mini|Bohrer mini|Bohren auf einer Drehmaschine aus der Perspektive des Bohrers mini|Alte Auslegerbohrmaschine Bohren ist ein spanendes Fertigungsverfahren, das der Fertigung von Bohrungen dient. Da die Geometrie der Schneiden eines Bohrers bekannt ist, zählt es in der Einteilung der Fertigungsverfahren zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, zu dem auch das Drehen und Fräsen zählen. Definiert ist es in der DIN 8589 gemeinsam mit dem Senken und Reiben, die alle über dieselbe Kinematik verfügen, also dieselbe lineare, rotierende Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück aufweisen. Das Senken und Reiben wird als präzisere Variante des Bohrens eingesetzt. Diese können jedoch nur eine bereits vorhandene Bohrung verbessern, während mit dem Bohren auch ins Volle gebohrt werden kann. Bei allen drei Verfahren werden immer innenliegende Flächen erzeugt, die häufig zylindrisch sind, jedoch immer rotationssymmetrisch. Sowohl die Handwerkzeuge als auch die Werkzeugmaschinen werden als Bohrmaschinen bezeichnet.
Das Bohren ist bereits seit der Steinzeit bekannt. Die heute weit verbreiteten Spiralbohrer gibt es jedoch erst seit etwa 1840. Zuvor wurde der Löffelbohrer genutzt. Beim Bohren ist die Schnittgeschwindigkeit am Umfang des Werkzeuges am größten und fällt zur Mitte hin auf Null ab. Dort wird der Werkstoff nicht geschnitten, sondern von der Spitze nach außen gedrückt. Das Bohren ist eines der wichtigsten spanenden Fertigungsverfahren. Schätzungen zufolge macht es etwa die Hälfte der gesamten Bearbeitungszeit aus, was jedoch auch daran liegt, dass es vergleichsweise unproduktiv ist.
Beim Bohren entsteht viel Wärme an der Spitze des Bohrers. Da die Bearbeitungsstelle schlecht zugänglich ist, kann die dort entstehende Wärme ebenso schlecht abgeführt werden wie die dort entstehenden Späne. Die Wendel der verbreiteten Wendelbohrer dienen dazu, einerseits Kühlschmiermittel zuzuführen und andererseits die Späne abzutransportieren. Die meisten Bohrungen sind etwa zwei- bis fünfmal so tief wie breit. Bei tieferen Bohrungen spricht man vom Tiefbohren, für das spezielle Tiefbohrwerkzeuge existieren, da sich bei Wendelbohrern Späne und Kühlschmiermittel gegenseitig blockieren würden.
Beim Bohren rotiert üblicherweise das Werkzeug um seine eigene Achse und vollführt so die Schnittbewegung. Die Vorschubbewegung kann durch die Bewegung des Bohrers oder des Werkstücks erfolgen. Auf Säulen- und Ständerbohrmaschinen wird statt des Werkzeuges das Werkstück bewegt. Auf Drehmaschinen kann ebenfalls gebohrt werden, falls die Bohrachse mit der Drehachse zusammenfällt. Dort rotiert jedoch meist das Werkstück um seine Achse und das Werkzeug vollführt nur die Vorschubbewegung. Zur Fertigung größerer, rotationssymmetrischer Innenflächen eignet sich das Innendrehen, das im Englischen als boring bezeichnet wird.
Geschichte der Bohrtechnik
mini|Bohren am Kreuz, 1496 Albrecht Dürer Bereits Ende des Paläolithikums (im Magdalenien) wurden durchbohrte Muscheln und Tierzähne als Schmuck getragen. Im Mesolithikum (8300–4000 v. Chr.) werden Knochen und Geweihe, Kleinschmuckstücke aus Stein, vereinzelt auch Steinscheiben durchbohrt. Die Steinbohrung wird das charakteristische Merkmal der Jungsteinzeit. Bei der Bohrtechnik in Gestein lassen sich zwei Arten unterscheiden:
Die „unechte Bohrung“: durch beidseitiges Picken werden sanduhrförmige Vertiefungen erzeugt, die ein doppelkonisches Bohrloch hinterlassen. Die „echte Bohrung“ lässt sich in die Voll- und die Hohlbohrung unterteilen.
Die Vollbohrung erfolgt mit einem rotierenden Bohrkopf aus Elfenbein, Hartholz, Stein oder Tierzähnen. Merkmal ist das V-förmige Bohrloch, das durch die Abnutzung des Bohrers entsteht.
Beide Techniken schleifen mit Wasser und einem Abrasionsmittel wie Quarzsand eine mehr oder weniger zylindrische Vertiefung ein. Wie Experimente ergaben, lassen sich je nach Rohmaterial und Bohrtechnik Tiefen zwischen 0,4 mm und 0,7 mm pro Stunde erreichen.
Linsenbohrer Im vorderasiatischen Natufien (12.000–9700 v. Chr. zeitweise zeitgleich mit dem europäischen Magdalenien) wurden Linsenbohrer eingesetzt, um Steingefäße auszuhöhlen (es gab anfangs keine Keramikherstellung). Ein flacher, gewölbter oder konisch zulaufender rotierender Dioritstein ergab entsprechende flache oder tiefere Ausbohrungen mit mehr oder weniger steiler Wandung. Der Bohrkopf war mittels zweier Vertiefungen mit einem unten gegabelten Schaft verbunden. Mit der Bogensehne wurde der Bohrkopf in Drehung versetzt, bis der gewünschte Hohlraum erreicht war. Charakteristisches Merkmal sind die konzentrischen Ringe, die der Bohrvorgang hinterlässt. Die äußere Gestaltung des Gefäßes erfolgte in einem weiteren Arbeitsgang durch Schleifen.
Hohlbohrung Die Hohlbohrung (auch Zapfenbohrung): erfolgt mit hohlem Holz wie Holunder oder hohlen Halmen wie Schilfrohr, mit Hohlknochen (die mit Sand als Schleifmittel gefüllt werden konnten) und schnell rotierender Bohrstange. Pflanzliche Bohrer können benutzt werden, weil die eigentliche Schleifarbeit durch Quarzsand erfolgt, der um den Bohrer angehäuft wird. Erfolgt die Bohrung von einer Seite, fällt ein konischer Zapfen (Bohrkern) heraus. Typisch ist ein doppelkonisches Bohrloch, wenn von beiden Seiten gebohrt wird. Gegenüber der Vollbohrung wird ca. 1/3 der Zeit gespart.
Bohrantriebe Der Bohrkopf aus Knochen, Elfenbein oder Stein sitzt an der Spitze eines Holzstabes. Der Stab rotiert zwischen den Handflächen, wobei der Bohrer jedes Mal mehrere Umdrehungen macht. Um den Bohrstab mit Gegenlager (mit der Hand gehaltener, ausgehöhlter Stein) wird ein Riemen geschlungen und von zwei Personen hin und her gezogen, wobei der Bohrer schnell rotiert. Größere Wirksamkeit hat der Antrieb des Bohrstabs mittels Bogen (Bogenbohrer), der eine höhere Umdrehungszahl und -geschwindigkeit erreicht. Der Holzschaft mit dem Bohrkopf dreht sich in einem Gegenlager, das mit der Hand gehalten wird; mit der anderen Hand wird der Bogen hin und her bewegt, dessen einfach um den Holzschaft gelegte Schnur die Rotation erzeugt. Vermutlich gab es auch den Drillbohrer (Rennspindel, Dreule). Ein an einer Schnur befestigter, beim Drehen auf und ab gleitender Quergriff machte den Bohrer zum Drillbohrer. Die Bohrmaschine arbeitete wie der Bogenbohrer, nur wurde statt des etwa handgroßen Widerlagers ein Bohrgestell errichtet, wobei ein waagerechter Querbalken mit seinem Gewicht ständig auf den Bohrschaft drückt, der wie beim Fiedelbohrer von der Schnur des Bogens angetrieben wird.
Bohr- oder Schleifmittel Bohr- oder Schleifmittel waren Mischungen aus Harz und feinem Quarzsand oder Quarzsand mit Wasserzugabe bzw. der beim Bohren anfallende Gesteinsabrieb mit Wasser (Steinschliff).
Werkstückspektrum und wirtschaftliche Bedeutung Das Bohren macht einen großen Teil der BearbeitungszeitDirk Biermann: Allgemeines [zum Bohren]. In: Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur: Handbuch Spanen. 2. Auflage. Hanser, München 2014, S. 311. im Maschinenbau aus. Dies liegt aber auch daran, dass es vergleichsweise unproduktiv ist, also wenig Material pro Zeit entfernen kann (siehe Zeitspanvolumen). Der Spiralbohrer ist das am häufigstenWilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, Berlin 2008, S. 454. genutzte Werkzeug in der gesamten Zerspantechnik.
Bohrungen kommen an zahlreichen Werkstücken vor. Dazu zählen Durchgangsbohrungen, die auf beiden Seiten offen sind und Sacklochbohrungen, die einseitig offen sind, sowie Gewindebohrungen und Profilbohrungen, die von der zylindrischen Form abweichen. Zentrierbohrungen dienen dazu, die Mitte von Werkstücken zu markieren, um die Maßabweichungen beim Umspannen auf andere Maschinen zu minimieren. Die meisten durch Bohren hergestellten Bohrungen haben eine Tiefe von maximal dem Fünffachen des Durchmessers. Bei tieferen Bohrungen biegen sich die Werkzeuge, was zu schlechten Genauigkeiten führt. Mit speziellen Tiefbohrverfahren und Werkzeugen sind auch Tiefen bis zum 200-fachen des Durchmessers möglich. Werkstücke mit Bohrungen sind beispielsweise Motorblöcke, Schließzylinder an Türschlössern, Bremszylinder, Deckel und Gehäuse an Maschinen und Pumpen.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, Berlin 2002, S. 151f.
Bewegungen von Werkzeugen und Werkstücken In der Zerspantechnik werden allgemein zwei Spanungsbewegungen unterschieden: Die Schnittbewegung oder Hauptbewegung, die zum Abtrennen des Spans führt und die Vorschubbewegung, die für eine kontinuierliche Spanabnahme zuständig ist. Beim Bohren dreht sich üblicherweise das Werkzeug um seine Achse und dringt gleichzeitig entlang dieser Achse in das Werkstück ein. Die drehende Bewegung ist die Schnittbewegung, die andere die Vorschubbewegung. Die entsprechenden Geschwindigkeiten sind die Schnittgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit. Zwischen den jeweiligen Vektoren liegt beim Bohren immer ein rechter Winkel; beim verwandten Fräsen ändert sich dieser Winkel dagegen ständig.
Es gibt auch Varianten des Bohrens, bei denen die Bewegungen ganz oder teilweise durch das Werkstück übernommen werden:Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik. Verfahren, Werkzeuge, Berechnung. 11. Auflage. Springer Vieweg, Wiesbaden 2014, S. 82.Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur: Handbuch Spanen. 2. Auflage. Hanser, München 2014 Bei Ständerbohrmaschinen befindet sich das Werkstück auf einem höhenverstellbaren Tisch, über dem das Bohrwerkzeug um eine senkrechte Achse rotiert. Das Werkstück wird von unten in den Bohrer hineingeschoben; die Vorschubbewegung ist somit dem Werkstück zugeordnet. Auf Drehmaschinen rotieren die Werkstücke. Viele verfügen über eine Vorrichtung, mit der ein nicht rotierendes Bohrwerkzeug in das Werkstück hineingeschoben werden kann. Hier wird also die Schnittbewegung vom Werkstück übernommen. Auf Drehautomaten und Drehzentren mit Gegenspindel wird das Werkstück in Rotation versetzt und an ein gänzlich stehendes Bohrwerkzeug herangeführt. Die gesamte Spanungsbewegung wird damit vom Werkstück übernommen. Auf diesen Maschinen gibt es auch eine Variante ähnlich der auf gewöhnlichen Drehmaschinen. Um die Bearbeitungszeit zu verringern, drehen sich zusätzlich die Werkzeuge entgegen der Werkstückrotation, um so die Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen. Für die Präzisionsbearbeitung (Reiben) läuft das Werkzeug gleichsinnig mit dem Werkstück, aber mit geringerer Drehzahl. Damit wird die effektive Schnittgeschwindigkeit verringert, ohne das Werkstück abzubremsen, was für die gleichzeitig stattfindende Drehbearbeitung nachteilig wäre.Albert Herscher: Ein- und Mehrspindeldrehautomaten. In: Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur: Handbuch Spanen. 2. Auflage. Hanser, München 2014, S. 133.
Definition nach DIN 8589 und Unterschiede zum Fräsen mini|hochkant=0.4|Ein Fräswerkzeug Das Bohren wird häufig definiert als (spanende) Herstellung von Löchern oder Bohrungen, was jedoch auf viele Fertigungsverfahren zutreffen kann, darunter das Innendrehen und Zirkularfräsen.Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik. Verfahren, Werkzeuge, Berechnung. 11. Auflage. Springer Vieweg, Wiesbaden 2014, S. 92. In der DIN 8589 gibt es für alle spanenden Fertigungsverfahren eine exakte Definition, die auf den Begriffen der Schnitt- und Vorschubbewegung aufbaut und in der Fachliteratur bevorzugt wird. Das Bohren wird hier mit dem Senken und Reiben wegen der identischen Bewegung zusammengefasst:
Diese Formulierung lässt offen, ob sich die Werkzeuge oder Werkstücke bewegen. Die „geschlossene“ Schnittbewegung bezieht sich darauf, dass eine Schneide des Bohrers sich nach einer vollständigen Umdrehung wieder an der gleichen Stelle in der Bohrung befindet – nur etwas tiefer.
Das verwandte Fräsen ist dagegen folgendermaßen definiert: