圆柱头钻孔工具、特别是弗斯脱纳钻头

技术领域

本发明涉及一种圆柱头钻孔工具、特别是弗斯脱纳(Forstner)钻头。

背景技术

圆柱钻头的圆柱头钻孔工具已经上市很长时间了。特别已知的工具或钻头是弗斯脱纳/福斯特纳钻头。这些钻头通常具有定心尖端或定心点，也称为心轴、从心轴延伸的大致径向的一个或两个主切削刃，以及外周切削刃。这些工具或钻头例如在以下出版物中有所描述：US5695304、US5975814、US6045302、US6394714、US6644899和US7648316。

发明内容

可能已经提出了改进，如上图所示。当前的钻头或工具留有改进的空间。例如，可以改善切割时的稳定运行。此外，或替代地，可以改进塑料的切割。

因此，本发明的一个方面是提供一种替代工具或钻头，其优选地进一步至少部分地消除了一个或多个上述缺点。

提供了一种圆柱形钻头，包括位于钻头圆周上的至少一组周向切削刃；

其中圆周以纵向旋转轴线为中心；

每组周向切削刃包括至少两个周向切削刃；以及

所述至少两个周向切削刃具有距纵向旋转轴线相互不同的径向距离。

圆柱形钻头通常用于在诸如木材、塑料、金属等材料中钻出较大的孔。待钻的孔可以是通孔、盲孔或任何其它类型的圆孔。由于待钻的孔通常较宽，圆柱形钻头包括用于限定孔的圆周的周向切削刃。钻孔的圆周通常紧贴或紧密地配合圆柱形钻头的圆周。圆柱形钻头还包括用于驱动圆柱形钻头的轴或柄。圆柱形钻头通常以相对高的转速旋转驱动，同时纵向力施加到圆柱形钻头上以相对缓慢地将钻头驱动到材料中。圆柱形钻头的圆周以及通常还有圆柱形钻头的轴以纵向旋转轴线为中心。定心提供了降低振动和提高圆柱钻头稳定性的优点。

圆柱形钻头具有至少一组周向切削刃，该周向切削刃组包括至少两个周向切削刃。通常，圆柱形钻头包括两组周向切削刃，但是圆柱形钻头可以包括多于两组的周向切削刃。一组周向切削刃可以包括多于两个的周向切削刃、例如三个、四个或更多个周向切削刃。

根据本发明，至少两个周向切削刃距纵向旋转轴线具有相互不同的径向距离。当至少两个周向切削刃围绕纵向轴线旋转并因此彼此跟随时，一个周向切削刃可被视为相对于另一周向切削刃的前周向切削刃，而另一周向切削刃可被视为相对于前周向切削刃的后周向切削刃。在操作期间，通过将后周向切削刃布置在与前周向切削刃不同的径向距离处，防止后周向切削刃跟随由前周向切削刃钻入、切割或形成的物体中的凹槽。发明人的见解是，当未放置在不同的径向距离处时，后周向切削刃通常会引起与凹槽壁的更多摩擦，从而在钻头和待钻孔或切削的物体中引起热量和振动。本发明因此具有在操作期间减少钻头和物体中的热量产生和/或振动的技术效果。此外，在钻孔期间使用后周向切削刃的表面的较大部分，具有在较大表面上分布磨损、更均匀和/或增加材料被切削的速度的效果。磨损的分布具有延长钻头寿命的作用。此外，由于减少了摩擦，圆柱形钻头将发热更少，从而提供了圆柱形钻头磨损更少的优点。此外，由于摩擦减小，待钻孔的材料不太可能燃烧和/或加热到材料因熔化而氧化或变形的温度。

在本发明的一个实施例中，径向距离对于顺序排布的周向切削刃增加或减少、优选地是线性的、二次的、平方根的、对数的或指数的增加或减少。径向距离的可预测的、有序的、稳定的和/或有规律的增加或减少使得设计容易。在本发明的一个实施例中，径向距离随着平方根增加或二次减小以均匀地补偿周向切削刃的径向速度的变化。该实施例允许每个周向切削刃由于被切掉的材料的冲击而接收相同量的能量。

在本发明的一个实施例中，圆柱形钻头包括从纵向旋转轴线径向延伸的基本上径向的至少两个主切削刃，其中每组周向切削刃布置在两个顺序排布的主切削刃之间并且位于主切削刃的径向端部。主切削刃通常切削或切掉大部分材料。由于主切削刃的布置方式，主切削刃具有材料破碎和/或碎裂的缺点。周向切削刃通常被定位和布置成使材料的破碎和/或碎裂最小化，但具有不允许将尽可能多的材料从切割区域运走的缺点。在一个实施例中，周向切削刃在远离轴的纵向方向延伸超过两个主切削刃。这允许材料首先由周向切削刃切割为圆形图案，然后主切削刃切割和/或切掉内部。这具有以下效果：材料中的孔具有干净的侧壁，从而最大限度地减少材料中孔的侧壁的破碎和/或碎裂，同时仍然可以快速钻孔，因为主切削刃有效地切割和/或切掉大部分材料。

在本发明的一个实施例中，至少两个周向切削刃各自具有宽度，并且径向距离的变化不超过任何宽度。该实施例提供的优点是，在切割之后，至少两个周向切削刃提供单个凹槽，而没有任何材料、例如非常薄的材料层或材料壁留在凹槽中。

在本发明的一个实施例中，所述至少两个周向切削刃各自具有面向待切除材料的前表面，其中所述至少两个周向切削刃以不同的径向距离布置，使得在操作期间，所述至少两个周向切削刃在待切去的材料中形成一个凹槽，其中凹槽比至少两个周向切削刃的宽度中的任何一个宽。该实施例提供的优点是，在切割之后，至少两个周向切削刃提供单个凹槽，而没有任何材料、例如非常薄的材料层或材料壁留在凹槽中。在一个典型的实施例中，从旋转视角或在旋转方向上看，两个周向切削刃具有基本上重叠的正面、前表面或纵向表面。

在本发明的一个实施例中，圆柱形钻头包括两组所述周向切削刃，特别是每组周向切削刃包括至少三个周向切削刃，更具体地，每组周向切削刃包括四个周向切削刃。具有两组所述周向切削刃提供了可以通过设计保持相对于旋转轴线的质量平衡的优点。在一个典型实施例中，周向切削刃组布置成相对于旋转轴线点对称。在一个具体实施例中，圆柱形钻头包括三组周向切削刃，其中第一组周向切削刃提供第一周向切削刃，第二组周向切削刃提供第二周向切削刃，第三组周向切削刃提供第三周向切削刃，并且第一、第二和第三周向切削刃以相同的径向距离布置并且径向偏移 2/3π或120°度。

在本发明的一个实施例中，圆柱形钻头还包括用于定位中心心轴或定心尖端的空间，所述主切削刃从该空间延伸。心轴提供的优点是允许在材料被周向切削刃切掉之前容易地定位圆柱形钻头。通常，定心孔是用限定直径的普通钻头钻出的。定心孔有利地引导心轴，使得由圆柱形钻头钻出的较大孔在预定位置处钻出。心轴和周向切削刃组的组合允许在材料中精确地钻出具有光滑侧壁的圆柱形孔。

在本发明的一个实施例中，每个主切削刃连接到碎屑空间开口，用于在使用中将碎屑沿纵向从所述主切削刃引导走。由于主切削刃切掉了钻入的大部分材料，因此该空间允许将这种材料从发生切割的区域运走。此外，与周向切削刃相比，主切削刃通常切掉大得多的材料块，该空间通常具有足够大的尺寸以防止材料碎屑堵塞碎屑空间开口甚至主切削刃周围的区域，从而使圆柱形钻头保持与待切割的材料接触。由于被周向切削刃切掉的材料更少并且具有更小的材料块或碎屑，被周向切削刃切掉的材料也可以有利地经由碎屑空间开口从切削部位输送离开。

在本发明的一个实施例中，圆柱形钻头包括形成所述圆柱形钻头的圆柱体的外周壁、特别是以连接主切削刃的径向端和前主切削刃的碎屑空间开口的空心圆柱体的节段形式的外周壁，并且所述外周壁或外周壁段的纵向端部设置有所述一个或多个周向切削刃。当孔足够深时，外周壁或外周壁段允许圆柱形钻头由钻孔的侧壁引导。该引导在钻孔期间提供了优势，因为圆柱形钻头很容易从钻孔的开口沿直线引导。包括外围壁或外围壁段以及用于定位中心心轴的空间的圆柱形钻头有利地允许圆柱形钻头以高精度定位，之后可以钻出直圆柱形孔。

在本发明的一个实施例中，所述周向切削刃是具有提供周向切削刃的切削刃的间隔齿。齿、特别是径向延伸的齿，具有为周向切削刃提供坚固基部的有利形状。

在本发明的一个实施例中，齿的朝向旋转方向或主切削刃的切削方向的一侧提供纵向切削刃，其中特别地，所述纵向切削刃相对于平行于旋转轴线的线成倾斜角α、特别是相对于平行于旋转轴线或纵向轴线的线在5 至15度范围内的倾斜角α。基本上在合适角度α下的前倾纵向切削刃具有这样的效果，即在钻孔期间周向刃作为整体被压入材料中更深。这允许周向切削刃在纵向切削刃的相当长的长度上进行切削。通过利用显著更长的纵向切削刃长度，磨损分布在这个显著更长的长度上，从而延长了纵向切削刃保持锋利的时间，从而延长了圆柱形钻头的寿命。此外，该力还导致主切削刃被拖入材料中，具有更快地拖曳主切削刃穿过待被主切削刃去除的材料的效果。这种效应也反过来起作用，因为主切削刃切掉材料，纵向切削刃被迫更深地进入材料，导致周向切削刃更快地切穿材料。

在本发明的一个实施例中，所述周向切削刃的所述径向距离通过设置周向切削刃内角和周向切削刃外角来设置。这有利地允许在操作期间作用在周向切削刃上的离心力和向心力被平衡。

根据本发明的另一方面，圆柱形钻头包括从纵向旋转轴线径向延伸的基本上径向的至少两个主切削刃，以及在两个顺序排布的主切削刃之间并且在主切削刃的径向端部处的一组周向切削刃。每组周向切削刃包括至少两个顺序排布的周向切削刃，并且顺序排布的周向切削刃具有距纵向旋转轴线相互不同的径向距离。

本领域技术人员将理解本文中的术语“基本上”、例如“基本上包括”。术语“基本上”还可以包括具有“完全”、“完全”、“全部”等的实施例。因此，在实施例中，形容词基本上也可以被删除。在适用的情况下，术语“基本上”还可以涉及90％或更高、例如95％或更高、特别是99％或更高、甚至更特别是99.5％或更高，包括100％。术语“包括”还包括术语“包括”意指“由……组成”的实施例。

术语“功能上”将被本领域技术人员理解并清楚。术语“基本上”以及“功能上”还可以包括具有“完全”、“完全”、“全部”等的实施例。因此，在实施例中，形容词功能上也可以被删除。当例如在“功能上并行”中使用时，技术人员将理解形容词“功能上”包括如上所述的术语基本上。功能上特别地应理解为包括特征配置，该配置允许这些特征发挥作用，就好像形容词“功能上”不存在一样。术语“功能上”旨在涵盖其所指的特征的变化，并且这些变化使得在该特征的功能使用中、可能与本发明中涉及的其它特征相结合的使用中，该特征的组合能够操作或发挥作用。例如，如果天线功能上耦合或功能上连接到通信设备，则由天线接收的接收到的电磁信号可以被通信设备使用。例如在“功能上并行”中使用的词语“功能上”用于涵盖完全平行，但也包括由上述词语“基本上”所涵盖的实施例。例如，“功能上并行”涉及在操作中就像部件例如是并行的那样的实施例。这涵盖了技术人员清楚其在其预期使用领域内操作的实施例，就好像它是平行的一样。

此外，描述和权利要求中的形容词/序数第一、第二、第三等用于区分相似的元素，而不一定用于描述顺序或时间顺序。应当理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或图示之外的其它顺序操作。

本文中的设备或装置在操作期间被描述的装置的一员。本领域技术人员将清楚，本发明不限于操作方法或操作中的设备。

应当注意，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施例而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，放置在括号之间的任何参考符号不应被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变位的使用不排除权利要求中所述之外的元素或步骤的存在。一个元素之前的冠词“一个”或“一个”不排除多个这样的元素的存在。在列举若干手段的设备或装置权利要求中，这些手段中的若干可以由同一个硬件项目来体现。在相互不同的从属权利要求中列举了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能有利地使用。

本发明还适用于包括在说明书中描述和/或在附图中示出的一个或多个特征的装置或设备。

可以组合本专利中讨论的各个方面以提供额外的优点。此外，某些特征可以构成一个或多个分案申请的基础。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考所附示意图来描述本发明的实施例，其中对应的附图标记表示对应的部分，并且当表示一个以上的对应部分时，可以提供一个或多个括号，其中：

图1示意性地示出了钻头的实施例的透视图；

图2和图3示出了图1的钻头的相反侧视图；

图4是图2所示的钻头的截面；

图5示出了图1的钻头的前视图；

图6示出了图5所示的钻头的截面；

图7示出了图6所示的钻头的细节；

图8示出了一个替代实施例的前视图；

图9示出了图8所示的钻头的截面；

图10示出了图9所示的钻头的细节。

附图不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示意性地示出了钻头1的实施例的透视图。钻头是圆柱形钻头、弗斯脱纳(或“福斯特纳”)钻头或孔斯特钻头(kunstblhrer)。钻头包括轴或柄2和圆柱头3。圆柱头布置在轴的一端并且两者都以纵向轴线或旋转轴线R为中心。轴的另一端能耦接到例如沿工作旋转方向D向操作中的钻头提供围绕所述旋转轴线的旋转力的钻机。轴的用于与钻机耦接的耦接部通常包括六边形截面。

圆柱头包括两个主切削刃4、4'，该两个主切削刃4、4'在圆柱头的与轴相反的一侧从旋转轴线径向延伸。与轴相反的一侧通常在操作期间面向待切割的物体或材料。

圆柱头还包括两组周向切削刃6、8，它们限定了圆柱头的圆周。每组周向切削刃的一端与主切削刃的相应的径向端重合。周向切削刃组从它们相应的径向端沿圆周向另一个主切削刃延伸。与各组周向切削刃的径向端相反的端部与它们相应的另一主切削刃可以保持敞开。该开口空间通常朝向旋转轴延伸并形成碎屑空间开口5、5'，用于去除从用钻头切割的物体上切下的碎屑。

第一组周向切削刃6包括周向切削刃7、7'、7”、7”'。第二组周向切削刃8包括周向切削刃9、9'、9”、9”'。这些切削刃组通常在远离轴的方向平行和/或纵向于旋转轴线延伸。在一个实施例中，钻头可仅包括一组周向切削刃和/或仅一个主切削刃。

主切削刃通常切削或切掉大部分材料。由于主切削刃的布置方式，主切削刃具有使材料破碎和/或碎裂的缺点。周向切削刃通常被定位和布置成使材料的破碎和/或碎裂最小化，但具有不允许将尽可能多的材料从切割区域运走的缺点。在一个实施例中，周向切削刃在远离轴的方向延伸超过两个主切削刃。这允许材料首先被周向切削刃切割成圆形图案，然后主切削刃切割和/或切掉内部。这具有以下效果：材料中的孔具有干净的侧壁，从而最大限度地减少材料中孔的侧壁的破碎和/或碎裂，同时仍然可以快速钻孔，因为主切削刃有效地切割和/或切掉大部分材料。

圆柱头还可包括用于定位心轴或定心尖端10的空间。该空间以旋转轴线为中心并且布置在圆柱头的与轴相反的一侧。心轴在操作过程中起到创建稳定定心点的作用。

图2和图3示出了图1的钻头的相反侧视图。此外，图2示出了用于图4的截面参考平面IV。钻头的轴可以包括用于为经由空间10定位在圆柱头中的心轴提供固定螺栓的孔11。图4示出了图2所示的钻头的截面视图。

图5示出了图1的钻头的前视图。此外，图5示出了图6的截面参考平面VI。

主切削刃4、4'由断屑部12、13、14隔断。断屑部可以由断屑部开口隔断，例如为半圆柱形的开口。断屑部使来自被切割物体的碎屑破碎成较小的部分和/或较小宽度的部分。这些较小的部分或碎屑将更容易移除、例如通过碎屑空间开口移除。断屑部通常布置在距旋转轴线不同的距离处，使得在主切削刃旋转一圈之后，被切削物体的在主切削刃的范围内的至少所有表面都被切割或切削。断屑部具有降低钻头在操作中堵塞的可能性的优点。此外，断屑部提供了提高排出材料速度的优势，因为需要从钻头排出较小的部分。因此，钻头的整体钻孔速度随着断屑部的使用而增加。

第一组周向切削刃6的周向切削刃7、7'、7"、7'"分别布置在径向距离 R5、R6、R7、R8处。第二组周向切削刃8的周向切削刃9、9'、9”、9”'分别布置在径向距离R1、R2、R3、R4处。通常，径向距离R5、R6、R7、 R8中的至少一个径向距离不同、优选地多个径向距离不同、更优选地所有径向距离不同。通常，径向距离R1、R2、R3、R4中的至少一个径向距离不同、优选地多个径向距离不同、更优选地所有径向距离都不同。在一个实施例中，径向距离R4和R5、R3和R6、R2和R7、R1和R8基本上相等，优选地，周向切削刃相对于旋转轴线基本上点对称地布置。在一个替代实施例中，径向距离布置成线对称、例如对称于线VI或由主切削刃形成的线。为了减少振动，根据本发明的钻头尽可能地保持相对于旋转轴线的质量平衡或重量平衡，同时尽可能避免切削的对称性。通过根据本发明将周向切削刃布置在径向不同的距离处和/或通过根据本发明使用断屑部间断主切削刃来避免切削的对称性。圆C有助于识别周向切削刃的径向距离的变化。

两组周向切削刃各自的径向距离R1、R2、R3、R4和R5、R6、R7、 R8可以增加或减少。此外，各个径向距离可以线性、二次、平方根、对数、指数地变化。此外，各个径向距离可以从径向距离间歇或交替地分化，例如R2＝R1+a、R3＝R1-b、R4＝R1+c；(a、b、c)∈Q

在操作期间，通过将后周向切削刃布置在与前周向切削刃不同的径向距离处，防止后周向切削刃跟随由前周向切削刃钻入、切割或形成的物体中的凹槽。发明人的见解是，当未放置在不同的径向距离处时，后周向切削刃通常会引起与凹槽壁的摩擦，从而在钻头和待钻孔或切削的物体中引起热量和振动。本发明因此具有在操作期间减少钻头和物体中的热量产生和/或振动的技术效果。此外，在钻孔期间使用后周向切削刃的表面的较大部分，具有在较大表面上分布磨损、更均匀和/或增加材料被切削的速度的效果。磨损的分布具有延长钻头寿命的作用。此外，由于减少了摩擦，圆柱形钻头将发热量更少，从而提供了圆柱形钻头磨损更少的优点。此外，由于减小的摩擦，待钻孔的材料不太可能燃烧和/或加热到材料因熔化而氧化或变形的温度。

图6示出了图5所示的钻头的截面。图6还示出了一个圆VII，它指示了图7中所示细节的位置。

周向切削刃的形状可以像齿15。周向切削刃包括类似的特征、例如相同的特征。由于这种相似性，将仅详细讨论一个周向切削刃。周向切削刃 7'"包括前切削刃或纵向切削刃16'"。纵向切削刃基本上沿相对于旋转轴线的纵向方向从周向切削刃的基部延伸到顶部。

图7示出了图6中所示的钻头的细节。纵向切削刃16'"通常向前倾斜。在一种替代描述中，纵向切削刃指向切削方向旋转方向、例如操作方向，并且提供纵向切削刃，其中特别地，所述纵向切削刃具有相对于平行于旋转轴的直线的倾斜角α。倾斜角α相对于平行于旋转轴线或纵向轴线的线在3和25度之间、优选地在4和20度之间、更优选地在5和15度之间、最优选地在6和10度之间。

基本上在合适角度α下的前倾纵向切削刃具有这样的效果，即在钻孔期间周向刃作为整体被压入材料中更深。这允许周向切削刃在纵向切削刃的相当长的长度上进行切削。通过利用显著更长的纵向切削刃长度，磨损分布在这个显著更长的长度上，从而延长了纵向切削刃保持锋利的时间，从而延长了圆柱形钻头的寿命。此外，该力还导致主切削刃被拖入材料中，具有更快地拖曳主切削刃穿过待被主切削刃去除的材料的效果。这种效应也反过来起作用，当主切削刃切掉材料时，纵向切削刃被迫更深地进入材料，导致周向切削刃更快地切穿材料。

周向切削刃包括相似的特征、例如相同的特征，将仅详细讨论一个。周向切削刃7'"包括顶面，该顶面包括内表面17'"和外表面18'"。内表面17'" 以角度β'"倾斜并且具有宽度20'"。外表面的角度为γ'"，宽度为21'"。两角度都相对于平行于旋转轴线的线。内宽和外宽共同构成周向切削刃的宽度。角度β在15°至75°的范围内、优选为25°至65°、更优选为35°至55°。角度γ在15°至75°的范围内、优选为25°至65°、更优选为35°至55°。在一个特定实施例中，角度β、γ可以基本相同。

内表面和外表面相互连接形成顶部切削刃19'"。角度β-γ限定了顶部切削刃的锋利度。角度β-γ在45°至135°的范围内、优选为65°至115°、更优选为75°至105°。

顶面成形为切穿顶面上受压的材料。通常，取决于角度β和γ以及内表面和外表面的宽度，更多的材料可能被强制移动到周向切削刃的内侧或外侧。在一个实施例中，角度β和γ以及内表面和外表面的宽度根据周向切削刃的径向距离而变化。在一个实施例中，角度β和γ以及顺序排布的周向切削刃的内表面和外表面的宽度配置为将更多材料移动到顺序排布的周向切削刃的一侧，该侧具有由与顺序排布的周向切削刃相比具有不同的径向距离的前周向切削刃形成的空间或场所。因此，如果前周向切削刃与顺序排布的周向切削刃相比具有更大的径向距离，则顺序排布的周向切削刃的更多材料被排出到周向切削刃的外侧，反之亦然。

图8示出了一个替代实施例的前视图。图5示出了一个实施例，其中相应的径向距离R1、R2、R3、R4和R5、R6、R7、R8减小，但图8示出了另一个实施例，其中相应的径向距离R1、R2、R3、R4和R5、R6、R7、 R8在旋转方向上增加。

图9示出了图8所示的钻头的截面。所示特征类似于图6中描述的特征。

图10示出了图9中所示的钻头的细节。所示特征类似于图7中描述的特征。

还应当清楚的是，包括以上描述和附图是为了说明本发明的一些实施例，而不是限制保护范围。从本公开开始，更多的实施例对于技术人员将是清楚易懂的。这些实施例均在本发明的保护范围和实质思想之内，是现有技术与本专利公开内容的明显结合。

附图标记列表

1 圆柱形钻头

2 轴或柄

3 圆柱头，直圆圆柱

4、4' 主切削刃

5、5' 碎屑空间开口

6 第一组周向切削刃

7、7'、7"、7'" 第一组周向切削刃的周向切削刃

8 第二组周向切削刃

9、9'、9"、9'" 第二组周向切削刃的周向切削刃

10 用于定位心轴或定心尖端的空间

11 用于为心轴/定心尖端提供固定螺栓的孔

12、13、14 用于主切削刃的断屑部

15 提供周向切削刃的齿

16、16'、16”、16"' 纵向切削刃

17、17'、17"、17"' 内表面

18、18'、18"、18"' 外表面

19、19'、19"、19"' 顶部切削刃

20、20'、20"、20"' 内表面宽度

21、21'、21"、21"' 外表面宽度

R1-R4 第二组周向切削刃的各个周向切削刃的径向距离

R5-R8 第一组周向切削刃的各个周向切削刃的径向距离

R 旋转轴线/纵向轴线

C 圆

D 钻头工作旋转方向

α 纵向切削刃角

β"'、β" 周向切削刃内角

γ"'、γ" 周向切削刃外角。