Bohrer

BOHREN
SPIRALBOHRER

Spiralbohrer sind Schneidwerkzeuge, die zur Herstellung von Löchern mit Werkzeugmaschinen wie Drehmaschinen, Bearbeitungszentren, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen und Bohrständern eingesetzt werden. Sie werden in der mechanischen, dentalen, automobilen, sanitären, hydraulischen, Ventil-, Haushaltsgeräte- und Elektrowerkzeugindustrie verwendet. Diese Bohrer kommen auch bei Freiberuflern für Montage, Reparaturen, Prototypenbau und Hobbyprojekte zum Einsatz. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und weiten Verbreitung haben sich Spiralbohrer im Laufe der Zeit stark weiterentwickelt, sodass Nutzer heute aus einer breiten Auswahl wählen können.
Die Auswahl eines Spiralbohrers richtet sich nach mehreren Kriterien, die wir im Folgenden auflisten:

- Werkstoff des zu bohrenden Werkstücks
- Bohrerdurchmesser
- Bohrtiefe
- Art der Bohrerkühlung
- Kühlmitteldruck
- Produktionsmenge
- Art der verwendeten Maschine
- Nutzungshäufigkeit

Sobald die genaue Anwendung feststeht, kann der passende Bohrer ausgewählt werden. Dabei ist zu beachten, dass Bohrer unterschiedliche Eigenschaften und Qualitätsstufen aufweisen, was zu einer großen Preisspanne führt.
Um einen Überblick über die große Vielfalt an Bohrern zu geben, können einige wesentliche technische Merkmale genannt werden, die sie unterscheiden:

- Bohrermaterial
- Bohrerbeschichtung
- Spiralwinkel
- Spanraumgeometrie
- Schleifart
- Spitzenwinkel
- Oberflächenrauheit der Nut

HSS-SPIRALBOHRER

HSS- (Schnellarbeitsstahl) und HSCO- (gesinterter Schnellarbeitsstahl) Spiralbohrer werden heute häufig für Wartungsarbeiten, Werkzeugeinsätze in der Einzelstückfertigung bei leicht spanbaren Stählen sowie von Kfz-Mechanikern für kleinere Auto- oder Karosseriereparaturen verwendet. Ihre Vorteile liegen in der extremen Kosteneffizienz und Langlebigkeit. Oft werden sie in Sets mit verschiedenen Durchmessern verkauft.
Diese Bohrer können auch auf nicht präzisen Automaten eingesetzt werden. Bei einer Fehlausrichtung der Spindeln laufen sie oft exzentrisch, ohne zu brechen.
Sie eignen sich auch mit einem hohen Spiralwinkel zum Bohren von Leichtmetalllegierungen.

HARTMETALL-SPIRALBOHRER

Hartmetall-Spiralbohrer sind derzeit die am weitesten verbreitete Art für alle Werkzeugmaschinenanwendungen. Sie bieten ein breites Einsatzspektrum, hohe Leistung und Wirtschaftlichkeit bei großen Serien sowie häufiger Verwendung in kleinen bis mittleren Produktionsmengen. Diese Bohrer eignen sich für die Bearbeitung aller Materialien und Legierungen, einschließlich gehärteter Werkstücke und hochfester Werkstoffe. Sie sind in verschiedenen Spitzengeometrien erhältlich.
Viele Hartmetallbohrer verfügen über innere Kühlkanäle für die Hochdruckkühlmittelzufuhr. Zudem gibt sie es in unterschiedlichen Hartmetallqualitäten und Beschichtungen, um die Leistung zu steigern und die Standzeit zwischen den Schleifvorgängen zu verlängern.
In einigen Fällen werden sie zur Nachbearbeitung wärmebehandelter Teile eingesetzt. Für solche Anwendungen – insbesondere beim Bohren in einsatzgehärtete und angelassene Werkstücke – sollten sie jedoch vorwiegend auf CNC-Maschinen verwendet werden. Der gleichmäßige Vorschub der CNC-Steuerung verhindert ein Brechen des Bohrers beim Übergang von der gehärteten Oberfläche zum weicheren Kernmaterial.

WIE EIN SPIRALBOHRER HERGESTELLT WIRD

Ein Spiralbohrer wird aus einem massiven Hartmetallzylinder gefertigt, üblicherweise aus Wolframkarbid mit variierenden Korngrößen und gebunden mit denselben Matrixmaterialien wie Schneidwerkzeuge, Fräseinsätze und Drehmeißel.
Der Hartmetallrohling wird präzisionsgeschliffen, wobei eine zweischneidige Spiralnut eingearbeitet und ein perfekt zylindrischer Schaft mit h6-Toleranz für einen sicheren Halt im Werkzeughalter belassen wird. Die Spirale wird mit einer Steigung gefertigt, die durch einen bestimmten Neigungswinkel, den sogenannten Spiralwinkel, bestimmt wird.
Spiralwinkel, Nutlänge und Nutprofil werden an den zu bearbeitenden Werkstoff angepasst.

HARTMETALL-SPIRALBOHRER

Hartmetall-Spiralbohrer haben sich als Industriestandard für Werkzeugmaschinenanwendungen etabliert - dank ihrer Vielseitigkeit, hohen Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz, sowohl für Großserien als auch für wiederkehrende Kleinaufträge. Diese Bohrer verarbeiten alle Materialtypen, einschließlich gehärteter Werkstücke und hochfester Legierungen, und sind in verschiedenen Spitzengeometrien erhältlich. Viele Modelle verfügen über interne Hochdruck-Kühlmittelkanäle sowie spezielle Hartmetallsorten mit leistungssteigernden Beschichtungen zur Maximierung der Standzeit zwischen Nachschleifvorgängen.
Sie sind besonders wertvoll für die Nachbearbeitung wärmebehandelter Bauteile, wobei solche Operationen strikt auf CNC-Maschinen erfolgen sollten - besonders beim Bohren einsatzgehärteter Teile. Der kontrollierte Vorschub der CNC verhindert Werkzeugbruch beim kritischen Übergang zwischen gehärteten Oberflächen und weicherem Kernmaterial.

HERSTELLUNGSPROZESS VON SPIRALBOHRERN

Die Produktion beginnt mit einem Wolframkarbid-Zylinder, der der Verbundstruktur von Schneidplatten entspricht. Präzisionsschleifen formt eine zweischneidige Spiralnut bei gleichzeitiger Beibehaltung eines h6-tolerierten Schaftes für vibrationsfreies Einspannen. Die Spiralgeometrie - Winkel, Länge und Nutprofil - wird auf den Werkstoff abgestimmt.

KONSTRUKTIONSMERKMALE DER SPIRALE

Die Spiralgeometrie bestimmt die Spanabfuhrleistung und beeinflusst direkt die Schnittleistung. Die Nuten werden hochglanzgeschliffen (typischerweise unter Ra 0,4), um Spanreibung zu minimieren. Ungeeignete Spiralwinkel, raue Oberflächen oder übermäßige Vorschubgeschwindigkeiten behindern den Spanfluss und führen zu katastrophalem Werkzeugversagen. Während breitere Nuten die Spanabfuhr verbessern, verringern sie die strukturelle Steifigkeit; unzureichende Vorschübe riskieren dann thermische Schädigung der Hartmetallbindung.

PRÄZISIONSTECHNISCHE EIGENSCHAFTEN

Ein minimaler Rückkonus verhindert Reibung der Führungsleisten an den Bohrungswänden während des Betriebs. Entscheidender ist die präzisionsgeschliffene Führungsleiste (0,1-0,2x Bohrdurchmesser) an jeder Nut, die 50% oberhalb der Mittellinie mit 2° Freiwinkel positioniert ist. Dieses Design erfüllt drei wesentliche Funktionen: Stabilisierung des Bohrers gegen Rotationskräfte, Wahrung der Maßhaltigkeit der Bohrung und Neutralisierung von Torsionsspannungen, die zum Werkzeugbruch führen könnten. Die konstruktiv optimierte Position der Führungsleiste ermöglicht erst die konsistente Leistung beim Bohren gehärteter Materialien oder tiefer Kavitäten, wo Drehmomentschwankungen andernfalls vorzeitiges Versagen verursachen würden.

Bohrerspitzengeometrie und Schleiftechniken

Die Bearbeitung der Führungsfase entlang der Spiralnut, die oberhalb der Mittellinie erfolgt, bildet automatisch einen massiven Kern, der als „Stegdicke“ bezeichnet wird. Dieser Stegbereich ist der unwirksamste Teil des Bohrers beim Schneiden, da die Schnittgeschwindigkeit hier nahezu null beträgt – im Wesentlichen schneidet diese zentrale Zone nicht, sondern drückt sich durch das Material. Beim Anschliff der Hauptschneide entsteht dabei natürlicherweise der sogenannte „Meißelschneidenwinkel“.
Für ein effizientes Eindringen in das Material und einen optimalen Bohrprozess ist ein präziser Anschliff der Spitze entscheidend. Der Prozess beginnt mit dem Festlegen des Hauptschneidenwinkels (∂), der gleichzeitig die Vorschneide formt. Dieser Schleifvorgang erfordert höchste Präzision, da beide Schneiden absolut identisch und symmetrisch sein müssen.
Eine grundlegende Regel betrifft das Verhältnis der Schneiden zueinander: Der Abstand von Schneidenpunkt 1 zur Bohrersachse (S1) muss stets kürzer sein als der entsprechende Abstand von Schneidenpunkt 2 (S2). Die Bedingung S1 < S2 ist essenziell, um die korrekte Schneidgeometrie und Bohrleistung zu gewährleisten.

Die Stegdicke ist zwar für die Stabilität notwendig, stellt jedoch besondere Herausforderungen beim Schneidprozess dar. Da das Material in dieser zentralen Zone nicht geschnitten, sondern komprimiert wird, ist eine optimale Spitzengeometrie entscheidend, um die benötigte Vorschubkraft zu minimieren und eine Kaltverfestigung des zu bohrenden Materials zu vermeiden.

Optimale Schneidenwinkel und Anpassung an den Bohrerdurchmesser

Der optimale Winkel der Hauptschneide variiert je nach spezifischen Bohrbedürfnissen. Dieser kritische Winkel wird typischerweise anhand des Bohrerdurchmessers angepasst, um die beste Leistung zu erzielen.
- Bei kleineren Bohrern (Durchmesser 1–3 mm) ist ein Spitzenwinkel von 120° Standard. Diese Konfiguration gewährleistet eine präzise Führung und verhindert ein Verlaufen des Bohrers.
- Bei mittleren Durchmessern (3–4,5 mm) wird ein 130°-Winkel empfohlen.
- Für größere Bohrer (über 4,5 mm) ist ein 140°-Winkel ideal.

Technische Begründung:

Kleinere Bohrer profitieren von spitzeren Winkeln, da sie anfälliger für Abweichungen sind. Größere Bohrer hingegen sind stabiler, sodass ein stumpferer Winkel die axiale Vorschubkraft reduziert, ohne die Präzision zu beeinträchtigen. Der 140°-Winkel bei großen Durchmessern verringert zudem die benötigte Eindringkraft in den Werkstoff.
Die beigefügte Abbildung veranschaulicht alle wesentlichen geometrischen Merkmale eines Spiralbohrers, einschließlich dieser Winkelbeziehungen und ihres Einflusses auf die Bohrleistung. Durch diese systematische Anpassung des Spitzenwinkels wird die Effizienz über das gesamte Größenspektrum hinweg optimiert.

Schleifgeometrien für Haupt- und Meißelschneide bei Spiralbohrern

Spiralbohrer verfügen über verschiedene Anschliffvarianten, die präzise auf die Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffarten abgestimmt sind. Diese speziellen Spitzengeometrien erfüllen mehrere wesentliche Funktionen gleichzeitig: Sie gewährleisten ausreichend Raum für eine effiziente Spanabfuhr und erhöhen gleichzeitig die strukturelle Stabilität der Hauptschneiden.

Besonderes Augenmerk liegt auf der Optimierung der Meißelschneidengeometrie. Durch eine maximale Ausdünnung der Stegdicke entsteht eine schärfere zentrale Schneidkante, die die erforderliche Vorschubkraft beim Eindringen in Vollmaterial erheblich reduziert. Die dargestellten Schleifprofile stellen jeweils Lösungen für spezifische Bearbeitungsherausforderungen dar.

Einige Geometrien sind für maximale Stabilität bei harten Materialien konzipiert, während andere besonders auf gute Spanabfuhr bei zähen Legierungen ausgelegt sind. Allen gemeinsam ist die ausgewogene Balance zwischen notwendiger Werkzeugsteifigkeit und minimalem Schnittwiderstand im kritischen Zentrumsbereich, wo konventionelle Bohrer typischerweise auf die größten Eindringwiderstände stoßen.

Diese fortschrittlichen Spitzendesigns bewirken eine entscheidende Verbesserung: Sie transformieren die normalerweise vorherrschende Stauchwirkung im Bohrerkern in eine wesentlich effizientere Schneidbewegung. Dieser technologische Fortschritt ermöglicht signifikante Verbesserungen bei Bearbeitungsqualität und Werkzeugstandzeit.

KRÄFTE BEIM BOHREN

Beim Bohren wirken hauptsächlich zwei Kräfte:

Die Kraft F1 entsteht entlang der Schneidfläche (innerhalb der Wendelfläche) und geht von einem Punkt aus, der sich bei einem Viertel des Bohrerdurchmessers (Ø/4) befindet und senkrecht zur Winkelhalbierenden des Hauptschneidenwinkels ausgerichtet ist. Dieses Kräftesystem erzeugt einen Resultierendenvektor in Richtung der Bohrerspitze, der Schwingungen des Werkzeugs verhindert und eine präzise Lochbildung im Werkstück gewährleistet.

Der Zusammenhang zwischen der Spitzengeometrie und der Bohrstabilität wird deutlich – ein zu großer Spitzenwinkel verursacht ein Abweichen des Bohrers, da das Werkzeug dazu neigt, sich vom Zentrum zu entfernen, während ein zu spitzer Winkel den Druck auf den Stegbereich erhöht und möglicherweise zum Bruch führt. Die Richtung von F1 ändert sich signifikant mit Variationen des Anschliffs der Hauptschneide.

Gleichzeitig bewirkt die Resultierende F eine Abwärtsablenkung von der idealen Frontalachse. Um diesen Effekt auszugleichen – und zugleich die Fliehkräfte bei der Rotation zu kompensieren (besonders wichtig bei Drehmaschinenoperationen) – wurde die Führungsbahn (Land) entwickelt. Die Größe dieser Kräfte hängt grundsätzlich vom spezifischen Schnittwiderstand des Materials (Ks-Faktor) ab und lässt sich in zwei Komponenten zerlegen: Radialkraft Q1 und stabilisierende Kraft Q2.

Ein entscheidender mechanischer Effekt entsteht, wenn der Hauptschneidenwinkel zunimmt – Q1 verringert sich, während Q2 proportional ansteigt. Diese Kraftumverteilung beeinflusst die Zentrierstabilität beim Bohren, was darauf hindeutet, dass der Bohrer unter bestimmten Bedingungen mit ausreichend spitzen Winkeln theoretisch zusätzliche Unterstützung bei leichten Außendrehoperationen bieten könnte, die gleichzeitig mit dem Bohren durchgeführt werden. Spezielle Spitzengeometrien können diesen Effekt optimieren, insbesondere bei profilierten Bohrern.

Letztlich repräsentiert die Kraft F die wesentliche Schnittkraft, die zur Berechnung des erforderlichen Bohrerdrehmoments und Leistungsbedarfs dient und somit die Grundlage für Prozessoptimierung und Werkzeugleistungsanalyse bildet. Die sorgfältige Ausbalancierung dieser Kräfte durch präzise Spitzengeometrie gewährleistet effizienten Materialabtrag bei gleichbleibender Maßgenauigkeit und Werkzeugstandzeit.

VOLLSTÄNDIGE BOHRBERECHNUNGSFORMELN

Dieser Abschnitt stellt die wesentlichen Formeln zur Berechnung der Bohrparameter für verschiedene Materialien vor, einschließlich der Zykluszeitenschätzung basierend auf den zuvor referenzierten Tabellen. Wir betrachten detaillierte Berechnungen für Leistungsbedarf, Drehmoment und Vorschubkraft – entscheidende Daten, um festzustellen, ob der Bohrer radialen Bearbeitungslasten standhält und ob die Spannzange ausreichende Klemmkraft bietet, um ein Rutschen des Werkzeugs zu verhindern. Diese Berechnungen müssen auch zusätzliche radiale Belastungen durch sekundäre Werkzeuge berücksichtigen und sicherstellen, dass der Motor über ausreichende Leistung für den Bohrprozess verfügt.

WICHTIGE PARAMETER:

- Drehzahl (n)
- Bohrerdurchmesser (Øp)
- Schnittgeschwindigkeit (Vt)
- Mittlere Schnittgeschwindigkeit (Vm = Vt/2)
- Vorschub pro Umdrehung (a)
- Spandurchschnittsfläche (A, in mm²)
- Zeitspanvolumen (Q, in cm³/min)
- Motorleistung (Pmot)
- Drehmoment / Spannmoment (Mc, in Nm)
- Vorschubkraft (Ff, in N)
- Spandicke (h, in mm)
- Spezifische Schnittkraft (F, in N/mm²)
- Vorschubgeschwindigkeit (Vs, in mm/min)
- Motorwirkungsgrad (η)
- Materialkonstante (K)

Berechnungsreihenfolge:

Diese Formeln bieten einen systematischen Ansatz zur Optimierung von Bohrprozessen bei gleichzeitiger Sicherstellung der Werkzeugintegrität und Prozessstabilität. Der variable Hebelarm (b) und materialspezifischen Konstanten (K) ermöglichen maßgeschneiderte Berechnungen für unterschiedliche Bearbeitungsbedingungen.

SPANBILDUNG BEI BOHRVORGÄNGEN

Der Zusammenhang zwischen Spanmorphologie und Schneidparametern spielt eine entscheidende Rolle für die Bohrleistung. Die beigefügten Abbildungen zeigen, wie sich die Spanform mit variierenden Vorschubgeschwindigkeiten und Schnittgeschwindigkeiten verändert. Durch geeignete Parameterwahl lässt sich die Spanbildung gezielt steuern – bei niedrigen Geschwindigkeiten und Vorschüben erscheinen die Späne weißlich mit allmählich verlängerten Enden, während erhöhte Parameter kompakte, glänzende Späne erzeugen. Diese morphologischen Veränderungen resultieren aus Temperaturschwankungen beim Schneiden, wobei höhere Temperaturen das Spanbrechen begünstigen. Bestehende Stahl- und Aluminiumlegierungen erzeugen jedoch unabhängig von den Bearbeitungsparametern stets lange Späne.

KONVENTIONELLES NACHSPITZEN VON HARTMETALLBOHRERN

Obwohl Hartmetallbohrer nachgeschliffen und aufgearbeitet werden können, weisen sie typischerweise einen Effizienzverlust von 30 % nach dem Schärfen auf. Diese Leistungsminderung stellt erhebliche Herausforderungen für Großserienhersteller dar, die häufig den Werkzeugwechsel einer Nachbearbeitung vorziehen, um die Produktionsqualität zu erhalten. Drei Hauptfaktoren tragen zu diesem Effizienzverlust bei:

Übermäßiger Schneidkantenverschleiß über 0,15 mm beeinträchtigt die Werkzeugintegrität, indem die Bindephase (typischerweise Kobalt) oxidiert und aufgeweicht wird, was Wolframkarbidpartikel lösen kann. Der Schleifprozess selbst erzeugt Temperaturen von 500–600 °C, die den Binder erneut oxidieren und Beschichtungen beschädigen können – besonders problematisch beim Entfernen dünner Beschichtungen (≈0,003 mm), die nahe der Oxidationsschwelle des Bindematerials liegen.

Das erneute Auftragen von Beschichtungen kann zu übermäßiger Dicke führen, wodurch die Schneidkante abstumpft und Betriebswärme entsteht, die die Standzeit weiter verringert. Zusätzlich können schleifbedingte Mikrograten an den Hauptschneiden das Ablösen von Karbidpartikeln einleiten, was zu vorzeitigem Werkzeugversagen führt.

FORTGESCHRITTENE NACHBEARBEITUNG UND SCHNEIDKANTENRESTAURIERUNG

Die Wiederherstellung neuwertiger Leistung durch Nachschleifen erfordert spezialisierte Verfahren zur Stabilisierung des Bindematerials und der Beschichtungsintegrität. Diese Präzisionsarbeit verlangt fachkundige Handhabung, und obwohl der Prozess komplex ist, bietet Tadaah technische Kriterien für optimale Ergebnisse sowie After-Sales-Unterstützung.

Entscheidende Erfolgsfaktoren sind die Begrenzung des Verschleißes vor dem Schleifen auf unter 0,15 mm sowie der Einsatz feinkörniger Diamantschleifscheiben mit kontrollierter Temperaturführung. Bei Beschichtungen über 5 μm Dicke ist eine chemische oder EDM-Entfernung notwendig. Die Nachschleifkontrolle unter 20–50-facher Vergrößerung gewährleistet eine vollständige Beschichtungsentfernung, gefolgt von einer Ultraschallreinigung mit Aceton. Eine thermische Nachbehandlung wird obligatorisch, wenn die Temperaturen beim Schleifen 500 °C überschreiten.

Der Prozess schließt mit einem Honen zur Beseitigung von Mikrograten und einer präzisen Neubeschichtung ab. Obwohl dieser umfassende Ansatz die Kosten konventioneller Nachschleifverfahren übersteigt, erreicht er eine neuwertige Leistung – eine Investition, die sich für hochwertige Hartmetallbohrer in anspruchsvollen Anwendungen rechtfertigt.

TECHNISCHE ANMERKUNG: Die beschriebene Methodik erfordert spezialisierte Ausrüstung und Expertise, wodurch sie sich besonders für hochwertige Werkzeuge eignet, bei denen die Leistung die zusätzlichen Bearbeitungskosten rechtfertigt.