Was versteht man unter Bohren, Reiben, Honen und Ausdrehen?
Im Vergleich zur Bearbeitung äußerer zylindrischer Oberflächen sind die Bedingungen bei der Bohrungsbearbeitung deutlich schlechter, was die Bohrungsbearbeitung erschwert. Dies liegt daran:
1) Die Größe des für die Lochbearbeitung verwendeten Werkzeugs ist durch die Größe des zu bearbeitenden Lochs begrenzt, was zu einer geringen Steifigkeit und einer Neigung zum Verbiegen, Verformen und Vibrieren führt.
2) Beim Bohren mit einem Werkzeug fester Größe hängt die Größe des Lochs oft direkt von den entsprechenden Abmessungen des Werkzeugs ab, und Werkzeugherstellungsfehler sowie Verschleiß wirken sich direkt auf die Genauigkeit der Lochbearbeitung aus.
3) Beim Bohren befindet sich die Schnittzone im Inneren des Werkstücks, was zu einer schlechten Spanabfuhr und Wärmeableitung führt und die Kontrolle der Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität erschwert.
A. Bohren und Aufreiben
1. Bohren
Das Bohren ist der erste Schritt beim Bohren eines Lochs in ein festes Material. Der Lochdurchmesser beträgt üblicherweise weniger als 80 mm. Es gibt zwei Bohrverfahren: das Bohren mit einem rotierenden Bohrer und das Bohren mit einem rotierenden Werkstück. Die Fehler, die bei diesen beiden Verfahren entstehen, unterscheiden sich. Beim Bohren mit einem rotierenden Bohrer kann der Bohrer aufgrund asymmetrischer Schneidkanten und unzureichender Steifigkeit die Mittellinie des Bohrlochs verändern oder es krumm machen, der Lochdurchmesser bleibt jedoch im Wesentlichen unverändert. Beim Bohren mit einem rotierenden Werkstück ist es umgekehrt: Der Bohrer kann den Lochdurchmesser verändern, die Mittellinie bleibt aber gerade.
Zu den gängigen Bohrwerkzeugen zählen Spiralbohrer, Zentrierbohrer und Tieflochbohrer. Der Spiralbohrer ist am weitesten verbreitet und ist in Durchmessern von 0,1 bis 80 mm erhältlich.
Aufgrund struktureller Einschränkungen weisen Bohrer eine geringe Biege- und Torsionssteifigkeit sowie eine ungenaue Zentrierung auf, was zu einer geringen Bohrgenauigkeit führt, die in der Regel nur IT13 bis IT11 erreicht. Auch die Oberflächenrauheit ist hoch, mit Ra-Werten typischerweise zwischen 50 und 12,5 µm. Bohren bietet jedoch eine hohe Zerspanungsleistung und einen hohen Schneidwirkungsgrad. Es wird hauptsächlich für Bohrungen mit geringen Qualitätsanforderungen eingesetzt, wie z. B. Bolzenlöcher, Gewindebohrungen und Ölbohrungen. Bohrungen, die eine höhere Präzision und Oberflächenqualität erfordern, müssen durch nachfolgende Bearbeitungsverfahren wie Reiben, Ausdrehen, Bohren oder Schleifen hergestellt werden.
2. Aufreiben der Bohrung
Das Aufreiben ist ein Verfahren, bei dem mit einem Aufreibbohrer der Durchmesser einer bereits gebohrten, gegossenen oder geschmiedeten Bohrung vergrößert und deren Qualität verbessert wird. Dieses Verfahren kann als Vorbearbeitungsschritt vor der Endbearbeitung oder als letzter Schritt bei Bohrungen mit geringeren Anforderungen eingesetzt werden. Ein Aufreibbohrer ähnelt einem Spiralbohrer, besitzt jedoch mehr Zähne und keine Meißelkante.
Im Vergleich zum Bohren weist das Reiben folgende Merkmale auf: (1) Reibbohrer besitzen mehr Zähne (3 bis 8), eine gute Führung und einen stabileren Schnitt. (2) Reibbohrer haben keine Meißelkante, wodurch gute Schnittbedingungen entstehen. (3) Die Aufmaße sind gering, die Spankammer kann flacher gestaltet und der Bohrkern dicker sein. Zudem sind die Festigkeit und Steifigkeit des Werkzeugkörpers höher. Die Präzision beim Reiben liegt üblicherweise zwischen IT11 und IT10, die Oberflächenrauheit Ra zwischen 12,5 und 6,3 µm. Reiben wird häufig zur Bearbeitung von Bohrungen mit einem Durchmesser unter 10 mm eingesetzt. Beim Bohren von Bohrungen mit größeren Durchmessern (D ≥ 30 mm) wird oft zunächst mit einem kleinen Bohrer (Durchmesser 0,5- bis 0,7-facher Bohrungsdurchmesser) vorgebohrt und anschließend mit einem Reibbohrer der entsprechenden Größe aufgerieben. Dies verbessert die Bearbeitungsqualität und die Produktionseffizienz. Neben der Bearbeitung zylindrischer Bohrungen können beim Reiben auch verschiedene Spezialreibbohrer (auch Senker genannt) zur Herstellung von Senkbohrungen und Senkflächen eingesetzt werden. Das vordere Ende des Senkerbohrers verfügt häufig über eine Führungssäule, die durch die bearbeitete Bohrung geführt wird.
B. Aufreiben
Reiben ist ein Bearbeitungsverfahren für Bohrungen und findet breite Anwendung in der Fertigung. Bei kleineren Bohrungen ist Reiben im Vergleich zu Innenschleifen und Feinbohren eine wirtschaftlichere und praktischere Methode.
1. Reibahlen
Reibahlen werden im Allgemeinen in Handreibahlen und Maschinenreibahlen unterteilt. Handreibahlen haben gerade Schäfte und längere Arbeitsteile, was eine bessere Führung ermöglicht. Sie sind sowohl mit festem als auch mit verstellbarem Außendurchmesser erhältlich. Maschinenreibahlen gibt es mit Schaft- oder Hülsenmontage. Reibahlen eignen sich nicht nur für runde, sondern mit Kegelreibahlen auch für konische Bohrungen.
2. Reibverfahren und Anwendungen
Das Aufreibmaß hat einen wesentlichen Einfluss auf die Bohrungsqualität. Ein zu großes Aufreibmaß belastet die Reibahle stark, stumpft die Schneide schnell ab und erschwert das Erreichen einer glatten Oberfläche sowie die Einhaltung der Maßtoleranzen. Ein zu geringes Aufreibmaß verhindert das Entfernen von Werkzeugspuren aus dem vorherigen Bearbeitungsprozess und verbessert somit die Bohrungsqualität nicht. Im Allgemeinen beträgt das Aufreibmaß für das Grobrechen 0,35–0,15 mm und für das Feinbrechen 0,15–0,05 mm.
Um Aufbauschneiden zu vermeiden, wird das Reiben üblicherweise mit einer geringeren Schnittgeschwindigkeit durchgeführt (v
Beim Reiben muss ein geeignetes Kühlschmiermittel zur Kühlung, Schmierung und Reinigung verwendet werden, um Aufbauschneiden zu vermeiden und einen schnellen Spanabtransport zu gewährleisten. Im Vergleich zu Schleifen und Bohren bietet das Reiben eine höhere Produktivität und ermöglicht eine einfachere Herstellung präziser Bohrungen. Allerdings können durch Reiben Positionsfehler in der Bohrungsachse nicht korrigiert werden; die Positionsgenauigkeit muss daher durch den vorhergehenden Bearbeitungsprozess sichergestellt werden. Reiben ist nicht geeignet für Stufenbohrungen oder Sacklöcher.
Die Maßgenauigkeit von geriebener Bohrung liegt im Allgemeinen zwischen IT9 und IT7, mit einer Oberflächenrauheit Ra von 3,2 bis 0,8 μm. Für mittelgroße Bohrungen mit hohen Präzisionsanforderungen (z. B. Bohrungen der Präzisionsklasse IT7) ist das Bohr-Reib-Reib-Verfahren eine typische Bearbeitungslösung, die häufig in der Fertigung eingesetzt wird.
C. Langweilig
Bohren ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem ein Schneidwerkzeug verwendet wird, um ein vorgefertigtes Loch zu vergrößern. Bohren kann auf einer Bohrmaschine oder einer Drehmaschine durchgeführt werden.
1. Bohrverfahren
Es gibt drei verschiedene Bohrverfahren.
(1) Das Werkstück rotiert, der Werkzeugvorschub erfolgt. Die meisten Bohrungen auf einer Drehmaschine basieren auf diesem Verfahren. Charakteristisch für den Prozess ist, dass die Achse der Bohrung nach der Bearbeitung mit der Rotationsachse des Werkstücks übereinstimmt, die Rundheit der Bohrung hauptsächlich von der Rotationsgenauigkeit der Werkzeugspindel abhängt und der axiale Formfehler der Bohrung hauptsächlich von der Positionsgenauigkeit der Werkzeugvorschubrichtung relativ zur Werkstückrotationsachse abhängt. Dieses Bohrverfahren eignet sich für die Bearbeitung von Bohrungen, die koaxial zur äußeren Zylinderfläche verlaufen müssen.
(2) Das Werkzeug rotiert und das Werkstück wird vorgeschoben. Die Spindel der Bohrmaschine treibt das Bohrwerkzeug zur Rotation an, und der Arbeitstisch schiebt das Werkstück vor.
(3) Das Werkzeug rotiert und führt den Vorschub. Bei diesem Bohrverfahren variiert die Überhanglänge des Bohrstangenkopfes, wodurch sich auch die Spannung und Verformung des Bohrstangenkopfes ändern. Der Bohrungsdurchmesser ist in der Nähe des Spindelgehäuses groß und in größerer Entfernung vom Spindelgehäuse klein, wodurch eine konische Bohrung entsteht. Mit zunehmender Überhanglänge des Bohrstangenkopfes erhöht sich zudem die Biegeverformung der Spindel aufgrund ihres Eigengewichts, was zu einer entsprechenden Biegung der Bohrungsachse führt. Dieses Bohrverfahren eignet sich daher nur für die Bearbeitung kürzerer Bohrungen.
2. Diamantbohren
Im Vergleich zum herkömmlichen Bohren zeichnet sich das Diamantbohren durch geringe Rückwärtsbearbeitung, niedrigen Vorschub und hohe Schnittgeschwindigkeit aus. Es ermöglicht eine sehr hohe Bearbeitungsgenauigkeit (IT7–IT6) und eine sehr glatte Oberfläche (Ra 0,4–0,05 μm). Ursprünglich wurden für das Diamantbohren Diamantbohrwerkzeuge verwendet, heute kommen jedoch häufig Werkzeuge aus Hartmetall, CBN und synthetischem Diamant zum Einsatz. Es wird primär zur Bearbeitung von Nichteisenmetallen eingesetzt, eignet sich aber auch für die Bearbeitung von Gusseisen und Stahl.
Gängige Schnittparameter für Diamantbohren sind: Vorbohrtiefe 0,2-0,6 mm, Endbohrtiefe 0,1 mm; Vorschubgeschwindigkeit 0,01-0,14 mm/U; Schnittgeschwindigkeit 100-250 m/min für Gusseisen, 150-300 m/min für Stahl und 300-2000 m/min für Nichteisenmetalle.
Um beim Diamantbohren eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität zu gewährleisten, muss die Werkzeugmaschine (Diamantbohrmaschine) über eine hohe geometrische Genauigkeit und Steifigkeit verfügen. Zur Spindellagerung werden häufig Präzisions-Schrägkugellager oder hydrostatische Gleitlager eingesetzt, und schnell rotierende Teile müssen präzise ausgewuchtet sein. Darüber hinaus muss der Vorschubmechanismus besonders leichtgängig sein, um eine gleichmäßige, langsame Vorschubbewegung des Arbeitstisches zu gewährleisten.
Diamantbohren bietet hervorragende Bearbeitungsqualität und hohe Produktionseffizienz und wird daher häufig in der Großserienfertigung für die Feinbearbeitung von Präzisionsbohrungen eingesetzt, beispielsweise für Zylinderbohrungen, Kolbenbolzenbohrungen und Spindelbohrungen in Werkzeugmaschinen-Spindelkästen. Wichtig ist jedoch, dass beim Diamantbohren von Eisenmetallen ausschließlich Bohrwerkzeuge aus Hartmetall und CBN verwendet werden dürfen; Diamantbohrwerkzeuge sind ungeeignet. Grund dafür ist die starke Affinität der Kohlenstoffatome im Diamanten zu Elementen der Eisengruppe, die zu einer kürzeren Werkzeugstandzeit führt.
3. Bohrwerkzeuge
Bohrwerkzeuge lassen sich in einschneidige und zweischneidige Bohrwerkzeuge unterteilen.
4. Merkmale und Anwendungen des Bohrprozesses
Im Vergleich zum Bohr-Reib-Reib-Verfahren ist das Bohren hinsichtlich des Bohrungsdurchmessers nicht durch die Werkzeuggröße begrenzt. Es bietet zudem eine hohe Fehlerkorrekturfähigkeit, da Abweichungen von der ursprünglichen Bohrungsachse durch mehrere Durchgänge ausgeglichen werden können. Darüber hinaus gewährleistet es eine hohe Positionsgenauigkeit zwischen der Bohrung und der Bezugsfläche.
Im Vergleich zum Außendrehen weist das Bohren eine geringere Werkzeughaltersteifigkeit, größere Verformungen, schlechtere Wärmeableitung und signifikante thermische Verformungen des Werkstücks und des Werkzeugs auf. Folglich sind die Bearbeitungsqualität und die Produktionseffizienz beim Bohren geringer als beim Außendrehen.
Aus der obigen Analyse geht hervor, dass das Bohren ein breites Anwendungsspektrum in der Zerspanung aufweist und Bohrungen unterschiedlicher Größe und Genauigkeitsstufen ermöglicht. Für größere Bohrungen und Bohrungssysteme, die eine hohe Maß- und Positionsgenauigkeit erfordern, ist Bohren praktisch die einzige Bearbeitungsmethode. Bohren erreicht Bearbeitungsgenauigkeiten von IT9 bis IT7. Es kann auf verschiedenen Werkzeugmaschinen durchgeführt werden, darunter Bohrmaschinen, Drehmaschinen und Fräsmaschinen. Seine Flexibilität und gute Manövrierbarkeit machen es in der Produktion weit verbreitet. In der Massenproduktion werden häufig Bohrwerkzeuge eingesetzt, um die Bohreffizienz zu steigern.
D. Honen von Löchern
1. Honprinzipien und Honköpfe
Honen ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Bohrungen mithilfe eines Honkopfes mit Schleifscheibe (Ölstein). Beim Honen ist das Werkstück unbeweglich, während der Honkopf von der Werkzeugmaschinenspindel in einer linearen Hin- und Herbewegung angetrieben wird. Die Schleifscheibe übt Druck auf die Werkstückoberfläche aus und trägt so eine sehr dünne Materialschicht ab. Die Schnittbahn bildet ein kreuzförmiges Muster. Um zu gewährleisten, dass sich die Bahnen der Schleifkörner in der Schleifscheibe nicht wiederholen, müssen die Drehzahl des Honkopfes und die Anzahl der Hübe pro Minute Primzahlen sein.
Der Schnittwinkel der Honbahnen hängt von der Hub- und Umfangsgeschwindigkeit des Honkopfes ab. Die Größe dieses Winkels beeinflusst die Qualität und Effizienz des Honprozesses. Er wird üblicherweise für das Schrupphonen auf 0° und für das Feinhonen auf 0° eingestellt. Um den Abtransport von Schleifpartikeln und Spänen zu erleichtern, die Schnitttemperaturen zu senken und die Bearbeitungsqualität zu verbessern, sollte beim Honen ausreichend Kühlschmierstoff verwendet werden.
Um eine gleichmäßige Bearbeitung der Bohrungswand zu gewährleisten, muss der Schleifstreifen an beiden Enden um ein bestimmtes Maß über die Bohrung hinausragen. Um ein gleichmäßiges Hongut zu erzielen und den Einfluss von Spindeldrehfehlern auf die Bearbeitungsgenauigkeit zu minimieren, wird üblicherweise eine schwimmende Verbindung zwischen Honkopf und Maschinenspindel verwendet.
Die radiale Verstellung der Honkopfleisten kann manuell, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen.
2. Merkmale und Anwendungen des Honprozesses
1) Durch Honen lassen sich hohe Maß- und Formgenauigkeiten erzielen, wobei die Bearbeitungsgenauigkeit IT7- bis IT6-Niveau erreicht. Rundheits- und Zylindrizitätsfehler der Bohrung können innerhalb eines bestimmten Bereichs kontrolliert werden. Die Positionsgenauigkeit der bearbeiteten Bohrung wird durch Honen jedoch nicht verbessert.
2) Durch Honen lässt sich eine hohe Oberflächenqualität erzielen, mit einer Oberflächenrauheit Ra von 0,2-0,25 μm und einer minimalen Tiefe von 2,5-25 μm für die Verschlechterungsdefektschicht des Oberflächenmetalls.
3) Obwohl die Umfangsgeschwindigkeit des Honkopfes nicht so hoch ist wie beim Schleifen (vc = 16-60 m/min), bietet das Honen dennoch eine hohe Produktivität aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen dem Schleifstreifen und dem Werkstück sowie der relativ hohen Hubgeschwindigkeit (va = 8-20 m/min).
Honen ist ein weit verbreitetes Verfahren in der Massenproduktion zur Herstellung präziser Bohrungen in Zylinderlaufbahnen von Motoren und verschiedenen Hydrauliksystemen. Die Bohrungsdurchmesser liegen üblicherweise zwischen 0,5 und 1,5 µm, und es können tiefe Bohrungen mit einem Aspektverhältnis von über 10 erzeugt werden. Honen eignet sich jedoch nicht zur Bearbeitung von Bohrungen in Werkstücken aus Nichteisenmetallen mit hoher Plastizität und kann auch keine Bohrungen mit Keilnuten oder Verzahnungen bearbeiten.
E-Loch-Aufweiten
1. Räumen und Räumwerkzeuge
Das Räumen von Löchern ist ein hochproduktives Bearbeitungsverfahren, das mit einer Räummaschine und einem speziell dafür entwickelten Räumwerkzeug durchgeführt wird. Räummaschinen werden in horizontale und vertikale Maschinen unterteilt, wobei horizontale Räumwerkzeuge am weitesten verbreitet sind.
Beim Räumen führt die Räumnadel lediglich eine langsame, lineare Bewegung aus (Hauptbewegung). Die Anzahl der gleichzeitig arbeitenden Räumnadelzähne sollte im Allgemeinen mindestens drei betragen; andernfalls läuft die Räumnadel ungleichmäßig und es können sich ringförmige Wellen auf der Werkstückoberfläche bilden. Um übermäßige Räumkräfte zu vermeiden, die zum Bruch der Räumnadel führen könnten, sollte die Anzahl der gleichzeitig arbeitenden Zähne im Allgemeinen sechs bis acht nicht überschreiten.
Es gibt drei verschiedene Methoden zum Räumen von Löchern, die im Folgenden beschrieben werden:
1) Schichträumen: Bei diesem Verfahren wird das Werkstückmaterial schichtweise abgetragen. Um den Spanbruch zu erleichtern, sind die Zähne mit verschränkten Spanbruchnuten versehen. Räumnadeln für das Schichträumen werden als konventionelle Räumnadeln bezeichnet.
2) Segmentiertes Räumen: Dieses Räumverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass jede Metallschicht der bearbeiteten Oberfläche mithilfe eines Zahnradsatzes (üblicherweise 2–3 Zähne pro Satz) mit im Wesentlichen identischen, aber versetzt angeordneten Abmessungen abgetragen wird. Jeder Zahn entfernt nur einen Teil einer Metallschicht. Eine für das segmentierte Räumen ausgelegte Räumnadel wird als Radräumnadel bezeichnet.
3) Kombiniertes Räumen: Dieses Verfahren vereint die Vorteile des Schicht- und Segmenträumens. Segmenträumen dient dem Schruppen, Schichträumen dem Schlichten. Dadurch verkürzt sich die Räumlänge, die Produktivität steigt und eine überlegene Oberflächenqualität wird erzielt. Eine für das kombinierte Räumen konzipierte Räumnadel wird als Kombiräumnadel bezeichnet.
2. Merkmale und Anwendungen des Lochräumprozesses
1) Eine Räumnadel ist ein mehrschneidiges Werkzeug, das in einem einzigen Räumhub nacheinander das Schruppen, Schlichten und Fertigen eines Lochs durchführen kann, was zu einer hohen Produktionseffizienz führt.
2) Die Genauigkeit des Räumens hängt primär von der Genauigkeit des Räumwerkzeugs ab. Unter normalen Bedingungen kann die Räumgenauigkeit IT9–IT7 erreichen, bei einer Oberflächenrauheit Ra von 6,3–1,6 μm.
3) Beim Räumen von Bohrungen wird das Werkstück relativ zur zu bearbeitenden Bohrung positioniert (die Führung des Räumwerkzeugs dient als Werkstückpositionierelement). Dies erschwert die Sicherstellung der relativen Positionsgenauigkeit der Bohrung und anderer Flächen. Bei der Bearbeitung rotierender Teile mit Koaxialitätsanforderungen für innere und äußere Kreisflächen wird die Bohrung häufig zuerst geräumt, und anschließend werden die anderen Flächen unter Verwendung der Bohrung als Positionierreferenz bearbeitet.
4) Mit Räumnadeln lassen sich nicht nur runde Löcher bearbeiten, sondern auch Löcher und Keilwellenlöcher formen.
5) Räumnadeln sind Werkzeuge mit fester Größe, komplexen Formen und hohen Kosten, weshalb sie für die Bearbeitung großer Löcher ungeeignet sind.
Das Räumen wird häufig in der Massenproduktion eingesetzt, um Durchgangslöcher in kleinen und mittelgroßen Teilen mit Durchmessern von 10 bis 80 mm und Tiefen von höchstens dem Fünffachen des Lochdurchmessers herzustellen.