Im Bereich der Präzisionsbearbeitung stellt die Erzielung einer Kontrolle im Mikrometerbereich über Lochdurchmesser eine erhebliche Herausforderung dar. Bohrer, als spezialisierte Schneidwerkzeuge für die Lochbearbeitung, haben sich als die Lösung für diese anspruchsvolle Anforderung herauskristallisiert. Diese Werkzeuge dienen nicht nur als entscheidende Komponenten zur Verbesserung der Teilegenauigkeit, sondern auch als effektive Mittel zur Bearbeitung komplexer interner Lochgeometrien.

Ein Bohrer ist ein Schneidwerkzeug, das für die Lochbearbeitung konzipiert wurde, mit Hauptfunktionen wie:

• Innenlochbearbeitung: Erweitern bestehender Löcher zur Verbesserung der Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität.
• Erweiterung des Lochdurchmessers: Erhöhen des Lochdurchmessers auf die erforderlichen Spezifikationen.
• Konturprofilierung im Inneren: Bearbeiten komplexer interner Geometrien wie konische Löcher und abgestufte Löcher.

Im Vergleich zu anderen Lochbearbeitungsmethoden wie Bohren, Reiben und Räumen zeichnet sich das Bohren durch seine außergewöhnliche Flexibilität und Präzisionskontrollfähigkeiten aus. Durch ein- oder doppelschneidiges Schneiden können Bohrer eine Bearbeitungsgenauigkeit im Mikrometerbereich erreichen und strenge Lochtoleranzanforderungen bis zu H7- oder sogar H6-Standards erfüllen. Diese Werkzeuge finden breite Anwendung in verschiedenen Werkzeugmaschinen, einschließlich Bohrmaschinen, Drehmaschinen und Fräsmaschinen.

Bohrer werden basierend auf der Anzahl der Schneidkanten und den strukturellen Merkmalen kategorisiert, wobei Einzelschneiden- und Doppelschneidenbohrer die häufigsten Varianten sind.

Einzelschneidenbohrer ähneln in ihrer Struktur Drehmeißeln und weisen nur eine Schneidkante auf. Für die hochpräzise Lochbearbeitung werden typischerweise Feinbohrer eingesetzt. Diese Werkzeuge enthalten Präzisionsverstellmechanismen, die eine exakte Steuerung des Schneiddurchmessers direkt an der Werkzeugmaschine ermöglichen.

Das Arbeitsprinzip beinhaltet ein Präzisions-Messuhrensystem in Kombination mit einem Feingewindemechanismus zwischen Werkzeughalter und Bohrwerkzeugkopf. Durch Drehen der Messuhr bewegt sich der Werkzeugkopf linear entlang der Führungskeile, wodurch Durchmesseranpassungen im Mikrometerbereich mit einer Präzision von bis zu 0,001 mm ermöglicht werden.

Doppelschneidenbohrer weisen zwei Schneidkanten auf, die symmetrisch zur Mittellinie angeordnet sind, was gleichzeitige Schneidvorgänge ermöglicht. Diese Konfiguration gleicht Radialkräfte während der Bearbeitung aus und verbessert dadurch die Schneideffizienz. Basierend auf der Werkzeughalterstruktur werden Doppelschneidenbohrer weiter in schwimmende und feste Typen unterteilt.

• Schwimmende Bohrer: Diese Werkzeuge werden hauptsächlich für die Schlichtbearbeitung verwendet und ähneln in ihrer Struktur Reibahlen und können Löcher mit hoher Maßgenauigkeit und Oberflächengüte erzeugen.
• Feste Bohrer: Verfügen über starre Werkzeughalter und eignen sich für allgemeine Bohroperationen.

Bohrer bestehen typischerweise aus zwei Hauptkomponenten: dem Werkzeugkörper und dem Schneidkopf. Der Werkzeugkörper dient als Hauptstruktur, die mit der Maschinenspindel oder dem Werkzeughalter verbunden ist, während der Schneidkopf, der aus harten Materialien wie Hartmetall besteht, die eigentliche Bearbeitung basierend auf spezifischen Verarbeitungsanforderungen durchführt.

Die Materialauswahl für Werkzeugkörper berücksichtigt Steifigkeit, Festigkeit und Schwingungsdämpfungseigenschaften. Häufige Materialien sind:

• Legierter Stahl: Bietet gute Festigkeit und Zähigkeit für allgemeine Bohranwendungen.
• Wolframstahl: Bietet überlegene Steifigkeit und Schwingungsdämpfung für hochpräzise, anspruchsvolle Operationen.
• Kohlefaserverbundwerkstoffe: Kombinieren leichte Eigenschaften mit hoher Steifigkeit, ideal für den Bau großer Bohrer.

Schneidkopfmaterialien beeinflussen direkt die Werkzeugleistung und -lebensdauer. Häufige Optionen sind:

• Schnellarbeitsstahl (HSS): Bietet gute Zähigkeit und Verschleißfestigkeit für das Schneiden bei niedriger Geschwindigkeit.
• Hartmetall: Bietet hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit für Hochgeschwindigkeitsoperationen.
• Keramik: Bietet extreme Härte und Verschleißfestigkeit für Hochtemperatur-Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
• Kubisches Bornitrid (CBN): Liefert ultrahohe Härte für die Bearbeitung von gehärteten Stählen und hitzebeständigen Legierungen.
• Diamant: Besitzt die höchste Härte und Verschleißfestigkeit für Nichteisen- und nichtmetallische Materialien.

Bohrer finden breite Anwendung in praktisch allen Bereichen der mechanischen Bearbeitung, einschließlich:

• Motorzylinderbearbeitung: Hochpräzises Bohren von Motorzylinderbohrungen gewährleistet den ordnungsgemäßen Betrieb des Kolbens.
• Hydraulikzylinderbearbeitung: Präzises Bohren von Hydraulikzylinderinnenräumen erhält die Dichtungsleistung des Systems aufrecht.
• Präzisionslagerlochbearbeitung: Genaues Bohren von Lagerlöchern garantiert Rotationspräzision.
• Formenbau: Hochpräzises Bohren von Formhohlräumen gewährleistet die Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität des Produkts.

Die Bohrqualität hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Steifigkeit des Werkzeugsystems, die dynamische Auswuchtung, die Werkstückstabilität, die Werkzeuggeometrie, die Schnittparameter, die Maschinenspindelsysteme und die Spannmethoden.

Die Steifigkeit des Werkzeugsystems beeinflusst die Bohrqualität entscheidend, insbesondere bei der Bearbeitung von kleinen Durchmessern, tiefen Löchern und harten Materialien, insbesondere bei freitragenden Operationen. Unzureichende Steifigkeit verursacht Vibrationen während des Schneidens, was die Genauigkeit und Oberflächengüte beeinträchtigt.

Dynamische Auswuchtung bezieht sich auf eine gleichmäßige Massenverteilung während der Drehung. Ungleichgewicht erzeugt Zentrifugalkräfte, die Vibrationen verursachen, was insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsoperationen problematisch ist. Eine dynamische Auswuchtkorrektur verbessert die Bearbeitungsqualität.

Die Werkstücksteifigkeit bestimmt den Widerstand gegen Verformung. Kleine, dünnwandige Komponenten oder geometrisch eingeschränkte Werkstücke können sich unter Schneidkräften ohne ordnungsgemäße Fixierung verformen. Die Erhöhung der Werkstücksteifigkeit durch geeignete Vorrichtungen oder zusätzliche Stützpunkte verbessert die Bearbeitungsgenauigkeit.

Die Werkzeuggeometrie, einschließlich Spanwinkel, Nasenradius und Spanbrecherkonfiguration, beeinflusst die Schneidkräfte. Unterschiedliche Geometrien erzeugen unterschiedliche Widerstandsniveaus – beispielsweise reduzieren größere Spanwinkel die Schneidkräfte, verringern aber die Werkzeugfestigkeit. Die richtige Geometrieauswahl entspricht den spezifischen Bearbeitungsanforderungen.

Schnittparameter – Geschwindigkeit, Vorschub und Zustellung – beeinflussen die Ergebnisse erheblich. Übermäßige Geschwindigkeit beschleunigt den Werkzeugverschleiß, während unzureichende Geschwindigkeit die Effizienz verringert. Falsche Vorschübe verursachen Werkzeugüberlastung oder schlechte Oberflächengüte, während eine falsche Zustellung Vibrationen auslöst oder die Bearbeitungszeit verlängert. Die Parameteroptimierung gewährleistet qualitativ hochwertige Ergebnisse.

Die Eigenschaften des Spindelsystems, einschließlich Steifigkeit, Lager-/Getriebeleistung und Qualität der Werkzeughalterverbindung, beeinflussen die Bohrergebnisse. Unzureichende Spindelsteifigkeit verursacht Vibrationen, während eine schlechte Lager-/Getriebeleistung die Rotationsgenauigkeit verringert. Lose Verbindungen führen zu Werkzeuginstabilität. Hochpräzise, starre Spindelsysteme sind unerlässlich.

Werkzeugspannmethoden wirken sich erheblich auf die Bohrqualität aus. Die Werkzeugmittehöhe stellt einen kritischen Faktor dar – eine falsche Höhe verändert die effektiven Span- und Freiwinkel und verursacht Werkzeug-Werkstück-Interferenzen. Wenn sich das Werkzeug dreht, entwickelt sich Reibung, die das Werkzeug möglicherweise tiefer in das Werkstück treibt.

Die Erhöhung des Spanwinkels reduziert die Schneidkräfte und die Wärmeentwicklung, verringert aber die Schneidkantensfestigkeit. Wenn sich die Freiwinkel verringern, erhöhen sich die effektiven Spanwinkel, was zu Werkzeugschaben führt – was insbesondere beim Bohren kleiner Löcher problematisch ist. Die optimale Werkzeugpositionierung knapp über der Mittehöhe (wobei sie so nah wie möglich bleibt) verbessert die Freiwinkel und die Schneidbedingungen.

Während der Vibration lenkt die Werkzeugspitze nach unten in Richtung Mittehöhe ab und nähert sich der idealen Positionierung. Eine leichte Werkzeugrücknahme minimiert das Risiko einer Werkstückbeschädigung. Kleinere Spanwinkel stabilisieren den Schneiddruck, obwohl übermäßig kleine Winkel (annähernd 0°) zum Werkzeugversagen führen können – Bohrer mit positivem Spanwinkel werden im Allgemeinen bevorzugt.

Bei Bohroperationen schränkt die Innenposition des Werkzeugs den Zugang des Schneidmittels zur Schneidkante ein, was die Spanabfuhr erschwert und die Werkzeugstandzeit verkürzt. Lösungen umfassen intern gekühlte Werkzeuge und Hochdruck-Schneidmittelsysteme.

Die Auswahl des Bohrwerkzeugs hängt stark von Lochdurchmesser und -länge (Tiefe und Überhang) ab. Allgemeine Richtlinien empfehlen einen minimalen Überhang und die maximal mögliche Werkzeuggröße. Die richtige Werkzeugauswahl, -anwendung und sichere Spannung minimieren Durchbiegung und Vibration.

Während des Schneidens versuchen sowohl Tangential- als auch Radialkräfte, das Werkzeug vom Werkstück abzulenken. Die radiale Durchbiegung reduziert die Schnitttiefe und Spanndicke, was möglicherweise Vibrationen verursacht. Die radiale Durchbiegung beeinflusst den Lochdurchmesser, während die tangentiale Durchbiegung die Schneidkante von der Mittellinie nach unten bewegt. Zu den wichtigsten Bohrüberlegungen gehören die Einsatzgeometrie, die Spanabfuhr und die Werkzeuganforderungen.

Der Anstellwinkel des Werkzeugs beeinflusst die Richtung/Größe der Axial- und Radialkraft. Nasenradius und -winkel wirken sich entscheidend auf die Kraftreduzierung aus – eine allgemeine Regel besagt, dass der Nasenradius etwas kleiner als die Schnitttiefe sein sollte. Für das Innendrehen erzeugen Geometrien mit positivem Spanwinkel geringere Schneidkräfte als negative Alternativen. Materialien mit geringer Reibung wie Keramikeinsätze, dünnbeschichtete Einsätze oder unbeschichtete Einsätze erzeugen typischerweise reduzierte Schneidkräfte und werden bevorzugt.

Die Spanabfuhr erweist sich als entscheidend für Leistung und Sicherheit bei der Innenbearbeitung. Kurze Späne erhöhen den Stromverbrauch, die Vibrationen und den Kraterverschleiß, während lange Späne zu Abfuhrproblemen führen. Ideale Späne sind kurz und spiralförmig, was die Entfernung mit minimalem Schneidkantendruck erleichtert.

Die Zentrifugalkraft treibt die Späne nach außen, obwohl sie oft im Loch verbleiben und möglicherweise sowohl das Werkstück als auch das Werkzeug beschädigen, wenn sie gegen bearbeitete Oberflächen gedrückt werden. Die Verbesserung der Spanabfuhr beinhaltet die Anwendung von internem Schneidmittel oder Druckluft durch Spindelkanäle. Rückwärtsbohren hilft, Späne von der Schneidkante wegzuleiten. Reduzierte Schnittgeschwindigkeiten und kleinere Schneidköpfe maximieren den Spanfreiraum.

Die Auswahl des Innenbearbeitungswerkzeugs folgt diesen Prinzipien:

• Wählen Sie den größtmöglichen Bohrungsstangendurchmesser, während Sie einen ausreichenden Spanfreiraum beibehalten.
• Stellen Sie die Kompatibilität mit den Schnittparametern und der Spanbildung für eine reibungslose Abfuhr sicher.
• Minimieren Sie die Überhanglänge – die Spannlänge sollte das Dreifache des Stangendurchmessers überschreiten.
• Wählen Sie Anstellwinkel von über 75°, vorzugsweise annähernd 90°, um die Kräfte entlang der Stangenachse zu lenken.
• Wählen Sie Geometrien mit positivem Spanwinkel, um die Durchbiegung zu minimieren.
• Verwenden Sie Nasenradien, die kleiner als die Schnitttiefe sind.
• Vermeiden Sie Vibrationen durch unzureichenden Eingriff (reibungsdominiert) oder übermäßigen Eingriff (große Tiefe/Vorschub).
• Bevorzugen Sie Keramik- oder dünnbeschichtete/unbeschichtete Einsätze für reduzierte Schneidkräfte, insbesondere bei hohen Längen-zu-Durchmesser-Verhältnissen.
• Offene Spanbrechergeometrien kommen Bohroperationen im Allgemeinen zugute.
• Einsätze mit höherer Festigkeit können bei Spanpackungs- oder Vibrationsproblemen erforderlich sein – modifizierte Werkzeugwege können die Spanbildung verbessern.