Tiefbohrmaschine

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Tiefbohrmaschinen sind eine besondere Bauart von Bohrmaschinen zum Herstellen von tiefen Bohrungen mit einem Verhältnis Länge zu Durchmesser größer 10. Häufig kommen dabei asymmetrische Bohrwerkzeuge zum Einsatz, welche speziell in den Bohrungen geführt werden müssen. Mit realisierbaren Längen von bis zu 45 Metern zählen Tiefbohrmaschinen zu der verhältnismäßig größten Ausführung der Bohrmaschine. Die erste Tiefbohrmaschine wurde von der Firma Loch Präzisions Bohrtechnik GmbH 1960 entwickelt von dem damaligen Juniorchef Horst Loch.


Aufbau

Tiefbohrbank

Der Aufbau dieser Tiefbohrmaschine ähnelt einer Drehmaschine. Auf dem steifen Maschinenbett befindlich liegen Werkzeug- und gegebenenfalls Werkstückspindel, Antriebe und meist eine oder mehrere Lünetten. Es gibt Tiefbohrmaschinen in senkrechter und waagerechter Ausführung, allerdings ist die senkrechte Ausführung durch die begrenzten Deckenhöhen in den meisten Wirtschaftsbetrieben eingeschränkt und daher nur bedingt einsetzbar.

  • Maschinenbett : Das Maschinenbett besteht aus dem Gestell beziehungsweise dem Maschinenfuß, einer Auffangeinrichtung für KSS (Kühl-Schmier-Stoff) und Späne, sowie einer oder mehrerer Führungen. Da die Werkzeuge beim Tiefbohren sehr schwingungsanregend sind und Biege,- Axial- und Torsionsschwingungen verursachen, muss das Maschinenbett steif und mit großer Masse ausgeführt werden. Die Führungen sind meist aus Guss, welche durch mehrere Bearbeitungsprozesse auf Präzision nachbearbeitet werden. An die Auffangeinrichtung für KSS und Späne werden besondere Anforderungen gestellt. Durch den hohen KSS-Bedarf beim Tiefbohren fällt eine große Menge wieder abzuführende Flüssigkeit an. Ebenfalls muss genügend Volumen vorhanden sein, um die zusätzlichen Späne mit aufnehmen zu können. Um die Führungen und andere wichtige Bauteile vor Spänen zu schützen können diese mit Abdeckungen versehen werden.
  • Werkzeugspindel : Die Werkzeugspindel ist meist fest zusammen mit dem Hauptantrieb, sowie dem übersetzenden Getriebe verbaut. Diese Baugruppe wird auf einem Schlitten fixiert welcher von einem Nebenantrieb über ein Vorschubgetriebe bewegt wird und den Freiheitsgrad der Vorschubbewegung auf 1 reduziert. Die Werkzeugaufnahme erfolgt über Spannbacken, Bohrfutter oder passgenaue Hülsen. Üblich sind Tiefbohrmaschinen mit einer bis zu sechs Spindeln. Dadurch können bis zu 6 Werkstücke gleichzeitig bearbeitet werden.
  • Werkstückspindel : Da das Tiefbohren mit Tiefbohrbänken fast ausschließlich zur Herstellung von zentrierten Bohrungen in symmetrischen Werkstücken erfolgt besitzen die Maschinen dementsprechend eine dafür vorgesehene zweite Spindel. Diese zentriert das Werkstück geradlinig zur Bohrspindel. Zur Realisierung der zur Werkzeugdrehung gegensinnigen Rotation des Werkstückes während des Bohrprozesses verfügen dafür ausgelegte Modelle über einen zweiten Hauptantrieb und ein zwischengeschaltetes Getriebe.
  • Lünette : Als Lünette bezeichnet man eine zentrierte Führung. Diese müssen je nach Länge des Werkstückes und der Bohrung beziehungsweises der damit verbundenen Werkzeuglänge in passender Anzahl eingesetzt werden. Sie verhindern zum einen ein Durchhängen des Materiales und zum anderen ein Ausweichen nach Außen durch hohe Fliehkräfte während der Rotationsbewegung. Sie werden auf der Führung des Gestelles geführt und bewegen sich beim Betätigen des Vorschubes ziehharmonikaartig mit, um zwischen den Lünetten und den Endlagern einen gleichmäßigen Abstand zu realisieren. Wenn das Werkstück drehbar sein soll, müssen die Werkstücklünetten ebenfalls drehbar gelagert sein. Ansonsten werden nicht drehbare Lünetten aus Kostengründen verwendet.
  • Bohrfutter : Das Bohrfutter stellt für Werkzeug und Werkstück das Endlager dar und beide werden dabei exakt zueinander zentriert und ausgerichtet. Eine weitere wichtige Aufgabe des Bohrfutters besteht in der Beherbergung der Bohrbuchse, welche zum Führen des Bohrers, vor allem während des Anbohrens, wichtig ist. Das Bohrfutter ist ebenfalls auf einem Schlitten verbaut, um sich an wechselnde Werkstücklängen anzupassen. Möglich ist hier eine Abdichtung der Welle des Werkzeugen durch Dichtringe an der Bohrbuchse. Dadurch kann das Späne-KSS-Gemisch gezielt aufgefangen werden und ein Auffangen auf gesamter Länge wird nur noch für Leckagen nötig und am anderen Ende des Werkstückes bei Durchgangsbohrungen.
  • KSS-Anlage : An die Kühlmittelschmierstoff-Anlage einer Tiefbohrmaschine werden verglichen mit anderen Bohrmaschinentypen besondere Herausforderungen gestellt. Der grundlegende Aufbau einer solchen Anlage setzt sich aus den Bauteilen Spanvorabscheider, Schmutztank, Filter, Filterpumpe, Reintank, Hochdruckpumpe und eventuell noch Ventilen zusammen. Der Spanvorabscheider besteht aus einem grobmaschigen Sieb um große Späne rauszufiltern und trotz großer Mengen. Anschließend wird das verunreinigte Gemisch in einen Schmutztank weitergeleitet. Hier kann sich das Öl beruhigen (Luftblasen absetzten) und ein Teil der Verunreinigungen kann sich durch höhere Dichte am Boden des Tankes absetzten. Eine Pumpe, meist eine Zahnradpumpe, saugt das Gemisch aus dem Schmutztank und pumpt es durch eine Druckfilterpatrone mit Mindestfilterfeinheit von 30 µm in den Reintank. Der Ansaugstutzen befindet sich dabei einige cm über dem Tankboden um die abgesetzte Partikel nicht mit aufzunehmen. Im Reintank kann sich das Öl nochmals beruhigen, was wichtig für die Lebensdauer der Hochdruckpumpe ist, welche besonders gefährdet durch Kavitation ist. Die Hochdruckpumpe, bei der es sich oft um eine Radialkolbenpumpe handelt, wird über ein Load-Sensing-System (lastfühlend) gesteuert zur Einstellung des geeigneten Druckes.

Tiefbohrmaschine für kubische Werkstücke

Tiefbohrmaschinen zur Herstellung von Bohrungen in kubische oder andersförmige Werkstücke unterscheiden sich in einigen Punkten von einer Tiefbohrbank. Besonders bei der Werkstückaufnahme/-führung und der Bearbeitungseinheit liegen Unterschiedlichkeiten vor.

  • Werkstückaufnahme : Die Werkstückaufnahme erfolgt über einen Tisch mit T oder V-Nuten, ähnlich wie bei anderen Bohrmaschinentypen oder Fräsmaschinen. Für die Großserienfertigung werden auch spezielle Aufnahmen für die entsprechenden Werkstücke zur Fixierung verwendet. Der Werkstücktisch ist drehbar gelagert und kann über eine CNC-Steuerung gedreht werden um jede Seite des Werkstückes zu erreichen.
  • Bearbeitungseinheit : Die Bearbeitungseinheit mit Hauptspindel, Antrieb und Bohrfutter beziehungsweise Lünetten befindet sich auf einer beweglichen Führung. Diese kann sowohl in senkrechte Richtung bewegt werden zum Erreichen verschiedener Positionen auf dem Werkstück, als auch geneigt werden für Bohrungen, die nicht senkrecht sondern winklig hergestellt werden sollen. Aus diesem Zusammenspiel aus Aufnahme und Bearbeitungseinheit kann nahezu jede Stelle des Werkstückes erreicht werden.

Einsatzgebiete

Das Tiefbohren findet in vielen Disziplinen des Maschinenbaus Anwendung vor allem in der Motoren-, Antriebs-, Luft- und Raumfahrttechnik. Die hohen Qualitätsanforderungen an Bohrungen in Einspritzteilen, Pumpenkörpern, Kurbelwellen, Pleuels, Laufbuchsen oder Ventilen sind ausschließlich mit dem Tiefbohren zu erreichen. Aus diesem Grund sind Tiefbohrmaschinen für die immer weiter steigenden Anforderungen an Präzision unverzichtbar. Oftmals werden sie als Kombination aus Tiefbohrmaschine und Fräse angeboten als so genannte Fräs-Bohr-Zentren. Diese sind auch zur Herstellung anderer Bohrarbeiten wie Senken, Gewindebohren oder Reiben fähig und bieten große Möglichkeiten der Prozessbearbeitung. Im Folgenden sind einige Anwendungsbeispiele näher erläutert:

  • Injektoren : Durch neue Abgasnormen, Hang zur Optimierung und daraus resultierende Anforderungen an die Genauigkeit müssen die Injektoren für die Kraftstoffeinspritzung in Motoren hochpräzise gefertigt werden. Mit Einspritzdrücken von bis zu 1400 bar wirken enorme Kräfte auf die Dichtflächen der Düsen, in den meisten Fällen Piezo-Injektoren. Da sich bei diesen Drücken Kraftstoff schon bei mittlerer Oberflächengüte durchdrücken könnte ist eine hohe Güte gefragt.
  • Getriebewellen : Moderne Getriebewellen werden zur Gewichtsreduzierung Hohlgebohrt. Die Schwierigkeit hierbei besteht darin eine konstante Wandstärke der Hohlwelle beizubehalten, da kleine Abweichungen schon eine ungewollte Sollbruchstelle erzeugen können. Die Innenbohrungen werden zusätzlich mit radialen Bohrungen versehen, um Getriebeöl an die dementsprechenden Stellen an der Verzahnung der Zahnräder zu befördern.
  • Pleuel : Zur Übertragung der translatorischen Bewegung in eine Rotation benötigt jeder Verbrennungsmotor Pleuel. Hochleistungsmotoren, vor allem Benziner, erreichen sehr hohe Drehzahlen von über 20.000 Umdrehungen pro Minute. Da bei dieser Rotationsgeschwindigkeit bereits nach wenigen Sekunden die Lagerschalen des Pleuel verschlissen wäre ist eine Nassreibung durch ausreichend Öl wichtig. Um dieses bis an die Verbindungswelle von Kolben und Pleuel zu befördern wird in das Pleuel eine Bohrung von ca. 1 mm gefertigt. Dadurch kann der Ölstand der Ölwanne reduziert werden bis auf knapp über der Hälfte der Kurbelwellenmitte da durch die Kapillarbohrungen alle Schmierstellen mit Öl versorgt werden können.


Kühlmittel

Dem Kühlschmierstoff (KSS) kommen beim Tiefbohren besondere Aufgaben zugute. Neben der sonstigen Kühlfunktion der Werkzeuge und Werkstücke durch Flüssigkühlung und das Reduzieren der Reibung muss das KSS beim Tiefbohren zusätzlich das Bohrgut aus der Bohrung abführen. Ebenfalls muss für einen konstanten Film zwischen Führungsleisten und Werkstück gesorgt werden zum Sicherstellen einer Nassreibung. Eine Trocken- oder Mischreibung würde die Führungsleisten zu schnell verschließen und die Genauigkeit beeinträchtigen. Dazu sind hohe Volumenströme und Drücke notwendig. Dabei entstehen besondere Anforderungen an das KSS, welche den Einsatz eines speziellen Gemisches notwendig machen. Nach DIN 51385 werden KSS in nichtwassermischbar, wassermischbar und wassergemischt unterteilt. Nichtwassermischbare Gemische sind zumeist mineralische Öle und neuerdings auch esterbasierte synthetische Öle. Wassermischbare KSS werden mit Wasser zu einem Emulgator gemischt, wohingegen wassergemischte KSS bereits mit Wasser gemischt und einsatzfertig sind. Für den Prozess des Tiefbohrens besitzen die nichtwassermischbaren KSS aus Öl eine übergeordnete Rolle ein. Durch die Zugabe von Additiven können relativ leicht verbesserte Eigenschaften erzielt werden. Da Werkstücke mit Tiefbohrungen oft in Serien hergestellt werden wirken sich bereits kleine Einsparpotentiale stark auf die Wirtschaftlichkeit aus. Aufgrund dessen stellt der Markt spezielle Tiefbohröle bereit. Aufgrund der verbesserten Eigenschaften setzten sich dabei die Esteröle immer weiter durch. Sie besitzen eine geringere Verdampfungsneigung, bessere Schmiereigenschaften und Hautverträglichkeit, sowie eine verbesserte biologische Abbaubarkeit. Als Additive werden ihnen meist Phosphor- und Schwefelverbindungen beigesetzt. Die Viskosität der Tiefbohröle liegt meist bei 15-20 cSt. Je nach Bohrdurchmesser werden die Drücke und der Volumenstrom des Öles dem Bohrprozess angepasst. Mit steigendem Bohrdurchmesser sinkt dabei der Druck und steigt der Volumenstrom. Beispielsweise bei 4 mm Durchmesser liegt der Druck bei 80 bis 100 bar und der Volumenstrom bei ca. 5 l/min wohingegen bei 30 mm Durchmesser der Druck nur noch bei 10 bis 30 bar liegt und der Volumenstrom bei 40 bis 90 l/min. Besonders hohe Drücke treten bei Durchmessern von unter 1 mm auf, welche bis zu 200 bar betragen können. Diese hohen Drücke machen ein Abfangen des KSS beim Austreten aus der Bohrung erforderlich, da das KSS-Bohrgutgemisch ansonsten ein Verletzungsrisiko darstellt.


Werkzeuge

Beim Tiefbohren kommen spezielle Werkzeuge zum Einsatz, welche sich in drei Kategorien einteilen lassen: Einlippen-, BTA- und Ejektorbohrer. Alle drei Typen verfügen über eine asymmetrische Schneide mit einer außerhalb der Rotationsachse liegenden Schneidspitze. An den Seiten des Bohrerschaftes verfügen die Werkzeuge über Führungs- und Stützleisten. In der VDI 3208 werden die Anforderungen und Ausprägungen der einzelnen Bohrertypen ausführlich beschrieben.

  • 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.
  • Wendeltiefbohrer : Anders als die herkömmlichen Tiefbohrwerkzeuge verfügt der Wendel- bzw. Spiralbohrer über eine zentrierte und symmetrische Schneide. Für das Bohren mit diesem Werkzeug ist eine Pilotbohrung notwendig zum Führen des Bohrers. Die KSS-Zufuhr wird über zwei Kanülen im Inneren des Bohrers gewährleistet. Über Führungsleisten verfügen diese Werkzeuge nicht, allerdings befindet sich an der Außenkante eine Seitenschneide. Sie zählen nicht zu den klassischen Tiefbohrwerkzeugen und sind nur für Bohrungen mit geringeren Anforderungen verwendbar und beispielsweise für eine Durchgangsbohrung für eine Schraube gut geeignet. Die Einteilung zu den Tiefbohrern erfolgt bei dieser Ausführung nur über das eingehaltene Verhältnis von Länge:Durchmesser <10.


Ablauf des Bohrprozesses

Der Ablauf beim Herstellen von Tiefbohren unterscheidet sich von dem anderer Bohrprozesse. Vorschub und Schnittgeschwindigkeit sind hier von besonderer Bedeutung. Beide werden in einem so genannten Bohrzyklus angelegt aus Bohren und Unterbrechung. Diese zyklische Abfolge dient dem Spanbruch, das heißt dem Unterbrechen des Spans. Dadurch enstehen viele kleine Späne, die durch den hohen KSS-Einsatz ausgespült werden können. Bei langen Spänen würden sich diese um das Bohrwerkzeug wickeln und verknoten. Dadurch würde der Bohrkanal verstopfen und ein weiterbohren verhindern. Die Schnittgeschwindigkeit liegt bei den meisten Werkstoffen bei 50 - 90 m/min, ausgenommen hochtemperierte Legierungen auf Ni-Co-Fe-Basis mit 30 - 50 m/min.

Aufgrund der asymmetrischen Schneide der Bohrer und der Länge der Werkzeuge müssen die Werkzeuge beim Anbohren in der Bohrbuchse geführt werden. Diese gewährt ein punktgenaues Anbohren auch bei unebenen oder winkligen Oberflächen anders als bei anderen Bohrertypen wie dem klassischen Spiralbohrer. Während des Bohrprozesses wird das Werkzeug über die Führungsleisten geführt. Zwischen Führungsleiste und Werkstück herrscht lediglich eine geringe Nassreibung aufgrund des hohen Einsatzes von Bohrölen. Die hohe Hauptschnittkraft verursacht durch die asymmetrische Schneide des Bohrers wird über die Führungsleisten an die Außenwand der Bohrung übertragen, trotz Schmierfilm im µm-Bereich. Durch diese minimale plastische Verformung kommt die typisch glatte und kaltverfestigte Oberfläche von Bohrungen mit Tiefbohrmaschinen und -werkzeugen zu Stande. Durch die permanente Zentrierung der Bohrerspitze durch die Führungsleisten ensteht eine hohe Geradheit wie sie nur schwer zu erreichen ist.

Automatisierung

Die Automatisierung von horizontalen Tiefbohrmaschinen zur Bearbeitung von drehrunden Bauteilen erfolgt meist nur auf der Werkstückseite. Eine Möglichkeit hierfür ist das Verwenden von Kettentaktbändern. Entsprechend der Lage der Bänder ergibt sich vor und hinter der Maschine ein Puffer. Bei zylindrischen Werkstücken können auch Magazine mit einem Fassungsvermögen von bis zu 100 Stück zum Einsatz. Durch diese Automatisierung lässt sich der Prozess nahezu mannlos durchführen. Die Werkstücke werden in der Maschine über Aushebeprismen oder eine Übergabestation angehoben und in der Achse zwischen Reitstock und Bohrbuchsenträger fixiert. Die Einspannung des Werkstückes kann vorgenommen werden durch die Pinole im Reitstock oder einen Spannkonus. In kombinierten Anlagen zum Beispiel in Kombination mit einer externen Drehmaschine können die Tiefbohrmaschinen über Portalkräne mit den Werkstücken beschickt werden. Dazu ist eine Tür, meist automatisch gesteuert, auf der Oberseite der Maschine notwendig. Der Vorteil dieser Ausführung ist der verringerte Platzbedarf. Ein Nachteil im Vergleich zu Kettentaktbändern ist die verlängerte Standzeit zum Be- und Entladen der Maschine durch das Ein- und Ausfahren des Portals in die Maschine. Weiterhin kann auch der Werkzeugwechsel automatisiert werden. Vor allem für kleine Losgrößen ist eine Ablösung des aufwändigen manuellen Wechsel durch eine automatische Wechseleinrichtung sinnvoll oder zum Realisieren von verschiedenen Bohrdurchmessern in einer Bohrung. Für die Großserienfertigung ist der Einsatz von Werkzeugwechseleinrichtungen unwirtschaftlich und wird manuell gefertigt.


Nachweise und Literatur

  • Autoren: Wolfgang Klein und Hermann Klein: Tiefbohren – Effiziente Herstellung von tiefen Bohrungen und Präzisionsbohrungen, Süddeutscher Verlag anpact GmbH 2016, ISBN: 978-3-86236-095
  • Andreas Hirsch: Werkzeugmaschinen - Grundlagen, Auslegung, Ausführungsbeispiele, Springer-Verlag, Chemnitz 2010, ISBN 978-3-8348-0823-3
  • Jochen Dietrich: Praxis der Zerspantechnik - Verfahren, Werkzeuge, Berechnung; 12., überarbeitete Auflage; ISBN 978-3-658-14052-6

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