Beschreibung Bohrwerkzeug sowie Verfahren zum Bohren

Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug, das sich in Längsrichtung erstreckt und eine Bohrspitze sowie eine erste und eine zweite Hauptschneide aufweist, die sich nach außen erstrecken. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bohren mit einem solchen Bohrwerkzeug.

Ein derartiges Bohrwerkzeug ist beispielsweise zu entnehmen aus der EP 0 991 498 B1. Als Bohrwerkzeug ist hierin ein Spiralbohrer zum Trockenbohren beschrieben. Beim Trockenbohren tritt das Problem auf, dass aufgrund einer nur mangelnden Kühlung der Bohrer sich im Schneidkopfbereich aufgrund der Wärmeentwicklung ausdehnt, was dazu führt, dass beim Ausziehen des Bohrers aus dem Bohrloch hohe Belastungen an den Führungsfasen auftreten.

Um diese hohen Belastungen zu vermeiden, ist bei dem Spiralbohrer gemäß der EP 0 991 489 B1 eine asymmetrische Ausgestaltung einer Querschneide vorgesehen. Aufgrund der asymmetrischen Ausgestaltung schneidet der Bohrer ein Bohrloch, das im Vergleich zu dem Außendurchmesser des Spiralbohrers einen vergrößerten Loch- durchmesser aufweist. Trotz der wärmebedingten Ausdehnung im Bereich der Bohrerschneiden kann der Bohrer daher problemlos aus dem Bohrloch wieder herausgeführt werden kann.

Für einen speziellen Anwendungsbereich, nämlich das Bohren von Löchern in aus Kunstharz gebildeten Leiterplatten, ist aus der DE 26 55 452 A ein Spezialbohrer zu entnehmen. Auch dieser weist eine asymmetrische Ausbildung des Bohrerkopfs im Bereich der Schneiden auf, um eine Vergrößerung des Bohrlochs zu erreichen. Dies wird wahlweise dadurch erreicht, dass die Schneiden unterschiedlich lang ausgebildet oder unter unterschiedlichen Spitzenwinkeln angeordnet sind. Hierdurch wird dem besonde- ren Problem beim Bohren für Leiterplatten Rechnung getragen, wonach nämlich Bohrmehl entsteht, welches gegen die Bohrungswand gedrückt werden kann. Durch die asymmetrische Ausgestaltung wird ein Bohrloch größer dem Außendurchmesser des

Bohrers erzeugt, so dass der Bohrer an einer Längsseite von der Bohrungswand beabstandet ist.

Im Normalfall werden bei Bohrern im Unterschied hierzu jedoch hochsymmetrische Ausgestaltungen angestrebt, so dass ein möglichst hochgenauer Rundlauf und ein hochgenaues Bohren erreicht ist. Asymmetrien treten hierbei allenfalls als Schleiffehler auf. Die oben beschriebenen Bohrer nutzen demgegenüber die Asymmetrie gezielt zur Vermeidung von Problemen bei speziellen Anwendungsfällen. Mit der asymmetrischen Ausgestaltung tritt jedoch auch eine asymmetrische Belastung und damit ein erhöhter Verschleiß des Bohrwerkzeugs auf, wodurch die Lebensdauer verringert ist. Dies gilt insbesondere für Bohrer, wie Hartmetallbohrer oder Bohrer mit Schneideinsätzen aus einem speziellen Schneidwerkstoff, die für die Bearbeitung von hochfesten Werkstoffen, beispielsweise von Stählen, vorgesehen sind.

Aufgrund der asymmetrischen Ausgestaltung wird beim Bohrvorgang der Bohrer nämlich einseitig gegen die Bohrungswand gedrückt. üblicherweise ist umfangsseitig am so genannten Bohrerrücken eine Führungsfase vorgesehen. Mit dieser Führungsfase liegt der Bohrer an der Bohrungswand an. Bei üblichen Bohrwerkzeugen mit hochsymmetrischer Ausgestaltung liegen bei einem zweischneidigen Bohrer die beiden Führungsfa- sen diametral gegenüberliegend jeweils an der Bohrungswand an und werden gleichmäßig belastet. Durch die asymmetrische Ausgestaltung wird nunmehr eine der beiden Führungsfasen übermäßig belastet, so dass deren Verschleiß deutlich größer ist. Zudem ist die Gefahr größer, dass im Falle von Anbackungen von Spanteilen an der Bohrungswand Teile der Führungsfase ausbrechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug mit asymmetrischen Ausgestaltungen anzugeben, welches eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Bohrwerkzeug, das sich in Längsrichtung erstreckt und eine Bohrspitze sowie eine erste und eine zweite Hauptschneide aufweist. Die beiden Hauptschneiden erstrecken sich in etwa radial nach außen. Die Bohrspitze ist bezüglich einer Mittenachse, die zugleich die Drehachse bildet, außermittig angeordnet. Gleichzeitig ist die zweite Hauptschneide um eine Schneidhö-

hendifferenz höher gelegen angeordnet als die erste Hauptschneide. Zudem weist die erste Hauptschneide eine kürzere radiale Schneidenlänge als die zweite Hauptschneide auf.

Unter Bohrwerkzeug wird hierbei allgemein ein Werkzeug verstanden, das zum Bohren verwendet wird und zumindest den Schneid- oder Bohrkopf umfasst. Das Bohrwerkzeug kann daher sowohl lediglich ein Bohrkopf sein, der an einem Bohrkörper oder einen Schaft befestigt wird, als auch ein vollständiger Bohrer mit Bohrkopf, Bohrkörper und Schaft.

Unter radialer Schneidenlänge wird hierbei der radiale Abstand zwischen dem der Bohrspitze zugewandten Ende der Hauptschneide und dem Außenumfang des Bohrerwerkzeugs verstanden.

Unter Schneidhöhendifferenz wird eine Anordnung der beiden Hauptschneiden verstanden, die sich bezüglich ihrer Position relativ zur Längsrichtung unterscheiden. In Längsrichtung von einem Bohrerschaft zur Bohrspitze gesehen ist die zweite Hauptschneide also weiter vorne angeordnet als die erste Hauptschneide. Die Definition „höher gelegen" bzw. „weiter vorne angeordnet" bezieht sich hier jeweils auf insbesondere zwei Vergleichspunkte der beiden Hauptschneiden, die den gleichen radialen Abstand zur Drehachse und damit zur Mittenachse aufweisen. Die Definition der Schneidhöhendifferenz ergibt sich insbesondere auch aus der DIN 6540, Teil 1 und Teil 2, Ausgabe April 93. Die Anordnung der beiden Hauptschneiden auf unterschiedlichen Schneidhöhen bedeutet insbesondere, dass die radial außenliegenden Enden der Hauptschnei- den in Längsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.

Durch die außermittige Anordnung der Bohrspitze, die die längere radiale Schneidenlänge der ersten Hauptschneide nach sich zieht, wird beim Bohren ein Bohrloch erzeugt, welches einen im Vergleich zum Bohrernenndurchmesser größeren Bohrloch- durchmesser aufweist. Durch dieses erste Asymmetriemerkmal wird eine erste radiale Kraftkomponente erzeugt. Ergänzend ist die kürzere zweite Hauptschneide um die Schneidhöhendifferenz höher angeordnet. Durch dieses zweite Asymmetriemerkmal wird eine zweite radiale Kraftkomponente erzeugt, die der ersten radialen Kraftkompo-

nente entgegenwirkt, so dass die asymmetrische Belastung des Bohrers reduziert ist. Die höher gelegene zweite Hauptschneide ist hierbei bezogen auf eine definierte Bohrdrehrichtung eine so genannte vorauseilende Schneide.

Die hier beschriebene Ausgestaltung des Bohrwerkzeugs kombiniert zwei an sich üblicherweise als Schleiffehler angesehene Asymmetriemerkmale in einer Art und Weise, dass die durch die Asymmetriemerkmale jeweils hervorgerufenen asymmetrischen Belastungen des Bohrers wechselseitig entgegenwirken und sich damit kompensieren. Durch die speziell gewählte Kombination wird daher der durch die erste radiale Kraft- komponente erzeugte Anpressdruck gegen die Bohrungswand zumindest reduziert. Dadurch ist die Belastung des Bohrers, insbesondere einer der ersten Hauptschneide zugeordneten ersten Führungsfase, die an der Bohrungswand entlang läuft, deutlich reduziert.

Ein derartiges Bohrwerkzeug dient zum Bearbeiten von harten Werkstoffen, insbesondere Stählen und eignet sich insbesondere als Trockenbohrer und darüber hinaus auch zum Bohren von speziellen Werkstoffen, die ein gewisses elastisches Verhalten aufweisen. So führt nämlich die spanende Behandlung beispielsweise von Edelstahl dazu, dass im Falle des Bohrens das gebohrte Loch sich unmittelbar nach dem Bohren zu- sammenzieht und etwas verjüngt. Dies führt dazu, dass bei der Verwendung eines herkömmlichen Bohrers dieser im Bohrloch geklemmt werden kann.

Mit der hier beschriebenen Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise zum einen aufgrund des erstem Asymmetriemerkmals die Erzeugung eines vergrößerten Bohrlochs erreicht, so dass ein Verklemmen vermieden ist. Zum anderen wird durch das zweite Asymmetriemerkmal eine Reduzierung der Belastung insbesondere der ersten Führungsfase und damit eine höhere Lebensdauer erreicht.

Zweckdienlicherweise sind zum einen die Schneidhöhendifferenz und zum anderen die außermittige Anordnung sowie die längere erste Hauptschneide derart gewählt, dass die radialen Kraftkomponenten beim Bohrvorgang sich weitgehend und vorzugsweise vollständig kompensieren. Damit ist eine weitgehende und vorzugsweise vollständige symmetrische radiale Krafteinwirkung auf das Bohrwerkzeug erzielt, so dass sich eine

insgesamt gleichmäßige Belastung ergibt. Um dies zu erreichen, wird beim Bohrverfahren ein Vorschub des Bohrwerkzeugs zweckdienlicherweise derart eingestellt, dass das von der ersten Hauptschneide und das von der zweiten Hauptschneide abgetragene Spanvolumen zumindest weitgehend identisch sind. Dadurch werden die in etwa glei- chen radialen Kraftkomponenten hervorgerufen.

Zweckdienlicherweise liegt hierbei die Schneidhöhendifferenz im Bereich zwischen 0,03 und 0,07 mm. Die Schneidhöhendifferenz liegt daher vorzugsweise über dem zulässigen Toleranzwert für eine Schneidhöhendifferenz gemäß DIN 6540, Teil 1. Die Mes- sung der Schneidhöhendifferenz erfolgt insbesondere nach dem Verfahren, wie es in der DIN 6540, Teil 2, Ausgabe April 93, beschrieben ist. Anstelle des Begriffs „Schneidhöhendifferenz" wird teilweise auch der Begriff „Planlauf" verwendet. Dieser gibt an, um wie viel die beiden üblicherweise gegenüberliegend angeordneten Hauptschneiden bei einer 180°-Drehung in Bohrerlängsrichtung versetzt zueinander an- geordnet sind.

Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist der Versatz zwischen der Mittenachse und der Bohrspitze größer 0,02 mm und liegt insbesondere im Bereich zwischen 0,02 mm und etwa 0,06 mm. Damit liegt auch der Versatz in einem Bereich größer dem üblicherweise zulässigen Toleranzwert für den Rundlauf, wie er sich beispielsweise aus der DIN 6540, Teil 1 ergibt und wie er nach der DIN 6540, Teil 2 gemessen wird.

Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung sind die beiden Hauptschneiden unter einem gleichen Teilspitzenwinkel zur Bohrspitze orientiert. Die beiden Hauptschneiden sind daher - abgesehen von der Schneidhöhendifferenz und ihrer unterschiedlichen Länge - gleich ausgebildet. Der durch die beiden Hauptschneiden gebildete Spitzenwinkel beträgt beispielsweise bei einem herkömmlichen Spiralbohrer üblicherweise etwa 135°. üblicherweise ist daher ein stumpfer Spitzenwinkel vorgesehen. Alternativ hierzu können die beiden Hauptschneiden auch zueinander unter einem 180°-Winkel angeordnet sein, also parallel zueinander verlaufen, wie dies beispielsweise bei einem, Stufenbohrer der Fall ist.

Zweckdienlicherweise sind die beiden Hauptschneiden direkt über eine die Bohrspitze querende Querschneide miteinander verbunden, so dass eine aus Hauptschneiden und Querschneide gebildete Schneide sich durchgehend über das Bohrerzentrum hinweg erstreckt.

Alternativ hierzu ist das Bohrwerkzeug als ein Stufenbohrer ausgebildet, bei dem die Hauptschneiden bezüglich der Bohrspitze zurückversetzt angeordnet sind. Bei einem Stufenbohrer ist üblicherweise ein erstes Schneidenpaar an der vorderen Bohrspitze angeordnet. In Bohrerlängsrichtung zurückversetzt unter Ausbildung einer Stufe ist dann das zweite Schneidenpaar angeordnet, die im vorliegende Fall die beiden Hauptschneiden bilden, die zueinander die Schneidhöhendifferenz aufweisen.

Das Bohrwerkzeug ist vorzugsweise als ein Spiralbohrer ausgebildet, bei dem sich an die Hauptschneiden an einem jeweiligen Schneideck Nebenschneiden anschließen, die in Längsrichtung entlang von Spannuten verlaufen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Bohrlochs mit einem derartigen Bohrwerkzeug. Zweckdienlicherweise ist hierbei vorgesehen, dass ein Vorschub derart eingestellt wird, dass das abgetragene Spanvo- lumen von der ersten und der zweiten Hauptschneide zumindest weitgehend identisch sind. Der Vorschub ist daher insbesondere größer als die Schneidhöhendifferenz.

Vorzugsweise wird ein Bohrwerkzeug mit zwei in etwa um 180° drehversetzt angeordneten Hauptschneiden vorgesehen. Alternativ hierzu können auch Bohrwerkzeuge mit mehr als zwei Hauptschneiden, beispielsweise drei Hauptschneiden, eingesetzt werden. Für derartige Bohrwerkzeuge mit mehr als zwei Hauptschneiden gelten dann die gleichen überlegungen im Hinblick auf die Kompensierung der durch die einzelnen Schneiden erzeugten radialen Kraftkomponenten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Bohrkopf,

Fig. 2 einen Spiralbohrer in einer Seitenansicht, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Stufenbohrer.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung einen Bohrkopf 2, beispielsweise eines Spiralbohrers 4, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Der Spiralbohrer 4 weist einen Schaft 6 auf, mit dem der Bohrer 4 in eine Maschinenhalterung eingespannt wird. An den Schaft 6 schließt sich der Bohrkörper 8 an, an dessen vorderem Ende der Bohrkopf 2 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist dieser einstückig mit dem Bohrkörper 8 verbunden. Alternativ hierzu kann der Bohrkopf 2 auch als separate Baueinheit unlösbar oder lösbar mit dem Bohrkörper 8 verbunden sein. Beim Spiralbohrer 4 sind in den Bohrkörper 8 spiralförmig verlaufende Spannuten 10 eingearbeitet, die an einer ihrer Randseiten jeweils von einer Nebenschneide 12 begrenzt sind. Der Umfangsbereich zwischen zwei Spannuten 10 wird als Bohrrücken bezeichnet. Am der jeweiligen Nebenschneide 12 abgewandten Ende des Bohrrückens ist üblicherweise eine Führungsfase ausgebildet. Der Spiralbohrer 4 erstreckt sich insgesamt in Längsrichtung 14 und weist eine Mittenachse 16 auf, die zugleich die Drehachse ist, um die sich der Bohrer 4 dreht, wenn er in der Maschinenhalterung eingespannt und in Betrieb ist.

An seinem in Längsrichtung 16 gesehenem vorderen Ende weist der Bohrer 4 eine Bohrspitze 18 auf. Bei einem Spiralbohrer, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Bohrspitze 18 Teil einer Querschneide 20, die sich über den so genannten Bohrerkern erstreckt. Beidseitig der Querschneide 20 schließen sich eine erste Hauptschneide 22A sowie eine zweite Hauptschneide 22B an.

Anhand von Fig. 1 wird die spezielle Ausgestaltung des Bohrkopfs 2 im Bereich der Bohrspitze 18 ersichtlich. Wie hieraus zu entnehmen ist, ist die Bohrspitze 18 um einen Versatz δs beabstandet von der Mittenachse 16 angeordnet. Gleichzeitig ist die erste Hauptschneide 22A um eine Schneidhöhendifferenz δh tiefer angeordnet als die zweite Hauptschneide 22B. Unter Schneidhöhendifferenz wird vorliegend die Differenz der radial gelegenen Schneidecken 24A.24B der beiden Hauptschneiden 22A.22B in Bezug auf die Längsrichtung 14 verstanden.

Bezüglich einer gedachten Spitzenachse 25, die durch die Bohrspitze 18 verläuft, sind die beiden Hauptschneiden 22A.22B unter jeweils einem gleichen Teilspitzenwinkel 61 und 52 von im Ausführungsbeispiel jeweils 66,5° angeordnet, so dass sich der übliche Spitzenwinkel von 135° ergibt.

Aufgrund des Versatzes δs und der längeren ersten Hauptschneide 22A wird zunächst erreicht, dass ein Bohrloch 26, welches in Fig. 1 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist, einen im Vergleich zu einem Bohrnenndurchmesser D1 vergrößerten Lochdurchmesser D2 aufweist. Gleichzeitig wird durch diese Asymmetrie eine erste radiale Kraftkomponente F _A erzeugt. Durch die höher gelegene zweite Hauptschneide 22B greift diese beim Zerspanungsvorgang tiefer in das zu bearbeitende Werkstück als die erste Hauptschneide 22A ein, so dass eine zweite radiale Kraftkomponente F ₆ erzeugt wird, die der ersten radialen Kraftkomponente F _A entgegenwirkt. Die beiden Kraftkomponenten FA ₁ FB sind nunmehr derart gewählt, dass sie sich zumindest weitgehend und vorzugsweise vollständig kompensieren, das heißt, dass bevorzugt keine resultierende radiale Krafteinwirkung auf den Bohrer 4 im Bereich des Bohrerkopfs 2 einwirkt. Insgesamt sind daher die Schneidhöhendifferenz δh und der Versatz δs im Hinblick auf einen speziellen Vorschub beim Bohrvorgang derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Kraftkomponenten F _A ,F _B kompensieren. Unter Vorschub wird allgemein die erzwun- gene Wegstrecke des Bohrers 4 in Längsrichtung 14 bei einer 360°-Umdrehung verstanden.

Die zu der Fig. 1 angestellten überlegungen lassen sich auch auf Bohrköpfe 2 mit austauschbaren Schneidkörpern, wie beispielsweise Wendeschneidplatten, übertragen. Gleichermaßen lassen sich die angestellten überlegungen auch auf einen Stufenbohrer 28 übertragen, wie er beispielsweise in Fig. 3 stark vereinfacht dargestellt ist. Beim Stufenbohrer 28 ist die Bohrspitze 18 beabstandet zu den Hauptschneiden 22A.22B angeordnet. Diese verlaufen im Ausführungsbeispiel senkrecht zur Mittenachse 16. Im Bereich der Bohrspitze 18 sind weitere Hauptschneiden 30 angeordnet. Auch beim Stu- fenbohrer 28 weisen die beiden Hauptschneiden 22A.22B die Schneidhöhendifferenz δh auf. Gleichzeitig ist die Bohrspitze 18 um einen Versatz δs gegenüber der Mittenachse 16 versetzt angeordnet.

Das hier beschriebene Bohrwerkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass bewusst zwei üblicherweise als Schleiffehler angesehene Asymmetriemerkmale des Bohrkopfs 2 derart miteinander kombiniert werden, dass sich die radialen Kraftkomponenten F _A ,F _B zumindest weitgehend kompensieren, so dass der durch eine asymmetrische Ausbildung üblicherweise hervorgerufene asymmetrische Verschleiß zumindest reduziert ist.