| JP07108409 | VARNISHING DRILL |
| JP08090324 | CORE DRILL AND CORE DRILL WITH HOLDER |
| WO/2008/068817 | DRILL |
DENKENA, Berend (Hermann-Sievers-Weg 2, Wedemark, 30900, DE)
SELLMEIER, Volker (Warmbüchenstraße 12, Hannover, 30159, DE)
DENKENA, Berend (Hermann-Sievers-Weg 2, Wedemark, 30900, DE)
| Patentansprüche Bohrwerkzeug (10) zur spanenden Bearbeitung von Metallen mit wenigstens einer Fase, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stirnfläche des Bohrwerkzeuges (10) wenigstens eine Schneidkantenfase (18) vorgesehen ist. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkantenfase (18) freiflächenseitig angeordnet ist. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Wendeschneidplatte für einen Bohrer, eine Bohrkrone oder ein Bohrer ist. Bohrwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schneidkantenfase (18) auf zumindest einem Teil der Schneidkantenlänge (S) der Schneidkante (14) erstreckt. Bohrwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel (α0,ι) der Schneidkantenfase (18) zumindest jenseits eines Kerns (16) mit zunehmendem Abstand (R) von der Längsachse (L) monoton abfällt. Bohrwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel (α0,ι) in Abhängigkeit von einem Abstand (R) zur Längsachse (L) zumindest abschnittsweise einem Verlauf folgt, beschreibbar ist, wobei für alle Abstände R s(R) e [-1°,...1°] gilt. Bohrwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkantenfase (18) eine in der Werkzeug-Orthogonalebene (P0= gemessene Breite (b) von höchstens 300 Mikrometer hat. 8. Bohrwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkantenfase (18) eine in der Werkzeug-Orthogonalebene (P0) gemessene Breite (b) von mindestens 10 μηι, insbesondere von mindestens 125 μηι hat. 9. Bohrwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge des Bohrers zum Durchmesser des Bohrers größer ist als 10, insbesondere größer ist als 15. 10. Verwendung eines Bohrwerkzeugs (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis einer Zähnezahl (z), einem Radius (Rmax) und einem ersten Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel (α0,ι) d e r Schneidkantenfase (18) , der zumindest jenseits eines Kerns (16) des Bohrw ittsweise der Beziehung folgt, wobei aoe e [0, ...5°] und ε e [-1 °, ...1 °] gilt, in einem Bohrverfahren mit dem Zahnvorschub fz. 1 1 . Bohrverfahren unter Verwendung eines Bohrwerkzeuges (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines Bohrwerkzeugs (10) mit einer Schneidkantenfase (18), die einen ersten Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel (α0,ι) hat, und (b) Bohren mit dem Bohrwerkzeug mit einer Drehzahl (n) und einer Vorschubgeschwindigkeit (vf) in ein Werkstück (28), so dass ein Wirk-Orthogonalfreiwinkel (aoe) der Schneidkantenfase (18) resultiert, der außerhalb eines Kerns (16) des Bohrwerkzeugs (10) zumindest abschnittsweise zumindest zeitweise kleiner ist als 7°. 12. Bohrverfahren nach Anspruch 1 1 , gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen, ob Rattern vorliegt, und bejahendenfalls Verändern der Vorschubgeschwi ndigkeit (vf) und/oder der Drehzahl (n), so dass zumindest an einer Stelle außerhalb des Kerns (16) des Bohrwerkzeugs (10) der Wirk- Orthogonalfreiwinkel (aoe) sich verkleinert. 13. Bohrverfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen, ob Rattern vorliegt, und - wenn kein Rattern vorliegt, Verändern der Vorschubgeschwindigkeit (vf) und/oder der Drehzahl (n), so dass zumindest an einer Stelle außerhalb des Kerns (16) der Wirk-Orthogonalfreiwinkel (aoe) sich vergrößert. |
Ein Bohrwerkzeug ist beispielsweise auch ein aus der DE 103 32 930 A1 bekannter Gewindebohrer zum Schneiden von Innengewinden. Dieser bekannte Gewindebohrer ist insbesondere hinsichtlich einer hohen Schnittgeschwindigkeit optimiert und soll trotz der sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten eine ausreichende Prozesssicherheit gewährleisten. Hierzu sind mindestens zwei Schneidstollen des Gewindebohrers mit Schneidkanten ausgerüs- tet, wobei die Schneiden mindestens im Anschnitt eine Schneidkantenfase mit negativem Winkel aufweisen, die den effektiven Spanwinkel der Schneiden reduziert.
Ein anderes Bohrwerkzeug ist eine aus der EP 0 661 122 A1 bekannte Wendeschneidplatte. Diese besitzt mehrere Hauptschneidkanten und Nebenschneidkanten an einem in etwa gleichwinkeligen Dreieck, die mit den Seiten dieses Dreiecks zusammenfallen beziehungsweise die die Hauptschneidkanten abstumpfen. U m die Stabilität in den Schneidecken insbesondere für Fräsoperationen nochmals zu verbessern, werden Schneidkan- tenfasen in den Eckbereichen vorgesehen, wobei die Schneidkantenfase gerade im Eckbereich breiter ist, als entlang der im Wesentlichen geraden Schneidkanten.
Eine weitere, aus der DE 695 02 106 T2 bekannte Wendeschneidplatte be- sitzt zwischen einer Schneidkante und einem absinkenden Oberflächenbereich jeweils eine ansteigende Schneidkantenfase.
Bei einem Schneidelement zur spanabhebenden Bearbeitung in der DD 145 070 A ist eine durchgehende oder unterbrochene Schneidkantenfase vorgesehen, bei dem die Schneidengeometrie so gestaltet ist, dass eine stabile Hauptschneide eine Nebenschneide entlastet und eine hohe Verschleißstabilität beider Schneiden gewährleistet wird. Ein aus der DE 29 46 022 C2 bekannter polygonaler Schneideinsatz besitzt ebenfalls eine Schneidkante mit einer zugehörigen Schneidkantenfase und einer sich von der Schneidkantenfase nach innen erstreckenden, geneigten Spanfläche. Aus der DE 10 2005 003 496 A1 ist ein Bohrwerkzeug bekannt, das eine Hauptschneide aufweist, welche durch Anschleifen einer Schutzfase gebrochen ist. Dadurch soll die Standzeit des Bohrwerkzeugs erhöht werden. Diese Schutzfase wird über die Länge der Schneidkante in Abhängigkeit des Abstandes von der Bohrerachse variiert. Dadurch soll erreicht werden, dass die Schutzfase der Schneidkante an der jeweiligen Stelle die optimalen geometrischen Eigenschaften in Bezug auf Schnittgeschwindigkeit und Schnittrichtung aufweist. Die Schutzfase ist dabei jeweils spanflächenseitig angeordnet. Neben den in diesen Druckschriften angesprochenen Aufgabenstellungen gibt es aber gerade beim Bohren ein weiteres Problem.
Beim Bohren, insbesondere beim Bohren in Metall, kann es zum so genannten Rattern kommen. Dabei führt eine Schwingung des dabei eingesetzten Bohrwerkzeugs in Längsrichtung zu einer Welligkeit im Grund des Lochs, was dazu führt, dass die in Längsrichtung des Bohrwerkzeugs wirkende Vorschubkraft schwankt und die Schwingung verstärkt. Das Rattern senkt die Lebensdauer des Werkzeugs und führt zu unerwünschtem Lärm. Im Stand der Technik ist es bekannt, Schwingungen durch einen im Werkzeugschaft integrierten Dämpfer zu absorbieren. Nachteilig hieran sind der hohe konstruktive Aufwand und die mit dem Einbau des Dämpfers einherge- hende Materialschwächung.
Ein anderer aus der DE 10 2008 045 326 A1 bekannter Vorschlag für Spiralbohrer versucht ebenfalls, die bei unrunden Bohrungen auftretenden Belastungen und ein Rattern zu reduzieren. Hierzu werden an der Umfangsflä- che eines Bohrers Führungsfasen angeordnet.
Ein ähnlicher Vorschlag wird in der WO 88/03849 A1 beschrieben, bei dem die Winkelteilung mehrerer Hauptschneiden ungleich gestaltet wird, wodurch ebenfalls die Neigung des Bohrers zum Rattern eliminiert werden soll.
Auch die DE 10 2006 025 294 A1 beschäftigt sich mit einem Bohrwerkzeug, bei dem eine Stützfase vorgesehen ist.
Gleichwohl bleibt die grundsätzliche Problematik einer Ratterneigung von Bohrwerkzeugen bestehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ratterneigung zu reduzieren.
Die Erfindung löst das Problem bei einem gattungsgemäßen Bohrwerkzeug dadurch, dass an einer Stirnfläche des Bohrwerkzeuges (10) wenigstens eine Schneidkantenfase (18) vorgesehen ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch die Verwendung eines derartigen Bohrwerkzeugs mit einer Zähnezahl z, einem Radius R, einem Spitzenwinkel σ und einem Freiwinkel α 0, ι der Schneidkantenfase, der zumindest jenseits eines Kerns des Bohrwerkzeugs und zumindest abschnittsweise der Beziehung folgt, wobei a oe e [0,...10°] und ε e gilt, in einem Bohrverfahren mit dem Zahnvorschub f z .
Der Spitzenwinkel σ kann, muss aber nicht konstant sein, sondern kann auch eine Funktion des Radius R sein. In diesem Fall ist dann der jeweilige Wert des Spitzenwinkels an der radialen Position a(R) für σ einzusetzen.
Die hier benutzten Bezeichnungen für die Winkel und Ebenen an Bohrwerkzeugen richten sich nach der DI N 6581„Bezugssysteme und Winkel am Schneidteil des Werkzeuges" und der ISO 3002/1„Basic quantities in cutting and grinding - Part 1 ; Geometry of the active part of cutting tools - General terms, reference Systems, tool and working angles, chip breakers".
Gemäß einem weiteren Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Bohrverfahren mit einem derartigen Bohrwerkzeug und mit den Schritten (a) Bereitstellen eines Bohrwerkzeugs mit einer Schneidkantenfase, die einen Freiwinkel hat, und (b) Bohren mit dem Bohrwerkzeug mit einer Drehzahl und einer Vorschubgeschwindigkeit in ein Werkstück, so dass ein Wirk- Orthogonalfreiwinkel im Bereich der Schneidkantenfase resultiert, der zumindest außerhalb eines Kerns des Bohrwerkzeugs zumindest abschnittsweise zumindest zeitweise höchstens 5° beträgt, insbesondere höchstens
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass das Rattern mit einfachen Mitteln vermindert werden kann.
Vorteilhaft ist zudem, dass eine erhöhte Bauteilqualität bei gleich bleibendem oder höherem Zeitspanvolumen erreichbar ist. Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Werkzeugverschleiß vermindert werden kann. Wie bereits erwähnt, ist eine besonders unerwünschte Folge des Ratterns die Erzeugung von Lärm. Durch das erfindungsgemäß mögliche Reduzieren oder sogar Vermeiden des Ratterns wird zugleich auch der sonst entstehende Lärm reduziert oder vermieden.
Werden modular aufgebaute Bohrwerkzeuge mit Bohrkronen eingesetzt, können Prozessschwingungen und Rattern den Verschleiß der Schnittstellen zwischen Bohrkrone und Werkzeuggrundkörper begünstigen. Die Erfindung mindert diesen Schnittstellenverschleiß. Aufgrund dieser Vortei le ist eine Steigerung des Längen-zu-Durchmesser-Verhältnisses des Bohrwerkzeugs möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schneidkantenfase freiflächenseitig angeordnet ist.
Die DE 10 2005 003 496 A1 beschreibt eine spanflächenseitig angeordnete Schneidkantenfase, die den Verschleiß an der Schneidkante mindern soll. Zur Reduktion der Ratterneigung hat sich jedoch anstatt einer spanflächenseitig angeordneten, eine flächenseitig angebrachte Schneidkantenfase als besonders geeignet herausgestellt. Eine Definition der Unterschiede findet sich in den Normen DIN 6581 und DIN 6582, die die Begriffe der Zerspantechnik festlegen und insoweit mit dem internationalen Standard nach ISO 3002/1 übereinstimmen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es beim Bohren dann, wenn Prozessschwingungen auftreten und/oder Rattern vorliegt, zu einer periodischen Längsbewegung des Bohrwerkzeugs entlang seiner Längsachse kommt. Da der Wirk-Orthogonalfreiwinkel von der Bewegung in Längs- richt u n g a b h ä n g t , s c h w a n k t b e i m R a t t e r n a u c h d e r W i r k- Orthogonalfreiwinkel. Wird nun eine Schneidkantenfase vorgesehen, so unterschreitet der Wirk-Orthogonalfreiwinkel beim Rattern zumindest an manchen Stellen der Schneidkantenfase 0°. I n anderen Worten berührt die Freifläche das Material im Grund der Bohrung, was die Prozessschwingungen bzw. das Rattern effektiv dämpft. Liegt kein Rattern vor, so ist der Wirk- Orthogonalfreiwinkel in der Regel größer als 0°, so dass gegenüber einem herkömmlichen Bohrwerkzeug keine zusätzlichen unerwünschten Reibeffekte auftreten.
Aus der bekannten Kinematik des Bohrprozesses folgt, dass eine Fase an der Bohrerschneidkante zu einer erhöhten Reibung des Bohrers an seiner Stirnseite mit dem Werkstück führen muss. Der Begriff Bohrerschneidkante bezieht sich dabei auf Bohrwerkzeuge allgemein, er wurde nur wegen der Prägnanz gewählt. Daraus resultiert eine unerwünschte Wärmeentwicklung. Des Weiteren ist ein unerwünschtes Verschmieren des Materials zu befürchten . Des We itere n s i n d steigende Prozesskräfte bzw. ei n steigendes Schnittmoment und damit eine zunehmende Schnittleistung aufgrund der Fase anzunehmen. Es hat sich aber gezeigt, dass die genannten Nachteile durch den Vorteil der geringeren Ratterneigung überkompensiert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Bohrer insbesondere ein Wendelbohrer verstanden. Besonders günstig ist es, wenn der Bohrer ein Metallbohrer ist. Der Bohrer kann beispielsweise aus Schnellar- beitsstahl, Hartmetall , Keram ik oder Cermet aufgebaut sein . Der Bohrer kann mit einer Hartstoffschicht beschichtet sein, beispielsweise mit TiC oder TiN.
Bei der Schneidkantenfase handelt es sich um eine Fase an der Schneid- kante an der Stirnfläche des Bohrwerkzeugs, insbesondere des Bohrers. Diese ist vorzugsweise durch ein materialabhebendes Verfahren, insbesondere ein spanendes Verfahren hergestellt. Beispielsweise ist die Schneidkantenfase durch Schleifen hergestellt. Insbesondere handelt es sich bei der Schneidkantenfase um eine Zweiteilung der Freifläche.
In der Regel weist das Bohrwerkzeug, insbesondere der Bohrer, einen Kern auf, in dessen Umbebung das zu bohrende Material, insbesondere das Metall, beim Bohrvorgang nicht geschnitten, sondern verquetscht wird. In die- sem Fall ist die Schneidkantenfase vorzugsweise außerhalb des Kerns angebracht. Wenn im Folgenden von einem Bohrer gesprochen wird, so ist damit stets auch allgemein ein Bohrwerkzeug gemeint. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Schneidkantenfase auf zumindest einen Teil der Schneidkantenlänge der Schneidkante. Die Schneidkantenlänge misst diejenige Strecke, über die sich die Schneidkante erstreckt, also die Strecke zwischen dem Kern des Bohrers und seinem äußeren Rand. Je größer der Anteil an der Schneidkantenlänge, über die sich auch d ie Schneidkantenfase erstreckt, umso wirksamer ist die Dämpfung beim Rattern. Günstig ist es, wenn sich die Schneidkantenfase über mehr als 1/3 der Schneidkante erstreckt, notwendig ist das aber nicht.
Vorzugsweise fällt der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel der Schneid- kantenfase, der auch Fasenwinkel genannt werden kann und in der Regel als α 0, ι bezeichnet wird, zumindest jenseits des Kerns mit zunehmendem Abstand von der Längsachse beziehungsweise dem Radius R monoton ab. Insbesondere fällt der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel der Schneidkantenfase streng monoton ab. Unter einem monotonen Abfall wird verstanden, dass der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel der Schneidkantenfase bei einem größeren Abstand zumindest nicht größer ist. Bei einem streng monotonen Abfall ist der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel der Schneidkantenfase bei einem größeren Abstand kleiner. Dieser Begriff der Monotonie entspricht dem in der Mathematik gebräuchlichen.
Je weiter außen ein vorgegebener Punkt auf der Schneidkantenfase ist, je größer also der Abstand von der Längsachse ist, desto höher ist die Schnittgeschwindigkeit in diesem Punkt beim Bohren. Eine vektorielle Betrachtung der Geschwindigkeitskom ponenten, wie sie weiter unten diskutiert wird, zeigt, dass der Wirk-Orthogonalfreiwinkel a oe so mit möglichst hoher Näherung konstant bleibt.
Eine besonders effektive Dämpfung ergibt sich im Ratterfall, wenn der Frei- winkel in Abhängigkeit von einem Abstand zur Längsachse zumindest ab- u f f o l g t , d e r d u r c h d i e F o r m e l beschreibbar ist, wobei für alle Abstände
R s(R) e [-1 °, ...1 °] gilt. Der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel der Schneidkantenfase α 0, ι der Schneidkantenfase und der Ziel-Wirk- Orthogonalfreiwinkel a oe der Schneidkantenfase werden in der Werkzeug- Orthogonalebene P 0 gemessen.
In dieser Formel ist a oe ein Ziel-Wirk-Orthogonalfreiwinkel, der insbesondere größer oder gleich 0° ist. Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn dieser Winkel höchstens 2° beträgt. Besonders günstig sind Werte von höchstens 1 °. Der Ziel-Wirk-Orthogonalfreiwinkel a oe hängt von der Kinematik des Bohrprozesses ab, in dem der Bohrer, eingesetzt werden soll . Da aber die meisten Bohrer für eine bestimmte Art von Verfahren ausgebildet sind, beispielsweise hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Drehzahl und damit Umfangsgeschwindigkeit am äußersten Punkt, und Vorschubgeschwindigkeit, lässt sich aus diesen Auslegungsgrößen der Winkel a oe bestimmen. Bei der Größe R Ch ar handelt es sich um eine charakteristische Länge, die ebenfalls von der Kinematik des späteren Bohrprozesses abhängt. I nsbesondere beträgt die charakteristische Länge höchstens 1 Millimeter, insbesondere höchstens 0,5 Millimeter. Für die Verwirklichung des oben genannten Merkmals ist die genaue Kenntnis des Wirk-Orthogonalfreiwinkels a oe und der charakteristischen Länge R Ch ar irrelevant, maßgeblich ist lediglich, dass Konstanten in Form von a oe u nd R Ch ar existieren, für die der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel α 0, ι dem angegebenen Verlauf folgt. Bei der Größe s(R) handelt es sich um eine tolerierbare Abweichung. Besonders günstig ist es, wenn ε = 0° für alle R gilt. Kleine Abweichungen sind aber möglich, so dass s(R) e [-1 °, ...1 °] gelten kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Schneidkantenfase eine in der Werkzeug-Orthogonalebene P 0 gemessene Breite b von zumindest 10 μηι . Bei klei neren Fasen ergibt sich lediglich eine schwache Dämpfung. Kleinere Breiten der Schneidkantenfase sind daher möglich, aber wenig vor- teilhaft. Besonders vorteilhaft sind Breiten von Schneidkantenfasen von zumindest 125 μηι.
Günstig ist es, wenn die Schneidkantenfase eine in der Werkzeug- Orthogonalebene P 0 gemessene Breite b von höchstens 300 μηι hat. Bei breiteren Schneidkantenfasen ergibt sich ansonsten eine hohe Reibung, wenn in Metall gebohrt wird. Das kann zu einem erhöhten Verschleiß und zu einer erhöhten Temperaturbelastung des Werkstücks und des Bohrers führen, was unerwünscht ist. Dennoch sind breitere Schneidkantenfasen zumindest denkbar.
Die Breite b der Schneidkantenfase kann entlang der Schneide konstant sein, das ist aber nicht notwendig.
Auch mit Bezug auf die erfindungsgemäße Verwendung ist der Wirk-Ortho- gonalfreiwinkel a oe vorzugsweise größer als 0°. Besonders günstig ist es, wenn der Wirk-Orthogonalfreiwinkel höchstens 2° beträgt. Die tolerierbare Abweichung ε ist vorzugsweise größer als minus 0,5° und oder kleiner als
0,5°. Die angegebene Formel gibt den ersten Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel der Schneidkantenfase in Abhängigkeit vom Abstand beziehungsweise Radius R von der Längsachse für jeden Punkt der Schneidkantenfase an. Wie oben bereits beschrieben, hängt der Zahnvorschub f z von der Drehzahl des Bohrers und der Vorschubgeschwindigkeit ab. Die Zähnezahl z hingegen ist beim Bohrer vorgegeben. Wird der Bohrer mit den angegebenen Kennzahlen in ei nem Bohrprozess eingesetzt, so dass sich der Zahnvorschub f z ergibt, so führt dies zu einem besonders schwingungs- und ratterarmen Bohrprozess. In einem erfindungsgemäßen Bohrverfahren werden die Drehzahl und die Vorschubgeschwindigkeit so gewählt, dass der Wirk-Orthogonalfreiwinkel zumindest zeitweise kleiner ist als 5°. Insbesondere werden die Drehzahl und die Vorschubgeschwindigkeit so gewählt, dass der Wirk- Orthogonalfreiwinkel kleiner ist als 3°, insbesondere kleiner als 2°. Besonders günstig ist es, wenn der Wirk-Orthogonalfreiwinkel zumindest zeitweise kleiner ist als 1°, insbesondere kleiner als 0,5°. Eine derartige Wahl von Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit ermöglicht hohe Zeitspanvolumina bei gleichzeitig geringer Ratterneigung.
Unter dem Merkmal, dass der Wirk-Orthogonalfreiwinkel zumindest zeitweise kleiner ist als der angegebene Winkel, wird insbesondere verstanden, dass dieser Wirk-Orthogonalfreiwinkel zumindest gelegentlich erreicht wird. Insbesondere können die Drehzahl und die Vorschubgeschwindigkeit so gewählt werden, dass in der Mehrzahl der Bearbeitungsfälle kein Rattern auftritt. Kommt es zum Rattern, kann die Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden, so dass der Wirk-Orthogonalfreiwinkel sinkt, beispielsweise auf einen Wert von unter 0,5°, teilweise sogar auf einen Wert von 0° und kleiner, so dass das Rattern unterdrückt wird. Aus der Natur eines Bearbeitungsprozesses folgt, dass dieser Zustand nur kurzfristig andauert, nämlich solange, bis das Rattern unterbunden ist. In der Regel wird danach der Vorschub reduziert, um das Werkzeug zu schonen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bohrverfahren die Schritte eines Erfassens, ob Rattern vorliegt, und bejahendenfalls eines Veränderns der Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Drehzahl, so dass zumindest an einer Stelle entlang der Schneidkantenfase der Wirk- Orthogonalfreiwinkel höchstens 1° beträgt. Insbesondere wird die Vorschubgeschwindigkeit so erhöht, dass der Wirkfreiwinkel höchstens 0,5°, noch weiter bevorzugt höchstens 0° beträgt. Dadurch wird, wie oben beschrieben, das Rattern effektiv unterdrückt. Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren die Schritte, dass nach dem Erhöhen der Vorschubgeschwindigkeit aufgrund von Rattern erneut kontinuierlich erfasst wird, ob Rattern vorl iegt und die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Drehzahl verändert werden, so dass zumindest an einer Stelle außerhalb des Kerns der Wirk-Orthogonalfreiwinkel sich vergrößert.
Die Erfahrung des Fachmannes zeigt, dass Bohrer mit einem hohen Verhältnis von Bohrerlänge zu Bohrerdurchmesser herkömmlich auch eine be- sonders große Neigung zum Rattern zeigen. Dies gilt insbesondere für Bohrer mit einem Verhältnis von Bohrerlänge zu Bohrerdurchmesser von mehr als 10, insbesondere von mehr als 15.
Das bedeutet im Umkehrschluss, dass bei diesen Bohrern mit einem beson- ders hohen Verhältnis von Bohrerlänge zu Bohrerdurchmesser auch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einen überdurchschnittlich großen Effekt hat. Ein Einsatz der Erfindung gerade bei diesen Bohrwerkzeugen ist mithin besonders sinnvoll und effektiv und hat mithin einen besonders auffallenden und relevanten Einfluss auf die Standzeit des Bohrwerkzeuges und die Re- duzierung des anfallenden Lärmes.
Auch bei Bohrwerkzeugen mit einem geringeren Verhältnis von Bohrerlänge zu Bohrerdurchmesser sind aber die Vorteile der Erfindung zu beobachten. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Zeichnung sowie der zugehörigen Figurenbeschreibung erörtert. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die hier benutzten Bezeichnungen für die Winkel und Ebenen an Bohrwerkzeugen richten sich nach der DI N 6581„Bezugssysteme und Winkel am Schneidteil des Werk- zeuges" beziehungsweise der ISO 3002/1 „Basic quantities in cutting and grinding - Part 1 ; Geometry of the active part of cutting tools - General terms, reference Systems, tool and working angles, chip breakers".
Dabei zeigt
Figur 1 mit den
Teilfigurenl a, 1 b, 1 c schematisch einen herkömmlichen Bohrer mit den relevanten Größen,
Figur 2 mit den Teilfiguren 2a, 2b einen erfindungsgemäßen Bohrer mit den relevanten Größen,
Figur 3 mit den Teil- figuren 3a, 3b und 3c verschiedene Schnitte an unterschiedlichen radialen Positionen des erfindungsgemäßen Bohrers,
Figur 4 den Verlauf des ersten Werkzeug-
Orthogonalfreiwinkels (Fasenwinkels) α 0, ι bei einem erfindungsgemäßen Bohrer für verschiedene Zahnvorschübe f-
Figur 5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bohrmaschine, und
Figur 6 mit den Teilfiguren 6a, 6b und 6c verschiedene Schnitte ähnlich der Figur 3. Figur 1 a zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Bohrer 10 in Form eines Wendelbohrers, der z = 2 Zähne und damit einen ersten Wendel 12.1 und einen zweiten Wendel 12.2 aufweist. Der Bohrer 10 besitzt eine erste Schneidkante 14.1 und eine zweite Schneidkante 14.2, die gemäß einer anderen Nomenklatur aber auch als Teile einer gemeinsamen Schneidkante aufgefasst werden können.
Es ist zu erkennen, dass ein Abstand R von der Längsachse L, der auch als lokaler Radius bezeichnet werden könnte, sich bis zu einer Außenkante erstreckt, wo dieser Abstand den Wert eines maximalen Abstands R max einnimmt. Der Bohrer bewegt sich mit der Vorschubgeschwindigkeit v f in das Werkstück. Die Vorschubgeschwindigkeit ergibt sich aus dem Produkt des Zahnvorschubs f z , der Zähnezahl z und der Drehzahl n: v f = f z z n. Die Pro- jektion der Vorschubgeschwindigkeit v f auf die Werkzeug-Orthogonalebene P 0 ergibt die Geschwindigkeit v f0 .
Figur 1 b zeigt eine Ansicht gemäß der Ebene A-A in Figur 1 a. Der Bohrer 10 ist eingerichtet, um mit einer Drehzahl n (in Umdrehungen pro Sekunde) gedreht zu werden . I n diesem Fall resultiert eine Schnittgeschwindigkeit v c (R), die vom Abstand R von der Längsachse abhängt. Das ist durch die drei unterschiedlich langen Geschwindigkeitsvektoren angedeutet. In unmittelbarer Umgebung einer Längsachse L besitzt der Bohrer 10 einen Kern 16. Figur 1 c zeigt die kinematischen Verhältnisse an der scharfen Schneidkante in der Schnittebene B-B. Diese Ebene ist die Werkzeug-Orthogonalebene P 0 . Diese Ebene ist eine Ebene durch den ausgewählten Schneidenpunkt parallel zur Schnittrichtung. Es ist zu erkennen, dass sich die Schnittgeschwindigkeit v c (R) vektoriell zur Vorschubgeschwindigkeit v f (beides in Län- ge pro Zeiteinheit) addiert. Es resultiert eine Wirkgeschwindigkeit v e (R), die vom Abstand R des betreffenden Punktes von der Längsachse abhängt. v oe ist die auf Werkzeug-Orthogonalebene P 0 projizierte Wirkgeschwindigkeit. Je größer der Abstand R, desto größer ist die Schnittgeschwindigkeit v c, die Vorschubgeschwindigkeit v f bleibt hingegen konstant. Auf der rechten Seite des Bildes ist gezeigt, dass der Wirk-Orthogonalfreiwinkel a oe aus diesem Grund ebenfalls vom Abstand R abhängt und daraus und aus dem Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel a 0 berechnet werden kann. In Figur 1 c ist zudem die Werkzeug-Schneidenebene P s , die Wirk-Schneidenebene P se , sowie die Hauptfreifläche A a angetragen.
Figur 2a zeigt ein erfindungsgemäßes Bohrwerkzeug in Form eines erfind ungsgemäßen Boh rers 1 0 m it ei ner Sch neid kantenfase 1 8. 1 an der Schneidkante 14.1 . Die Schneidkantenfase 18 hat eine Breite b von im vorliegenden Fall 150 μηι, also 0, 15 mm. Die zweite Schneidkante 14.2 besitzt ebenfalls eine Schneidkantenfase, die aber aufgrund der Perspektive in Figur 2a nicht zu sehen ist. Figur 2b zeigt eine Ansicht des Bohrers 10 von unten, so dass die beiden Schneidkantenfasen 18.1 und 18.2 erkennbar sind. Die Schneidkanten 14.1 , 14.2 verlaufen gekrümmt. Es sind aber auch gerade Schneidkanten möglich. Eingezeichnet ist zudem ei ne Schneidkantenlänge S2 der Schneidkante 14.2.
Figur 2a zeigt zudem drei Positionen auf der Schneidkante 14.2 mit den Abständen R 1 f R 2 und R 3 , die jeweils voneinander verschieden sind. Figur 2b zeigt die zugehörigen Werkzeug-Orthogonalebenen P 0, i , P 0, 2 und P 0,3 , die in den jeweiligen Abständen R 1 f R 2 und R 3 die Schneidkante 14.2 schneiden und in diesen Punkten senkrecht auf der Schneidkante 14.2 und parallel zur Schnittrichtung stehen. Bezüglich der angegebenen Ebenen P 0, i werden, wie weiter unten beschrieben, die jeweiligen ersten Werkzeug- Orthogonalfreiwinkel (Fasenwinkel) a 0, i (Ri) an der Stelle mit dem Abstand R, bestimmt.
Figur 3a zeigt einen Schnitt durch die Schneidkante 14.1 im Abstand (also bezüglich der Ebene P 0, i , vgl. Figuren 2a, 2b). Die erste Hauptfreifläche Α α, ι (Schneidkantenfase) 18 bildet mit der Werkzeug-Schneidenebene P s in d e r W e r kzeug-Orthogonalebene P 0, i den ersten Werkzeug- Orthogonalfreiwinkel a 0, i (Ri) , der auch als Fasenwinkel bezeichnet werden könnte. Die Schneidkantenfase 18 hat die Breite b, die in Schnittrichtung gemessen wird. Hinter der Schneidkantenfase 18 beginnt die zweite Haupt- freifläche A a 2 20. Die zweite Hauptfreifläche A a 2 20 bildet mit der Werkzeug- Schneidenebene P s i n de r Werkzeug-Orthogonalebene P 0, i den zweiten Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel a 0, 2.
Figur 3b zeigt einen Schnitt bezüglich der Ebene P 0, 2, deren Schnittpunkt mit der Schneidkante den Abstand R 2 von der Längsachse L hat. Es ist zu erkennen, dass der erste Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel a 0, i (R2) kleiner ist als beim kleineren Abstand R^ Der zweite Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel a 0, 2 ist hingegen der gleiche. Das ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Figur 3c zeigt einen Schnitt bezüglich der Ebene P 0,3 im Abstand R 3 .
Figur 4 zeigt die Abhängigkeit des ersten Werkzeug-Orthogonalfreiwinkels α 0, ι vom Radius R für drei verschiedene Zahnvorschübe f z . Dieser folgt der
Gleichung a 0 1 (R) = a oe + ^ der Wirk-Orthogonal- freiwinkel a oe als 1 ° gesetzt wurde, der Zahnvorschub f z wurde als f z = 0, 1 mm, f z = 0,2 mm und f z = 0,3 mm gesetzt, die Zähnezahl als z = 2 und der Spitzenwinkel als σ = 120°.
Figur 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Bohrmaschine 22 mit ei- nem erfindungsgemäßen Bohrer 10, der an einer Spindel 24 befestigt und von dieser per Motor drehbar ist. Die Spindel wird von einer elektrischen Steuerung 26 gesteuert. Die Steuerung 26 ist eingerichtet zum Ansteuern der Spindel 24, so dass diese sich mit einer Drehzahl n dreht und mit einer Vorschubgeschwindigkeit v f auf ein Werkstück 28 zu bewegt.
Die Bohrmaschine 22 umfasst zudem einen Sensor 30, der beispielsweise einen Ankerstrom der Spindel 24, eine Kraft oder ein Mikrofon 32 aufweist. Kommt es zum Rattern, so wird dies durch den Sensor 30 und/oder 32 er- fasst und, beispielsweise über eine Funkschnittstelle 34 an die Steuerung 26 geleitet. Auch andere Schnittstellen sind aber denkbar, maßgeblich ist ledig- lieh, dass die Steuerung 26 das Rattern erkennen kann.
Wird ein Rattern erfasst, so erhöht die Steuerung 26 die Vorschubgeschwindigkeit v f . Alternativ oder additiv kann auch die Drehzahl n herabgesetzt werden, Das geschieht so lange, bis der Wirk-Orthogonalfreiwinkel a oe , der oben in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben worden ist, so klein geworden ist, dass das Rattern effektiv gedämpft wird. Erfasst die elektrische Steuerung 26 dies, so kann vorgesehen sein, dass diese die Drehzahl wieder erhöht und/oder die Vorschubgeschwindigkeit v f vermindert. Als geeigneter Wert hat sich für das Bohren in Aluminium ein Wirk- Orthogonalfreiwinkel a oe von 0 bis 3° herausgestellt.
Der Spitzenwinkel σ ist in Figur 1 a eingezeichnet. Fehlt zur Bestimmung des Spitzenwinkels der Bezug zur gegenüberliegenden Schneide, z. B. bei Bohr- Werkzeugen mit nur einer Schneide oder bei Bohrwerkzeugen mit Ungleichteilung oder bei Bohrwerkzeugen mit unterbrochenen oder asymmetrischen Schneiden, so wird der Spitzenwinkel durch den doppelten Winkel zwischen der Tangente an der Schneidkante und der Längsachse des Bohrwerkzeugs bestimmt.
In der Figur 6 sind verschiedene Schnittdarstellungen ähnlich der Figur 3 dargestellt, um zusätzlich die Begriffe spanflächenseitig und freiflächenseitig zu erläutern. Dabei zeigt die Figur 6a eine scharfe Schneidkante 14. An die Schneidkante schließt sich eine Spanfläche Α γ an. Der Winkel γ 0 ist der Werkzeug-Orthogonalspanwinkel. Auf der anderen Seite der Schneidkante 14 sieht man eine Freifläche 20 oder auch Freifläche A a .
In der Figur 6b ist eine alternative Mögl ichkeit dargestellt, bei der die Schneidkante 14 eine zweigeteilte Freifläche 18, 20 besitzt, die zwei unterschiedliche Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel α 0, ι und a 0,2 aufweist.
Die Spanfläche 35 ist ungeteilt. Schließlich ist in der Figur 6c eine Schneidkante 14 mit ungeteilter Freifläche 20 mit einem Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel a 0 sowie einer zweigeteilten Spanfläche mit einer Spanflächenfase zwischen einer ersten Spanfläche 36 und einer zweiten Spanfläche 35 dargestellt. Die erste Spanfläche 36 weist einen negativen Werkzeug-Orthogonalspanwinkel γ 0, ι zur Vertikalen auf, die zweite Spanfläche 35 weist dagegen einen positiven Werkzeug-Orthogonalspanwinkel γ 0,2 zur Vertikalen auf.
Es sei angemerkt, dass in dem Moment, wo der Winkel γ 0, ι in der Figur 6c kleiner wird als -90°, in Konsequenz dann die Spanflächenfase zu einer Frei- flächenfase wird.
Ebenso sei angemerkt, dass im Falle der Figur 6b dann, wenn der Winkel α 0, ι kleiner als 0° wird, dementsprechend die dort eingezeichnete Freiflächenfase zu einer Spanflächenfase wird.
Bezugszeichenliste
10 Bohrer
12 Wendel
14 Schneidkante
16 Kern
18 erste Hauptfreifläche (Schneidkantenfase)
20 zweite Hauptfreifläche beziehungsweise Freifläche 22 Bohrmaschine
24 Spindel
26 Steuerung
28 Werkstück
30 Sensor
32 Sensor
34 Funkschnittstelle
35 Spanfläche beziehungsweise zweite Spanfläche
36 erste Spanfläche z Zähnezahl
R radialer Abstand von der Längsachse L
n Drehzahl
ot oe Wirk-Orthogonalfreiwinkel
a 0 Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel
α 0, ι erster Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel
a 0, 2 zweiter Werkzeug-Orthogonalfreiwinkel γ 0 Werkzeug-Orthogonalspanwinkel
γ 0, ι erster Werkzeug-Orthogonalspanwinkel y 0 ,2 zweiter Werkzeug-Orthogonalspanwinkel
A a Hauptfreifläche
Α α, ι erste Hauptfreifläche
A a 2 zweite Hauptfreifläche L Längsachse
P 0 Werkzeug-Orthogonalebene
v c (R) Schnittgeschwindigkeit bei einem radialen Abstand R von der
Längsachse der Bohrers
v f Vorschubgeschwindigkeit
Vf 0 auf die Werkzeug-Orthogonalebene P 0 projizierte Vorschubgeschwindigkeit
v e Wirkgeschwindigkeit
v oe auf die Werkzeug-Orthogonalebene P 0 projizierte Wirkgeschwin- digkeit
b Fasenbreite
S Schneidkantenlänge
σ Spitzenwinkel
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