Einige effiziente Bearbeitungsverfahren für die komplexe Tiefbohrbearbeitung

Heutzutage wird die Bearbeitung tiefer Bohrungen immer komplexer und anspruchsvoller. An Bauteile werden häufig zusätzliche Anforderungen gestellt, wie beispielsweise eine extrem geringe Oberflächenrauheit der Bohrungen, komplexe Innenkammern, stark variierende und charakteristische Übergänge im Bohrungsdurchmesser, komplexe Formkonturen, spezifisch geformte Nuten, regelmäßig strukturierte oder unterschiedlich variierende Gewinde sowie vielfältige Bohrungsrichtungen – all dies sind zusätzliche Merkmale, die nicht zum Standard gehören. Um solche Bohrungen mit extrem engen Toleranzen effizient herstellen zu können, sind nicht nur umfangreiche Erfahrungen und ausreichende Ressourcen im Bereich der Forschung und Entwicklung erforderlich, sondern es müssen auch Kunden mit hoher Kompetenz, gut ausgestatteten Anwendungsanlagen und substanzieller Stärke einbezogen werden, um gemeinsam auf dieses Ziel hinzuarbeiten.

Verschiedene Verfahren zur Bearbeitung komplexer TiefbohrungenEffiziente VerarbeitungMethodologien

Tieflochbearbeitung (DHM)

Es handelt sich um einen Bearbeitungsbereich, der von speziell für bestehende Anwendungen entwickelten Werkzeugen dominiert wird. Die Tieflochbearbeitung kommt in zahlreichen verschiedenen Branchen zum Einsatz, am weitesten verbreitet ist sie jedoch in der Energie- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Anfangs schien es, als ließen sich bestimmte Merkmale von Tiefloch-Bauteilen nicht realisieren. Doch die von Experten entwickelten maßgeschneiderten Werkzeuglösungen haben nicht nur die prozesstechnischen Probleme gelöst, sondern gewährleisten auch einen effizienten und fehlerfreien Betrieb.

Die stetig steigende Nachfrage nach komplexen Bohrungen sowie das dringende Bedürfnis nach kürzeren Bearbeitungszeiten haben die Entwicklung moderner Tiefbohrtechniken vorangetrieben. Seit Jahrzehnten ist das Tieflochbohren ein bewährtes Bearbeitungsverfahren unter Verwendung von Hartmetallwerkzeugen, doch mittlerweile zeichnet sich das Ausbohren des Bohrungsbodens als Engpass ab.

Heute basiert der Erfolg in diesem Bearbeitungsbereich häufig auf einer Kombination aus Standard- und Spezialwerkzeugkomponenten, die auf der Erfahrung bei der Konstruktion spezieller Werkzeuge für die Tieflochbearbeitung beruhen. Diese Werkzeuge verfügen über verlängerte, hochpräzise Schäfte mit Stütze sowie über verlängerte, hochpräzise Schäfte mit integriertem Reibahle, kombiniert mit neuartigen Schneidkantenrillen, in Verbindung mit dem Schneidstoff, einer hocheffizienten Kühlflüssigkeit und einer Spankontrolle. Dank hoher Durchdringungsrate und prozesssicherer Anwendung werden die gewünschten hochwertigen Ergebnisse erzielt.

Einige effiziente Bearbeitungsverfahren für die komplexe Tiefbohrbearbeitung

Zunächst müssen die in Abbildung 1 gezeigten Teile, bei denen das Tiefbohren unterbrochen wurde, tiefer gebohrt werden; anschließend müssen häufig verschiedene komplexe Merkmale bearbeitet werden. Der Erfolg bei der Tiefbohrung beruht in der Regel auf einer Kombination aus spezifischen Anforderungen und universellen Werkzeugelementen, wobei diese Werkzeugelemente auf Erfahrungen mit der Konstruktion von Sonderwerkzeugen basieren. Diese auf dem Bohrer vom Typ T-MAX 424.10 basierenden Sonderwerkzeuge sind Teil der Einrohr-Anwendung.

Beim Tieflochbohren werden Löcher mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm mit Hartmetall-Pistolenbohrern bearbeitet. Für Löcher ab 15 mm kommen jedoch in der Regel geschweißte Bohrer zum Einsatz, während für Löcher ab 25 mm Bohrer mit Wendeschneidplatten verwendet werden, um eine hohe Bohrleistung zu erzielen. Die moderne Wendeschneidplattentechnologie sowie Bohrstangensysteme eröffnen zudem neue Möglichkeiten für Spezialwerkzeuge zur Tieflochbearbeitung.

Es gibt einen Fall, in dem eine Bohrung in der Regel als sehr tief gilt, wenn ihre Tiefe das Zehnfache ihres Durchmessers beträgt. In besonderen Fällen, in denen die Bohrtiefe das 300-Fache des Durchmessers beträgt, ist für die Bearbeitung spezielle Technik erforderlich, wobei der Bohrvorgang entweder mit einem Einrohr- oder einem Zweirohrsystem durchgeführt werden kann. Angesichts des langwierigen Bearbeitungsprozesses am Boden dieser Bohrungen sind spezielle Bewegungsmechanismen, Werkzeugkonfigurationen und die richtigen Schneidkanten erforderlich, um die Bearbeitung von Kammern, Nuten, Gewinden und Formhohlräumen durchzuführen. Die Stützplattentechnik ist ein weiterer wichtiger Bereich, der im Bereich des Tieflochbohrens eine Schlüsselrolle einnimmt und sich mittlerweile als Teil der Tieflochbearbeitungstechnologie stark weiterentwickelt hat. Dazu gehören für diesen Bereich geeignete Werkzeuge, die eine höhere Leistungsfähigkeit bieten.

Einige effiziente Bearbeitungsverfahren für die komplexe Tiefbohrbearbeitung

Bei der Tiefbohrung müssen für Bohrungen mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm Hartmetall-Pistolenbohrer verwendet werden, Bei Bohrungen von 15 mm und mehr kommen hingegen in der Regel Bohrer mit geschweißten Schneiden zum Einsatz, während für Bohrungen ab 25 mm Bohrer mit Wendeschneidplatten verwendet werden. Sowohl in Einrohrsystemen als auch in Zweirohrsystemen mit Injektoren lassen sich diese Bohrungen äußerst effizient bearbeiten.

Technische Möglichkeiten

Die heutigen Fertigungsanforderungen erfordern eine Lösung für die Tieflochbearbeitung, die sich grundlegend von der mit Tieflochbohrern unterscheidet. Bei Tieflochbohrern muss in der Regel auf einer separaten Maschine ein Einschneid-Ausdrehvorgang durchgeführt werden, und selbst auf Multifunktionsmaschinen ist eine spezielle Spannvorrichtung erforderlich. Nehmen wir beispielsweise an, es soll ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 100 mm und einer Tiefe von mehreren Metern bearbeitet werden, wobei an einem Ende ein Gewinde vorhanden sein muss und der Durchmesser im Inneren des Lochs noch größer sein muss. Normalerweise werden diese Merkmale nach Abschluss des Bohrvorgangs durch einen Ausdrehvorgang in das Loch eingebracht, nachdem das Werkstück auf eine Drehmaschine verlegt wurde. Heutzutage vereint die Tieflochbearbeitung die Fähigkeit des Werkzeugs, Folgeoperationen auszuführen, ohne dass dabei Einschränkungen durch die Maschinenanpassung bestehen. Im Gegensatz dazu erweitert diese völlig neue Werkzeugtechnologie die Einsatzmöglichkeiten und ermöglicht es, diese Merkmale mit hohen Anforderungen innerhalb engerer Grenzen noch effizienter zu bearbeiten.

Einige effiziente Bearbeitungsverfahren für die komplexe Tiefbohrbearbeitung

Der Bereich der Erdölexploration liefert Beispiele für die Anwendung von Tiefbohrtechniken zur Durchführung einer hocheffizienten Bearbeitung komplexer Merkmale. Diese Bauteile sind etwa 5,2 m lang, weisen einige komplexe Merkmale auf und unterliegen extrem engen Toleranzen. Um die engen Toleranzen und eine hervorragende Oberflächengüte zu erreichen, umfasste die Werkzeuglösung zunächst das Bohren mit einem Durchmesser von 90 mm, anschließend erfolgt die Feinbearbeitung mit einem schwimmenden Reibahle. In einer Tiefe von 1,5 Metern wird eine Bohrung mit einem Durchmesser von 115 Millimetern gerieben; eine weitere Trennwand wird etwa auf halber Strecke in die Bohrung eingeführt, anschließend ebenfalls gerieben und durch Anfasen fertiggestellt. Abschließend wird eine Ausbohrung durchgeführt, gefolgt von einer Reibbearbeitung, um zwei Fasenkammern zu bilden, die ebenfalls auf die Endmaße gereibt werden müssen.

Universelle Tiefbohrwerkzeuge, die für Tiefbohrzentren weltweit geeignet sind, bieten maßgeschneiderte Lösungen für die Energiewirtschaft. Die Bearbeitungszeit konnte von ursprünglich über 30 Stunden auf 7,5 Stunden verkürzt werden. Bei dieser relativ komplexen Bohrung gewährleistet diese maßgeschneiderte Werkzeuglösung die erforderlichen engen Toleranzen sowie eine hohe Oberflächengüte. Der Prozess umfasst das Tieflochbohren sowie die Endbearbeitung mit einem schwimmenden Reibahle. Bei Erreichen einer Tiefe von 1,5 m werden das Reiben und Ausbohren des Lochs mit einem Durchmesser von 115 mm beendet. Anschließend wird der kürzere Abschnitt des Tieflochs gerieben und mit einer Fase versehen. Abschließend wurden Bohr- und Reibarbeiten durchgeführt, um zwei Fasenkammern zu bilden (die ebenfalls auf die Endmaße gerieben wurden).

Bei der konventionellen Bearbeitung muss ein Teil der Arbeiten auf der Maschine durchgeführt werden, was mehr als 30 Stunden in Anspruch nimmt. Mit der Lösung für die Tieflochbearbeitung unter Verwendung spezieller Werkzeuge konnte die Bearbeitungszeit jedoch drastisch auf 7,5 Stunden verkürzt werden.

Einige effiziente Bearbeitungsverfahren für die komplexe Tiefbohrbearbeitung

Abbildung 3

Effizienzsteigerung

Im Gegensatz zur mehrstufigen Aufspannung lässt sich durch den großserienmäßigen Einsatz der Tiefbohrtechnik tatsächlich eine hohe Produktionseffizienz erzielen. Da sich die Schnittzeit um achtzig Prozent verkürzt, ist dies auch nicht verwunderlich. Ein anschauliches Beispiel für diese Leistungsfähigkeit ist die Nutzung von Know-how bei der Werkzeug- und Schneidplattenkonstruktion, um die Belastungssicherheit der Schneidkanten so weit wie möglich zu erhöhen. Durch die Verteilung der Belastung auf eine optimale Anzahl von Schneidplatten und die Optimierung des Schneidvorgangs lassen sich höhere Durchdringungsraten erzielen, was wiederum die Bearbeitungszeit verkürzt. Was die erzielten Präzisionsergebnisse angeht, so zeichnen sich Tiefbohrbearbeitungen durch enge Toleranzen aus: 70 Prozent der Bohrungen weisen einen konzentrischen Innendurchmesser auf, wobei die typische Toleranz bei 0,2 Millimetern und die Durchmessertoleranz bei 20 Mikrometern liegt.

Tiefe Bohrungen, die von der Mittellinie abweichen

Einige effiziente Bearbeitungsverfahren für die komplexe Tiefbohrbearbeitung

Ein weiteres Beispiel für eine Bohrarbeit, die höchste Anforderungen an das Werkzeug und das Fachwissen stellt, ist die Bearbeitung der Generatorwelle in einem Kraftwerk, bei der sehr tiefe Bohrungen vorgenommen werden. Unter diesen Umständen bleibt keine andere Wahl, als das 90 Tonnen schwere Schmiedestück asymmetrisch zu bearbeiten; dieses Teil weist eine Bohrungslänge von fast 5,5 Metern und einen Durchmesser von knapp über 100 Millimetern auf. Bei solch tiefen Bohrungen muss unter einem bestimmten Winkel gebohrt und innerhalb einer Toleranz von 8 Millimetern zurückgezogen werden.

Bei dieser Anwendung sind die Richtungen für das Bohren, das Spanbrechen und den Spanabtransport sowie die absolut abfallfreie Vorbearbeitung der Welle von entscheidender Bedeutung. Diese Werkzeuglösung umfasst einen Spezialbohrer sowie eine neue Stützplatte. Die vor der Anwendung auf der Welle durchgeführten Bohrtests erwiesen sich als besonders effektiv und zuverlässig, wobei die Austrittsposition innerhalb von 2,5 mm vom Ziel lag.

In vielen Fällen hat der Einsatz moderner Bohrtechniken die Bearbeitungszeit deutlich verkürzt – von mehreren Stunden auf weniger als eine Stunde – und zudem die Bearbeitung vieler komplexer Merkmale ermöglicht.

Bohrbearbeitung: