WO2009074343A1 - Gewindebohrer und verfahren zur herstellung eines gewindebohrers - Google Patents

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WO2009074343A1
WO2009074343A1 PCT/EP2008/010609 EP2008010609W WO2009074343A1 WO 2009074343 A1 WO2009074343 A1 WO 2009074343A1 EP 2008010609 W EP2008010609 W EP 2008010609W WO 2009074343 A1 WO2009074343 A1 WO 2009074343A1
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WO
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thread
teeth
curvature
tap
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PCT/EP2008/010609
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Helmut Glimpel
Thomas Berschneider
Dietmar Hechtle
Thomas Zeus
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Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
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Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23G—THREAD CUTTING; WORKING OF SCREWS, BOLT HEADS, OR NUTS, IN CONJUNCTION THEREWITH
    • B23G5/00—Thread-cutting tools; Die-heads
    • B23G5/02—Thread-cutting tools; Die-heads without means for adjustment
    • B23G5/06—Taps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23G—THREAD CUTTING; WORKING OF SCREWS, BOLT HEADS, OR NUTS, IN CONJUNCTION THEREWITH
    • B23G2210/00—Details of threads produced
    • B23G2210/28—Threads having a rounded profile
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T408/00—Cutting by use of rotating axially moving tool
    • Y10T408/89—Tool or Tool with support
    • Y10T408/904—Tool or Tool with support with pitch-stabilizing ridge
    • Y10T408/9048—Extending outwardly from tool-axis

Definitions

  • the invention relates to a tap and a method for producing a tap.
  • Taps are tools for cutting threads that are attachable at one end to a shank in a tool holder or chuck and have a working area at the other end with tapping or tapping teeth for cutting the thread into the workpiece.
  • the thread cutting teeth are spaced from each other along a spiral or helix whose pitch corresponds to the thread to be produced.
  • the thread cutting teeth are adapted to the thread profile to be produced and therefore have on the radially outermost tooth tip outer cutting or cutting head for cutting the thread root and laterally usually flank cutting for cutting thread flanks.
  • a tap usually has a gate area in which the maximum radial distance of the head cutting edges of the threading teeth from the end of the tap increases axially rearwardly linear or stepped shape, and further to the gate portion axially adjacent guide portion in which the radial distance of Head cutting of the thread teeth initially remains constant and then usually easy again decreases conically.
  • the gate length, gate diameter and gate angle different gate shapes are known for the gate area, the gate length being relevant in terms of the length of the threaded holes. There are according to DIN bleed shapes A, B, C, D and E, which differ in the number of courses in the gate, gate area and in the setting angle.
  • the initial shape A has, for example, six to eight passages in the gate area and a pitch angle of about 5 degrees, the gate angle B a number of 3.5 to 5.5 pitches in the gate area and a pitch angle of 8 degrees and the sectional shape C a number of Gears of two to three and a setting angle of 15 °.
  • the tap When tapping the tap is rotated about its longitudinal axis as a rotation axis and at the same time moved with an axial axis to the rotational advance movement in the workpiece, wherein the axial feed rate of the rotational speed and the slope is dependent.
  • Taps are used to produce internal threads in pre-machined through-holes or blind holes or blind holes, with the tapping teeth continuously engaged with the workpiece surface (continuous cut).
  • the taps between adjacent tapping teeth usually flutes, which may be straight or axial to the axis of rotation or spiral in the direction of rotation of the tap or opposite to the direction of rotation.
  • a tap can only cut in one cutting direction (clockwise or counterclockwise) and thus produce either only right-hand thread or only left-hand thread.
  • the tap When cutting or tapping, the tap cuts when screwing into the bore of the workpiece until all cutting tapping teeth engage and then the tap is braked to the maximum penetration depth. If the entire thread is cut into the workpiece, the tap is rotated by switching the direction of rotation and the axial feed direction in a backward movement one or return again from the thread produced. When rewinding, the tooth root of the thread is Drill sheared in the bore remaining chip of the subsequent cutting sheared. During the further backward movement, the chip root remaining after chip removal is further squeezed back into a gap whose size depends on the clearance angle of the tap. Subsequently, in a further backward movement under the action of sliding friction of the tap is completely unscrewed from the workpiece.
  • a material for the tap are in most cases at least as a cutting material in the cutting part or work area high-speed steels, especially HSS for normal use or HSS-E for higher stress in use, but it can also PM steels are used.
  • tapes made of hard metal are known, which cemented cemented carbides are mostly sintered or cemented, in particular tungsten carbide, optionally alloyed or mixed with metals or other metal carbides understands, where in taps, which shank and work area of hard metal
  • VHM solid carbide
  • KHM head hard metal
  • Tungsten carbide taps have advantages over high-speed steel taps due to their greater material hardness and higher pressure resistance and greater temperature stability, for example a higher rotational speed and longer tool life theoretically.
  • Carbide taps are advantageous for drilling threads in gray cast iron (GG) or aluminum.
  • GG gray cast iron
  • carbide taps in steels have a comparatively short service life, which is usually smaller than with comparable HSS or HSS-E taps. The shorter tool life of carbide taps is believed to result in tapping due to higher brittleness and lower elasticity as well as lower break strength and toughness Hard metal can break prematurely in relation to high-speed steel or be partially torn off or removed.
  • taps made of both high-speed steel and carbide are often additionally surface-treated, from simple nitriding to a modern hard coating, for example hard chromium plating, chromium nitride coating, titanium nitride, titanium carbonitride or titanium aluminum nitride.
  • a carbide tap with a tungsten carbide carrier body is alloyed with cobalt in a range from 14 to 16% by weight and with a gradient-provided wear protection layer of metal nitride, carbide, carbonitride to increase the service life , Boride and / or oxide, wherein the metal is aluminum, silicon or a transition metal of one of the Periodic Table Groups IVa, Va and VIa, as well as having an outer layer with molybdenum disulfide for reducing friction over the wear-resistant layer. It is stated that the service life in 33 HRC AISI 4340 steel was higher than for a conventional titanium nitride coated HSS tap.
  • a carbide tap is proposed for increasing the service life, having a cylindrical shank and a threaded generation region with a cut-away area provided with a wear protection layer of metal nitride, carbide, carbonitride, boride and / or oxide wherein the metal is aluminum, silicon or a transition metal of Periodic Table Groups IVa, Va and VIa and coated with another outer layer containing molybdenum disulfide.
  • the cylindrical shaft is held with a hydraulic precision holder during grinding so that the thread generating portion and the gate portion are concentric with the cylindrical shaft within a tolerance of 10 ⁇ m.
  • the cutting edges of the thread cutting teeth pointing in the cutting direction are made as sharp as possible during the grinding of taps so that a sharp and smooth cut of the thread is possible or, in other words, fillets are kept as small as possible at the cutting edges.
  • the cutting edges are also slightly rounded off.
  • the aforesaid technologically-related but undesirable rounding at the cutting edges is kept as small as possible in taps, typically below a radius of curvature of the order of magnitude of 1 ⁇ m to a maximum of 10 microns. Larger radii of curvature and thus smaller curvatures are considered by experts as wear that would make the tap not operational.
  • the invention is based on the surprising finding that with a specific and defined rounding (or: rounded or rounded design or preparation) at least a portion of the cutting edges of thread cutting teeth, at least in the field of outer cutting or cutting head, a tap the life of a tap compared to the same Taps without this rounding (or: design or preparation) can be increased, even if the thread cutting edges are made of hard metal and threads are cut in steel by the curvature of the cutting edge rounding and / or the reduction depth (or: removal depth) of the rounded cutting edge compared to Ideal wedge shape (or: to the ungrounded cutting edge) depending on at least the two parameters
  • the curvatures of the cutting edge fillets of the thread cutting teeth are at least on average larger (or correspondingly the radii of curvature smaller) selected or adjusted in the gate area, if
  • the number of thread cutting teeth in the gate area is greater, provided that the same radial clearance function and / or the same thread pitch are used
  • the reduction depths of the cutting edge fillets of the threading teeth in the gate area are at least on average selected or set smaller
  • Gate area is smaller according to the radial distance function, ter the requirement of the same number of thread cutting teeth in the gate area and / or the same thread pitch. • the thread pitch is smaller, assuming the same radial distance function and / or the same number of thread cutting teeth in the gate area.
  • a radial direction is defined as perpendicular to the tool axis through this or away from this and an axial direction is defined as extending along or parallel to the tool axis.
  • the thread pitch can be defined as the axial distance between two corresponding points of axially adjacent thread cutting teeth or intermediate gaps or as the pitch or pitch angle of the thread or the helix of the arrangement of the cutting teeth, for example according to DIN 2244.
  • the curvature of the rounded cutting edge or cutting edge is determined on a projection or cutting line or curve in a projection or cutting plane, the cutting or projection plane in particular either transversely to the cutting edge or the cutting direction containing and optionally below the pitch angle of the helix of the arrangement Thread cutting teeth or preferably in a plane perpendicular to the axis of rotation (in outer or head cutting) or in a plane parallel to the axis of rotation (flank cutting) runs.
  • the projection or cutting curve of the rounded cutting edge in the projection or cutting plane therefore runs in one direction between the rake face and the flank face.
  • the curvature or the radius of curvature can thus be measured, for example, by scanning by means of a per se known probe for determining a cutting edge rounding, wherein the cutting edge is at least partially traversed by clamping surface to free surface or vice versa and a change of the probe position is evaluated ,
  • the location on the cutting edge where the projection or cutting plane passes or intersects the cutting edge and thus the cutting edge fillet is measured or determined can be placed at different locations along the cutting edge.
  • a measurement in the middle or in the middle of the head cutting edge is preferred. If the flank cutting edges are also rounded, a measuring position is preferably placed on the flank diameter or in a middle position on the flank cutting edges.
  • the curvature of the rounded cutting edge at a measuring point then results from the second derivative of the projection or cutting curve of the cutting edge in the projection or cutting plane at this measuring point.
  • the radius of curvature at a point on the cutting edge along the projection or intersection curve is the radius of the circle of curvature at that point of the cutting edge, called the center of the circle of curvature
  • the circle of curvature and the curved projection or cut curve of the rounded cutting edge have the same tangent at this point, or the normal radius vector between the considered point and the center of curvature is perpendicular to the tangent to the curve.
  • the radius of curvature is 1 divided by the amount of
  • Curvature So if the radius of curvature is greater, the curvature is indirectly proportional to it smaller and vice versa.
  • the radius of curvature and thus the curvature is constant only in the case of a circular line or circular rounding of the cutting edge, ie it assumes only a single value.
  • the radius of curvature and curvature change along the curve, being variable and taking on more than one value.
  • the cutting roundings of the thread cutting teeth are formed, in particular, with curved cutting profile curves between rake surface and clearance surface which run in a projection plane, which is arranged in particular transversely to the cutting edge or its rake surface and free surface and / or the cutting direction and if necessary below the helix angle of the helix.
  • At least sections of circular arc or circular cutting edge rounding or cutting profile curves are provided, which thus have constant curvature.
  • the curvature at least one edge rounding or at least one cutting profile curve of the rake face to the open area increase or decrease or increase from the rake face to the free surface to a maximum and then can lose weight again.
  • the predetermined curvature of the edge rounding be provided and be provided in transition areas to the flank areas or cutting corners of the threading teeth another curvature or an edge shape practically without curvature.
  • Possible at least partial progressions of at least one cutting edge rounding or at least one cutting profile curve can be predetermined, for example, by one or more of the following functions: rational or fractionally rational nth-order function (such as polynomials or quotients of polynomials), a root or power function, an elliptic function, an exponential function or a logarithmic function, a spiral function, in particular a logarithmic or Archimedean spiral, a cycloid, or a function interpolated, in particular by Lagrangian interpolation polynomials or spline functions.
  • rational or fractionally rational nth-order function such as polynomials or quotients of polynomials
  • a root or power function such as polynomials or quotients of polynomials
  • an elliptic function such as polynomials or quotients of polynomials
  • an exponential function or a logarithmic function such as a logarithmic function
  • a spiral function
  • the curvature at the individual Gewindeschneidzähnen also depends on the considered point on the profile of the thread cutting tooth and can for example be smaller at the head cutting (radius of curvature greater) than at the edge cutting and / or the transitions between head cutting and flank cutting be smaller (radius of curvature greater) than in the head cutting, and further from the position of the thread tap in the gate area.
  • the rounding may be stronger or the curvature of the cutting edges may be smaller in the case of thread cutting teeth which are located radially further outwards, that is to say in the end region of the gate region which is located furthest away from the end of the tap, than in thread cutting teeth which lie radially further inwards , So be in the axially adjacent the end of the tap initial area of the gate area.
  • Absolute values typically result according to the invention curvature radii of the cutting edge rounding, which vary in a range of 20 .mu.m to 100 .mu.m, in particular from 25 .mu.m to 60 .mu.m, and thus far above the values considered to be maximally admissible according to the prior art.
  • these values can represent maximum values at the respective cutting edges and also become somewhat smaller along the cutting edges. But even in the corner areas or transitions between the tooth head and tooth flanks but also a smaller curvature or extensive cutting edge rounding can be realized.
  • edge roundings and in particular their radii of curvature are also dependent on the material of the workpiece into which the thread is cut and / or on the material of the tap teeth of the tap.
  • the radial spacing function of the head cutting edges in the gate area is generally monotonic, preferably strictly monotonic, increasing.
  • a function is understood that at least in sections or in stages or continuously (strictly monotonous) increases, ie the function value of the radial distance function for the maximum radial distance of a thread at a greater axial distance from the end of the tap is always greater than or equal the functional value of a tap at a smaller axial distance from the end of the tap at monotonic increase and always greater than this function value at strictly monotonic increase.
  • a preferred radial distance function for the maximum radial distance of the head cutting is a linear function or a step function or step function of the axial distance from the end of the tap.
  • the radial distance function for the maximum radial distance of the head cutting can also be curved and non-linear and, for example, from the one rational or fractional rational function nth order, a root or power function, an elliptic function, exponential function or a logarithmic function, a spiral function, in particular a logarithmic or Archimedean spiral, a cycloid, or a group of functions comprising, in particular, Lagrangian interpolation polynomials or spline functions, interpolated function.
  • the tap is preferably at least in the field of thread cutting teeth at least on the head cutting carbide or metal carbides or another, especially brittle, hard material, in particular polycrystalline diamond (PCD), cubic boron nitride (CBN), Ko round, a metal boride, in particular a magnesium boride, or a metal boride carbide, especially a magnesium boride carbide.
  • PCD polycrystalline diamond
  • CBN cubic boron nitride
  • Ko round a metal boride, in particular a magnesium boride, or a metal boride carbide, especially a magnesium boride carbide.
  • the tap designed in this way can be used in a large number of steels, in particular alloyed steels, insert steels, tempered steels, nitriding steels, cold or hot working steels, stainless, acid and / or heat-resistant steels or nickel-base alloys, but also in titanium and titanium alloys, bronzes, kneading - or cast aluminum (alloys), cast steel, copper, electro-copper, MMCs and other materials used for thread cutting.
  • steels in particular alloyed steels, insert steels, tempered steels, nitriding steels, cold or hot working steels, stainless, acid and / or heat-resistant steels or nickel-base alloys, but also in titanium and titanium alloys, bronzes, kneading - or cast aluminum (alloys), cast steel, copper, electro-copper, MMCs and other materials used for thread cutting.
  • FIG 1 shows a tap in a perspective longitudinal view
  • FIG 2 shows the tap according to FIG 1 in an end view
  • FIG. 5 shows a sketch for the construction of a cutting edge radius
  • FIG. 6 shows a cutting edge with reduction depth rounded in accordance with the invention
  • the tap 5 according to FIG. 1 to 3 has a shaft 53 with a thread cutting area 50, which adjoins a free end 55, and a square clamping area 54 for positive clamping in a tool holder or a tool chuck and turning the tap 5 about its axis of rotation A.
  • a preferred tool chuck is sold under the mark Softsynchro by the applicant feed or a feed according to EP 0 887 135 Bl.
  • the tap 5 in the thread cutting area 50 three rows of Gewindeschneidzähnen 10, each along a flute 45 for removing the abraded by the thread cutting teeth 10 during thread cutting chips at a twist angle or sospanwinkel ⁇ (see Figures 1 and 3) of For example, 45 ° are arranged. However, two or more than three flutes 45 may also be provided.
  • the entirety of the thread cutting teeth 10 is arranged along a helical arrangement under the thread pitch P and at the pitch angle ⁇ (see FIG. 3) of the thread to be produced.
  • Each thread cutting tooth 10 has a radially outwardly disposed head cutting edge 1 1 and inwardly extending lateral cutting or edge cutting 12 and 13.
  • Threading teeth 10 for a metric thread are shown by way of example, in other thread types and shapes such as e.g. Round threads or trapezoidal threads are the thread cutting teeth adapted accordingly in shape.
  • An axial coordinate in axial direction r directed away from the free end 55 of the tap toward the axis of rotation A is denoted by z and a radial coordinate extending outwards or perpendicularly from the axis of rotation or the radius is denoted by r.
  • the initial radius rl of the first effective thread cutting tooth substantially corresponds to the radius of the core hole in which the thread is to be produced.
  • the thread cutting teeth 10 in the chamfer region 51 now each work the thread over a depth corresponding to the radial distance to the front tooth and depending on .DELTA.r and the total number Z of the teeth in the gate region 51, the so-called gate teeth, further into the workpiece.
  • the total depth of the cut thread is then ⁇ r.
  • the radial distance r is a linear function of the axial coordinate z, so that a conical starting region 51 is realized.
  • the difference ri + 1-ri or increase in the radial distance r from an i-th thread cutting tooth 10 to the immediately adjacent i + l -th thread cutting tooth 10 remains substantially the same over the entire gate region 51 at a value of ⁇ r / Z, so each tooth lifts in about a chip of the same thickness.
  • the function of the radial distance r of the head cutting edges 1 1 from the axis of rotation A via the gate area 51 does not have to be a linear function, but can also follow another monotonously increasing function over the z-coordinate, so that, for example, a convexly curved gate area results an axially increasing or decreasing distance difference ri + 1 - ri and thus incorporation depth or chip thickness.
  • the gate length La and number of threads of the thread cutting area 50 in the gate area 51 is selected differently for different gate shapes, in particular the aforementioned DIN gate shapes A, B, C, D and E can be used.
  • a total number Z of gate teeth, ie thread cutting teeth 10 in the gate area 51 results from the number of flutes 45 multiplied by the number of threads.
  • the number of threads in the gating region 51 in turn depends on the gating length La and the thread pitch P, which corresponds to the axial distance between two thread cutting teeth 10 on a flute 45 or the axial path of a threading tooth after a complete revolution of the tap.
  • the thread cutting area 50 has a guide area 52 adjoining the gate area 51 axially to the axis of rotation A, in which the radial distance r of the head bits 11 of the thread cutting teeth 10 remains the same at the outside radius r ⁇ or slightly decreases, but no longer increases.
  • Taps 5 can be increased, in particular a tap made of hard metal or other brittle hard material when used especially in steels.
  • the rounding at the head cutting edge 11 is measured or determined at a central or centrally arranged measuring point Pl along the cutting profile from the rake face to the free face or vice versa in a projection plane El, for example by means of a known probe the projection plane El is directed perpendicular to the cutting edge.
  • the fillets 12 and 13 at the edge cutting edges at associated measuring points P2 and P3 by scanning the cutting profile of chip surface to the free surface in each case in a projection plane E2 or E3 perpendicular to the respective cutting edge certainly.
  • the fillets on the first threading tooth 10 with a full profile are thus determined at the end of the gate area 51 in the transition to the guide area 52, but can also be determined on other teeth (see FIG. 3).
  • FIG. 4 shows an example of a according to the invention both at the head cutting 1 1 and the flank cutting edges 12 and 13 rounded thread cutting tooth 10.
  • a in the mitt ⁇ the head cutting 1 1 considered cutting edge or cutting profile curve 20 of the rake face 21 to the free surface 22 is located.
  • the lines 31 and 32, which mark the beginning of the cutting edge rounding on the rake face 21 and / or on the free face 22, are shown.
  • the cutting edge rounding 20 extends substantially parallel over the head cutting edge 11 on the lines 31 and 32, however, that in the cutting corner regions where the head cutting edge 11 merges into the edge cutting edges 12 and 13, the cutting edge rounding becomes larger and the curvature somewhat larger is smaller, based on the there increasing distance between the two lines 31 and 32, and then in the edge cutting 12 and 13 again to remain approximately constant (again almost parallel lines 31 and 32).
  • the course of the transition lines 31 and 32 may also be different.
  • the lines 31 and 32 may also run away from each other along the flank cutting edges 12 and 13 or occupy a greater distance.
  • FIG. 5 now shows an example of a method for determining the radius of curvature for a substantially circular cutting edge rounding. Shown is a projection or a section through a wedge-shaped cutting edge 2 of a thread-cutting tooth of the rake face 21 to the free surface 22. The resulting cutting profile corresponds to the profile o- the edge of the projected cutting edge 2.
  • the radius or radial distance from the axis of rotation, not shown again denoted by r. SR is the cutting direction. It is initially based on an ideal sharp or ideal wedge-shaped cutting profile (ideal wedge shape) whose end point 20 'is drawn for an unrounded cutting edge at an outer radius r ⁇ .
  • the wedge angle of the ideal wedge-shaped cutting profile at the end point 20 ' is denoted by 2 ⁇ 3 and corresponds to the angle between the straight profile section of rake face 21 or the rake face of the ideal wedge-shaped cutting profile on the one hand and the straight profile section of the free surface 22 or the free surface of the ideal wedge-shaped cutting profile on the other ,
  • a radial rounding depth t is determined starting from the maximum outer radius r ⁇ radially inward or as a radial depth starting from the original outer radius r ⁇ .
  • a curvature circle or inner tangential circle is now applied to the rake face 21, which contacts the rake face 21 at the point Tl, which lies radially at the radius r ⁇ -t, and touches the flank 22 tangentially at the point T2 and has the center of curvature M.
  • the corresponding this curvature circle rounded from the point Tl on the rake surface 21 to the point T2 on the free surface extending cutting edge or edge rounding as a curved cutting profile curve is denoted by 20.
  • the radius of curvature R of the rounded cutting edge or edge rounding 20 can be derived for a given rake angle ⁇ 1 and predetermined clearance angle ⁇ 2 of the cutting edge 2 from the following equation as a function of the rounding depth t:
  • FIG. 6 the cutting edge according to the invention rounded according to FIG. 5 is additionally shown with a defined reduction depth or removal depth a in relation to the ideal wedge shape or unrounded cutting edge.
  • An angle bisector of the ideal wedge shape or unrounded cutting edge is denoted by WH and passes through its end point 20 ', which lies on the linear edge, at the outer radius r ⁇ .
  • the angle between the bisector WH and the straight profile section of the rake face 21 or the rake face of the ideal wedge-shaped cutting profile on the one hand and the angle between the bisector WH and the rectilinear profile section of the flank 22 or the flank of the ideal wedge-shaped cutting profile on the other hand are equal to each other and each ⁇ 3 designated.
  • the wedge angle of the ideal wedge-shaped cutting profile at the end point 20 ' is 2- ⁇ 3 and corresponds to the angle between the straight profile section of the rake face 21 or the rake face of the ideal wedge-shaped cutting profile on the one hand and the straight profile section of the flank 22 or the flank of the ideal wedge-shaped Cutting profiles on the other hand.
  • the reduction depth or depth of cut a of the rounded cutting edge is the distance, measured along the bisecting line WH of the ideal wedge shape, of the rounded cutting profile curve 20 from the end point 20 'of the ideal wedge shape.
  • the rounded cutting edge or its cutting profile curve 20 with the center of curvature M and the radius of curvature R has the reduction depth a
  • the rounded, drawn with dashed edge cutting with the minimum radius of curvature Rmin and the center of curvature Mmin has the minimum reduction depth amin
  • the rounded, drawn in broken line with the maximum radius of curvature Rmax and the center of curvature Mmax has the maximum reduction depth amax.
  • the centers of curvature Mmin, M and Mmax are all on the bisector WH.
  • the cutting profile curve 20 of the cutting edge 2 results according to FIG. 5 or FIG. 6 a circular line segment, which is most suitable for explaining the invention. But instead of circular connecting lines between the points of contact T 1 and T 2, other forms of curve may also be used in modifications, for example, in the case of curves. As ellipses, hyperbolas, parabolas, trumpet curves or curves composed of different curve sections, etc. with variable radius of curvature in the cutting edge 2 between the rake face 21 and the flank 22 in symmetrical or asymmetrical form to the bisecting WH.
  • the transition between the cutting profile curve 20 and the clamping surface 21 and the free surface 22 also need not be tangential or smooth, but can also be done under an edge or corner or the like.
  • the radius of curvature R corresponds to the product of the reduction depth a with a general function f ( ⁇ 3) of the (half) wedge angle ⁇ 3.
  • the cutting edge rounding 20 and its curvature in particular the range of values for the radius of curvature R and its limits Rmin and Rmax, and / or the reduction depth a, in particular the value range for the reduction depth a between amin and amax, are or is dependent as a function of or in particular from the following parameters:
  • the radius of curvature R and the reduction depth a of the cutting profile curve 20 are preferably dependent on at least the following three parameters
  • the radius of curvature R results from the reduction depth a by substituting (5) together with (6) or (7) in (2), (3) or (4).
  • the tapping teeth of the tap can also be provided with rounding in the outer area between thread cutting and flank cutting and also on the tooth back (back of the groove), for example for reverse cutting after reversal of the direction of rotation.
  • the thread cutting area, in particular 50 can be formed in one piece with the shank 53, for example in solid carbide design or as a separate part, with the shank 53 (VHM or KHM).
  • the tap in particular 5, can also be coated with a known hard or wear protection layer or friction reducing layer, e.g. with TiN; TiCN, TiALN, AlCrN or WC / C etc.
  • the thread cutting area, in particular 50, or at least the cutting or threading teeth 11 can also be formed from another hard material, for example polycrystalline diamond (PCD), cubic boron nitride (CBN), corundum, a metal boride, in particular magnesium boride, or a Metallboridcarbid, in particular magnesium boride carbide, or from a non-hard material such as High speed HSS high speed steel.
  • PCD polycrystalline diamond
  • CBN cubic boron nitride
  • corundum corundum
  • a metal boride in particular magnesium boride
  • a Metallboridcarbid in particular magnesium boride carbide
  • a non-hard material such as High speed HSS high speed steel.
  • a shank tolerance h6 is sufficient, but it can also be used eg h9.
  • an internal coolant and / or lubricant supply via channels in the tap may be provided, in particular with radial and / or axial outlet.

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Abstract

Gewindebohrer wobei wenigstens ein Teil der Gewindeschneidzähne des Gewindebohrers im Anschnittbereich wenigstens im Bereich der Kopf schneiden jeweils eine definierte Schneidenverrundung zwischen Spanfläche und Freifläche aufweisen, wobei die Krümmungen der Schneidenverrundungen jeweils abhängig von der Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und von der Zunahme des maximalen radialen Abstandes der Kopf schneiden der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich oder von der radialen Abstandsfunktion der Gewindeschneidzähne im Anschnittsbereich und von der Gewindesteigung gewählt sind.

Description

GEWINDEBOHRER UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES GEWINDEBOHRERS
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Gewindebohrer und ein Verfahren zur Herstellung eines Gewindebohrers.
Aus Handbuch der Gewindetechnik und Frästechnik, Herausgeber: EMUGE-
FRANKEN, Verlag: Pub/icis Corporate Publishing, Erscheinungsjahr: 2004 (ISBN v 3-89578-232-7), im Folgenden nur als "EMUGE-Handbuch" bezeichnet, sind im Kapitel 8, Seiten 181 bis 298 verschiedene Aus führungs formen von Gewindebohrern und Verfahren zum Gewindebohren bekannt.
Gewindebohrer sind Werkzeuge zum spanenden Erzeugen von Gewinden, die an einem Ende mit einem Schaft in einer Werkzeugaufnahme oder einem Spannfutter befestigbar sind und an dem anderen Ende einen Arbeitsbereich aufweisen mit Gewindeschneiden oder Gewindeschneidzähnen zum Schnei- den des Gewindes in das Werkstück. Die Gewindeschneidzähne sind voneinander beabstandet entlang einer Spirale oder Schraubenlinie angeordnet, deren Steigung dem zu erzeugenden Gewinde entspricht. Im Querschnitt senkrecht zur Schneidrichtung oder zur Schraubenlinie sind die Gewindeschneidzähne an das zu erzeugende Gewindeprofil angepasst und weisen da- her am radial am Weitesten nach außen angeordneten Zahnkopf Außenschneiden oder Kopfschneiden auf zum Schneiden des Gewindegrundes und seitlich in der Regel Flankenschneiden zum Schneiden von Gewindeflanken.
Ein Gewindebohrer weist in der Regel einen Anschnittbereich, in dem der maximale radiale Abstand der Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne von dem Ende des Gewindebohrers axial nach hinten linear oder treppenförmig zunimmt, und ferner einen an den Anschnittsbereich sich axial anschließenden Führungsbereich auf, in dem der radiale Abstand der Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne zunächst konstant bleibt und dann meist wieder leicht konisch abnimmt. Für den Anschnittbereich sind hinsichtlich dessen Anschnittlänge, Anschnittdurchmesser und Anschnittwinkel unterschiedliche Anschnittformen bekannt, wobei die Anschnittlänge hinsichtlich der Länge der Gewindelöcher relevant ist. Es gibt nach DIN Anschnittsformen A, B, C, D und E, die sich in der Anzahl der Gänge im Anschnitt, Anschnittsbereich und im Einstellwinkel unterscheiden. Die Anschnittsform A hat beispielsweise sechs bis acht Gänge im Anschnittsbereich und einen Einstellwinkel von ungefähr 5°, die Anschnittsform B eine Anzahl von 3,5 bis 5,5 Gänge im Anschnittsbereich und einen Einstellwinkel von 8° und die An- schnittsform C eine Anzahl der Gänge von zwei bis drei und einen Einstellwinkel von 15°.
Beim Gewindebohren wird der Gewindebohrer um seine Längsachse als Drehachse gedreht und gleichzeitig mit einer zur Drehachse axialen Vor- Schubbewegung in das Werkstück hineinbewegt, wobei die axiale Vorschubgeschwindigkeit von der Drehgeschwindigkeit und der Steigung abhängig ist. Mit Gewindebohrern werden Innengewinde in vorgearbeiteten Durchgangsbohrungen oder auch Sackbohrungen oder Grundlöchern erzeugt, wobei die Gewindeschneidzähne kontinuierlich in Eingriff mit der Werkstückoberflä- che sind (kontinuierlicher Schnitt). Zur Spanabfuhr weisen die Gewindebohrer zwischen benachbarten Gewindeschneidzähnen in der Regel Spannuten auf, die gerade oder axial zur Drehachse oder auch spiralig im Drehsinn des Gewindebohrers oder entgegengesetzt zum Drehsinn verlaufen können. Ein Gewindebohrer kann nur in einer Schneidrichtung (Rechtslauf oder Links- lauf) schneiden und somit entweder nur Rechtsgewinde oder nur Linksgewinde erzeugen. Beim Schneidvorgang oder Gewindebohren schneidet der Gewindebohrer beim Eindrehen in die Bohrung des Werkstücks bis zum Eingriff aller Anschnittgewindeschneidzähne an und dann wird der Gewindebohrer abgebremst bis zur maximalen Eindringtiefe. Wenn das gesamte Gewinde in das Werkstück eingeschnitten ist, wird der Gewindebohrer durch Umschalten der Drehrichtung und der axialen Vorschubrichtung in einer Rückwärtsbewegung einem oder Rücklauf wieder aus dem erzeugten Gewinde herausgedreht. Beim Rücklauf wird mit dem Zahnstegrücken des Gewin- debohrers der in der Bohrung stehen gebliebene Span der Folgeschneide abgeschert. Bei der weiteren Rückwärtsbewegung wird die nach der Spanab- scherung verbliebene Spanwurzel in einen Spalt, dessen Größe abhängig ist vom Freiwinkel des Gewindebohrers, weiter zurückgequetscht. Im Anschluss wird bei einer weiteren Rückwärtsbewegung unter der Einwirkung der Gleitreibung der Gewindebohrer ganz aus dem Werkstück herausgedreht.
Als Werkstoff für den Gewindebohrer sind in den meisten Fällen zumindest als Schneidstoff im Schneidteil oder am Arbeitsbereich Schnellarbeitsstähle, insbesondere HSS für normale Beanspruchung oder HSS-E für höhere Beanspruchung im Einsatz, es können aber auch PM-Stähle eingesetzt werden.
Ferner sind auch Gewindebohrer aus Hartmetall bekannt, wobei man unter Hartmetall meist gesinterte oder zementierte („cemented") Metallcarbide, insbesondere Wolframcarbid, gegebenenfalls legiert oder gemischt mit Metallen oder anderen Metallcarbiden, versteht, wobei man bei Gewindebohrern, bei denen Schaft und Arbeitsbereich aus Hartmetall bestehen, man von Vollhartmetall (VHM) spricht und bei Gewindebohrern, bei denen der Schneidenteil aus Hartmetall besteht und der Schaft aus Werkzeugstahl, von Kopfhartmetall (KHM). Es sind auch eingelötete, eingeschraubte oder geklemmte Hartmetallleisten mit Gewindeschneidzähnen bekannt.
Hartmetall-Gewindebohrer haben aufgrund der größeren Materialhärte und höheren Druckfestigkeit und der größeren Temperaturstabilität Vorzüge ge- genüber Gewindebohrern aus Schnellstahl, beispielsweise theoretisch eine höhere Rotationsgeschwindigkeit und höhere Standzeit. Hartmetall- Gewindebohrer sind vorteilhaft zum Bohren von Gewinden in Graugusseisen (GG) oder Aluminium im Einsatz. Jedoch haben Gewindebohrer aus Hartmetall in Stählen eine vergleichsweise geringe Standzeit, die meist klei- ner ist als bei vergleichbaren HSS- oder HSS-E-Gewindebohrern. Die geringeren Standzeiten bei Hartmetall-Gewindebohrern resultieren vermutlich daher, dass die Gewindeschneiden aufgrund der höheren Sprödigkeit und geringeren Elastizität sowie geringeren Bruchfestigkeit und Zähigkeit von Hartmetall gegenüber Schnellstahl vorzeitig brechen oder teilweise abreißen oder abgetragen werden.
Zur Erhöhung der Standzeiten und zur Verringerung des Gleitwiderstandes und der Aufschweißneigung werden Gewindebohrer sowohl aus Schnellstahl als auch aus Hartmetall oft zusätzlich oberflächenbehandelt, vom einfachen Nitrieren bis zu einer modernen Hartstoffbeschichtung, beispielsweise Hart- verchromung, Beschichtung mit Chromnitrid, Titannitrid, Titankarbonnitrid oder Titanaluminiumnitrid.
In US 7, 147,939 B2 wird zur Erhöhung der Standzeit ein Hartmetall- Gewindebohrer mit einem Trägerkörper aus Wolframcarbid legiert mit Kobalt in einem Bereich von 14 bis 16 Gew.-% und mit einer mit einem Gradienten versehenen Verschleißschutzschicht aus Metallnitrid, Karbid, Kar- bonnitrid, Borid und/oder Oxid, wobei das Metall Aluminium, Silizium oder ein Übergangsmetall aus einer der Periodensystemgruppen IVa, Va und VIa ist, sowie mit einer äußeren Schicht mit Molybdändisulfid zum Verringern von Reibung über der Verschleißschutzschicht vorgeschlagen. Es wird ausgeführt, dass die Standzeit in 33 HRC AISI 4340 Stahl höher war als bei ei- nem konventionell mit Titannitrid beschichteten HSS Gewindebohrer.
In US 7, 147,413 B2 und zugehöriger US 7,207,867 B2 wird zur Erhöhung der Standzeit ein Hartmetall-Gewindebohrer vorgeschlagen mit einem zylindrischen Schaft und einem Gewindeerzeugungsbereich mit einem An- schnittsbereich, der mit einer Verschleißschutzschicht aus Metallnitrid, Karbid, Karbonnitrid, Borid und/oder Oxid, wobei das Metall Aluminium, Silizium oder ein Übergangsmetall der Periodensystemgruppen IVa, Va und VIa ist und mit einer weiteren äußeren Schicht, die Molybdändisulfid enthält, beschichtet ist. Der zylindrische Schaft ist mit einem hydraulischen Präzisi- onshalter während des Schleifens gehalten, so dass der Gewindeerzeugungsbereich und der Anschnittsbereich konzentrisch zu dem zylindrischen Schaft innerhalb einer Toleranz von 10 μm sind. Die in Schneidrichtung zeigenden Schneidkanten der Gewindeschneidzähne werden beim Schleifen von Gewindebohrern möglichst scharf ausgebildet, damit ein scharfer und glatter Schnitt des Gewindes möglich ist, oder, mit anderen Worten, werden Verrundungen an den Schneidkanten möglichst ge- ring gehalten.
Beim Schleifen von Gewindebohreren aus Schnellstahl entstehen nun jedoch in der Regel an den Schneidkanten Grate, die zu schlechten Gewinden am Anfang der Einsatzzeit des Gewindebohrers führen. Deshalb ist bekannt, vor dem ersten Einsatz des Gewindebohrers durch einen Entgratungsvor- gang mit Bürsten oder durch Strahlschleifen oder Strahlspanen mit abrasi- vem Material oder mit einem Hochdruckwasserstrahl die Grate an den Schneiden zu entfernen. Dadurch werden die Schneidkanten des Gewindebohrers aus Schnellstahl jedoch leicht verrundet.
Bei Gewindebohrern aus Hartmetall entsteht kein Grat beim Schleifen der Gewindeschneidkanten, da Hartmetall anders zerspant und ein anderes Umformverhalten aufweist beim Schleifen als Schnellarbeitsstahl. Deshalb ist bei einem Hartmetall-Gewindebohrer auch kein Entgratungsvorgang erfor- derlich.
Wenn auf den Werkstoff des Gewindebohrers zusätzlich Hartstoffbeschich- tungen aufgebracht werden, werden die Schneidkanten ebenfalls leicht abgerundet.
Eine deutliche Verrundung entsteht dann im Einsatz des Gewindebohrers durch den Verschleiß, weshalb Gewindebohrer dann auch häufig nachgeschliffen werden, um wieder scharfe Schneidkanten herzustellen.
Gemäß dem Stand der Technik werden bei Gewindebohrern die vorgenannten technologisch bedingten, jedoch an sich unerwünschten Verrundungen an den Schneidkanten möglichst klein gehalten, typischerweise unterhalb eines Krümmungsradius in der Größenordnung von 1 μm bis maximal 10 μm. Größere Krümmungsradien und damit kleinere Krümmungen werden von der Fachwelt als Verschleiß betrachtet, der den Gewindebohrer nicht einsatzfähig machen würde.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Gewindebohrer und ein Verfahren zum Herstellen eines Gewindebohrers anzugeben, bei denen eine gute Standzeit des Gewindebohrers erreicht, auch bei Ausbildung der Gewindeschneiden aus Hartmetall.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Gewindebohrers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 28 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung beruht nun auf der überraschenden Erkenntnis, dass mit einer gezielten und definierten Verrundung (oder: abgerundeter oder verrundeter Gestaltung oder Präparation) zumindest eines Teils der Schneidkanten von Gewindeschneidzähnen, zumindest im Bereich der Außenschneiden oder Kopfschneiden, eines Gewindebohrers die Standzeit eines Gewindebohrers gegenüber demselben Gewindebohrer ohne diese Verrundung (oder: Gestaltung oder Präparation) erhöht werden kann, selbst wenn die Gewindeschneidkanten aus Hartmetall bestehen und Gewinde in Stahl geschnitten werden, indem die Krümmung der Schneidenverrundung und/oder die Reduktionstiefe (oder: Abtragtiefe) der verrundeten Schneidkante im Vergleich zur idealen Keilform (oder: zur unverrundeten Schneidkante) in Abhängigkeit von wenigstens den zwei Parametern
• Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und
• Gewindesteigung
und vorzugsweise auch noch von dem dritten Parameter • Anstieg oder Zunahme des maximalen radialen Abstandes der Außenschneiden oder Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne (oder: der gemäß dem Gewindeprofil geformten Gewindeschneiden) über den Anschnittbereich entsprechend dem Verlauf der radialen Abstands- funktion im Anschnittsbereich
gewählt werden oder wird.
Dabei werden in einer vorteilhaften Aus führungs form die Krümmungen der Schneidkantenverrundungen der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich zumindest im Mittel größer (oder entsprechend die Krümmungsradien kleiner) gewählt oder eingestellt, wenn
• die Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich größer ist, unter der Voraussetzung gleicher radialer Abstandsfunktion und/oder gleicher Gewindesteigung
• die Zunahme des maximalen radialen Abstandes über den gesamten Anschnittbereich gemäß der radialen Abstandsfunktion kleiner ist, unter der Voraussetzung gleicher Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und/oder gleicher Gewindesteigung. • die Gewindesteigung kleiner ist, unter der Voraussetzung gleicher radialer Abstandsfunktion und/oder gleicher Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich.
Ferner werden in einer vorteilhaften Aus führungs form die Reduktions tiefen der Schneidkantenverrundungen der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich zumindest im Mittel kleiner gewählt oder eingestellt, wenn
• die Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich größer ist, unter der Voraussetzung gleicher radialer Abstandsfunktion und/oder gleicher Gewindesteigung • die Zunahme des maximalen radialen Abstandes über den gesamten
Anschnittbereich gemäß der radialen Abstandsfunktion kleiner ist, un- ter der Voraussetzung gleicher Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und/oder gleicher Gewindesteigung. • die Gewindesteigung kleiner ist, unter der Voraussetzung gleicher radialer Abstandsfunktion und/oder gleicher Anzahl der Gewinde- schneidzähne im Anschnittbereich.
Eine radiale Richtung ist dabei als senkrecht zur Werkzeugachse durch diese oder von dieser weg verlaufend definiert und eine axiale Richtung ist als entlang der oder parallel zur Werkzeugachse verlaufend definiert.
Die Gewindesteigung kann als axialer Abstand zweier entsprechender Punkte axial benachbarter Gewindeschneidzähne oder Zwischenlücken oder auch als Steigung oder Steigungswinkel des Gewindes oder der Schraubenlinie der Anordnung der Schneidzähne definiert sein, beispielsweise gemäß DIN 2244.
Die Krümmung der verrundeten Schneide oder Schneidkante wird an einer Projektions- oder Schnittlinie oder -kurve in einer Projektions- oder Schnittebene bestimmt, wobei die Schnitt- oder Projektionsebene insbesondere entweder quer zur Schneidkante oder die Schneidrichtung enthaltend und gegebenenfalls unter dem Steigungswinkel der Schraubenlinie der Anordnung der Gewindeschneidzähne oder vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Drehachse (bei Außen- oder Kopfschneiden) oder in einer Ebene parallel zur Drehachse (bei Flankenschneiden) verläuft. Die Projektions- oder Schnittkurve der verrundeten Schneidkante in der Projektions- oder Schnitt- ebene verläuft somit in einer Richtung zwischen Spanfläche und Freifläche.
An einer solchen Projektions- oder Schnittkurve kann somit beispielsweise durch Abtasten mittels eines an sich bekannten Tasters zur Bestimmung einer Schneidkantenverrundung die Krümmung oder der Krümmungsradius gemessen werden, wobei die Schneidkante wenigstens teilweise abgefahren wird von Spanfläche zu Freifläche oder umgekehrt und eine Änderung der Tasterposition ausgewertet wird. Der Ort an der Schneidkante, an dem die Projektions- oder Schnittebene die Schneidkante durchläuft oder schneidet und an dem somit die Schneidkan- tenverrundung gemessen oder bestimmt wird, kann an unterschiedliche Orte entlang der Schneidkante gelegt werden. Bevorzugt ist eine Messung in der Mitte oder mittig der Kopfschneide. Wenn die Flankenschneidkanten auch verrundet werden, wird eine Messposition bevorzugt am Flankendurchmesser oder in einer mittleren Position an den Flankenschneiden gelegt. Es können aber auch mehrere Messpunkte entlang der Schneidkante vorgesehen werden und mehrere dort bestimmte Krümmungsradien oder Krümmungen verwendet werden oder auch eine Mittelung über die dort bestimmten mehreren Krümmungsradien oder Krümmungen vorgenommen werden zur Bestimmung einer mittleren Krümmung dieser Schneidkante oder dieses Schneidkantenabschnitts, beispielsweise der Kopfschneide.
Die Krümmung der verrundeten Schneidkante an einem Messpunkt ergibt sich dann aus der zweiten Ableitung der Projektions- oder Schnittkurve der Schneidkante in der Projektions- oder Schnittebene an diesem Messpunkt. Der Krümmungsradius an einem Punkt an der Schneidekante entlang der Projektions- oder Schnittkurve ist der Radius des Krümmungskreises an die- sem Punkt der Schneide, der Mittelpunkt des Krümmungskreises heißt
Krümmungsmittelpunkt. Krümmungskreis und gekrümmte Projektions- oder Schnittkurve der verrundeten Schneidkante haben in diesem Punkt die gleiche Tangente oder der Normalenradiusvektor zwischen dem betrachteten Punkt und dem Krümmungsmittelpunkt steht senkrecht auf der Tangente an die Kurve. Der Krümmungsradius ist 1 dividiert durch den Betrag der
Krümmung. Wenn also der Krümmungsradius größer ist, ist die Krümmung indirekt proportional dazu kleiner und umgekehrt. Der Krümmungsradius und damit die Krümmung ist nur bei einer Kreislinie oder kreisförmigen Verrundung der Schneidkante konstant, nimmt dort also nur einen einzigen Wert an. Bei allen anderen gekrümmten Kurven oder Verläufen verändert sich der Krümmungsradius und die Krümmung entlang der Kurve, ist also variabel und nimmt mehr als einen Wert an. Die Schneidenverrundungen der Gewindeschneidzähne sind insbesondere mit gekrümmten Schneidenprofilkurven zwischen Spanfläche und Freifläche gebildet, die in einer Projektionsebene verlaufen, die insbesondere quer zur Schneide oder zu deren Spanfläche und Freifläche und/oder die Schnittrich- tung enthaltend und gegebenenfalls unter dem Steigungswinkel der Schraubenlinie angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung sind wenigstens abschnittsweise kreisbogen- oder kreislinienförmige Schneidenverrundungen oder Schneidenprofilkurven vor- gesehen, die also konstante Krümmung aufweisen.
Es können aber auch in der Krümmung veränderliche Schneidenverrundungen oder Schneidenprofilkurven vorgesehen sein, wobei die Krümmung wenigstens eine Schneidenverrundung oder wenigstens eine Schneidenprofil- kurve von der Spanfläche zur Freifläche hin zunehmen oder abnehmen kann oder von der Spanfläche zur Freifläche bis auf ein Maximum hin zunehmen und dann wieder abnehmen kann. Ferner kann in einem zentralen Bereich der Kopfschneiden die vorgegebene Krümmung der Schneidenverrundung vorgesehen sein und in Übergangsbereichen zu den Flankenbereichen oder Schneidecken der Gewindeschneidzähne eine andere Krümmung oder auch eine Kantenform praktisch ohne Krümmung vorgesehen sein.
Mögliche wenigstens abschnittsweise Verläufe wenigstens einer Schneidenverrundung oder wenigstens einer Schneidenprofilkurve sind beispielsweise durch eine oder mehrere der folgenden Funktionen vorgebbar: rationale oder gebrochen rationale Funktion n-ter Ordnung (wie Polynome oder Quotienten von Polynomen), eine Wurzel- oder Potenzfunktion, eine elliptische Funktion, eine Exponentialfunktion oder eine logarithmische Funktion, eine Spiralfunktion, insbesondere eine logarithmische oder archimedische Spirale, eine Zykloide oder eine, insbesondere durch Lagrange'sche Interpolationspolynome oder Spline-Funktionen, interpolierte Funktion. Technologisch und abhängig vom Herstellprozess, mit dem die Verrundung erzeugt wird, hängt die Krümmung an den einzelnen Gewindeschneidzähnen auch von der betrachteten Stelle am Profil des Gewindeschneidzahnes ab und kann beispielsweise an den Kopfschneiden kleiner (Krümmungsradius größer) sein als an den Flankenschneiden und/oder an den Übergängen zwischen Kopfschneiden und Flankenschneiden kleiner sein (Krümmungsradius größer) als in den Kopfschneiden, und ferner von der Position des Gewindeschneidzahnes im Anschnittbereich. Beispielsweise kann die Verrundung stärker bzw. die Krümmung der Schneidkanten kleiner sein bei Gewinde- schneidzähnen, die radial weiter außen liegen, also im axial vom Ende des Gewindebohrers am Weitesten weg liegenden Endbereich des Anschnittbereiches angeordnet sind, als bei Gewindeschneidzähnen, die radial weiter innen liegen, also sich im axial dem Ende des Gewindebohrers benachbarten Anfangsbereich des Anschnittbereiches befinden.
In Absolutwerten ergeben sich gemäß der Erfindung typischerweise Krümmungsradien der Schneidkantenverrundung, die in einem Bereich von 20 μm bis 100 μm, insbesondere von 25 μm bis 60 μm, variieren, und damit weit über den gemäß dem Stand der Technik als maximal zulässig angesehenen Werten liegen.
Diese Werte können insbesondere Maximalwerte an den jeweiligen Schneiden darstellen und auch entlang der Schneiden wieder etwas kleiner werden. Gerade in den Eckbereichen oder Übergängen zwischen Zahnkopf und Zahnflanken kann aber auch eine kleinere Krümmung oder großflächigere Schneidenverrundung realisiert sein.
Die Schneidenverrundungen und insbesondere ihre Krümmungsradien sind auch abhängig vom Werkstoff des Werkstücks, in den das Gewinde geschnit- ten wird, und/oder vom Werkstoff der Gewindeschneidzähne des Gewindebohrers. Die radiale Abstandsfunktion der Kopfschneiden im Anschnittsbereich (o- der: die axiale Zunahme des maximalen radialen Abstandes der Kopfschneiden) ist im Allgemeinen monoton, vorzugsweise streng monoton, wachsend. Unter monoton zunehmend wird eine Funktion verstanden, die zumindest abschnittsweise oder in Stufen oder auch kontinuierlich (streng monoton) zunimmt, d.h. der Funktionswert der radialen Abstandsfunktion für den maximalen radialen Abstand einer Gewindeschneide bei einem größeren axialen Abstand vom Ende des Gewindebohrers ist immer größer oder gleich dem Funktionswert einer Gewindeschneide bei einem kleineren axialen Abstand vom Ende des Gewindebohrers bei monotoner Zunahme und immer größer als dieser Funktionswert bei streng monotoner Zunahme.
Eine bevorzugte radiale Abstandsfunktion für den maximalen radialen Abstand der Kopfschneiden ist eine lineare Funktion oder auch eine Stufen- funktion oder Treppenfunktion des axialen Abstandes vom Ende des Gewindebohrers. Die radiale Abstandsfunktion für den maximalen radialen Abstand der Kopfschneiden kann aber auch gekrümmt und nicht-linear verlaufen und beispielsweise aus der eine rationale oder gebrochen rationale Funktion n-ter Ordnung, eine Wurzel- oder Potenzfunktion, eine elliptische Funktion, Exponentialfunktion oder eine logarithmische Funktion, eine Spiralfunktion, insbesondere eine logarithmische oder archimedische Spirale, eine Zykloide oder eine, insbesondere durch Lagrangesche Interpolationspolynome oder Spline-Funktionen, interpolierte Funktion umfassenden Gruppe von Funktionen ausgewählt sein.
Der Gewindebohrer besteht bevorzugt zumindest im Bereich der Gewindeschneidzähne wenigstens an den Kopfschneiden aus Hartmetall oder Metall- carbiden oder aus einem anderen, insbesondere spröden, Hartstoff, insbesondere polykristallinem Diamant (PKD), kubischem Bornitrid (CBN), Ko- rund, einem Metallborid, insbesondere einem Magnesiumborid, oder einem Metallboridcarbid, insbesondere einem Magnesiumboridcarbid. Aufgrund der definierten Schneidenverrundung werden die auf die Gewindeschneidzähne und deren Schneiden, insbesondere Kopfschneiden wirkenden Kräfte und Belastungen beim Schneiden aber insbesondere auch beim Rücklauf über die Spanwurzel, die bei Hartmetall nicht so gut durch eine Elastizi- tat des Materials des Gewindebohrers ausgeglichen werden können wie bei Schnellarbeitsstahl, dennoch so weit reduziert, dass eine deutliche Standzeiterhöhung insbesondere bis zum Faktor 10 festgestellt werden konnte, gerade auch in langspanenden zähen Werkstoffen wie Stahl. Der derart gestaltete Gewindebohrer kann in einer Vielzahl von Stählen, insbesondere legierten Stählen, Einsatzstählen, Vergütungsstählen, Nitrierstählen, Kalt- oder Warm arbeitsstählen, Rost-, säure- und/oder hitzebeständigen Stählen oder Nickelbasislegierungen, jedoch auch in Titan und Titanlegierungen, Bronzen, Knet- oder Gußaluminium(legierungen), Stahlguß, Kupfer, Elektrokupfer, MMCs und weiteren Werkstoffen zum Gewindeschneiden eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert, dabei wird auch auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren
FIG 1 ein Gewindebohrer in einer perspektivischen Längsansicht, FIG 2 den Gewindebohrer gemäß FIG 1 in einer Stirnansicht,
FIG 3 ein Teilbereich des Gewindebohrers gemäß FIG 1 mit dem Anschnittbereich,
FIG 4 ein Gewindeschneidzahn in perspektivischer Ansicht,
FIG 5 eine Skizze zur Konstruktion eines Schneidkantenradius und FIG 6 eine gemäß der Erfindung verrundete Schneidkante mit Reduktionstiefe
jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den FIG 1 bis 6 mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der Gewindebohrer 5 gemäß FIG 1 bis 3 weist einen Schaft 53 auf mit einem Gewindeschneidbereich 50, der sich an ein freies Ende 55 anschließt, und einem Vierkant-Einspannbereich 54 zum formschlüssigen Einspannen in eine Werkzeugaufnahme oder ein Werkzeugfutter und Drehen des Gewindebohrers 5 um seine Drehachse A. Ein bevorzugtes Werkzeugfutter ist ein unter der Marke Softsynchro von der Anmelderin vertriebenes Futter oder auch ein Futter gemäß EP 0 887 135 Bl .
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Gewindebohrer 5 im Gewindeschneidbereich 50 drei Reihen von Gewindeschneidzähnen 10 auf, die jeweils entlang einer Spannut 45 zum Abführen der von den Gewindeschneidzähnen 10 beim Gewindeschneiden abgetragenen Späne unter einem Drall- winkel oder Seitenspanwinkel ε (siehe FIG 1 und 3) von beispielsweise 45° angeordnet sind. Es können aber auch zwei oder mehr als drei Spannuten 45 vorgesehen sein. Die Gesamtheit der Gewindeschneidzähne 10 ist entlang einer spiralförmigen Anordnung unter der Gewindesteigung P und unter dem Steigungswinkel δ (siehe FIG 3) des zu erzeugenden Gewindes angeordnet.
Jeder Gewindeschneidzahn 10 weist eine radial außen angeordnete Kopfschneide 1 1 und nach innen verlaufende seitliche Schneiden oder Flankenschneiden 12 und 13 auf. Dargestellt sind exemplarisch Gewindeschneidzähne 10 für ein metrisches Gewinde, bei anderen Gewindearten und -formen wie z.B. Rundgewinden oder Trapezgewinden sind die Gewindeschneidzähne entsprechend in ihrer Gestalt angepasst.
Eine axiale Koordinate in zur Drehachse A von dem freien Ende 55 des Gewindebohrers weg gerichteter axialer Richtung r ist mit z und eine dazu oder senkrechte von der Drehachse nach außen verlaufende radiale Koordinate oder der Radius ist mit r bezeichnet. An das freie Ende 55, an dem beispielsweise eine Zentrierspitze angeordnet ist, schließt sich axial zunächst ein Bereich an, der bei Eingriff des Gewindebohrers in die Bohrung oder das Kernloch im Werkstück nicht in das Werkstück einschneidet (Toleranzbe- reich). Ab einem Anschnittbeginn bei dem axialen Wert z = 0 beginnt nun ein Anschnittbereich 51 , ab dem die Gewindeschneidzähne 10 dann in das Werkstück sukzessive einschneiden also wirksam werden. Der radiale Abstand r oder die radiale Abstandfunktion r(z) der Kopfschneiden 11 der Ge- windeschneidzähne 10 nimmt dabei in zur Drehachse A axialer Richtung z vom Anschnittbeginn bei z = 0 kontinuierlich von einem Anfangsradius rl = r (0) bei z = 0 auf einen maximalen Außenradius rθ = r (aθ) bei dem axialen Abstand z = zθ am Ende des Anschnittbereichs 51 über die axialen An- schnittlänge La = zθ - 0 = zθ des Anschnittsbereichs 51 (siehe FIG 3) zu, d.h. um die Gesamtdifferenz Δr = rθ - rl . Der Anfangsradius rl des ersten wirksamen Gewindeschneidzahnes entspricht dabei im Wesentlichen dem Radius des Kernloches, in dem das Gewinde zu erzeugen ist. Die Gewindeschneidzähne 10 im Anschnittbereich 51 arbeiten nun jeweils das Gewinde über eine Tiefe, die dem radialen Abstand zum Vorderzahn entspricht und abhängig von Δr und der Gesamtzahl Z der Zähne im Anschnittbereich 51 , der sogenannten Anschnittzähne, ist, weiter in das Werkstück ein. Die Gesamttiefe des eingeschnittenen Gewindeganges ist dann Δr.
Im in FIG 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der radiale Abstand r eine lineare Funktion der axialen Koordinate z, so dass ein kegelförmiger Anschnittsbereich 51 verwirklicht ist. Dadurch ergibt sich, dass die Differenz ri+ 1 - ri oder Zunahme des radialen Abstandes r von einem i-ten Gewindeschneidzahn 10 zum unmittelbar benachbarten i+ l -ten Gewinde- schneidzahn 10 über den gesamten Anschnittbereich 51 im Wesentlichen gleich bleibt bei einem Wert von Δr / Z, also jeder Zahn in etwa einen Span gleicher Dicke abhebt. Die Funktion des radialen Abstandes r der Kopfschneiden 1 1 von der Drehachse A über den Anschnittbereich 51 muss aber keine lineare Funktion sein, sondern kann auch einer anderen monoton wachsenden Funktion über der z-Koordinate folgen, so dass sich beispielsweise ein konvex gekrümmter Anschnittsbereich ergibt mit einer axial zunehmenden oder abnehmenden Abstandsdifferenz ri+ 1 - ri und damit Einarbeitungstiefe oder Spandicke.
Die Anschnittslänge La und Zahl der Gewindegänge des Gewindeschneidbereiches 50 im Anschnittsbereich 51 wird bei verschiedenen Anschnittsformen unterschiedlich gewählt, wobei insbesondere die eingangs erwähnten DIN Anschnittsformen A, B, C, D und E zum Einsatz kommen können. Abhängig von der Zahl der Gewindeschneidzähne 10 über den Umfang verteilt, die im Allgemeinen der Zahl der Spannuten 45 entspricht, ergibt sich eine Gesamtzahl Z von Anschnittzähnen, d.h. Gewindeschneidzähnen 10 im Anschnittsbereich 51 , aus der Zahl der Spannuten 45 multipliziert mit der Zahl der Gewindegänge. Die Zahl der Gewindegänge im Anschnittbereich 51 wiederum ist abhängig von der Anschnittlänge La und der Gewindesteigung P, die dem axialen Abstand zweier Gewindeschneidzähne 10 an einer Spannut 45 oder den axialen Weg eines Gewindeschneidzahnes nach einem vollständigem Umlauf des Gewindebohrers entspricht.
Ferner weist der Gewindeschneidbereich 50 einen sich an den Anschnittbereich 51 axial zur Drehachse A anschließenden Führungsbereich 52 auf, in dem der radiale Abstand r der Kopfschneiden 1 1 der Gewindeschneidzähne 10 gleich bleibt bei dem Außenradius rθ oder auch wieder leicht abnimmt, jedoch nicht mehr zunimmt.
Es wird nun gemäß der Erfindung an den Kopfschneiden 1 1 und vorzugsweise auch an den Flankenschneiden 12 und 13 der Gewindeschneidzähne 10 zumindest im Anschnittsbereich 51 , vorzugsweise auch im Führungsbereich 52, eine definierte Verrundung vorgenommen, mit der die Standzeit eines
Gewindebohrers 5 erhöht werden kann, insbesondere eines Gewindebohrers aus Hartmetall oder einem anderen spröden Hartstoff beim Einsatz insbesondere in Stählen.
Wie in FIG 3 näher zu erkennen, wird die Verrundung an den Kopfschneiden 11 an einem mittleren oder zentral angeordneten Messpunkt Pl entlang dem Schneidenprofil von der Spanfläche zu der Freifläche oder umgekehrt in einer Projektionsebene El beispielsweise mittels eines an sich bekannten Tasters gemessen oder bestimmt, wobei die Projektionsebene El senkrecht zur Schneidkante gerichtet ist. Entsprechend werden die Verrundungen an den Flankenschneiden 12 und 13 an zugehörigen Messpunkten P2 und P3 durch Abtasten des Schneidenprofils von Spanfläche zur Freifläche jeweils in einer Projektionsebene E2 bzw. E3 senkrecht zur jeweiligen Schneidkante bestimmt. Es werden vorzugsweise die Verrundungen am ersten Gewindeschneidzahn 10 mit vollem Profil also am Ende des Anschnittsbereichs 51 im Übergang zum Führungsbereich 52 bestimmt, können aber auch an anderen Zähnen bestimmt werden (vergleiche FIG 3).
FIG 4 zeigt ein Beispiel eines gemäß der Erfindung sowohl an den Kopfschneiden 1 1 als auch den Flankenschneiden 12 und 13 verrundeten Gewindeschneidzahnes 10. Eine in der Mittς der Kopfschneide 1 1 betrachtete Schneidenverrundung oder Schneidenprofilkurve 20 von der Spanfläche 21 zur Freifläche 22 ist eingezeichnet. Ferner sind die Linien 31 und 32, die den Beginn der Schneidenverrundung an der Spanfläche 21 bzw. an der Freifläche 22 markieren eingezeichnet. Man erkennt, dass die Schneidenverrundung 20 sich im Wesentlichen parallel über die Kopfschneide 11 erstreckt anhand der Linien 31 und 32, jedoch, dass in den Schneideckenbereichen, wo die Kopfschneide 11 in die Flankenschneiden 12 und 13 übergeht, die Schneidenverrundung größer wird und die Krümmung etwas kleiner ist, anhand des dort zunehmenden Abstandes der beiden Linien 31 und 32, um dann in den Flankenschneiden 12 und 13 wieder annähernd konstant zu bleiben (wieder fast parallele Linien 31 und 32). Der Verlauf der Übergangslinien 31 und 32 kann aber auch anders sein. Beispielsweise können die Linien 31 und 32 nach unten entlang der Flankenschneiden 12 und 13 auch voneinander weglaufen oder einen größeren Abstand einnehmen.
FIG 5 zeigt nun ein Beispiel eines Verfahrens zur Bestimmung des Krüm- mungsradius für eine im Wesentlichen kreisförmige Schneidkantenverrun- dung. Dargestellt ist eine Projektion oder ein Schnitt durch eine keilförmige Schneide 2 eines Gewindeschneidzahnes von deren Spanfläche 21 zu deren Freifläche 22. Das sich ergebende Schneidenprofil entspricht dem Profil o- der Rand der projizierten Schneide 2. Der Radius oder radiale Abstand von der nicht gezeigten Drehachse ist wieder mit r bezeichnet. SR ist die Schnittrichtung. Es wird zunächst ausgegangen von einem ideal scharfen oder ideal keilförmigen Schneidenprofil (ideale Keilform), dessen Endpunkt 20' für eine un- verrundete Schneidkante eingezeichnet ist bei einem Außenradius rθ. Der Keilwinkel des ideal keilförmigen Schneidenprofils bei dem Endpunkt 20' ist mit 2 γ3 bezeichnet und entspricht dem Winkel zwischen dem geradlinigen Profilabschnitt der Spanfläche 21 oder der Spanfläche des ideal keilförmigen Schneidenprofils einerseits und dem geradlinigen Profilabschnitt der Freifläche 22 oder der Freifläche des ideal keilförmigen Schneidenprofils andererseits.
Es wird nun eine radiale Verrundungstiefe t ausgehend vom maximalen Außenradius rθ radial nach innen oder als radiale Tiefe ausgehend vom ursprünglichen Außenradius rθ festgelegt.
An dieser Verrundungstiefe t wird nun an die Spanfläche 21 ein Krümmungskreis oder innerer Tangentialkreis angelegt, der die Spanfläche 21 im Punkt Tl berührt, der radial beim Radius rθ - t liegt, und die Freifläche 22 tangential im Punkt T2 berührt und den Krümmungsmittelpunkt M aufweist. Die entsprechende diesem Krümmungskreis verrundete von dem Punkt Tl an der Spanfläche 21 zum Punkt T2 an der Freifläche verlaufende Schneidkante oder Schneidenverrundung als gekrümmte Schneidenprofilkurve ist mit 20 bezeichnet.
Der Krümmungsradius R der verrundeten Schneidkante oder Schneidenver- rundung 20 ist bei vorgegebenem Spanwinkel γl und vorgegebenem Freiwinkel γ2 der Schneide 2 aus der folgenden Gleichung als Funktion der Verrundungstiefe t herleitbar:
R = t • tan (0,5-(90°- γl - γ2)) / cos γl (1)
Nun wird die Verrundungstiefe t zwischen einem minimalen Wert tmin und einem maximalen Wert tmax variierend eingestellt. Daraus ergibt sich ein Wertebereich für den Krümmungsradius R der verrundeten Schneidkante oder Schneidenverrundung 20 zwischen Rmin = R (tmin) und Rmax — R(tmax). Der maximale Krümmungskreis mit dem maximalen Krümmungsradius Rmax und dem Krümmungsmittelpunkt Mmax und den Berührpunkten Tlmax an der Spanfläche 21 bei der Tiefe rθ - tmax und T2max an der Freifläche 22 einerseits und der minimale Krümmungskreis mit dem minimalen Krümmungsradius Rmin und dem Krümmungsmittelpunkt Mmin und den Berührpunkten Tlmin an der Spanfläche 21 bei rθ - tmin und T2min an der Freifläche 22 sind gestrichelt eingezeichnet.
Es ergibt sich also ein Wertebereich von Rmin bis Rmax für den an der verrundeten Schneidkante oder Schneidenverrundung 20 einstellbaren Krümmungsradius R.
In FIG 6 ist nun die erfindungsgemäß verrundete Schneidkante gemäß FIG 5 zusätzlich mit einer definierten Reduktionstiefe oder Abtragtiefe a gegenüber der idealen Keilform oder unverrundeten Schneidkante dargestellt.
Eine Winkelhalbierende der idealen Keilform oder unverrundete Schneidkante ist mit WH bezeichnet und verläuft durch deren Endpunkt 20', der auf der linienförmigen Kante liegt, beim Außenradius rθ. Der Winkel zwischen der Winkelhalbierenden WH und dem geradlinigen Profilabschnitt der Spanfläche 21 oder der Spanfläche des ideal keilförmigen Schneidenprofils einerseits und der Winkel zwischen der Winkelhalbierenden WH und dem geradlinigen Profilabschnitt der Freifläche 22 oder der Freifläche des ideal keilförmigen Schneidenprofils andererseits sind gleich zueinander und jeweils mit γ3 bezeichnet. Der Keilwinkel des ideal keilförmigen Schneidenprofils bei dem Endpunkt 20' ist entsprechend 2-γ3 und entspricht dem Winkel zwischen dem geradlinigen Profilabschnitt der Spanfläche 21 oder der Spanfläche des ideal keilförmigen Schneidenprofils einerseits und dem geradlinigen Pro- filabschnitt der Freifläche 22 oder der Freifläche des ideal keilförmigen Schneidenprofils andererseits. Die Reduktionstiefe oder Abtragtiefe a der verrundeten Schneides ist der entlang der Winkelhalbierenden WH der idealen Keilform gemessene Abstand der verrundeten Schneidenprofilkurve 20 von dem Endpunkt 20' der idealen Keilform.
Die verrundete Schneide bzw. deren Schneidenprofilkurve 20 mit dem Krümmungsmittelpunkt M und dem Krümmungsradius R hat die Reduktionstiefe a, die verrundete, gestrichelt eingezeichnete Schneide mit den minimalen Krümmungsradius Rmin und dem Krümmungsmittelpunkt Mmin hat die minimale Reduktionstiefe amin und die verrundete, gestrichelt eingezeichnete Schneide mit dem maximalen Krümmungsradius Rmax und dem Krümmungsmittelpunkt Mmax hat die maximale Reduktionstiefe amax. Es gilt also amin ≤ a ≤ amax. Die Krümmungsmittelpunkte Mmin, M und Mmax liegen alle auf der Winkelhalbierenden WH.
Zwischen dem Krümmungsradius R und der Reduktionstiefe a sowie dem halben Keilwinkel γ3 der idealen Keilform kann für den dargestellten Fall einer kreislinienförmigen Schneide 20 folgende Beziehung hergestellt werden:
R = a • (tan2 γ3 + tan γ3 / cos γ3) (2)
Bei der Kopfschneide 1 1 ist
γ3 = (90° - γl - γ2) / 2
mit dem Spanwinkel γl und dem Freiwinkel γ2.
Bei den hinteren Flankenschneiden 13 der Gewindeschneidzähne 10 ist
γ3 = (90° + ε + δ) / 2
und bei den vorderen Flankenschneiden 12 der Gewindeschneidzähne 10 γ3 = (90° - ε - δ) / 2
mit dem Drallwinkel ε und dem Steigungswinkel δ.
Die Schneidenprofilkurve 20 der Schneide 2 ergibt gemäß FIG 5 oder FIG 6 ein Kreisliniensegment, was zur Erläuterung der Erfindung am Besten geeignet ist. Man kann aber anstelle von kreisförmigen Verbindungslinien zwischen den Berührpunkten Tl und T2 in Abwandlungen auch andere Kurven- formen, z. B. Ellipsen, Hyperbeln, Parabeln, Trompetenkurven oder aus verschiedenen Kurvenabschnitten zusammengesetzte Kurven, etc. mit variablem Krümmungsradius in die Schneide 2 zwischen die Spanfläche 21 und die Freifläche 22 in symmetrischer oder asymmetrischer Form zur Winkelhalbierenden WH legen. Der Übergang zwischen der Schneidenprofilkurve 20 und der Spanfläche 21 sowie Freifläche 22 muss auch nicht tangential oder glatt sein, sondern kann auch unter einer Kante oder Ecke oder ähnlich erfolgen.
Bei einer anderen Funktion oder Geometrie der Schneidenprofilkurve 20 als der vorgenannten Kreisform ergibt sich ein anderer Zusammenhang zwi- sehen dem dann nicht mehr konstanten Krümmungsradius R und Reduktionstiefe a sowie halbem Keilwinkel γ3, der allgemein durch folgende allgemeinere Beziehung beschrieben werden kann :
R = R (a, Y3) (3)
In den meisten Fällen kann jedoch eine einfachere Beziehung
R = a - f (γ3) (4)
verwendet werden, bei der also der Krümmungsradius R dem Produkt aus der Reduktionstiefe a mit einer allgemeinen Funktion f (γ3) des (halben) Keilwinkels γ3 entspricht. Die Schneidenverrundung 20 und deren Krümmung, insbesondere der Wertebereich für den Krümmungsradius R und dessen Grenzen Rmin und Rmax, und/oder die Reduktionstiefe a, insbesondere der Wertebereich für die Reduktionstiefe a zwischen amin und amax, sind bzw. ist als Funktion von oder abhängig insbesondere von den folgenden Parametern:
• Anschnittform
• Anschnittdurchmesser
• Gewindedurchmesser
• Gewindesteigungswinkel δ oder der Gewindesteigung P • Spannutenzahl
• Seitenspanwinkel oder Drallwinkel ε
• Spanwinkel
• Freiwinkel
• zu bearbeitender Werkstoff • Werkstoff der Gewindeschneidzähne gewählt.
Bevorzugt werden der Krümmungsradius R und die Reduktionstiefe a der Schneidenprofilkurve 20 abhängig zumindest von den folgenden drei Para- metern
• Anstieg oder Zunahme des maximalen radialen Abstandes der Außenschneiden oder Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne (oder: der gemäß dem Gewindeprofil geformten Gewindeschneiden) über den Anschnittbereich entsprechend dem Verlauf der radialen Abstands- funktion r(z) im Anschnittsbereich, im dargestellten Ausführungsbeispiel also von r (0) bei z = 0 bis rθ = r(zθ) bei z = zθ mit der Differenz Δr= rθ - rl oder gleichbedeutend der Anschnittlänge La bei vorgegebenem Anschnitt- oder Anschnittkegelwinkel
• Anzahl Z der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und • Gewindesteigung P oder Gewindesteigungswinkel δ gewählt.
Es wird nun gemäß der Erfindung folgender empirisch gefundener (linearer) Zusammenhang für die Reduktionstiefe a in Abhängigkeit von der Gewinde- Steigung P und Zahl Z der Anschnittzähne herangezogen:
a = C • P / Z (5)
mit der reellen Zahl oder Konstanten C, die erfindungsgemäß aus dem fol- genden Intervall gewählt ist
0,0075 < C < 0,7383 (6)
vorzugsweise aus dem Intervall
0,0664 < C < 0,3692 (7).
In der Konstanten C gemäß (4) und (5) oder (4) und (6) ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die Abhängigkeit der Reduktionstiefe a vom radia- len Anstieg Δr im Anschnittbereich 51 berücksichtigt, denn Δr ist hier proportional zur Gewindesteigung P.
Bei einer komplizierteren radialen Abstandsfunktion r(z) kann sich noch eine weitere Abhängigkeit der Reduktionstiefe a vom Radius r(z) ergeben.
Der Krümmungsradius R ergibt sich aus der Reduktionstiefe a durch Einsetzen von (5) zusammen mit (6) oder (7) in (2), (3) oder (4).
Die Gewindeschneidzähne des Gewindebohrers können auch mit Verrun- düngen im Außenbereich zwischen Gewindekopfschneiden und Flankenschneiden und auch am Zahnrücken (Rückseite der Nut) versehen sein, beispielsweise für Rückwärtsschnitt nach Drehrichtungsumkehr. Der Gewindeschneidbereich, insbesondere 50, kann einstückig mit dem Schaft 53 ausgebildet sein, z.B. in VHM-Ausführung oder auch als gesondertes Teil mit dem Schaft 53 verbunden werden (VHM oder KHM). Ferner können auch vorgefertigte Teile mit Gewindeschneidzähnen, z.B. 10 in Form von Leisten oder ähnlich an den Schaft 53 angebracht, insbesondere angelötet, geklemmt oder angeschraubt werden.
Der Gewindebohrer, insbesondere 5, kann ferner mit einer an sich bekannten Hartschicht oder Verschleißschutzschicht oder reibungsvermindernden Schicht beschichtet werden, z.B. mit TiN; TiCN, TiALN, AlCrN oder WC/C usw.
Ferner können der Gewindeschneidbereich, insbesondere 50, oder zumindest die Schneiden oder Gewindeschneidzähne 11 auch aus einem anderen Hart- stoff gebildet sein, beispielsweise polykristallinem Diamant (PKD), kubischem Bornitrid (CBN), Korund, einem Metallborid, insbesondere Magnesi- umborid, oder einem Metallboridcarbid, insbesondere Magnesiumboridcar- bid, oder auch aus einem Nichthartstoff wie z.B. Hochleistungsschnellar- beitsstahl HSS.
Beim Gewindebohrer gemäß der Erfindung genügt eine Schafttoleranz h6, es kann aber auch z.B. h9 verwendet werden. Ferner kann eine interne Kühl- und/oder Schmiermittelzufuhr über Kanäle im Gewindebohrer vorgesehen sein, insbesondere mit radialem und/oder axialem Austritt.
Bezugszeichenliste
2 Schneide
5 Gewindebohrer
10 Gewindeschneidzahn
1 1 Kopfschneide
12, 12 Flankenschneide
20 Schneidenverrundung
20' unverrundete Schneidkante
21 Spanfläche
22 Freifläche
45 Spannut
50 Gewindeschneidbereich
51 Anschnittbereich
52 Führungsbereich
53 Schaft
54 Vierkant
55 Ende
A Drehachse r radialer Abstand rθ Außenradius
SR Schnittrichtung
P Gewindesteigung
La Anschnittlänge
El , E2, E3 Projektionsebene
Pl , P2, P3 Messort t, tmin, ttnax Verrundungs tiefe
M, Mmin, Mmax Krümmungsmittelpunkt
R, Rmin, Rmax Krümmungsradius
Tl , T2 Berührpunkt
Tl min, T2min Berührpunkt
Tl max, T2max Berührpunkt e Seitenspanwinkel γi Spanwinkel
Y2 Freiwinkel
Y3 halber Keilwinkel a, atnin, amax Reduktionstiefe
W Winkelhalbierende

Claims

Patentansprüche
1. Gewindebohrer, a) der um eine Drehachse drehbar ist und b) einer Anzahl von Gewindeschneidzähnen aufweist, die jeweils eine radial außenliegende Kopfschneide aufweisen und in einer die Drehachse spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Anordnung mit einer vorgegebenen Gewindesteigung zueinander versetzt angeordnet sind, c) wobei in einem sich an ein Ende des Gewindebohrers axial zur Drehach- se anschließenden Anschnittbereich der maximale radiale Abstand der
Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne von der Drehachse mit steigendem axialem Abstand der Kopfschneiden von einem Ende des Gewindebohrers gemäß einer vorgegebenen radialen Abstandsfunktion zunimmt, d) wobei radial als senkrecht zur Drehachse und axial als entlang der oder parallel zur Drehachse definiert sind, e) wobei wenigstens ein Teil der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich wenigstens im Bereich der Kopfschneiden jeweils eine definierte Schneidenverrundung zwischen Spanfläche und Freifläche aufweisen, wobei die Krümmungen der Schneidenverrundungen und/oder Reduktionstiefen der Schneidverrundungen im Vergleich zur idealen Keilform (20') oder zur unverrundeten Schneidkante jeweils abhängig el) von der Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und e2) von der Gewindesteigung gewählt sind.
2. Gewindebohrer nach Anspruch 1 , bei dem die Krümmungen der Schneidenverrundungen und/oder Reduktionstiefen der Schneidverrundungen im Vergleich zur idealen Keilform (20') oder zur unverrundeten Schneidkante jeweils abhängig von der Zunahme des maximalen radialen
Abstandes der Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich oder von der radialen Abstandsfunktion der Gewindeschneidzähne im Anschnittsbereich gewählt sind.
3. Gewindebohrer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Krümmungsradien der Schneidenverrundungen und/oder die Reduktionstiefen der Schneidverrundungen der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich jeweils zumindest im Mittel kleiner sind, wenn, bei gleicher Ge- windesteigung und/oder bei gleicher radialer Abstandsfunktion, die Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich größer ist.
4. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Krümmungsradien der Schneidenverrundungen und/oder die Redukti- onstiefen der Schneidverrundungen der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich jeweils zumindest im Mittel kleiner sind, wenn, bei gleicher Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und/oder bei gleicher Gewindesteigung, die Zunahme des maximalen radialen Abstandes über den gesamten Anschnittbereich gemäß der radialen Ab- Standsfunktion kleiner ist.
5. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Krümmungsradien der Schneidenverrundungen und/oder die Reduktionstiefen der Schneidverrundungen der Gewindeschneidzähne im An- Schnittbereich zumindest im Mittel kleiner sind, wenn, bei gleicher radialer Abstandsfunktion und/oder bei gleicher Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich, die Gewindesteigung kleiner ist.
6. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Abstandsfunktion der Gewindeschneiden im Anschnittsbereich monoton, vorzugsweise streng monoton, wachsend ist und/oder bei dem die radiale Abstandsfunktion für den maximalen radialen Abstand der Kopfschneiden eine lineare Funktion oder eine Stufen- oder Treppenfunktion des axialen Abstandes vom Ende des Gewindebohrers ist.
7. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die radiale Abstandsfunktion für den maximalen radialen Abstand der Kopfschneiden aus der eine rationale oder gebrochen rationale Funktion n-ter Ordnung, insbesondere ein Polynom n-ter Ordnung, eine Wurzel- oder Potenzfunktion, eine Exponentialfunktion oder eine logarithmische
Funktion, eine Spiralfunktion, insbesondere eine logarithmische oder archimedische Spirale, oder eine, insbesondere durch Lagrangesche Interpolationspolynome oder Spline-Funktionen, interpolierte Funktion umfassenden Gruppe von Funktionen ausgewählt ist.
8. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem axial auf den Anschnittbereich folgenden Führungsbereich, in den sich die Anordnung der Gewindeschneidzähne fortsetzt und in dem der maximale radiale Abstand der Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne mit steigendem axialem Abstand von einem Ende des Gewindebohrers nicht mehr zunimmt, insbesondere gleich bleibt und anschließend wieder leicht abnimmt.
9. Gewindebohrer nach Anspruch 8, bei dem wenigstens ein Teil der Ge- windeschneidzähne im Führungsbereich wenigstens im Bereich der
Kopfschneiden jeweils eine definierte Schneidenverrundung aufweisen, wobei vorzugsweise die Krümmungen der Schneidenverrundungen und/oder die Reduktionstiefen der Schneidverrundungen jeweils abhängig von der Gewindesteigung gewählt sind.
10. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Krümmungsradien der Schneidenverrundungen innerhalb eines Bereichs von 2 μm bis 200 μm, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 18 μm bis 100 μm oder von 5 μm bis 60 μm, variierbar sind oder liegen.
11. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schneidenverrundungen der Gewindeschneidzähne mit gekrümmten Schneidenprofilkurven zwischen Spanfläche und Freifläche gebildet sind.
12. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Schneidenverrundung oder wenigstens eine Schneidenprofilkurve wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen entlang einem Krümmungskreis oder kreisbogenförmig verläuft oder eine(n) wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen konstante(n) Krümmung oder Krümmungsradius aufweist.
13. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Schneidenverrundung oder wenigstens eine Schneiden- profilkurve wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen einen nicht- kreisbogenförmigen Verlauf hat, insbesondere gemäß einer rationalen oder gebrochen rationalen Funktion n-ter Ordnung, insbesondere eines Polynoms n-ter Ordnung, einer Wurzel- oder Potenzfunktion, einer Exponentialfunktion oder logarithmischen Funktion, einer Spiralfunktion, insbesondere einer logarithmischen oder archimedischen Spirale, oder einer, insbesondere durch Lagrangesche Interpolationspolynome oder Spline-Funktionen, interpolierten Funktion, oder bei dem wenigstens eine Schneidenverrundung oder wenigstens eine Schneidenprofilkurve eine(n) wenigstens abschnittsweise im Wesentli- chen veränderliche(n) oder nicht-konstante(n) Krümmung oder Krümmungsradius aufweist.
14. Gewindebohrer nach Anspruch 13, bei dem die Krümmung wenigstens eine Schneidenverrundung oder wenigstens eine Schneidenprofilkurve von der Spanfläche zur Freifläche hin zunimmt oder abnimmt.
15. Gewindebohrer nach Anspruch 13, bei dem die Krümmung wenigstens eine Schneidenverrundung oder wenigstens eine Schneidenprofilkurve von der Spanfläche zur Freifläche hin zunimmt bis auf ein Maximum und dann wieder abnimmt.
16. Gewindebohrer nach Anspruch 13, bei dem die Krümmung wenigstens eine Schneidenverrundung oder wenigstens eine Schneidenprofilkurve von der Spanfläche zur Freifläche hin abnimmt bis auf ein Minimum und dann wieder zunimmt oder bei dem in einem zentralen Bereich der Kopf schneiden die vorgegebene Krümmung der Schneidenverrundung vorgesehen ist und in Übergangsbereichen zu den Flankenbereichen oder Schneidecken der Gewindeschneidzähne eine andere Krümmung oder auch eine Kantenform praktisch ohne Krümmung vorgesehen ist.
17. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen die Schneidenverrundung in die Spanfläche und/oder die Freifläche der entsprechenden Schneide tangential oder stetig differenzierbar oder glatt übergeht.
18. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Krümmung oder wenigstens ein Krümmungsradius der Schneidenverrundung in einem vorgegebenen Werteintervall liegt, das abhängig von einer Verrundungstiefe (t) bestimmt ist.
19. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Krümmungen der Schneidenverrundungen oder Schneidenprofilkurven und/oder die Reduktionstiefen der Schneidverrundungen abhängig vom Gewindedurchmesser sind.
20. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Krümmungen der Schneidenverrundungen oder Schneidenprofilkurven und/oder die Reduktionstiefen der Schneidverrundungen abhängig vom Spanwinkel der Spanfläche und/oder vom Freiwinkel der Freifläche und/oder vom Keilwinkel der idealen Keilform und/oder vom Seiten- spanwinkel der Schneiden sind.
21. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Krümmungen der Schneidenverrundungen oder Schneidenprofilkurven und/oder die Reduktionstiefen der Schneidverrundungen abhängig vom Werkstoff, in dem das Gewinde zu erzeugen ist, und/oder vom Werk- stoff der Gewindeschneidzähne und/oder dessen Zustand wie Gefüge und/oder Härte sind.
22. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens zwei Spannuten, die parallel oder axial zur Drehachse verlaufen o- der die Drehachse mit einem variablen oder konstanten Drallwinkel umlaufen, wobei an jeder Spannut jeweils wenigstens ein und vorzugsweise mehrere axial versetzte Gewindeschneidzähne angeordnet sind, wobei die Krümmungen der Schneidenverrundungen oder Schneidenprofilkurven und/oder die Reduktionstiefen der Schneidverrundungen jeweils ab- hängig von der Zahl der Spannuten und/oder von dem Drallwinkel der
Spannuten gewählt sind.
23. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Krümmungsradien der Schneidenverrundungen wenigstens eines Teils der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich wenigstens im Bereich deren Kopfschneiden gemäß der Beziehung
R = f (γ3) ■ C ■ P / Z
und/oder die Reduktionstiefen der Schneidenverrundungen wenigstens eines Teils der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich wenigstens im Bereich deren Kopfschneiden gemäß der Beziehung
a = C • P / Z
gewählt sind, wobei R der Krümmungsradius, 2γ3 der Keilwinkel, f (γ3) eine Funktion des Keilwinkels 2γ3, P die Gewindesteigung und Z die Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich sind und C eine reelle Zahl ist mit
0,0075 < C < 0,7383.
24. Gewindebohrer nach Anspruch 23, bei dem für die reelle Zahl C gilt
0,0664 < C < 0,3692.
25. Gewindebohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest die Gewindeschneidzähne wenigstens an den Kopfschneiden aus einem Hartmetall oder Metallcarbiden oder aus einem anderen, ins- besondere spröden, Hartstoff gebildet sind, insbesondere polykristallinem Diamant (PKD), kubischem Bornitrid (CBN), Korund, einem Me- tallborid, insbesondere einem Magnesiumborid, oder einem Metallborid- carbid, insbesondere einem Magnesiumboridcarbid.
26. Satz von Gewindebohrern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gewindebohrer sich in der Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und/oder in der Zunahme des maximalen radialen Abstandes der Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich oder von der radialen Abstandsfunktion der Gewinde- schneidzähne im Anschnittsbereich und/oder in der Gewindesteigung unterscheiden und sich bei den unterschiedlichen Gewindebohrern abhängig von dem oder den genannten Parametern, die Krümmungen der Schneidkantenverrundungen wenigstens eines Teil der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich wenigstens im Bereich der Kopfschneiden unterscheiden.
27. Verwendung eines Gewindebohrers nach einem der Ansprüche 1 bis 25 oder eines Satzes von Gewindebohrern nach Anspruch 26 zum Erzeugen von Gewinden in einem Werkstück aus einem Stahl.
28. Verfahren zum Herstellen von Gewindebohrern, die um eine Drehachse drehbar sind, bei dem a) für jeden Gewindebohrer eine zugehörige Anzahl von Gewindeschneidzähnen erzeugt wird, die jeweils eine radial außenliegende Kopfschneide aufweisen und in einer die Drehachse spiralförmig oder schraubenförmig umlaufenden Anordnung mit einer vorgegebenen Gewindesteigung zueinander versetzt angeordnet sind, erzeugt wird c) wobei in einem sich an ein Ende des Gewindebohrers axial zur Drehachse anschließenden Anschnittbereich der maximale radiale Abstand der Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne von der Drehachse mit stei- gendem axialem Abstand der Kopfschneiden von einem Ende des Gewindebohrers gemäß einer vorgegebenen radialen Abstandsfunktion zunimmt, d) wobei radial als senkrecht zur Drehachse und axial als entlang der oder parallel zur Drehachse definiert sind, e) wobei wenigstens ein Teil der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich wenigstens im Bereich der Kopfschneiden mit jeweils einer Schneidkantenverrundung mit definierter Krümmung versehen oder erzeugt werden, wobei die Krümmungen der Schneidkantenverrundungen und/oder die Reduk- tionstiefen der verrundeten Schneidkanten im Vergleich zur idealen Keilform oder unverrundeten Schneidkante jeweils el) von der Anzahl der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich und e2) von der Gewindesteigung und e3) vorzugsweise auch von der Zunahme des maximalen radialen Abstandes der Kopfschneiden der Gewindeschneidzähne im Anschnittbereich oder von der radialen Abstandsfunktion der Gewindeschneidzähne im Anschnittsbereich des jeweiligen Gewindebohrers abhängig gewählt oder eingestellt werden.
29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Gewindeschneidzähne mit noch unverrundeten Schneidkanten durch Schleifen erzeugt werden.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, bei dem zum Verrunden der Schneidkanten der Gewindeschneidzähne ein mechanisches Feinabtragsverfahren, insbesondere ein Strahlschleif- oder Strahlspanverfahren mit abrasivem Material, ein Bürstverfahren oder ein Hochdruckwasserstrahlverfahren, eingesetzt wird.
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