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Piufbohrwerkzeug, insbesondere Senkwerkzeug
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Aufbonrwsrkzeug, insbesondere Senkwerkzeug,
mit schraubenförmig um den Kern gewundenen Umfangszahnsn, die am Stirnende jeweils
eine Stirnschneide aufweisen, und mit jeweils zwischen der Rückonfläche und der
Vorderfläche zweier in Umfangsrichtung aueinanderfolgender Umfangszähne gebildeten,
ebenfalls schraubenförmig um den Kern gewundenen Spannuten. äu#bohrwerkzeuge dieser
Art werden in der Regel auch einfach nur als Senkwerkzeuge bezeichnet.
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Abgesehen von sog. Plansenkern, mit denen z.B. ebene Flachen an Augen
od. dgl. planiert werden, sind alle übrigen Ausführungsformen von Senkwerkzeugen
zum Aufbohren und/oder Formen vorgebohrter Löcher bestimmt. Sie schneiden somit
in die Tiefe.
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Bei der Gestaltung der Geometrie von derartigen Senkwerkzeugen ist
man in herkömmlicher Weise von der Schneidengeometrie anderer Zerspanungswerkzeuge,
vor allem zum Drehen, Fräsen oder Hobeln, ausgegangen. Dies hat dazu geführt, daß
man von diesen Zerspanungswerkzeugen her geläufige Schneidengeometrien einfach auf
Senkwerkzeuge übertragen hat. Bekannte Senkwerkzeuge
dieser Art
besitzen demgemäß an den Stirnschneiden einen Kleinen Spanwinkel, z.B. etwa in der
Größenordnung von 150 bis 25°, und demzufolge einen daraus resultierenden großen
Keilwinkel vonstua 650 bis etwa 55°. Der Dralluinke auch Steigungswinkel oder Spiralwinkel
genannt, unter dem die Spannut zur Werkzeugmittelachse verläuft, ist bei bekannten
Senkwerkzeugen au6erordsntlich klein. So liegt der Außenspiralwinkel, unter dem
die Umfangszähne mit ihrer Außenkante der Vorderfläche am Werkzeugaußendurchmesssr
geneigt zur Werkzeugmittelachse verlaufen, maximal etwa bei 25°.
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Der Tnnenspiralwinkel, unter dem die Umfangszähne mit ihrer an den
Kern anschließenden Innenkante der Vorderfläche am Kerndurchmesssr geneigt zur Werkzeugmittslachse
verlaufen, liegt bei bekannten Senkwerkzeugen in der Größenordnung von maximal etwa
11°. Vom Aufbau her sind daher bekannte Senkwerkzeuge außerordentlich kompakt. Ihr
Materialanteil ist relativ hoch. Diese kompakte (;estaltung und die vorgenannten
geometrischen Abmessungen führen zu vielfältigen Nachteilen, die man bisher als
notwendig hingenommen hat. So ist der sehr kleine Spanwinkel Ursache für Stauchspäne,
für nur kleine mögliche Vorschübe, für relativ geringe Standzeiten und für beachtlich
große Leistungsaufnahme deswegen, weil nur ein kleiner Teil der bereitgestellten
Leistung in Zerspanungsarbeit umgesetzt wird, hingegen ein wesentlicher Anteil infolge
der Werkzeuggeometrie verloren geht. Nachteilig und die Standzeiten verringernd
wirkt sich natürlich auch der Umstand aus, daß die Stirnschneiden erhöhter Bruchgefahr
und relativ starkem Kolkverschleiß ausgesetzt sind. Die sich ergebenden Stauchspäne
zuingen dazu; wegen des schlechten Spanflusses den Arbeitsgang relativ häufig zu
unterbrechen und recht häufig zu entspanen, wodurch Arbeitezeit'verloren geht. Die
Schnidn-Geometrie und der sehr schweche Spiraluinkel der Spannuten sind ferner Ur@@che
tür einen schlechten Spentlu0. Die Sp.nabtuhr ist unzulinglich. Dadurch ist auch
die Abtuhr der bei.
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Zerspanen
entwickelt3n, durch kleinen Spanwinkel ohnehin
schon großen Wärme nur relativ gering, was die Standzaiten weiter herabsetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein #ufbohrwerkzeug, insbesondere
Senkwerkzeug, der eingangs definierten Gattung zu schaFfen, das im Aufbau leichter
und vom materialanteil her sparsamer gestaltet ist und das vor allem größere Vorschübe,
beachtlich höhere Standzeiten, geringeren Werkzeuguarschleiß und beachtlich besseren
Spanfluß und bessere Span- und Wärmeabfuhr gewährleistet, ferner den Kolkverschleiß
der Stirnschneiden und deren Bruchgefahr wesentlich herabsetzt und das bei sogar
geringerer Leistungsaufnahme beträchtlich größere Zerspanungsleistungen ermöglicht.
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Die Aufgabe ist bei einem Aufbohrwerkzaug, insbesondere Senkwerkzeug,
der eingangs genannten Art gemaß der Erfindung gelöst durch folgende Merkmale a)
Der Spanwinkel der Stirnschneiden beträgt jeweils zwischen 300 und 350, und b) der
Außenspiralwinkel, unter dem die Umfangszähne mit ihrer Außenkante der Vorderfläche
am Werkzeug außendurchmesser geneigt zur Werkzeugmittelachse verlaufen, beträgt
jeweils zwischen 400 und 450 und c) der Innenspiralwinkel, unter dem die Umfangszähne
mit ihrer an den Kern anschließenden Innenkante der Vorderläche am Kerndurchmesser
geneigt zur Werkzeugmittelachse verlaufen, beträgt jeweils zwischen 200 und 250,
und
d) bsi jedem Umfangszahn verlauft die Außenkante seiner Vorderflächa
zumindest in wesentlichen parallel zu derjenigen seiner Rückanfläche und in gleicher
Weise die Innenlcants seiner Uorderfläche zumindest im wesentlichen parallel zu
derjenigen seiner Rückenflächs, und e) die Rückenfläche jedes Umfangazahnes verläuft,
innerhalb jeder Radialebene entlang der Werkzeugmittelachse gesehen, zumindest annähernd
entlang einer Tangente, die im Oeraich der Innenkante der Rückenfläche an den kerndurchmesser
angelegt ist.
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Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung ergibt sich ein Aufbohrwerkzeug,
insbesondere Sankwerkzeug, völlig neuer Gestalt und wesentlich besserer Zerspanungsleistung,
und zuar unabhängig von Große und Durchmesser, das heißt mit dieser Geometria geeignet
für alle Größen und Durchmesser. Der gegenüber bekannten Senkwerkzeugen wesentlich,
und zwar etwa doppelt, größere Spanwinkel vermeidet Stauchspäne. Die sich ergebende,
im querschnitt relativ dünne Stirnschneide steigert beträchtlich die beim Zerspanan
hinsichtlich der Späne angestrebte Korkenzieherbildung, so daß sich damit die angestrebten
Dralispäne erreichen lassen. Durch das Merkmal a) werden ferner wesentlich größere
Vorschübe ermöglicht, Der Spanfluß im Bereich der Stirnschneide ist verbessert,
es wird eine sehr gute Span- und Wärmeabfuhr im Schneidehbereich erzielt. Die Standzeiten
für die Stirnschneiden sind beträchtlich erhöht, die Schneidenbelastung und der
Schnaidenverschleiß wesentlich herabgesetzt. Da infolge des merkmals a) der Span
nun vor der Stirnichnside aufreißt, wird der Kolkverschleiß beträchtlich gemindert.
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Ferner ist die Gefahr des Schneidenbruches wesentlich verringert.
Nahezu die gesamte, maschinenseitig an der Werkzeugaufnahme bereitgestellte Leistung
kann in Zerspanungsarbeit umgesetzt werden, so daß z.B. bei gleicher Leistungsaufnahme
die Zerspanungsleistung um ein wesentliches gesteigert wird.
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In Versuchen konnte eine Steigerung der Zerspanungsleistung um 100
% festgestellt werden. Maßgeblichen Anteil an diesen Vorteilen haben ferner die
Merkmale b) und c) im Verein mit dem Merkmal a). Es ergibt sich dadurch eine starke
Spiralabwicklung. Diese führt zu im Querschnitt sehr großen Spannuten, die einen
wesentlich verbesserten Spanfluß und dadurch eine günstigere Span- und Wärmeabfuhr
sicherstellen. Dadurch ist gewährleistet, daß die infolge des Merkmals a) erreichbaren
Drall- oder Korkenzieherspäne auch schnell und möglichst verlustlos durch die Spannuten
abgeführt werden können, wodurch die durch.Merkmal a) erreichten Vorteile auch tatsächlich
zur Auswirkung kommen können. Zum wesentlich verbesserten Spanfluß vom kleineren
Schneidendurchmesser zum Werkzeugkern trägt mit bei, daß der Spanwinkel gemäß Merkmal
a) und der Außenspiralwinkel sowie Innenspiralwinkel gemäß den Merkmalen b) und
c) gezielt aufeinander abgestimmt sind. Durch die Merkmale d) und e) ist zusätzlich
auf im Querschnitt möglichst große Spannuten bei der relativ starken Spiralsteigung
hingewirkt. Der Materialquerschnitt der einzelnen Umfangszähne ist demgemäß relativ
klein, was ebenfalls im Querschnitt großen Spannuten zugute kommt. Zugleich ist
durch die einzelnen Merkmale a) bis e) erreicht, daß das Werkzeug bezüglich der
Umfangszähne relativ schlank und schmal und insgesamt im Aufbau leicht und vom Materialanteil
her sparsamer gestattet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Spanwinkel
der Stirnschneiden jeweils zumindest annähernd dem arithmetischen Mittelwert zwischen
Außenspiralwinkel und
Innenspiralwinkel der Umfangszähne entspricht.
Dadurch wird im Bereich der Stirnschneide dem auch dort gegebenen unterschiedlichen
Spanwinkel zwischen Außendurchmesser und Kerndurchmesser des Werkstückes besonders
Rechnung getragen und zusätzlich dazu beigetragen, daß ein außerordentlich günstiger
Spanfluß vom kleineren Schneidendurchmesserzum Werkzeugkern erreicht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegt der Freiwinkel
der Stirnschneiden jeweils in der Größenanordnung von etwa 40. Der Freiwinkel ist
somit gegenüber bekannten Senkwerkzeugen reduziert. Diese Winkelgestaltung verhindert
ein Hereinziehen des Werkzeuges in den Werkstoff, insbesondere bei relativ weichem,
zu zerspanenden Material.
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Von Vorteil kann es ferner sein, wenn der Spanwinkel der Stirnschneiden
jeweils 350 beträgt. In entsprechender Zuordnung kann es dann von Vorteil sein,
wenn der Außenspiralwinkel der Umfangszähne jeweils 450 beträgt und wenn der Innenspiralwinkel
der Umfangszähne dann jeweils 220 beträgt.
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Es versteht sich, daß auch diese Winkelangaben für alle Größen und
Durchmesser von in Rede stehenden Aufbohrwerkzeugen zutreffen und zur Anwendung
kommen können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß
die von der Vorderfläche zur Rückenfläche gemessene Querschnittsdicke jedes Umfangszahnes
vom Kern zum Werkzeugaußendurchmesser hin stetig und mit geringem Gradienten abnimmt.
Dies verbessert die Spankammerform, d.h. Querschnitt und Gestaltung der Spannuten
in der Richtung weiter, daß sich ein möglichst optimaler Spanfluß von der Stirnschneide
in die Spannuten und durch diese hindurch zur Spanabfuhr ergibt.
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Es versteht sich, daß das erfindungsgeniäße Aufbohrwerkzeug mehrschneidig,
z.B. als Dreischneider oder auch als Vierschneider, ausgebildet sein kann.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen gezeigten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht eines vierschneidigen
Aufbohrwerkzeuges, Fig. 2 eine Seitenansicht des Werkzeuges in Fig. 1, Fig. 3 eine
Stirnansicht von unten auf das Werkzeug in Fig. 2, Fig. 4 eine schematische, perspektivische
Ansicht eines einzigen Umfangszahnes des Werkzeuges in Fig. 1 - 3, Fig. 5 eine rein
schematische Seitenansicht des Werkzeuges mit vereinfachter Geometrie und Darstellung
der Winkelverhältnisse, Fig. 6 eine schematische Abwicklung des Werkzeugaußendurchmessers
und Werkzeugkerndurchmessers mit eingetragenen Winkeln.
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Das in den Zeichnungen gezeigte Aufbohrwerkzeug 10, kurz auch mit
Senker bezeichnet, weist einen Kern 11 mit Kerndurchmesser Di auf, der in Richtung
der Werkzeugmittelachse 12 mit einer durchgehenden Axialbohrung 13 versehen ist
Durch die Axialbohrung 13 kann z.B. ein nicht gezeigter Führungszapfen gesteckt
werden, der damit auswechselbar befestigt ist, wodurch das Aufbohrwerkzeug 10 zum
Zapfensenker zum Einsenken von Bohrlöchern für ~Schraubenköpfe wird.
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Am Kern 11 sind damit einstückig vier Umfangszähne 14 - 17 gehalten,
die schraubenförmig um den Kern 11 gewunden sind.
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An ihrem Stirnende, in Fig. 2 unten, weist jeder Umfangszahn 14 -17
eine Stirnschneide 18, 19, 20 bzw. 21 auf. Jeder Umfangszahn 14 - 17 besitzt ferner
eine in Schneidrichtung gemäß Pfeil 22 weisende Vorderfläche 23, 24, 25 bzw. 26
und eine Rückenfläche 27, 28, 29 bzw. 30. Zwischen der Rückenfläche und der Vorderfläche
zweier in Umfangsrichtung (Pfeil 22, Fig.1) aufeinanderfolgender Umfangszähne sind
jeweils axial durchgängige Spannuten 31, 32, 33 und 34 gebildet, die in gleicher
Weise wie die Umfangszähne 14 - 17 schraubenförmig um den Kern 11 gewunden sind.
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Die Stirnschneiden 18 - 21 sind jeweils freigeschliffen. Ihre Freifläche
ist mit 35, 36, 37 bzw. 38 bezeichnet (Fig. 3).
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Der Freiwinkel # beträgt im gezeigten Beispiel 40. Der gegenüber der
Vertikalen gemessene Spanwfnkel#beträgt bei jeder Stirnschneide 18 - 21 zwischen
300 und 350 und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit 350 gewählt.
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Der Werkzeugaußendurchmesser ist in Fig. 6 mit DA bezeichnet.
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Bei einem erprobten Ausführungsbeispiel ist dieser Werkzeugaußendurchmesser
DA zu 32 mm und der Kerndurchmesser Di zu 13 mm gewählt. Die Spiralsteigung ist
dabei zu 100 gewählt.
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Hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Werkzeuggeometrie ist nachfolgend
auf Fig. 4 - 6 Bezug genommen, zum Teil auch auf Fig. 2. Es ist ersichtlich, daß
jeder Umfangszahn, wie der Umfangszahn 14 in Fig. 2, 4 und 5, mit seiner Außenkante
39 der Vorderfläche 23 am Werkzeugaußendurchmesser DA unter einem Winkel - nachfolgend
mit Außenspiralwinkel bezeichnet - geneigt zur Werkzeugmittelachse 12 verläuft.
Dieser Außenspiralwinkel beträgt für jeden Umfangszahn 14 - 17 zwischen 400 und
450 und ist beim besagten Beispiel auf 450 festgelegt.
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Ferner ist aus Fig. 1, 2, 4 und 5 ersichtlich, daß bei jedem Umfangszahn,
wie für den Umfangszahn 14 gezeigt ist, dessen an den Kern 11 anschließende Innenkante
41 der Vorderfläche 23 am Kerndurchmesser Di unter einem Winkel - nachfolgend mit
Innenspiralwinkel bezeichnet - geneigt zur Werkzeugmittelachse 12 verläuft. Dieser
Innenspiralwinkel beträgt für jeden Umfangszahn 14 - 17 zwischen 20 und 250 und
ist beim gewählten Ausführungsbeispiel auf 220 festgelegt.
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Diese Winkelangaben sind in Fig. 4 - 6 jeweils eingetragen.
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Die in Fig. 6 schematisch gezeigte Abwicklung des Werkzeuges 10 bei
Spiralsteigung 100 macht deutlich, daß der Außenspiralwinkel am Werkzeugaußendurchmesser
DA, also an der Außenkante 39 des Umfangszahnes 14, 450 beträgt und daß der Innenspiralwinkel
am Kerndurchmesser Di, also an der Innenkante 41, wesentlich kleiner ist, nämlich
220 beträgt. Der Spanwinkel t der Schneide 18 (Fig. 4, 5) ist dabei so gewählt,
daß er zumindest annähernd dem arithmetischen Mittelwert zwischen dem Außenspiralwinkel
von 450 und dem Innenspiralwinkel von 220 entspricht. Damit würde sich rechnerisch
ein Spanwinkel von 33,50 ergeben, der in Fig. 6 gestrichelt eingezeichnet ist. Der
tatsächliche Spanwinkel ?ist beim gewählten Ausführungsbeispiel aber aufgerundet
auf 350 festgelegt.
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Die durch diese Geometrie, nämlich den Spanwinkel ? von 350, den Außenspiralwitikle
von 450 und den Innenspiralwinkel von 220, sowie den Freiwinkel d von 40 erreichten
Vorteile sind eingangs ausführlich erläutert. Zur Vermeidung von Wiederholungen
ist darauf ausdrücklich Bezug genommen.
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Aus den Zeichnungen ist ferner erkennbar, daß - wie nachfolgend der
besseren Übersicht wegen nur für den Umfangszahn 14 anhand von Fig. 4 erläutert
ist - die Außenkante 39 seiner Vorderfläche 23 zumindest im wesentlichen parallel
zur Außenkante 40
seiner Rückenfläche 27 verläuft. In gleicher
Weise verläuft die Innenkante 41 seiner Vorderfläche 23 zumindest im wesentlichen
parallel zur Innenkante 42 seiner Rückenfläche 27.
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Beim hergestellten und erprobten Ausführungsbeispiel ist diese Parallelität
exakt gewahrt.
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Erkennbar ist vor allem aus Fig. 1 und 3, daß bei jedem Umfangszahn
14 - 17 dessen Rückenfläche 27, 28, 29 bzw. 30 - innerhalb jeder Radialebene entlang
der Werkzeugmittelachse 12 gesehen - zumindest annähernd entlang einer Tangente
verläuft, die im Bereich der jeweiligen Innenkante der Rückenfläche 27-30 an den
Kerndurchmesser Di angelegt ist. Daraus resultiert, daß bei jedem Umfangszahn 14
- 17 die von der Vorderfläche 23 -26 zur Rückenfläche 27 - 30 gemessene Querschnittsdicke
jeweils vom Kern 11 zum Werkzeugaußendurchmesser DA hin stetig und mit geringem
Gradienten abnimmt. Die Umfangszähne sind also im Querschnitt, in Umfangsrichtung
gemäß Pfeil 22 gesehen, relativ dünnwandig. Dies führt im Verein mit der beschriebenen
Bemessung der Außenspiralwinkel und Innenspiralwinkel zu im Querschnitt außerordentlich
großen Spannuten 31 -34 mit zugleich guter Spiralführung über die Außenkante 39,
wodurch eine außerordentlich gute und verlustlose Spanabfuhr durch die Spannuten
31 - 34 gewährleistet ist.