DE102007020207B4

DE102007020207B4 - Werkzeug zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen

Info

Publication number: DE102007020207B4
Application number: DE200710020207
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Beier
Original assignee: Beier Hans-Michael Prof Dr 15345
Current assignee: NOTHNAGEL, REINHARD, DR., DE
Priority date: 2007-04-28
Filing date: 2007-04-28
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2027-04-29
Also published as: DE102007020207B9; DE102007020207A1

Abstract

Werkzeug zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen mit einem Durchmesser von kleiner 10 mm in einem Bauteil, wie einem Motorblock, einem Einspritzsystem, einem Ventilblock, einer Kurbel- oder Getriebewelle, welches beim Einsatz rotatorisch und/oder translatorisch bewegt wird, aus einem Werkzeugschaft (1) mit Einspannende (2) und einem am werkzeugseitigen Schaftende als festes Lager angeordneten Stützkörper (6) besteht und mit einem rohrförmigen Schaftstück (11) verbunden ist oder das werkzeugseitige Schaftende als rohrförmiges Schaftstück (11) weitergefüh (6) mit einem Stift (7) verschlossen ist oder das Einspannende ein rohrförmiger, druckaufnehmender Schaft ist, der durch ein oder mehrere druckabbauende Spiralspannstifte mit einem werkzeugseitigen Schaftende, das einen einschiebbaren elastischen Stützkörper lose aufnimmt, verbunden ist, wobei das Schaftstück/Schaftende (11) mindestens einen in einem Durchbruch (9) beweglich gelagerten Schneidenkörper (8) mit einer Schneide (3), der eine Schulter aufweist, hält und ein unter Druck in die Durchgangsbohrung (5) des...

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen mit einem Durchmesser von kleiner 10 mm in einem Bauteil, wie einem Motorblock, einem Einspritzsystem, einem Ventilblock, einer Kurbel- oder Getriebewelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist bereits durch DE 102 15 004 B4 ein Werkzeug zum Entgraten von Stoßkanten an sich kreuzenden Bohrungen oder an Längs- und Quernuten in Bohrungen eines Werkstücks, wie beispielsweise eines Motorblocks, bekannt. Dieses Werkzeug wird beim Einsatz rotatorisch und/oder translatorisch bewegt, hat einen Werkzeugschaft, der ein Einspannende und ein werkzeugseitiges Schaftende mit einem als festes Lager angeordneten Stützkörper aufweist. Kennzeichnend ist auch, dass der Werkzeugschaft durch ein oder mehrere Verbindungselemente mit einem rohrförmigen Schaftstück verbunden ist und einen im Durchbruch beweglich gelagerten Schneidenkörper hält, der lose mit einem Spiel an der Oberfläche des Stützkörpers, die in Form und Abmessungen von der Oberfläche des Schneidenkörpers stets geometrisch unterschiedlich ist, aufliegt und somit ein unter Druck in eine Durchgangsbohrung des Werkzeugschaftes gepresster flüssiger oder gasförmiger oder aus einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch bestehender Stoff die Schneide nach außen bewegt. Für die Schneide ist charakteristisch, dass sie trapezförmig ausgeführt ist, eine Schulter hat und eine mit unterschiedlicher Tiefe ausgeführte Aussparung aufweist. Damit ist eine kürzere Bewegungszeit der Schneide unter Druck erreichbar bzw. die Schneide bewegt sich von selbst in die Ausgangsstellung. Die Schulter nimmt die seitlich wirkenden Schneiden- und Reibkräfte auf. Damit sollen Schneidenbrüche vermieden werden. Die Flächen F1, F2, F3 der Schneide sind immer parallel zur x- und y-Achse angeordnet und weisen einen aktiv schneidenden Teilbereich in Form einer Schräge F2 auf. Eine exakte Schneidenführung ist gegeben, in dem der Schneidenkörper ein Schneidenmittelstück mit einer Schneide, eine radiale, seitliche Schneidenwegbegrenzung bzw. eine radiale, stirnseitige oder eine zylindrische Schneidenwegbegrenzung hat, wodurch bei einem Eintritt des Entgratwerkzeuges in die Bohrung durch die Schneide keine sichtbaren Spuren an der Bohrungswand entstehen. Für die Funktionsfähigkeit des Werkzeuges ist es wichtig, dass die Schneidenkräfte über eine Werkzeugmaschinensteuerung durch Änderung des Druckes variabel einstellbar und auch den unterschiedlich zu entgratenden Werkstoffen anpassbar sind. Ebenfalls ist es möglich, drucklos bis zur Gratbasis der zu entgratenden Querbohrung heranzufahren. Zum Entgraten der Stoßkanten an einer Querbohrung in beispielsweise einem Motorblock ist vor Beginn des Entgratprozesses an der Werkzeugmaschinensteuerung ein Druck p von 0,3 MPa zu programmieren. Fährt das Entgratwerkzeug in die Bohrung, so wird die außerhalb des Werkzeugschaftes liegende Schneide nach innen bewegt, wodurch Teilbereiche des Durchbruches frei werden und der in die Durchgangsbohrung des Werkzeugschaftes gepresste Stoff abfließen kann. Tritt die Schneide in die Querbohrung ein, bewegt sich diese durch den anliegenden Druck, welcher durch die vorhandene Flächendifferenz zwischen Stützkörper und Schneidenkörper entsteht, nach außen. Die anliegende Kraft ist jetzt zum Entgraten nutzbar.
Das in DE 102 15 004 B4 dargestellte Entgratwerkzeug hat den Nachteil, dass der Schneidenkörper eine trapezförmig ausgebildete Schneide, die eine Schneidenhöhe c und eine Schneidenbreite b von kleiner als 0,5 mm hat, aufweist, wodurch rotatorisch (Schnittgeschwindigkeit) und translatorisch (Vorschubgeschwindigkeit) spanend entgratet wird. Dieses Entgratwerkzeug kann nicht den Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen, die einen Kreuzungswinkel von kleiner 90 Grad haben, entfernen. Das Werkzeug würde beim Entgraten von Stoßkanten an schräg verlaufenden Querbohrungen unter nachstehend beschriebenen technologischen Einsatzbedingungen zu folgenden Ergebnissen führen:

a) das Werkzeug wird rotatorisch/translatorisch in die Hauptbohrung mit einem Druck p bewegt, so drückt die trapezförmige Schneide den Grat in die Querbohrung,
b) das Werkzeug wird drucklos und translatorisch in die Hauptbohrung bewegt und zum Entgraten mit einem Druck p beaufschlagt, so wird der Grat an der Stoßkante ebenfalls in die Querbohrung gedrückt und
c) das Werkzeug wird drucklos und translatorisch in die Hauptbohrung bewegt, dann mit einem Druck p beaufschlagt und gleichzeitig rotatorisch/translatorisch auf die Stoßkanten der Querbohrung bewegt, so wird der Grat an der Stoßkante in einem Bereich von 60 Grad umgebogen und nicht entfernt.

Die Ursachen hierfür bestehen darin, dass die Schneide eine Schulter zur Vermeidung des Abbrechens aufweist, und die Schneidenbreite b an der Querbohrung eine Sekante bildet. Damit kann die Schneide, obwohl sie ein- oder mehrfach vor- und rückwärts arbeitet, nicht bis an die Gratbasis bewegt werden. Hinzu kommt, dass die sich im Raum abbildende Ellipse asymmetrisch ist und dadurch beim Entgraten neuer Grat entsteht. Weiterhin ist durch DE 10 2006 033 331 B3 ein Werkzeug zum Entgraten und/oder Rückwärtssenken von Bohrungsenden mit einem Durchmesser < 4 mm bekannt. Dieses Entgratwerkzeug ist konstruktiv so geändert ausgeführt, dass die Zuführung von Druckmitteln, wie beispielsweise Luft, Öl, Bohremulsion oder ein Gemisch, durch die im Werkzeugschaft angeordnete Durchgangsbohrung kurzzeitig ausreichende Kräfte an der Schneidkante zur Gratentfernung oder zum Aufbohren der Bohrungsenden erzeugt. Erreicht wird dies dadurch, dass das Einspannende des Werkzeugschaftes ein rohrförmiger, druckaufnehmender Schaft ist, der durch ein oder mehrere druckabbauende Spiralspannstifte mit einem werkzeugseitigen Schaftende, das einen einschiebbaren elastischen Stützkörper lose aufnimmt, verbunden ist. Wird der rohrförmige Schaft maschinenseitig mit einem Druck p von 1,5 MPa beaufschlagt, verliert der im werkzeugseitigen Schaftende lose liegende Stützkörper seine Elastizität. Das Werkzeug kann in dieser Stellung zurückbewegend als Senker mit starrer Schneide benutzt werden. Bei einer zeitlich begrenzten Druckbeaufschlagung von 0,1 bis 20 Sekunden soll so ein Bohrungsende durch Rückwärtssenken (Aufbohren) bearbeitbar sein. Der impulsartige Druckaufbau und -abbau erfordern aber eine spezielle geometrische Ausführungsform der Schneide. Für die Schneide zum Entgraten und/oder Rückwärtssenken von Bohrungsenden ist kennzeichnend, dass der Schneidenkörper zur effizienten Übertragung der erzeugten Schneidenkräfte eine Schulter und eine Schneidenkörperoberfläche aufweist, wobei die Schneidenkörperoberfläche und der abgeflachte Teilbereich der Stützkörperoberfläche gleich oder annähernd gleich sind. Der trapezförmige Schneidenkörper mit der Schneidfläche ist durch übliche Spanungswinkel α, β, γ und einen Spitzenwinkel δ sowie durch eine Spanfläche, eine Freifläche und einer Hauptschneidenfläche gekennzeichnet. Dadurch sollen die Schnittkräfte zum Aufbohren der Bohrungsenden minimiert werden. Zur Gewährleistung des Entgratens von Bohrungsenden ist die Schneidenecke der Schneide keine Schräge. Die Schneidenecke ist linear oder kegelschnittförmig ausgeführt oder durch Teilbereiche eines Kreises oder durch Evolventenbereiche gekennzeichnet. Diese Schneidengeometrie soll die Funktionsfähigkeit des Werkzeuges für einen impulsartigen Druckaufbau und -abbau, insbesondere beim Entgraten von Bohrungsenden mit einem Durchmesser von < 1,5 mm sichern. Das in DE 10 2006 033 331 B3 dargestellte Werkzeug hat Nachteile, die den Nachteilen des durch DE 102 15 004 B4 bekannten Werkzeuges entsprechen. Auch diese Schneidengeometrie, insbesondere die trapezförmig ausgeführte Schneide und die Schulter am Schneidenkörper führen zu den bereits dargestellten negativen Ergebnissen. Der Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen lässt sich so nicht beseitigen. Bekannt sind auch mechanisch arbeitende Werkzeuge zum Entgraten des Bohrungsrandes von Bohrungen und Querbohrungen, die ebenfalls trapezförmige Schneiden haben. Die mechanisch arbeitenden Werkzeuge entgraten je nach Kreuzungswinkel die im Raum liegende Ellipse in einem Bereich von 270 Grad bis 320 Grad. Der Restbereich von 40 Grad bis 90 Grad wird nicht entgratet. Dies ist der Bereich mit einem Kantenwinkel < 90 Grad, teilweise auch variierend unter 60 Grad. Ursache dafür ist die Tatsache, dass im Bereich der kleinen Kantenwinkel ein großer Eingriffswinkel zwischen Schneide und Kantenwinkel entsteht. Beim Einfahren des Werkzeuges in die Bohrung wird entweder der Grat weggedrückt oder beim Entgraten wird neuer Grat in Form eines Sekundärgrates produziert. Feststellbar ist, dass Werkzeuge mit trapezförmigen Schneiden den Grat an Bohrungsenden und Stoßkanten von Querbohrungen stets spanend beseitigen, wodurch technologisch gesehen die Gesetze der Gratentstehung gelten (Geier, Hans-Michael Prof. Dr., Sonderdruck wt Werkstattstechnik online 12 (2001), Seite 765–772. Dies bedeutet, wenn sich zwischen einer Schneide und einer Werkstückkante Winkel > 30 Grad ausbilden, so entsteht trotz der Gratbeseitigung an den Teilbereichen der asymmetrischen Ellipse ein neuer Grat.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Werkzeug zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen mit einem Durchmesser von kleiner 10 mm in einem Bauteil, wie einem Motorblock, einem Einspritzsystem, einem Ventilblock, einer Kurbel- oder Getriebewelle, vorzuschlagen, das den Grat an den Stoßkanten von Bauteilen aus hochfesten Werkstoffen und unabhängig von den Werkstoffkennwerten im nicht entgratbaren Ellipsenbereich durch eine veränderte Schneidengeometrie qualitätsgerecht beseitigt, wobei die Schneide ein- oder mehrfach vor- und rückwärs arbeitet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Kennzeichnend ist ebenfalls, dass die Kontur der Schneide am Schneidenkörper werkstückseitig ein von einem negativen Spanraumwinkel γ gebildeter Schenkel und werkzeugseitig ein von einem positiven Spanraumwinkel γ von 5 Grad gebildeter Schenkel ist, wodurch die Schneide ebenfalls rückwärts arbeitet. Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass der Grat in kürzester Zeit vollständig beseitigt wird, ein Entgraten der Stoßkanten durch Einfahren des Werkzeuges in die Hauptbohrung oder in die Querbohrung möglich ist und damit das Werkzeug auch für die Bauteilefertigung in Taktstraßen eingesetzt werden kann. Die neue Schneidengeometrie beseitigt den Grat an den Stoßkanten in Querbohrungen eines Bauteiles aus einem hochfesten Werkstoff umformtechnisch oder in Bauteilen aus spröden Werkstoffen wird der Grat abgebrochen, da eine ausgeprägte, nicht entgratbare Bruchkante entsteht. Das Werkzeug ist damit ein Umform-Stanzwerkzeug mit nicht starrer Schneide. Der Grat wird nicht wie bei bekannten Werkzeugen in die Querbohrung verformt, sondern es wird eine gleichzeitige Verformung von mindestens zwei Kanten der asymmetrischen Ellipse realisiert. Hierzu passt sich die Schneide an die Bohrungswand an, um eine sichere Verformung zu erreichen. Der Spanleitwinkel ε verhindert ein Verklemmen der Schneide mit dem abgebrochenen Grat.
Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
1: eine vor- und rückwärts arbeitende Schneide eines Werkzeuges zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen in der Seiten- und Draufsicht sowie im Schnitt B-B und das Grundprofil der radial seitlichen Schneidenbegrenzung im Schnitt C-C.
2: eine Ausführungsform des Werkzeuges mit einer vor- und rückwärts arbeitenden Schneide zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten einer doppelten, schräg verlaufenden Querbohrung in der Seitenansicht im Schnitt.
1 zeigt eine vor- und rückwärts arbeitende Schneide eines Werkzeuges zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen in der Seiten- und Draufsicht sowie im Schnitt B-B und das Grundprofil der radial seitlichen Schneidenbegrenzung im Schnitt C-C. Es ist dargestellt, dass der Schneidenkörper 8 mit der Schneide 3 schulterlos ist, die Kontur der Schneide 3 ein um 180 Grad gedrehtes gleichschenkliges Trapez ist und ein Spanraumwinkel γ von beispielsweise 15 Grad die Lage der nicht parallelen Schenkel des Trapezes bestimmt, wodurch die Schneide 3 vor- und rückwärts arbeitet. Der Spanraumwinkel γ kann aber auch bis zu 20 Grad betragen, bildet eine Wirkschneidkante 13, einen Spanraum 16 und eine Spanleitstufe 18. Der Hinterschneidungswinkel bestimmt die Form der Schneidkante 17. Schnitt B-B zeigt, dass das Schneidenunterseitenprofil 15 eine durch einen Seitenfreiwinkel φ bestimmte Schräge 19 ist. Dagegen zeigt Schnitt C-C das Schneidenoberseitenprofil 14. Eine am Grundprofil der radialseitlichen Schneidenbegrenzung 12 angeordnete Nut 21 sichert die Aufnahme von Gratteilen. Die Schneide 3 arbeitet auch rückwärts, wenn die Kontur der Schneide 3 am Schneidenkörper 8 werkstückseitig ein von einem negativen Spanraumwinkel γ gebildeter Schenkel und werkzeugseitig ein von einem positiven Spanraumwinkel γ von 5 Grad gebildeter Schenkel ist. Für die rückwärts arbeitende Schneide 3 ist auch charakteristisch, dass der negative Spanraumwinkel γ 5 bis 15 Grad, der positive Spanraumwinkel γ bis zu 20 Grad, der Spanleitwinkel ε größer 0 Grad und der Hinterschneidungswinkel æ 5 bis 30 Grad betragen.
2 zeigt eine Ausführungsform des Werkzeuges mit einer vor- und rückwärts arbeitenden Schneide zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten einer doppelten, schräg verlaufenden Querbohrung in der Seitenansicht im Schnitt. Erkennbar ist, dass das werkzeugseitige Schaftende bekanntermaßen einen als festes Lager angeordneten Stützkörper 6 hat und mit einem rohrförmigen Schaftstück 11 durch einen Stift 7 mit dem Werkzeugschaft 1 verbunden ist. Im Schaftstück 11 ist ein im Durchbruch 9 beweglich gelagerter Schneidenkörper 8 mit einer vor- und rückwärts arbeitenden Schneide 3 gemäß 1 angeordnet. Die notwendige Schneidenkraft wird durch den Stoffanschluss 10 und durch die zentrisch in der Längsachse 4 angeordnete Durchgangsbohrung 5 gewährleistet, in dem ein flüssiger oder gasförmiger oder aus einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch bestehender Stoff unter Druck in die Durchgangsbohrung 5 gepresst wird und die Schneide 3 nach außen bewegt. Es ist auch möglich, im Schaftstück 11 mehrere Durchbrüche 9, die Schneidenkörper 8 mit unterschiedlich arbeitenden Schneiden 3 haben, anzuordnen. Dies ist unter Berücksichtigung der konkreten technologischen Anforderungen der zu bearbeitenden Bauteile festzulegen. Der Grat 20; 20a an den Stoßkanten der doppelten Querbohrung QB1 und QB2, wie beispielsweise in einer Kurbelwelle, wird dadurch beseitigt, in dem dieses Werkzeug mit seiner Schneide 3 im Eilgang drucklos durch die Hauptbohrung HB bis hinter die Stoßkante 22 translatorisch bewegt wird, das Werkzeug vier Sekunden mit einem Druck p von 0,02 MPa beaufschlagt und gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit vt – mit oder ohne Drehbewegung – weiterbewegt wird, wodurch der Grat 20a an der Querbohrung QB1 verformt ist. Dann wird das drucklose Werkzeug zum Entgraten der Stoßkante an der Querbohrung QB2 lageorientiert um 180 Grad gedreht und die Verfahrensschritte gemäß QB1 durchgeführt. Dies bedeutet, dass die Schneide 3 jetzt unmittelbar am Grat 20 steht, dann das Werkzeug wieder mit einem Druck von 0,02 MPa beaufschlagt wird, gleichzeitig auf den Grat 20 mit oder ohne Drehbewegung zurückbewegt wird, wodurch auch der Grat 20 an der Querbohrung QB2 verformt ist. Zum Entfernen des Grates 20; 20a ist ein nochmaliges Ein- und Ausfahren des Werkzeuges oder eines anderen Werkzeuges in die Hauptbohrung HB erforderlich.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeugschaft
2: Einspannende
3: Schneide
4: Längsachse
5: Durchgangsbohrung
6: Stützkörper oder Schneidenlager
7: Stift
8: Schneidenkörper
9: Durchbruch
10: Stoffanschluss
11: rohrförmiges Schaftstück
12: Schneidenbegrenzung, radial seitlich
13: Wirkschneidkante
14: Schneidenoberseitenprofil
15: Schneidenunterseitenprofil
16: Spanraum
17: Schneidkante
18: Spanleitstufe
19: Schräge
20: Grat
22a: Grat
21: Nut
22: Stoßkante
HB: Hauptbohrung
QB1: Querbohrung
QB2: Querbohrung
P: Druck Spanleitwinkel
γ: Spanraumwinkel
æ´: Hinterschneidungswinkel
φ: Seitenfreiwinkel

Claims

Werkzeug zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen mit einem Durchmesser von kleiner 10 mm in einem Bauteil, wie einem Motorblock, einem Einspritzsystem, einem Ventilblock, einer Kurbel- oder Getriebewelle, welches beim Einsatz rotatorisch und/oder translatorisch bewegt wird, aus einem Werkzeugschaft (1) mit Einspannende (2) und einem am werkzeugseitigen Schaftende als festes Lager angeordneten Stützkörper (6) besteht und mit einem rohrförmigen Schaftstück (11) verbunden ist oder das werkzeugseitige Schaftende als rohrförmiges Schaftstück (11) weitergeführt ist und durch ein einschiebbares Schneidenlager (6) mit einem Stift (7) verschlossen ist oder das Einspannende ein rohrförmiger, druckaufnehmender Schaft ist, der durch ein oder mehrere druckabbauende Spiralspannstifte mit einem werkzeugseitigen Schaftende, das einen einschiebbaren elastischen Stützkörper lose aufnimmt, verbunden ist, wobei das Schaftstück/Schaftende (11) mindestens einen in einem Durchbruch (9) beweglich gelagerten Schneidenkörper (8) mit einer Schneide (3), der eine Schulter aufweist, hält und ein unter Druck in die Durchgangsbohrung (5) des Werkzeugschaftes (1) gepresster Stoff die Schneide (3), die parallel zur x- und y-Achse angeordnete ebene Flächen (F1; F2; F3) und einen aktiv schneidenden Teilbereich in Form einer Schräge (F2) aufweist, nach außen bewegt, und dass die Kontur der trapezförmigen Schneide (3) am werkstückseitigen Ende des Schneidenkörpers (8) eine von einem Einführungswinkel η gebildete Schräge (19) mit einer Wirkschneidkante (13) ist, die einen Spanraum (16) und eine durch einen Spanleitwinkel ε bestimmte Spanleitstufe (18) hat und ein Hinterschneidungswinkel die Form der Schneidkante (17) bestimmt, wodurch die Schneide (3) rückwärts arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidenkörper (8) mit der Schneide (3) schulterlos ist, die Kontur der Schneide (3) ein um 180 Grad gedrehtes gleichschenkliges Trapez ist und ein Spanraumwinkel γ, der bis zu 20 Grad beträgt, die Lage der nicht parallelen Schenkel des Trapezes bestimmt, wodurch die Schneide (3) ein- oder mehrfach vor- und rückwärts arbeitet.
Werkzeug zur Beseitigung von Grat an den Stoßkanten von schräg verlaufenden Querbohrungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Schneide (3) am Schneidenkörper (8) werkstückseitig ein von einem negativen Spanraumwinkel γ gebildeter Schenkel und werkzeugseitig ein von dem positiven Spanraumwinkel γ gebildeter Schenkel ist, wodurch die Schneide (3) rückwärts arbeitet.