DE60106829T2

DE60106829T2 - Bohrwerkzeug

Info

Publication number: DE60106829T2
Application number: DE60106829T
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Godo-cho Suzuki; Seigou Akashi Kawano
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; MMC Kobelco Tool Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; MMC Kobelco Tool Co Ltd
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: JP2002144125A; KR20020017908A; EP1184114B1; US20020044843A1; EP1184114A2; EP1184114A3; DE60106829D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Werkzeuge zum Ausbilden von Bohrungen, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart sind. Solche Werkzeuge zum Ausbilden von Bohrungen sind aus dem Dokument US-A-5,230,593 bekannt.
Diese Beschreibung basiert auf japanischen Patentanmeldungen (den Veröffentlichungen japanischer ungeprüfter Patentanmeldungen Nr. 11-244120, Nr. 2000-004058, Nr. 2000-093834, und Nr. 2000-099648), und die Offenbarungen dieser japanischen Patentanmeldungen werden hierin als Teil dieser Beschreibung durch Bezug aufgenommen.
Bisher wurde im Fall des Ausbildens einer Bohrung in einer Form, die beispielsweise aus einem Werkzeugstahl für kalte Formen bestand, eine Wärmebehandlung nach dem Vorgang des Ausbildens der Bohrung ausgeführt. Demzufolge wurden Werkzeuge für typische Stähle verwendet. Um eine Anforderung zu erfüllen, den Zeitraum für die Bearbeitung zu verkürzen und dadurch die Kosten zu reduzieren, ist jedoch ein Verfahren immer gängiger geworden, in welchem der Vorgang des Ausbildens der Bohrung erst ausgeführt wird, nachdem die Wärmebehandlung abgeschlossen ist. In einem solchen Fall ist es ineffizient, die Bohrung durch eine elektrische Entladungsbearbeitung auszubilden. Demzufolge werden Bohrer für harte Stähle verwendet, die harte Stähle schneiden können, deren Härte ungefähr 40 bis 60 und maximal 70 HRC beträgt.
Diese Bohrer sind nur zum Ausbilden flacher Bohrungen verwendet worden, bei denen das Verhältnis der Tiefe L der Bohrung und des Außendurchmessers der Bohrer D, L/D, höchstens 3 beträgt. Techniken zum Ausbilden solcher Bohrungen sind beispielsweise in den Veröffentlichungen japanischer ungeprüfter Patentanmeldungen Nr. 7-80714 und 7-112311 offenbart.
Mit Bezug auf herkömmliche Bohrer für harte Stähle, deren Härte 40 HRC überschreitet, bestand der Nachteil, dass leicht ein Verschleiß, ein Absplittern und ein Zerbrechen der Schneidkanten auftrat. Die Schneidkanten wurden daher schnell abgenutzt, und die Lebensdauer des Werkzeugs war reduziert. Um dies zu vermeiden, sind Bohrer gemäß den oben beschriebenen Veröffentlichungen so ausgestaltet, dass ein Schraubenwinkel von Spanabführnuten gering ist, beispielsweise 10° bis 20°, während ein Schraubenwinkel von Bohrern für typische Stähle ungefähr 20° bis 30° beträgt. Alternativ sind die Bohrer so ausgestaltet, dass ein Kerndurchmesser größer ist als 0,3D, wobei D den Außendurchmesser der Bohrer darstellt. Diese Ausgestaltungen können auch in Kombination miteinander verwendet werden. Demzufolge wird die Steifigkeit der Bohrer erhöht und die Lebensdauer des Werkzeugs beibehalten.
Wenn beispielsweise ein abschließender Bearbeitungsvorgang nach dem Ausbilden der Bohrung ausgeführt werden soll, wird eine mit den oben beschriebenen Bohrern für harte Stähle ausgebildete Bohrung eine primäre Bohrung sein. Demzufolge ist zusätzlich zu dem Beibehalten der Werkzeuglebensdauer auch eine hohe Schneidgenauigkeit erforderlich. Die oben beschriebenen Bohrer sind jedoch lediglich dazu ausgestaltet, ihre Steifigkeit zu erhöhen durch Vermindern des Schraubenwinkels der Spanabführnuten und durch Erhöhen des Kerndurchmessers. Obwohl eine solche Konstruktion das Risiko reduziert, ein Zerbrechen der Schneidkanten oder ein Zerbrechen der Bohrer zu verursachen, besteht ein Nachteil darin, dass die Schneidkraft erhöht ist und die Schärfe der Schneidkanten vermindert ist. Als ein Ergebnis verschlechtert sich die Schneidgenauigkeit.
Dokument US-A-5,230,593 beschreibt einen Verdrehbohrer, der einen zylindrischen Körper beinhaltet, durch den sich eine Drehachse hindurch erstreckt. Um eine größere Torsionssteifigkeit des Körpers zu schaffen, hat der Körper eine Gewebedicke T von 15 bis 30% des Bohrerdurchmessers D und ein Flöten-Breiten-Verhältnis A/B von 0,4 bis 0,9, siehe Spalte 4, Zeilen 23 bis 26. Außerdem ist die gesamte Oberfläche des Bohrerkörpers mit einer harten Beschichtung beschichtet, siehe Spalte 4, Zeilen 46 bis 52. Außerdem ist der radiale Spanwinkel δ der Schneidlippe 12 an ihrem äußeren Ende auf einen Bereich zwischen –10° bis –20° festgelegt, und das Verhältnis einer Länge L₁ zwischen der Achse O der Drehung und dem Schnittpunkt P zu einer Länge L₂ zwischen dem Schnittpunkt P und dem äußersten Ende Q der Schneidlippe 12 ist auf einen Bereich zwischen 0,4 : 1 und 0,7 : 1 festgelegt, siehe Spalte 7, Zeilen 28 bis 33 und 6 und 11 der D1.
Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Umstände ist es daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug zum Ausbilden von Bohrungen zu schaffen, wobei die Lebensdauer des Werkzeugs verlängert ist, ohne dass die Schneidgenauigkeit sich vermindert. Dieses Ziel wird erreicht durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Im Grunde beinhaltet gemäß der vorliegenden Erfindung ein Werkzeug zum Ausbilden von Öffnungen, welches Werkzeug sich um eine Drehachse herum dreht: zumindest eine Spanabführnut, welche schraubenförmig um die Drehachse in der Außenfläche des Werkzeugs herum ausgeformt ist; und zumindest eine Schneidkante, die entlang von Kantenlinien zwischen Innenflächen der Spanabführnuten, die zur Drehrichtung hinweisen, und Flankenflächen ausgeformt ist, die an einem Ende des Werkzeugs zum Ausbilden von Öffnungen ausgeformt sind. Ein radialer Spanwinkel der Schneidkanten ist auf einen negativen Wert in einem Bereich von –5° bis –10° festgelegt, und ein Spitzenwinkel liegt in einem Bereich von 125° bis 135°.
Wenn sich der radiale Spanwinkel der Schneidkanten in dem oben beschriebenen Bereich befindet, ist die Schneidkraft reduziert, und ein zerbrechen der Schneidkanten wird verhindert. Außerdem wird eine ausreichende Schärfe der Schneidkanten sichergestellt werden. Der Wert des radialen Spanwinkels kann positiv sein, falls eine Bohrung in typischen Stählen wie beispielsweise Kohlenstoffstählen etc. ausgebildet wird. In einem Fall des Zerschneidens von harten Stählen, deren Härte beispielsweise über 40 HRC liegt, tritt jedoch ein Zerbrechen der Schneidkanten leicht auf, wenn der Wert des radialen Spanwinkels höher ist als –5°. Wenn der Wert des radialen Spanwinkels geringer ist als –10°, steigt die Schneidkraft an, so dass sich die Schneidgenauigkeit vermindert.
Wenn der Spitzenwinkel kleiner ist als 125°, tritt leicht eine Schwingung auf, insbesondere beim Schneiden von hartem Stahl. Außerdem wird ein Zeitintervall, in welchem die Schneidkanten nicht vollständig in ein Arbeitsmaterial hineingeführt sind und das Schneiden instabil ist, lang sein. Wenn der Spitzenwinkel größer ist als 135°, kann das Werkzeug zum Ausbilden der Bohrung nicht sanft in das Arbeitsmaterial eindringen. In beiden Fällen wird sich die Feinheit der ausgebildeten Bohrung vermindern.
Indem der Spitzenwinkel im Bereich von 125° bis 135° festgelegt wird, wird das Zeitintervall verkürzt, in welchem der Schneidvorgang instabil ist. Außerdem kann das Werkzeug zum Ausbilden der Bohrung sanft in das Arbeitsmaterial eindringen. Demzufolge wird die Verminderung der Feinheit der ausgebildeten Bohrung verhindert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Werkzeug zum Ausbilden der Bohrung zumindest eines der nun folgenden Merkmale haben.
Gemäß einem ersten Merkmal liegt ein Nutbreitenverhältnis des Werkzeugs zum Ausbilden der Bohrung im Bereich von 0,9 bis 1,1.
Wenn das Nutbreitenverhältnis kleiner ist als 0,9, werden sich die Späne innerhalb der Spanabführnuten aufgrund des fehlenden Raums verklumpen. Wenn das Nutbreitenverhältnis größer ist als 1,1, wird die Steifigkeit des Werkzeugs zum Ausbilden der Bohrungen abnehmen. In beiden Fällen wird sich die Feinheit der ausgebildeten Bohrung vermindern, und ein Zerbrechen des Werkzeugs wird auftreten.
Durch Setzen des Nutbreitenverhältnisses im Bereich von 0,9 bis 1,1 wird das Verklumpen der Späne aufgrund des fehlenden Raums verhindert, und eine ausreichende Steifigkeit des Werkzeugs wird sichergestellt. Demzufolge wird die Feinheit der ausgebildeten Bohrung beibehalten, und ein Zerbrechen des Werkzeugs wird verhindert.
Gemäß einem zweiten Merkmal liegt ein Kerndurchmesser des Werkzeugs im Bereich von 0,38D bis 0,42D, wobei D ein Schneidkanten-Durchmesser des Werkzeugs zum Ausbilden der Bohrungen ist.
Wenn der Kerndurchmesser kleiner ist als 0,38D, wird die Biegesteifigkeit des Werkzeugs nicht ausreichend sein, und wenn der Kerndurchmesser größer ist als 0,42D, wird der Raum innerhalb der Spanabführnuten zu klein sein, so dass sich die Späne darin verklumpen werden.
Durch Setzen des Kerndurchmessers in dem Bereich von 0,38D bis 0,42D ist die Biegesteifigkeit des Werkzeugs sichergestellt, und ein Verklumpen der Späne, das die Schneidkraft erhöht, wird verhindert. Demzufolge werden die Feinheit der ausgebildeten Bohrung und die Werkzeug-Lebensdauer beibehalten.
Gemäß einem dritten Merkmal kann ein Schraubenwinkel der Spanabführnuten im Bereich von 5° bis 15° liegen.
Wenn der Schraubenwinkel kleiner ist als 5°, werden die Schärfe der Schneidkanten und die Fähigkeit, die Späne abzuführen, vermindert, so dass ein Zerbrechen des Werkzeugs auftreten wird. Wenn der Schraubenwinkel größer ist als 15°, wird die Torsionssteifigkeit unzureichend sein, so dass die Feinheit der ausgebildeten Bohrung sich vermindert.
Indem der Schraubenwinkel im Bereich von 5° bis 15° festgelegt wird, wird ein Zerbrechen des Werkzeugs, das durch die Verminderung der Schärfe der Schneidkanten und durch die Verminderung der Fähigkeit, die Späne abzuführen, verursacht wird, verhindert. Außerdem wird eine ausreichende Torsionssteifigkeit sichergestellt, so dass die Feinheit der ausgebildeten Bohrung beibehalten wird.
Gemäß einem vierten Merkmal ist das Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem zementierten Carbid aufgebaut, und ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von WC (Wolfram Carbid), das sich in dem zementierten Carbid befindet, kann im Bereich von 0,1 bis 1,0 μm liegen.
Wenn das zementierte Carbid verwendet wird, bei welchem der durchschnittliche Partikeldurchmesser von WC klein ist, kann der radiale Spanwinkel auf einem höheren Wert festgelegt werden, was die Schärfe der Schneidkanten verbessert. Außerdem werden die Kräftigkeit und der Widerstand gegen ein Zerbrechen des Werkzeugs verbessert, so dass die Schneidgenauigkeit und die Werkzeuglebensdauer erhöht werden können.
Gemäß einer fünften Eigenschaft ist zumindest ein Teil des Werkzeugs, der die Spanabführnuten beinhaltet, mit einer Schicht beschichtet, die aus einem harten Material, wie beispielsweise einer Titaniumverbindung, besteht.
Durch Beschichtung des Werkzeugs mit beispielsweise TiAlN, was ein Nitrid ist, wird die Reibung zwischen den Spänen und den Spanabführnuten vermindert, so dass die Belastung einschließlich des Schneiddrehmoments, des Schubs, etc., ebenfalls vermindert wird. Als Ergebnis werden die Schneidkanten einen weiteren Widerstand gegen ein Zerbrechen haben, und die Werkzeuglebensdauer wird erhöht.
Gemäß einem sechsten Merkmal ist der Hauptkörper des Werkzeugs aufgebaut aus einem zementierten Carbid, das 10 ± 2 Gew.-% Kobalt, 0,65 ± 0,25 Gew.-% Chrom, Tungstenkarbid als Ausgleich sowie unvermeidbare Unreinheiten aufweist.
Durch Verwenden dieses zementierten Carbids, dessen Spezifikation hoch ist, als Material, ist die Spezifikation des Hauptkörpers des Werkzeugs sichergestellt. Außerdem wird, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser von WC besonders klein ist, beispielsweise 0,1 bis 1,0 μm, die Vielseitigkeit der Gestalten der Schneidkanten erhöht. Demzufolge ist die Dauerhaftigkeit des Werkzeugs sichergestellt, selbst wenn der radiale Spanwinkel im Bereich von –5° bis –10° liegt und ein Zerbrechen des Werkzeugs wird verhindert.
1 ist eine Endansicht eines Bohrers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 ist eine Seitenansicht eines Schneidbereichs des Bohrers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 ist eine Querschnittsansicht des Bohrers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, geschnitten entlang einer Ebene rechtwinklig zur Mittelachse,
4 ist eine Seitenansicht des Bohrers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 ist ein Graph, der Ergebnisse eines ersten Tests zeigt, in welchem Beispiele der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele verglichen wurden.
6 ist eine schematische Darstellung, die Ergebnisse eines zweiten Tests zeigt, in welchem Beispiele der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele verglichen wurden.
7A und 7B sind Graphen, die Ergebnisse eines dritten Tests zeigen, in welchen Beispiele der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele verglichen wurden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben, in welchen ein Bohrer 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dargestellt ist. Der Bohrer 1 hat die Gestalt einer Stange und ist, wie weiter unten noch beschrieben wird, aus einem zementierten Carbid aufgebaut. Ein Hauptkörper 2 des Bohrers 1 beinhaltet einen Schaftbereich 3 und einen Schneidbereich 4. Zwei Spanabführnuten 6 sind schraubenförmig in einer äußeren Fläche 4a des Schneidbereichs 4 rotationssymmetrisch um eine Drehachse O des Hauptkörpers 2 herum ausgebildet.
Wie in den 1 und 2 dargestellt, sind Schneidkanten 8 entlang Erhebungslinien zwischen inneren Oberflächen 6a der Spanabführnuten 6, die zur Drehrichtung hinweisen, und einer Endoberfläche 7 des Schneidbereichs 4 ausgebildet.
Wie in 1 dargestellt, beinhaltet jede der Schneidkanten 8 einen mittleren Bereich 8a und einen Außenumfangsbereich 8b. Der mittlere Bereich 8a hat die Gestalt einer annähernd geraden Linie und erstreckt sich radial von der Drehachse O aus. Der Außenumfangsbereich 8b hat ebenfalls die Gestalt einer annähernd geraden Linie und erstreckt sich bis zum Außenumfang des Schneidbereichs 4 so, dass der mittlere Bereich 8a und der Außenumfangsbereich 8b einen stumpfen Winkel bilden. In 1 sind der mittlere Bereich 8a und der Außenumfangsbereich 8b sanft miteinander verbunden, und der Verbindungsteil hat die Gestalt eines Bogens. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der mittlere Bereich 8a und der Außenumfangsbereich 8b können auch winklig verbunden sein, so dass ein stumpfer Winkel zwischen ihnen gebildet wird (beispielsweise 150 bis 170°).
Die Endoberfläche 7 des Schneidbereichs 4 hat ein Paar von Flächenbereichen 10, die rotationssymmetrisch ausgeformt sind. Jeder dieser Flächenbereiche 10 hat einen Scheitelpunkt in einem Punkt, in welchem die Drehachse O die Endoberfläche 7 kreuzt, und nähert sich dem anderen Ende des Bohrers 1 in Richtung des Außenumfangs der Endoberfläche 7. Jeder der Flächenbereiche 10 bildet Flankenflächen der Schneidkanten 8, einschließlich einer zweiten 11 und einer dritten Flankenfläche 12. Die zweite Flankenfläche ist in dem vorderen Bereich in der Drehrichtung ausgeformt und hat einen positiven und relativ kleinen Reliefwinkel α1. Die dritte Flankenfläche 12 ist im hinteren Bereich der zweiten Flankenfläche 11 in der Drehrichtung ausgeformt und hat einen relativ großen Reliefwinkel α2 (> α1). Außerdem ist eine verdünnende Oberfläche 13 in dem Bereich ausgebildet, der sich noch weiter hinten befindet, und hat einen Reliefwinkel α3, der größer ist als α2.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Flankenflächen in der Endoberfläche 7 durch Ebenen gebildet, die die zweite Flankenfläche 11 und die dritte Flankenfläche 12 beinhalten, wie in 1 dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Eine konische Flankenfläche oder Flankenflächen mit anderen adäquaten Gestalten können auch verwendet werden.
Jede der inneren Oberflächen 6a an den Enden der Spanabführnuten 6 bildet eine Spanfläche des Außenumfangsbereichs 8b jeder der Schneidkanten 8. Außerdem erstreckt sich eine Stufenoberfläche 13a zwischen der zweiten Flankenfläche 11 in einem Flächenbereich 10 und der verdünnenden Oberfläche 13 in dem anderen Flächenbereich 10 in Richtung des Schaftbereichs 3 des Bohrers 1 und bildet eine Spanoberfläche des mittleren Bereichs 8a.
Die zweiten Flankenflächen 11 stehen in der radialen Richtung relativ zum Außenumfang der dritten Flankenflächen 12 hervor und bilden Ränder 11a mit einer geringen Breite. Diese Ränder 11a erstrecken sich entlang den Spanabführnuten 6 über die Außenfläche 4a des Schneidbereichs 4. Der maximale Außendurchmesser (Schneidkanten-Durchmesser) D des Schneidbereichs 4 gibt den Abstand zwischen den Außenumfangsenden der Schneidkanten 8 wider, die die vorderen Enden der Ränder 11a in der Drehrichtung sind (die 1).
In 3 ist La ein Abstand entlang eines Bogens um die Spanabführnut 6 herum, wenn die Mitte des Bogens auf der Mittelachse liegt. Außerdem ist Lb ein Abstand entlang eines Bogens am Außenumfang des Flächenbereichs 10. Ein Nutbreitenverhältnis La/Lb liegt im Bereich von 0,9 bis 1,1. Wenn das Nutbreitenverhältnis kleiner ist als 0,9, wird die breite der Spanabführnuten 6 zu klein sein, und die Fähigkeit, Späne abzuführen, wird sich vermindern. Als Ergebnis wird ein Problem auftreten, dass die Späne sich innerhalb der Spanabführnuten 6 verklumpen. Wenn das Nutbreitenverhältnis größer ist als 1,1, wird die Fähigkeit, Späne abzuführen, verbessert; aber die Steifigkeit des Bohrers 1 vermindert sich. In beiden Fällen bestehen Nachteile insofern, als sich die Schneidgenauigkeit vermindert und das Zerbrechen des Bohrers 1 leicht auftritt.
Wie in den 1 und 3 dargestellt, sind die Flächenbereiche 10 durch das Paar von Spanabführnuten 6 getrennt. Ein Durchmesser eines Kerns 14 in der Mitte der Flächenbereiche 10 liegt im Bereich von 0,38D bis 0,42D, wobei D der Schneidkanten-Durchmesser ist, der den Abstand zwischen den Außenumfangsenden der Schneidkanten 8 wiedergibt. Wenn der Kerndurchmesser kleiner ist als 0,38D, wird die Biegesteifigkeit des Hauptkörpers 2 vermindert werden. Wenn der Kerndurchmesser größer ist als 0,42D, wird die Tiefe der Spanabführnuten 6 gering sein und der Raum darin unzureichend, so dass die Späne sich innerhalb der Spanabführnuten 6 verklumpen. Dies führt zu einem Anstieg der Schneidkraft. Als Ergebnis werden ein Zerbrechen und ein Verschleiß der Schneidkanten 8 auftreten. Demzufolge werden Probleme insofern auftreten, als die Schneidgenauigkeit sich vermindert und die Werkzeuglebensdauer reduziert wird, in beiden Fällen.
Die Spanabführnuten 6 sind Schraubenförmig um die Drehachse O in der umgekehrten Richtung der Drehrichtung in Richtung des Schaftbereichs 3 des Hauptkörpers ausgeformt. Mit Bezug auf 2 liegt ein Schraubenwinkel θ der Spanabführnuten relativ zur Drehachse O im Bereich von 5° bis 15°, wenn der Bohrer von der Seite betrachtet wird. Wenn dieser Schraubenwinkel θ kleiner ist als 5°, wird die Neigung der Spanabführnuten 6 einschließlich der Innenoberflächen 6a, die die Spanflächen bilden, zu klein sein. Daher wird die Schärfe der Schneidkanten abnehmen. Außerdem wird der Schraubenwinkel θ zu gering sein relativ zu der Richtung, in welcher die Späne erzeugt werden durch die Schneidkanten 8, so dass die Fähigkeit, die Späne abzuführen, ebenfalls abnimmt.
Demzufolge wird die Schneidkraft erhöht, und ein Zerbrechen der Schneidkanten wird leicht geschehen. Wenn der Schraubenwinkel θ größer ist als 15°, wird die Torsionssteifigkeit des Bohrers zu gering sein, so dass sich die Schneidgenauigkeit vermindert, insbesondere im Fall des Ausbildens einer Bohrung in einem harten Stahl.
Mit Bezug auf 2 liegt ein Spitzenwinkel γ zwischen den Linien, die von den Schneidkanten 8 in der Endoberfläche 7 des Hauptkörpers 2 ausgehen, im Bereich von 125° bis 135°. Wenn der Spitzenwinkel γ kleiner ist als 125°, tritt eine Schwingung leicht während des Ausbildens der Bohrung auf, insbesondere beim Schneiden von hartem Stahl. Außerdem wird ein Zeitintervall, in dem die Schneidkanten 8 nicht vollständig in ein Arbeitsmaterial hineingeleitet sind und das Schneiden nicht stabil ausgeführt wird, lang sein. Wenn der Spitzenwinkel γ größer ist als 135°, kann der Bohrer nicht so problemlos in das Arbeitsmaterial eindringen. In beiden Fällen wird sich die Feinheit der ausgebildeten Bohrung vermindern.
Mit Bezug auf 1 ist ein radialer Spanwinkel β auf einen negativen Wert in einem Bereich von –5° bis –10° festgelegt, insbesondere am Außenumfangsbereich 8b der Schneidkante 8. Wenn der Wert des radialen Spanwinkels β höher ist als –5°, wird ein Zerbrechen der Schneidkanten 8 leicht auftreten. Wenn der Wert des radialen Spanwinkels β geringer ist als –10°, wird ein Problem auftreten, dass die Genauigkeit der Position der Bohrung sich vermindert aufgrund der Schneidkraft.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind zumindest die Schneidkanten 8 oder der Schneidbereich 4 des Hauptkörpers 2 aus dem zementierten Carbid aufgebaut, das vorzugsweise 10 ± 2 Gew.-% Co, 0,85 ± 0,25 Gew.-% Cr, Tungstenkarbid (WC) als Ausgleich sowie unvermeidbare Verunreinigungen aufweist. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Tungstenkarbids WC, welches die Hauptkomponente des zementierten Carbids ist, liegt im Bereich von 0,1 bis 1,0 μm.
Mit Bezug auf herkömmliche Bohrer, die aus einem zementierten Carbid aufgebaut sind, war die Zusammensetzung des zementierten Carbids 9% Co, 8,1% TiC, 9,9% TaC, 1,1% NbC sowie WC als Ausgleich. Außerdem betrug der durchschnittliche Partikeldurchmesser von WC, der Hauptkomponente dieses zementierten Carbids, annähernd 2 bis 3 μm. In einem solchen Fall muss der Wert des radialen Spanwinkels geringer sein als –25°, um ein Zerbrechen der Schneidkanten zu vermeiden. Da der Wert des radialen Spanwinkels auf einen solch geringen Wert festgelegt war, war die Schärfe der Schneidkanten nicht ausreichend.
Im Gegensatz dazu ist gemäß dem Bohrer 1 der vorliegenden Ausführungsform der durchschnittliche Partikel-Durchmesser von WC reduziert, so dass der radiale Spanwinkel auf einen höheren Wert festgelegt werden kann, und zwar im Bereich von –5° bis –10°. Demzufolge ist die Schärfe des Schneidvorgangs verbessert. Außerdem ist die Vielseitigkeit mit Bezug auf die Gestalt der Schneidkanten verbessert, und der Widerstand gegen ein Zerbrechen wird beibehalten.
Wie in 3 gezeigt, ist die Oberfläche des Schneidbereichs 4 mit einer Schicht 13 versehen, die aus einem harten Material wie beispielsweise einer Titaniumverbindung aufgebaut ist. Demzufolge sind der Widerstand gegen ein Zerbrechen und der Abriebwiderstand der Schneidkanten 8 verbessert. Außerdem ist die Schneidgenauigkeit verbessert und die Lebensdauer verlängert.
Die Leistungsfähigkeit des Bohrers 1, der die oben beschriebene Ausgestaltung hat, wird im folgenden in dem Fall betrachtet, in welchem eine Bohrung in einem harten Material ausgebildet wird, dessen Härte nach der Wärmebehandlung höher ist als 40 HRC. Der Hauptkörper 2 des Bohrers 1 wird um die Drehachse O herum gedreht und in Richtung des Arbeitsmaterials in Richtung der Drehachse O bewegt. Da der Spitzenwinkel γ im des Schneidbereichs 4 im Bereich von 125 bis 135° liegt, dringt der Bohrer 1 sanft in das Absorptionsmaterial ein. Außerdem ist die Steifigkeit des Bohrers ausreichend relativ zur Härte des Arbeitsmaterials. Demzufolge wird ein Zerbrechen der Schneidkanten 8 verhindert. Außerdem ist der durchschnittliche Partikel-Durchmesser von WC, das sich in den Schneidkanten 8 befindet, auf einen geringen Wert wie beispielsweise 0,1–1,0 μm festgelegt, und der radiale Spanwinkel β liegt bei einem geringen und negativen Wert wie beispielsweise –5° bis –10°. Demzufolge wird ein Zerbrechen der Schneidkanten 8 verhindert und die Schneidkraft reduziert. Außerdem ist die Schärfe der Schneidkanten 8 sichergestellt.
Außerdem ist, da der Kerndurchmesser im Bereich von 0,38 bis 0,42D liegt, die Steifigkeit des Hauptkörpers 2 sichergestellt und der Raum innerhalb der Spanabführnuten 6 ist ausreichend.
Da das Arbeitsmaterial ein harter Formstahl ist, werden die von den Schneidkanten 8 erzeugten Späne in kleine Stücke zerkrümelt und sind nicht auf schraubenförmige Art und Weise verlängert. Außerdem liegt das Nutbreitenverhältnis im Bereich von 0,9 bis 1,1. So verklumpen die Späne nicht so leicht innerhalb der Nuten, obwohl der Schraubenwinkel der Spanabführnuten 6 auf einen relativ geringen Wert wie beispielsweise 5° bis 15° festgelegt ist. Demzufolge wird das Zerbrechen des Hauptkörpers 2 aufgrund des Verklumpens der Späne verhindert. Außerdem ist die Steifigkeit des Bohrers 1 sichergestellt, so dass die Feinheit der Bohrung beibehalten wird.
Gemäß dem Bohrer 1 der vorliegenden Ausführungsform ist die Feinheit der Bohrung sichergestellt, selbst wenn eine flache Bohrung, bei welcher L/D höchstens 3 ist, wie in dem herkömmlichen Fall, in einem harten Stahl ausgebildet wird, dessen Härte höher ist als 40 HRC. Insbesondere wird eine Bohrung mit einer exzellenten Kreisförmigkeit ausgebildet, bei welcher der Betrag der Übergröße und der Oberflächenrauhigkeit gering ist. Außerdem wird ein Zerbrechen der Schneidkanten 8 verhindert, und die Werkzeuglebensdauer ist verlängert.
Beispiele
Nun werden Schneidtests beschrieben, in welchen Proben gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die in den Schneidtests verwendeten Proben hatten im Grunde die gleiche Ausgestaltung wie der Bohrer 1, der oben in der Ausführungsform beschrieben wurde. Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurden Proben der Typen A und B als Beispiele der vorliegenden Erfindung vorbereitet und Proben der Typen C, D und E als Vergleichsbeispiele.
Mit Bezug auf die Typen A und B war das Material der Proben Z10 gemäß ISO, was ein zementiertes Carbid mit 10 ± 2 Gew.-% Co, 0,65 ± 0,25 Gew.-% Cr, WC als Ausgleich und unvermeidbaren Unreinheiten ist. Der durchschnittliche Partikel-Durchmesser des WC betrug 1,0 μm. Außerdem sind die Werte des Kerndurchmessers, des Nutbreitenverhältnisses, des radialen Spanwinkels β, der Schneidkanten 8, des Spitzenwinkels γ, sowie des Schraubenwinkels θ in Tabelle 1 dargestellt. Mit Bezug auf den Typen C war das Material M20 gemäß ISO, was ein zementiertes Carbid mit 9 Gew.-% Co, 8,1 Gew.-% TiC, 9,9 Gew.-% TaC, 1,1 Gew.-% NbC und WC als Ausgleich ist. Der durchschnittliche Partikel-Durchmesser von WC betrug 2 μm. Andere Variablen des Typen C waren die gleichen wie die des Typen A. Mit Bezug auf den Typen D waren die Variablen gleich wie beim Typen A abgesehen davon, dass der radiale Spanwinkel β –15° betrug und der Spitzenwinkel γ 120°. Mit Bezug auf den Typen E waren die Variablen die gleichen wie die des Typen A, abgesehen davon, dass der Kerndurchmesser 0,25D betrug und der Schraubenwinkel θ 30°. Mit Bezug auf ein Arbeitsmaterial wurde SKD11 gemäß dem Japanischen Industrie Standard (JIS), wobei es sich um einen Kaltformstahl handelt, verwendet, nachdem die Wärmebehandlung ausgeführt worden war. Die Härte des Arbeitsmaterials nach der Wärmebehandlung betrug 60 HRC.
Tabelle 1
In einem ersten Test wurden Unterschiede in den Werkzeuglebensdauern gemäß dem Material untersucht. In diesem Test wurden Proben der Typen A, B und C benutzt zum Ausbilden von Bohrungen, die durch das Arbeitsmaterial hindurchdringen. Der Test wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt. Der Schneidkanten-Durchmesser D war 3 mm, die Schneidgeschwindigkeit betrug 10 m/min, die Zustellgeschwindigkeit betrug 0,04 mm/Umdrehung, und die Schneidtiefe war 9 mm (L/D = 3). Außerdem wurde eine lösliche Emulsion (10% Verdünnung) als Schneidschmiermittel verwendet.
Mit Bezug auf jeden der Typen A, B und C wurden zwei Proben in diesem Test verwendet. Die Ergebnisse des Tests sind in 5 dargestellt.
Ungefähr 140 Bohrungen wurden mit jeder Probe des Typen A ausgebildet, und 110 und 120 Bohrungen mit den Proben des Typen B. Nach dem Test wurde ein normaler Verschleiß in den Schneidbereichen 4 der Proben der Typen A und B festgestellt. Im Gegensatz dazu waren die Proben des Typen C bereits zerbrochen, nachdem ungefähr 30 Bohrungen ausgebildet worden waren. Daher zeigten die proben offensichtliche Unterschiede in der Lebensdauer des Werkzeugs.
In einem zweiten Test wurden Unterschiede in der Feinheit der Bohrungen gemäß den radialen Spanwinkeln und dem Spitzenwinkel untersucht.
In diesem Test wurden Proben der Typen A und D verwendet zum Ausbilden von Bohrungen, die durch das Arbeitsmaterial hindurchdringen. Der Schneidkantendurchmesser D betrug 10 mm, und die Schneidtiefe war 30 mm (L/D = 3). Außerdem wurde die lösliche Emulsion (10% Verdünnung) als Schneidschmiermittel verwendet.
Mit Bezug auf jeden der Typen A und D wurden drei proben in diesem Test verwendet. Die Ergebnisse des Tests sind in 6 dargestellt.
(a) Vergleich mit Bezug auf das Übergröße
Zunächst wurden Bohrungen unter Bedingungen ausgeformt, in welchen die Zustellung auf 0,10 mm/Umdrehung festgelegt war und die Schneidgeschwindigkeit von 1 auf 20 m/min erhöht wurde, und Beträge der Übergröße in den ausgebildeten Bohrungen wurden gemessen (siehe den oberen Abschnitt in der Spalte "Übergröße" in 6). Anschließend wurden Bohrungen unter Bedingungen ausgebildet, in welchen die Schneidgeschwindigkeit auf 20 m/min festgelegt war und die Zustellung auf 0,10 mm/Umdrehung erhöht wurde, und Beträge der Übergröße in den ausgebildeten Bohrungen wurden gemessen (sie den unteren Abschnitt in der Spalte "Übergröße" in 6).
Der Grad der Variation in den Beträgen der Übergröße in den mit den Proben des Typen D ausgebildeten Bohrungen war größer verglichen mit den Bohrungen, die durch die Proben des Typen A ausgebildet worden waren. In dem Fall, in welchem die Zustellung fest war, zerbracht die Probe des Typen D, wenn die Schneidgeschwindigkeit 20 m/min betrug, wie sich aus dem oberen Abschnitt der 6 ergibt. Wenn die Schneidgeschwindigkeit fest war, zerbracht die Probe des Typen D, wenn die Zustellung 0,10 mm/U betrug, wie sich aus dem unteren Abschnitt der 6 ergibt.
(b) Vergleich hinsichtlich der Oberflächenrauhigkeit
Zunächst wurden Bohrungen unter Bedingungen ausgebildet, in welchen die Zustellung auf 0,10 mm/Umdrehung festgelegt war und die Schneidgeschwindigkeit von 1 auf 20 m/min erhöht wurde, und die Oberflächenrauhigkeiten der ausgebildeten Bohrungen wurden gemessen (siehe den oberen Abschnitt in der Spalte "Oberflächenrauhigkeit" in 6). Anschließend wurden Bohrungen unter den Bedingungen ausgeformt, in welchen die Schneidgenauigkeit fest war bei 20 m/min und die Zustellung auf 0,10 mm/Umdrehung erhöht wurde, und die Oberflächenrauhigkeit der ausgebildeten Bohrungen wurde gemessen (siehe den unteren Abschnitt in der Spalte "Oberflächenrauhigkeit" in 6).
Der Grad der Variation der Oberflächenrauhigkeit in den mit den Proben des Typen D ausgebildeten Bohrungen war größer verglichen mit den Bohrungen, die durch die Proben des Typen A ausgebildet worden waren. In dem Fall, in welchem die Zustellung fest war, zerbracht die Probe des Typen D, wenn die Schneidgeschwindigkeit 20 m/min betrug, wie sich aus dem oberen Abschnitt der 6 ergibt. Wenn die Schneidgeschwindigkeit fest war, zerbracht die Probe des Typen D, wenn die Zustellung 0,10 mm/U betrug, wie sich aus dem unteren Abschnitt der 6 ergibt.
(c) Kreisförmigkeit
Zunächst wurden Bohrungen unter Bedingungen ausgebildet, in welchen die Zustellung auf 0,10 mm/Umdrehung festgelegt war und die Schneidgeschwindigkeit von 1 auf 20 m/min erhöht wurde, und die Kreisförmigkeiten der ausgebildeten Bohrungen wurden gemessen (siehe den oberen Abschnitt in der Spalte "Kreisförmigkeit" in 6). Anschließend wurden Bohrungen unter den Bedingungen ausgeformt, in welchen die Schneidgenauigkeit fest war bei 20 m/min und die Zustellung auf 0,10 mm/Umdrehung erhöht wurde, und die Oberflächenrauhigkeit der ausgebildeten Bohrungen wurde gemessen (siehe den unteren Abschnitt in der Spalte "Kreisförmigkeit" in 6).
Die Kreisförmigkeit in den mit den Proben des Typen D ausgebildeten Bohrungen war größer verglichen mit den Bohrungen, die durch die Proben des Typen A ausgebildet worden waren. In dem Fall, in welchem die Zustellung fest war, zerbracht die Probe des Typen D, wenn die Schneidgeschwindigkeit 20 m/min betrug, wie sich aus dem oberen Abschnitt der 6 ergibt. Wenn die Schneidgeschwindigkeit fest war, zerbracht die Probe des Typen D, wenn die Zustellung 0,10 mm/U betrug, wie sich aus dem unteren Abschnitt der 6 ergibt.
In einem dritten Test wurden die Variation des Betrags des Abriebs in der Flankenfläche und die Variation der Beträge der Übergröße untersucht.
In diesem Test wurden Proben der Typen A und E verwendet zum Ausbilden von Bohrungen, die durch das Arbeitsmaterial hindurchdringen. In bezug auf das Arbeitsmaterial wurde SKD61 gemäß dem Japanischen Industrie Standard (JIS) als Arbeitsmaterial verwendet. Die Härte des Arbeitsmaterials nach der Wärmebehandlung betrug 50 HRC. Der Außendurchmesser D betrug 10 mm, die Schneidgeschwindigkeit betrug 30 m/min, die Zustellung war 0,10 mm/Umdrehung, und die Schneidtiefe war 30 mm (L/D = 3). außerdem wurde die lösliche Emulsion (10% Verdünnung) als Schneidschmiermittel verwendet.
(a) Abrieb in der Flankenfläche
Wie sich aus 7a ergibt, waren der Betrag des Abriebs in der Probe des Typen A nach dem Ausbilden von 100 Bohrungen (ungefähr 0,39 mm) und der Betrag des Abriebs in der Probe des Typen E nach dem Ausbilden von nur 22 Bohrungen ungefähr gleich. Dabei wurde ein normaler Abrieb in den Proben beider Typen beobachtet, und die Proben zerbrachen nicht. Die Werkzeuglebensdauer der Probe des Typen A war 3,5 mal so lang wie die des Typen E.
(b) Übergröße
Wie in 7B dargestellt, waren die Beträge der Übergröße, die in den Bohrungen verursacht wurden, die durch die Probe des Typen A ausgebildet wurden, signifikant geringer verglichen mit den Bohrungen, die durch die Probe des Typen E ausgebildet wurden. Obwohl die Probe des Typen E nach dem Ausbilden von ungefähr 30 Bohrungen zerbrach, konnte die Probe des Typen A mehr als 100 Bohrungen ausbilden.
Aus den Ergebnissen der oben beschriebenen drei Tests ergibt sich, dass die Feinheit der Bohrungen verbessert ist und die Werkzeuglebensdauer verlängert ist durch Verwenden der Proben der Typen A und B, die als Beispiele der vorliegenden Erfindung vorbereitet waren. Außerdem wurde bewiesen, dass das Material, der radiale Spanwinkel, der Spitzenwinkel, der Kerndurchmesser und der Schraubenwinkel die Feinheit der Bohrungen und die Werkzeuglebensdauer stark beeinflussen.
Obwohl der Bohrer 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein unitärer war, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. In Bohrer der gelöteten Art, ein Einwegbohrer, etc., kann auch verwendet werden, solange die Schneidkanten 8 aus dem zementierten Carbid mit der oben beschriebenen Zusammensetzung aufgebaut sind.
Außerdem ist das Arbeitsmaterial nicht auf harte Stähle beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auch in dem Verfahren zum Ausbilden einer Bohrung in einem Stahl verwendet werden, dessen Härte 40 HRC oder weniger beträgt.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf Bohrer beschränkt und kann auch auf verschiedene andere Werkzeuge zum Ausbilden von Bohrungen angewandt werden.

Claims

Werkzeug (1) zum Ausbilden von Öffnungen, welches Werkzeug sich um eine Drehachse (O) herum dreht, mit: zumindest einer Spanabführnut (6), welche schraubenförmig um die Drehachse (O) in der Außenfläche (4a) des Werkzeugs (1) herum ausgeformt ist; und zumindest einer Schneidkante (8), die entlang von Kantenlinien zwischen Innenflächen (6a) der Spanabführnuten (6), die zur Drehrichtung hinweisen, und Flankenflächen (11) ausgeformt ist, die an einem Ende des Werkzeugs (1) zum Ausbilden von Öffnungen ausgeformt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Spanwinkel (β) der Schneidkanten (8) auf einen negativen Wert in einem Bereich von –5° bis –10° festgelegt ist, ein Spitzenwinkel (γ) in einem Bereich von 125° bis 135° liegt, ein Nutbreitenverhältnis in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 liegt, ein Kerndurchmesser in einem Bereich von 0,38D bis 0,42D liegt, wobei D ein Schneidkantendurchmesser des Werkzeugs ist, und ein Schraubenwinkel (θ) der Spanabführnuten (6) in einem Bereich von 5° bis 15° liegt.
Werkzeug (1) zum Ausbilden von Öffnungen nach Anspruch 1, bei welchem zumindest diejenigen Teile, die die Schneidkanten (8) beinhalten, aus einem Hartmetall aufgebaut sind, und ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von WC, das sich in diesem Hartmetall befindet, in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 μm liegt.
Werkzeug (1) zum Ausbilden von Öffnungen nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Hauptkörper (2) des Werkzeugs (1) aus einem Hartmetall aufgebaut ist, das 10 ± 2 Gew.-% Co, 0,65 ± 0,25 Gew.-% Cr, WC als Ausgleich und unvermeidbare Unreinheiten aufweist.
Werkzeug (1) zum Ausbilden von Öffnungen nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem zumindest derjenige Teil des Werkzeugs (1), der die Spanabführnuten (6) beinhaltet, mit einer Schicht (16) aus einem harten Material beschichtet ist.