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Das richtige Werkzeug macht tiefe Bohrungen einfacher
Das richtige Werkzeug macht tiefe Bohrungen einfacher


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Evan Jones Thorne
Cutting Tool Engineering

Bohren ist eindeutig definiert als ein Schneideprozess, der ein kreisförmiges Loch in massivem Material erzeugt oder vergrößert. Zum Tieflochbohren sollte es eigentlich eine ähnlich klare Definition geben. Der Bohrer erzeugt oder vergrößert ein besonders tiefes Loch — was sonst?

Leider gibt es dabei keine allgemein anerkannte Definition darüber, was ein "tiefes Loch" ist. Mitte der 1990er wurde alles, was eine Tiefe von mehr als dem 3-fachen Durchmesser hatte, als tief angesehen, so Jason Hout, Produktmanager beim Werkzeughersteller Sandvik Coromant Co., Fair Lawn, N.J. Heute ist es nicht ungewöhnlich, wenn eine Einzelfertigungswerkstatt Löcher mit einer Tiefe von mehr als dem 10-fachen Durchmesser an einer konventionellen Werkzeugmaschine erzeugt; Spezialmaschinen erreichen sogar das 100-Fache und mehr.  

Der GT 100 Parabolnut-Bohrer von Guhring unterstützt die Spanabfuhr bei Tiefloch-Anwendungen ohne Kühlmitteldurchfluss.

"Die Möglichkeiten herkömmlicher Werkzeugmaschinen sind heute völlig andere als vor mehreren Jahrzehnten, sodass die Definition von "tief" inzwischen nicht mehr viel taugt", meint Hout. "Meiner Meinung nach ist der Begriff "Tiefloch" fast willkürlich gewählt."

Eine eindeutige Definition einer Tieflochbohrung ist schwer zu fixieren, aber es gibt ein paar Faustregeln, meint Brian Welch, Regional Manager des Werkzeugherstellers Allied Machine & Engineering Corp., Dover, Ohio. "Ich würde ein Verhältnis von mehr als 20 zu 1 als tief ansehen, aber je nach der Aufgabe können Tiefbohrungstechniken schon ab einem Verhältnis von 7 zu 1 ins Spiel kommen."

Schnelle Spatenbohrer

Unabhängig von der Anzahl der Durchmesser, wie kann ein Teilehersteller feststellen, welcher Bohrer für eine tiefe Bohrung erforderlich ist? Beim Tiefbohren an einer herkömmlichen CNC-Werkzeugmaschine gibt es drei Hauptoptionen: Einen Spatenbohrer, einen Spiralbohrer und einen Einlippenbohrer.

Der Spatenbohrer gilt nach wie vor als der schnellste, und laut Welch ermöglichen neue Spatengeometrien und Halter-Designs eine höhere Lochqualität auch bei höheren Drehzahlen.

"Unsere technischen und fertigungstechnischen Möglichkeiten haben sich in den letzten fünf Jahren enorm weiter entwickelt", bemerkt Welch. "Die Ergebnisse dieser Entwicklung sind spezielle Werkzeuge, die es vorher einfach nicht gab."

"Spatenbohrer zum Beispiel hat es immer schon gegeben, und die Anwender haben eine Vorstellung davon, was ein Spatenbohrer ist und was er kann", fährt er fort. "Tatsächlich aber haben wir Tiefloch-Bohrerlösungen mit Spatenbohrern und Werkzeughaltern entwickelt, die weit über diese Erwartungen hinaus gehen."

Aber auch vor dem Hintergrund dieser Fortschritte müssen mit Blick auf eine maximale Leistung noch etliche Faktoren berücksichtigt werden, etwa die Spanbildung und der Kühlmittelfluss. Aus diesem Grund, erklärt Welch, bietet Allied T/A-Halter speziell für die Kühlmittel-Umgebung und T/A-Einsätze speziell für das zu bohrende Material an.

Laut Hout ist der Nachteil, dass Spaten "allgemeine" Bohrungen erzeugen können, aber nicht in der Lage sind, die für manche Anwendungen erforderlichen engen Toleranzen und feinen Oberflächen zu erzielen.

"Die Oberfläche ist einfach nicht gut genug, ihre Präzision liegt wahrscheinlich bei etwa ±0,0030 “, und sie wären wohl am besten bei Tiefen unter 15 Durchmessern", so Hout. "Für einen Automobilhersteller, der versucht, das Gewicht eines Getriebes zu verringern, wäre ein Spatenbohrer vor diesem Hintergrund beispielsweise mehr als ausreichend, und mit einer Produktivität von potenziell 5 ipm könnten die niedrigsten Kosten pro Loch erzielt werden."

Spiralbohrer

Bei Spiralbohrern stehen verschiedene Optionen zur Verfügung, je nachdem, ob Sie die Möglichkeit eines Kühlmitteldurchflusses nutzen können oder nicht. Laut Brandon Hull, Leiter Product Management und Business Development des Werkzeugherstellers Guhring Inc. in Brookfield, Wis., ist ein HSS- oder Kobalt-Parabolnut-Bohrer die ideale Wahl für Tieflochbohrungen, wenn kein Kühlmitteldurchfluss genutzt werden kann.

"[Ein Parabolnut-Bohrer] ist extrem effizient bei tiefen Bohrungen, weil die größere Nutöffnung die Spanabfuhr erleichtert. Das bedeutet, dass Sie mit weniger Spanzyklen bohren können", erklärt er. "Statt wie mit einer Standardnut alle 0,145 Zoll den Bohrer zur Spanabfuhr herauszuziehen, können Sie beispielsweise mit einem 0,500"-Bohrer mit Parabolnut manchmal ohne Unterbrechung bis zu 5 Durchmesser tief bohren."

Die Spanabfuhr oder das Herausziehen des Bohrers aus dem Bohrloch zur Spanabfuhr kann zu Problemen führen, insbesondere bei tieferen Löchern. Mit jedem Spanzyklus kann es passieren, dass sich ein Span vor die Bohrerspitze legt und damit die Schnitteffizienz beeinträchtigt und eventuell sogar den Auslauf vergrößert. Einige neuere Maschinen versuchen, dies mithilfe eines Spanbrecherzyklus, bei dem der Bohrer nur teilweise und nicht vollständig herausgezogen wird, zu verhindern. Dadurch kann der Bohrer Späne erzeugen, ohne dass diese vor die Bohrerspitze gelangen können.

Mit einem Hochdruck-Kühlmittel kann auf das Herausziehen verzichtet werden, und ein mit Kühlmittel versorgter Hartmetall-Spiralbohrer bietet eine Fülle weiterer Vorteile. "Das ist eine der schnellsten Möglichkeiten, tiefe Löcher zu bohren", sagt Hull. "Das Problem ist, dass diese Lösung im Vergleich zu einem Einlippenbohrer sehr teuer sein kann, aber die Steigerung der Produktivität ist enorm — etwa das Fünf- bis Sechsfache, eventuell sogar mehr. Sie erzielen damit eine bessere Spanabfuhr, und Sie können den Bohrer weitaus härter treiben. Wenn Sie die anfängliche Investition nicht scheuen, sparen Sie langfristig Geld."

Einlippenbohrer und Führungen

Es ist praktisch unmöglich, über Tieflochbohrungen zu sprechen, ohne den Einlippenbohrer zu erwähnen. Sein Rundlauf und die Möglichkeit einer sehr feinen Oberfläche sind unübertroffen, und Sie können damit eine Tiefe von über 100-mal dem Durchmesser erzielen. Der Nachteil liegt in der geringeren Produktivität.

"Wenn Sie sich ansehen, welches Werkzeug &EnDash; unabhängig von der Produktivität &EnDash; die hochwertigsten Löcher liefert, ist ein Einlippenbohrer die richtige Lösung", sagt Hout von Sandvik Coromant. "Ein Einlippenbohrer ist zwar teurer als ein Standard-Spiralbohrer, aber Sie können ihn 15- bis 20-mal runderneuern, und er sorgt kontinuierlich für Löcher mit einer Toleranz von 0,0005". Der Spiralbohrer läuft erheblich schneller, aber Sie können damit nur auf eine Toleranz von ±0,0020" hoffen und keine derart feine Oberfläche erzielen."

Laut Hull von Guhring werden in vielen Werkstätten Einlippenbohrer an CNC-Maschinen eingesetzt statt an speziellen Einlippenbohrer-Maschinen. "Es kommt auf die Führungsmethode an. Was auch immer Sie tun, Sie müssen immer noch eine Pilotbohrung erstellen, um diesen Tieflochbohrer zu führen."

Einlippenbohrer sorgen für eine überlegene Oberfläche, erfordern jedoch geringere Vorschubraten.

Eine Pilotbohrung, fährt er fort, ist bei einem Bohrer mit kleinerem Durchmesser normalerweise 1 bis 2 Durchmesser tief. Der längere Einlippenbohrer wird beim Eintritt in die Pilotbohrung mit ca. 300 U/Min betrieben; sobald er vollständig eingesetzt ist, kann die Drehzahl auf die maximale Drehzahl für den Auftrag erhöht werden, und das Kühlmittel wird aktiviert. "Diese Methode ist immer gleich, ob Sie nun einen Einlippenbohrer verwenden oder einen mit Kühlmittel versorgten Spiralbohrer", erklärt Hull.

James Martz, Vertriebsmanager für Leese & Co., erzählt, dass seine Werkstatt eine dedizierte Einlippenbohrer- und eine CNC-Maschine mit Tiefloch-Funktion verwendet. Dank der Bohrerführungen können die Anlagen in der Maschinenhalle in Greensburg, Pa. optimal genutzt werden.

"Wir haben eine Lünette, die den Bohrer stützt. Beim Absenken des Bohrers bewegt sich auch die Lünette, und eine andere übernimmt ihre Stelle", erklärt er weiter. “Wenn der Bohrer in das Teil eindringt, gibt es zu jedem Zeitpunkt eine Lünette im Abstand von 2 Zoll von dem Teil. Durch die Verwendung der Zuführung mit Lünette sowie die Anpassung der Vorschubrate am Bohrer können wir den Rundlauf in unseren Teilen sicherstellen und bessere, zuverlässigere Teile erzeugen."

Weitere Überlegungen

Laut Brandon Hull von Guhring sind beim Kauf einer CNC-Werkzeugmaschine für Tieflochbohrungen im Wesentlichen zwei Punkte zu berücksichtigen: Werkzeughalter und Maschinenfunktionen. Hydraulikfutter und Schrumpf-Werkzeughalter ermöglichen den geringsten Auslauf und eignen sich daher ideal für tiefe Bohrungen.

"Vereinfacht gesagt, ist die Qualität der Werkzeughalter der wichtigste Punkt, auf den Sie achten sollten, unabhängig von der Art des verwendeten Bohrers", sagt er.

An der Maschine selbst ist laut Hull das wichtigste Merkmal der Kühlmitteldruck, knapp gefolgt von der Spindelqualität.

250 psi ist das "absolute Minimum" für einen ausreichenden Kühlmitteldruck; Hull empfiehlt jedoch 1.000 psi für Einlippenbohrer und etwa die Hälfte davon für Spiralbohrer. "Mit einem ungenügenden Kühlmitteldruck erreichen Sie einfach nicht die erforderliche Spanabfuhr."

Er fügt hinzu, dass zwar viele ältere Maschinen für Tieflochbohrungen durchaus geeignet sind, eine konzentrische Spindel jedoch eine unabdingbare Voraussetzung darstellt.

Auch manche der verfügbaren moderneren Eigenschaften machen Tieflochbohrungen erheblich einfacher als früher und verringern gleichzeitig die Ausschussrate .

"Beim Bohren, insbesondere bei tiefen Löchern, müssen Sie es unbedingt vermeiden, dass der Bohrer abbricht", sagt Christian Klanica, Präsident und Eigentümer von Leese & Co. "Deshalb ist für uns eines der wichtigsten Merkmale die automatische Abschaltung. Wenn ein zu hoher Druck am Bohrer anliegt, schaltet sich die Maschine ab. Ältere Maschinen laufen weiter, bis der Bohrer bricht; in diesem Fall haben Sie nicht nur den Bohrer verloren, sondern auch das Teil, in dem er steckt."

Und zum Abschluss: Unabhängig von der Werkstatt oder der Anwendung muss die Auswahl des Werkzeugs auf die Anforderungen des Teils abgestimmt sein. Mit einigen allgemeinen Überlegungen hinsichtlich der Werkzeugmaschine und einem klaren Überblick über die verfügbaren Optionen stellt die ungenau definierte "tiefe Bohrung" kein größeres Problem dar als jede andere Bohrung auch. 



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