Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines Werkzeuges und ein mit dem Verfahren hergestelltes Werkzeug.

Aus der DE 10 2009 036 285 A1 ist bekannt an einem Werkzeug in Form eine Bohrers den Bohrkopf an einem Bohrgewinde zu verschweißen.

Es ist Aufgabe der Erfindung das bekannte Verfahren zu verbessern.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Fertigung eines Werkzeuges die Schritte Erhitzen einer Verbindungsfläche eines ersten metallischen Körperteils, an dem ein Werkzeugkopf angeordnet ist, auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisierungstennperatur; Erhitzen einer

Verbindungsfläche eines zweiten metallischen Körperteils auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisierungstennperatur und Verpressen der beiden metallischen Körperteilen an ihren erhitzten Verbindungsflächen, bis die Temperatur an den Verbindungsflächen auf eine Temperatur unterhalb der

Rekristallisierungstennperatur abgesunken ist.

Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass das erste metallische Körperteil des eingangs genannten Werkzeugs mit dem Werkzeugkopf formschlüssig am zweiten metallischen Körperteil mit dem Bohrgewinde gehalten werden muss, um Drehmomente während des Betriebs einer Bohrmaschine mit dem Werkzeug aufnehmen zu können. Die Stabilität einer Schweißnaht wäre hier nur unzureichend, um diesen Drehmomente für einen sicheren und langlebigen Betrieb einen ausreichenden mechanischen Widerstand zu bieten. Dieses Problem stellt sich bei allen derartig funktionierenden Werkzeugen, wie Schraubendrehern, Windeisen, etc. Hier greift die vorliegenden Erfindung mit dem Vorschlag an, die beiden

metallischen Körperteile nicht durch Schweißen, sondern durch Pressverschweißen miteinander zu verbinden. Der Vorteil des Pressverschweißens ist, dass die beiden metallischen Körperteile hier flächig miteinander verbunden werden, jedoch zwischen den beiden metallischen Körperteilen die gleiche Materialverbindung hergestellt werden kann, wie beim klassischen Schweißen. Auf diese Weise können die beiden metallischen Körperteile ohne weitere Verbindungstechniken wie

Formschlussverbindungen ausreichend stabil hergestellt werden, um Drehmomente im Betrieb des Werkzeuges aufzunehmen. In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird das erste metallische Körperteil vor dem Erhitzen seiner Verbindungsfläche gesintert. Auf diese Weise kann das erste metallische Körperteil optimal an die Funktion angepasst werden, die das Werkzeug später auszuführen hat. Beispielweise kann das erste metallische Körperteil mit einem Bohrkopf gesintert werden. Insbesondere Bohrköpfe für Stein- und Betonbohrer haben eine Struktur, die sich mit klassischen spanabhebende Fertigungsverfahren für

rotationssymmetrische Teile, wie beispielsweise Fräsen, nur bedingt kostengünstig herstellen lassen. Andererseits ist das Herstellen des gesamten Bohrers durch Sintern ebenfalls herstellungstechnisch suboptimal. Durch das getrennte Herstellen der beiden metallischen Körperteile des Werkzeuges und des anschließenden Verbindens beider Körperteile mittels pressverschweißen, können beide Körperteile mit einem optimalen Fertigungsverfahren hergestellt und anschließend ohne größeren Herstellungs- und Fertigungsaufwand miteinander verbunden werden.

Alternativ kann erste metallische Körperteil auch mit anderen

Urformgebungsverfahren, wie beispielsweise 3D-Druck hergestellt werden. Dies hat den Vorteil, das sich der Werkzeugkopf mit einer Vielzahl verschiedener

Legierungen herstellen lässt, die sich optimal an die Verwendung des

Werkzeug kopfes anpassen lassen. Gerade beim 3D-Druck ist die Wahl der verwendeten Legierung grundsätzlich völlig beliebig. In einer besonderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren ferner den Schritt Fertigen des zweiten metallischen Körperteils vor dem Erhitzen seiner Verbindungsfläche mit einem spanabhebenden Fertigungsverfahren. Das

spanabhebende Fertigungsverfahren kann beispielsweise ein Fräsverfahren sein, mit dem ein Bohrgewinde in eine Mantelseite des zweiten metallischen Körperteils gefräst wird.

In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren ferner die Schritte Erhitzen einer weiteren Verbindungsfläche des zweiten metallischen Körperteils gegenüber des ersten metallischen Körperteils auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisierungstennperatur, Erhitzen einer Verbindungsfläche eines dritten metallischen Körperteils auf eine Temperatur oberhalb der

Rekristallisierungstennperatur und Verpressen des zweiten metallischen Körperteils und des dritten metallischen Körperteils an den erhitzten Verbindungsflächen, bis die Temperatur an den Verbindungsflächen auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisierungstennperatur abgesunken ist.

Im Falle des zuvor angegebenen Bohrers als Werkzeug könnte dieses dirtte metallische Körperteil beispielsweise eine Adapterstück, wie ein SDS-Adapterstück, zum Einsetzen in einer Werkzeugaufnahme sein. Auch das dritte metallische Körperteil kann wie das erste metallische Körperteil gesintert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Werkzeug durch eines der angegebene Verfahren hergestellt. Das Werkzeug kann beispielsweise ein Bohrer sein.

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Bohrmaschine, Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Bohrers für die Bohrmaschine der Fig. 1 , und

Fig. 3a einen schematischen Ablauf zum Pressverschweißen zweier metallischer Körperteile des Bohrers der Fig. 2, Fig. 3b eine schematische Zeichnung für einen Weg eines Lasers auf einem metallischen Körperteil während des Pressverschweißens der Fig. 3a, und

Fig. 3c ein Diagramm, zum Erläutern des Energieeintrages über die Zeit in dem metallischen Körperteil der Fig. 3b zeigen.

In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben. Die Figuren sind rein schematisch und geben vor allem nicht die tatsächlichen geometrischen Verhältnisse wieder.

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht einer

Bohrmaschine 2 zeigt.

Die Bohrmaschine 2 umfasst ein durch eine Strich-Punkt-Linie angedeutetes Gehäuse 4, in welchem ein Elektromotor 6 zum Antrieb einer Antriebswelle 8 aufgenommen ist. Die Antriebswelle 8 treibt über ein an sich bekanntes Getriebe 10 eine Abtriebswelle 12 auf deren dem Getriebe 10 gegenüberliegendes Ende eine Werkzeugaufnahme in Form eines Spannfutters 14 aufgesetzt ist. Durch axiales Verschieben 16 der Abtriebswelle 12 können verschiedene Übersetzungsstufen des Getriebes 10 eingestellt werden.

Der Elektromotors 6 dreht die Antriebswelle 8, die über das Getriebe 10 die

Abtriebswelle 12 und damit das Spannfutter 14 dreht. Zur Ausösung dieser

Drehbewegung und zum Einschalten des Elektromotors 18 ist an der

Bohrmaschine 2 ein Einschalters 18 vorhanden. Die Funktionsweise der

Bohrschmaschine 2 ist grundsätzlich bekannt, weshalb auf eine detallierte

Darstellung verzichtet wird.

In dem Spannfutter 14 ist ein Werkzeug in Form eines Bohrers 20 eingespannt, der in der Darstellung der Fig. 1 abgebrochen zu sehen ist. Mit der Drehung des Spannfutters 14 wird der Bohrer 20 gedreht und kann so in an sich bekannter Weise in ein nicht weiter gezeigtes Rohmaterial ein Bohrloch schneiden.

Auf den Bohrer 20 soll nachstehend anhand von Fig. 2 näher eingegangen werden. Der Bohrer 20 umfasst ein erstes metallisches Körperteil 22, ein am ersten metallischen Körperteil 22 befestigtes zweites metallisches Körperteil 24 und ein drittes metallisches Körperteil 26, das am zweiten metallischen Körperteil 24 gegenüber des ersten metallischen Körperteils 22 befestigt ist. Die drei

Körperteile 22 bis 26 bilden einen im Wesentlichen stangenförmigen Grundkörper, der rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse 27 ausgebildet ist.

Am ersten metallischen Körperteil 22 ist ein Bohrkopf 28 angeordnet, der durch zwei Meiseischneiden 30 und eine Bohrspitze 32 gebildet ist. Mit die Bohrspitze 32 wird beim Bohren zur Zentrieung in das Rohmaterial gedrückt während die beiden Meiseischneiden 30 mit der Drehung des Bohrers 20 das Material in dem zu fertigenden Bohrloch herauskratzen.

Am zweiten metallischen Körperteil 24 ist in die Mantelseite 33 des

stangenförmigen Grundkörpers ein Bohrgewinde 34 eingeformt, das das von den Meiseischneiden 30 herausgekratzte Material aus dem Bohrloch abführt und so Raum für neues Material zum Herauskratzen im Bohrloch schafft. Auf diese Weise kann der Bohrer 20 immer tiefer in das Rohmaterial vordringen. Am dritten metallischen Körperteil 26 ist ein Halteelement 36 angeordnet, über dem der Bohrer 20 im Spannfutter 14 gehalten werden kann. Die Ausführung des Halteelementes 36 hängt davon ab, mit welchem Mechanismus es im

Spannfutter 14 gehalten wird. In der vorliegenden Ausführung ist das

Halteelement 36 für ein sogenanntes Special Direct System, kurz SDS genannt, ausgeführt. Zum Halten des Bohrers 20 in einem derartigen Mechanismus umfasst das Halteelement 36 zwei von an der Rotationsachse 27 gegenüberliegende Führungsnuten 37, von denen in der Perspektive der Fig. 2 nur eine zu sehen ist. Ferner umfasst das Halteelement 36 zwei an der Rotationsachse 27

gegenüberliegende Rastausnehmungen 38. Beim Einsetzen des Bohrers 20 in das Spannfutter 14 der Bohrmaschine 2 wird der Bohrer 20 an den Führungsnuten 37 über zwei nicht gezeigte Führungsnasen geführt. Ist der Bohrer 20 tief genug in das Spannfutter 14 eingeführt, verrastet er dort, indem zwei ebenfalls nicht zu sehende Rastelemente des Spannfutters 14 in die Rastausnehmungen 38 eingreifen. Das Special Direct System ist an sich bekannt und soll daher nicht detaillierter beschrieben werden. Zur Herstellung des Bohrers 20 werden der erste metallische Körperteil 22 und das dritte metallische Körperteil 26 durch Sintern oder per 3D-Druck hergestellt.

Insbesondere für den Bohrkopf 28 lässt sich so die erforderliche hohe mechanische Härte zum Bohren eines Rohmaterials aus Stein und Beton in einfacher Weise erreichen. Demgegenüber wird das zweite metallische Körperteil 24 getrennt von den beiden anderen metallischen Körperteilen 22, 26 dadurch hergestellt, dass in die Mantelseite 33 eines rundstabförmigen Grundkörperteils die Bohrgewinde 34 spanabhebend beispielsweise durch Fräsen eingeformt werden. Auf diese Weise lassen sich für das Bohrgewinde kostengünstig Formen beispielsweise mit

Hinterschnitten realisieren, die durch Sintern nicht so einfach realisierbar wären. Die Verwendung des 3D-Druckes hat den Vorteil, dass für den Bohrkopf 28

Materialien oder Legierungen ohne grundsätzliche Einschränkungen gewählt werden können. Die so hergestellten Körperteile 22, 24, 26 werden abschließend durch

Pressschweißen miteinander verbunden und sind dann über

Pressschweißverbindungen 39 aneinander gehalten.

Ein mögliches Pressschweißverfahren zur Verbindung der drei Körperteile 22, 24, 26 soll nachstehend anhand von Fig. 3a bis 3c beispielhaft an der Verbindung des ersten Körperteils 22 und des zweiten Körperteils 24 näher beschrieben werden.

Während des Pressschweißvorgangs sind die zu verbindenden metallischen Körperteile 22, 24 in je einem Spannfutter 41 gehalten, wobei das erste metallische Körperteil 22 mit einem ersten Laser 42 und das zweite metallische Körperteil mit einem zweiten Laser 43 aus je einer an sich bekannten Scanneroptik 35 zur Erzeugung des jeweiligen Lasers 42, 43 erhitzt werden.

In dem in Fig. 3a gezeigten Verfahren zum Pressverschweißen der beiden metallischen Körperteile 22, 24 arbeiten die beiden Laser 42, 43 über Kreuz. Das heißt, dass der erste Laser 42 das zweite metallische Körperteil 24 erhitzt und der zweite Laser 43 das metallische Körperteil 22 erhitzt. Hierfür weisen erste metallische Körperteil 22 und das zweite metallische Körperteil 24 entsprechend einen ersten Verbindungsabschnitt 47' mit einer ersten Verbindungsfläche 47 beziehungsweise einen zweiten Verbindungsabschnitt 48' mit einer zweiten Verbindungsfläche 48 auf. In Fig. 3a werden die beiden metallischen Körperteile 22, 24 unmittelbar an den Verbindungsflächen 47, 48 erhitzt und durch Verpressen zusammengeführt.

Zum Erhitzen der Verbindungsflächen 47, 48 werden zunächst die beiden

Scanneroptiken 35 auf die entsprechenden metallischen Körperteile 22, 24 ausgerichtet. Ziel der Ausrichtung ist es, dass ein Arbeitsbereich 44 jeder

Scanneroptik 35 überschneidungsfrei mit dem jeweils anderen, nicht zu erhitzenden metallischen Körperteil 22, 24 platziert wird, so dass vermieden wird, dass sich die metallischen Körperteile 22, 24 gegenüber den Lasern 42, 43 gegenseitig abschatten. In Fig. 3a ist zur Verdeutlichung mit gestrichelten Linien und

Apostrophen an den Bezugszeichen eine Lage der Scanneroptiken 35 angedeutet, in dem sich die metallischen Körperteile 22, 24 in einem Teilbereich des

Arbeitsbereiches 44 der Scanneroptiken 35 gegenseitig abschatten. Nach der Positionierung der der Scanneroptiken 35 beginnt ein

Bestrahlungsvorgang. Hierbei bestrahlen die auf die metallischen Körperteile 22, 24 ausgerichteten Scanneroptiken 35, 36 deren Verbindungsflächen 47, 48

kreuzweise mit den entsprechenden Lasern 42, 43 und erhitzen so die

Verbindungsfläche 47, 48 des jeweiligen metallischen Körperteils 22, 24 auf eine Temperatur oberhalb ihrer Rekristalisierungstemperaturen. Die

Rekristallisierungstemperatur ist materialabhängig. Stahl weist beispielsweise eine Rekristallisierungstemperatur auf, die zirka 600°C bis 700°C abhängig von

Legierungsbestandteilen und dem vorhandenen Gefügezustand beträgt. Die Erwärmung darf hierbei jedoch nicht über der Schmelztemperatur des jeweiligen metallischen Körperteils 22, 24 liegen, weil das metallische Körperteil 22, 24 sonst lokal beschädigt und der Pressverschweißvorgang beeinträchtigt werden könnte.

Um die metallischen Körperteile 22, 24 an ihrern Verbindungsflächen 47, 48 flächig zu erhitzen, fahren die Scanneroptiken 35 mit den Lasern 42, 43 die

Verbindungsflächen 47, 48 innerhalb des Arbeitsbereiches 44 in Kurven ab. Das heißt, die Laser 42, 43 werden relativ zu den jeweiligen Verbindungsflächen 47, 48 bewegt. Um diese relative Bewegung zu realisieren können alternativ oder zusätzlich auch die metallischen Körperteile 22, 24 bewegt werden, was in Fig. 3a durch eine Drehbewegung 62 um die Rotationsachse 27 der metallischen

Körperteile 22, 24 angedeutet ist. In Fig. 3b ist als Beispiel dieser Kurven eine Spiralkurve 49 gezeigt, die auf der Verbindungsfläche 47 des ersten metallischen Körperteils 22 vom zweiten Laser 43 abgefahren oder gezeichnet wird. Der auf die erste Verbindungsfläche 47

auftreffende zweite Laser 43 erhitzt die erste Verbindungsfläche 47 punktuell. Mit der Bewegung des zweiten Lasers 43 durch die zweite Scanneroptik 36 wandert diese punktuelle Erhitzung entlang der Spiralkurve 49. Grundsätzlich ist eine

Bewegung der Lasers 42, 43 nicht notwendig. Ist ein nicht weiter dargestellter Fokuspunkt der Laser 42, 43 groß genug und deckt die gesamte jeweilige

Verbindungsfläche 47, 48 ab, dann ist eine ausreichende Erwärmung der

metallischen Körperteile 22, 24 an den Verbindungsflächen 47, 48 auf oberhalb der Rekristallisationstemperatur auch ohne eine Bewegung der Laser 42, 43 möglich.

Nachstehend soll die Erhitzung an einem lokalen Punkt 50 auf der ersten

Verbindungsfläche 47 betrachtet werden, wenn der zweite Laser 43 die

Verbindungsfläche 47 des ersten metallischen Körperteils 22 spiralförmig abfährt und erwärmt. Für diesen speziellen Punkt 50 kann die Erhitzung durch den zweiten Laser 43 in zwei Phasen unterteilt werden, die anhand von Fig. 3c näher erläutert werden sollen. In Fig. 3c ist ein Diagramm gezeigt, in dem Wärmeenergie 51 am Punkt 50 über die Zeit 52 aufgetragen ist. Um den Zusammenhang mit dem

Punkt 50 zu verdeutlichen, ist das Diagramm mit dem Bezugszeichen 50' versehen.

Befindet sich der zweite Laser 43 auf der ersten Verbindungsfläche 47 am

Erhitzungspunkt 50, wird die erste Verbindungsfläche 47 in einer

Erhitzungsphase 53 am Erhitzungspunkt 50 durch eine Zufuhr 54 von

Wärmeenergie 51 aufgeheizt. In Fig. 3c sind drei Erhitzungsphasen 53 angedeutet. Das heißt, der zweite Laser 43 überstreift den Erhitzungspunkt 50 drei Mal und fährt die Spiralkurve 49 drei Mal ab. Die Zufuhr 54 von Wärmeenergie 51 ist in Fig. 3c nur in der ersten Erhitzungsphase 53 mit Bezugszeichen angedeutet. Befindet sich der zweite Laser 43 an anderen Punkten der Spiralkurve 49 außerhalb des

Erhitzungspunktes 50 kühlt dieser während Abkühlungsphasen 55 wieder ab, was am Erhitzungspunkt 50 zu einem Verlust 56 an Wärmeenergie 51 führt. Damit sich der Erhitzungspunkt 50 effektiv aufheizt, wenn der zweite Laser 43 die

Spiralkurve 49 einmal komplett abfährt, muss eine Energiedifferenz 57 zwischen der Zufuhr 54 an Wärmeenergie 51 und dem Verlust 56 an Wärmeenergie 51 positiv sein. Nur dann kann effektiv über die gesamte erste Verbindungsfläche 47 eine Erwärmung erreicht werden, die in Fig. 3c durch einen dick gestrichelten Pfeil mit dem Bezugszeichen 58 angedeutet ist.

Die Gesamtdauer einer Erhitzungsphase 53 zusammen mit einer

Abkühlungsphase 55 wird nachstehend Überdeckungsdauer 59 genannt. Der Kehrwert der Überdeckungsdauer 59 wird Überdeckungsfrequenz genannt, die angibt, wie schnell sich der zweite Laser 43 entlang der Spiralkurve 49 bewegt. Die Gesamtdauer aller Erhitzungsphasen 53 zusammen mit allen

Abkühlungsphasen 55 wird nachstehend Erhitzungsdauer 60 genannt.

Die Erhitzungsdauer 60 ist erreicht, wenn auf der ersten Verbindungsfläche 47 auf allen Punkten der Spiralkurve 49 eine Wärmeenergie 51 mit einer Temperatur erreicht ist, die oberhalb der Rekristallisierungstemperatur des ersten Rohteils 45 liegt. In gleicher Weise wie die Erwärmung oder Erhitzung der ersten

Verbindungsfläche 47 erfolgt auch die Erwärmung oder Erhitzung der zweiten Verbindungsfläche 48.

Nachdem die Verbindungsflächen 47, 48 der metallischen Körperteile 22, 24 auf die Temperatur oberhalb der Rekristallisierungstemperatur erhitzt sind, werden die metallischen Körperteile 22, 24 dann über eine Pressvorrichtung in einer

Pressrichtung 62 gegeneinander solange verpresst, bis sich die metallischen Körperteile 22, 24 auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisierungstemperatur wieder abgekühlt haben. Hierbei können an der Verbindungsstelle der beiden metallischen Körperteile 22, 24 Grate 64 entstehen, die beispielsweise

spanabhebend wieder entfernt werden können.

Nachdem die beiden metallischen Körperteile 22, 24 miteinander mechanisch verbunden sind, kann dann in der gleichen Weise das dritte metallische

Körperteil 26 am zweiten metallischen Körperteil 24 pressverschweißt und der Bohrer 20 fertiggestellt werden.

Alternativ zur Pressverschweißung mittels Laser könnten die metallischen

Körperteile 22, 24, 26 auch induktiv pressverschweißt werden.