Bohrmaschine
Bohrmaschinen sind Werkzeugmaschinen mit rotierendem Werkzeug und dienen zur Herstellung von verschiedenen Bohrungen mit Rotationssymmetrie. In der DIN 8580 werden sie den Fertigungsverfahren trennende Bearbeitung unter spanende Fertigungstechnik mit geometrisch bestimmter Schneide zugeordnet. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Einsatzmöglichkeit in vielen Branchen, unter anderem in der Metall-, Holz-, Kunststoff und Steinindustrie, besitzen sie eine große betriebs- und volkswirtschaftliche Bedeutung.
Inhaltsverzeichnis
Allgemeine Beschreibung
Die Aufgaben von Bohrmaschinen sind die Arbeitsvorgänge Bohren mit Spiralbohrern oder Bohrmeißeln, Senken, Reiben und Gewindebohren, auch Gewindeschneiden genannt. Dabei erforderlich ist es laut DGUV Regel 100-500, dass das Werkstück durch eine form- oder kraftschlüssig erzeugte Fixierung oder in Folge seines Eigengewichtes unbeweglich ist. Das Werkzeug rotiert während des Bohrens und besitzt lediglich je einen rotatorischen und einen translatorischen Freiheitsgrad in Z-Richtung. Bei zusätzlichen Freiheitsgraden in X und Y-Richtung bezeichnet man das Verfahren als Fräsen.
Bohrmaschinen lassen sich einteilen nach der Lage der Hauptspindel oder deren Anzahl, dem Gestellaufbau oder Werkstückart:
- Lage der Hauptspindel :
- - senkrechte Hauptspindel
- - waagerechte Hauptspindel
- - Schwenkbare Hauptspindel
- Anzahl der Hauptspindeln
- - Einspindelbohrmaschinen
- - Reihenspindelbohrmaschinen
- - Mehrspindelbohrmaschinen
- Gestellaufbau
- - Tischbohrmaschine
- - Säulenbohrmaschine
- - Kastenbohrmaschine
- - Ausleger-/Radialbohrmaschine
- - Einständerbohrmaschine
- - Zweiständer-/Koordinatenbohrmaschine
- - Tiefbohrmaschine
- Werkstückart
- - Tieflochbohrmaschine
- - Koordinatenbohrmachine
Eine zusätzliche Ausführung ist die Handbohrmaschine mit der sich kleinere bis mittlere Bohrungen an sperrigen oder ortsfesten Maschinenteilen herstellen lassen. Meist kommen diese bei Montagevorgängen zum Einsatz und lassen sich durch entsprechendes Werkzeug auch zum Beispiel zum Erzeugen von lösbaren Verbindungen wie Schrauben oder Gewindenieten einsetzen und sind damit vielseitig anwendbar. Handbohrmaschinen können durch die Energieversorgung in Akkubohrmaschinen und Handbohrmaschinen mit kabelgebundener Stromversorgung unterteilt werden.
Bauweisen
Verbreitete Bauweisen
Im Folgenden werden die wichtigsten Bauweisen Säulenbohrmaschine, Ständerbohrmaschine, Radialbohrmachine, Tiefbohrmaschine und Portalbohrmachine näher erläutert und beschrieben:
Säulenbohrmaschine
Säulenbohrmaschinen werden für Bohrdurchmesser bis 50 mm eingesetzt und bestehen im Wesentlichen aus dem Maschinenfuß, der Säule und dem Maschinenkörper und einem Tisch.
Der Maschinenfuß, meist aus Grauguss hergestellt, sorgt für einen sicheren Stand der Maschine. In ihm sind in vielen Modellen zusätzlich Hohlräume geschaffen für ein Kühlmittelreservoir. Durch seine massive Ausarbeitung ist der Maschine trotz ihrer länglichen Bauform ein Stand ohne eine Verankerung im Bode möglich.
Die Säule stellt als Träger für Maschinenkörper und Tisch das Hauptelement der Maschine dar. In ihr sind zusätzlich Kanäle für die Kühlmittelversorgung und Rückführung, sowie Stromkabel für die Energieversorgung. Zur Höhenverstellung des Tisches besitzen gängige Modelle eine verzahnte Führung auf der Rückseite der Säule welche gelagert ist und sich zusammen mit dem Tisch um die Säule drehen lässt.
Der Tisch ist in der Regel auch aus Grauguss und wird zusätzlich noch durch Fräs- und Bohrarbeiten bearbeitet. Auf ihm wird das Werkstück abgelegt und fixiert. Durch eingefräßte T-Nuten oder Bohrungen werden Schnellspanner an dem Tisch fixiert, die entweder das Werkstück direkt einspannen oder eine Spannvorrichtung kraftschlüssig mit dem Tisch verbinden. Gleichzeitig werden vom ihm ein Großteil der Späne aufgenommen und das Kühlmittel aufgefangen und zurück zum Vorratsbehälter geleitet. Er besitzt weiterhin eine Handkurbel zur Höhenverstellung entlang der oben bereits erwähnten Führung und ist optional auf seinem Mittelpunkt drehbar. Aus Gründen der Sicherheit darf der Tisch während des Bohrbetriebes nicht drehbar sein und ist ebenfalls festzustellen.
Der Maschinenkörper ist Herz und Kopf der Bohrmaschine. In ihm sind Haupt- und Nebenantrieb, Getriebe, Hauptspindel und je nach Automatisierungsgrad die Steuerung untergebracht. Den Hauptantrieb übernimmt ein Gleichstrommotor mit gleichbleibender Drehzahl zur Sicherung der entsprechenden Momente. Das nachgeschaltete Getriebe ist in modernen Maschinen stufenlos zur exakten Einstellung der Drehzahl mit zwei bis vier Lastschaltstufen zur Vorauswahl des Drehzahlbereiches. Bohrmaschinen der unteren Preisklasse verfügen über keinerlei Einstellung der Drehzahl und sind für die industriellen und handwerklichen Benutzung ungeeignet. Sie sind eher für den privaten Gebrauch vorgesehen. Die Hauptspindel, auch Bohrspindel genannt, ist in der Pinole gelagert. Die Pinole verfügt über eine Zahnstange zur Bewegung entlang der Z-Achse. Die Bewegung kann handgesteuert, maschinell gesteuert oder eine Kombination aus beidem sein. Die kombinierte Ausführung ist am häufigsten anzutreffen, da mit ihr sowohl eine unkomplizierte Betätigung per Hand möglich ist, als auch der Einsatz eines Vorschubs. Der Vorschub wird von einem Nebenantrieb betrieben und ist meist stufenweise einzustellen, je nach Material und Bohrdurchmesser. Am unteren Ende der Pinole ist eine konische Bohrung, Morsekegel genannt, anzutreffen in der ein Bohrfutter oder ein Bohrer mit konischen Ansatz eingespannt werden kann. Die Bohrer mit konischen Ansatz sind ab einem Bohrdurchmesser ab 13 mm üblich, da für größere Bohrer ein Bohrfutter zu groß werden würde.
Ständerbohrmaschinen
Die Ständerbohrmaschine ist mit einem stabilen Kastenständer anstelle einer Säule ausgestattet und erlaubt dadurch Bohrdurchmesser von bis zu 90 mm. Das und der Bohrvorschub sind die beiden Hauptsächlichen Unterscheidungsmerkmale zur Säulenbohrmaschine. So ist die Pinole bei dieser Bauweise nicht in Längsrichtung beweglich und der Bohrschlitten übernimmt hauptsächlich den Vorschub. Die Lagerung der Bohrspindel ähnelt dabei der einer Drehmaschinenspindel. Die Vorschubgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit zur Bohrerdrehzahl über über ein Vorschubgetriebe übersetzt. Das Spindelgetrieb liegt häufig als CVT-Getriebe vor. Durch den stabileren Ständer lassen sich im Vergleich zur Ständerbohrmaschine wesentlich schwerere Werkstücke bearbeiten.
Radialbohrmaschine
Vorrangig ist die Radialbohrmaschine für das Arbeiten an unhandlichen und schweren Werkstücken konzipiert. Aufgrund ihres Aufbaus kann das Werkzeug an nahezu jede Stelle des ruhenden Werkstückes positioniert werden. In der DIN 55051 wurden Radialbohrmaschinen bezüglich der Baugrößen wie folgt beschrieben: Bohrdurchmesser 32 - 80 mm, Ausladung 1000 - 3150 mm und Höhe zwischen Spindel und Fuß 1250 - 2240 mm. Am 04. Juli 1972 wurde die Norm ohne Ersatz zurückgezogen wurde, da diese nicht mehr dem Stand der Technik entsprach. Diese Bohrmaschinen fallen jetzt unter die DIN EN 12717 sowie ISO 2423. Die ungefähre Proportion der Angaben liefert jedoch auch heute noch Aufschluss über das ungefähre Ausmaß der Maschinen. Der konstruktive Aufbau von Maschinenfuß, Säule und Vorschub- und Hauptgetriebe liegt wie folgt vor:
Auf dem Maschinenfuß ist eine Grundplatte anzufinden auf der die Werkstücke, ein Kasten-Winkel- oder Schwenktisch befestigt werden können. Ebenfalls dort angebracht ist die Lagerung der Säule.
Die zylindrische Säule besteht aus einer Innen- und einer Außensäule und ist mit einem schwenkbarem Ausleger versehen, welcher den Bohrschlitten und den Maschinenkörper trägt. Die Innensäule ist dabei mit dem Maschinenfuß verbaut. Oben ist die Außensäule in einem Rillenkugellager mit der inneren Säule beweglich verbunden und unten in einem Rollenlager zur Aufnahme größerer Kräfte. Während des Bohrbetriebes werden Säule und Ausleger mit Spannklammern fixiert zum Verhindern von einem Bewegen und daraus resultierenden Schwingungen. Durch diese Ausführung ist es dem Bediener ermöglicht das oft sperrige Werkstück in sicherer Lage auf der Grundplatte oder der Erweiterung zu platzieren und trotzdem die gewünschte Position für den Arbeitsschritt zu erreichen. Für den Arbeitsschutz ist dies ein enormer Vorteil.
Vorschub- und Hauptgetriebe werden meist über eine Lamellen-Wendekupplung geschaltet und über ein Schaltgetriebe mit Schubrad übersetzt. Das Moment für den Vorschub wird von der Antriebswelle der Bohrspindel abgeleitet.
Tiefbohrmaschine
Als Tiefbohren bezeichnet man das Herstellen von Bohrungen von einem Verhältnis >10 bezüglich Durchmesser:Länge. Für diese Prozesse werden spezielle Tiefbohrmaschinen verwendet. Man unterscheidet sie anhand ihres Aufbaus hinsichtlich senkrechter und waagerechter Ausführung. Besonderheiten dieser Maschinenausführung sind der einstellbare Ausspanzyklus, eine mögliche Drehbewegung des Werkstückes gegensinnig gegenüber der Drehung des Bohrers sowie die innere Kühlschmierstoffzuführung durch Kanülen im inneren des Werkzeuges.
Spezialisierte Bauweisen
Im Folgenden werden Bohrmaschinen erläutert, die für spezielle Einsatzzwecke konzipiert sind oder über keine große Verbreitung verfügen. Zu ihnen zählen die Reihenbohrmaschine, Revolverbohrmaschine und Feinbohrmaschine:
Lehrenbohrwerk/Koordinatenbohrmaschine
Als Lehrenbohrwerk, heutzutage auch oft als Koordinatenbohrmaschine bezeichnet sind Hochpräzisionsmaschinen zum Herstellen von Bohrungen in der Feinmechanischen Fertigung. Ihre Bedeutung hat seit 2000 stark nachgelassen, da sie mittlerweile durch Bohr-Fräs-Bearbeitungszentren mit noch genaueren Toleranzen abgelöst wurden. Sie waren lediglich zum schlichten vorgearbeiteter Bohrungen im Einsatz, für den Fall, dass die Genauigkeit einer Reibahle nicht mehr ausreichte. In der Regel beträgt die Spanabnahme beim lehren lediglich 0,3 mm.
Revolverbohrmaschine
Der Begriff Revolverbohrmaschine bezieht sich auf das spezielle Bohrfutter der Maschine. Dabei besitzt sie ein drehbares Schnellwechselfutter, welches die Aufnahme mehrerer Werkzeuge ermöglicht. Durch das Drehen des Revolverkopf, benannt nach seinem Aussehen ähnelnden Revolvertrommel, wird das senkrecht nach unten stehende Werkzeug als letztes Glied der kinematischen Kette des Kraftverlaufes eingesetzt. Von Vorteil ist dies, wenn mehrere Arbeitsvorgänge an einer Bohrung vorgenommen werden müssen mit vielen Wiederholungen. Ein Beispiel könnte sein: Vorbohren, Fertigbohren, Senken und abschließend Gewindebohren. Ohne den Revolverkopf müsste der Bediener für eine Bohrung vier mal das Werkzeug wechseln oder für jeden Prozessschritt das Werkstück neu ausrichten.
Reihenbohrmaschine
Reihenbohrmaschinen, auch Mehrspindelbohrmaschinen genannt, sind Bohrmaschinen mit mehr als einer Bohrspindel. Sie kommen in der Massen und Serienfertigung zum Einsatz,da sie einen vergleichbar hohen Investitionsbedarf darstellen. Eine Variante dieser Maschinen sind die Gelenkspindelbohrmaschinen. Sie besitzen die Möglichkeit den Abstand der Bohrspindeln zu verändern. Bei der Reihenbohrmaschine sind diese fest angeordnet.
Bohrwerkzeuge und ihre Verwendung
Grundsätzlich besitzen geometrisch bestimmte Schneiden drei Winkel: den Frei-, Keil- und Spanwinkel. Dabei sind die neben der Geometrie auch die Anzahl der Schneiden bekannt. Folgende Bohrwerkzeuge sind Marktüblich:
- Spiralbohrer : Spiralbohrer sind der am häufigsten anzutreffende Bohrertyp. Ihre wendelartige Form führt das zerspante Material aus der Bohrung ab und besitzt somit eine optimale Bauform für Sack oder Durchgangsbohrungen. Ihre zwei symmetrischen Schneiden sorgen unter der rotierenden Bewegung für die Abspanung und sind damit auch für den Einsatz an einer Fräse geeignet, vorausgesetzt es soll lediglich in Z-Richtung gearbeitet werden. Die Schneiden unterteilen sich jeweils in Haupt-, Neben- und Querschneide. Alternativ können sie auch in den Reitstock einer Drehbank eingesetzt werden zum zentrierten Aufbohren des rotierenden Werkstückes. Es gibt Spiralbohrer speziell für Metall, Holz oder Stein. Der Markt bietet auch Universalbohrer an, allerdings sind diese nur bedingt sinnvoll und eher für den privaten Gebrauch gedacht. Mit ca. 25 besitzen Spiralbohrer den größten Anteil an den Bohrwerkzeugen. Für das Bohren in harte Stähle gibt es die Möglichkeit in den Bohrer feine Kanülen einzuarbeiten um die Bohrerspitze mit ausreichend Kühlflüssigkeit zu versorgen. Für Bohrungen mit verschiedenen, von außen nach innen abnehmenden Durchmessern wurden Spiralbohrer mit abgesetzten Stufen entwickelt. Dadurch kann eine Bohrung mit mehreren Durchmessern in einem Schritt hergestellt werden.
- Stufenbohrer : Stufenbohrer sind vorgesehen zur Vergrößerung vorgefertigter Bohrungen und werden auch Schälbohrer genannt. Sie eignen sich aufgrund ihrer Bauart zum Aufbohren von Blechen, Kunststoffen oder Holz mit geringer Dicke. Sie sind konisch, stufenförmig aufgebaut und häufig zur Erhöhung der Standfestigkeit mit Titan beschichtet. In der Regel besitzen sie mehr als zwei Schneiden, um sich besser in der Bohrung zu zentrieren und die Spanabnahme zu erhöhen und so die Annäherung an die Rotationssymemtrie zu erhöhen. Vollkommen symmetrisch sind Bohrungen mit einem Stufenbohrer nie, weswegen sie nur für Bohrungen mit hoher Toleranz eingesetzt werden. Eine gut geeignete Einsatzmöglichkeit ist zum Beispiel das Aufbohren von Kunststoff-Verteilerdosen zum Einsetzen von Kabeltüllen mit verschiedenen Durchmessern.
- Holzbohrer : Für Holz gibt es neben dem klassischen Spiralbohrer weitere weiterentwickelte Bohrerformen zur optimierten Bearbeitung. Ein weit verbreiteter Holzbohrer ist demnach der Forstnerbohrer für Sacklöcher mit großem Durchmesser und geringer Tiefe und der Schlangenbohrer für das Bohren tiefer Löcher. Ein klassischer Holzbohrer besitzt in der Mitte eine Zentrierspitze, optional mit Gewinde zum besseren Eindringen in das Holz, und einen halbrunden Anschliff der Schneide um zuerst die Fasern der äußeren Bohrkontur zu durchtrennen und ausreißen zu verhindern. Ein traditioneller Holzbohrer ist der Nagelbohrer, der vor allem zum Vorbohren für Nägel und Schrauben verwendet wurde.
- Ausspindler : Der Begriff Ausspindler dient zur Einordnung mehrerer Werkzeugausführungen mit dem Zweck vorhandene Bohrungen aufzubohren. An dem zylindrischen Schaft sind am Ende und wahlweise abgestuft an anderen Stellen Wechselschneiden angebracht. Dadurch können verschiedene Bohrdurchmesser einer Bohrung in einem Arbeitsschritt realisiert werden. Ausspindelwerkzeuge können nicht in volles Material eindringen und benötigen eine passend dimensionierte Vorbohrung. Sie sollten beim Schneiden nur wenig Material abnehmen, damit der Schaft nicht stark belastet wird und genaue Toleranzen möglich sind. Einige Hersteller bieten Varianten an, bei denen die Schneiden zusätzlich rechtwinklig zur Vorschubrichtung einstellbar sind und somit der Bohrungsdurchmesser individuell anpassbar ist. Dadurch, dass die Schneide sich nicht selbst zentriert bieten diese Bohrer den Vorteil Lagefehler von Bohrungen zum Beispiel beim Gießen nachzubessern. Diese Bohrer kommen meist in CNC-gesteuerten Maschinen zum Einsatz und und können geschuldet durch ihre Geometrie Späne während des Bohrprozesses nicht abführen und bedürfen daher eines Bohrzyklus.
- Wendeplattenbohrer : Bohrer mit Wendeplatten, die in Vorschubrichtung schneiden nennt man Wendeplattenbohrer. Sie sind im Grunde aufgebaut wie Ausspindler, unterscheiden sich aber anhand dessen, dass sie keiner Vorbohrung bedürfen und die Schneidplatten so angeordnet sind, dass sie über den gesamten Bohrdurchmesser schneiden. Für den Prozess des Tiefbohrens werden spezielle Wendeplattenbohrer eingesetzt, die zusätzlich über seitliche Führungen zentriert werden. Eine genauere Beschreibung erfolgt im Artikel Tiefbohren.
- Gewindeschneider : Gewindeschneider lassen sich grundlegend in zwei Kategorien einteilen: Innen- und Außengewindeschneider. Beide werden entweder in ein passendes Wendeisen eingespannt zum manuellen Gewindebohren oder werden in ein Spannfutter einer Bohrmaschine eingesetzt. Das einspannen in ein Bohrfutter ist nur für Innengewindeschneider möglich, bei Außengewinden wird das Gewinde auf einer Drehbank mit entsprechenden Werkzeugen hergestellt. Industrielle Bohrmaschinen besitzen spezielle Einstellmöglichkeiten zum Gewindebohren. Dabei läuft die Maschine in einem Kriechgang mit geringer Drehzahl von 10 bis 40 U/min und kehrt am Ende des Schneidprozesses die Drehrichtung automatisch um. Der Vorschub wird dabei nicht von der Maschine vorgegeben, sondern von der Gewindesteigung. Die Umkehr der Drehrichtung am Ende sorgt dafür, dass sich der Gewindebohrer wieder selbstständig aus dem Gewinde rausarbeitet. Bei Innengewinden wird das Gewinde in drei Schritten gefertigt mit einem Vor-, Mittel- und Fertigschneider da relativ große Kräfte auftreten und die Bohrer ansonsten schnell brechen können. Die einzelnen Bohrer sind mit einem Ring für den Vorschneider, zwei Ringen für den Mittelschneider und drei oder keinem Ring für den Fertigschneider gekennzeichnet. Auch Eingewindeschneider sind auf dem Markt zu finden, allerdings sind diese für den Einsatz an einer Maschine vorgesehen und für den manuellen Gebrauch ungeeignet. Vor dem Gewindeschneiden ist es erfolderlich ein Kernloch zu bohren, das dem Innendurchmesser des späteren Gewinde entspricht. Bei Außengewinden ist der Außenradius des Werkstückes dem Außenradius des späteren Gewindes anzupassen.
- Steinbohrer: Für das Bohren in Gestein und Beton werden Bohrer verwendet, die anstelle einer Schneide einen Meißel an der Spitze besitzen. Sie werden im Zusammenhang mit Borhämmern, auch Schlagbohrer genannt, eingesetzt die zusätzlich zur Rotationsbewegung in kurzen Intervallen translatorische Schlagbewegungen ausführen. Dadurch wird das Material des Bohrdurchmessers gemeißelt und durch die Drehbewegung ausbefördert. Der Schaft des Bohrers besitzt eine SDS-Aufnahme zur Aufnahme bzw. Abgabe der Schlagkräfte in Z-Richtung. Durch die Spitzen aus hochfesten Stahl können Steinbohrer trotz des stumpfen Meißels auch bedingt Stahl durchbohren, was bei dem Bohren von Stahlbeton notwendig ist.
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