DE19602030A1 - Bohrer - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bohrer und ins besondere einen Spiralbohrer mit einem
Bohrerschaft und einer Bohrerspitze, die mindestens eine und vorzugsweise zwei Haupt
schneiden aufweist, wobei sich, von der Bohrerspitze ausgehend und entsprechend der Anzahl
der Hauptschneiden, je eine Spannut vorzugsweise wendelförmig entlang des Schaftes des
Bohrers erstreckt und wobei der Bohrer eine Hartstoffbeschichtung aufweist.
Bohrer der vorgenannten Art sind bereits seit längerem bekannt. Dabei bestehen mit
Hartstoffen beschichtete Bohrer im allgemeinen aus Stahl, vorzugsweise einem sogenannten
Schnellarbeitsstahl, der zwar eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweist, jedoch im Vergleich
zu Hartstoffen eine geringere Härte hat, so daß die Bohrer relativ schnell verschleißen und
häufig nachgeschliffen werden müssen, wobei auch das Nachschleifen nur in begrenztem
Umfang möglich ist. Außerdem sind die mit derartigen Bohrern erreichbaren Arbeits- und
Vorschubgeschwindigkeiten deutlich langsamer als im Falle von Bohrern aus Hartmetall oder
mit Hartstoffbeschichtung.
Aus diesem Grund werden derartige Stahlbohrer, vor allem für den industriellen Einsatz,
inzwischen schon zu einem erheblichen Anteil mit Hartstoffen beschichtet, welche die
Standzeit dieser Werkzeuge und ihre Schneid- bzw. Rotations- und Vorschubgeschwindigkeiten
beträchtlich erhöhen können.
Die Hartstoffbeschichtung hat dabei auch den Vorteil, daß diese Schicht gegenüber den
meisten metallischen Materialien, die mit derartigen Bohrern bearbeitet werden, einen
geringeren Reibungskoeffizienten hat als das Stahl- bzw. Legierungsmaterial des Bohrers selbst.
Derartige Bohrer arbeiten vor allem bei geringen Bohrtiefen relativ zufriedenstellend. Man hat
jedoch bereits festgestellt, daß diese Bohrer die Spanbildung verändern, was unter anderem
auch auf die geringere Reibung zwischen Span und Spanfläche zurückzuführen ist. Die
Spanbildung tendiert dabei stärker in Richtung Fließspanbildung, was bei Werkzeugen, deren
Zerspanungsstelle im Inneren des Werkstoffes liegt, also insbesondere bei Bohrern,
Gewindebohrern etc., zur Verschlechterung von Spanformung und Spanbruch und aus diesem
Grunde auch zur Verschlechterung des Spantransportes führt. Um diesen nachteiligen Effekten
zu entgehen, wird teilweise bewußt auf die Hartstoffbeschichtung verzichtet, insbesondere
wenn man anstrebt, in einem einzigen Bohrvorgang ohne Unterbrechung große Bohrtiefen zu
erzielen, z. B. in der Größenordnung des 6- bis 10-fachen des Bohrlochdurchmessers.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Bohrer mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, der einfach herstellbar ist
und der hinsichtlich der Standzeit und Bearbeitungsgeschwindigkeit die günstigen Eigen
schaften von beschichteten Bohrer mit den günstigen Eigenschaften der Spanbildung bzw. des
Spantransportes der unbeschichteten Bohrer aus Schnellarbeitsstahl verknüpft.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Hartstoffbeschichtung zwar einerseits die gesamte
Bohrerspitze einschließlich Haupt- und Nebenschneiden, Freiflächen und Spannuten umfaßt,
andererseits jedoch die Beschichtung in axialer Richtung auf einen Abschnitt beschränkt ist,
der höchstens das 3fache des Bohrerdurchmessers beträgt. Überraschenderweise hat sich
nämlich herausgestellt, daß derartige Bohrer offenbar sehr gute Spanbildungs- und Spantrans
porteigenschaften aufweisen und dabei in der Arbeitsgeschwindigkeit und Standzeit den
vollständig beschichteten Bohrern in nichts nachstehen. Vorzugsweise beträgt die axiale Länge
des beschichteten Bereiches weniger als das 1,5fache des Durchmessers, insbesondere das
0,7 bis 1,2fache des Bohrerdurchmessers. Obwohl also das Beschichtungsmaterial prinzipiell
einen geringeren Reibungskoeffizienten gegenüber dem Werkstoffmaterial hat, scheint es
jedenfalls bezüglich der Späne, die von der mit Hartstoff beschichteten Schneide und der
ebenfalls mit Hartstoff beschichteten Spanfläche gebildet werden, günstiger zu sein, wenn der
weitere Transport nicht entlang beschichteter Flächen der Spannuten, sondern entlang der
unbeschichteten Spannuten erfolgt. Wenn man daher die Beschichtung von vornherein nur auf
einen kleinen Bereich an der Spitze des Bohrers beschränkt, erhält man gleichzeitig die
Beschichtung an der Schneidkante, der Freifläche und auf auf der unmittelbar an die
Schneidkante angrenzenden Spanfläche, was sich günstig auf die Standzeit, die Zerspanungs
fähigkeit und Belastbarkeit der Bohrerspitze und damit des Bohrers insgesamt auswirkt.
Überraschend ist dabei insbesondere, daß die günstige Eigenschaftskombination von guter
Standzeit, guter Bohrleistung und gutem Spantransport auf einen relativ engen Parameterbe
reich der Beschichtung begrenzt ist, nämlich im wesentlichen etwas das 0,7 bis 2,5fache des
Bohrerdurchmessers für die axiale Beschichtungslänge, wobei allerdings auch bis zum 3fachen
des Durchmessers die Beschichtung erfolgen kann, wenn mit dem Bohrer keine allzugroßen
Bohrtiefen erreicht werden sollen.
Als geeignete Beschichtungen haben sich dabei Titannitrit (TiN) und Titanaluminiumnitrit (TiAlN)
erwiesen, wobei bei der Beschichtung mit TiAlN mehrere Schichten in wechselnden Konzen
trationen von Stickstoff und Aluminium besonders bevorzugt sind. Auch andere Hartstoffe wie
z. B. Titancarbonitrid (TiCN) kommen selbstverständlich als geeignetes Beschichtungsmaterial
in Frage.
Bevorzugt wird die Erfindung eingesetzt für Tieflochbohrer, d. h. für Bohrer, bei welchen die
axiale Länge der Spannuten mindestens das 6fache, vorzugsweise mehr als das 8fache oder
mehr als das 10fache des Bohrerdurchmessers beträgt. Erst bei den großen Bohrtiefen im
Bereich vom 8 bis 10fachen des Bohrerdurchmessers und dabei vor allem beim Bohren in einem
Durchgang, daß heißt ohne Unterbrechung, ohne zwischenzeitliches Herausziehen des Bohrers
aus dem Bohrloch und ohne zwischenzeitliches Entfernen der Späne, kommen die Vorteile der
Erfindung voll zur Geltung.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden Bohrers wird die der
Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß der Bohrer zunächst ohne
Beschichtung eine Endbearbeitung erfährt, und zwar einschließlich der Herstellung eines
endgültigen Anschliffes, und anschließend in einer Beschichtungsanlage (z. B. durch Sputtern)
in einer Hülse mit dem Hartstoff beschichtet wird, wobei die Hülse nur einen kurzen Abschnitt
an der Bohrerspitze freiläßt, dessen axiale Länge höchstens das 3fache des Bohrerdurch
messers beträgt. Vorzugsweise läßt die Hülse weniger als das 1,5fache, insbesondere nur das
0,7- bis 1,2fache des Bohrerdurchmessers als axiale Länge des Spitzenabschnittes des Bohrers
frei. Dabei kann allerdings ein Teil des Hartstoffmaterials auch in die stirnseitig offenen
Spannuten hineindiffundieren, so daß die Beschichtung in den Spannuten nicht so deutlich
abgegrenzt ist wie an der Außenfläche des Bohrers. Dies ist jedoch für die mit der Erfindung
erzielten Wirkungen unschädlich. Insbesondere wird man aus diesem Grund jedoch gerade bei
Bohrern mit großem Durchmesser zu kürzeren Beschichtungslängen tendieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden
deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der
dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Bohrers gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Bohrversuch mit Erfassung der auftretenden Drehmomente bei einem
vollständig beschichteten Bohrer,
Fig. 3 einen Bohrversuch mit Erfassung der auftretenden Drehmomente bei einem
unbeschichteten Bohrer,
Fig. 4 entsprechende Meßergebnisse für einen Bohrer, bei welchem die Beschichtungs
länge das 1,5fache des Bohrerdurchmessers betrug.
Man erkennt in Fig. 1 in einer Seitenansicht einen Bohrer mit einem Schaft 1, in welchem
spiral- bzw. wendelförmige Nuten 4 ausgebildet sind. Das hintere, in Fig. 1 unten dargestellte
Ende des Schaftes 1 kann unterschiedliche Formen annehmen und ist jeweils dafür ausgelegt,
von einem bestimmten Spannsystem bzw. Spannfutter gehalten zu werden.
Die Spitze 2 des Bohrers weist zwei Hauptschneiden 3 auf, von denen in Fig. 1 eine sichtbar
ist. Die an der Bohrerspitze auf der Rückseite der Schneide anschließende Fläche 5 ist eine
sogenannte Freifläche, während auf der anderen Seite an die Hauptschneide 3 die in Fig. 1
nicht unmittelbar sichtbare Spanfläche anschließt, d. h. diejenige Fläche, auf welcher der von
der Hauptschneide 3 abgeschälte Span abläuft. Diese Spanfläche ist gleichzeitig ein Teil der
Wand der Spannut 4, die von der jeweiligen Schneidkante ausgeht und in welcher die Späne
aus dem jeweiligen Bohrloch heraustransportiert werden. Vorzugsweise hat die Schneidkante
zum Bohrerzentrum hin einen abgerundeten oder facettenartig abgekanteten Verlauf, um eine
quetschende Querschneide möglichst kurz zu halten oder ganz zu vermeiden. In Verbindung
mit der Beschichtung unterliegen auch solchermaßen gestaltete Schneidkanten keinem
übermäßigen Verschleiß. Die genaue Ausbildung der Schneidkanten und insbesondere der
Nebenschneiden ist aber für die vorliege Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Wesentlich
ist jedoch, daß die Spitze 2 des Bohrers über eine axiale Länge l mit einem Hartstoff
beschichtet ist, wobei diese Hartstoffbeschichtung den vor allem im Bereich der Spitze 2
auftretenden Verschleiß eines derartigen Bohrers beträchtlich reduziert und darüberhinaus
wesentlich größere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten, erlaubt als sie mit einem
unbeschichteten Bohrer zu erreichen wären.
Der Beschichtungsbereich ist in Fig. 1 durch Schraffuren angedeutet, wobei die unter
schiedliche Richtung der Schraffuren nur die unterschiedliche Lage und Form der einzelnen
beschichteten Flächen andeutet. Außer der Schneidkante 3, der Freifläche und der Neben
freiflächen am Schaft ist insbesondere auch die Spannut 4 in dem Bereich B der Bohrerspitze
beschichtet. Im Verhältnis zum Durchmesser D des Bohrers beträgt die axiale Länge l des
Bereiches B maximal das 3fache dieses Durchmessers, im dargestellten Ausführungsbeispiel
etwa das 0,8fache. Der Bohrer zeigt seine überlegenen Eigenschaften vor allem beim
Tieflochbohren in einem Durchgang, was dementsprechend voraussetzt, daß er auch eine
entsprechende Länge hat. Allgemein spricht man vom Tieflochbohren erst dann, wenn die Tiefe
eines Bohrloches mindestens das 5 oder 6fache des Bohrlochdurchmessers beträgt. Damit auch
aus einem Bohrloch, welches z. B. die 10fache Tiefe des Bohrlochdurchmessers haben soll, die
von den Schneidkanten 3 abgeschälten Späne aus dem Bohrloch heraustransportiert werden
können, muß auch die axiale Länge der Spannuten 4 mindestens das 10fache des Bohrerdurch
messers betragen. Der Bohrer ist deshalb in Fig. 1 in der Länge unterbrochen dargestellt,
weist also in der Realität im Verhältnis zum Durchmesser eine erheblich größere Länge und
insbesondere einen erheblich längeren, mit Spannuten versehenen Abschnitt auf.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen Bohrungsversuche, die mit Bohrern durchgeführt wurden, die jeweils
identische Maße und identische äußere Formen hatten. Konkret wurden Bohrer mit 8 mm
Durchmesser verwendet, wobei die Bohrtiefe bis zu 100 mm betrug, also etwa das 12fache
des Bohrerdurchmessers erreichte. Die Rotationsgeschwindigkeit des Bohrers wurde so
eingestellt, daß die Umfangsgeschwindigkeit etwa 20 m pro Minute betrug, und der Vorschub
wurde auf 0,16 mm pro Umdrehung festgelegt. Außerdem wurde das Bohrloch während des
Bohrvorganges mit einer üblichen Emulsion gekühlt und gespült. Als Versuchswerkstoff, in
welchen die Löcher gebohrt wurden wurden, wurde ein Stahl mit der Bezeichnung C45
verwendet.
In den Figuren ist jeweils das an den Bohrern auftretende Drehmoment in vertikaler Richtung
gegenüber der aktuell erreichten Bohrtiefe aufgetragen. Dieses Drehmoment entspricht dem
Widerstand gegen das Drehen des Bohrers, welcher zum einen durch die (relativ gleichmäßigen)
Zerspanungskräfte, zum anderen durch die Reibung der Späne an der Bohrlochwand
hervorgerufen wird. Man erkennt in Fig. 2, daß bei einem komplett mit TiN beschichteten
Bohrer bei einer Bohrtiefe, die etwa dem 5 bis 6fachen des Bohrerdurchmessers entspricht, der
Bohrvorgang unruhig zu werden beginnt und das Gesamtdrehmoment leicht ansteigt. Ab etwa
dem 8fachen des Bohrerdurchmessers wird der Anstieg des Drehmomentes deutlicher, und
knapp oberhalb des 10fachen des Durchmessers tritt ein Spanstau auf, was zu einer
drastischen Erhöhung dem Drehmomente und zum Bruch des Bohrers führt.
Der im vorliegenden Fall verwendete Versuchsaufbau ermöglichte im wesentlichen nur die
Darstellung der sogenannten "statischen Kräfte". Dieser statische Anteil wird durch das relativ
konstante Drehmoment wiedergegeben, welches man in allen Figuren, mindestens in etwa bis
zu einer Bohrtiefe erkennt, die dem Sechsfachen des Bohrlochdurchmessers entspricht. Die
dynamischen Anteile, d. h. sehr kurzzeitig auftretende Drehmoment- bzw. Belastungsspitzen
wurden dabei herausgefiltert. Daher ist die Aussage, daß der Bohrvorgang im Falle des
vollständig beschichteten Bohrers bei einer Bohrtiefe, die etwa dem Fünf- bis Sechsfachen des
Bohrerdurchmessers entspricht, unruhig zu werden beginnt, nicht allein und nicht eindeutig an
der dargestellten Meßkurve zu erkennen, sondern vor allem anhand der während des Versuchs
an Meßgeräten erkennbaren Drehmoment- und Spannungsspitzen, die zeitlich zu kurz waren,
als daß sie in den beiliegenden Figuren erkennbar sein könnten. Derartige dynamische Anteile
der Bohrerbelastung führen aber zu einem drastischen Anstieg des Verschleißes und zu einer
Verminderung der Bohrlochqualität, d. h. zu rauheren Bohrlochwänden mit insgesamt höheren
Toleranzen, so daß ein solcher unruhiger Bohrvorgang in der Praxis nicht hinzunehmen ist. Ein
vollständig beschichteter Bohrer ist daher schon ab Bohrtiefen, die dem 5-fachen des
Durchmessers entsprechen, nicht mehr für das Herstellen einer präzisen Bohrung in einem
Arbeitsdurchgang verwendbar.
Für die Messung gemäß Fig. 3 wurde in der gleichen Versuchsanordnung ein vollständig
unbeschichteter Bohrer aus Schnellarbeitsstahl verwendet. Dabei ist jedoch darauf hinzuwei
sen, daß ein solcher Bohrer selbstverständlich eine verminderte Verschleißfestigkeit aufweist
und wesentlich geringere Bohrleistungen (Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit) hat. Das beim
Bohren mit einem solchen Bohrer auftretende Drehmoment bleibt bis zu einer Bohrtiefe, die
etwa dem 8fachen des Bohrerdurchmessers entspricht, näherungsweise konstant und beginnt
erst danach leicht anzusteigen. Wenn die Bohrtiefe das 12fache des Bohrerdurchmessers
erreicht hat, beträgt der Anstieg des Drehmomentes gegenüber dem Drehmoment bei geringen
Bohrtiefen etwa 50 bis 60%.
In Fig. 4 ist schließlich das Versuchsergebnis wiedergegeben, welches für einen Bohrer
ermittelt wurde, bei welchem sich die Beschichtung auf einen Spitzenabschnitt B beschränkt,
dessen axiale Länge das 1,5fache des Bohrerdurchmessers D beträgt. Dabei umfaßt die
Beschichtung mit TiN in diesem Fall auch die Spannuten. Wie man erkennt, weist bei diesem
Bohrer das Drehmoment nur geringe Schwankungen auf und bleibt bis zum 12fachen des
Bohrerdurchmessers praktisch-konstant. Auch für Beschichtungen bis zum 2,5fachen des
Durchmessers erhält man noch ein weitgehend konstantes Drehmoment bei entsprechenden
Versuchen. Erst darüber beginnt der Bohrvorgang bei größeren Bohrtiefen unruhig zu werden.
Daraus ist zu schließen, daß sowohl die vollständige Beschichtung als auch der vollständige
Verzicht auf eine solche Beschichtung auch für Tieflochbohrer nachteilig ist, während die auf
den Spitzenbereich B beschränkte Beschichtung der Spannuten offenbar die besten Ergebnisse
hinsichtlich Spanbildung und Spantransport liefert.
Claims (7)
1. Bohrer, insbesondere Spiralbohrer mit einem Bohrerschaft (1) und einer Bohrerspitze (2),
die mindestens eine und vorzugsweise mindestens zwei Hauptschneiden (3) aufweist,
wobei sich, von der Bohrerspitze (2) ausgehend, entsprechend der Anzahl der
Hauptschneiden je eine Spannut (4) vorzugsweise wendelförmig entlang des Schaftes
(1) erstreckt und wobei der Bohrer eine Hartstoffbeschichtung aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hartstoffbeschichtung neben den Haupt- und Nebenschneiden
sowie den Freiflächen (5) auch die Spannuten (4) erfaßt, jedoch auf einen Bereich (B)
an der Spitze beschränkt ist, dessen axiale Länge (l), gemessen von der Bohrerspitze
aus, das 3fache des Bohrerdurchmessers (D) nicht übersteigt.
2. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Beschichtungslänge
des Bereiches (B) das 1,5fache des Durchmessers nicht übersteigt und vorzugsweise
das 0,7 bis 1,2fache des Bohrerdurchmessers (D) beträgt.
3. Bohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungs
material Titannitrit (TiN) ist.
4. Bohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungs
material aus mehreren Schichten der Zusammensetzung TiNAl besteht, wobei die
relativen Konzentrationen von Stickstoff (N) und Aluminium (Al) in abwechselnd aufein
anderfolgenden Schichten unterschiedlich sind
5. Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale
Länge des Spannuten (4) mindestens das 6fache, vorzugsweise mindestens das
10fache des Bohrerdurchmessers (D) beträgt.
6. Verfahren zum Herstellen eines Spiralbohrers mit Beschichtung, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Bohrer zunächst ohne Beschichtung eine Endbearbeitung ein
schließlich des Herstellens eines endgültigen Anschliffes der Bohrerspitze erfährt und
anschließend in einer Sputteranlage in einer Hülse mit Hartstoff beschichtet wird, wobei
die Hülse den Bohrer mit Ausnahme eines spitzen Abschnittes, dessen axiale Länge
höchstens dem 3fachen des Bohrerdurchmessers entspricht, vollständig abdeckt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse einen Abschnitt
an der Bohrerspitze freiläßt, der in etwa dem 0,7 bis 1,2fachen des Bohrerdurch
messers entspricht.
Priority Applications (2)
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DE29624610U DE29624610U1 (de) | 1996-01-20 | 1996-01-20 | Bohrer |
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ID=7783278
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