DE4241140A1 - Zerspannungswerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug mit mindestens einem Schneideinsatz.

Beispielsweise fallen hierunter Bohrwerkzeuge mit einem Schaft und mit mindestens einer in axialer Richtung verlaufenden Span­ nut mit nach hinterem Ende abnehmender Tiefe und mit mindestens einem Schneideinsatz, der am Umfang des Schaftes am vorderen Ende der Spannut bis zum größten Bearbeitungsdurchmesser ange­ ordnet ist, und ggf. einen weiteren Schneideinsatz an einer zweiten diametral gegenüberliegenden Spannut innerhalb des Schneidkreises des am Umfang angeordneten Schneideinsatzes an die Bohrerachse angrenzend oder dieselbe geringfügig über­ schreitend angeordnet ist.

Die genannten Bohrer mit Schneidplatten werden zum Bohren ins Volle für Bohrlängen bis etwa dem fünffachen Bohrungsdurchmes­ ser eingesetzt. Bohrungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten sind möglich. Zum Bohren tieferer Löcher, dem eigentlichen Tieflochbohren, gewinnt die Spanabfuhr zunehmend Bedeutung, weshalb es unablässig ist, unter hohem Druck Kühlmittel an die Schneidstelle zu bringen, welches neben der Kühlung insbeson­ dere den Abtransport der Späne über die Spannuten besorgt. Un­ ter die Erfindung fällt jedoch auch ein Einlippenbohrer, der eine Schneide und meist zwei Führungsleisten besitzt, die den Bohrer in einer mitlaufenden Bohrbuchse zentrieren.

Bohrwerkzeuge für Bohrungen in Vollmaterial mit zwei Schneideinsätzen mit einer jeweils dachförmigen, gebrochenen Schneidkante sind beispielsweise aus der DE 27 30 418 C2 be­ kannt. Werden in einer Ausführungsvariante drei Schneideinsätze verwendet, so sind im wesentlichen jeweils beide Schneidkanten­ hälften jedes Schneideinsatzes im Einsatz. Die Zahl der Spannu­ ten erhöht sich dann selbstverständlich auf drei.

Während nach der DE 27 30 418 C2 die Schneidplatten relativ zu­ einander in gleichen Umfangswinkelabständen, z. B. 180 oder 120° in den aufgeführten Beispielen, angeordnet sind, wird nach der DE 27 51 255 C2 vorgeschlagen, die Radialebene des inneren Schneideinsatzes zum Ausgleich der auf den Bohrerschaft einwir­ kenden radialen Kräfte entgegen der Drehrichtung des Bohrers um einen kleinen Winkel gegen den am Umfang angeordneten Schneideinsatz nach rückwärts abzuwinkeln.

Ausführungsvarianten mit unterschiedlich großen aber geome­ trisch ähnlichen Schneideinsätzen sind aus der DE 28 08 866 C2 bekannt.

Nach der DE 35 45 586 C2 wird u. a. zur Gewährleistung einer guten Spanabfuhr vorgeschlagen, den Drallwinkel der Spannuten gegenüber der Bohrerachse vom vorderen Ende des Schneidteiles zu dessen hinteren Ende abnehmen zu lassen, wobei zumindest der Drallwinkel im hinteren Bereich des Schneidteiles so groß ge­ wählt ist, daß am vorderen Ende des Übergangsteiles, dort wo die Spannuten noch ihre volle Tiefe aufweisen, die durch den dortigen Querschnitt des Schneidteiles verlaufende Mittellinie jedes der beiden Stege in etwa in Richtung der Gesamtresultie­ renden der auf die Schneidplatten einwirkenden Schnittkräfte verläuft.

Darüber hinaus sind nach dem Stand der Technik auch Stechhalter bekannt, die aus einem flachen Halter mit einer Ausnehmung be­ stehen, in die unter Vorspannung ein Schneideinsatz eingeklemmt ist. Eine Seite dieser Ausnehmung ist als federnder Klemmarm ausgebildet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Zer­ spanungswerkzeuge dahingehend zu verbessern, daß die Spanabfuhr außerhalb des Schneideinsatzes verbessert wird, insbesondere die Reibung des ablaufenden Spanes minimiert und die Entstehung langer Späne, die zu einem Totalausfall des Werkzeuges führen können, vermieden wird. Statt dessen wird eine Kurzspanbildung angestrebt.

Diese Aufgabe wird mit einem Zerspanungswerkzeug nach An­ spruch 1 gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die außer­ halb des Schneideinsatzes liegende Spanablauffläche eine in ei­ nem Quantenenergieprozeß behandelte Oberfläche und/oder eine Spanablaufmulde besitzt. Der Quantenenergieprozeß, insbesondere eine Laserbehandlung einer Werkstückoberfläche, ist grundsätz­ lich nach dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise zur Härtung der Oberfläche, um Ermüdungsbrüche von beispielsweise Flugzeugteilen zu verhindern. Die quantenenergieprozeßbehan­ delte Oberfläche hindert eine Oberflächenrißinitiierung und wirkt korrosionsmindernd. Anders als bei Oberflächenglättungs­ bearbeitungen, wie dem Honen oder Läppen, wird beim Quanten­ energieprozeß die Konzentration der Mikro-Rauheiten stark redu­ ziert und durch eine geringere Konzentration an Makro-Rauheiten ersetzt. Hierdurch wird die Anzahl der Berührungspunkte zwi­ schen den sich bewegenden Teilen gesenkt und damit gleichzeitig die Reibung gemindert. Das noch nicht in allen Details er­ forschte Prinzip beruht im Ergebnis darauf, daß ein Laser die oberflächennahen Schichten rasch aufheizt und hierbei derart erhitzt, daß die die Rauhigkeit bestimmenden Spitzen partiell in die Senken abfließen, so daß eine weiche, dünenartige Mikro- Oberfläche entsteht. Die verminderte Reibung begünstigt die Späneabfuhr und verhindert, daß die entstehenden Späne sich stauen und die Oberfläche des Werkzeuges durch abrasiven Verschleiß negativ beeinflußt.

Alternativ hierzu oder in Ergänzung kann eine Spanablaufmulde in dem außerhalb des Schneideinsatzes liegenden Spanablaufbe­ reich bei einem dort auftreffenden Span diesen krümmen, bis er letztlich als Kurzspan bricht. Kurze Späne lassen sich, bei­ spielsweise über die Kühlmittelflüssigkeit, gut aus der Spannut oder sonstwie vom Werkzeug weg fördern. Als Flächenstücke für die Anordnung der Spanablaufmulde dienen insbesondere solche Spanablaufflächen, auf die der beim Zerspanen entstehende Span nach Ableitung und Führung durch den Schneideinsatz auftrifft.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 beschrieben. So soll die vorzugsweise durch Laserbehandlung geglättete Oberfläche eine Oberflächenglättung aufweisen, bei der Abstand der maximalen Erhebung zum Minimum höchstens 2 im ist. Diese dünenartige Ausbildung der Oberfläche anstelle vieler einzelner scharfkantiger Spitzen minimiert entsprechend die Berührungspunkte beim Spanablauf. Anders ausgedrückt, die scharfzackige Mikro-Struktur wird durch eine Makro-Struktur der Erhebungen ersetzt.

Um zu verhindern, daß unerwünschte Oberflächenreaktionen des Zerspanungswerkzeuges auftreten, ist die Oberfläche unter Schutzgas laserbehandelt worden.

Vorzugsweise ist der Muldenradius zumindest im der Schneidkante abgewandten Bereich kleiner als die Muldentiefe, also bei­ spielsweise dergestalt, daß der Krümmungsradius in Richtung des Schneideinsatzes zunimmt.

Besitzt die muldenförmige Ausnehmung eine größere axiale Länge als eine radiale Breite, so erhält der Span eine zusätzliche axiale Führung. Bevorzugte Ausführungsformen dieser muldenför­ migen Ausnehmung sind in einer Draufsicht auf die Spanfläche eine länglich-runde, ovale, elliptische oder nach hinten spitz zulaufende, zur Schneidebene jedoch runde Kontur. Die Tiefe der muldenförmigen Ausnehmung hängt von dem Bohrquerschnitt des Bohrers sowie der Anzahl der Schneideinsätze und der Länge der wirksamen Schneidkanten sowie der Vorschubgeschwindigkeit und der Schnittgeschwindigkeit ab. Je größer die abgespanten Späne werden, desto größer wird die Tiefe der muldenförmigen Ausneh­ mung gewählt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung geht die Spanlaufmulde unter einem dem ablaufenden Span angepaßten Winkel in die Umgebungs­ fläche über, um hier zusammen mit dem kleinen Muldenradius eine Spanumlenkung mit einem Spanbruch zu erzeugen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar­ gestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Bohrwerkzeuges mit zwei Wendeschneidplatten,

Fig. 2a bis d jeweils Seitenansichten des Bohrwerkzeuges nach Fig. 1 mit unterschiedlichen Muldenformen,

Fig. 3a bis d jeweils unterschiedliche Ausführungsformen der Mulde bzw. der Spanablauffläche.

Das in Fig. 1 dargestellte Bohrwerkzeug besteht aus einem Schaft 10, der zur Stirnseite hin zwei - hier quadratische Schneideinsätze 11 und 12 aufweist, die in entsprechenden Sitz­ flächen angeordnet sind. Der Schneideinsatz 11 ist derart ange­ ordnet, daß er den äußeren Bearbeitungsdurchmesser beschreibt, während der Schneideinsatz 12 innerhalb des Schneidkreises an die Bohrerachse angrenzend bzw. diese geringfügig überschrei­ tend angeordnet ist. Der Schaft 10 besitzt in axialer Richtung verlaufende Spannuten 13 und 14, die im vorliegenden Fall ge­ rade ausgeführt sind, aber auch wendelförmig verlaufen können. Diese Spannuten 13 bzw. 14 definierten Spanflächen 131, 141, entlang derer die Späne unter Unterstützung des Kühl- und Schmiermittels, das stirnseitig des Bohrers durch entsprechende Kanäle in die Bohrung unter Druck eingepreßt wird, abfließen. In dieser Spanfläche 131, 141 befindet sich eine Spanlauf­ mulde 15, die eine Form 151, 151 oder 153 nach Fig. 2a bis d haben kann. Bei der Muldenform 151 wird die Übergangskante von der Spanfläche in die Mulde durch zwei teilkreisförmige Linien begrenzt, die spitzwinklig aufeinander zulaufen, so daß in der Draufsicht eine langgestreckte elliptische Mulde mit jeweils spitzem Auslauf ergibt. Die Mulde 152 besitzt zum hinteren Ende hin dieselbe spitzwinklige Ausbildung wie die Mulde 151, aller­ dings ist sie zur Schneidkante, d. h., zur Stirnseite des Boh­ rers hin abgerundet, so daß sie tropfenförmig ausgestaltet ist. Die Mulde 153 ist hingegen kreisförmig ausgebildet. Die Mulde 154 weist eine im wesentlichen rechteckige Kontur auf, läuft aber nach hinten spitzbogenförmig aus. Die Maße a, b und 1 werden vorzugsweise folgendermaßen gewählt:
a = 0,05 - 0,5 × Bohrdurchmesser (d); b = (0,1 - 0,5) × d; l = (0,2 - 1) × d.

Die Ausgestaltung der Mulde 15 bzw. der Fläche 131 ist aus Fig. 3a bis c ersichtlich. Wie aus Fig. 3b, Ansicht "X", zu er­ kennen, ist die Mikro-Oberflächenstruktur einer unbehandelten Spanablauffläche mit einer Unzahl von zahlreichen Spitzen 151 und dazwischenliegenden engen Spalten versehen, wobei auch eine mechanische Bearbeitung nur die maximale Rauhtiefe minimiert, jedoch nicht die Anzahl der herausragenden Spitzen, die mit dem ablaufenden Span in Berührkontakt tritt und entscheidend für die Reibung ist. Dieser Effekt wird nach Fig. 3b insoweit aus­ genutzt, wie die Mulde eine bewußte Spanumlenkung des etwa un­ ter 60° bis 80° zur Fläche 131 auftreffenden Spanes erzeugt, wobei der Span in der Mulde 15 eine Führung bis hin zum Span­ bruch zur Erzielung von Kurzspänen erfährt.

Behandelt man hingegen die Spanlauffläche 131 und erzeugt die aus der Teilansicht "Y" ersichtliche Makro-Struktur, so wird anstelle der großen Anzahl von Spitzen 151 nur ein einziges Ma­ ximum auf einer entsprechenden Weglänge geschaffen, d. h., die Quantenenergieprozeßbehandlung führt zu einer wellenförmigen Oberflächenausbildung. Ein hier auftreffender Span erfährt eine dementsprechend geringere Reibung, so daß ein Spanstauchen und damit ein Auffüllen der Spanabfuhrausnehmung verhindert wird.

Wie durch Pfeil 16 angedeutet, bewirkt die Makro-Struktur, daß Kühlflüssigkeit einen besonders günstigen Schmiereffekt ausüben kann, der sich weiterhin reibungsmindernd auswirkt. Wie die weitere Vergrößerung Ansicht "Y₁" deutlich macht, ist die Makro-Struktur "Y" weitestgehend geglättet.

Eine Kombination der laserbehandelten Oberfläche und der Mulde ist in Fig. 3a zu entnehmen, bei der sowohl die gute Spanfüh­ rung als auch der reibungsarme Spanablauf in optimierter Weise erreicht sind.

Hinsichtlich der Formgestaltung der muldenförmigen Ausnehmungen gibt es mannigfache Varianten, so insbesondere hinsichtlich der Breite, wobei die maximale Breite durch die Breite der wirksa­ men Schneidkante des Schneideinsatzes 11 oder 12 begrenzt ist. Werden pro Bohrerseite mehr als ein Schneideinsatz verwendet, liegen im Bereich der jeweiligen Spanauftreffflächen in den Spanflächen 131, 141 entsprechend viele Mulden oder eine zusammengefaßte Mulde. Aus Fig. 3a und 3b ist auch ersichtlich, daß die Mulde 15 von dem dem Schneideinsatz 11 oder 12 zugewandten Ende aus gesehen von einem größeren Krümmungsradius zu einem kleineren Krümmungsradius wechselt.

Claims (11)

1. Zerspanungswerkzeug mit mindestens einem Schneidein­ satz (11, 12), dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Schneideinsatzes (11, 12) liegende Spanablauffläche (131) eine in einem Quantenenergieprozeß behandelte Oberfläche (131, 141) und/oder eine Spanablauf­ mulde (15) besitzt.

2. Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberfläche (131, 141) laserbehandelt ist.

3. Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche (13) eine Glättung auf­ weist, bei der der Abstand der maximalen zu der minimalen Erhebung höchstens 2 µm ist.

4. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche unter Schutzgas laserbehandelt ist.

5. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Muldenradius der Spanablauf­ mulde (15) kleiner als die Muldentiefe ist.

6. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die muldenförmige Ausneh­ mung (15) kreisförmig, tropfenförmig oder konkav-ellip­ tisch mit einer größeren axialen Länge als radialen Breite ausgebildet ist.

7. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die muldenförmige Ausneh­ mung (15) in einer Draufsicht auf die Spanfläche (131, 141) eine länglich-runde, ovale, elliptische oder nach hinten spitz zulaufende Kontur hat.

8. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius in Richtung des Schneideinsatzes (11, 12, 17, 18) zunimmt.

9. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spanablaufmulde (15) an der von der Schneidplatte (11, 12) abgewandten Seite unter ei­ nem Winkel <20° in die Spannutfläche übergeht.

10. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß es ein Bohrwerkzeug, insbeson­ dere ein Spiralbohrer, ein Dreh-Räum- oder Dreh-Dreh-Räum- Werkzeug oder Stechwerkzeug ist.

11. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bohrwerkzeug mit einem Schaft und mit mindestens einer in axialer Richtung ver­ laufenden Spannut mit nach dem hinteren Ende abnehmender Tiefe und mit mindestens einem Schneideinsatz (11, 12), der am Umfang des Schaftes am vorderen Ende der Spannut bis zum größten Bearbeitungsdurchmesser angeordnet ist und ggf. einen weiteren Schneideinsatz (11, 12) an einer zwei­ ten diametral gegenüberliegenden Spannut innerhalb des Schneidkreises des am Umfang angeordneten Schneideinsatzes an die Bohrerachse angrenzend oder dieselbe geringfügig überschreitend angeordnet ist, eine oberflächenbehandelte Spannut und/oder eine muldenförmige Ausnehmung (15) an der unter einem Winkel zur Spanfläche des Schneideinsatzes liegenden Spanfläche ausgestattet ist.