014-Tiefbohren

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Es ist einmal wieder Zeit für ein bisschen Fertigungstechnik.

Die Verfahren des Drehens haben wir in den vergangenen Folgen bereits kennengelernt. Heute werden wir uns mit einer besonderen Art des Bohrens beschäftigen, nämlich dem Tiefbohren.

Bohren allgemein kennen wir als ein spanendes Fertigungsverfahren, mit dem überwiegend innen liegende, meist rotationssymmetrische Innenflächen erzeugt werden.

In der DIN8589-2 finden wir allgemein die Verfahren des Bohrens, Senkens und Reibens wieder. Dort finden wir die zuvor getroffene Aussage im Wortlaut etwas komplizierter beschrieben:
„Bohren ist Spanen mit geschlossener kreisförmiger Schnittbewegung, bei dem die Drehachse des Werkzeugs und die Achse der zu erzeugenden Innenflächen identisch sind und die Vorschubbewegung in Richtung dieser Achse verläuft.

Klingt zunächst etwas trocken. Aber zwischen den Zeilen erfahren wir über das Bohren noch etwas Weiteres:

Wir haben zwei wesentliche Bewegungen:

  • eine Hauptbewegung, also Schnittbewegung ist die Rotation des Werkzeugs
  • eine Nebenbewegung, also Vorschubbewegung ist die Translation des Werkzeugs

Hinweis an die Praktiker und Experten: ja, es gibt Fälle, in denen wir beides, Werkzeug und Werkstück, rotieren lassen und dies entweder im Gleichlauf oder Gegenlauf tun, oder auch nur das Werkstück, z.B. auf Drehzentren, wo das Bohrwerkzeug dann stillsteht. Genauso gut kennen wir als speziellere Anwendungen das Unrundbohren als besondere Art des Formbohrens. So tief wollen wir hier aber heute nicht in das Thema einsteigen.

Was wir aber wollen: wir wollen heute beim Bohren tiefer Bohrungen etwas tiefer bohren…

Hä, was heißt das also: wir wollen uns damit beschäftigen, wie wir besonders tiefe, lange, teilweise im Durchmesser sehr kleine Bohrungen herstellen können. Dazu gibt es beim Bohren ins Volle, aber auch beim Aufbohren die besondere Verfahrensvariante des Tiefbohrens.

Aber wo finden wir solche Anwendungsfälle und wozu ist diese Art des Verfahrens relevant? Und, gibt es nur eine Variante des Tiefbohrens oder können wir unterschiedliche Varianten unterscheiden?

Und wo findet dies in unserer Praxis der Konstruktion und Herstellung von fertigungstechnisch hergestellten Bauteilen Anwendung?

In der Tat ist die Verbreitung dieser Fertigungsverfahren des Tiefbohrens in der historischen Entwicklung auf eher unrühmlichere Zeiten unserer Menschheit zurückzuführen. Welche Erzeugnisse erfordern besonders lange, im Verhältnis dazu kleinere Bohrungen mit oft glatten Oberflächen?

Ja, in der Tat eher militärische Erzeugnisse führten zur Entwicklung und Weiterentwicklung der Tiefbohrverfahren.

Heutzutage finden sich aber viele andere Anwendungen, die uns im täglichen Leben und der Weiterentwicklung sowie Herstellung unserer Erzeugnisse helfen: im Bereich hydraulischer Erzeugnisse, in der Automobilindustrie, z.B. der Fahrwerkstechnik, im Getriebebau und in der Einspritztechnik von Verbrennungsmotoren. In der Medizintechnik für die Bearbeitung von Edelstahl, Titan, zum Beispiel für Knochenschrauben und Prothesen sowie Kunststoffen. Weitere Anwendungen kennen wir in der Kraftwerkstechnik und der Luftfahrtindustrie. Dort beispielsweise für Landegestelle, für Rumpfteile in Reinmaterial oder Verbundmaterialien aus Carbon, Titan, Aluminium. Die Verfahren beschränken sich dann somit nicht nur auf eisenbasierte Werkstoffe wie Stähle und Gusseisen. Wie wir gesehen haben auch auf Leichtmetalle und die Gruppe höherfester Werkstoffe, z.B. der Nickel-Basis-Legierungen wie Inconel. Kupfer, gemeinhin auch nicht immer vorteilhaft zu zerspanen, zählen wir auch noch zu den mit Tiefbohren bearbeitbaren Werkstoffen. Die Tiefbohrverfahren werden sowohl in der Einzelfertigung als auch in der Serien- oder Massenfertigung verwendet.

In einer ersten Überlegung merken wir schon, wo dabei allgemein die Herausforderungen liegen können:

Es werden beim Bohren innenliegende Flächen erzeugt. Dies bedeutet ja in erster Linie, dass das abgetrennte Material, also die Späne, aus der Bohrung heraus nach außen an die Bauteiloberfläche transportiert werden müssen. Und das möglichst störungsfrei. Als Randbedingen haben wir in erster Linie dann aber noch zu berücksichtigen, welches Material wir dabei bearbeiten und welches Materialvolumen wir in welcher Zeit nun bearbeiten wollen. Also das Herstellen einer geforderten Gestalt mit genauen Abmessungen mit der erforderlichen Oberflächengüte in einer möglichst kurzen Zeit.

Und da sind sie wieder, unsere drei wichtigen, klassischen Zielkriterien einer Fertigung: Qualität, Zeit und Kosten.

Was kann uns jetzt beim Bohren tiefer und genauer Bohrungen jetzt entgegenstehen?

Unser Bohrwerkzeug kann unter diesen Umständen verlaufen und die Bohrung dadurch eine schräge oder krumme Form bekommen. Späne, die nicht kontinuierlich und störungsfrei abtransportiert werden, verschlechtern die Oberflächengüte, können sich gar in der Bohrung stauen und zum Bruch des Werkzeugs führen.

Hm, den Zielkriterien Qualität, Kosten und Zeit wird dies wohl nicht entgegenkommen, oder?

Klassisch kennen wir Bohrwerkzeuge für das Bohren ins Volle oder das Aufbohren als spiralisierte, meist zweischneidige Werkzeuge. Aber diese kommen im Hinblick auf die beschriebenen möglichen Qualitätsanforderungen und möglichen Qualitätseinbußen in Maß, Form, Lage und Oberfläche irgendwann an ihre Grenzen.

Allgemein hängen diese Grenzen an charakteristischen geometrischen Größen unserer Bohrungen.

Nämlich: an Länge und Durchmesser bzw. insbesondere charakteristisch am Verhältnis aus Länge und Durchmesser, dem L/D-Verhältnis.

Spielen wir das gedanklich einmal kurz durch, bei einer Bohrungslänge von 100 mm ergeben sich dann folgende L/D-Verhältnisse:

  • für einen Bohrungsdurchmesser von 1,5 mm ist L/D =66,6, also gerundet 67
  • bei 3 mm ist dementsprechend L/D = 33,3, also gerundet 33
  • bei 16 mm beträgt L/D nur noch 6,3

Das Bohren mit spiralisierten Bohrwerkzeugen kann man heute wirtschaftlich in Bereichen L/D = 5 bis L/D = 10 meist gut beherrscht einsetzen. Werkzeughersteller haben die Qualität und Produktivität der Bohrverfahren mit ihren spiralisierten Bohrwerkzeugen heutzutage mittlerweile optimiert und können Lösungen anbieten für L/D-Verhältnisse bis zu 30. Wohlgemerkt: in einem Durchmesserbereich von ca. 3 bis ca. 16 mm.

Wir sehen also, dass das L/D-Verhältnis und der Durchmesser der Bohrung immer zusammen betrachtet werden müssen für eine angemessene Einschätzung des Schwierigkeitsgrads der Bohrbearbeitung.

Aber was ist jetzt, wenn wir diese Grenzen: L/D = 30 überschreiten und D < 3 mm noch unterschreiten wollen? Oder, wenn wir besondere Bohrungsqualitäten erzeugen wollen?

Dazu haben sich drei wesentliche Verfahren des Tiefbohrens herausgebildet, die eine breite Anwendung in der Bearbeitung tiefer, hochpräziser Bohrungen finden:

1. das Einlippen-Tiefbohren

2. das sogenannte BTA-Tiefbohren

3. das Ejektor-Tiefbohren

Kleine Bemerkung am Rand: während sich in der Praxis der Begriff des Tieflochbohrens und des Tieflochbohrers als Werkzeug dafür oft weit verbreitet findet, wird bei den Experten in Technologie und Produktionswissenschaft bisweilen immer nur vom Tiefbohren als Verfahren und den zugehörigen Tiefbohrwerkzeugen gesprochen. Das Lochbohren wäre einfach nur doppelt gemoppelt.

Allen drei Verfahren ist eines gemein: die Art der Herangehensweise, um einen genauen Lauf des Bohrwerkzeugs entlang der Symmetrieachse zu ermöglichen. Geschieht dies nicht innerhalb der geforderten Toleranz spricht der Praktiker davon, dass der Bohrer verläuft. Außerdem sollen die Späne möglichst störungsfrei aus der Bohrung heraustransportiert werden.

Beim Bohren mit spiralisierten Bohrwerkzeugen gelingt uns das bei tiefen Bohrungen dann im Allgemeinen nur dadurch, dass wir zwischenzeitlich den Vorschub unterbrechen, den Spanbruch dadurch fördern und dem Werkzeug die Möglichkeit geben, die Späne ohne Spänestau aus der Bohrung zu befördern. Das kostet Zeit und die Schnittunterbrechungen mit einer Vorschubgeschwindigkeit gleich null können zu Riefenbildung und zu ungleichmäßigen, gar beschädigten Bohrungsoberflächen führen.

Beim Tiefbohren gelingt uns das viel besser, wenn wir drei wichtige Grundvoraussetzungen erfüllen:

  • wir führen das Werkzeug über eine Führungsbuchse, auch Anbohrbuchse genannt, mit der wir üblicherweise unsere für das Verfahren spezialisierte Werkzeugmaschine ausstatten. Falls nicht, z.B. auf konventionellen Bearbeitungszentren, führen wir das Werkzeug über eine im Durchmesser abgestimmte Pilotbohrung.

Hier wird es jetzt interessant: manche Werkzeughersteller oder Anwender legen diesen meist im Bereich von wenigen 1/100 mm größer aus als unser verwendetes Tiefbohrwerkzeug.

Was kann bei hochbelasteten Bohrungen aber, z.B. bei Hochdruckbohrungen passieren?

Genau, Absätze entstehen im Übergang und die Druckfestigkeit kann durch Kerbwirkung gefährdet sein.

Deswegen bohrt man bei solchen Anwendungsfällen durchaus auch mit gleicher oder sogar wenigen 1/100 mm kleinerer Pilotbohrung.

Fazit: wir müssen uns den Anwendungsfall genau anschauen!

  • wir verwenden Kühlschmierstoff, wie der Begriff schon aussagt zum Kühlen und Schmieren, der aber auch den Spänetransport durch das Werkzeug aus der Bohrung unterstützt. Vor allem werden dazu Öle, für das Tiefbohren in Viskosität und chemischer Zusammensetzung speziell ausgelegte Tiefbohröle, aber auch Kühlschmierstoffemulsion eingesetzt.

Bohren mit Emulsion ist trotzdem gar nicht so selten.

Vorteile sind: auf den Werkzeugmaschinen benötigen wir keine besonderen Maßnahmen für Brand- und Explosionsschutz.

Nachteile: die Oberflächengüte ist in der Regel schlechter als mit Öl und bei Stählen mit hohen Chrom-Gehalten größer 13% verschleißen Werkzeuge stärker durch das sogenannte Cobalt-Leaching, also eine tribochemische Reaktion, die dem Schneidstoff Anteile von Cobalt entzieht

  • jetzt müssen wir abschließend noch eines schaffen, nämlich den Kühlschmierstoff mit entsprechendem Druck und in ausreichender Menge bereitstellen, wofür wir eine geeignete Kühlschmierstoffpumpe mit ausreichender Pumpleistung, idealerweise eine mengengeregelte Pumpe mit Drucküberwachung, und einer dazugehörigen angepassten Filteranlage verwenden müssen, um unsere Werkzeugmaschine auszustatten. Gerade Letzteres ist wichtig, damit sauber aufbereiteter Kühlschmierstoff vorhanden ist und vorher eingetragene Restpartikel, insbesondere Späne und Spanpartikel uns nicht unsere Kühlkanäle in unseren Tiefbohrwerkzeugen verstopfen oder, was vielfach auftritt, ein Verschleiß an den sogenannte Führungsleisten. Zu denen kommen wir später noch einmal.

Im letzten Punkt zeigen die Erfahrungen der Praxis aber: es muss sicher erst genügend Druck und Kühlschmierstoffmenge vorhanden sein, aber zu viel hilft auch nicht immer. Das heißt, es gibt neben den Mindestanforderungen oft auch obere Grenzen, wo uns Kühlschmierstoffdruck und -menge in einen eher ungünstigen Prozesszustand führen können. Beispielweise, wenn zu hohe Drücke zu vermehrtem Verlauf unserer Tiefbohrwerkzeuge führen, weil die Druckkräfte des Tiefbohröls im Zusammenspiel mit den Zerspankräften in ein ungünstiges Verhältnis in Betrag und Richtung gelangen und somit das Bohrwerkzeug in der Vorschubbewegung ablenken.

Zurück zu unseren drei Verfahrensvarianten des Tiefbohrens. Wir erinnern uns kurz: wir kennen nun das Einlippentiefboren, das BTA- und das Ejektorverfahren. Wir wollen diese drei Verfahren nun einmal kurz genauer betrachten.

Anwendung finden diese im Allgemeinen von 0,7 bis 400 mm Bohrungsdurchmesser in Bohrungstiefenbereichen von 1 mm – 15.000 mm, wohlgemerkt, das sind am Ende 15 m!

Aber Achtung: nicht beliebig kombiniert, sondern unter Berücksichtigung realistischer und vor allem wirtschaftlich erreichbarer L/D-Verhältnisse, wie zuvor gesagt bis zu L/D-Verhältnissen von bis zu 200 oder in Einzelfällen gar etwas mehr, daher ohne Gewähr. Der einzelne Anwendungsfall steckt immer die technologischen und wirtschaftlichen Randbedingungen ab.

Das Einlippentiefbohren wendet man in Durchmesserbereichen von 0,5-0,7 mm bis 30 mm, max. bis zu 60 mm an. Das ist typisch für Vollhartmetallwerkzeuge. Wendeschneidplattenwerkzeuge haben durchaus auch einen Durchmesserbereich von 12-100 mm. Charakteristisch für das Werkzeugsystem ist, dass die Kühlmittelzufuhr innen durch das Werkzeug in einer meist nierenformigen Kühlbohrung erfolgt und die Späne dann außen durch die Spannut, die sogenannte Sicke, wieder abgeführt werden. Bei den Werkzeugen unterscheidet man vor allem ein- und zweischneidige Werkzeuge für das Vollbohren und Aufbohren. Die Art der Anschliffform bestimmt wesentlich das Ergebnis des Bohrvorgangs. Dabei haben sich drei wesentliche Anschliffformen etabliert, die Standardeinsatzfälle, aber auch Sonderanwendungen abdecken. Die Anschliffformen werden dabei anhand der Lage der Schneidenspitze im Verhältnis zum Durchmesser des Werkzeugs in D/4, D/3 und D/5 unterschieden. Für die Führung des Werkzeugs und die Glättung der Oberfläche spielen neben der Auslegung des Schneidenanschliffs die Anordnung sogenannter Stützleisten am Umfang des Werkzeugs eine wesentliche Rolle. Dies bestimmt die sogenannte Umfangsform des Tiefbohrwerkzeugs. Man unterscheidet je nach Einsatzfall die Umfangsformen G, C, D und A. Die Umfangsform G ist als Universalausführung geeignet für alle Werkstoffe und Bearbeitungsaufgaben. Die Umfangsform C verwendet man bei schwer zerspanbaren Werkstoffen wie z.B. hochlegierte Stählen und bei schlechter Kühlschmierstoffzufuhr, z.B. auch mit Emulsion. Die Umfangsform D findet Anwendung in der Gussbearbeitung. Als Sonderausführung für ungünstige Anbohrverhältnisse, z.B. schräge Bohrungen und bei Schnittunterbrechungen - und der Leichtmetallbearbeitung, vor allem bei weichen Aluminiumwerkstoffen, wird die Umfangsform A verwendet. Darüber existieren noch weitere Umfangsformen für spezielle Anwendungsfälle, worauf wir hier weiter nicht eingehen werden.

Moderne Weiterentwicklungen bei Einlippenbohren beschäftigen sich darüber hinaus mit der Auswahl geeigneter Werkzeugbeschichtungen und bestimmten Verfahren der Präparation der Schneidkante. Hiermit lassen sich weitere Leistungssteigerungen in Bezug auf Qualität, Standzeit und Schnittparameter, vor allem dem Vorschub, der Werkzeuge beim Tiefbohren erreichen.

Das BTA-Verfahren verwendet man in Durchmesserbereichen von ca. 12 – 400 mm.

Hier wird mit einem Rohrsystem in Verbindung mit einem aufgesetzten Bohrapparat, der an der Werkstückoberfläche oberhalb der Bohrung das System abdichtet, Kühlschmierstoff unter Druck von außen entlang der bereits entstandenen Bohrungswand bis zur Zerspanstelle geführt. Von dort aus werden die anfallenden Späne durch das Innere des Bohrwerkzeugs abgeführt. Es handelt sich dabei im Prinzip um ein Einrohrsystem.

Für Durchmesser von 20 mm bis ca. 120 mm kann das dahingehend als Zweirohrsystem verstandene Ejektortiefbohrwerkzeug beim Ejektortiefbohren über den Zwischenraum aus einem Außen- und Innenrohr den Kühlschmierstoff zur Zerspanstelle zuführen und die entstehenden Späne über das Innenrohr wieder abführen. Geeignet ist das vor allem für kurzspanende Werkstoffe.

Jetzt konnten wir so einiges über die Verfahren des Tiefbohrens in alle Kürze erfahren. Abschließend sei noch gesagt, wer tiefer dazu in das Thema einsteigen möchte, dem seien ein paar weitere, hilfreiche Quellen genannt. Da gibt es noch viel zu erfahren über die Anschliffformen der Werkzeuge, geeignete Schnittparameter, erreichbare Bohrungsabmessungen, Bohrungsmittenverläufe und Oberflächenqualitäten und viele weitere Aspekte des Tiefbohrens.

Auf der Internetseite www.tiefbohren.info finden sich dazu zahlreiche, praxisnahe Erklärungen und Hinweise.

Einen weiteren guten Überblick liefern die VDI-Richtlinien zum Tiefbohren mit den Ordnungsnummern VDI 3208-3212.

Last but not least, für die Freunde der Printliteratur noch ein empfehlenswertes Werk zum Einstieg und zur Vertiefung: Tiefbohren – Praxis, von Ernst Topf, das im Toweko-Verlag, Oberboihingen verlegt wurde. Ein Werk, was mich auch immer wieder sehr inspiriert, wenn ich mich mit dem Tiefbohren beschäftige., worauf ich mich besonders in den Zahlenangaben dieser Folge gerne besonders bei den Verfahrensgrenzen und in der Darstellung der drei Verfahrensvarianten beziehe.

Dank geht auch an Herrn Armin Kullik (von der Firma BOTEK) für seine wertvollen Hinweise.

Das Tiefbohren bietet als Verfahrensvariante des klassischen, spiralisierten Bohrens viele interessante Möglichkeiten, Einblicke und immer wieder neue Erfahrungen aus dem Bereich des Spanens.

Darüber freuen wir uns auf weitere Folgen aus der Fertigungstechnik des Spanens und anderen Verfahren. In unserer Folge zum Sprengplattieren haben wir gesehen, dass es neben den klassischen, uns häufig eher bekannten Verfahren spannende andere Möglichkeiten der Materialbearbeitung gibt.

Wenn es dann in jedem Fall wieder heißt: es ist mal wieder Zeit für Fertigungstechnik.
Bis dahin wünschen wir alles Gute. Bis zur nächsten Folge.

geschrieben von Prof. Christian Müller
eingesprochen von Prof. Christian Müller