DE3927615C2

DE3927615C2 -

Info

Publication number: DE3927615C2
Application number: DE19893927615
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Schwenck (Fh), 7470 Albstadt, De
Original assignee: G Hartner & Co Kg 7470 Albstadt De GmbH
Current assignee: G Hartner & Co Kg 7470 Albstadt De GmbH
Priority date: 1989-08-22
Filing date: 1989-08-22
Publication date: 1993-06-17
Also published as: DE3927615A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Spiralbohrer aus Hochleistungs-Schnellstahl des Typs HSS-E für rost- und säurebeständige Stähle, mit einem Seitenspanwinkel von mindestens 35° sowie einer von seiner Spitze aus zunehmenden Kerndicke. Ein solcher Spiralbohrer ist durch das Taschenbuch der Firma R. Stock AG in Berlin aus dem Jahre 1979, Seite 14, bekannt geworden. Aus stabilitäts- und bohrtechnischen Gründen ist dieser Spiralbohrer mit einem verstärkten Kern ausgestattet. Außerdem nimmt die Kerndicke von der Spitze des Spiralbohrers zum Ende hin nur leicht zu.

In der DE-OS 36 28 262 wird vorgeschlagen, das Verhältnis von Rückenbreite zu Nutbreite des Spiralbohrers senkrecht zu dessen Achse gemessen, Werte zwischen 1,25 und 0,77 aufweisen soll.

Versuche mit derartigen Bohrern haben ergeben, daß die Standzeit beim vorgesehenen Anwendungsbereich, also beim Bohren von rost und säurebeständigen Stählen trotz der vorgesehenen speziellen Ausbildung verhältnismäßig gering ist. 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. 1989, S. 96). Andere rost- und säurebeständige Stähle mit austenitischem Gefüge sind X10 Cr Ni Ti 18, 9. Typische 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).

Für die Bearbeitung derartiger Stähle wurde auch vorgeschlagen, die Bohrer entweder auszuspitzen oder mit einem Kreuzanschliff zu versehen (vgl. DIN 1412). Ganz allgemein hat man versucht einen massiven Kern vorzusehen und durch relativ enge Nuten das zwischen letzteren verbleibende Material relativ massiv zu halten, um mit einem möglichst stabilen Bohrer einen stetigen Schnitt in das zähe Material zu erreichen. Nachteilig bei diesen Bohrern ist es auch, daß rost- und säurebeständige 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.

Die Zähigkeit des Material ergibt eine Neigung des Spiralbohrers zu Torsionsschwingungen. Man hat versucht, diesem Phänomen durch die bereits erwähnte relativ starke bzw. stabile Ausbildung des Kerns entgegen zu wirken. Trotzdem ergab sich ein relativ hoher Verschleiß bzw. eine geringe Standzeit dieser Bohrer

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

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Bohrer gelöst durch

(a) einen Seitenspanwinkel (γ) von maximal 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) die Zunahme der Kerndicke von der Spitze des Spiralbohrers zum Ende um ca. 50%.

Entgegen dem seitherigen Trend wird hier vorgeschlagen den Kern nicht noch weiter zu verstärken, sondern im Gegensatz einen eher dünnen und damit schwächeren Kern vorzusehen. Dies geht in Verbindung mit einer Vergrößerung des Seitenspanwinkels bis hin zu einem Wert von 45°. Andererseits nimmt aber die Kendicke von der Spitze des Bohrers zu dessen Ende hin um ca. 50% zu, d. h. der schaftnahe Spiralteil erhält einen stabilen Kern während an der Bohrerspitze ein schlanker Kern vorliegt.

Das Verhältnis von Rückenbreite zu Nutbreite gemessen senkrecht zur Achse des Spiralbohrers wird auf einen engen Wert begrenzt.

Versuche haben ergeben, daß mit diesem Spiralbohrer in überraschender Weise wesentlich höhere Standzeiten erreicht werden als mit den vorbekannten Spezialbohrern für rost- und säurebeständige Stähle. Versuche mit Bohrern des Standes der Technik im Vergleich zum erfindungsgemäßen Bohrer haben gezeigt, daß letzterer eine Verbesserung der Standzeit auf das etwa dreißigfache ergibt und zwar bei gegenüber normal üblichen Werten etwas erhöhten Parametern hinsichtlich Schnittgeschwindigkeit und Vorschub. Gerade das aber ist erwünscht, denn es bedeutet kürzere Maschinenzeiten.

Besonders gute Werte ergeben sich in sehr vorteilhafter Weise bei einem Durchmesser von 5 bis 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. Dies ergibt im Bereich der Nebenschneiden eine etwas spitzere und damit schärfere Schneidkante, während man bisher 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.

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°.

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 Nuten 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 Nuten 3 (Kerndicke hinten) k_h=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 Fasenwinkel 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, mit einem Seitenspanwinkel von mindestens 35° sowie einer von seiner Spitze aus zunehmenden Kerndicke, gekennzeichnet durch

(a) einen Seitenspanwinkel (γ) von maximal 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) die 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 von Kerndicke (k_v, k_h) zu Durchmesser (d) im Bereich der Spitze des Spiralbohrers von 0,18, 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.