Industrie-Lexikon

Tiefbohren

Tiefbohren oder Tieflochbohren ist eine Spezialbearbeitung des Bohrens mit Bohrtiefen, die um ein Vielfaches gr├Â├čer sind als die Durchmesser.

Im Sinne der VDI-Richtlinie 3210 sind Tiefbohrverfahren spanende Fertigungsverfahren zur Herstellung und Bearbeitung von Bohrungen, deren Durchmesser zwischen D = 0,2….2000 mm betragen und deren Bohrungstiefe ├╝blich gr├Â├čer als das Dreifache des Durchmessers sind.  Bei kleinen Bohrungsdurchmessern k├Ânnen L├Ąnge- zu Durchmesser-Verh├Ąltnisse von bis zu l/D ÔëĄ 100, in Sonderf├Ąllen sogar bis l/D = 400 erreicht werden.   Bei gro├čen Durchmessern wird das l/D-Verh├Ąltnis meist durch den Verfahrweg der Maschine beziehungsweise durch ihre Bettl├Ąnge begrenzt.


Das Tiefbohren
Das Tiefbohren unterscheidet sich zudem vom Kurzbohren dadurch, dass K├╝hlschmierstoff in Abh├Ąngigkeit vom Bohrverfahren und vom Bohrdurchmesser in gro├čen Mengen und unter hohem Druck zur Zerspanstelle gepumpt werden muss. Dadurch findet eine gute K├╝hlung und gleichzeitige eine gute Schmierung der Wirkbereiche zwischen Werkst├╝ck und Werkzeugschneide einerseits und Werkst├╝ck und F├╝hrungsleisten andererseits statt. Zus├Ątzlich f├╝hrt der K├╝hlschmierstoff zu einer st├Ąndigen Sp├Ąneabfuhr aus der Wirkzone, wodurch Zeit gewonnen wird und oberfl├Ąchensch├Ądige und zeitintensive Ausspanungsh├╝be ├╝berfl├╝ssig werden.  Zur Herstellung von tiefen Bohrungen werden zwei unterschiedliche Werkzeugtypen unterschieden. Zum einen sind dieses Werkzeuge mit asymmetrischen, einschneidigen Aufbau. Hierzu z├Ąhlen das Bohren mit Einlippentiefbohrern, das Bohren mit Werkzeugen nach dem Einrohrsystem (BTA-Tiefbohren) sowie das Tiefbohren mit Werkzeugen nach dem Doppelrohrsystem (Ejektor-Tiefbohren), die als die ÔÇ×klassischen“ Tiefbohrverfahren bezeichnet werden. Zum anderen sind dies Werkzeugtypen mit symmetrisch angeordneten Hauptschneiden, die beim Wendeltiefbohren und beim Zweilippentiefbohren genutzt werden, die aufgrund der mit ihnen zu realisierenden Bohrtiefen ebenfalls den Tiefbohrverfahren zugeordnet werden k├Ânnen.

Die genannten Werkzeugtypen unterscheiden sich hinsichtlich des realisierbaren Durchmesserbereichs, der erzielbaren l/D-Verh├Ąltnisse, der Oberfl├Ącheng├╝te und ihrer Produktivit├Ąt. Mit symmetrischen Werkzeugen lassen sich nur im kleinen Durchmesserbereich von d = 0,2… 32 mm, Bohrungen mit einem l/D-Verh├Ąltnis bis maximal l/D = 85 erzeugen, der Standard liegt bei einem l/D Verh├Ąltnis von l/D = 30. Mit asymmetrischen Werkzeugen lassen sich Bohrungen im Durchmesserbereich von D = 0,5…2000 mm fertigen und die Obergrenze des l/D-Verh├Ąltnis ist meist durch die Maschinenma├če begrenzt. In der Abbildung sind ausgew├Ąhlte Tiefbohrverfahren mit ihren ├╝blichen Anwendungsdurchmessern dargestellt, wobei deutlich wird, dass nicht in allen Durchmesserbereichen Tiefbohrverfahren zueinander konkurrieren. Der Vorteil der symmetrisch Aufgebauten Werkzeuge gegen├╝ber den ÔÇ×klassischen“ Tiefbohrwerkzeugen im kleinen Durchmesserbereich ist die Realisierbarkeit von deutlich h├Âheren Vorsch├╝ben f, die im Vergleich zu den ├╝blichen Werten beim Einlippentiefbohren 6-mal so hoch sein k├Ânnen.   

Neben dem hohen l/D-Verh├Ąltnis, zeichnen sich die ÔÇ×klassischen“ Tiefbohrverfahren im Vergleich zu den Bohrverfahren mit HSS-Wendelbohrern, durch eine hohe Produktivit├Ąt bei einer hohen Oberfl├Ąchenqualit├Ąt aus. Die hohe Bohrungsqualit├Ąt zeichnet sich in einer hohen Oberfl├Ąchenqualit├Ąt, in einer geringen Durchmesserabweichung und einer geometrischen Formgenauigkeit aus. Bedeutend f├╝r die gute Oberfl├Ąchenqualit├Ąt ist der asymmetrische Aufbau dieser Tiefbohrwerkzeuge. Die Werkzeuge der ÔÇ×klassischen“ Tiefbohrverfahren, ELB Bohren, BTA Bohren und Ejektorbohren sind bis auf wenige Ausnahmen einschneidig und besitzen ein Nebenschneide (Rundschlifffase) und F├╝hrungsleisten. Durch diese konstruktive Gegebenheit werden w├Ąhrend des Prozesses Kr├Ąfte ├╝ber die F├╝hrungsleisten an die Bohrungswand und so an die Werkst├╝ckwand ├╝bertragen. Es ergibt sich f├╝r bestimmte Kraftkomponenten am Werkzeugkopf ein ÔÇ×geschlossener“ Kraftschluss, der das Werkzeug in der soeben erzeugten Bohrung abst├╝tzt und damit in dieser f├╝hrt. Der Kraftverlauf beim Tiefbohren ist somit ein anderer als beim konventionellen Bohren, bei dem die Kr├Ąfte weitestgehend durch den Werkzeugschaft und damit von der Maschinenspindel aufgenommen werden. Durch die abweichende Art des Kraftverlaufs beim Tiefbohren ergibt sich, dass sich der Bohrer zum einen selbst in der Bohrung f├╝hrt und dadurch einen vergleichsweise geringen Mittenverlauf aufweist, zum anderen findet durch das ÔÇ×Abst├╝tzen“ zwischen Bohrungswand und F├╝hrungsleisten ein Umformvorgang statt, der die Bohrungswand (im Idealfall) gl├Ąttet. Die durch die Zerspanung verursachte Oberfl├Ąchenrauhigkeit nimmt durch den Umformprozess unter den F├╝hrungsleisten um etwa 70 % ab und f├╝hrt zu einem hohen Traganteil.  Somit kann durch das Tiefbohren eine sehr hohe Oberfl├Ącheng├╝te bei einer Bohrungstoleranz von IT 9 bis IT 7 erreicht werden. Nachbearbeitungsschritte k├Ânnen h├Ąufig reduziert werden oder entfallen g├Ąnzlich. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Gratbildung beim Ausbohren und beim ├ťberbohren von Querbohrungen.  Bedingt durch die hohe Oberfl├Ącheng├╝te bei einer zugleich hohen Zerspanleistung kann der Einsatz der konventionellen Tiefbohrverfahren auch bei geringen Bohrtiefen wirtschaftlich sein. 


Die Tiefbohrverfahren

Das Einlippentiefbohren
Das Einlippentiefbohren wird ├╝blicherweise f├╝r die Herstellung von Bohrungen im Durchmesserbereich von D = 0,5...40 mm angewendet. Dieser Anwendungsbereich ist derzeit nach unten durch die fertigungstechnische Realisierung der K├╝hlschmierstoffkan├Ąle sowie die steigenden Herausforderungen bei der schleiftechnischen Herstellung mit abnehmenden Werkzeugdurchmessern begrenzt. Die obere Grenze ergibt sich durch den wirtschaftlicheren Einsatz alternativer Tiefbohrverfahren.   Charakteristisch f├╝r das Einlippentiefbohren ist die innere K├╝hlschmierstoffzufuhr durch einen nierenf├Ârmigen oder zwei kreisf├Ârmige K├╝hlkan├Ąle. Die Abf├╝hrung des Sp├Ąne-K├╝hlschmierstoff-Gemisches erfolgt in einer V-f├Ârmigen L├Ąngsnut am Werkzeug, in der so genannten Sicke. Dabei ist der K├╝hlschmierstoffmassenstrom der einzige Transportmechanismus zur Abf├╝hrung der Sp├Ąne. Aus diesem Grund ist eine durchmesser-abh├Ąngige Hochdruckk├╝hlschmierstoffversorgung notwendig. Der allgemeine Aufbau von Einlippenwerkzeugen teilt sich in die drei Teile Bohrkopf, Schaft und Einspannh├╝lse. ├ťblicherweise wird der Bohrkopf durch Hartl├Âten mit dem Schaft gef├╝gt. Die Einspannh├╝lse ist das Spannelement des Werkzeugs und bildet die Schnittstelle zur Werkzeugaufnahme und somit zur Werkzeugmaschine. Bei kleineren Werkzeugdurchmessern und Werkzeugen in Hochleistungsausf├╝hrung kommen oftmals Vollhartmetallwerkzeuge zum Einsatz. Bei diesen leistungsf├Ąhigeren Werkzeugen sind der Bohrkopf und der Schaft aus einem Hartmetallstab gefertigt. Der Bohrkopf wird dabei meistens aus Hartmetallen der ISO-Zerspanungsanwendungsgruppe K 10 bis K 20 hergestellt und wird bei Bedarf beschichtet. In speziellen Anwendungsf├Ąllen werden auch PKD, Cermets, Keramik oder Schnellarbeitsst├Ąhle verwendet.  Die Wahl der Bohrkopfgeometrie erfolgt in Abh├Ąngigkeit von der vorliegenden Bearbeitungssituation. Diesbez├╝glich werden unterschiedliche Schneideanschliffe und Umfangsform der F├╝hrungsleisten unterschieden. Bei den ├╝blichen Standardanschliffen f├╝r Einlippenbohrer teilt sich die Hauptschneide in Au├čen- und Innenschneide auf, die sich in Abh├Ąngigkeit vom Bohrungsdurchmesser durch unterschiedliche Einstellwinkel unterscheiden. Ebenfalls kommt der Wahl der Umfangsform, d. h. der Anzahl und Anordnung der F├╝hrungsleisten am Umfang des Einlippenbohrers, eine wichtige Bedeutung zu. Gegen├╝ber dem konventionellen Bohren mit Wendelbohrern zeichnet sich das Einlippenbohren durch seine Eignung und eine hohe Prozesssicherheit bei gro├čen L├Ąnge-zu-Durchmesser-Verh├Ąltnissen aus. Zudem erreicht das Einlippenbohren vergleichsweise hohe Bohrungsqualit├Ąten, was eine Einsparung von Nachbearbeitungen erm├Âglichen kann.

Werkzeuge
Ein Einlippenbohrer besteht aus einer Werkzeugaufnahme, einem Schaft und einem St├╝ck (meist Hartmetall), welches den Bohrkopf bildet. Vom Aufbau her kann verallgemeinernd gesagt werden, dass der Schaft um wenige 1/10 mm bis 1 mm kleiner gehalten ist als der Bohrkopf. Auch ist zu erkennen, dass die Schaftfl├Ąche zu 1/4 freigearbeitet ist, in welcher durch den K├╝hlmittelstrom die Sp├Ąne aus der Bohrung ausgesp├╝lt werden. Der Schneidenkopf selbst tr├Ągt angeschliffene F├╝hrungsfl├Ąchen, in welchen sich der Bohrer f├╝hrt und somit anders als bei einem Spiralbohrer der F├╝hrungsachse der Maschine folgt.

Die eigentliche Schneide ist die obere Spitze bis zur Mitte des Bohrers. Das bedeutet, der Bohrer schabt sich einseitig durch das zu bohrende Material. Die entstehenden Sp├Ąne an der Schneide werden von mindestens einem, ab etwa 10 mm Bohrerdurchmesser teilweise schon zwei oder mehr Kan├Ąlen von der Mitte her und von der Au├čenseite mit K├╝hlmittel umsp├╝lt und gleichzeitig ├╝ber den Freiraum im Schaft von der Bearbeitungsstelle weggesp├╝lt.

Das BTA-Tiefbohren
Die Nachteile des Einlippentiefbohren, wie etwa der Kontakt der Sp├Ąne mit der erzeugten Bohrungsoberfl├Ąche oder das geringe Torsionsmoment, waren die Motivation, ein ver├Ąndertes Tiefbohrverfahren zu entwickeln, bei dem diese Probleme umgangen werden und die guten Eigenschaften beibeh├Ąlt. Aus beschriebenem Anlass wurde um 1940 ein neues Tiefbohrverfahren, das in den fr├╝hen 1950er Jahren die Bezeichnung BTA-Verfahren erhielt, entwickelt. BTA steht f├╝r ÔÇ×Boring and Trepanning Association“ die von der inzwischen liquidierten Bremer Firma Gebr├╝der Heller dominiert wurde. Unter ihrer Federf├╝hrung entstand w├Ąhrend des Zweiten Weltkrieges durch Verfahrenszusammenschluss der eigenen Entwicklungen mit denen von Burgsm├╝ller und Beisner das neue Verfahren. Burgsm├╝ller ersetzte das bis dahin verwendete eingenutete Bohrrohr, durch ein im Querschnitt geschlossenes Rohr, welches torsionsteifer war und f├Ârderte die Sp├Ąne erstmals durch das Innere des Rohres ab. Burgsm├╝ller verwendete ein zweischneidiges Werkzeug und ein Luft–├ľl-Gemisch, welches man heutzutage bei der Fertigung mit Minimalmengenschmierung nutzt. Beisner verbesserte die Werkzeugkonstruktion und f├╝hrte ├ľl als K├╝hlschmiermittel ein. Heller, das als erstes Unternehmen HM-best├╝ckte ELB-Werkzeuge einf├╝hrte, hatte das Patent f├╝r die Schneiden-F├╝hrungsleistenkonstellation die dann auch bei den BTA-Werkzeugen genutzt wurde.

W├Ąhrend des Bearbeitungsvorgangs wird mit Hilfe des Bohr├Âlzuf├╝hrapparates (BOZA) der K├╝hlschmierstoff, wie in der Abbildung zu sehen ist, der Wirkstelle durch den Ringspalt zwischen der erzeugten Bohrung und dem Bohrrohr zugef├╝hrt. Die Abdichtung zwischen Werkst├╝ck und Bohrrohr ├╝bernimmt auch der BOZA. Dieser besitzt dazu eine zum Werkst├╝ck gerichtete konische rotierende Werkst├╝ckaufnahme, die mit hohem Druck an das Werkst├╝ck gedr├╝ckt wird. Dabei wird das Werkst├╝ck zentriert und es entsteht ein abdichtender Fl├Ąchenkontakt. Die R├╝ckseite des BOZA wird in den meisten F├Ąllen durch eine Stopfbuchse abgedichtet, wobei diese auch noch zus├Ątzlich die Funktion der Bohrrohrf├╝hrung mit ├╝bernimmt. Im BOZA ist meist die Anbohrbuchse integriert, wodurch das Arbeiten mit einer Pilotbohrung beim BTA-Verfahren selten durchgef├╝hrt wird.

Werkzeuge
Durch die im Werkzeug integrierten ├ľffnungen werden die Sp├Ąne mit Hilfe des ├ľlstroms abgef├╝hrt. Deshalb werden die ├ľffnungen als ÔÇ×Spanmaul“ bezeichnet. Die Sp├Ąne k├Ânnen auf diese Weise ohne Kontakt mit der Bohrungswand abgef├╝hrt werden. Durch den kreisf├Ârmigen Querschnitt von Werkzeug und Bohrrohr besitzt das Verfahren gegen├╝ber dem ELB Bohren ein gr├Â├čeres Torsionswiderstandsmoment, wodurch eine deutlich h├Âhere Zerspanleistung erreicht werden kann. Das BTA-Verfahren wird f├╝r Bohrungsdurchmesser von D = 6…2000 mm verwendet. F├╝r industrielle Prozesse findet es in einem Bereich ab ca. D = 16 mm Anwendung. Die M├Âglichkeit, BTA-Bohrer mit einem Durchmesser von D ÔëĄ 6 mm zu fertigen, ist gegeben, jedoch gibt es bis heute keinen bekannten Anwendungsfall.    

Das Ejektor-Tiefbohren
Ejektor┬şbohr┬şkopf mit auswechsel┬şbaren Schneiden und F├╝hrungs┬şelementen der Firma Sandvik
Das Ejektor- Verfahren findet in einem Durchmesserbereich von ca. D = 18 … 250 mm Anwendung. Es ist eine Variante des BTA-Verfahrens, bei dem die verwendeten Bohrk├Âpfe konstruktiv vergleichbar zu den BTA-Werkzeugen sind. Der einzige Unterschied besteht in den zus├Ątzlich am Umfang eingebrachten KSS-Austritts├Âffnungen. Die K├╝hlschmierstoffzufuhr erfolgt durch einen Ringraum zwischen Bohrrohr und Innenrohr, was dem Verfahren auch die Bezeichnung Zweirohrverfahren gibt. Der K├╝hlschmierstoff tritt seitlich aus den bereits genannten KSS-Austritts├Âffnungen aus, umsp├╝lt den Bohrkopf und flie├čt mit den erzeugten Sp├Ąnen in das Innenrohr zur├╝ck. Ein Teil des K├╝hlschmierstoffs wird ├╝ber eine Ringd├╝se direkt in das Innenrohr geleitet. Dadurch entsteht ein Unterdruck (Ejektor-Effekt) am Spanmaul, der den R├╝ckfluss im Innenrohr erleichtert. Das System kann ├╝ber eine externe Hochdruckpumpe oder die interne KSS Versorgung betrieben werden. Da im Gegensatz zum BTA-Verfahren keine Abdichtung gegen austretenden K├╝hlschmierstoff notwendig ist, kann das Ejektor-Verfahren auch auf konventionellen Drehmaschinen und Bearbeitungszentren eingesetzt werden. Da der Rohrquerschnitt, durch den die Sp├Ąne abgef├╝hrt werden sollen, durch das Doppelrohrsystem reduziert ist, ist die Zerspanleistung geringer als beim BTA-Verfahren. Aufgrund dessen werden beim Ejektor-Tiefbohren ├╝blicherweise geringere Schnittgeschwindigkeiten gew├Ąhlt. Dar├╝ber hinaus geht die geringere Steifigkeit mit verschlechterten Rundlaufeigenschaften (IT9 bis IT11) einher.   

Voraussetzung f├╝r die Umsetzung des Verfahrens ist die Verwendung eines Anschlussst├╝ckes, das in die Revolveraufnahme der Drehmaschine oder die Spindel des Bearbeitungszentrums eingesetzt wird. Durch dieses Anschlussst├╝ck wird der KSS von der angeschlossenen Pumpeneinheit in den Ringspalt zwischen Innen- und Au├čenrohr geleitet. Um diese Funktion zu erm├Âglichen, sind zwei unterschiedliche Ausf├╝hrungen m├Âglich. Bei Bearbeitungszentren wird ein rotierendes, bei Drehmaschinen ein nicht rotierendes Anschlussst├╝ck ben├Âtigt. Der damit einhergehende Platzbedarf ist bei der Auswahl der Bearbeitungsmaschine zu ber├╝cksichtigen.

Werkzeuge
Der Aufbau der Werkzeuge zum Ejektortiefbohren ist nahezu identisch zu dem der BTA-Tiefbohrwerkzeuge. Die zus├Ątzlichen KSS-Austritts├Âffnungen sind in den Abbildungen dargestellt.

Quelle: Wikipedia

 

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