Bohren

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Bohren ist ein Fertigungsverfahren zum Herstellen von Bohrungen bei denen das Werkzeug in nur eine Vorschubbewegung in Richtung der Werkzeugdrehachse erlaubt. Nach der DIN 8580 wird das Bohren den Verfahren des Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide zugeordnet. Zusammen mit Senken und Reiben wird es in der DIN 8589-b näher definiert. In der Regel werden beim Bohren roationssymmetrische Bohrungen hergestellt, allerdings existieren auch Werkzeuge zum Herstellen von unrunden Bohrungen. Das Bohren zählt zu den ältesten und gleichzeitig bedeutsamsten Bearbeitungsmöglichkeiten des Menschen.

Definition

  • Deutsches Institut für Normung: Durch die bestimmte Schneide beim Bohren, welche durch Keil-, Span- und Freiwinkel definiert ist, wird dieses Verfahren der DIN 8580 nach dem Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide zugeordnet. Da es allerdings mehrere verschiedene Prozesse und Arten von Bohrungen gibt und sich diese in der Ausführung und den dafür benötigten Werkzeugen unterscheiden gibt es weitere DIN-Normen. In der DIN 8589-0: Fertigungsverfahren Spanen - Teil 0: Allgemeines; Einordnung, Unterteilung, Begriffe werden die spanenden Verfahren zunächst genauer unterteilt. In der DIN 8589-2: Fertigungsverfahren Spanen - Teil 2: Bohren, Senken, Reiben; Einordnung, Unterteilung, Begriffe wird das Bohren dabei vom Senken und Reiben abgegrenzt. Eine wichtige Eigenschaft dabei stellt die Vorschubbewegung in eine Richtung dar, welche die Verfahren der Norm Teil 2 von zum Beispiel dem Fräsen oder Drehen abgrenzen. Beim Bohren steht das Werkstück im Gegensatz zu den anderen Verfahren steif an einer Stelle und wird nicht bewegt. Eine auf den Bohrer wirkende Querkraft würde schon bei vergleichsweise geringen Belastungen zu einem Brechen des Werkzeuges führen. Weiterhin unterteilt die DIN 8589-2 das Bohren in die Kategorien:
    • Bohren ins Volle
    • Profilbohren ins Volle
    • Aufbohren
    • Kernbohren
    • Gewindebohren
    • Unrundbohren
    • Reiben
    • Profilreiben
    • Senken


Geschichte

Die ältesten archäologischen Funde von Werkstücken in denen Bohrungen hergestellt wurden sind ca. 40.000 Jahre alt. Damit zählt das Bohren nicht nur zu einem der wichtigsten Bearbeitungsverfahren, sondern auch zu den ältesten Techniken. Das damalige Herstellen von Bohrungen unterschied sich maßgeblich von dem heutigen Verfahren darin, dass es sich nach DIN 8580 um ein spanendes Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide handeln würde. Dabei wurden sich die unterschiedliche Härte von Materialien zu nutze gemacht, indem eine Schleifpaste aus Sand und Lehm mit einem Stock in einer rotierenden Bewegung auf einer Stelle unter Druck gerieben wurden. Die Zunahme eines Bogens zur Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit und eines Fauststeins zur Lagerung des oberen Endes stellte eine erste technische Entwicklung dar. Eine weitere Möglichkeit bestand aus dem Picken mit einem hartem Werkzeug wie einem gespitzten Stein auf einer Stelle.

Mit der Entdeckung des Eisens und des Härten war es möglich metallische Bohrer zu schmieden mit denen es möglich war in Holz zu bohren und auch in anderer Weise spanend abzutragen. Durch die Weiterentwicklung der Schmiedekunst war es ab dem 11. Jahrhundert möglich gehärtete Metalle zum Durchbohren von weichen Metallen wie Zinn, Kupfer und nicht-veredeltes Eisen zu verwenden. Zuvor wurden Löcher in Metalle während des Schmieden gearbeitet, wobei man sich die leicht verformbaren Eigenschaften des erhitzen Werkstückes zu Nutze machte. Bis dahin war das Bohrwerkzeug ein Einlippenbohrer welcher per Hand mit einem feststehenden Hebel geführt wurde. Die Genauigkeit dieser Bohrungen war gering und wurde seitens der Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinen zu verbessern versucht. Die Kriegsindustrie war dabei ausschlaggebend und führende Kraft in der Entwicklung. Durch Schusswaffen wie zunächst Kanonen und im späteren Verlauf Musketen und Handfeuerwaffen wurden präzisere Bohrungen notwendig.

Ein Meilenstein der Bohrtechnik gelang durch Giovanni Martignoni, der 1863 in Düsseldorf einen Bohrer mit eingefeilter wendelartiger Nut zur Abfuhr des Bohrgutes entwickelte. Die westfälischen und rheinländischen Fabrikanten erkannten die Bedeutung dieses Bohrers allerdings nicht und erst 1867 wurde die Idee als amerikanischer Spiralbohrer auf der Weltausstellung in Paris berühmt. Heutige Entwicklungen bestehen zum großen Teil aus der Realisierung von Bohrern mit Wendeschneidplatten.

In einigen Bereichen wurde das Bohren durch das Erodieren und Strahlschneiden abgelöst.


Verfahren

Man unterscheidet beim Tiefbohren anhand mehrerer Parameter in verschiedene Verfahren. Dabei entscheidend sind beispielsweise die Form des Bohrers, die Dicke der Spanabnahme und die Symmetrie:

Rundbohren

  • Bohren ins Volle: Das Bohren ins Volle stellt eine der wichtigsten Disziplinen des Bohrens dar. Da bei einem Großteil der Fälle noch kein Kernloch besteht muss zunächst eine Bohrung in volles Material hergestellt werden. Der am häufigsten eingesetzte Bohrer für dieses Verfahren ist der Wendelbohrer, dessen Anteil an den gesamten spanenden Verfahren bei 20 - 25 % beträgt. Damit besitzt dieser Bohrer nicht nur prozesstechnisch, sondern auch wirtschaftlich eine besonders große Rolle. Er besteht aus einem Schneidteil und dem Schaft zur Aufnahme in einer Werkzeugmaschine. Der Schneidteil lässt sich noch in Hauptschneide, Querschneide und Nebenschneide unterteilen. Da sich laut Definition die Hauptschneide in Vorschubrichtung befindet muss die Querschneide formell allerdings dazu gezählt werden. Da dieser Teil aber aufgrund seines negativen Schnittwinkels das Material weniger schneidet als plastisch verformt und nach außen drückt, stellt er eine Besonderheit dar. Der Spitzenwinkel für das Bohren in herkömmlichen Stahl wird üblicherweise mit 118° angegeben, für harte Stähle kann er auch 90° betragen. Spektrum an Wendelbohrern für verschiedene Anwendungen spiegelt sich in den 150 verschiedenen Anschliffarten wieder, mit denen Wendelbohrer geschärft werden können. Der Kegelmantelanschliff stellt dabei den Zusammenschluss der meisten positiven Eigenschaften dar und ist somit am geläufigsten. In der DIN 1414a sind noch weitere Merkmale dieser Bohrer beschrieben, unter anderem der Drall für Materialien verschiedener Härten.
  • Profilbohren ins Volle:
  • Aufbohren:
  • Kernbohren:
  • Gewindebohren: Das Aufbohren eines Innengewindes, das koaxial zur Drehachse der Schnittbewegung liegt, bezeichnet man als Gewindebohren oder auch weit verbreitet als Gewindeschneiden. Der Bohrer besteht dabei aus einem Schaft, meist mit 4 oder 6 eckigem Ansatz zum verbesserten Übertragen des Drehmomentes, und einem Gewindeteil. Die Steigung des Gewindeteils sorgt während des Bohrprozesses für den Vorschub. Durch die Schraub-Schub-Bewegung arbeitet sich das Werkzeug dabei selbständig in das Werkstück in der Geschwindigkeit der Gewindesteigung. Gewindebohrer unterscheiden sich hauptsächlich in der Eigenschaft der geradlinigen Schneide für das Herstellen von Gewinden in Durchgangsbohrungen und Schneiden mit Drall für das das Bohren in Sacklöcher. Die Felder und Züge des Gewindeteils nennen sich Nuten und Schneidstollen und realisieren die Abnahme mehrerer Späne gleichzeitig. In der Regel bestehen Gewindeschneider aus je 3 Nuten und Schneidstollen. Während des Gewindebohrens werden spezielle Schneidöle eingesetzt, um die hohe dabei entstehende Reibung zu minimieren.

Reiben

  • Reiben: Das Reiben mit einer Reibahle ist ein Feinbearbeitungsverfahren und dient dem Verbessern der Oberflächenbeschaffenheit der Bohrung und der Genauigkeit. Lage- und Formfehler können durch dieses Verfahren nicht korrigiert werden. Kinematisch entspricht das Reiben dem Aufbohren mit geringer Spanabnahme. In der DIN 8589-2 Fertigungsverfahren Spanen - Teil 2: Bohren, Senken, Reiben; Einordnung, Unterteilung, Begriffe werden Ahlen in einschneidige und mehrschneidige Ausführungen unterteilt. Die einschneidige Ahle wird dabei durch Führungsleisten zentriert welche neben der Schneide angebracht sind und somit die Aufgaben der Führung und Zerspanung auf unterschiedliche Elemente aufgeteilt sind. Die mehrschneidige Ausführung wird durch die bis zu 6 Nebenschneiden zentral in der Kernlochbohrung geführt. Zwecks Schwingungsreduzierung werden immer zwei Schneiden, auch Zähen genannt, gegenüberliegend angeordnet. Ein Drall besitzen dabei nicht alle Fabrikate und somit sind aufgrund des geringen Spanvolumens auch Reibahlen mit geradliniger Schneide üblich. Die Güte der Bohrung kann dabei IT7 und besser nach ISO-Toleranz-System betragen.
  • Profilreiben: Unterschiedlich zum allgemeinen Reiben ist beim Profilreiben die Form der Reibahle. Diese dient vor allem zur Verbesserung der Güte bei konischen Bohrungen, welche zur Passung eines Gegenwerkstückes eine gewisse Qualität benötigen.

Profilsenken

Das Profilsenken zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass nie ins Volle gebohrt wird. Der Senker verfügt indes über keine Mittelschneide, jedoch über 3 oder mehr Seitenschneiden. Nach DIN 8589-2 wird dabei noch zwischen Planansenken (Plan|an|sen|ken) und Planeinsenken (Plan|ein|sen|ken). Beim Planansenken wird eine ebene Fläche 90° zur Vorschubrichtung hergestellt. Oftmals kommen dafür sogenannte Wendelsenker mit drei Schneiden zum Einsatz. Im Gegensatz dazu werden beim Planeinsenken mit Spitzensenkern Senkungen im Winkel von 60, 90 oder 120° zur Vorschubbewegung hergestellt. Dies dient im Allgemeinen dem Entgraten, Anfasen oder Einlassen von zum Beispiel Senkkopfschrauben. Beim Senken arbeitet man mit sehr niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und Drehzahlen von unter 60 U/min. Zum Nachschärfen von Senkern bedarf es spezieller Vorrichtungen, da die Geometrie mit einer freihändigen Bearbeitung nicht erreicht werden kann. Für die Bearbeitung in automatisierten Maschinen bedarf es spezieller Formsenker, um zum Teil mehrere Arbeitsschritte in einer Hubbewegung durchführen zu können. So ist ein Beispiel hierfür das Herstellen einer Planansenkung für eine Zylinderkopfschraube mit gleichzeitigem Entgraten der Kanten.

Unrundbohren

Bohrwerkzeuge

Symmetrische Bohrwerkzeuge

Grundsätzlich besitzen geometrisch bestimmte Schneiden drei Winkel: den Frei-, Keil- und Spanwinkel. Dabei sind die neben der Geometrie auch die Anzahl der Schneiden bekannt. Folgende Bohrwerkzeuge sind marktüblich:

  • Spiralbohrer : Spiralbohrer sind der am häufigsten anzutreffende Bohrertyp. Ihre wendelartige Form führt das zerspante Material aus der Bohrung ab und besitzt somit eine optimale Bauform für Sack oder Durchgangsbohrungen. Ihre zwei symmetrischen Schneiden sorgen unter der rotierenden Bewegung für die Abspanung und sind damit auch für den Einsatz an einer Fräse geeignet, vorausgesetzt es soll lediglich in Z-Richtung gearbeitet werden. Die Schneiden unterteilen sich jeweils in Haupt-, Neben- und Querschneide. Alternativ können sie auch in den Reitstock einer Drehbank eingesetzt werden zum zentrierten Aufbohren des rotierenden Werkstückes. Es gibt Spiralbohrer speziell für Metall, Holz oder Stein. Der Markt bietet auch Universalbohrer an, allerdings sind diese nur bedingt sinnvoll und eher für den privaten Gebrauch gedacht. Mit ca. 25 besitzen Spiralbohrer den größten Anteil an den Bohrwerkzeugen. Für das Bohren in harte Stähle gibt es die Möglichkeit in den Bohrer feine Kanülen einzuarbeiten um die Bohrerspitze mit ausreichend Kühlflüssigkeit zu versorgen. Für Bohrungen mit verschiedenen, von außen nach innen abnehmenden Durchmessern wurden Spiralbohrer mit abgesetzten Stufen entwickelt. Dadurch kann eine Bohrung mit mehreren Durchmessern in einem Schritt hergestellt werden.
  • Stufenbohrer : Stufenbohrer sind vorgesehen zur Vergrößerung vorgefertigter Bohrungen und werden auch Schälbohrer genannt. Sie eignen sich aufgrund ihrer Bauart zum Aufbohren von Blechen, Kunststoffen oder Holz mit geringer Dicke. Sie sind konisch, stufenförmig aufgebaut und häufig zur Erhöhung der Standfestigkeit mit Titan beschichtet. In der Regel besitzen sie mehr als zwei Schneiden, um sich besser in der Bohrung zu zentrieren und die Spanabnahme zu erhöhen und so die Annäherung an die Rotationssymemtrie zu erhöhen. Vollkommen symmetrisch sind Bohrungen mit einem Stufenbohrer nie, weswegen sie nur für Bohrungen mit hoher Toleranz eingesetzt werden. Eine gut geeignete Einsatzmöglichkeit ist zum Beispiel das Aufbohren von Kunststoff-Verteilerdosen zum Einsetzen von Kabeltüllen mit verschiedenen Durchmessern.
  • Holzbohrer : Für Holz gibt es neben dem klassischen Spiralbohrer weitere weiterentwickelte Bohrerformen zur optimierten Bearbeitung. Ein weit verbreiteter Holzbohrer ist demnach der Forstnerbohrer für Sacklöcher mit großem Durchmesser und geringer Tiefe und der Schlangenbohrer für das Bohren tiefer Löcher. Ein klassischer Holzbohrer besitzt in der Mitte eine Zentrierspitze, optional mit Gewinde zum besseren Eindringen in das Holz, und einen halbrunden Anschliff der Schneide um zuerst die Fasern der äußeren Bohrkontur zu durchtrennen und ausreißen zu verhindern. Ein traditioneller Holzbohrer ist der Nagelbohrer, der vor allem zum Vorbohren für Nägel und Schrauben verwendet wurde.
  • Ausspindler : Der Begriff Ausspindler dient zur Einordnung mehrerer Werkzeugausführungen mit dem Zweck vorhandene Bohrungen aufzubohren. An dem zylindrischen Schaft sind am Ende und wahlweise abgestuft an anderen Stellen Wechselschneiden angebracht. Dadurch können verschiedene Bohrdurchmesser einer Bohrung in einem Arbeitsschritt realisiert werden. Ausspindelwerkzeuge können nicht in volles Material eindringen und benötigen eine passend dimensionierte Vorbohrung. Sie sollten beim Schneiden nur wenig Material abnehmen, damit der Schaft nicht stark belastet wird und genaue Toleranzen möglich sind. Einige Hersteller bieten Varianten an, bei denen die Schneiden zusätzlich rechtwinklig zur Vorschubrichtung einstellbar sind und somit der Bohrungsdurchmesser individuell anpassbar ist. Dadurch, dass die Schneide sich nicht selbst zentriert bieten diese Bohrer den Vorteil Lagefehler von Bohrungen zum Beispiel beim Gießen nachzubessern. Diese Bohrer kommen meist in CNC-gesteuerten Maschinen zum Einsatz und und können geschuldet durch ihre Geometrie Späne während des Bohrprozesses nicht abführen und bedürfen daher eines Bohrzyklus.
  • Wendeplattenbohrer : Bohrer mit Wendeplatten, die in Vorschubrichtung schneiden nennt man Wendeplattenbohrer. Sie sind im Grunde aufgebaut wie Ausspindler, unterscheiden sich aber anhand dessen, dass sie keiner Vorbohrung bedürfen und die Schneidplatten so angeordnet sind, dass sie über den gesamten Bohrdurchmesser schneiden. Für den Prozess des Tiefbohrens werden spezielle Wendeplattenbohrer eingesetzt, die zusätzlich über seitliche Führungen zentriert werden. Eine genauere Beschreibung erfolgt im Artikel Tiefbohren.
  • Gewindeschneider : Gewindeschneider lassen sich grundlegend in zwei Kategorien einteilen: Innen- und Außengewindeschneider. Beide werden entweder in ein passendes Wendeisen eingespannt zum manuellen Gewindebohren oder werden in ein Spannfutter einer Bohrmaschine eingesetzt. Das einspannen in ein Bohrfutter ist nur für Innengewindeschneider möglich, bei Außengewinden wird das Gewinde auf einer Drehbank mit entsprechenden Werkzeugen hergestellt. Industrielle Bohrmaschinen besitzen spezielle Einstellmöglichkeiten zum Gewindebohren. Dabei läuft die Maschine in einem Kriechgang mit geringer Drehzahl von 10 bis 40 U/min und kehrt am Ende des Schneidprozesses die Drehrichtung automatisch um. Der Vorschub wird dabei nicht von der Maschine vorgegeben, sondern von der Gewindesteigung. Die Umkehr der Drehrichtung am Ende sorgt dafür, dass sich der Gewindebohrer wieder selbstständig aus dem Gewinde rausarbeitet. Bei Innengewinden wird das Gewinde in drei Schritten gefertigt mit einem Vor-, Mittel- und Fertigschneider da relativ große Kräfte auftreten und die Bohrer ansonsten schnell brechen können. Die einzelnen Bohrer sind mit einem Ring für den Vorschneider, zwei Ringen für den Mittelschneider und drei oder keinem Ring für den Fertigschneider gekennzeichnet. Auch Eingewindeschneider sind auf dem Markt zu finden, allerdings sind diese für den Einsatz an einer Maschine vorgesehen und für den manuellen Gebrauch ungeeignet. Vor dem Gewindeschneiden ist es erfolderlich ein Kernloch zu bohren, das dem Innendurchmesser des späteren Gewinde entspricht. Bei Außengewinden ist der Außenradius des Werkstückes dem Außenradius des späteren Gewindes anzupassen.
  • Steinbohrer: Für das Bohren in Gestein und Beton werden Bohrer verwendet, die anstelle einer Schneide einen Meißel an der Spitze besitzen. Sie werden im Zusammenhang mit Borhämmern, auch Schlagbohrer genannt, eingesetzt die zusätzlich zur Rotationsbewegung in kurzen Intervallen translatorische Schlagbewegungen ausführen. Dadurch wird das Material des Bohrdurchmessers gemeißelt und durch die Drehbewegung ausbefördert. Der Schaft des Bohrers besitzt eine SDS-Aufnahme zur Aufnahme bzw. Abgabe der Schlagkräfte in Z-Richtung. Durch die Spitzen aus hochfesten Stahl können Steinbohrer trotz des stumpfen Meißels auch bedingt Stahl durchbohren, was bei dem Bohren von Stahlbeton notwendig ist.

Asymmetrische Bohrwerkzeuge

  • Einlippenbohrer : Welche Ausführung des Einlippenbohrers zum Einsatz kommt hängt von dem Durchmesser der Bohrung ab. Bei Bohrungen von 3 - 25 mm kommen Standard-Einlippenbohrer zum Einsatz mit einem nahezu zylindrischen Hartmetallkopf mit geschliffener Schneide und Führungsleisten. Der Schaft ist genau zylindrisch mit einem Einspannelement am Ende. Die Einzelteile werden durch Hartlöten zusammengefügt. Das macht es den Herstellern einfach die Werkzeuglänge den Kundenbedürfnissen anzupassen indem die Schaftlänge verändert und die passende Anzahl von Führungsleisten verwendet wird. Für verschiedene Anwendungen werden unterschiedlich geschliffene Umfangsformen zum Einsatz gebracht. Beispielsweise für hohe Oberflächengüte wird die C-Form benutzt und für Bohren auf schrägen Oberflächen die Umfangsform A. Für Bohrungen unter 3 mm aber auch bis 8 mm sind Vollhartmetall-Bohrer vorgesehen. Bei diesen Bohrern besteht auch der Schaft aus Hartmetall und lediglich das Einspannelement, welches ebenfalls angelötet wird, besteht aus einem weicherem Stahl. Für das Nachschleifen gibt es spezielle Schleifautomaten und Vorrichtungen zum Schleifen auf Schleifsteinen. Eine spezialisierte Unterart der Einlippenbohrer stellt der High-Speed-Einlippenbohrer dar. Mit einer speziell geschliffenen Umfangsform und einer beschichteten Schneide sind mit ihm bis zu 5 mal höhere Zerspanraten möglich als mit herkömmlichen Einlippenbohrern. Bohrer über 12 mm verfügen in den meisten Fällen über Wechselschneidplatten zum Austauschen der Schneide, da der Schaft zu wertvoll wäre um ihn komplett auszutauschen.
  • BTA-Werkzeuge : Werkzeuge nach dem Verfahren der Boring and Trepanning Association (BTA) bestehen aus einem zylindrischem Bohrrohr mit einem durch eine Schraubverbindung gesicherten Bohrkopf. Schneidplatten und Führungsleisten sind dabei meist welchselbar aufgrund des Wertes des Schaftes. Die Schneidspitze befindet sich wie bei Einlippenbohrern dabei außerhalb der Rotationsachse. Bei größeren Durchmessern werden mehrere Schneidplatten auf dem Bohrkopf verteilt. Für Vollbohrungen sind BTA-Bohrer von bis zu 500 mm auf dem Markt erhältlich. Aufgrund von Beschränkungen der Maschinenleistung können bei großen Durchmessern auch zuvor Kernlochbohrungen hergestellt werden. Für Hochpräzisionsrohre wie zum Beispiel für Hydraulikbauteile werden BTA-Werkzeuge eingesetzt die in einem Arbeitsgang Aufbohren, Schälen und Glattwalzen können. Dazu werden anstelle der Führungsleisten Glattwalzen verbaut die wie ein Rollenlager aufgebaut sind. Dabei beträgt der Spanabtrag der Schälschneiden lediglich 0,3 - 0,5 mm. Die Schneiden zum Aufbohren können dabei wesentlich größer ausgeprägt sein. Für die spezialisierte Herstellung von komplexen Innenkonturen können BTA-Werkzeuge mit einstellbaren Schälschneiden verwendet werden. Diese verändern CNC-gesteuert ihre Position und damit den Durchmesser der Bohrung. Dadurch kann einer Nachbearbeitung auf einer Drehbank vorgegriffen und vermieden werden. Diese spezielle Form nennt man Auskammerwerkzeug. Voraussetzungen für den Einsatz von Auskammerwerkzeugen sind allerdings ein Mindestquerschnitt und eine vorgebohrte Durchgangsbohrung in das Werkstück. Das Auskammerwerkzeug wird zunächst an die tiefste Position der Bohrung gefahren und beginnt dort rückläufig den Bohrprozess.
  • Ejektorbohrer : Im grundlegenden Aufbau ähneln Ejektorbohrer den BTA-Bohrer allerdings befindet sich an der Bohrköpfen zwischen Schneide und Führungsplatte ein Gewinde mit Kanülen zur Zufuhr von KSS aus dem Ringraum.


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