DE3927615A1

DE3927615A1 - Spiralbohrer fuer rost- und saeurebestaendige staehle

Info

Publication number: DE3927615A1
Application number: DE19893927615
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Schwenck
Original assignee: Hartner & Co KG G GmbH
Current assignee: Hartner & Co KG G GmbH
Priority date: 1989-08-22
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1991-02-28
Also published as: DE3927615C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralbohrer aus wärmebeständigem Hochleistungs-Schnellstahl des Typs HSS-E für rost- und säurebeständige Stähle, die als Haupt-Legierungsbestandteile Chrom und/oder Nickel, sowie ferner meist Molybdän und/oder Titan enthalten, und entweder ein austenitisches oder ein ferritisches Gefüge aufweisen.

Ein typisches Beispiel für einen rost- oder säurebeständigen Stahl mit austenitischem Gefüge ist der Stahl X10 Cr Ni Mo Ti 18 10, d. h. ein Stahl mit weniger als 0,1% Kohlenstoff, 16,5 bis 18,5% Chrom, 2,5 bis 3% Molybdän, 12% bis 14,5% Nickel und mehr als 0 5 % Titan (vgl. Stahlschlüssel-Taschenbuch, 15. Aufl. 1988, S. 96). Andere rost- und säurebeständige Stähle mit ferritischen Gefüge ohne Nickel sind X 10 Cr 13 oder X 10 Cr 14, etc. (vgl. Hartner Spiralbohrer Technisches Handbuch, 2. Aufl. 1988, S. 16; zur Nomenklatur vgl. DIN 17 440; siehe auch Stahlschlüssel, 14. Aufl., 1986, Abschn. 13, S. 271-293).

Besonderes physikalisches Merkmal der austenitischen Werkstoffe ist neben der gewünschten Rost- und Säurebeständigkeit eine ausgeprägte Zähigkeit. Aufgrund dieser hohen Zähigkeit und des hohen Anteiles von Legierungselementen sind austenitische Stoffe nur schwer zerspanbar.

Spiralbohrer der eingangs genannten Art, d. h. aus Hochleistungs-Schnellstahl des Typs HSS-E sind bekannt. Bei dem Hochleistungs-Schnellstahl des Typs HSS-E handelt es sich z. B. um einen Stahl mit 6% Molybdän, 5% Wolfram, 2% Vanadium und 5 % Kobalt (vgl. Hartner Spiralbohrer, aaO, S.39).

Derartige bekannte Spiralbohrer, wie man sie zum Bohren derartiger hochlegierter austenitischer oder ferritischer rost- und säurebeständiger Stähle verwendet, haben einen Seitenspannwinkel von ca. 35°, engere Spannuten als normale, für andere Stähle vorgesehene Spiralbohrer, einen relativ dicken Kern und sind ausgespitzt oder mit einem Kreuzanschliff versehen (vergl. DIN 1 412). So beträgt bspw. bei einem bekannten Spiralbohrer, der für rost- und säurebeständige Stähle vorgesehen ist, bei einem Durchmesser von d = 7,2 mm die Kerndicke an der Spitze 1,74 mm und am Ende der Nut 2,63 mm (Baumaße im übrigen gemäß DIN 338). Die Rückenbreite, normal zur Spiralbohrerachse gemessen beträgt 4,9 mm, die Nutenbreite, ebenfalls normal zur Spiralbohrerachse gemessen beträgt 4,95 mm. Das Verhältnis Rückenbreite/Nutenbreite, normal zur Bohrerachse gemessen, ist hier also ungefähr 1. Man versucht also nicht nur den Kern, sondern auch durch relativ enge Nuten das zwischen den Nuten verbleibende Material relativ massiv auszubilden, um mit einem möglichst stabilen Bohrer einen stetigen Schnitt in das zähe Material zu erreichen. Der starke Kern macht an der Bohrerspitze eine Ausspitzung notwendig.

Nachteilig an diesen Bohrern ist, daß die zu bohrenden rost- und säurebeständigen Stähle meist lange Späne bilden. Damit besteht die Gefahr, daß sich diese um den Bohrer wickeln und von einer Bedienungsperson mit einem Spanhaken entfernt werden müssen.

Außerdem ergibt sich in Folge der Zähigkeit des zu bohrenden Materials eine Neigung der Spiralbohrer zu Torsionsschwingungen, wenngleich man versucht hat, auch diesem Phänomen durch die bereits erwähnte relativ starke bzw. stabile Ausbildung des Kerns entgegenzuwirken. Dennoch ergibt sich ein relativ hoher Verschleiß der bekannten Bohrer bei rost- und säurebeständigen Stählen mit austenitischem Gefüge. So ergab sich z. B. bei einem Bohrdurchmesser d = 8,5 mm, einer Bohrungstiefe von 1 = 20 mm bei einer Durchgangsbohrung, bei einer erhöhten Schnittgeschwindigkeit von v = 15 m/min und einem erhöhten Vorschub von s = 0,16 mm/Umdrehung bei einem bekannten Bohrer eine Standzeit von im Mittel 14 Bohrungen, bei einer aus diesen erhöhten Schnittwerten resultierenden Vorschubgeschwindigkeit von u = 90 mm/min.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bohrer der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine erheblich höhere Standzeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch

(a) einen Seitenspanwinkel von 35° bis 45°;
(b) eine Beziehung von Kerndicke (k_v) zu Durchmesser (d) im Bereich der Spitze des Spiralbohrers entsprechend der Formel

K_v = a · d^m,

wobei a zwischen 0,24 und 0,28 und m zwischen 0,75 und 0,85 liegt;

(c) eine Zunahme der Kerndicke von der Spitze des Spiralbohrers zum Ende um ca. 50%;
(d) ein Verhältnis von Rückenbreite zu Nutbreite, gemessen senkrecht zur Achse des Spiralbohrers, von 0,8 bis 0,9.

Mit einem derartigen Spiralbohrer erzielt man erheblich verbesserte Ergebnisse, und zwar Standzeiten (vgl. dazu Fig. 4 und Fig. 5), die bei erhöhten Schnittwerten mehr als das 20fache Standzeiten für die bekannten Bohrer für rost- und wärmebeständige Stähle betragen können. Der erfindungsgemäße Bohrer ist entgegen seitherigen Bestrebungen bei der Geometrie von Bohrern für den genannten Zweck relativ labil, etwa nach Art der Bohrer von Typ W, wie er seither nur für weiche Materialien, wie Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Bronze, oder weiche Kunststoffe verwendet wird (s. dazu Spur/Stöferle, Handbuch der Fertigungstechnik, Band 3/1, Spanen, 1979, S. 377). Der, wie angegeben, relative große Seitenspanwinkel (früher: Spiralwinkel) beim erfindungsgemäßen Bohrer hat, neben anderen Parametern, zur Folge, daß sich an der Hauptschneide ein relativ geringer Keilwinkel ergibt. Er ergibt außerdem einen relativ kurzgedrallten Bohrer. Auch das angegebene Verhältnis von Kerndicke (Kerndurchmesser) zu Durchmesser des Spiralbohrers bedeutet eine Abkehr von dem seitherigen Bestreben, den Bohrer möglichst massiv auszubilden. Der erfindungsgemäße Bohrer für rost- und säurebeständige Stähle ist mit sehr viel dünnerem Kern und damit sehr viel schwächer ausgebildet als man dies seither für nötig hielt. Dasselbe folgt aus dem Verhältnis von Rückenbreite zu Nutbreite.

Überraschenderweise ergibt sich also bei diesem "weichen" bzw. "labilen" Bohrer eine sehr viel schwächere Ausbildung von Schwingungen und damit eine sehr viel höhere Standzeit, ohne daß dies zu Brüchen des Spiralbohrers führt. Der große Seitenspanwinkel und die breiteren Nuten sorgen gleichzeitig für eine bessere Spanabfuhr.

Besonders gute Werte ergeben sich bei einem Durchmesser von 5 - 8 mm für einen Seitenspanwinkel von 40°, ein Verhältnis von Kerndicke zu Durchmesser des Spiralbohrers im Bereich der Spitze von 0,18, sowie einem Verhältnis von Rückenbreite zu Nutbreite von 0,85.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Spanwinkel der Nebenschneide 10 bis 20°, vorzugsweise 15° beträgt, während dieser Winkel bei bekannten für das Bohren rost- und säurebeständiger Stähle eingesetzten Bohrern kleiner ist. Dies bedeutet im Bereich der Nebenschneiden auch eine etwas spitzere und damit schärfere Schneidkante, während man bei einem "stabilen" Bohrer möglichst viel Material des Bohrers auch im Bereich der Nebenschneide haben will, so daß man aus diesen Gründen bei Bohrern für den angegebenen Zweck seither mit sehr viel geringerem Spanwinkel der Nebenschneide gearbeitet hat. Als ein besonders guter Wert hat sich ein Spanwinkel der Nebenschneide von 15° erwiesen.

Die relativ dünne Ausbildung des Kerns ermöglicht es auch nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, an der Spitze mit einem Anschliff in Form eines Kegelmantels ohne Ausspitzung zu arbeiten. Dies bedeutet vor allem eine Zeitersparnis, denn das Ausspitzen ist beim Schleifen eines Bohrers ein relativ zeitaufwendiger Arbeitsgang.

Im vorliegenden Fall wird aber ein relativ kleiner Freiwinkel gewählt, weil er wegen der damit gegebenen verstärkten Tendenz zum Anliegen des Schneidenbereichs auf dem Grund der Bohrung schwingungsdämpfend wirkt. Der Freiwinkel von Bohrern hängt vom Bohrerdurchmesser ab, und zwar so, daß mit zunehmendem Durchmesser der Freiwinkel kleiner wird. Ein Freiwinkel von 11° hat sich als günstig herausgestellt für Bohrer von ungefähr 7 mm Durchmesser. Der Freiwinkel ist z. B. bei einem Bohrerdurchmesser von d = 1 mm ungefähr 17° und bei einem Bohrerdurchmesser von d = 40 mm ungefähr 5°.

Schließlich ergibt sich eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Bohrers dadurch, daß man die Härte des Bohrers bei ungefähr 850 HV 10 (Vickers Härte bei 10 kg Belastung) wählt. Die Werte für die bekannten Bohrer zum Bohren von rost- und säurebeständigen Stählen liegen höher, z. B. bei 870 HV 10. Um diese etwas geringe Härte und ein feineres Gefüge vorzusehen, geht man erfindungsgemäß so vor, daß man das Härten bei einer Temperatur von ungefähr 1200°C und danach das Anlassen zunächst 1 Stunde bei ungefähr 610°C und dann bei ungefähr 600°C, ebenfalls 1 Stunde, durchführt, anstatt, wie seither bei Bohrern für rost- und säurebeständige Stähle bei höheren Temperaturen zu härten und bei niedrigeren anzulassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Spiralbohrer;

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 die Spitze des Spiralbohrers;

Fig. 4 u.5 Versuchsergebnisse.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Spiralbohrer 1 mit einer Spitze 2 und einer Nut 3. Die wesentlichen Merkmale ergeben sich aus Fig. 2. Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Bohrers mit einem äußeren (Hüll-) Durchmesser d von 7,2 mm in vergrößertem Maßstab. Daraus ist ersichtlich, daß vergleichsweise breite Nuten und ein dünner Kern vorgesehen sind. Der Kerndurchmesser ist mit k bezeichnet. Er beträgt im Bereich der Spitze 2 des Bohrers (Kerndicke vorn) k_v = 1,3 mm und im Bereich des Endes 4 der Nut 3 (Kerndicke hinten) k_v = 1,96 mm, so daß sich eine Kernverstärkung, d. h. ein Verhältnis k_h/k_v von 50% ergibt. Es ergibt sich ferner aus Fig. 2 die Breite der Nut b_Nn und zwar gemessen von der Nebenschneide 10 bis zum Ende 12 des Rückens 11 senkrecht zur Achse A des Spiralbohrers; dabei schließt sich der Rücken 11 an die Fase 13 an. Die Enden 12 können auch, wie gestrichelt angedeutet, gerundet sein. Die angestrebte relativ starke Nutenbreite ergab sich beim Ausführungsbeispiel bei einem Verhältnis von d_Rn/b_Nn von 0,85 im konkreten Fall bei einer Rückenbreite b_Rn = 4,5 und einer Nutenbreite b_Nn = 5,3 mm.

Allgemein gilt für die Kerndicke von k_v die Bezeichnung K_v = a · d^m, wobei d der Durchmesser und a, m dimensionslose Faktoren sind, deren Werte erfindungsgemäß für a zwischen 0,24 und 0,28 und für m zwischen 0,75 und 0,85 liegen; vorzugsweise betragen sie a = 0,2653 und m = 0,8084. Das ergibt bei Bohrerdurchmessern d gleich z. B. 1,0 mm, 7,2 mm und 32,0 mm jeweils Kerndicken k_v gleich 0,27 mm, 1,31 mm bzw. 4,37 mm.

Aus Fig. 2 ist ebenfalls der Phasenwinkel der Nebenschneide 10 von ϕ = 15° ersichtlich.

Fig. 3 zeigt die Spitze 2 des Spiralbohrers 1 zur Erläuterung der Verhältnisse an der Hauptschneide. Es ist ersichtlich, daß der Freiwinkel α = 11°, der Keilwinkel β = 39° und der Seitenspanwinkel (Spiralwinkel) γ = 40° beträgt. Ferner ist zu ersehen, daß in Folge der relativ dünnen Kernausbildung die Querschneide 6 nicht ausgespitzt ist. Der Spitzenwinkel δ beträgt 130°.

In Fig. 4 sind Versuchsergebnisse mit dem erfindungsgemäßen Bohrer dargestellt. Dabei sind entlang der Ordinate die Anzahl der Bohrungen unter bestimmten Versuchsbedingungen aufgezeichnet. Es handelt sich um einen Standlängenversuch (DIN 338) mit erhöhten Schnittwerten bei folgenden Parametern: Bohrungsdurchmesser d = 8,5 mm, Bohrungstiefe 1 = 20 mm, Durchgangsbohrung
Schnittgeschwindigkeit v = 15 mm/min
Vorschub s = 0,16 mm/Umdrehung
Werkstoff: X 10 Cr Ni Mo Ti 18 10, austenitisches Gefüge
Maschine: Koordinatenbohrmaschine
Kühl/Schmiermittel: Bohrölemulsion 1 : 20.

Untersucht wurden drei Bohrer E, W1 und W2. W1 und W2 sind Bohrer, wie sie zum Bohren von rost- und säurebeständigen Stahl bekannt sind. Sie werden mit dem Bohrer E gemäß der Erfindung verglichen. Die Versuche wurden - je Bohrertyp - mit vier, bzw. sechs Bohrern durchgeführt, die in Fig. 4 durch verschiedene Schraffur kenntlich gemacht sind.

Während also der bessere Bohrer nach dem Stand der Technik (W2) in eine Standzeit von durchschnittlich 14 Bohrungen ergab, ergaben sich beim Bohrer E gemäß der Erfindung im Mittel 316 Bohrungen. Das ist eine außerordentlich hohe und völlig unerwartete Steigerung.

In Fig. 5 sind Versuchsergebnisse bei verschiedenen Schnittwerten bei bekannten Bohrern aus HSS-E für rostfreie Stähle mit dem erfindungsgemäßen Bohrer dargestellt. Dabei ist entlang der vertikalen Achse die Standlänge in m dargestellt und entlang der horizontalen Achse die gebrauchte Zeit pro Bohrung bei erhöhten und bei normalen Schnittwerten aufgezeichnet. Auf der dritten Achse sind der erfindungsgemäße Bohrer und bisher bekannte Bohrer zum Bohren von austenitischen rost- und säurebeständigen Stählen aufgetragen.

Während sich, wie bei W_erh dargestellt, bei erhöhten Schnittwerten bei den bekannten Bohrern eine Standlänge von 0,3 m ergab, erreichte der erfindungsgemäße Bohrer, wie bei E gezeigt, im Mittel 6,3 m.

Bei üblichen (normalen) Schnittwerten - siehe bei W_norm - ergab sich bei den bekannten Bohrern eine mittlere Standlänge von 2 m, während sich jedoch die gebrauchte Zeit pro Bohrung verdoppelte.

Diese Versuche mit Spiralbohrern mit Baumaßen nach DIN 338 erfolgten unter folgenden Bedingungen:

erhöhte Schnittwerte
normale Schnittwerte
v = 15 m/min
10 m/min
n = 560 U/min	375 U/in
s = 0,16 mm/Umdr	0,12 mm/Umdr
u = 90 mm/min	45 mm/min

Werkstoff: X 10 Cr Ni Mo Ti 18 10
Kühlmittel: Emulsion 1 : 20
Bohrerdurchmesser d = 8,5 mm; Bohrungstiefe L = 20 mm, Durchgangsbohrung.

Claims

1. Spiralbohrer (1) aus Hochleistungs-Schnellstahl des Typs HSS-E für rost- und säurebeständige Stähle, die als Hauptlegierungsbestandteile Chrom und/oder Nickel sowie ferner meist Molybdän und/oder Titan enthalten, und entweder ein austenitisches oder ein ferritisches Gefüge aufweisen, gekennzeichnet durch
(a) einen Seitenspanwinkel (γ) von 35° bis 45°;
(b) eine Beziehung von Kerndicke (k_v) zu Durchmesser (d) des Spiralbohrers (1) im Bereich der Spitze (2) des Spiralbohrers entsprechend der Formel K_v = a · d^m,wobei a zwischen 0,24 und 0,28 und m zwischen 0,75 und 0,85 liegt;
(c) eine Zunahme der Kerndicke von der Spitze des Spiralbohrers zum Ende um ca. 50%;
(d) ein Verhältnis von Rückenbreite (b_Rn) zu Nutbreite (b_Nn), gemessen senkrecht zur Achse (A) des Spiralbohrers, von 0,8 bis 0,9.

2. Spiralbohrer nach Anspruch 1, gekennzeichnet bei einem Durchmesser (d) von 5-8 mm durch einen Seitenspanwinkel (γ) von ungefähr 40°, ein Verhältnis (k_v/d, k_h/d) von Kerndicke (k_v, k_h) zu Durchmesser (d), das im Bereich der Spitze des Spiralbohrers von 0,18 beträgt, ferner gekennzeichnet durch ein Verhältnis von Rückenbreite (b_en) zu Nutbreite (b_Nn) von ungefähr 0,85.

3. Spiralbohrer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanwinkel (ϕ) der Nebenschneide 10° bis 20° beträgt.

4. Spiralbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanwinkel (ϕ) der Nebenschneide 15° beträgt.

5. Spiralbohrer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwinkel (σ) 125° bis 135° beträgt.

6. Spiralbohrer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwinkel (σ) 130° beträgt.

7. Spiralbohrer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch einen Anschliff der Spitze ohne Ausspitzung.

8. Spiralbohrer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiwinkel (α) der Hauptschneide (5) bei einem Durchmesser d = 1 mm ungefähr 17° und bei einem Durchmesser von d = 40 mm ungefähr 5° beträgt.

9. Spiralbohrer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiwinkel (α) der Hauptschneide (5) bei einem Durchmesser von 7 mm ungefähr 11° beträgt.

10. Spiralbohrer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des Bohrers ungefähr 850 HV 10 beträgt.

11. Verfahren zur Herstellung eines Bohrers nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Härten bei einer Temperatur von ungefähr 1200°C und das Anlassen bei einer Temperatur von ungefähr 610°C für eine Stunde, danach bei 600°C, ebenfalls für eine Stunde, erfolgt.