hälfte der Spannuttiefe, also D-D_K/4 betragen. Kleinere Spanformradien 35 (R_F) sind unerwünscht, da dann das Zusammenwirken von Bohrungsinnenwandung und Spanfläche 9,9' nicht mehr gewährleistet ist. RF kann jedoch größere Werte annehmen. Als Obergrenze wurde ein Spanformradius RF max. von D-D_K/2,7 ermittelt.

Die Diagramme 1 und 2 stellen die Abhängigkeit der Schnittkraft und des Drehmoments eines Wendelbohrers in Abhängigkeit von der Bohrtiefe dar. Diagramm 1 zeigt die Verhältnisse bei einem Bohrer nach dem Stand der Technik (Werkzeug 1). Wie daraus hervorgeht, nimmt die Schnittkraft und das mit ihr korrelierte Drehmoment ab einer Bohrtiefe von etwa 40 mm langsam zu, um bei einer Bohrtiefe von etwa 45 mm sprunghaft anzusteigen.

Der analoge Versuch mit einem erfindungsgemäßen Bohrer (Werzeug 2) ist in

Diagramm 2 dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, daß einerseits sowohl die Schnittkraft als auch das Drehmoment deutlich unter den Vergleichswerten gemäß Diagramm 1 liegen und die Erhöhung dieser Parameter bei größeren Bohrtiefen unterbleibt. Es ergibt sich eine konstante Schnittkraft und ein konstantes Drehmoment über praktisch die gesamte Schneidlänge bzw. Bohrtiefe.

Die Versuchsbedingungen sowie die verschiedenen verwendeten Werkstoffe sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Werkstück: Radträger für PKW

Werkstoff 45M5 UA2 D Härte: 269HB 2)

Bohrungsdurchmesser 11 mm Bohrtiefe: 55 mm

Maschine: Bearbeitungszentrum mit Kühlmittelzufuhr durch die Spindel,

Kühlmitteldruck 18 bar

Schnittdaten:

Drehzahl: 2315 1/min

Schnittgeschwindigkeit: 80 m/min

Vorschubgeschwindigkeit 695 mm/min

Vorschub je Umdrehung: 0,3 mm

Werkzeug 1 : Vollhartmetall Kühlkanalbohrer mit 4 Führungsfasen und konventioneller Spannutengeometrie, also konstantem Kerndurchmesser und konstantem

Spannutenprofil von der Bohrerspitze bis zum

Spannutenauslauf

Schneidstoff: PVD3) -beschichtetes Hartmetall des

Anwendungsbereiches P40

Bohrerspitzenanschliff entsprechend EP0249104A1

Kerndurchmesser: 3,2 mm

Spanformradius 2,7 mm

Verhältnis (D-Dk)/Rs: 2,9

Werkzeug 2: Vollhartmetall Kühikanalbohrer mit 4 Führungsfasen und erfindungsgemäßer Spannutengeometrie

Schneidstoff: PVD3)-beschichtetes Hartmetall des

Anwendungsbereiches P40

Bohrerspitzenanschliff entsprechend EP0249104A1

Kerndurchmesser an Bohrerspitze: 3,2 mm

Kerndurchmesser am Spankammernauslauf: 3,0 mm

Spanformradius an Bohrerspitze: 2,0 mm

Spanformradius am Spankammernauslauf: 2,5 mm Verhältnis (D-Dk)/Rs an

Bohrerspitze: 3,9

Verhältnis (D-Dk)/Rs am

Spannkammernauslauf: 3,2

1) Französische AVNOR-Werkstoffnorm

2) Brinellhärte

3) Plasma-Vapor-Deposition

Bezugszeichenliste

1 Grundkörper 35 Spanformradius

2 Schaft 36 Spankammer

3 Schneidteil 37 Querschnittsflächenzuwachs

4 Spannut 41 Spannutenbreite

4' Spannut 42 Wendelrichtung

5 Mittellängsachse 43 Mittellinie

6 Bohrerspitze 44 Span

7 Hilfslinie 45 Pfeil

8 Schneidlänge 46 Stauchungslinie

9 Spanfläche 47 Spandurchmesser

9' Spanfläche α Seitenfreiwinkel

11 Auslauf

12 Pfeil

13 Hauptschneider

13' Hauptschneider

14 Hauptfreifiäche

14' Hauptfreifläche

15 Nebenfreifläche

15' Nebenfreifläche

16 Führungsphase

16' Führungsphase

17 Arbeitsebene

18 Bohrerkern

21 Hilfslinie

22 Querrichtung

23 Bohrerdurchmesser

24 Bohrerkerndurchmesser

25 Auslauflänge

26 Hüllinie

27 Spannuttiefe

28 Nebenschneide

28' Nebenschneide

21 Krümmungsumkehrpunkt

32 Ellipse

33 Längsachse

34 Hauptspanformbereich

Claims

Ansprüche

1. Wendelbohrer, insbesondere für Metalle, mit

- einem im wesentlichen zylindrischen in einen Schaft (2) und ein Schneidteil (3) gegliederten Grundkörper (1), dessen Mittellängsachse (5) die Rotationsachse des Wendelbohrers ist und

- mehreren in der Zylindermantelfläche des Schneidteils (3) eingeformten und sich vom Schaft (2) bis zur Bohrerspitze (6) durchgehend wendeiförmig verlaufenden und jeweils eine Spankammer (36) bildende Spannuten 4,4',

dadurch gekennzeichnet,

daß der Bohrerkerndurchmesser des Wendelbohrers von der Bohrerspitze (6) zum Schaft (2) hin zumindest in einem sich an die Bohrerspitze anschließenden

Teilbereich kontinuierlich abnimmt.

2. Wendelbohrer nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

daß zumindest ein sich von der Bohrerspitze (6) in Richtung Schaft (2) erstreckender Teilbereich des zum Bohren nutzbaren und die die Schneidlänge (8) des Bohrers definierenden Bereichs des Schneidteils (3) eine Querschnittsform der Spannut 4,4' bzw. einen Krümmungsverlauf der die Innenwandung der Spannut bildenden Spanfläche 9,9' aufweist, die bzw. der im wesentlichen konstant ist.

3. Wendelbohrer nach Anspruch 2,

gekennzeichnet durch

einen Krümmungsverlauf der Spanfläche 9,9' derart, daß der für die Spanformung maßgebliche Hauptspanformbereich (34) der Spanfläche 9,9' einen Spanformradius (35) aufweist, der mit zunehmender Entfernung von der Bohrerspitze (6) zunimmt.

4. Wendelbohrer nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Verhältnis (D - D_K) : Rs einen Wert zwischen 2,7 und 4,0 hat, wobei D der Bohrerdurchmessers (23), DK der Bohrerkerndurchmesser (24) und Rs der Spanformradius (35) ist.

5. Wendelbohrer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das Verhältnis (D-Dκ): R_S zumindest über einen Teil der Schneidlänge (8) konstant ist.

6. Wendelbohrer nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß sich das Verhältnis (D - D_K) : Rs über die Schneidlänge (8) gegenüber dem im Bereich der Bohrerspitze (6) vorhandenen Wert um maximal 40% verkleinert.

7. Wendelbohrer nach einem der Ansprüche 1 -6,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Bohrerkerndurchmesser (24) in einem Bereich von 0,22 D bis 0,35 D liegt.

8. Wendelbohrer nach einem der Ansprüche 1 -7,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Verjüngung des Bohrerkerndurchmessers (24) bezogen auf 100 mm Bohrerlänge 0,2 mm bis 0,8 mm beträgt.

9. Wendelbohrer nach einem der Ansprüche 1-8,

dadurch gekennzeichnet,

daß er ein Vollhartmetallbohrer ist.