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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren,
insbesondere auf ein Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren
zum Ausbilden eines Feinlochs, das eine festgesetzte Neigung aufweist,
in einem Werkstück aus einem Material verhältnismäßig
großer Härte.
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Technischer Hintergrund
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In
den letzten Jahren haben sich Techniken verbreitet, mit denen in
einem Werkstück, das ein zu bearbeitendes Material darstellt,
Feinlöcher (Löcher mit einem Durchmesser von weniger
als 0,3 mm) ausgebildet werden, und die z. B. zum Bohren von Poren
in Halbleitersubstraten und von Bohrungen an medizinischen Instrumenten
eingesetzt werden. Beispielsweise beschreibt die
JP 10 286708 A ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Ausbilden eines Feinlochs von einigen zehn μm
Durchmesser in verhältnismäßig kurzer
Zeit, indem ein Bohrer mit einer niederfrequenten, zur Schnittvorschubrichtung
des Bohrers parallel gerichteten Vibration belegt wird.
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Durch
Anwendung einer solchen Technik lässt sich in einem Werkstück
ein Feinloch effizient und mit hoher Präzision ausbilden.
Um mit einem dünnen, zerbrechlichen Bohrer ein Feinloch
tiefer auszubilden, wiederholt man zyklisch einen Vorgang, bei dem
der Bohrer immer dann, wenn er um eine festgesetzte Strecke vorgeschoben
wurde, ein Stück zurückgezogen wird, damit Späne
(Zerspanungsabfall) nach außen ausgeworfen werden, um so
das Auftreten von vermehrter Reibung und Zerspanungsfehlern zu vermeiden
und die Schnittleistung aufrechtzuerhalten.
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Um
diese Technik auszuführen, benötigt man allerdings
eine spezielle Bohrvorrichtung, die einen Vibrationsgenerator zum
Beaufschlagen der den Bearbeitungskopf vor- und zurückfahrenden
Vorschubeinrichtung mit einer parallel zur Vorschubrichtung gerichteten
Vibration aufweist. Dies führt zu Kostensteigerungen, da
Neuinvestitionen anfallen, weil herkömmliche Vorrichtungen
nicht unverändert weiterverwendet werden können.
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Das
Bearbeitungsverfahren ist zudem dafür gedacht, im Wesentlichen
zur Werkstückoberfläche senkrechte Feinlöcher
auszubilden. Bildet man ein Feinloch aus, das um mehr als einen
bestimmten Winkel gegenüber der Senkrechten auf die Bearbeitungsfläche
geneigt ist, so verbiegt sich zu Beginn der Anschnittphase, wenn
der Bohrer schräg auf die Werkstückoberfläche
trifft, der in zentrifugaler Richtung schwache Bohrer, sodass er
mit der Spitze abrutscht oder bricht. Aus diesem Grund sinkt die
Arbeitsproduktivität außerordentlich bei gleichzeitiger extremer
Verschlechterung der Formgenauigkeit und Lagegenauigkeit der erhaltenen
Feinlöcher, sodass oft das gewünschte Arbeitsergebnis
nicht erhalten werden kann.
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Angesichts
dieses Problems wird in der
JP 2003 260611 A ein Schrägloch-Bearbeitungsverfahren
vorgeschlagen, bei dem mittels eines Bohrers, dessen Spitze halbkugelförmig
oder mit einem Scheitelwinkel vom Zweifachen des Neigungswinkels
zur Bearbeitungsoberfläche ausgelegt ist, ein Vorbearbeitungsloch
ausgebildet wird, sodass während einer nachfolgenden Bohrer-Zerspanung
das Schrägloch mit guter Positioniergenauigkeit ausgebildet
werden kann.
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Das
Vorbearbeitungsloch nach diesem Bearbeitungsverfahren ist allerdings
ungeeignet, die Bohrerspitze so zu halten, dass Wanderbewegungen
der Bohrerrotationsachse weg von der vorbestimmten Zerspanungslinie
in zentrifugaler Richtung verhindert werden, sondern stellt nur
eine zur Bohrerrotationsachse senkrechte Fläche an der
Werkstückoberfläche bereit. Werden sehr feine,
unter geringfügigen Kräften sich biegende/brechende
Feinlochbohrer verwendet, um in einem harten Werkstück
schräge Feinlöcher auszubilden, treten schon bei
geringfügigen Abweichungen gehäuft Schwierigkeiten
mit Bohrerbrüchen auf. Da außerdem in diesem Fall
geringfügige Verschiebungen der Bohrerspitze zu einer außerordentlichen
Verschlechterung der Bearbeitungsgenauigkeit führen, taugt
das Verfahren nicht als Mittel zur Ausbildung präziser
Schrägfeinlöcher.
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Überdies
stimmen die Techniken zur Ausbildung von Schrägfeinlöchern
mittels herkömmlicher Bearbeitungsverfahren darin überein,
dass, falls man wie in 9(A) in einem
vergrößerten Aufrissausschnitt gezeigt mit dem
Bohrer 30 bis zu einer Rückfläche des
Werkstücks 1 durchbohrt, zu dem Zeitpunkt, wenn
ein Abschnitt der Spitze des Bohrers 30 an die Rückfläche
austritt, sich an der der Austrittsstelle gegenüberliegenden
Seite der Spitze des Bohrers 30 eine Lagerfläche 100 bildet, über
welche die Spitze des Bohrers 30 in Richtung des geringsten
Widerstands gleitet, sodass der Bohrer 30 selbst sich krümmt
und von der vorbestimmten Zerspanungslinie X abweicht.
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Aus
diesem Grund tritt häufig das Problem auf, dass wie in 9(B) gezeigt die Spitze des Bohrers 30 mitten
während der Durchbohrvorgangs unter Ablenkung in der Pfeilrichtung
abbricht. Ferner führt das Durchbohren mit der Spitze des
Bohrers 30 bis an die Rückfläche nicht
nur zur Bildung von Rissen und Graten 101 am Rand der Lochöffnung,
sondern auch zu einer Krümmung des Feinlochs 10 selbst
in seinem Ausgangsbereich, sodass es zu einer extremen Verschlechterung
der Endbearbeitungsformgenauigkeit kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung bezweckt Probleme wie die oben beschriebenen zu lösen
und setzt sich zur Aufgabe, bezogen auf ein Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren
zur durchgehenden Ausbildung eines um einen festgesetzten Winkel
geneigten Feinlochs in einem Werkstück aus einem verhältnismäßig
harten Material, zu ermöglichen, ein Feinloch mit noch
größerer Neigung noch tiefer zu bohren und zugleich Formgenauigkeit
und Lagegenauigkeit des Lochs auf hohem Niveau zu verwirklichen.
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Demgemäß schafft
die Erfindung ein Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren
zur durchgängigen Ausbildung eines Feinlochs in einem Werkstück, durch
Ausrichten einer Rotationsachse eines Bohrers auf einer vorbestimmten
Zerspanungslinie, welche mit einer Senkrechten auf eine Vorderfläche
des Werkstücks einen festgesetzten Winkel bildet und mit einer
Senkrechten auf eine Rückfläche des Werkstücks
einen festgesetzten Winkel bildet, und durch Vorschieben des Bohrers
mit einer festgesetzten Vorschubrate. Kennzeichnend ist, dass ein
Führungsloch zum Halten eines Spitzenabschnitts des Bohrers,
um eine Wanderbewegung der Rotationsachse in zentrifugaler Richtung
zu beschränken, welches einen mit einem Durchmesser des
Bohrers wesentlich übereinstimmenden Innendurchmesser aufweist, durch
Zerspanen mittels eines Schaftfräsers derart, dass die
Mittelachse mit der vorbestimmten Zerspanungslinie übereinstimmt,
von der Vorderfläche des Werkstücks aus in wesentlich
zylindrischer Form gebildet wird, wobei nachfolgend zu Beginn eines
Bohrer-Zerspanungsschritts der Spitzenabschnitt des Bohrers in das
Führungsloch eingeschoben wird, um in einem Anrückschritt
der Bohrbearbeitung Zerspanungsposition und Zerspanungsrichtung
des Bohrers zu führen und in Übereinstimmung mit
der vorbestimmten Zerspanungslinie zu bringen, und wobei danach
eine Profilierbearbeitung ausgeführt wird, bei welcher
in einem Bereich von unmittelbar bevor ein spitzenseitiger Abschnitt
des Bohrers an der Rückfläche des Werkstücks
hervortritt bis zum vollständigen Durchgang des Spitzenabschnitts
des Bohrers, ein Arbeitsablauf mehrmals wiederholt wird, gemäß dem der
Bohrer eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen ohne Vorschub ausführen
gelassen und anschließend eine festgesetzte Strecke rotierend
vorgeschoben wird.
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Beim
durchgängigen Ausbilden geneigter Feinlöcher in
einem verhältnismäßig harten Werkstück
mittels eines sehr feinen Bohrers ist nämlich in dem Fall,
dass ein Vorbearbeitungsloch mit einem Zentrierbohrer angelegt wird,
bei großen Neigungswinkeln das Vorbearbeitungsloch schwierig
präzise auszubilden, weil die Bohrerspitze ohne in die
schräge Werkstückoberfläche einzuschneiden
verrutscht, sich verbiegt oder eine Abweichbewegung ausführt. Zudem
wird selbst dann, wenn man den Bohrer auf den Grund des Vorbearbeitungslochs
setzt, dessen Spitze nicht gehalten, sodass die Rotationsachse schwierig
in die richtige Position/Richtung zu führen ist. In dem
Fall dagegen, dass wie oben beschrieben mit einem Schaftfräser
ein Führungsloch gebildet wird, liegt die Zerspanungsfläche
senkrecht zur Rotationsachse des Schaftfräsers, der deswegen
auch an stark geneigten Werkstückoberflächen nur
schwer abrutscht und die Lochbildung in zylindrischer Form mit präziser
Lage, Tiefe und präzisem Winkel ermöglicht. Dass
die eingeschobene Bohrerspitze im Führungsloch in ihrem
Spiel beschränkt und in die korrekte Position und Richtung
geführt wird, ermöglicht es, in der Anfangsphase
des Bohrvorgangs, wo leicht Fehler und Schwierigkeiten auftreten
können, die Zerspanung mit hoher Präzision durchzuführen. Beim
Durchtreten der Spitzenseite des Bohrers an der Werkstückrückfläche
ermöglicht die Durchführung der Profilierbearbeitung
zusätzlich, Bohrerbrüche und Verformungen des
Lochöffnungsbereichs effektiv zu verhindern.
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Setzt
man in diesem Fall die Profilierbearbeitung so fest, dass die Umdrehungen
ohne Vorschub jeweils 1 bis 2 Umdrehungen umfassen, wobei die rotierend
vorgeschobene Strecke jeweils 0,5 μm bis 1,5 μm
beträgt, erleichtert dies entsprechend dem Neigungsgrad
des Feinlochs, die Formgenauigkeit des rückseitigen Lochöffnungsbereichs
sicherzustellen.
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Ist
ferner das obige Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren dadurch
gekennzeichnet, dass während des Bohrer-Zerspanungsschritts
jeweils nach Vorschieben des Bohrers um eine festgesetzte Strecke
innerhalb des Werkstücks der Bohrer herausgezogen und gegen
einen neuen ausgetauscht wird, bevor die Arbeit fortgesetzt wird,
so ermöglicht dies, indem verminderter Zerspanungsfähigkeit
aufgrund von in den Bohrerschneiden angelagerten Spänen durch
Auswerfen der Späne mittels des Herausziehens des Bohrers,
und zugleich der Schneidenabnutzung durch das Austauschen gegen
den neuen Bohrer begegnet wird, dass die Zerspanungsleistung auf hohem
Niveau aufrechterhalten wird und eine tiefere Zerspanung ausgeführt
werden kann.
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Beträgt
weiterhin ferner in dem obigen Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren
die Bohrerrotationsgeschwindigkeit während des Bohrer-Zerspanungsschritts
7500 U/min bis 12500 U/min, wobei die Vorschubrate entsprechend
einer Materialhärte des Werkstücks und dem Durchmesser
des Bohrers aus dem Bereich von 1,0 μm bis 6,0 μm
gewählt ist, erleichtert dies, bei Sicherstellung einer
festgesetzten Arbeitsproduktivität Bruchprobleme zu vermeiden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist
ein Aufriss zur Erläuterung einer Schrittfolge eines Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahrens
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
ein Aufriss zur Erläuterung eines Anrückschritts
der Schrittfolge aus 1.
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3(A) und (B) sind vergrößerte
Aufrisse zur Erläuterung von Einzelheiten des Anrückschrittes aus 2,
während (C) eine Draufsicht auf ein Führungsloch
aus (A) ist.
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4 ist
ein vergrößerter Aufriss zur Erläuterung
einer Profilierbearbeitung innerhalb des Ablaufs nach 1.
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5 ist
ein Aufriss zur Erläuterung einer Schrittfolge gemäß einem
Ausführungsbeispiel 1.
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6 ist
eine vorderseitige mikroskopische Fotografie eines gemäß Ausführungsbeispiel
1 erhaltenen Feinlochs.
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7 ist
eine rückseitige mikroskopische Fotografie eines gemäß Ausführungsbeispiel
1 erhaltenen Feinlochs.
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8 ist
ein Graph, der Ergebnisse von Lochdurchmessermessungen an der vorderseitigen Öffnung
und an der rückseitigen Öffnung von gemäß Ausführungsbeispiel
1 erhaltenen Feinlöchern zeigt.
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9(A) und (B) sind Aufrisse zur Erläuterung
eines Beispiels aus dem Stand der Technik.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Im
Folgenden sollen unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erläutert werden. 1 bis 4 zeigen
einen Aufriss, der zur Erläuterung des Ablaufs eines Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahrens
dient, welches eine Ausführungsform für die Erfindung
darstellt. Mit Bezug auf 1 ist das Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren
gemäß dieser Ausführungsform hochtauglich
zum Bohren eines Feinlochs mit einem Durchmesser von weniger als
0,3 mm und insbesondere weniger als 0,1 mm in ein aus einem verhältnismäßig
harten Werkstoff wie rostfreiem Stahl oder Keramik bestehendes Werkstück 1 entlang
einer vorbestimmten Zerspanungslinie X mit einem Neigungswinkel θ zur
Normalen auf eine Vorderfläche des Werkstücks 1 im
Bereich von 0° bis 45°, insbesondere 40° bis
45°, und mit der Tiefe einer Lochlänge g, die
mindestens den Durchmesser d × 5 beträgt, wobei
als Ziel die Formgenauigkeit des erhaltenen Feinlochs 10 eine
Genauigkeit erreichen soll, die einen Toleranzbereich von ±5%
um den Solldurchmesser nicht überschreitet.
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Eine
Besonderheit des Arbeitsprozesses liegt darin, dass die Zerspanung
mit dem Bohrer durchgeführt wird, nachdem mittels eines
Schaftfräsers 2 in wesentlich zylindrischer Form
ein Führungsloch 10a gebohrt wurde, welches eine
wesentlich mit dem Durchmesser d übereinstimmende Größe
aufweist und dazu dient, zur Führung von Schnittposition und
-richtung Wanderbewegungen der Rotationsachse des Bohrers in zentrifugaler
Richtung zu unterbinden. Weist das Führungsloch 10a in
dieser Situation einen größeren Durchmesser als
den Durchmesser d auf, begünstigen Wanderbewegungen des
Bohrers 30a im Inneren das Auftreten von Fehlern in Schnittposition
und -richtung des Bohrers 30a und führen zugleich
von Anfang an zu einer Aufweitung des Öffnungsbereichs
des Feinlochs, was dessen Lochdurchmessergenauigkeit verschlechtert.
Weist das Führungsloch 10a einen geringeren Durchmesser
als den Durchmesser d auf, begünstigt dies im Falle großer
Neigungswinkel ein Wegrutschen der Bohrerspitze, sodass diese nur
noch schwer an der korrekten Position zu halten ist.
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Zusätzlich
zum obigen Punkt bestehen Teilbesonderheiten darin, dass beim Bohrer-Zerspanungsschritt
jeweils nach einer Vorschubstrecke c der Bohrer von 30a nach 30b, 30c jeweils
gegen neue Bohrer ausgetauscht wird, sowie darin, dass im Falle
der Ausbildung des Feinlochs 10 durchgehend bis zu einer
Rückfläche des Werkstücks 1 in
einem Bereich von unmittelbar bevor ein spitzenseitiger Abschnitt
des Bohrers 30c an der Rückfläche erscheint bis
zum vollständigen Durchtreten des Spitzenabschnitts eine
sogenannte Profilierbearbeitung durchgeführt wird.
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Bei
der nachfolgenden Erläuterung der einzelnen Schritte wird
auf die Verwendung eines geeigneten Zerspanungsöls (Maschinenöls)
während des Zerspanens und auf die Durchführung
von Schlichtarbeiten wie Entgraten oder Polieren an den Öffnungen
des Feinlochs nicht näher eingegangen, weil diese Punkte
wesentlich mit dem Stand der Technik übereinstimmen. Auch
wird darauf verzichtet, Aufbau und Funktion einer Bohrvorrichtung
mit einer Werkstückfixiereinrichtung, einem Motor, einem
Bearbeitungskopf, einer Vorschubeinrichtung usw. näher
zu erläutern, da herkömmliche Vorrichtungen ohne Änderungen
verwendbar sind.
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Zunächst
soll mit Bezug auf 2 und 3 ein Anrückschritt
erläutert werden. Der Anrückschritt wird innerhalb
des Bearbeitungsverfahrens, mit dem das Feinloch 10 entlang
der einen Neigungswinkel θ zur Senkrechten auf das mit
einem verhältnismäßig großen
Winkel zur Horizontalen von z. B. 40° bis 45° in
der Werkstückfixiereinrichtung abgestützte und
fixierte Werkstück aufweisenden Zerspanungslinie X ausgebildet
wird, in einer Anfangsphase der Zerspanungsarbeiten durchgeführt.
Hierbei wird vorzugsweise das wesentlich zylindrische Führungsloch 10a entlang
der vorbestimmten Zerspanungslinie X bis zu einer festgelegten Tiefe
b mittels eines Schaftfräsers gebohrt, der einen Durchmesser
wesentlich gleicher Größe wie der Durchmesser
d des zum Bohren verwendeten Bohrers aufweist. Es ist nämlich
zwar möglich, zur Ausbildung einen Schaftfräser
mit einem Durchmesser zu verwenden, der kleiner ist als der Bohrerdurchmesser
d (= Durchmesser des Führungslochs), und den Lochdurchmesser
bis zur Größe des Führungslochs aufzuweiten,
kostet jedoch überflüssige Mühe und Zeit.
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Beim
Fräsen des Führungslochs 10a mit dem
Schaftfräser 2 werden entsprechend dessen Durchmesser,
der Härte des Werkstücks 1 und der Größe
des Neigungswinkels θ Rotationsgeschwindigkeit und Vorschubrate
passend eingestellt. Beispielsweise sind unter den Gesichtspunkten,
dass ein Bruch des Schaftfräsers 2 vermieden und
zugleich eine festgesetzte Produktivität sichergestellt werden
soll, für die Vorschubrate im Allgemeinen ca. 1,0 μm
angemessen, wenn das Werkstück 1 aus rostfreiem
Stahl besteht und der Neigungswinkel zwischen 40° und 45° liegt.
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Mit
Bezug auf die vergrößerten Ausschnittdarstellungen
von 3(A) und (B) wird für
die Tiefe b des mit dem Schaftfräser 2 zu bohrenden
Führungslochs 10a eine solche Tiefe gewählt,
dass beim Einschieben des Spitzenabschnitts des Bohrers 30a die
Länge des im Bereich von dessen Mantelflächenunterkante 310 die
innere Umfangsfläche des Führungslochs 10a berührenden
Abschnitts (Kreisbogens) wie in der Draufsicht von 3(C) gezeigt
50% des Umfangs des Bohrers 30a übersteigt, womit
ein wesentlich zylindrisches Loch gebildet wird, das mit seiner
inneren Umfangsfläche den schraffierten Bereich Y der Querschnittsfläche
des Bohrers 30a halten kann.
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Auf
diese Weise wird erreicht, dass nach Inbetriebsetzen des Bohrers 30a dessen
Rotationsachse durch Unterbinden von Wanderbewegungen in zentrifugaler
Richtung festgelegt ist. Bildet man nämlich, gemäß einem
herkömmlichen Beispiel für das Bohren eines schrägen
Feinlochs, ein Vorbearbeitungsloch mittels eines Zentrierbohrers
aus, so muss dieses in senkrechter Richtung zur Werkstückoberfläche
ausgebildet werden, da sonst z. B. bei großer Materialhärte
des Werkstücks oder großen Neigungswinkeln der
Bohrer auf der geneigten Fläche abrutschen würde,
sodass er sich biegt oder bricht. Da es zudem ein flaches Loch wird,
kann das Vorbearbeitungsloch bei der anschließenden Zerspanung nur
schwer den Bohrer entsprechend der korrekten Zerspanungsposition
und -richtung führen. Im Gegensatz hierzu bewirkt gemäß der
vorliegenden Ausführungsform das Ausbilden des Führungslochs 10a mit
der Tiefe b, dass in der Anfangsphase des Bohrens mit dem Bohrer 30a Zerspanungsposition
und -richtung des Bohrers korrekt geführt wird, was die Durchführung
der Zerspanungsarbeiten mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
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Als
nächstes soll mit Bezug wiederum auf 1 der
Zerspanungsschritt mit den Bohrern 30a, 30b, 30c genauer
erläutert werden. In diesem Schritt werden, abhängig
vom der Materialhärte des Werkstücks 1 und
vom Bohrerdurchmesser, die Bohrerrotationsgeschwindigkeit im Bereich
von 7500 U/min bis 12500 U/min eingestellt und wiederholt Vorschubbewegungen
mit im Bereich von 1,0 μm bis 6,0 μm eingestellter
Vorschubrate ausgeführt. Dies ermöglicht, Feinlöcher
hochgenau zu bohren und dabei unter Sicherstellung einer festgesetzten
Produktivität ein Zerbrechen der Bohrer zu vermeiden. Zusätzlich ist
jeweils nach einer bestimmten, abhängig von Schneidenverstopfung
durch Späne und den Reibungsverhältnissen an der
Schneidenspitze festgelegten Vorschublänge c ein Arbeitsgang
vorgesehen, bei dem der Bohrer herausgezogen und gegen einen neuen
ausgetauscht wird.
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Dies
bedeutet, dass in einem Stadium, nachdem der erste Bohrers 30a unter
Vorschieben um die Vorschublänge c zerspant hat, dieser
herausgezogen und gegen einen neuen Bohrer 30b ausgetauscht
wird. Nachdem auch dieser Bohrer 30b unter Vorschieben
um die Vorschublänge c zerspant hat, wird er auf die gleiche
Weise gegen einen neuen Bohrer 30c ausgetauscht, worauf
es durch abermaliges Zerspanen unter Vorschieben um die Vorschublänge
c zum Durchgang des Feinlochs 10 kommt. Durch Anwenden
eines derartigen Arbeitsgangs werden jedes Mal, wenn ein Bohrer
herausgezogen wird, zwischen den Schneiden angelagerte Späne
nach außen ausgeworfen, um einen Zustand herabgesetzten
Zerspanungswiderstands herzustellen, der es ermöglicht
die Arbeitsproduktivität zu steigern. Das Austauschen gegen
neue Bohrer ermöglicht auch, Verhältnisse verminderter
Zerspanungsfähigkeit aufgrund von Abnutzung oder Erhitzung
aufzulösen, um so mit noch feineren Bohrern noch tiefere
Feinlöcher effizient zu bilden.
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Anhand
von 4 soll der Profilierschritt erläutert
werden, der die abschließende Phase des Bohrvorgangs darstellt.
Bei den herkömmlichen Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren
ist es im Falle des bis zur Rückfläche des Werkstücks 1 durchgängigen
Ausbildens eines geneigten Feinlochs so, dass wie in 9 gezeigt
unmittelbar bevor der Spitzenabschnitt des Bohrers 30 die
Rückfläche durchstößt die Neigungsfläche
(Schneidenfläche) der Spitze über die Auflagefläche 100 gleitet,
sodass der Spitzenabschnitt des Bohrers sich in Richtung des geringsten Widerstands
krümmt und zum Abbrechen neigt, wobei zugleich das Problem
auftritt, dass die Formgenauigkeit des Loches sich durch Verformungen und
Risse im Öffnungsbereich extrem verschlechtert.
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Hier
sieht nun die vorliegende Ausführungsform den Schritt einer
sogenannten Profilierbearbeitung vor, bei der wie in 4 gezeigt
in einem Bereich f von unmittelbar vor dem Austreten des spitzenseitigen
Abschnitts (gewinkelten Abschnitts) des Bohrers 30c an die
Rückfläche des Werkstücks 1 bis zum
vollständigen Durchgang des Spitzenabschnitts des Bohrers 30c ein
Arbeitsablauf mehrmals wiederholt wird, gemäß dem
der Bohrer 30c ohne Vorschub eine bestimmte Anzahl von
Umdrehungen ausführen gelassen und anschließend
eine bestimmte Strecke rotierend vorgeschoben wird.
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Bohrt
man beispielsweise in dem Fall, dass das Werkstück 1 ein
Material relativ großer Härte wie rostfreien Stahl
aufweist und der Neigungswinkel θ des Feinlochs mit nicht
unter 40° verhältnismäßig groß ist,
mit einem Bohrer 30c von maximal 0,10 mm Durchmesser bei
einer Rotationsgeschwindigkeit von ca. 10000 U/min bis zur Rückfläche
des Werkstücks 1 durch, beträgt die der
Profilierungsbearbeitung entsprechende Weite etwa das 1,0 bis 1,5-fache
des Bohrerdurchmessers d.
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Für
die vorschublosen Umdrehungen bei dieser Profilierbearbeitung sind
allgemein 1 bis 2 Umdrehungen angemessen, während für
das rotierende Vorschieben eine Rate von etwa 1,0 μm angemessen ist. Überschreiten
die Umdrehungen ohne Vorschub die Anzahl von 2, neigen die Schneiden
nämlich zu schlechterem Schnitt, während bei über
dieses Maß erhöhter Vorschubrate der Bohrer 30c dazu
neigt sich zu biegen oder zu brechen.
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Da
die oben beschriebenen Schritte unter unveränderter Verwendung
einer gewöhnlichen Bohrvorrichtung ausführbar
sind, erfordern sie nicht die Neueinführung einer gesonderten
Vorrichtung. Da außerdem keine übertriebene Zeit
und Mühe für diese Schritte benötigt
werden, sind sie ohne unangemessene Kostensteigerung ausführbar.
Das Ausführen des Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren der
vorliegenden Ausführungsform ermöglicht schließlich,
auch ohne besondere Geschicklichkeit noch feinere Feinlöcher
mit noch größerer Neigung noch tiefer zu bohren
und zugleich Formgenauigkeit und Lagegenauigkeit der Löcher
auf hohem Niveau zu verwirklichen.
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Ausführungsbeispiel 1
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Im
Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung
in noch mehr Einzelheiten erläutert werden. 5 ist
ein Aufriss zur Erläuterung des Ablaufs eines Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahrens
bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Wie aus der Zeichnung
ersichtlich, handelt es sich bei dem Ausführungsbeispiel
um eine konkrete Ausführung des Inhalts der zuvor beschriebenen Ausführungsform
bei übereinstimmend aufgebautem Arbeitsablauf. Die Genauigkeit
der hiermit erhaltenen Löcher wurde untersucht durch Feststellen
der örtlichen Lage der Feinlöcher anhand von Oberflächenfotografien
und Vermessen der einzelnen Lochdurchmesser an Mikrofotografien
der Feinlochöffnungen.
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(Ausführungsdetails)
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- a. Werkstoff (Werkstück 1)
Material:
SUS SK5, Härte: mindestens HRA50, Dicke: 0,4 mm
- b. Arbeitsziel (Feinloch 10)
Lochgestalt: Durchmesser
(d) 0,100 mm × Lochlänge (g) 0,566 mm × 8
Stück (kreisförmig angeordnet), Neigungswinkel:
45°, Genauigkeit: innerhalb einer Toleranz von 5% bezogen
auf den beabsichtigten Lochdurchmesser
- c. Bohrer (30a, 30b, 30c)
Durchmesser:
0,100 mm, Schneidenlänge: 0,8 mm, Produktbezeichnung: Microdrill
MSMD, Hersteller: NS Tool, Vertrieb: FA System
- d. Schaftfräser (2)
Durchmesser: 0,10
mm, Schneidenlänge: 0,5 mm, Produktbezeichnung: MSME 230,
Hersteller: NS Tool, Vertrieb: FA System
- e. Anrückschritt (Schaftfräserzerspanungs-Abschnitt)
Rotationsgeschwindigkeit:
1000 U/min, Vorschubrate: 1,0 μm, Tiefe (b): 0,025 mm,
Neigungswinkel: 45°, verwendete Vorrichtung: MAKINO V22
- f. Zerspanungsschritt
Rotationsgeschwindigkeit 1000 U/min,
Vorschubrate 1,0 μm, Vorschub (c): 0,200 mm (c × 3
= 0,600 mm), Neigungswinkel: 45°, Profilierbearbeitung:
(2 Umdrehungen + Vorschubweite 1,0 μm) × 120-mal
(Weite f, 0,120 mm), Zerspanungsöl: nichtflüchtiges Öl,
Produktbezeichnung: Yushiron Cut Abas BM405, verwendete Vorrichtung:
MAKINO V22
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(Ergebnis)
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Für
alle Feinlöcher (8 Stück) wurde der Durchgang
festgestellt und, wie gezeigt in der Mikrofotografie der vorderseitigen
Feinlochöffnung aus 6 und der
Mikrofotografie der rückseitigen Feinlochöffnung
aus 7, jeweils eine verhältnismäßig gute
Formgenauigkeit der Löcher erhalten. Zudem wurde wie der
Graph aus 8 zeigt eine Lochgenauigkeit
erreicht, bei der die tatsächlich gemessenen Lochdurchmesser
sämtlich innerhalb eines Toleranzbereichs von ±0,005
mm (5%) lagen.
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Auch
wenn bei dem obigen Ausführungsbeispiel der Neigungswinkel
des Feinlochs mit 45° ausgeführt wurde, ist die
Erfindung nicht durch diese Grenze beschränkt. Abhängig
vom Bohrerdurchmesser und der Härte des Werkstücks,
von die Lochlänge betreffenden Vorraussetzungen usw. gibt
es, abgesehen von dem selbstverständlichen Fall kleinerer Neigungswinkel,
auch unter Bedingungen größerer Neigungswinkel
ausführbare Fälle, wobei jeweils das oben beschriebene
Ergebnis zu erwarten ist.
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Mit
den obigen Erläuterungen ermöglicht die Erfindung,
bezogen auf ein Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren zur
Ausbildung von Feinlöchern, die ein verhältnismäßig
hartes Werkstück unter einem festgesetzten Neigungswinkel
durchdringen, die Feinlöcher mit noch größerer
Neigung noch tiefer bohren zu können und dabei die Formgenauigkeit und
Lagegenauigkeit der Löcher auf hohem Niveau zu verwirklichen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Da
die Erfindung, mit der Feinlöcher entsprechend ihrem Neigungsgrad
bis zu einer Öffnung an einer Rückseite des Werkstücks
durchgebohrt werden können, es ermöglicht, ein
Feinloch mit noch größerem Neigungswinkel noch
tiefer zu bohren und dabei dessen Formgenauigkeit und Lagegenauigkeit auf
hohem Niveau zu verwirklichen, ist sie z. B. in gewerblichen Bereichen
wie der Halbleiterfertigungsindustrie oder der Medizingerätefertigungsindustrie breit
anwendbar.
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Zusammenfassung
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Aufgabe
der Erfindung ist, bei einem Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren
zur durchgehenden Ausbildung eines um einen festgesetzten Winkel
geneigten Feinlochs in einem Werkstück aus einem verhältnismäßig
harten Material zu ermöglichen, ein Feinloch mit noch größerer
Neigung noch tiefer zu bohren und zugleich Formgenauigkeit und Lagegenauigkeit
des Lochs auf hohem Niveau zu verwirklichen. Das Schrägfeinloch-Bearbeitungsverfahren bildet
das Feinloch durch Ausrichten einer Rotationsachse eines Bohrers
auf einer vorbestimmten Zerspanungslinie (X), die mit einer Senkrechten
auf eine Vorderfläche eines Werkstücks (1)
einen festgesetzten Winkel bildet, und durch Vorschieben des Bohrers
mit einer festgesetzten Vorschubrate. Ein Führungsloch
(10a) zum Halten eines Spitzenabschnitts des Bohrers, um
eine Wanderbewegung der Rotationsachse in zentrifugaler Richtung
zu beschränken, weist einen mit einem Durchmesser des Bohrers
(d) wesentlich übereinstimmenden Innendurchmesser auf und
wird durch Zerspanen in wesentlich zylindrischer Form von der Vorderfläche
des Werkstücks aus mittels eines Schaftfräsers
(2) derart gebildet, dass die Mittelachse mit der vorbestimmten
Zerspanungslinie (X) übereinstimmt. Nachfolgend wird ein Bohrer-Zerspanungsschritt
begonnen, indem der Spitzenabschnitt eines Bohrers (30a)
in das Führungsloch (10a) eingeschoben wird. In
einem Anrückschritt der Bohrbearbeitung wird die Zerspanungsposition/Zerspanungsrichtung
des Bohrers durch das Führungsloch (10a) in Übereinstimmung mit
der vorbestimmten Zerspanungslinie (X) geführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 10286708
A [0002]
- - JP 2003260611 A [0006]