HEIL, Thomas (Udo-Müller-Ring 67, Bruchköbel, 63486, DE)
SCHWEIGHÖFER, Günter (Am Hain 79, Büdingen, 63654, DE)
HEIL, Thomas (Udo-Müller-Ring 67, Bruchköbel, 63486, DE)
| PATENTANSPRüCHE
1. Tieflochbohrer(I O) mit einem Schaft (1 ) und einem Schneidteil (2), welches aus einem Spannutenabschnitt (4) und einer Schneidspitze (3) besteht, wobei der Spannutenab- schnitt (4) schraubenförmig umlaufende Spannuten (5) aufweist, die durch entsprechend schraubenförmig umlaufende Stege (6) voneinander getrennt sind, und wobei an der Schneidspitze mindestens eine stirnseitige Schneidkante (11 ) angeordnet ist, welche einen Nennradius (R) des Bohrers definiert, wobei die axiale Länge (L) des Schneidteils (2) mindestens das Zwanzigfache des Nennradius (R) beträgt, und wobei der Radius (r1 ) des Spannutenabschnitts (4) über den größten Teil seiner Länge kleiner ist als der
Nennradius, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (6) des Spannutenabschnitts entlang ihrer Umfangsflächen an mindestens einer axialen Position eine im wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Stützrippe (7) aufweisen, wobei die radial äußerste Fläche der Stützrippe einen Radius (r2) definiert, der mindestens in dem axial an die Stützrippe (7) angrenzenden Bereich größer ist als der Radius (r1 ) des Spannutenabschnitts.
2. Tieflochbohrer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r2) der Stützrippe (7) größer ist als der maximale Radius (r1 ) des Spannutenabschnitts (4) mit Ausnahme eines unmittelbar an die Schneidspitze (3) angrenzenden Bereichs (9).
3. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannutenabschnitt (4), ausgehend von einem maximalen Radius (R) am übergang von der Schneidspitze (1 ), sich in dem Bereich (9) in Richtung des Schaftes unter einer kleinen Steigung von 1 μm bis 8 μm pro mm axialer Länge konisch verjüngt.
4. Tieflochbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der konisch verjüngte Bereich (9) des Spannutenabschnitts sich über eine axiale Länge zwischen dem Einfachen und dem Sechzehnfachen des Nennradius (R) erstreckt.
5 Tieflochbohrer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r1 ) des Spannutenabschnitts in dem axial hinter der konischen Verjüngung liegenden Abschnitt bis zum Schaft (1 ) ganz oder überwiegend konstant ist.
6. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r1 ) des Spannutenabschnitts (4) um mindestens 0,5% kleiner ist als der Nennradius (R).
7. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r2) der Stützrippe um höchstens 0,5% kleiner ist als der Nennradius (R).
8. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß entlang des Spannutenabschnitts (4) mehrere Stützrippen (7) in axialer Richtung beabstandet und vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet sind.
9. Tieflochbohrer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt zwischen benachbarten Stützrippen zwischen dem Zweifachen und dem 16fachen des Nennradi- us (R) liegt.
10. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen eine Breite zischen 0,1 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,6 und 1 ,2 mm haben.
1 1. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen eine radiale Dicke haben, die zwischen 0,5% und 3% des Nennradius (R) liegt.
12. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen (7) als im Bereich der Spannuten (5) unterbrochene, und ansonsten umlaufende Stützringe ausgebildet sind.
13. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen (7) als im Bereich der Spannuten (5) und der Stege mit Ausnahme der Bereiche von Rundfasen (8) unterbrochene, und ansonsten umlaufende Stützringe ausgebildet sind
14. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Stützrippen Teile von Zylinderflächen oder leicht konischen Flächen bilden und jeweils in etwa dieselbe Länge und dieselbe Breite haben.
15. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen (7, T) mit den Stegen (6) bzw. Rundfasen (8, 8') des Spannutenabschnitts (4) einstückig ausgebildet sind. 16, Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen (7, T) auf die Stege (6) bzw. die Rundfasen (8, 8') des Spannutenabschnitts (4) nachträglich aufgebrachte Elemente sind.
17. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen (7, 7)eine die Gleiteigenschaften und/oder das Schleißverhalten verbessernde Beschichtung aufweisen.
18. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützrippen entlang ihrer in Umfangsrichtung verlaufenden Kanten und/oder der parallel zu den Spannuten verlaufenden Kanten angefast sind.
19. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Schneidteils (2) mindestens das Vierzigfache, vorzugsweise mindestens das Fünfzigfache des Nennradius (R) beträgt.
20. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Nennradius (R) des Bohrers zwischen 0,5 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 5 mm beträgt.
21 Tieflochbohrer nach Anspruch 13 oder einem der darauf rückbezogenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rundfasen (8) nicht nur im Bereich von Nebenschneidkanten sondern auch in Umfangsrichtung zu den Nebenschneidkanten versetzt auf den Umfangsflächen der Stege (6) ausgebildet sind.
22. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrer aus Vollhartmetall hergestellt ist.
23. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrer einen auswechselbaren Spitzenabschnitt aufweist, dessen axiale Länge weniger als 4R beträgt
24. Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrer einen Nennradius zwischen 5 und 20 mm hat 25 Tieflochbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrer mindestens eine durch den Schaft (1 ) und den Spannutenabschnitt (4) bzw. durch die Stege (6) verlaufende Bohrung zur Durchführung eines Kühlmittels aufweist.
26 Verfahren zur Herstellung eines Tieflochbohrers nach einem der Ansprüche 1 bis 25, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
a) Herstellen eines Rohlings mit einem Schaft (1 ) und einem Schneidteil (2) bestehend aus einem in etwa zylindrischen oder leicht konischen Spannutenabschnitt (4), und einer konischen Spitze 3, wobei der Spannutenabschnitt (4), gegebenenfalls mit Ausnahme eines kurzen an die Spitze angrenzenden Bereichs (9) über den überwiegenden Teil seiner Länge einen gegenüber dem maximalen Radius (Nennradius R) der Spitze geringfügig reduzierten Radius hat,
b) Herstellen einer Bohrerkontur mit einem über die überwiegende Länge des Spannutenabschnittes gegenüber dem Nennradius weiter verringerten Radius
c) Herstellen mindestens einer schraubenförmig umlaufenden Spannut (5) und Ausbilden der Bohrerspitze,
d) Vorsehen von mindestens kurzen Abschnitten (7, T) ringförmig umlaufender Stützrippen, wobei der Radius der Umfangsoberflächen der ringförmigen Abschnitte dem ursprünglichen Radius des Rohlings an der jeweiligen axialen Position entspricht, indem entweder
d1 ) in Schritt (b) ringförmigen Abschnitten oder Teilen ringförmiger Abschnitte (7, T) von der Radiusreduzierung ausgenommen werden , oder d2) in Schritt (d) abschnittsweise Stützrippen auf die Stge und/oder Rundfasen des Bohrers aufgebracht werden.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) ein sich in Richtung Schaft (1 ) konisch verjüngender Bereich (9), der von einem Bereich mit maximalen Radius (Nennradius R) am übergang zur Bohrerspitze (3) ausgeht.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet dass der Rohling vor Schritt (b) oder optional in Schritt (b) nach dem anfänglichen Herstellen des sich konisch verjüngenden Bereiches (9) mit einem harten, verschleißfesten Material beschichtet wird. |
Tieflochbohrer mit Stützring und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tieflochbohrer mit einem Schaft und einem Schneidteil, welches aus einem Spannutenabschnitt und einer Schneidspitze besteht, wobei der Spannutenabschnitt schraubenförmig umlaufende Spannuten aufweist, die durch entsprechend schraubenförmig umlaufende Stege voneinander getrennt sind, und wobei an der Schneidspit- ze mindestens eine stirnseitige Schneidkante angeordnet ist, welche einen Nennradius des Bohrers definiert, wobei die axiale Länge des Schneidteils mindestens das Zwanzigfache des Nennradius beträgt, und wobei der Radius des Spannutenabschnitts über den größten Teil seiner Länge kleiner ist als der Nennradius.
Ein entsprechender Tieflochbohrer ist beispielsweise aus der DE 10 2005 005 982 bekannt.
Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Tieflochbohrers.
Wie der Name bereits zum Ausdruck bringt, dienen Tieflochbohrer dazu, besonders lange bzw. tiefe Bohrungen herzustellen, d.h. Bohrungen, die im Verhältnis zu ihrem Durchmesser sehr tief sind und deren Länge typischerweise mindestens das Zwanzigfache des Radius bzw. mindestens das Zehnfache des Durchmessers beträgt. Beim Herstellen von im Verhältnis zum Durchmesser derart tiefen Bohrungen treten zusätzliche Probleme auf, die bei sogenannten Kurz- lochbohrern nicht bekannt sind und dort auch keine Rolle spielen. Ein großes Problem ist insbesondere der Spantransport, da die Späne allein durch die schraubenförmig umlaufenden Nuten in Richtung des Nutenauslaufs am übergang zum Schaft transportiert werden müssen, wobei sie diesem Transport über die große Länge des Schneidteils hinweg einen erheblichen Reibungswiderstand entgegensetzen und wobei dieser Transport, wenn der Bohrer vertikal von oben in ein Werkstück eintaucht, entgegen der Schwerkraft erfolgen muß.
Ein üblicher Ansatz zur Vermeidung eines Spänestaus in den Spannuten besteht darin, Tieflochbohrer mit möglichst großen Spannutquerschnitten herzustellen. Dies ist aber zwangsweise mit einer Reduzierung des Kerndurchmessers und/oder auch einer Reduzierung des Stegquer- Schnittes verknüpft, wobei die Stege die die Spannuten voneinander trennenden Elemente des Spannutenabschnitts sind. Darüber hinaus versucht man auch zu vermeiden, daß die Umfangs- flächen der Stege bzw. entsprechender Rundfasen auf den Stegen mit der Bohrlochwand in Kontakt geraten, weil auf diese Weise zusätzliche Reibung entsteht, die proportional zu der
Eingriffslänge der Stege in dem Bohrloch ist, so daß diese Reibung besonders bei sehr langen und tiefen Bohrlöchern kritische Werte annehmen kann, was die Bohrleistung vermindert und unter Umständen auch zum Bruch des Bohrers führen kann.
Aus diesem Grund wird bei derartigen Bohrern auch der Radius der Stege bzw. der Rundfasen auf den Stegen reduziert, so daß die Umfangsflächen der Stege bzw. der Rundfasen zu der Bohrlochwand einen gewissen kleinen Abstand einhalten, während dieser Durchmesser der Bohrlochwand durch mindestens eine oder zwei Schneidkanten bzw. Schneidecken an der Spitze des Tieflochbohrers definiert wird.
Als Rundfasen bezeichnet man dabei die in Rotationsrichtung des Bohrers vorderen Bereiche der Stege am übergang zu den Spannuten, die eventuell Nebenschneidkanten definieren und gegenüber welchen die in Rotationsrichtung nachfolgenden Umfangsflächen der Stege oftmals ohnehin schon im Radius reduziert sind. Bei manchen Bohrern können derartige Rundfasen, die in diesem Zusammenhang mitunter auch kurz als „Fasen" bezeichnet werden, auch im Abstand hinter den Nebenschneidkanten auf der Umfangsfläche der Stege verlaufen. Sie folgen dabei in der Regel dem schraubenförmigen Pfad, der durch die Stege und Spannuten vorgegeben ist. Sofern solche Rundfasen vorhanden sind, definieren sie demnach den äußeren Radius des Bohrers im Spannutenabschnitt.
Alle oben erwähnten Maßnahmen reduzieren den Gesamtquerschnitt des Materials im Spannutenabschnitt und reduzieren damit auch die Stabilität, die Biegesteifigkeit und schließlich auch die Bruchfestigkeit des Bohrers. Zwar sind in jüngerer Zeit immer bessere und widerstandsfähigere Materialien, insbesondere verbesserte Hartmetall-Legierungen bzw. Sintermetalle und - Keramiken für Schaft und Schneidteil entwickelt worden, gleichzeitig sind jedoch auch die Anforderungen hinsichtlich einer effizienten Herstellung tiefer Bohrungen gestiegen, so daß es nach wie vor schwierig ist, die widerstreitenden Anforderungen an Tieflochbohrer, d.h. einerseits eine hohe Bohrleistung, gute Bohrlochqualität und eine ausreichende Stabilität, und andererseits guten Spantransport und damit große Spannutenquerschnitte, sowie geringe Reibung an den Bohrlochwänden, gleichzeitig zu erfüllen. Dabei hat sich herausgestellt, daß insbesondere bei sehr dünnen und langen Bohrern mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 10, insbesondere bei Bohrern mit kleinem Nenndurchmesser von zum Beispiel weniger als 10 mm oder gar weniger als 5 mm, der Spannutenabschnitt bei hohen Drehzahlen zu Schwingungen im Bohrloch neigt, da die Biegesteifigkeit mit zunehmender Länge und immer geringer werdenden Querschnitten und Durchmessern entsprechend abnimmt. Dies führt dazu, daß insbesondere Bohrer mit kleinen Nennradien und großen Länge-zu-Durchmesser- Verhältnissen eine verringerte Bohrleistung (zum Beispiel wegen einer zur Vermeidung starker
Schwingungen notwendigen Herabsetzung der Drehzahl) haben, wobei auch die Bohrlochqualität reduziert sein kann und die Bohrer unter Umständen auch stärker bruchgefährdet sind.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Tiefloch- bohrer zu schaffen, der bei geringer Reibung im Bohrloch eine verbesserte Bohrleistung aufweist und weniger leicht zu Schwingungen und/oder schwingungsinduzierten Zusatzbelastungen neigt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Stege bzw. Rundfasen des Spannutenabschnitts entlang ihrer Umfangsflächen an mindestens einer axialen Position eine sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckende Stützrippe aufweisen, wobei die radial äußere Fläche der Stützrippe einen Radius definiert, der größer ist als der Radius des Spannutenabschnitts in dem bzw. den axial an die Stützrippe angrenzenden Bereich(en).
Anders gesprochen weist der Steg bzw. weisen die Stege bzw. die Rundfasen des Spannutenabschnitts an mindestens einer axialen Position einen lokal verdickten Bereich auf, d.h. einen Bereich mit etwas größerem Radius als es dem gegenüber dem Nennradius verkleinerten Radius der Stege und/oder Rundfasen in dem Spannutenabschnitt ansonsten entspricht. Dieser Abschnitt ist als Stützrippe ausgebildet, d.h. es ist ein axial relativ kurzer oder schmaler Ab- schnitt, der sich im wesentlichen in Umfangsrichtung auf der Außenfläche bzw. Umfangsfläche des Stegs oder einer Rundfase erstreckt. Da Rundfasen in Umfangsrichtung gemessen eine deutlich geringere Breite haben als die Stege, sind die auf Rundfasen angeordneten Stützrippen ebenfalls in Umfangsrichtung recht kurz, d. h. Ihre Länge in Umfangsrichtung entspricht maximal der Breite der Rundfasen. Die äußere Umfangsoberfläche der einen oder mehreren Stützrippen auf der (den) Rundfase(n) definiert wiederum einen Radius, der größer ist als der Radius des Spannutenabschnittes im übrigen, jedoch immer noch kleiner ist als der Nennradius des Bohrers, jedoch dem Nennradius nahezu beliebig nahe kommen kann. Dies gilt allerdings nur ab einem gewissen Abstand von der Bohrerspitze, wo der Radius bzw. Durchmesser des Spannutenabschnittes bereits entsprechend reduziert ist, beispielsweise ab einem Abstand von 4R von der Bohrerspitze, wobei R der Nennradius ist.
Diese Stützrippe sorgt aber dafür, daß, sobald der die Stützrippe aufweisende Abschnitt des Tieflochbohrers sich innerhalb des Bohrlochs befindet, die möglichen Schwingungsamplituden des Spannutenabschnitts in diesem Bereich automatisch reduziert werden, da der Abstand zwi- sehen Stützrippe und Bohrlochwand deutlich kleiner ist als der Abstand bzw. Spalt zwischen den übrigen Abschnitten der Umfangsflächen der Stege bzw. Rundfasen und der Bohrloch-
wand. Da gleichzeitig diese Stützrippe nur eine relativ kleine Oberfläche aufweist, kann die dadurch zusätzlich entstehende Reibung vernachlässigt werden.
Es versteht sich, daß eine entsprechende Stützrippe nur dort erforderlich ist, wo der Spannu- tenabschnitt über einen hinreichend langen axialen Bereich einen deutlich kleineren Radius als das Bohrloch hat, da nur dort der Spannutenabschnitt eine entsprechende, störende Schwingungsamplitude erreichen kann. Etwaige Bereiche des Spannutenabschnitts, die einen größeren Durchmesser haben, benötigen eine entsprechende Stützrippe nicht.
Die Stützrippen sind zweckmäßigerweise über den verjüngten Bereich des Spannutenabschnittes in axialer Richtung im wesentlichen gleichmäßig verteilt. Eine Stützrippe an nur einer axialen Position (die in Umfangsrichtung aus mehreren getrennten Abschnitten bestehen kann) ist demnach vorzugsweise in etwa in der Mitte zwischen der Schneidspitze und dem Spannuten- auslauf (der sich am Schaftende befindet) angeordnet. Mehrere Stützrippen an verschiedenen axialen Positionen sind vorzugsweise über die Länge des Spannutenabschnittes äquidistant und mit dem entsprechenden Abstand auch zum Spannutenauslauf bzw. zur Schneidspitze über die axiale Länge des Spannutenabschnittes gleichmäßig verteilt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Radius der Stützrippe größer als der maxi- male Radius des Spannutenabschnitts insgesamt, jedoch mit Ausnahme eines unmittelbar an die Schneidspitze angrenzenden Bereichs. Da der übergang von der Schneidspitze zu dem Spannutenabschnitt üblicherweise durch die den Nennradius des Bohrers bestimmende Schneidecke definiert wird, hat der Spannutenabschnitt im unmittelbaren Anschluß an diese Schneidecke zunächst noch einen etwas größeren Durchmesser, der typischerweise entweder konstant diesen maximalen Wert hat, oder entlang eines sich konisch leicht verjüngenden Bereichs abnimmt. Vorzugsweise verjüngt sich der Spannutenabschnitt, ausgehend von einem maximalen Radius am übergang von der Schneidspitze, unter einer geringen Steigung von 0, 1 bis 0,8 μm pro mm axialer Länge, wobei diese konische Verjüngung aber auch erst wenige mm hinter der Schneidecke am übergang von Schneidspitze zu Spannutenabschnitt beginnen kann, um den Nennradius des Bohrers auch nach einem etwaigen Nachschleifen exakt zu erhalten.
Die axiale Länge des sich konisch verjüngenden Bereichs des Spannutenabschnitts hängt unter anderem von dem Konuswinkel (der sich aus der oben erwähnten Steigung ergibt) und der an- gestrebten Durchmesserdifferenz zwischen Spannutenabschnitt und Nenndurchmesser in dem axial weiter zurückliegenden Bereich des Spannutenabschnitts ab. Typischerweise erstreckt sich der konisch verjüngte Bereich des Spannutenabschnitts über eine axiale Länge, die zwi-
schen dem Einfachen und dem 16-fachen des Bohrerradius liegt. Die effektive Verjüngung über den Bereich des konischen Abschnittes hinweg beträgt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei 0,2% bis 6% des Nennradius, dh. der kleinste Radius am axial hinteren Ende des konischen Abschnittes ist zwischen 0,2 % und 6 % kleiner als der Nennradius, wobei die kleine- ren Prozentwerte eher bei größeren Nennradien auftreten während die größeren relativen Radiusdifferenzen eher bei den kleineren Nennradien Anwendung finden. In absoluten Zahlen schwanken die Radiusdifferenzen zwischen Nennradius und kleinstem Radius am Ende des sich konisch verjüngenden Abschnittes in dem Bereich von 5 μm bis 1 mm, bevorzugt im Bereich von mindestens 20 μm bis maximal 200 μm. In diesem konischen Abschnitt kann man auf Stützrippen verzichten, obwohl sie auch dort, insbesondere bei entsprechender Länge des konischen Abschnittes von z. B. mehr als dem Zehnfachen des Nennradius, vorgesehen werden könnten.
In dem dahinter liegenden Abschnitt ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- düng vorgesehen, daß der Radius des Spannutenabschnitts bis zum Schaft ganz oder überwiegend konstant bleibt. Gemäß einer Ausführungsform kann allerdings der Spannutenabschnitt sich in Richtung des Schafts auch wieder leicht konisch aufweiten oder weiter verjüngen, bleibt jedoch geringer als der Nennradius.
Der Radius des Spannutenabschnitts ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um mindestens 0,5% kleiner als der Nennradius des Bohrers, er kann insbesondere aber auch 1 bis 3% kleiner sein als der Nennradius.
Andererseits liegt jedoch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung auch darin, daß der Radius des Spannutenabschnitts im Vergleich zu entsprechenden Tieflochbohrern ohne Stützrippen etwas größer sein kann als es nach dem aktuellen Stand der Technik zur Verringerung der Bohrlochkontakte und der entsprechenden Reibung üblich war, da aufgrund der Stützrippen auch bei kleiner Durchmesserdifferenz zwischen den Umfangsflächen der Stege und der Bohrlochwand nicht mehr die Gefahr besteht, daß größere Teile dieser Umfangsflächen mit der Bohrlochwand in Kontakt kommen und erhebliche Reibung verursachen. Die Stützrippen hingegen kommen sehr leicht mit der Bohrlochwand in Berührung, weisen jedoch nur eine sehr kleine Oberfläche und damit geringe Reibung auf.
Der Radius der Stützrippe ist gemäß einer Ausführungsform um höchstens 1 %, bevorzugt um höchstens 0,2 % kleiner als der Nennradius des Bohrers, was bedeutet, daß etwaige Schwingungsamplituden des Spannutenabschnitts auf diesen Wert (höchstens 1 % bzw. höchstens 0,2 % des Nennradius) beschränkt werden, wodurch die Belastung des Bohrers aufgrund von
Schwingungen erheblich reduziert wird. In absoluten Zahlen sollten die Stützrippen einen um höchstens 100μm, besser höchstens 10μm kleineren Radius haben als es dem Nennradius des Bohrers entspricht.
Zweckmäßigerweise sind entlang des Spannutenabschnitts mehrere Stützrippen beabstandet voneinander angeordnet und vorzugsweise haben benachbarte Stützrippen jeweils den gleichen Abstand zueinander. Dieser Abstand kann beispielsweise zwischen dem Zweifachen und dem 16-fachen des Nennradius liegen, was aber auch vom absoluten Nenndurchmesser bzw. Nennradius des Bohrers abhängen kann. Bei Bohrern mit sehr kleinem Durchmesser wird man tendenziell den Abstand der Stützrippen ebenfalls etwas reduzieren, während man bei Bohrern mit großem Nenndurchmesser womöglich nur eine oder jedenfalls sehr wenige Stützrippen benötigt. Im allgemeinen reicht ein Abstand vom Zehnfachen des Nennradius zwischen benachbarten Stützrippen aus.
Vorzugsweise haben die Stützrippen eine (in axialer Richtung gemessene) Breite zwischen 0,1 und 5 mm, insbesondere zwischen 0,5 und 1 ,2 mm. Diese geringe Breite der Stützrippen stellt sicher, daß auch nur entsprechend geringe Reibungskräfte auftreten, wenn diese Stützrippen mit der Bohrlochwand in Kontakt kommen. Die radiale Dicke der Stützrippen ist entsprechend der Radiusdifferenz zwischen Umfangsflächen der Stege und Bohrlochwand bzw. Nennradius so gewählt, dass ihre Umfangsoberfläche zwar einen größeren Radius aufweist als die Stege bzw. die Rundfasen der Stege, jedoch kleiner bleibt als der Nennradius. Die Dicke der Stützrippen liegt damit typischerweise zwischen etwa 0,3 % und 3% des Nennradius, wobei jedoch ü- berschreitungen und Unterschreitungen dieser Grenzwerte nicht zwingend ausgeschlossen sind.
Die Länge der Stützrippen entspricht der Umfangslänge der jeweiligen Stege oder Rundfasen und liegt zum Beispiel zwischen 1 % und 40%, bevorzugt zwischen 2 % und 8 % des Bohrerum- fangs bzw. Umfangs des Bohrloches mit Nennradius, wobei eine Stützrippe bei einer gegebenen axialen Position aus mehreren über den Umfang verteilten Abschnitten bestehen kann.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Stützrippen als im Bereich der Spannuten unterbrochene, ansonsten aber umlaufende Stützringe ausgebildet, insbesondere aus ursprünglich in einer Ebene senkrecht zur Bohrerachse umlaufenden Stützringen hergestellt. Insbesondere bei Bohrern mit mehreren Spannuten und dementsprechend mehreren Stegen liegen also die Stützrip- pen auf den verschiedenen Stegen jeweils in gleichen axialen Positionen. Die äußeren Umfangsoberflächen der Stützrippen liegen vorzugsweise auf einer gemeinsamen Zylinderoder Konusoberfläche und haben damit in einer gegebenen axialen Position jeweils einen
konstanten Außenradius und vorzugsweise auch jeweils dieselbe Länge (in Umfangsrichtung) und dieselbe Breite (in Axialrichtung).
Bevorzugt ist allerdings eine Variante, bei welcher die Stützrippen jeweils nur auf den Rundfa- sen eines solchen Tieflochbohrers vorgesehen sind. Diese sind in Umfangsrichtung entsprechend kürzer und haben eine entsprechend geringe Reibung im Bohrloch.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Stützrippen einstückig mit den Stegen bzw. Rundfasen des Spannutenabschnitts ausgebildet, d.h. bei der Herstellung des Bohrers und insbesondere des Spannutenabschnitts werden diese Rippen unmittelbar mit angeformt.
Oder umgekehrt ausgedrückt wird der Umfang des Bohrers in der Weise bearbeitet und teilweise abgetragen, daß die Stützrippen als Elemente mit maximalem Durchmesser bzw. Radius stehen bleiben.
Wahlweise können die Stützrippen jedoch auch getrennt aufgebracht werden, insbesondere dann, wenn sie aus einem anderen, zum Beispiel verschleißfesteren oder reibungsärmeren Material bestehen sollen als der Spannutenabschnitt des Bohrers.
Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die Rippen mit entsprechenden Beschichtungen zu versehen, welche die Reibung reduzieren und/oder die Rippen verschleißfester machen.
Mehrere Stützringe oder alle Stützringe (genauer gesagt: deren Umfangsoberflächen) eines Bohrers können, anstatt auf einer gemeinsamen Zylinderfläche, wahlweise auch auf einer ge- meinsamen konischen Hüllfläche liegen, die, ausgehend von dem Nennradius an der Schneidspitze, eine sehr geringe Verjüngung von zum Beispiel 0,1 μm bis 10 μm pro mm axialer Länge definiert.
Um die Bohrlochwand nicht zu beschädigen und auch zur Verringerung von Verschleiß und Reibung ist es zweckmäßig, wenn die Rippen, die beispielsweise im Querschnitt in etwa rechtwinklig oder trapezförmig sind, angefaste Kanten aufweisen. D.h. die in Umfangsrichtung verlaufenden Längskanten der Rippen ebenso wie die parallel zu den Spannuten verlaufenden vorderen Kanten (und wahlweise auch die in Rotationsrichtung hinteren Kanten) sollten ange- fast sein. Die Rippen können selbstverständlich auch einen halbkreisförmigen oder teilellipti- sehen oder sonstwie gekrümmten Querschnitt haben, so daß zumindest in Umfangsrichtung verlaufende Kanten nicht vorhanden sind und es ist auch möglich, die in Rotationsrichtung je-
weils vorderen Enden einer solchen Stützrippe zur Spannut hin abzuschrägen oder abzurunden.
Die Länge des Schneidteils beträgt in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens das Vierzigfache und in einer bevorzugten Ausführungsform gar mindestens das Fünfzigfache des Nennradius. Darüber hinaus ist eine Anwendung der Erfindung auf solche Bohrer zweckmäßig, deren Nennradius im Bereich zwischen 0,5 und 20 mm, insbesondere im Bereich zwischen 0,5 und 5 mm liegt wobei die Erfindung besonders effektiv bei Bohrern mit Radien von 2, mm und weniger zur Geltung kommt.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Bohrer mit einer sog. Innenkühlung ausgestattet sein, d. h. mindestens eine den Schaft und das Schneidteil in axialer Richtung durchsetzende Bohrung aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Tieflochbohrers nach einem der Ansprüche 1 bis 25, ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
a) Herstellen eines Rohlings mit einem Schaft und einem Schneidteil bestehend aus einem in etwa zylindrischen oder leicht konischen Spannutenabschnitt, und einer konischen Spitze, wo- bei der Spannutenabschnitt, gegebenenfalls mit Ausnahme eines kurzen an die Spitze angrenzenden Bereichs über den überwiegenden Teil seiner Länge einen gegenüber dem maximalen Radius (Nennradius R) der Spitze geringfügig reduzierten Radius hat,
b) Herstellen einer Bohrerkontur mit einem über die überwiegende Länge des Spannutenab- Schnittes gegenüber dem Nennradius weiter verringerten Radius,
c) Herstellen mindestens einer schraubenförmig umlaufenden Spannut und Ausbilden der Bohrerspitze,
d) Vorsehen von mindestens kurzen Abschnitten ringförmig umlaufender Stützrippen, wobei der Radius der Umfangsoberflächen der ringförmigen Abschnitte dem ursprünglichen Radius des Rohlings an der jeweiligen axialen Position entspricht, indem entweder
d1 ) in Schritt (b) ringförmigen Abschnitten oder Teilen ringförmiger Abschnitte von der Radi- usreduzierung ausgenommen werden, oder
d2) in Schritt (d) abschnittsweise Stützrippen auf die Stge und/oder Rundfasen des Bohrers aufgebracht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt (b) ein sich in Richtung Schaft konisch verjüngender Bereich , der von einem Bereich mit maximalen Radius (Nennradius R) am übergang zur Bohrerspitze ausgeht.
Gemäß einer weitern Variante ist das Verfahren derart weitergebildet, dass der Rohling vor Schritt (b) oder optional in Schritt (b) nach dem anfänglichen Herstellen des sich konisch ver- jungenden Bereiches mit einem harten, verschleißfesten Material beschichtet wird.
Der erfindungsgemäße Tieflochbohrer wird bevorzugt aus Vollhartmetall hergestellt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
Figur 1 einen Rohling eines Tieflochbohrers aus Vollhartmetall gemäß einer ersten Ausführungsform, Figur 2 den Rohling nach Figur 1 nach einer ersten Bearbeitungsstufe,
Figur 3 den Rohling nach Figur 1 nach einer zweiten Bearbeitungsstufe,
Figur 4 eine Ausschnittvergrößerung aus Figur 3 nach der Herstellung von Spannuten (z. B. durch Schleifen),
Figur 5 eine Ansicht entsprechend Figur 4, jedoch zu einer Variante des Bohrers, und Figur 6 den Querschnitt durch einen fertig geformten Tieflochbohrer gemäß der Ausführungsform nach Figur 5, nach Fertigstellung der Spannuten und der Rundfasen, wobei in der rechten und der linken Hälfte der Figur 6 jeweils eine andere Variante dargestellt ist.
Man erkennt in Figur 1 schematisch den Rohling eines Tieflochbohrers mit einem Schaft 1 und einem Schneiteil 2, wobei der Schneidteil 2 in diesem Rohzustand weder Spannuten noch Schneidkanten aufweist, sondern lediglich als im wesentlichen zylindrischer Stab mit einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (Länge L; Durchmesser D = 2R) von mindestens 10 (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel unterbrochen gezeichnet) hergestellt ist. Der Schneidteil 2 weist eine durch eine gestrichelte Linie abgetrennt dargestellte konische Schneidspitze 3 mit einem Spitzenwinkel > 90° auf und auch der Schneidteil 2 weist eine hier übertrieben dargestellte, äußerst geringe Konizität auf, die einer Durchmesserverjüngung von der Schneidspitze 3 bis
zum Schaft 1 von 0,1 μm bis maximal 60 μm pro Millimeter Länge entspricht. Bei einem Bohrer mit einem Nenndurchmesser von 10 mm und einer Schneidteillänge von 120 mm beträgt also die Durchmesserverjüngung zwischen Spitze und Schaft nur zwischen etwa 12 μm und maximal 720 μm, wobei bevorzugte Verjüngungen bei etwa 1 μm pro mm Länge lägen, d.h. im vor- liegenden Beispiel würde bei einer Länge L von 100 mm die Verjüngung insgesamt z. B. 0,1 mm betragen und wäre demnach in der Zeichnung nicht sichtbar. Zur Verdeutlichung ist deshalb diese Verjüngung in Figur 1 übertrieben dargestellt. Statt der konischen Verjüngung könnte aber der Spannutenabschnitt dieses Rohlings (der noch nicht mit Spannuten versehen ist) auch einfach zylindrisch mit einem z. B. um 10μm bis 200 μm kleineren Durchmesser als es dem Zweifachen des Nennradius entspricht, ausgebildet sein. In einer bevorzugten Variante des entsprechenden Herstellungsverfahrens wird dieser Rohling vor dem Einschleifen aller weiteren Konturen mit einer harten, verschleißfesten und vorzugsweise auch reibungsarmen Beschich- tung versehen.
Figur 2 zeigt den Rohling nach einer weiteren Bearbeitungsstufe, in welcher ein an die Schneidspitze 3 angrenzender Teil 9 des Spannutenabschnitts 4 eine stärkere konische Verjüngung erfahren hat, die typischerweise zwischen 1 μm und 8 μm pro mm Nutzlänge beträgt, wobei sich dieser verjüngte Abschnitt 9 über eine axiale Länge a erstreckt, die mindestens dem Einfachen des Nennradius bis maximal dem Sechzehnfachen des Nennradius entspricht. Typi- scherweise erstreckt sich dieser Abschnitt mit einer zusätzlichen konischen Verjüngung, der an der Schneidspitze beginnt, über eine axiale Länge vom Zehnfachen des Nennradius R (Fünffachen des Durchmessers). Ausgehend von einer mittleren Verjüngung von etwa 4 μm pro mm axialer Länge und einer Länge des konischen Abschnitts, die dem Fünffachen des Durchmessers entspricht (was in der Zeichnung verkürzt dargestellt ist), könnte also die Durchmesserver- jüngung vom maximalen Radius an der Schneidspitze bis zum minimalen Radius am Ende des vorderen konisch verjüngten Abschnitts bei etwa 200 μm im Durchmesser, d.h. bei ca. 100 μm im Radius, liegen. In einer Variante des Herstellungsverfahrens erfolgt die Beschichtung mit einem harten, verschleißfesten Material erst nach dieser Bearbeitungsstufe des Rohlings.
Anschließend wird die verbliebene Kontur des Spannutenabschnitts so hinterarbeitet, daß lediglich in gewissen Abständen Stützringe bzw. Stützrippen 7 stehenbleiben, deren Außendurchmesser nach wie vor der (leicht konischen oder zylindrischen) Kontur des ursprünglichen Rohlings entspricht (siehe Figur 3).
Zwischen den Stützringen 7 hat der Spannutenabschnitt dann vorzugsweise einen Durchmesser, der in etwa dem vor dem ersten Stützring liegenden kleinsten Durchmesser des vorderen, konisch verjüngten Abschnitts 9 entspricht. Mit anderen Worten, in dem dargestellten Ausfüh-
rungsbeispiel ist der Durchmesser des Spannutenabschnitts zwischen dem vorderen konischen Abschnitt und dem Schaft in etwa konstant um beispielsweise 250 μm geringer als der Nenndurchmesser des Bohrers, der durch den Durchmesser der Schneidecken an der Spitze des Bohrers definiert wird. Die Außenfläche der Stützringe folgt dabei der Kontur des ursprünglichen Rohlings, d.h. sie liegen entweder auf einer zylindrischen oder sich sehr leicht konisch verjüngenden Oberfläche. Dabei weisen nur noch die Außenflächen der Stützringe, die bis dahin unbearbeitete Bohrerspitze 3 und gegebenenfalls der vordere konische Abschnitt 9 die gegebenenfalls aufgebrachte harte und verschleißfeste Beschichtung auf.
In dem nächstfolgenden Bearbeitungsschritt gemäß Figur 3 werden die Schneidspitze 3 mit entsprechenden Schneidkanten und die schraubenförmig umlaufenden Spannuten 5 hergestellt. Es versteht sich, daß auch die Stützringe bzw. - Rippen 7 im Bereich der Spannuten 5 vollständig entfernt werden. Darüber hinaus können auch die verbleibenden Stege 6 noch weiterhin hinterarbeitet und im Durchmesser reduziert werden, wobei nur entlang der an die Span- nuten anschließenden, in Umfangsrichtung vorderen Kanten der Stege sogenannte Rundfasen 8 verbleiben, die im Durchmesser nicht weiter reduziert werden, sondern dem um beispielsweise 250 μm im Durchmesser reduzierten zylindrischen Abschnitt zwischen den Stützringen gemäß Figur 3 entsprechen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Ausschnittvergrößerungen aus dem Spannutenabschnitt 4 des Bohrers gemäß Figur 3, jedoch nach der Herstellung von Schneidkanten und Spannuten 5. Figur 5 zeigt eine Variante mit glatten, unstrukturierten Außenflächen der Stege 6, die allerdings mit den erfindungsgemäßen Stützrippen 7 versehen sind, welche sich in Umfangsrichtung entsprechend der Stegbreite über die Außenflächen des Stege 6 erstrecken. Figur 5 zeigt eine Varian- te, bei welcher die Außenfllächen der Stege weiter hinterarbeitet sind, so daß nur noch Rundfasen 8 den ursprünglichen Außendurchmesser zwischen den Stützringen 7 des Spannutenabschnittes 4 der Zwischenstufe gemäß Figur 3 haben. Bei dieser Ausführungsform weisen nur noch die Außenflächen der Rundfasen 8 an voneinander beabstandeten axialen Positionen jeweils Abschnitte der ursprünglich ringförmig umlaufenden Stützrippen 7 auf.
Dabei ist gemäß Figur 5 eine entsprechende Rundfase 8' zusätzlich auch in einem von der in Umfangsrichtung vorderen Kante 12 (= Nebenschneidkante) der Stege beabstandeten Bereich vorgesehen, wie man in Figur 5 und auch im rechten Teil der Figur 6 erkennen kann. Bei einem Bohrer mit zwei Hauptschneidkanten und dementsprechend zwei Spannuten und zwei Stegen, die um jeweils 180° versetzt schraubenförmig um den Kern des Bohrers verlaufen, haben dann die in Umfangsrichtung aufeinander folgenden (benachbarten) Abschnitte 7, T der Stützringe eine Umfangsabstand von deutlich weniger als 180°, was sicherstellt, daß die Amplitude etwai-
ger Querschwingungen des Bohrers auch in einer Ebene senkrecht zu der Ebene, die die auf den Rundfasen 8 angebrachten Stützringabschnitte 7 verbindet, entsprechend begrenzt wird. Es versteht sich, dass die zweite Rundfase 8' eines Steges 6 auch noch weiter in Richtung der (in Umfangsrichtung) hinteren Kante des jeweiligen Steges 6 versetzt sein kann als es in Figur 6 schematisch dargestellt ist. Die Stützringabschnitte 7, 7' bei einer gegebenen axialen Position könnten dann jeweils um einen Winkel zwischen 80° und 100°, vorzugsweise um etwa 90°, versetzt zueinander angeordnet werden.
Figur 6 zeigt demnach in einem senkrecht zur Bohrerachse verlaufenden Schnitt in der rechten und der linken Hälfte zwei verschiedene mögliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Gemäß der im linken Teilbild erkennbaren Ausführungsform sind Rundfasen 8 nur entlang der vorderen Kanten, d.h. entlang der sogenannten Nebenschneidkanten 12 der Stege 6 vorgesehen, gemäß dem rechten Teilbild ist eine zusätzliche Rundfase 8' auch im Abstand von der vorderen Kante 12, d. h. in Umfangsrichtung versetzt auf der Umfangsfläche 13 des Steges 6 vorgesehen, wie dies der Ausführungsform nach Figur 5 entspricht. Diese Rundfasen 8' folgen dem schraubenförmigen Verlauf der Stege 6 und Spannuten 5 und erstrecken sich somit über die gesamte Länge I des Spannutenabschnitts, falls gewünscht mit Ausnahme des vorderen konischen Bereichs 9.
Man erkennt in Figur 6 zusätzlich auf den Rundfasen 8, 8' noch die erwähnten Stützrippen 7, 7' oder Stützringe, wobei allerdings von den ursprünglichen Stützringen nur noch sehr kurze Abschnitte 7, 7' verblieben sind, deren Länge der in Umfangsrichtung gemessenen Breite der Rundfasen 8 entspricht. Diese Stützringe reduzieren an wenigen axialen Positionen und auch jeweils an wenigen Umfangspunkten die Durchmesserdifferenz zwischen Bohrlochwand und Oberfläche des Spannutenabschnitts bis auf sehr geringe Werte in der Größenordnung von vorzugsweise nur 5 μm bis 50 μm, so daß diese Stützrippen 7 schon bei sehr geringen Schwingungsamplituden mit der Wand des Bohrlochs in Berührung kommen und damit die Schwingungsamplituden begrenzen. Da diese Stützrippen typischerweise nur in axialen Abständen zwischen dem Einfachen und dem Sechzehnfachen des Nennradius, vorzugsweise etwa dem Zehnfachen des Nennradius entlang des Spannutenabschnitts angeordnet sind und da die Stützrippen 7 auch in Umfangsrichtung aus nur sehr kurzen Abschnitten bestehen, rufen sie nur eine geringe zusätzliche Reibung hervor, welche die Funktion des Bohrers im übrigen nicht beeinträchtigt.
Die axialen Abstände benachbarter Stützrippen werden dabei zweckmäßigerweise so gewählt, daß die auf den Rundfasen verbleibenden Abschnitte der Stützrippen 7 auf axial benachbarten Stützrippen unterschiedliche Umfangspositionen einnehmen, vorzugsweise um jeweils mindes-
tens 30°, im Falle der Ausführungsform im linken Teilbild der Figur 6 vorzugsweise um 90° und im Falle der Ausführungsform im rechten Teilbild der Figur 6 vorzugsweise 45° oder um 90° versetzt zueinander.
Der durch die vorderen Hauptschneidkanten 1 1 definierte Nennradius R des Bohrers ergibt sich aus der in Figur 6 gestrichelt eingezeichneten zylindrischen Bohrlochwand 15. Dieser Radius R ist geringfügig, d. h. beispielsweise bei Bohrern mit Nenndurchmessern unterhalb von 5 mm um 10 μm bis 100 μm größer als der Radius r 2 der Stützrippen. Dieser Radius r 2 der Stützrippen ist wiederum um beispielsweise 100 bis 500 μm größer als der Radius. T 1 . des Spannutenabschnit- tes, der durch den Radius der Rundfasen 8, 8' bestimmt wird, der Radius ry der hinterarbeiteten Umfangsflächen 13 der Stege 6 ist nochmals um einige 100 μm geringer als der Radius r-i .
Darüber hinaus ermöglichen es die Stützrippen 7, abweichend von den zuvor beschriebenen, herkömmlichen Durchmesserreduktionen und Hinterarbeitungen, sowohl die konische Verjün- gung im vorderen Abschnitt als auch die Durchmesserreduzierung des gesamten Spannutenabschnitts gegenüber den derzeit üblichen Tieflochbohrern zu verringern, da aufgrund der vorstehenden Stützrippen nun nicht mehr die Gefahr besteht, daß die Umfangsflächen 13 der Stege oder der Rundfasen 8, 8' mit der Bohrlochwand in Eingriff treten.
Falls nicht schon der Rohling gemäß Figur 1 oder 2 mit einem harten, verschleißfesten und e- ventuell auch reibungsarmen Material beschichtet wurde, können abschließend die Stützringe 7, 7' und eventuell auch die Rundfasen 8, 8' zusätzlich mit einem Material beschichtet werden, welches die Verschleißfestigkeit erhöht und vorzugsweise auch nur eine geringe Reibung mit den zu bearbeitenden Werkstückmaterialien hat.
Auch der vordere Bereich einschließlich der Spitze 3 des Bohrers kann bei Bedarf bis zu einer Länge, die maximal dem Dreifachen des Nenndurchmessers entspricht, mit einem Material zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit beschichtet werden.
Ein vorderer Spitzenabschnitt des Bohrers, der die Spitze 3 und einen weiteren, kurzen Teil des Spannutenabschnittes 4 umfasst, kann auch als auswechselbarer Spitzenabschnitt (nicht dargestellt) mit dem übrigen Teil des Spannutenabschnittes 4 lösbar und austauschbar verbunden sein, wie dies beispielsweise aus der EP 0 874 706 bekannt ist.