DE20219753U1

DE20219753U1 - Tieflochbohrer

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Publication number: DE20219753U1
Application number: DE20219753U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2012-12-20
Also published as: WO2004056520A1; DE10394152D2; KR20050085846A; AU2003299279A1; JP2006510492A; US20070065243A1; EP1572406A1; US20050244236A1

Abstract

Tieflochbohrer, bestehend aus drei Abschnitten, einem Bohrkopf (1), einem Schaft (2) und einem Einspannelement (3), wobei der Bohrkopf (1) und der Schaft (2) zumindest eine, vorzugsweise gerade genutete Spannut (5) aufweisen, dadurch gekennzeichnet dass der der Schaft (2) aus einem Hartmetall besteht

Description

Die Erfindung betrifft einen Tieflochbohrer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mit derartigen Tielochbohrer können Bohrungen mit einem Durchmesser von 1,0 bis zu 20 mm mit einem Verhältnis Bohrerlänge zu Durchmesser von bis zu 200 . 1 mit im Einzelfall bis zu 100-mal Durchmesser Hublänge in einem Zug und teilweise sogar ohne Vorbohren gebohrt werden. Solche Werkzeuge werden heute beispielsweise im Motoren- und Schiffbau, insbesondere bei der Herstellung von Kraftstoff-Einspritz-Systemen eingesetzt. Hier besteht die Anforderung, Bohrungen mit sehr kleinen Durchmessern (im Bereich von 1 mm) und dazu im Verhältnis sehr großen Bohrungslängen zu fertigen.
Dabei wird mit geringem Vorschub sogar ins Volle gebohrt. An der Bohrerspitze ist dabei zumindest eine Bohrerschneide(n) ausgebildet, der die eigentliche Schneidfunktion zukommt, während der Schaft das geforderte Drehmoment über die Länge von der Einspannung bis zur ' Bohrerspitze übertragen muss. Daher werden gattungsgemäße Tieflochbohrer aus einem lokal auf die Bohrerspitze begrenzten Bohrkopf und einem sich über die Länge des Bohrers erstreckenden Schaft aus verschiedenen Materialien zusammengefügt. Dabei kann die zumindest eine Bohrerschneide direkt am Bohrkopf ausgebildet sein oder ein Bohrkopf mit angeschraubten Wechsel- oder Wendeschneidplatten zum Einsatz kommen. An Bohrkopf und Schaft werden dabei recht unterschiedliche Anforderungen gestellt. Während beim Bohrkopf besonders Verschleißfestigkeit und Härte im Vordergrund stehen, muss der Schaft eine hohe Zähigkeit und Verwindungssteifigkeit aufweisen. Bisher wurde diesen Anforderungen dadurch Rechnung getragen, dass ein aus Hartmetall bestehendes Bohrkopf auf einen Stahlschaft gelötet wurde.
Zur Herstellung der Stahlschafte für gattungsgemäße Tieflochbohrer stehen dabei zwei Verfahren zur Verfügung:
Bei hohen Anforderungen an Festigkeit, Verwindungssteifigkeit und Schwingungsdämpfung werden Vollmaterial-Stahlrundstäbe eingesetzt, in die gegebenenfalls Innenkühlkanäle eingebohrt und – beispielsweise im Fall eines Einlippen-Tieflochbohrers – die eine Spannut eingebracht wird.
In einer kostengünstigeren, wenn auch weniger belastbaren Variante eines Einlippen-Tieflochbohrers wird zur Herstellung des Bohrerschafts ein Stahlrohr verwendet, in welches eine Lippe eingewalzt wird.
Bei der Fertigung derartiger, bekannter Tieflochbohrern ist die Auswahl an einsetzbaren Schafte somit auf zwei Qualitäts- und Preiskategorien beschränkt. Aufgrund der mannigfaltigen Einsatzgebiete von Tieflochbohrern, beispielsweise bei unterschiedlichsten, zu bohrenden Materialien, ist oft keiner der nach dem bekannten Verfahren hergestellten Schafte für die anzutreffenden Betriebsbedingungen optimal geeignet.
Hiervon ausgehend ist es deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Tieflochbohrer mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß besteht dabei der Schaft aus einem Hartmetall. Dadurch kann die Belastungsgrenze für das erfindungsgemäße Tieflochbohrwerkzeug gegenüber derjenigen bei konventionellen Werkzeugen mit Stahlschaft erheblich angehoben werden und hohe Längen/Durchmesser-Verhältnisse bei guten Vorschubwerten realisiert werden. Heutzutage stehen neben extrem harten Hartmetallen auch solche von hochzäher Konsistenz zur Verfügung, die sich zur Erfüllung der an den Schaft eines Tieflochbohrwerkzeugs gestellten Anforderungen bestens eignen. Hartmetalle bestehen dabei aus metallischen Hartstoffen, die aufgrund ihrer hohen Härte als relativ spröde zu bezeichnen sind, und Bindern oder Bindemetallen vorwiegend der Eisengruppe (Eisen, Kobalt, Zink), die relativ weich und zäh sind und mit denen die Hartstoffe zusammengesintert werden. Auch Mischungen aus Keramik und Metallen (Cermets) sind den Hartmetallen zuzurechnen. Im Hartmetall wird also die hohe Härte und damit Verschleißfestigkeit des metallischen Hartstoffes mit der Zähigkeit eines Bindemetalls verbunden. Je nach Mischungsverhältnis können somit die gewünschten Eigenschaften des Bohrerschafts genau eingestellt werden.
Zwar ist Hartmetall an sich stoßempfindlicher als Stahl. Da beim Tieflochbohren aber außer beim Materialein- und -austritt über weite Strecken konstante Drehmomenten- und Schwingungsbelastungen auftreten, insbesondere da das Anbohren immer mit mit Pilotbohrungen und/oder Führungsbuchsen mit geringem Vorschub erfolgt, reicht das Schockabsorbtionsvermögen eines aus Hartmetall gefertigten Bohrerschafts aus, um die auftretenden Schläge zu ertragen. Erfindungsgemäß gelingt es somit, das technisches Vorurteil zu überwinden, dass nur Stahl als Material der Schafte geeignet ist. Versuche haben gezeigt, dass die hohe Steifigkeit und die gute Schwingungsdämpfung von Hartmetallschaften zu einer hohen Fertigungsgenauigkeit führen.
Mit dem erfindungsgemäß aus Hartmetall bestehenden Bohrerschaft gelingt es ferner, innerhalb eines breiten Einsatzspektrums jeweils für einen bestimmten Einsatzzweck ein besonders dazu passendes Material für den Bohrerschaft auszuwählen. Die Eigenschaften eines konkreten Bohrerschafts können somit für ein konkretes Einsatzgebiet speziell zugeschnitten werden, ohne dabei die Kosten stark variieren zu müssen. Bei der Auslegung des Bohrerschafts ist man also nicht mehr auf die Eigenschaften der beiden bekannten Stahlschaftvarianten beschränkt, so dass der speziell an sein Einsatzgebiet angepasste Bohrer in jedem Einsatzgebiet der Metallbearbeitung bei gleichbleibend niedrigen Kosten besonders hohe Standzeiten erreicht.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn nicht nur der Schaft aus einem Hartmetall besteht, sondern auch der Bohrkopf. Dabei wird den unterschiedlichen Anforderungsprofilen des Bohrkopfs und des Bohrerschafts durch Auswahl zweier verschiedener Hartmetalle Rechnung getragen. Für den Bohrkopf eignen sich dabei extrem harte Hartmetallsorten, die für eine gute Verschleißfestigkeit sorgen. Im Rahmen der Erfindung wäre als Werkstoff für den Bohrkopf jedoch auch jeder andere gängige Werkstoffe moderner Hochleistungsbohrer denkbar, wie z.B. Schnellstahl wie HSS oder HSSE, HSSEBM, Keramik, Cermet oder andere Sintermetall-Werkstoffe, gegebenenfalls mit üblichen Beschichtungen und zwar zumindest im Bereich der scharfen Schneiden. Vorteilhaft dafür sind Hartstoffschichten, die vorzugsweise dünn ausgeführt sind, wobei die Dicke der Schicht vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 3 um liegt.
Die Hartstoffschicht besteht beispielsweise aus Diamant, vorzugsweise monokristallinem Diamant. Sie kann aber auch als Titan-Nitrid- oder als Titan-Aluminium-Nitrid-Schicht ausgeführt sein, da derartige Schichten ausreichend dünn abgeschieden werden. Als Beschichtungsmaterial eignen sich daneben auch nitriergehärtete Schichten, kubisches Bornitrid, Korund, Sialone oder weitere nichtmetallische Werkstoffe. Ebenfalls denkbar wäre es, einen mit Wechsel- oder Wendeschneidplatten bestückten Bohrkopf einzusetzten, der selbst aus HSS oder Hartmetall besteht, wobei die Schneidplatten aus einem noch härteren Material, beispielsweise Keramik oder Cermet, bestehen oder eine derartige Hartstoffbeschichtung aufweisen.
Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Weichstoffschicht Anwendung finden, die zumindest im Bereich der Nut vorliegt. Diese Weichstoffbeschichtung besteht vorzugsweise aus MoS₂.
In der vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 3 ist ein Material der Klasse K20 und/oder K40 nach ISO 513 für den Schaft vorgesehen. Material der Klasse K20 und/oder K40/ISO 513, welches eine im Vergleich zu anderen Hartmetallsorten hohe Härte aufweist, ist im Vergleich zu anderen Hartmetallsorten sehr zäh, so dass die beim Bohren von harten Werkstoffen auftretenden hohen Drehmomente bruchfrei übertragen werden können. Neben hohen Standzeiten kann auf diese Weise eine große Länge des Bohrerschafts und hohe Vorschubwerte realisiert werden.
Für der Bohrkopf ist ein Material der Klasse K10 nach ISO 513 vorteilhaft. Denn dieses Material weist im Vergleich zu anderen Hartmetallsorten eine extrem hohe Verschleißfestigkeit auf und ist somit für die besonders hohen Belastungen des Bohrkopfs insbesondere beim Bohren von kurzspanenden und sehr harten Werkstoffen geeignet. Besonders bevorzugt ist dabei eine Kombination eines K10-Bohrkopfs mit einem K20- bzw. K40-Bohrer.
Die Verbindung des Schafts mit dem Bohrkopf erfolgt vorzugsweise über Hartlöten oder Kleben. Aber auch weitere Stoffschlussverfahren oder eine Verschraubung wären denkbar. Um den Einsatzzweck optimal zu erfüllen weist das Tiefbohrwerkzeug gemäß Anspruch 6 des Weiteren einen vorzugsweise nierenförmigen Innenkühlkanal auf, mit dem die Schneiden des Bohrkopfs bei der Zerspanung mit einem Kühlmittel gekühlt werden können und die Späne durch die Spannut aus dem Bohrloch gepresst werden.
Insgesamt gelingt es auf diese Weise, einen Tieflochbohrer herzustellen, der über die Materialeigenschaften des Hartmetalls besonders variabel an die Betriebsbedingungen anpassbar ist.
Obwohl Hartmetall an sich teuerer als Stahl ist erweist sich das beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Tieflochbohrwerkzeugs eingesetzte Extrudieren und Sintern des Hartmetallschafts insbesondere bei langen Schaften als besonders kostengünstig. Denn es ermöglicht es, einen Rohling mit einer Geometrie zu extrudieren, die eventuell auf Fertigungsmaß nachgeschliffen werden muss, d.h der Rohling hat schon eine Sicke, die der Spannut des Schafts im wesentlichen entspricht.
Die Erfindung eignet sich besonders für Einlippen-Tieflochbohrer mit gerader Spannut. Sie ist aber nicht auf eine einlippige Ausführungsform beschränkt. Insbesondere wären auch gewendelte Spannuten oder ein Mehrlippen-, insbesondere Zweilippenwerkzeug sowie ein Einrohr- oder Doppelrohrwerkzeug denkbar, da sich beim Extrudieren des Werkzeugs nahezu beliebige Geometrien erzeugen lassen.
Die einzelnen Merkmale der Ausführungsformen gemäss den Ansprüchen lassen sich, soweit es sinnvoll erscheint, beliebig kombinieren.
Nachfolgend werden anhand schematischer Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tieflochbohrers;
2 eine Querschnittsansicht des Schafts des in 1 dargestellten Tieflochbohrwerkzeugs; und
3 eine Draufsicht auf den Schaft des in 1 dargestellten Tieflochbohrwerkzeugs.
Der 1 ist dabei ein erfindungsgemäßes, dreiteiliges Tieflochbohrwerkzeug mit einem Bohrkopf 1, einem Schaft 2 und einem Einspannelement 3 zu entnehmen. Schaft 2 und Bohrkopf 1 sind an einer Fügenaht 10 miteinander verlötet. Der Schaft 2 ist in eine Ausnehmung des Einspannelements 3 geführt und dort mit dem Einspannelement 3 verlötet. Das Einspannelement ist dabei in Form einer Spannhülse vorgesehen. Des weiteren erkennt man an der Bohrerspitze die Austrittsöffnung eines Innenkühlkanals, der sich durch das Gesamtwerkzeug der Länge nach hindurch erstreckt. Der Tieflochbohrer ist dabei als Einlippenbohrer mit einer gerade genuteten Spannut 5 ausgeführt. Der Bohrkopf 1 ist dabei aus K10/ISO 513-Hartmetall gesintert, während der Schaft 2 aus einem K20/ISO 513-Hartmetall besteht.
Die durch das mit großer Härte und Verschleißfestigkeit ausgestatteten Bohrkopf 1 beim Zerspanen erzeugten Kräfte werden durch den zähmaterialigen Schaft 2 zur Einspannung 3 übertragen. Die gute Formstabilität und Verwindungssteifigkeit des Schafts 2 ermöglichen dabei niedrige Verschleißwerte. Die bei der Zerspanung erzeugten Späne werden dabei über ein mit hohem Druck durch den Innenkühlkanal 4 zugeführtes Kühlmittel durch die gerade Spannut 5 aus dem Bohrloch geschwemmt. Aufgrund der Nierenform des Kühhlkanals wird dabei bei geringster Materialschwächung eine hohe Kühlmittelmenge und eine gute Innenkühlung realisiert.
2 zeigt dabei die Querschnittsgeometrie eines Sinterrohlings 20, die bis auf geringe Endbearbeitungsabträge in der Spannut auch der Geometrie des endgültigen Schafts 2 entspricht. Der 3 kann dabei die zugehörige Draufsicht auf den Sinterrohling 20 entnommen werden. Der Rohling ist dabei schon mit einer Sicke 50 und dem Innenkühlkanal 4 extrudiert worden. Eine Nachbearbeitung, d.h. Fertigschleifen, erfolgt dabei nur noch an der Spanfläche 6 und der Spanfreifläche 6 der Sicke 50. Mit gestrichelter Linie 8 ist dabei das Ende des Abschnitts des Schafts eingezeichnet, mit dem der Schaft in den Einspannelement 3 verlötet wird.
Selbstverständlich sind dabei Abweichungen von der gezeigten Ausgestaltung möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
So wäre es beispielsweise denkbar, dass die Schneide nicht direkt am Bohrkopf des Einlippen-Tieflochbohrers vorgesehen ist, sondern auf einer angeschraubten Wechsel- oder Wendeplatte. Auch eine Ausgestaltung des Tieflochbohrers mit mehr als einem Innenkühlkanal, beispielsweise zwei im Querschnitt kreisrunden Kühlkanälen, wäre denkbar. Als Kühlkanalgeometrie kämen des Weiteren auch Trigon- oder Ellipsenform in Frage. Darüber hinaus wären auch gewendelte Bohrerformen mit Hartmetallschaft, beispielsweise in Zweischneiderausführung mit zwei gewendelten Sicken, bzw. Spannuten und gewendelten Kühlkanälen, beispielsweise in elliptischer Querschnittsform denkbar.

Claims

Tieflochbohrer, bestehend aus drei Abschnitten, einem Bohrkopf (1), einem Schaft (2) und einem Einspannelement (3), wobei der Bohrkopf (1) und der Schaft (2) zumindest eine, vorzugsweise gerade genutete Spannut (5) aufweisen, dadurch gekennzeichnet dass der der Schaft (2) aus einem Hartmetall besteht
Tieflochbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Bohrkopf (1) aus einem Hartmetall besteht, das sich vom Hartmetall des Schafts (2) unterscheidet.
Tieflochbohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (2) aus einem Hartmetall der Klasse K20 oder K40 nach ISO 513 besteht.
Tieflochbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf (1) aus einem Hartmetall der Klasse K10 nach ISO 513 besteht.
Tieflochbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf (1) an den Schaft (2) hartgelötet oder geklebt ist.
Tieflochbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen, vorzugsweise nierenförmigen Innenkühlkanal (4).
Tieflochbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (2) aus einem gesinterten Körper besteht, der aus einem Sinterrohling (20) mit zumindest einer der Spannut (5) im wesentlichen entsprechenden Sicke (50) gewonnen ist.