Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Tieflochs sowie einen Pilotbohrer hierfür.

Insbesondere beim handgeführten Bohren, jedoch auch bei Verwendung von extrem langen und daher instabilen Tieflochbohrern ist es häufig üblich, zunächst mit Hilfe eines Pilotbohrers eine Ausnehmung bzw. eine Sackbohrung geringer Tiefe in das Material einzubringen. In einem nächsten Arbeitsschritt wird dann der eigentliche Tieflochbohrer exakt auf der Ausnehmung positioniert, so daß die mit Hilfe des Pilotbohrers eingebrachte Sackbohrung den nachfolgenden Tieflochbohrer zentriert und/oder pilotiert. Beim Pilotieren wird mit Hilfe des Pilotbohrers ein Sackloch in das zu bearbeitende Material eingebracht. Der Pilotbohrer hat dabei einen geringfügig größeren Bohrdurchmesser als der nachfolgende Tieflochbohrer. Anderenfalls würde der Tieflochbohrer beim Eindringen in das Sackloch an den stirnseitigen Ecken der Hauptschneide extrem belastet, was zu einem erhöhten Verschleiß des Tieflochbohrers führt.

Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, daß nach dem Einbringen des Tieflochs aufgrund des Pilotbohreres mit größerem Bohrdurchmesser im oberen Bereich ein Absatz verbleibt, der durch die Bohrtiefe des Pilotbohrers festgelegt wird.

In Fällen, in denen ein solcher Absatz im Tiefloch nicht erwünscht ist, wird mit Hilfe des Pilotbohrers lediglich eine Art Ausnehmung in das zu bearbeitende Material eingebracht. Der Pilotbohrer setzt beim Bohren nur kurz auf der Materialoberfläche auf, ohne nennenswert in das Material einzudringen. Die umfangsseitigen Nebenschneiden des Pilotbohrers kommen beim Einbringen einer solchen Ausnehmung nicht mit dem Material in Kontakt. Die Ausnehmung, die im wesentlichen ein direktes Abbild der im allgemeinen kegelförmigen Bohrspitze des Pilotbohrers ist, reicht jedoch aus, um den nachfolgenden Tieflochbohrer zu zentrieren.

Typische Tieflochbohrer haben einen Spitzenwinkel von etwa 130 bis 140° und einen relativ dicken Kernbereich von etwa 25–40% des Durchmessers des Bohrers. Neuere Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß ein Spitzenwinkel von etwa 140° die besten Ergebnisse erzielt. Im Bereich des Kernbereichs ist der Spitzenwinkel flacher, meist liegt er dort bei 160°. Die Geometrie des Tieflochbohrers ist auf den eigentlichen Bohrvorgang des Tieflochs optimiert. Dabei wird insbesondere auf eine optimale Spanbildung und Spanabführung Wert gelegt.

Als Pilotbohrer wird üblicherweise ein Bohrer mit im wesentlichen der gleichen Spitzengeometrie wie der Tieflochbohrer verwendet, wobei der Pilotbohrer einen etwas größeren Bohrdurchmesser hat und natürlich viel kürzer und damit steifer ist, so daß mit dem Pilotbohrer in einfacher Weise eine entsprechende zentrierende oder pilotierende Ausnehmung in das zu bearbeitende Material eingebracht werden kann. Im wesentlichen ergibt sich dann die in 1 gezeigte Situation. Dargestellt ist der Tieflochbohrer 1, der gerade in die von dem Pilotbohrer (nicht gezeigt) in das zu bearbeitende Material 15 eingebrachte Sackbohrung 2 eintaucht. Die Sackbohrung 2 hat einen Durchmesser, der etwas größer ist als der Durchmesser des Tieflochbohrers 1, wie deutlich in 1 zu erkennen ist. Die Kontur des Sackloches 2 gibt im wesentlichen die Spitzengeometrie des Pilotbohrers wieder. Der Spitzenwinkel &agr; beträgt typischerweise etwa 140°. Ein Kernbereich 3, der etwa 25–40% des Bohrerdurchmessers bzw. Sacklochdurchmessers ausmacht, hat einen flacheren Spitzenwinkel &bgr; von ca. 160°. Der Tieflochbohrer 1 hat im wesentlichen die gleiche Spitzengeometrie.

Der Grund des Sacklochs 2 hat somit im wesentlichen eine Kegelform, wobei die Kegelspitze im Kernbereich 3 etwas abgeflacht ist. Deutlich zu erkennen ist, daß im Querschnitt die Kegelform des Sackloches 2 nahezu parallel zu der Hauptschneide 4 des Tieflochbohrers verläuft.

Beim Einbringen des Tieflochbohrers 1 in das Sackloch 2 in Vorschubrichtung 18 wird der Tieflochbohrer 1 aufgrund der nahezu völligen Übereinstimmung der Spitzenkontur des Tieflochbohrers 1mit der Struktur des Sacklochbodens im wesentlichen abrupt und vollflächig auf den Grund des Sacklochs 2 auftreffen. Dies führt zu einer abrupten Kraftübertragung. Es hat sich gezeigt, daß diese abrupte Kraftübertragung sowohl für den Verschleiß des Tieflochbohrers als auch für die Genauigkeit der in das Material 15 einzubringenden Tieflochbohrung von Nachteil ist.

Insbesondere bei der Verwendung von Tieflochbohrern aus Hartmetall, die mit hohem Vorschub und hohen Umdrehungszahl von z.B. zwischen 1000 und 10000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, ist die abrupte Änderung der Kraftübertragung von großem Nachteil.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einbringen eines Tieflochs bereitzustellen, mit dessen Hilfe der Verschleiß am Tieflochbohrer deutlich reduziert werden kann und zudem jegliche Kräfte weniger abrupt in das Werkstück übertragen werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst mit Hilfe eines Pilotbohrers mit einem Schaft und einem Kopfabschnitt, wobei der Kopfabschnitt auf einer Stirnfläche eine kegelförmige Hauptschneide und zwei spiralförmig an der Außenseite des Kopfabschnitts verlaufende Spannuten aufweist, eine rotationssymmetrische Ausnehmung in das zu bearbeitende Material eingebracht wird, und anschließend mit Hilfe eines Tieflochbohrers das einzubringende Tiefloch in dem Grund der rotationssymmetrischen Ausnehmung gebohrt wird, wobei der Pilotbohrer einen Spitzenwinkel aufweist, der größer als der Spitzenwinkel des Tieflochbohrers ist.

Mit anderen Worten wird im Gegensatz zum Stand der Technik die rotationssymmetrische Ausnehmung bzw. das zur Zentrierung bzw. Pilotierung eingebrachte Sackloch mit einem Bohrgrund ausgeführt, der flacher ist als die Spitze des Tieflochbohrers. Dies hat zur Folge, daß der Tieflochbohrer zunächst im Zentrum des Tieflochbohrers mit dem Grund der rotationssymmetrischen Ausnehmung in Kontakt tritt. Erst dann, wenn der Tieflochbohrer tiefer in das Material eingebracht wird, greift allmählich ein immer größerer Anteil der Hauptschneide mit dem Werkstück in Eingriff, so daß keine abrupte, sondern eine allmähliche Änderung des Kraftübertrags vom Bohrer in das zu bearbeitende Material erfolgt.

Dieses "weiche" Anbohren führt zu einer deutlich verbesserten Standzeit des nachfolgenden Tieflochbohrwerkzeugs.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Spitzenwinkel des Pilotbohrers mindestens 3°, vorzugsweise zwischen 5° und 20° und besonders bevorzugt zwischen 8° und 12° größer als der Spitzenwinkel des Tieflochbohrers.

Grundsätzlich besteht bei der Verwendung des Pilotbohrers ebenfalls das Problem, daß der Pilotbohrer beim Aufsetzen auf das zu bearbeitende Material an seiner Spitze keinerlei Führung hat. Daher ist grundsätzlich ein größerer Spitzenwinkel nachteilig, da dann die Selbstzentriereigenschaften des Pilotbohrers schlechter werden. Allerdings wird dieser Nachteil durch die beschriebenen Vorteile aufgewogen. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von Pilotbohrern aus Hartmetall, da Hartmetall durch seinen hohen Elastizitätsmodul dem Pilotbohrer eine hohe Steifigkeit verleiht.

Weiterhin ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Kerndicke des Kopfabschnitts des Pilotbohrers kleiner als die Kerndicke des Kopfabschnitts des Tieflochbohrers ist.

Dadurch, daß am Kopfabschnitt spiralförmig verlaufende Spannuten vorgesehen sind, ergibt sich ein Kernbereich, um den die spiralförmigen Spannuten verlaufen. Die geringere Kerndicke führt zu einer verbesserten Zentrierungswirkung der durch den Pilotbohrer eingebrachten rotationssymmetrischen Ausnehmung.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Kerndicke des Kopfabschnitts des Pilotbohrers kleiner als 25%, vorzugsweise kleiner als 22% und besonders bevorzugt zwischen 18 und 22% des Durchmessers des Pilotbohrers an der Stirnfläche seines Kopfabschnitts. Versuche haben gezeigt, daß eine solche Kerndicke die besten Ergebnisse erzielt. Grundsätzlich ist die Kerndicke möglichst klein zu wählen, um besonders gute Zentriereigenschaften zu erzielen. Wird jedoch die Kerndicke zu gering gewählt, führt dies zu einer Schwächung des Pilotbohrers, was im schlimmsten Fall zu einem Bohrerbruch führen kann.

Da es im wesentlichen nur im Stirnbereich auf einen möglichst geringen Bohrerkerndurchmesser ankommt, ist in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, daß der Pilotbohrer einen Bohrkern mit in Richtung des Schaftes ansteigendem Durchmesser hat. Dadurch kann der Kerndurchmesser an der Bohrerspitze weiter reduziert werden, ohne daß es zu einer nennenswerten Schwächung des Pilotbohrers kommt.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform hat der Bohrkopf des Pilotbohrers im Bereich des stirnseitigen Endes der Spiralnuten Ausspitzungen, die derart ausgebildet sind, daß an der Stirnseite ein kleiner Kernbereich von weniger als 20%, vorzugsweise von weniger als 15% und besonders bevorzugt von etwa 5–10% des Durchmessers des Pilotbohrers gebildet wird. Auch diese Maßnahme führt dazu, daß die rotationssymmetrische Ausnehmung, die von dem Pilotbohrer erzeugt wird, lediglich in einem sehr kleinen Bereich im Zentrum der Ausnehmung abflacht. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß versucht, den Spitzenwinkel des Pilotbohrers über einen großen Bereich, der möglichst weit ins Zentrum hineinreicht, beizubehalten. Erst im kleinen Kernbereich wird ein Kernspitzenwinkel gemessen, der größer als der Spitzenwinkel der Hauptschneiden ist.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Durchmesser des Pilotbohrers größer als der Durchmesser des Tieflochbohrers ist. Dabei muß zwar genügend Freiraum (Spiel) zwischen Pilotbohrung und dem Tieflochbohrer entstehen, damit der Tieflochbohrer beim Eindringen in das Sackloch an den stirnseitigen Ecken der Hauptschneide nicht extrem belastet wird, was zu einem erhöhten Verschleiß des Tieflochbohrers führt. Andererseits darf der Freiraum aber nicht so groß werden, daß die Führung des Tieflochbohrers beeinträchtigt wird.

Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn Pilotbohrer und Tieflochbohrer denselben Nenndurchmesser haben, jedoch als Spielpassungssystem entsprechend DIN ISO 286 ausgeführt sind.

Mit Vorteil wird bei einer Toleranz des Tieflochbohrers h7 der Pilotbohrer mit der Toleranz p7 hergestellt. Bei anderer Toleranz des Tieflochbohrers ist die Toleranz des Pilotbohrers so zu wählen, daß sie das gleiche Spiel ergibt. Die besonders bevorzugte Größe des Spiels ergibt sich somit aus der folgenden Tabelle:

In der linken Spalte sind verschiedene Nenndurchmesserbereiche angegeben. Die zweite und dritte Spalte beschreiben die Toleranzen der Toleranzklasse h7 in Abhängigkeit von den verschiedenen Durchmesserbereichen. Wird somit ein Tieflochbohrer mit einem Nenndurchmesser von 5 mm mit einer Toleranz h7 gefertigt, so bedeutet dies, daß der Durchmesser des Tieflochbohrers zwischen 4,988 und 5 mm liegt. Die vierte und fünfte Spalte beschreiben die Toleranzen der Toleranzklasse p7 in Abhängigkeit von den verschiedenen Durchmesserbereichen. Wird somit ein Pilotbohrer mit einem Nenndurchmesser von 5 mm mit einer Toleranz p7 gefertigt, so bedeutet dies, daß der Durchmesser des Pilotbohrers zwischen 5,012 und 5,024 mm liegt. Als Spiel ergibt sich somit ein Wert zwischen 0,012 (= 5,012 – 5,0) mm und 0,036 (= 5,024 – 4,988) mm, wie in den Spalten 6 und 7 aufgeführt ist.

Üblicherweise wird der Kopfabschnitt des Pilotbohrers leicht konisch ausgeführt und zwar derart, daß im Bereich der Spannuten der Durchmesser des Bohrers von der Stirnseite in Richtung des Schaftes abnimmt. Mit anderen Worten hat der Pilotbohrer an seiner Stirnseite den größten Durchmesser. Grund hierfür ist, die Berührungsfläche der Nebenschneidkante des Pilotbohrers an den Wänden der Bohrung zu reduzieren. Ein Nachschleifen des Pilotbohrers führt automatisch zu einer Verkürzung des Bohrer und damit auch zu einer Durchmesserreduzierung. Dies wiederum führt zu einer Reduzierung des Spiels. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, daß der Kopfabschnitt konisch ausgebildet ist, so daß er sich in Richtung des Schaftabschnittes um weniger als 3 &mgr;m, besonders bevorzugt zwischen 1 und 2 &mgr;m pro Millimeter Nutenlänge verjüngt.

Erfindungsgemäß kommt es somit auf das Zusammenspiel zwischen Pilotbohrer einerseits und nachfolgendem Tieflochbohrer andererseits an. Grundsätzlich wäre es daher möglich, übliche Pilotbohrer beizubehalten und die Spitzengeometrie des Tieflochbohrers entsprechend zu verändern. Da jedoch die Spitzengeometrie des Tieflochbohrers so ausgebildet ist, daß sehr tiefe Löcher schnell und mit möglichst geringem Verschleiß am Bohrwerkzeug hergestellt werden können, wird erfindungsgemäß vorgesehen, den Pilotbohrer entsprechend abzuändern.

Erfindungsgemäß wird daher ein Pilotbohrer mit einem Schaft und einem Kopfabschnitt, wobei der Kopfabschnitt an seiner Stirnfläche eine kegelförmige Hauptschneide und zwei spiralförmig an der Außenseite des Kopfabschnitts verlaufende Spannuten aufweist, zur Verfügung gestellt, bei dem der Spitzenwinkel der Hauptschneide größer als 145° ist. Vorzugsweise liegt der Spitzenwinkel der Hauptschneide zwischen 148 und 155° und besonders bevorzugt liegt der Spitzenwinkel bei etwa 150°. Insbesondere bei der Verwendung eines Tieflochbohrers mit einem Spitzenwinkel von 140°, die üblicherweise verwendet werden, ist die Wahl dieses Spitzenwinkels für den Pilotbohrer von großem Vorteil.

Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Kerndicke des Kopfabschnitts kleiner als 25%, vorzugsweise kleiner als 22% und besonders bevorzugt zwischen 18 und 22% des Durchmessers des Pilotbohrers an der Stirnfläche seines Kopfabschnitts ist.

Weiterhin weist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Bohrkern des Bohrkopfs einen in Richtung des Schaftes ansteigenden Durchmesser auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Bohrkopf im Bereich des stirnseitigen Endes der Spiralnuten Ausspitzungen auf, die derart ausgebildet sind, daß an der Stirnseite ein kleiner Kernbereich von weniger als 20%, vorzugsweise von weniger als 15% und besonders bevorzugt von etwa 5 bis 10% des Durchmessers des Pilotbohrers gebildet wird.

Weiterhin ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Länge der Spannuten in axialer Richtung kleiner als der sechsfache Bohrdurchmesser, vorzugsweise kleiner als der fünffache Bohrdurchmesser und besonders bevorzugt in etwa gleich dem 4,5-fachen Bohrdurchmesser beträgt.

Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn der Pilotbohrer als Anfasbohrer ausgebildet ist. Mit Hilfe des Pilotbohrers kann dann bereits die Anfasung des Tieflochs hergestellt werden. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt lediglich zur Herstellung der Anfasung ist nicht notwendig.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsform sowie der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Eingriffsverhältnisse nach einem Verfahren des Standes der Technik,

2 eine schematische Darstellung der Eingriffsverhältnisse gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,

3 eine Draufsicht auf die Spitze einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Pilotbohrers und

4 eine abgebrochene perspektivische Seitenansicht auf den Pilotbohrer von 3,

1 zeigt schematisch die Eingriffsverhältnisse beim Einbringen eines Tieflochbohrers in eine von einem Pilotbohrer vorher eingebrachte Sackbohrung, so wie sie im Stand der Technik vorliegen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegen dagegen die in 2 gezeigten Verhältnisse vor. Wie in 1 ist schematisch die Situation gezeigt, kurz bevor der Tieflochbohrer 1 in die von dem Pilotbohrer (nicht gezeigt) vorher eingebrachte Sackbohrung 2 eintaucht. Der in 2 gezeigte Tieflochbohrer 1 entspricht dem in 1 gezeigten Tieflochbohrer. 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, daß die Geometrie des Sacklochs und daher die Geometrie des verwendeten Pilotbohrers erfindungsgemäß ausgewählt wurde. Deutlich zu erkennen ist, daß der kegelförmige Bohrgrund 17 des Sacklochs 2 nun wesentlichen flacher verläuft als der Spitzenwinkel der Hauptschneide 4 des Tieflochbohrers 1. Weiterhin ist zu erkennen, daß der von der Kegelform abweichende innere Kernbereich 5 der Sacklochbohrung 2 nun deutlich kleiner ist als der entsprechende Kernbereich 3 des Tieflochbohrers 1. Wird nun der Tieflochbohrer 1 in Pfeilrichtung 18 in Richtung des Sacklochgrunds bewegt, so wird er zunächst in etwa im Übergangsbereich zwischen der Hauptschneide 4 und dem zentralen abgeflachten Bereich 3 das Material 15 berühren. Wird nun die Bewegung in der Vorschubrichtung 18 fortgesetzt, so tritt der Tieflochbohrer 1 mehr und mehr mit dem Werkstück in Eingriff. Im Gegensatz zu der Situation in 1 setzt somit der Bohrer nicht hart, sondern weich im Bohrloch auf. Damit sind die beschriebenen Vorteile verbunden.

In 3 ist ein erfindungsgemäßer Pilotbohrer 6 in einer Ansicht von oben, d.h. auf die Stirnfläche des Bohrkopfs, gezeigt. Deutlich zu erkennen sind die beiden Hauptschneiden 4. Weiterhin sind die Spiralnuten 7 zu erkennen, die im wesentlichen der Spanabfuhr dienen.

Wie in 3 deutlich zu erkennen ist, sind die Spiralnuten 7 derart ausgeführt, daß der Kernbereich einen Durchmesser 11 hat, der etwa 20% des Durchmessers 10 des Bohrers beträgt.

Um insbesondere im Stirnbereich des Bohrers 6 den Kernbereich noch weiter zu reduzieren, sind Ausspitzungen 8 vorgesehen. Durch die Ausspitzungen 8 wird der Kernbereich an seinem stirnseitigen Ende auf einen Durchmesser 12 reduziert, der etwa 7% des Durchmessers 10 des Pilotbohrers beträgt.

In 4 ist eine erste Seitenansicht auf den Stirnbereich des erfindungsgemäßen Pilotbohrers 6 gezeigt. Auch hier ist ein Kanal 9 für ein Kühl- bzw. Spülfluid gezeigt. Die Hauptschneiden 4 schließen mit der Rotationsachse 13 des Pilotbohrers 6 einen Winkel von etwa 75° ein, so daß sich ein Spitzenwinkel von ca. 150° ergibt.

1

Tieflochbohrer

2

rotationssymmetrische Ausnehmung bzw. Sackloch

3

Kernbereich des Tieflochbohrers

4

Hauptschneide

5

innerer Kernbereich der rotationssymmetrischen Ausnehmung bzw. des Sacklochs

6

Pilotbohrer

7

Spannuten

8

Ausspitzungen

9

Kühlkanal

10

Durchmesser des Pilotbohrers

11

Kern des Pilotbohrers

12

reduzierter Kernbereich an der Bohrspitze

13

Rotationsachse des Bohrers

14

Nebenschneidkante

15

Material

16

kegelförmiger Bohrgrund

17

flacher kegelförmiger Bohrgrund

18

Vorschubrichtung