DE102020109035B4

DE102020109035B4 - Verfahren und Gewindebohr-Werkzeug zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung

Info

Publication number: DE102020109035B4
Application number: DE102020109035.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Kopton
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2022-11-24
Anticipated expiration: 2040-04-02
Also published as: JP7470812B2; WO2021197696A1; US20230094117A1; JP2023519004A; DE102020109035A1; CN115335172A; EP4126433A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung (1) mittels eines Gewindebohr-Werkzeugs, mit einem Bohrhub (B), bei dem das rotierende Gewindebohr-Werkzeug in einer Bohrrichtung bis zu einer Soll-Bohrtiefe (tB) in das Werkstück (5) eingetrieben wird, und zwar unter Bildung einer gewindefreien Vorbohrung (51), und mit einem Gewindehub (G), bei dem das Gewindebohr-Werkzeug mit einem Gewinde-Vorschub (vf) und einer damit synchronisierten Gewinde-Drehzahl (n) ein Innengewinde (9) in der Vorbohrung (51) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorbereitung des Gewindehubs (G) nach dem Bohrhub (B) ein Reversierhub (R1) erfolgt, bei dem das Gewindebohr-Werkzeug in einer zur Bohrrichtung entgegengesetzten Reversierrichtung aus der Vorbohrung (51) soweit herausgeführt wird, dass das Gewindebohr-Werkzeug in einem Versatzhub (V1) um einen Radialversatz (Δr1) radial ausgesteuert wird, und dass im Gewindehub (G) das radial ausgesteuerte, rotierende Gewindebohr-Werkzeug in einer Zirkular-Drehbewegung entlang einer Kreisbahn (53) um die Bohrungs-Achse (A) geführt wird, und dass im Gewindehub (G) die Werkzeug-Rotation und die Werkzeug-Zirkularbewegung in gleich- oder gegensinniger Drehbewegung sowie bei gleicher Drehzahl erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und 20 sowie ein Gewindebohr-Werkzeug gemäß dem Anspruch 19.
In einem gattungsgemäßen Verfahren erfolgt bei der Erzeugung der Werkstück-Gewindebohrung zunächst ein Bohrhub, bei dem das rotierende Gewindebohr-Werkzeug in einer Bohrrichtung bis zu einer Soll-Bohrtiefe in das nicht vorgebohrte Werkstück eingetrieben wird, und zwar unter Bildung einer gewindefreien Vorbohrung. Zudem erfolgt in dem Verfahren ein Gewindehub, bei dem das Gewindebohr-Werkzeug mit einem Gewinde-Vorschub und einer damit synchronisierten Gewinde-Drehzahl ein Innengewinde in der Vorbohrung erzeugt.
Beispielhaft kann das Verfahren als ein sogenannter Einschuss-Gewindebohr-Prozess realisiert sein, bei dem sowohl die Vorbohrung (das heißt Kernbohrung) als auch eine Innengewinde-Erzeugung in einem gemeinsamen Werkzeughub durchgeführt werden. In diesem Fall sind der Bohrhub und der Gewindehub zeitlich einander überlagert. Dies führt zu einer hohen Werkzeugbelastung und gegebenenfalls zu einer reduzierten Werkzeug-Standzeit.
Ein solcher Einschuss-Gewindebohr-Prozess ist aus der WO 2019/029850 A1 bekannt. Am Ende des Gewindebohr-Hubs erfolgt eine Drehrichtungsumkehr des rotierenden Werkzeugs. Anschließend wird das Werkzeug im Reversierhub belastungsfrei aus der Gewindebohrung herausgeführt, und zwar bei einer mit dem Reversier-Vorschub synchronisierten Reversier-Drehzahl, bei der sich die Gewinde-Bearbeitungszähne des Gewindebohr-Werkzeugs belastungsfrei in den Gewindegängen der Werkstück-Gewindebohrung bewegen.
Aus der DE 10 2018 115 986 A1 ist ein Werkzeug zum Erzeugen eines Gewindes bekannt. Aus der DE 10 2017 007 419 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Gewindebohrung bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung sowie ein Gewindebohr-Werkzeug bereitzustellen, bei dem im Vergleich zum Stand der Technik die Werkzeugbelastung reduziert ist und die Gewindebohrung in reduzierter Prozessdauer erzeugt werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, 19 oder 20 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
In Abkehr zur obigen WO 2019/029850 A1 wird erfindungsgemäß im Bohrhub nicht mehr sowohl die Vorbohrung als auch gleichzeitig das Innengewinde erzeugt, was mit einer hohen Werkzeugbelastung einhergeht. Vielmehr ist in der Erfindung das Gewindebohr-Werkzeug so ausgelegt, das im Bohrhub alleine die Vorbohrung erfolgt. In einem davon unabhängigen Gewindehub wird dann das Innengewinde erzeugt. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erfolgt zur Vorbereitung des Gewindehubs nach dem Bohrhub ein Reversierhub, bei dem das Gewindebohr-Werkzeug in einer zur Bohrrichtung entgegengesetzten Reversierrichtung komplett aus der Vorbohrung herausgeführt wird. Das aus der Vorbohrung herausgeführte Gewindebohr-Werkzeug wird in einem Versatzhub um einen Radialversatz nach radial außen ausgesteuert. Anschließend wird das radial ausgesteuerte Gewindebohr-Werkzeug in einer Zirkular-Drehbewegung entlang einer Kreisbahn um die Bohrungs-Achse geführt, woraufhin der Gewindehub startet.
Es ist hervorzuheben, dass erfindungsgemäß die Innengewinde-Erzeugung nicht während des Reversierhubs erfolgt. In diesem Fall müsste zur Vorbereitung der Innengewinde-Erzeugung zeitaufwendig eine Drehzahl-Anpassung des Gewindebohr-Werkzeugs erfolgen, bei der das Gewindebohr-Werkzeug von einer Bohr-Drehzahl (vom vorangegangenen Bohrhub) auf eine Gewinde-Drehzahl (für die folgende Innengewinde-Erzeugung) gesteuert werden müsste. Zudem würde bei einer solchen Innengewinde-Erzeugung das Gewindebohr-Werkzeug mit einer Zugkraft beaufschlagt werden, wodurch das Werkzeug weniger stark belastbar ist.
Erfindungsgemäß können der Gewindehub und der Bohrhub eine identische Hubrichtung aufweisen. Im Bohrhub können die Werkzeug-Achse, um die das Gewindebohr-Werkzeug rotiert, und die Bohrungs-Achse zueinander koaxial sein. Zudem ist im Bohrhub ein Bohrabschnitt des Gewindebohr-Werkzeugs in Spaneingriff mit dem Werkstück, während ein Gewindeerzeugungsabschnitt belastungsfrei mitgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Gewindehub mit Erreichen der Soll-Gewindetiefe um einen Freischnitthub verlängert sein. Im Freischnitthub sind der Vorschub und die Drehzahl des Gewindebohr-Werkzeugs nicht mehr zueinander synchronisiert, wodurch eine an das Innengewinde anschließende, umlaufende Freischnittnut ohne Gewindesteigung erzeugt wird. Im Gewindehub sind die Werkzeug-Achse und die Bohrungs-Achse zueinander achsparallel, und zwar mit einem Achsabstand, der dem Radialversatz entspricht, um den das Gewindebohr-Werkzeug im Versatzhub radial ausgesteuert worden ist.
Nach der Erzeugung der umlaufenden Freischnittnut während des Freischnitthubs kann ein zweiter Versatzhub erfolgen. Im zweiten Versatzhub wird das Gewindebohr-Werkzeug um einen Radialversatz in Radialrichtung von dem Innengewinde oder von der Freischnittnut freigefahren. Dadurch wird ermöglicht, dass das Gewindebohr-Werkzeug in einem folgenden Reversierhub belastungsfrei, das heißt ohne Gewindeeingriff oder Spaneingriff aus der Werkstück-Gewindebohrung herausgeführt werden kann.
Zur Vorbereitung des Gewindehubs kann bei Bedarf eine Drehrichtungsumkehr des Gewindebohr-Werkzeugs erfolgen. Die Drehrichtungsumkehr kann beispielhaft während der Durchführung des ersten Reversierhubs stattfinden.
Nach Durchführung des Bohrhubs kann gegebenenfalls die Drehzahl des Gewindebohr-Werkzeugs auf null abgebremst werden und der erste Reversierhub starten.
Im Gewindehub erfolgt das Gewindeschneiden durch ein synchrones Interpolieren in einer xy-Ebene um den Mittelpunkt des Gewindeaußendurchmessers d_A und durch eine gleichzeitige synchrone Bewegung entlang der Bohrungs-Achse (beziehungsweise Werkzeug-Achse) mit einem Vorschub von einer Steigung pro Umdrehung. Die Zeit für eine Umdrehung vom Gewindebohr-Werkzeug (nw) entspricht der Zeit für eine Umdrehung um den Mittelpunkt des Gewindeaußendurchmessers (n_G). Die in dieser Zeit erfolgende Zustellung entlang der Bohrungs-Achse (Gewinde-Vorschub) entspricht der Gewindesteigung.
Im ersten Versatzhub (d.h. zwischen dem ersten Reversierhub und dem Gewindehub) wird das rotierende Gewindebohr-Werkzeug um einen Radialversatz ausgesteuert und in einer Zirkular-Drehbewegung entlang einer Kreisbahn um die Bohrungs-Achse geführt.
Das Gewindebohr-Werkzeug ist so ausgelegt, dass im Bohrhub ein Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt (zur Innengewinde-Erzeugung erforderlich) belastungsfrei sowie außer Eingriff mit der Vorbohrungswand bleibt. Im anschließenden Gewindehub bleibt dagegen der Werkzeug-Bohrabschnitt (zur Erzeugung der Vorbohrung erforderlich) belastungsfrei sowie außer Eingriff mit dem erzeugten Innengewinde. Der Werkzeug-Bohrabschnitt bewegt sich im Gewindehub mit seinen Bohrschneiden radial innerhalb des radial inneren Gewinde-Scheitels des Innengewindes. Der Gewindehub erfolgt bei einer zur Bohrungs-Achse achsparallelen Werkzeug-Achse.
Das Gewindebohr-Werkzeug weist zumindest eine erste Bohrschneide und eine zweite Bohrschneide auf, die in Werkzeug-Umfangsrichtung um einen Schneidenwinkel voneinander beabstandet sind. Der Schneidenwinkel ist so bemessen, dass die beiden Bohrschneiden im Gewindehub belastungsfrei und außer Eingriff mit dem erzeugten Innengewinde aus der Werkstück-Gewindebohrung herausgeführt werden können.
In einer technischen Umsetzung ist der am Gewindebohr-Werkzeug ausgebildete Gewindeerzeugungsabschnitt in einer Werkzeug-Umfangsrichtung außerhalb des von den beiden Bohrschneiden aufgespannten Drehwinkelbereiches angeordnet.
Eine äußere Schneidenkontur der beiden Bohrschneiden bewegt sich bei einer Werkzeug-Rotation auf einer Bohrschneiden-Kreisbahn. In gleicher Weise bewegt sich bei der Werkzeug-Rotation eine Zahnkontur des Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitts auf einer Zahnkontur-Kreisbahn mit einem Zahnkontur-Durchmesser. Um einen störkonturfreien Freifahrschnitt des Gewindebohr-Werkzeugs in der Radialrichtung sowie den zweiten Reversierhub zu unterstützen, ist der Zahnkontur-Durchmesser kleiner ausgelegt als der Schneidenkontur-Durchmesser. Auf diese Weise ergibt sich ein radialer Werkzeug-Freiraum zwischen der Bohrschneiden-Kreisbahn und der Zahnkontur-Kreisbahn. Der Werkzeug-Freiraum wird beim Freifahrschnitt in Radialrichtung teilweise aufgebraucht.
Der zwischen der ersten Bohrschneide und der zweiten Bohrschneide aufgespannte Schneidenwinkel kann rein exemplarisch kleiner als 180° sein und zum Beispiel im Bereich von 120° bemessen sein.
Jede der Bohrschneiden kann zumindest eine, an der Werkzeugspitze ausgebildete stirnseitige Querschneidkante aufweisen. Die Querschneidkante einer jeden Bohrschneide kann an einer radial äußeren Schneidenecke in eine Längsschneidkante der Bohrschneide übergehen. Zudem kann in einer konkreten Ausführungsvariante jeweils eine Bohrschneide an einem, in der Werkzeug-Längsrichtung verlaufenden Bohrersteg ausgebildet sein. Die beiden Bohrerstege können in der Werkzeug-Umfangsrichtung über Spanräume voneinander beabstandet sein. Eine den Spanraum begrenzende Spanfläche kann (in der Werkzeug-Umfangsrichtung) an der Längsschneidkante in eine umfangsseitige Bohrersteg-Freifläche übergehen. Von jeder der beiden Bohrersteg-Freiflächen können jeweils radial nach außen Führungsfasen abragen. Zudem kann an einem der beiden umfangsseitigen Bohrersteg-Freiflächen der Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt ausgebildet sein.
An der Werkzeugspitze des Gewindebohr-Werkzeugs kann eine den Spanraum begrenzende Spanfläche an der stirnseitigen Querschneidkante in eine stirnseitige Freifläche übergehen, die in Richtung auf die Werkzeug-Achse konisch zuläuft. Bevorzugt im Hinblick auf eine gleichmäßige Bohrschneiden-Belastung ist es, wenn die ersten und zweiten Bohrschneiden in der Werkzeug-Axialrichtung in unterschiedlichen Höhenpositionen, das heißt zueinander axial höhenversetzt angeordnet sind. Der axiale Höhenversatz zwischen den beiden Bohrschneiden (insbesondere deren Querschneiden mit zugehöriger Schneidenecke) kann derart bemessen sein, dass die Bohrschneiden-Belastungen pro Bohrschneide im Bohrhub in etwa gleich sind. Bei axial höhenversetzten Bohrschneiden kann eine in etwa gleichmäßige Bohrschneiden-Belastung erzielt werden, und zwar trotz der nicht mit Bezug auf die Werkzeug-Achse diametral gegenüberliegenden Bohrschneiden (wie es in einem herkömmlichen Gewindebohr-Werkzeug der Fall ist), so dass der Zahnvorschub pro Bohrschneide in etwa gleich groß ist. Insbesondere können die beiden stirnseitigen Querschneidkanten der Bohrschneiden in der Werkzeug-Axialrichtung zueinander höhenversetzt sein.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer Seitenschnittdarstellung eine in einem Werkstück ausgebildete Gewindesackloch-Bohrung;
2 und 3 unterschiedliche Ansichten eines Gewindebohr-Werkzeugs;
4 bis 8 jeweils Ansichten, die die Erzeugung der in der 1 gezeigten Gewindesackloch-Bohrung in einer Prozessabfolge veranschaulichen;
9 und 10 ein konventionelles Bohrwerkzeug in unterschiedlichen Ansichten;
11 bis 14 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; sowie
15 bis 18 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In der 1 ist eine fertiggestellte Gewindesackloch-Bohrung 1 gezeigt. Die Bohrung 1 ist mit ihrem Bohrungsgrund 3 bis zu einer Soll-Bohrtiefe t_B in ein Werkstück 5 mittels einer Prozessabfolge eingearbeitet, die später anhand der 4 bis 8 erläutert wird. Die Gewindebohrung 1 weist an ihrer Bohrungsöffnung eine umlaufende Gewindesenkung 7 auf, die im weiteren Verlauf nach unten in ein Innengewinde 9 übergeht. Das Innengewinde 9 erstreckt sich entlang der Bohrungs-Achse A bis zu einer nutzbaren Soll-Gewindetiefe t_G. Wie aus der 1 weiter hervorgeht, mündet ein Gewindegang des Innengewindes 9 in einen ringförmig umlaufenden Freigang beziehungsweise Freischnittnut 13. Die Gewindekern des Innengewindes 9 liegen in der 1 auf einem Kernlochdurchmesser d_K. Der Gewindegrund des Innengewindes 9 liegt auf einem Gewinde-Außendurchmesser d_A.
Die in der 1 gezeigte Gewindesackloch-Bohrung 1 wird mit Hilfe eines nachfolgend anhand der 2 und 3 beschriebenen Gewindebohr-Werkzeugs hergestellt. Demzufolge weist das Werkzeug in der 2 einen Spannschaft 15 auf, an dem ein Gewindebohr-Körper 17 anschließt. Am Gewindebohr-Körper 17 sind in der 3 eine erste Bohrschneide S1 und eine zweite Bohrschneide S2 ausgebildet, die in einer Werkzeug-Umfangsrichtung u um einen Schneidenwinkel α voneinander beabstandet sind. Das Gewindebohr-Werkzeug weist in der 3 zwei in einer Werkzeug-Längsrichtung verlaufende Bohrerstege 14 auf. An jedem der beiden Bohrerstege 14 ist jeweils eine Bohrschneide S1, S2 ausgebildet. Die beiden Bohrerstege 14 sind in der Werkzeug-Umfangsrichtung u (3) über Spanräume 23 voneinander beabstandet. Jede der Bohrschneiden S1, S2 weist jeweils eine in der Werkzeug-Längsrichtung verlaufende Längschneidkante 27 (nur in den 12 und 14 angedeutet) und eine an der Werkzeugspitze ausgebildete stirnseitige Querschneidkante 29 auf. Die stirnseitige Querschneidkante 29 geht an einer radial äußeren Schneidenecke 33 in die Längsschneidkante 27 über.
Eine den Spanraum 23 begrenzende Spanfläche geht an der Längsschneidkante 27 in eine umfangsseitige Bohrersteg-Freifläche 35 (3) über. An den umfangsseitigen Bohrersteg-Freiflächen 35 sind jeweils seitlich abragende Führungsfasen 37 ausgebildet. Zudem ist am breiten Bohrersteg 14 (und zwar an dessen Bohrersteg-Freifläche 35) ein Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt 39 ausgebildet. Dieser besteht in der 3 aus insgesamt drei Bearbeitungszähnen, nämlich einem Vorbearbeitungszahn 40, einem Zwischenzahn 41 und einem Fertigbearbeitungszahn 42. Alternativ oder zusätzlich können auch weitere Zähne (etwa der in der 1 gezeigte Zahn 43) vorgesehen werden. Die Zähne 40 bis 42 sind in der 3 in der Werkzeug-Umfangsrichtung u hintereinander angeordnet sowie in der Axialrichtung in etwa auf gleicher Höhe positioniert. Alternativ dazu ist jedoch der Gewindeerzeugungsabschnitt 39 nicht auf diese spezielle Ausführungsvariante beschränkt. Vielmehr können auch weniger oder mehr Schneidzähne bereitgestellt werden und/oder können die Schneidzähne auch axial zueinander versetzt an den Bohrersteg-Freiflächen 35 angeordnet sein.
Der Gewindeerzeugungsabschnitt 39 weist zudem, in Axialrichtung betrachtet, beidseitig der Bearbeitungszähne 40, 41, 42 jeweils einen umfangsseitigen zylindrisch verlaufenden Stützsteg 44 (3 und 4) auf, dessen Außendurchmesser bei der Gewindeerzeugung (siehe 7) in etwa auf dem Vorbohrdurchmesser d_VB liegt, so dass sich bei der Gewindeerzeugung der Stützsteg (44) des Gewindebohr-Werkzeugs gegen die Vorbohrungswand abstützt Wie aus der 3 weiter hervorgeht, bewegt sich eine äußere Schneidenkontur der ersten und zweiten Bohrschneiden S1, S2 bei einer Werkzeug-Rotation auf einer Bohrschneiden-Kreisbahn 45 mit einem Schneidenkontur-Durchmesser (identisch mit Kernlochdurchmesser d_K). In gleicher Weise bewegt sich eine Zahnkontur des Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitts 39 bei einer Werkzeug-Rotation auf einer Zahnkontur-Kreisbahn bzw. Hüllkurve 47 (3 und 4) mit einem Zahnkontur-Durchmesser. In den 3 oder 4 ist der Zahnkontur-Durchmesser kleiner bemessen als der Schneidenkontur-Durchmesser (identisch mit Kernlochdurchmesser d_K). Dadurch ergibt sich ein radialer Werkzeug-Freiraum 49 (3 oder 4) zwischen der Bohrschneiden-Kreisbahn 45 und der Zahnkontur-Kreisbahn 47. Der Werkzeug-Freiraum 49 wird in einem später beschriebenen Freifahrschritt F (8b) benötigt.
Nachfolgend wird anhand der 4 bis 8 eine Gewindeerzeugung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gewindebohr-Werkzeugs beschrieben: So wird in einem Bohrhub B (4 und 5) das rotierende Gewindebohr-Werkzeug in das noch nicht vorgebohrte Werkstück 5 bis zu der Soll-Bohrtiefe t_B unter Bildung einer Vorbohrung 51 eingetrieben. Im Bohrhub B befinden sich die beiden Bohrschneiden S1, S2 in Spaneingriff mit dem Werkstück 5, während der Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt 39 belastungsfrei sowie außer Eingriff mit der Vorbohrungs-Wand bleibt. Die Werkzeug-Achse W ist koaxial zur Bohrungs-Achse A ausgerichtet, der Vorschub v_f sowie die Drehzahl n des Gewindebohr-Werkzeugs sind frei wählbar. Der Bohrvorgang erfolgt in der 4 in eingezeichneter Drehrichtung 38 beispielhaft linksdrehend.
Nach dem Bohrhub-Ende (5) wird mit den folgenden Prozessschritten der Gewindehub G (8a) vorbereitet: So erfolgt nach dem Bohrhub B zunächst ein erster Reversierhub R1 (6), bei dem das Gewindebohr-Werkzeug in einer zur Bohrrichtung entgegengesetzten Reversierrichtung soweit aus der Vorbohrung 51 herausgeführt wird, dass ein erster Versatzhub V1 ( 7) erfolgen kann. Im ersten Versatzhub V1 wird das aus der Vorbohrung 51 herausgeführte Gewindebohr-Werkzeug um einen Radialversatz Δr₁ radial ausgesteuert.
Dann startet der Gewindehub (8a), bei dem das radial ausgesteuerte, rotierende Gewindebohr-Werkzeug in einer Zirkular-Drehbewegung (7) entlang einer Kreisbahn 53 um die Bohrungs-Achse A geführt wird und mit einem Gewinde-Vorschub und einer damit synchronisierten Gewinde-Drehzahl in die Vorbohrung 51 eingeführt wird. Im Gewindehub G erfolgt die Werkzeug-Rotation und die Werkzeug-Zirkularbewegung sowohl in gleichsinniger Drehrichtung als auch bei gleicher Drehzahl, wie es in der 7 angedeutet ist.
Im Gewindehub G (8a) erzeugt der Gewindeerzeugungsabschnitt 39 des Gewindebohr-Werkzeugs bis Erreichen der Soll-Gewindetiefe t_G das Innengewinde 9. Mit Erreichen der Soll-Gewindetiefe t_G wird der Gewindehub G mit einem Freischnitthub F (8a) verlängert. Im Freischnitthub F sind der Vorschub v_f und die Drehzahl n des Gewindebohr-Werkzeugs nicht mehr zueinander synchronisiert. Es wird daher die an das Innengewinde 9 anschließende umlaufende Freischnittnut 13 ohne Gewindesteigung erzeugt.
Nach Erzeugung der umlaufenden Freischnittnut 13 folgt ein zweiter Versatzhub V2 (8b), bei dem das Gewindebohr-Werkzeug um einen Radialversatz Δr₂ in Radialrichtung von der Freischnittnut 13 freigefahren wird. Dies ermöglicht einen zweiten Reversierhub R2 (8b), bei dem das Gewindebohr-Werkzeug belastungsfrei, das heißt ohne Gewindeeingriff sowie ohne Spaneingriff aus der Werkstück-Gewindebohrung 1 herausführbar ist.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft speziell den Bohr-Prozessschrittes sowie den Bohrabschnitt des Gewindebohr-Werkzeugs: Allgemein sind bei der Auslegung eines Bohr-Prozessschrittes die Prozessparameter (das heißt Drehzahl n sowie Vorschub v_f des Bohrwerkzeugs) so mit den Positionen der Bohrschneiden S1, S2 am Bohrwerkzeug abzustimmen, dass die Bohrschneiden-Belastung pro Bohrschneide S1, S2 in etwa gleich ist, das heißt der Vorschub v_fz (Zahnvorschub) pro Bohrschneide S1, S2 idealerweise gleich ist. Dies wird bei einem konventionellen Bohrwerkzeug (9 und 10) durch konstante Teilungsabstände zwischen den Bohrschneiden S1, S2 erzielt. In der 9 liegen daher die Bohrschneiden S1, S2 mit Bezug auf die Werkzeug-Achse W diametral gegenüber, so dass der Vorschub (Zahnvorschub) pro Bohrschneide S1, S2 in etwa gleich ist, wie es aus der 10 hervorgeht. In der 10 ist die Mantelfläche des konventionellen Bohrwerkzeugs in einer Abwicklung gezeigt. Demnach sind die Bohrschneiden S1, S2 auf gleicher axialer Höhe H positioniert. Die Bohrschneiden S1, S2 sind in der 10 jeweils über identische Schnittbreiten s in Spaneingriff mit der Innenwandung einer Werkstückbohrung. In der 10 sind die sich im Bohrprozess ergebenden Schnittwege w₁ und w₂ der beiden Bohrschneiden S1, S2 eingezeichnet. Die Schnittwege w₁ und w₂ verlaufen mit einem Steigungswinkel β spiralförmig entlang der Bohrungs-Innenwandung, so dass sich in der Abwicklung (10) ein geradliniger Verlauf der Schnittwege w₁ und w₂ ergibt. Die Schnittwege w₁ und w₂ überlappen sich in der 10 nicht, sondern gehen vielmehr in der Axialrichtung überlappungsfrei ineinander über.
In dem Ausführungsbeispiel der 11 bis 14 sind - im Unterschied zum Stand der Technik gemäß 9 und 10 - die Teilungsabstände zwischen den beiden Bohrschneiden S1, S2 nicht mehr identisch, sondern unterschiedlich. Entsprechend ist in der 12 der Vorschub f_fz pro Bohrschneide nicht mehr für jede Bohrschneide gleich, sondern unterschiedlich. Das heißt, dass in der 12 die Bohrschneiden S1, S2 im Bohrprozess nicht mehr gleichmäßig, sondern unterschiedlich belastet sind. Gemäß der 12 ist der ersten Bohrschneide S1 der größte Vorschub v_fz pro Bohrschneide zugeordnet, das heißt die erste Bohrschneide S1 ist der größeren Schneidenbelastung ausgesetzt. In der 12 sind die beiden Bohrschneiden S1, S2 ohne axialem Höhenversatz ΔH auf gleicher Höhe H positioniert. Gemäß der 13 und 14 spannt jede Querschneidkante 29 jeder Bohrschneide S1, S2 mit der Werkzeug-Achse W einen Spitzenwinkel β₁, β₂ auf. Die Spitzenwinkel β₁, β₂ der beiden Bohrschneiden S1, S2 sind in der 14 (wie bei herkömmlichen Bohrwerkzeugen mit symmetrischer Bohrschneiden-Verteilung) identisch bemessen. Die Spitzenwinkel β₁, β₂ sind dabei so gewählt, dass sich der axiale Höhenversatz ΔH am Werkzeug-Umfang, das heißt an den Schneidenecken 33 der beiden Bohrschneiden S1, S2, bzw. die unterschiedlichen Höhenpositionen H1, H2 der Bohrschneiden S1, S2 einstellen, wie sie in der 14 gezeigt sind.
Um trotz der unterschiedlichen Teilungsabstände eine in etwa gleichmäßige Belastung der Bohrschneiden S1, S2 zu gewährleisten, sind in dem Ausführungsbeispiel der 15 bis 18 die Bohrschneiden S1, S2 nicht mehr auf gleicher axialer Höhe H positioniert, sondern vielmehr auf unterschiedlichen Höhenpositionen H1 und H2 angeordnet. Diese Höhenpositionen H1 und H2 sind so gewählt, dass sich eine im Vergleich zur 11 und 12 gleichmäßigere Bohrschneiden-Belastung der beiden Bohrschneiden S1, S2 ergibt. Die Höhenpositionen H1 und H2 sind in Abhängigkeit von den Prozessparametern im Bohrprozess (das heißt Werkzeug-Drehzahl, Werkzeug-Vorschub) sowie in Abhängigkeit von den jeweiligen Teilungsabständen gewählt.
Wie aus der 16 hervorgeht, sind die Bohrschneiden S1, S2 - analog zur 9 und 10 - jeweils über identische Schnittbreiten s in Spaneingriff mit der Bohrungs-Innenwandung. Zudem überlappen sich in der 14 die Schnittwege w₁ und w₂ einander nicht, sondern gehen diese vielmehr überlappungsfrei ineinander über.
Gemäß den 17 und 18 spannt jede Querschneidkante 29 jeder Bohrschneide S1, S2 mit der Werkzeug-Achse W einen Spitzenwinkel β₁, β₂ auf. Die Spitzenwinkel β₁, β₂ der beiden Bohrschneiden S1, S2 sind in der 18 nicht (wie bei herkömmlichen Bohrwerkzeugen mit symmetrischer Bohrschneiden-Verteilung) identisch bemessen, sondern vielmehr zueinander unterschiedlich bemessen. Die Spitzenwinkel β₁, β₂ sind dabei so gewählt, dass sich der axiale Höhenversatz ΔH am Werkzeug-Umfang, das heißt an den Schneidenecken 33 der beiden Bohrschneiden S1, S2, bzw. die unterschiedlichen Höhenpositionen H1, H2 der Bohrschneiden S1, S2 einstellen, wie sie in der 16 gezeigt sind.
Bezugszeichenliste

1: Gewindebohrung
3: Bohrungsgrund
5: Werkstück
7: Gewindesenkung
8: Fase
9: Innengewinde
13: umlaufende Freischnittnut
14: Bohrerstege
15: Spannschaft
17: Werkzeugkörper
14, 16: Bohrstege
S1, S2: Bohrschneiden
23: Spanraum
25: Längsschneidkante
29: Querschneidkante
30: stirnseitige Freifläche
33: Schneidenecke
35: Bohrersteg-Freifläche
37: Führungsfasen
38: Drehrichtung im Bohrhub
39: Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt
40, 41, 42: Schneidzähne des Gewindeerzeugungsabschnittes
43: alternativer Schneidzahn
44: Abstützbasis
45: Bohrschneiden-Kreisbahn
47: Hüllkurve des Gewindeerzeugungsabschnittes 39
49: Werkzeug-Freiraum
51: Vorbohrung
53: Zirkular-Kreisbahn
tB: Sollbohrtiefe
dK: Kerndurchmesser
u: Werkzeug-Umfangsrichtung
α: Schneidenwinkel
A: Bohrungs-Achse
W: Werkzeug-Achse
B: Bohrhub
G: Gewindehub
F: Freischnitthub
V1, V2: Versatzhub
Δr1 Δr2: Radialversatz
ΔH: Höhenversatz
H1, H2: Höhenpositionen
β1, β2: Spitzenwinkel
vf: Vorschub
tG: Soll-Gewindetiefe

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung (1) mittels eines Gewindebohr-Werkzeugs, mit einem Bohrhub (B), bei dem das rotierende Gewindebohr-Werkzeug in einer Bohrrichtung bis zu einer Soll-Bohrtiefe (t_B) in das Werkstück (5) eingetrieben wird, und zwar unter Bildung einer gewindefreien Vorbohrung (51), und mit einem Gewindehub (G), bei dem das Gewindebohr-Werkzeug mit einem Gewinde-Vorschub (vf) und einer damit synchronisierten Gewinde-Drehzahl (n) ein Innengewinde (9) in der Vorbohrung (51) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorbereitung des Gewindehubs (G) nach dem Bohrhub (B) ein Reversierhub (R1) erfolgt, bei dem das Gewindebohr-Werkzeug in einer zur Bohrrichtung entgegengesetzten Reversierrichtung aus der Vorbohrung (51) soweit herausgeführt wird, dass das Gewindebohr-Werkzeug in einem Versatzhub (V1) um einen Radialversatz (Δr₁) radial ausgesteuert wird, und dass im Gewindehub (G) das radial ausgesteuerte, rotierende Gewindebohr-Werkzeug in einer Zirkular-Drehbewegung entlang einer Kreisbahn (53) um die Bohrungs-Achse (A) geführt wird, und dass im Gewindehub (G) die Werkzeug-Rotation und die Werkzeug-Zirkularbewegung in gleich- oder gegensinniger Drehbewegung sowie bei gleicher Drehzahl erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindehub (G) und der Bohrhub (B) eine identische Hubrichtung aufweisen, und/oder dass im Gewindehub (G) ein Gewindeerzeugungsabschnitt (39) des Gewindebohr-Werkzeugs bis auf eine Soll-Gewindetiefe (t_G) das Innengewinde (9) erzeugt, und dass der Gewindehub (G) mit Erreichen der Soll-Gewindetiefe (t_G) um einen Freischnitthub (F) verlängert wird, bei dem der Vorschub (vf) und die Drehzahl (n) des Gewindebohr-Werkzeugs nicht mehr zueinander synchronisiert sind und eine an das Innengewinde (9) anschließende, umlaufende Freischnittnut (13) ohne Gewindesteigung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgtem Freischnitthub (F) zur Vorbereitung eines Reversierhubs (R2) ein zweiter Versatzhub (V2) erfolgt, bei dem das Gewindebohr-Werkzeug um einen Radialversatz (Δr₂) in Radialrichtung von dem Innengewinde (9) oder von der Freischnittnut (13) freigefahren wird, so dass im Reversierhub (R2) das Gewindebohr-Werkzeug belastungsfrei, das heißt ohne Gewindeeingriff oder Spaneingriff aus der Werkstück-Gewindebohrung (1) herausführbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bohrhub (B) ein Bohrabschnitt (S1, S2) des Gewindebohr-Werkzeugs in Spaneingriff mit dem Werkstück (5) ist und der Gewindeerzeugungsabschnitt (39) belastungsfrei mitgeführt wird, und/oder dass im Gewindehub (G) der Gewindeerzeugungsabschnitt (39) in Form- und/oder Schneideingriff mit der Vorbohrungs-Innenwandung ist und der Bohrabschnitt (S1, S2) belastungsfrei mitgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bohrhub (B) die Werkzeug-Achse (W) und die Bohrungs-Achse (A) zueinander koaxial sind, und/oder dass im Gewindehub (G) die Werkzeug-Achse (W) und die Bohrungs-Achse (A) zueinander achsparallel sind, und zwar mit einem Achsabstand, der dem Radialversatz (Δr₁) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrabschnitt (S1, S2) des Gewindebohr-Werkzeugs zumindest eine erste Bohrschneide (S1) und eine zweite Bohrschneide (S2) aufweist, die in Werkzeug-Umfangsrichtung (u) um einen Schneidenwinkel (α) voneinander beabstandet sind, und dass der Schneidenwinkel (α) so bemessen ist, dass die beiden Bohrschneiden (S1, S2) im Gewindehub (G) belastungsfrei und außer Eingriff mit dem erzeugten Innengewinde (9) in die Werkstück-Gewindebohrung (1) einführbar sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt (39) in der Werkzeug-Umfangsrichtung (u) außerhalb des von den beiden Bohrschneiden (S1, S2) aufgespannten Drehwinkelbereiches (α) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten und zweiten Bohrschneiden (S1, S2) bei einer Werkzeug-Rotation auf einer gemeinsamen Bohrschneiden-Kreisbahn (45) mit einem Bohrschneiden-Durchmesser (d_K) bewegen, und dass sich im Bohrhub (B) der Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt (39) auf einem Außendurchmesser bewegt, der kleiner als der Vorbohrungs-Durchmesser (d_VB) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt (39) zumindest einen oder mehrere Gewindezähne (40, 41, 42) aufweist, und/oder dass jeder Bearbeitungszahn (40, 41, 42) auf einem eigenen Zahnkontur-Durchmesser liegt, wobei deren Unterschied das Aufmaß zwischen zwei nacheinander folgenden Gewindezähne beschreibt, und/oder dass der in der Drehrichtung (38) als letzter Bearbeitungszahn (42) nacheilende Bearbeitungszahn ein Fertigbearbeitungs-Zahn ist, dessen Zahnkontur-Durchmesser größer ist als der Zahnkontur-Durchmesser des vorauseilenden Bearbeitungszahns (41, 42), und/oder dass die Gewindezähne (40, 41, 42) auf einer Hüllkurve (4; 47) liegen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgeometrie des Bearbeitungszahns (40, 41, 42) so ausgelegt ist, dass der Bearbeitungszahn (40, 41, 42) bei der Gewindeerzeugung in das Material der Vorbohrungswand hineingezogen wird, wodurch das Gewindebohr-Werkzeug mit einer seitlichen Auslenkkraft beaufschlagt ist, und dass für einen Auslenkkraft-Ausgleich der Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt (39) zumindest eine umfangsseitig angeordnete Abstützbasis (44) aufweist, deren Außendurchmesser bei der Gewindeerzeugung in etwa auf dem Vorbohrdurchmesser (d_VB) liegt, so dass sich bei der Gewindeerzeugung die Abstützbasis (44) des Gewindebohr-Werkzeugs gegen die Vorbohrungswand abstützt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass, in Axialrichtung betrachtet, beidseitig des Bearbeitungszahns (40, 41, 42) jeweils zumindest eine Abstützbasis (44) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bohrschneiden (S1, S2) in der Werkzeug-Axialrichtung in unterschiedlichen Höhenpositionen (H1, H2), das heißt zueinander mit axialem Höhenversatz (ΔH), angeordnet sind, und dass der axiale Höhenversatz (ΔH) zwischen den Bohrschneiden (S1, S2) derart bemessen ist, dass die Bohrschneiden-Belastungen pro Bohrschneide (S1, S2) im Bohrhub (B) in etwa gleich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bohrschneide (S1, S2) zumindest eine an der Werkzeugspitze ausgebildete stirnseitige Querschneidkante (29) aufweist, und dass die Querschneidkanten (29) beider Bohrschneiden (S1, S2) in der Werkzeug-Axialrichtung zueinander um einen Höhenversatz (ΔH) höhenversetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschneidkante (29) jeder Bohrschneide (S1, S2) an einer radial äußeren Schneidenecke (33) in eine Längsschneidkante (14: 27) übergeht, und/oder dass die Bohrschneiden (S1, S2) jeweils an, in Werkzeug-Längsrichtung verlaufenden Bohrerstegen (14) ausgebildet sind, und dass die Bohrerstege (14) in der Werkzeug-Umfangsrichtung (u) über Spanräume (23) voneinander beabstandet sind, und/oder dass eine den Spanraum (23) begrenzende Spanfläche an der Längsschneidkante (27) in eine umfangsseitige Bohrersteg-Freifläche (35) übergeht, und/oder dass von den umfangsseitigen Bohrersteg-Freiflächen (35) jeweils Führungsfasen (37) abragen, und/oder dass an einer umfangsseitigen Bohrersteg-Freifläche (35) der Werkzeug-Gewindeerzeugungsabschnitt (39) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschneidkante (29) jeder Bohrschneide (S1, S2) mit der Werkzeug-Achse (W) einen Spitzenwinkel (β₁, β₂) aufspannt, und dass die Spitzenwinkel (β₁, β₂) der Bohrschneiden (S1, S2) gleich sind, oder dass die Spitzenwinkel (β₁, β₂) der Bohrschneiden (S1, S2) unterschiedlich sind, wodurch sich der axiale Höhenversatz (ΔH) am Werkzeug-Umfang, das heißt an den Schneidenecken (33) der Bohrschneiden (S1, S2), bzw. die unterschiedlichen Höhenpositionen (H1, H2) der Bohrschneiden (S1, S2) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Werkzeugspitze eine den Spanraum (23) begrenzende Spanfläche an der stirnseitigen Querschneidkante (29) in eine stirnseitige Freifläche (30) übergeht, die in Richtung auf die Werkzeug-Achse (W) konisch zuläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessschritte zur Erzeugung der Gewindebohrung mittels einer CNC-Steuerung ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass einige Prozessschritte zur Erzeugung der Gewindebohrung mittels einer Aufnahme ausgeführt werden, bei der das Werkzeug mechanisch aussteuerbar ist, und dass vor dem Gewindehub (G) eine Drehrichtungsumkehr des Gewindebohr-Werkzeugs erfolgt, etwa während des ersten Reversierhubs (R1), und dass die Drehrichtungsumkehr als ein Signal zum Aussteuern um den Radialversatz (Δr₁) genutzt wird.
Gewindebohr-Werkzeug zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung (1), welches Gewindebohr-Werkzeug in einem Bohrhub (B) sowie unter Werkzeug-Rotation in einer Bohrrichtung bis zu einer Soll-Bohrtiefe (t_B) in das Werkstück (5) eintreibbar ist, und zwar unter Bildung einer gewindefreien Vorbohrung (51), und welches Gewindebohr-Werkzeug in einem Gewindehub (G) mit einem Gewinde-Vorschub (vf) und einer damit synchronisierten Gewinde-Drehzahl (n) ein Innengewinde (9) in der Vorbohrung (51) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorbereitung des Gewindehubs (G) nach dem Bohrhub (B) ein Reversierhub (R1) erfolgt, bei dem das Gewindebohr-Werkzeug in einer zur Bohrrichtung entgegengesetzten Reversierrichtung aus der Vorbohrung (51) komplett herausgeführt wird, dass das aus der Vorbohrung (51) herausgeführte Gewindebohr-Werkzeug in einem Versatzhub (V1) um einen Radialversatz (Δr₁) nach radial außen ausgesteuert wird, dass anschließend das radial ausgesteuerte Gewindebohr-Werkzeug in einer Zirkular-Drehbewegung entlang einer Kreisbahn (53) um die Bohrungs-Achse (A) geführt wird, woraufhin der Gewindehub (G) startet, und dass im Bohrhub (B) ein Bohrabschnitt (S1, S2) des Gewindebohr-Werkzeugs in Spaneingriff mit dem Werkstück (5) ist und ein Gewindeerzeugungsabschnitt (39) belastungsfrei mitführbar ist, und dass im Gewindehub (G) der Gewindeerzeugungsabschnitt (39) in Form- und/oder Schneideingriff mit der Vorbohrungs-Innenwandung ist und der Bohrabschnitt (S1, S2) belastungsfrei mitführbar ist.
Verfahren zur Erzeugung einer Werkstück-Gewindebohrung (1) mittels eines Gewindebohr-Werkzeugs, mit einem Bohrhub (B), bei dem das rotierende Gewindebohr-Werkzeug in einer Bohrrichtung bis zu einer Soll-Bohrtiefe (t_B) in das Werkstück (5) eingetrieben wird, und zwar unter Bildung einer gewindefreien Vorbohrung (51), und mit einem Gewindehub (G), bei dem das Gewindebohr-Werkzeug mit einem Gewinde-Vorschub (vf) und einer damit synchronisierten Gewinde-Drehzahl (n) ein Innengewinde (9) in der Vorbohrung (51) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorbereitung des Gewindehubs (G) nach dem Bohrhub (B) ein Reversierhub (R1) erfolgt, bei dem das Gewindebohr-Werkzeug in einer zur Bohrrichtung entgegengesetzten Reversierrichtung aus der Vorbohrung (51) komplett herausgeführt wird, dass das aus der Vorbohrung (51) herausgeführte Gewindebohr-Werkzeug in einem Versatzhub (V1) um einen Radialversatz (Δr₁) nach radial außen ausgesteuert wird, und dass anschließend das radial ausgesteuerte Gewindebohr-Werkzeug in einer Zirkular-Drehbewegung entlang einer Kreisbahn (53) um die Bohrungs-Achse (A) geführt wird, woraufhin der Gewindehub (G) startet.