Bohrungen für maschinell bearbeitete Bauteile zu konstruieren wirkt unkompliziert — bis eine falsch gesetzte Toleranz oder eine übersehene Tiefengrenze Ihr Bauteil zu Ausschuss macht. Zu verstehen, wie Bohrungen tatsächlich gefertigt werden, hilft Ihnen, Bauteile zu konstruieren, die einfacher, schneller und günstiger zu produzieren sind.
In diesem Leitfaden behandeln wir die häufigsten Bearbeitungsverfahren für Bohrungen, erklären, wofür jedes eingesetzt wird, und zeigen die Konstruktionsfehler auf, die in der Fertigung die meisten Probleme verursachen. Ob Sie geriebene Bohrungen, Gewindebohrungen oder einfache Durchgangsbohrungen spezifizieren — diese Grundsätze helfen Ihnen, es gleich beim ersten Mal richtig zu machen.
Wie Bohrungen bearbeitet werden: der grundlegende Ablauf
Bei der CNC-Bearbeitung folgt das Erzeugen einer Bohrung in der Regel einer Abfolge von Arbeitsschritten statt eines einzelnen Schnitts:
- Zuerst wird ein Zentrierloch gebohrt. Diese kleine Vertiefung führt den nachfolgenden Bohrer und verhindert, dass er über die Oberfläche verläuft.
- Anschließend wird eine Vorbohrung auf den Zieldurchmesser gebohrt. In diesem Stadium ist die Bohrung funktionsfähig, kann aber leichte Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweisen — man spricht oft von einer „Vorbohrung" — und sie genügt, wenn keine engen Toleranzen erforderlich sind.
- Je nach vorgesehener Funktion der Bohrung wird ein Endbearbeitungsvorgang angewendet. Abhängig davon, ob die Bohrung einen Stift, eine Schraube oder einen Schraubenkopf aufnehmen soll, wird der passende Folgevorgang — Reiben, Gewindebohren oder Senkbohren — ausgeführt.
Die verschiedenen Arten der Bohrungsbearbeitung
Welchen Endbearbeitungsvorgang Sie wählen, hängt ganz davon ab, welche Aufgabe die Bohrung in der fertigen Baugruppe erfüllen soll. Hier ein Überblick über die gängigsten Arten.
Zentrierbohrung
Beim Zentrierbohren wird mit einem speziellen Werkzeug, dem Zentrierbohrer, eine kleine, präzise Vertiefung, das so genannte Zentrierloch, erzeugt. Der einzige Zweck dieser Vertiefung ist es, einen präzisen Ausgangspunkt für die nachfolgende Vorbohrung zu schaffen und zu verhindern, dass der größere Bohrer abrutscht oder aus der Mitte läuft.
Bohrbearbeitung (Vorbohrungen)
Das grundlegende Verfahren zur Bearbeitung dieser Art von Bohrungen besteht in der Verwendung eines Werkzeugs, das als Bohrer bezeichnet wird. Er ist auf der Spindel einer Maschine montiert und wird gedreht, während er in einer linearen Bewegung auf und ab bewegt wird. Da der Bohrvorgang aus wiederholten Auf- und Abbewegungen besteht, kann die entstehende Innenfläche leichte Unregelmäßigkeiten aufweisen. Für viele Anwendungen — etwa Durchgangsbohrungen mit Spiel — genügt eine gebohrte Bohrung für sich allein. Wird eine höhere Präzision benötigt, dient das Bohren als Vorbereitungsschritt für das Reiben, Gewindebohren oder Senkbohren.
Reiben
Wenn eine präzise Passform für das Einsetzen von Stiften oder das Zusammenfügen mit anderen Bauteilen erforderlich ist, muss ein sauberes, perfekt rundes Loch auf der Innenfläche geschaffen werden. Die Reibahle wird gedreht, während sie langsam durch das gebohrte Loch geführt wird und dabei eine kleine Menge Material von der Innenfläche entfernt. Dabei wird die Innenfläche abgeschabt, sodass ein sauberes und hochpräzises Bohrloch entsteht. Das Reiben wird eingesetzt, wenn eine Toleranz von etwa ±0,01 mm bezogen auf den Bohrungsdurchmesser erforderlich ist.
Gewindebohren
Beim Gewindebohren wird ein Innengewinde in eine gebohrte Bohrung geschnitten, damit sie eine Schraube oder einen Bolzen aufnehmen kann. Zu diesem Zweck wird ein spezielles Schneidwerkzeug, ein sogenannter Gewindebohrer, verwendet, und bei der CNC-Bearbeitung steuert ein spezielles Programm, ein sogenannter Gewindebohrzyklus, Vorschub und Drehung präzise. Das Gewindebohren ist die Standardwahl, wann immer eine Bohrung als Gewinde-Befestigungspunkt dienen soll.
Senkbohren
Beim Senkbohren wird der obere Bereich einer Bohrung erweitert, sodass ein Schrauben- oder Bolzenkopf bündig mit der Bauteiloberfläche abschließt — oder darunter liegt. Es ist zwar möglich, ein einfaches Senkbohren mit einem normalen Fräser auszuführen, aber spezielle Senkwerkzeuge liefern sauberere Ergebnisse und eine gleichmäßigere Tiefe. Dieser Vorgang ist bei Baugruppen unverzichtbar, bei denen überstehende Schraubenköpfe andere Bauteile behindern würden.
Häufige Fehler bei der Bohrungskonstruktion und wie Sie sie vermeiden
Selbst erfahrene Konstrukteure stoßen manchmal auf Probleme, die erst bei der Fertigung zutage treten. Nachfolgend die zwei häufigsten Probleme — und die Konstruktionsregeln, mit denen Sie sie vermeiden.
Bohrungen zu nah am Rand
Beim Bohren wird das Material durch die Schnittkraft nach außen gedrückt. Wenn eine Bohrung sehr nahe an einer Kante liegt, kann die verbleibende Wand dieser Kraft möglicherweise nicht standhalten, was zu einer Ausbeulung oder Verformung der Seite führt. Besonders ausgeprägt ist das Problem bei Gewindebohrungen, bei denen das Gewindebohren zusätzliche seitliche Belastung erzeugt.
Die allgemeine Regel lautet, einen Mindestabstand vom Rand von mindestens einem Bohrungsdurchmesser einzuhalten. Bei Gewindebohrungen wird ein noch größerer Abstand empfohlen.
Wenn sich der Randabstand in der Konstruktion nicht vergrößern lässt, besteht eine Alternative darin, vor dem Bohren zusätzliches Material an der betroffenen Seite vorzusehen. Dies kann den Ausbeulungseffekt abschwächen, führt jedoch einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt ein und erhöht die Kosten.
Bohrungen, die zu tief sind
Bei der Standard-Bohrungsbearbeitung lässt sich Präzision zuverlässig bis zu einer Tiefe von etwa dem 8-fachen des Bohrungsdurchmessers erreichen. Jenseits dieser Tiefe neigt der Bohrer dazu, sich zu biegen, wodurch die Bohrung von ihrer vorgesehenen Achse abweicht und sich der Durchmesser fortschreitend vergrößert.
Es gibt hochpräzise Verfahren für die Tiefbohrbearbeitung wie das Honen oder die Drahterosion (EDM), doch sie sind mit erheblichen Kosten und längeren Lieferzeiten verbunden. Als allgemeine Konstruktionsregel sollten Sie die Bohrungstiefe nach Möglichkeit unter dem 8-fachen des Durchmessers halten.
Bei Durchgangsbohrungen, die diese Tiefe überschreiten müssen, besteht ein gängiger Ansatz darin, jeweils zur Hälfte von beiden Seiten des Bauteils zu bohren. Diese Technik — auch als Tieflochbohren bezeichnet — minimiert die Biegung, indem sie die effektive Bohrtiefe halbiert.
Die wichtigsten Konstruktionsregeln auf einen Blick
- Beginnen Sie stets mit einem Zentrierloch, um den nachfolgenden Bohrer präzise zu führen.
- Wählen Sie den richtigen Endbearbeitungsvorgang je nach Funktion der Bohrung: Reiben für Präzisionspassungen, Gewindebohren für Gewinde, Senkbohren für bündige Schraubenköpfe.
- Halten Sie Bohrungen mindestens einen Durchmesser von jeder Kante entfernt — bei Gewindebohrungen mehr.
- Begrenzen Sie die Bohrungstiefe auf etwa das 8-fache des Durchmessers, um Biegung und Toleranzabweichungen zu vermeiden.
- Erwägen Sie bei tiefen Durchgangsbohrungen, von beiden Seiten zu bohren, um die Abweichung zu verringern.
Konstruktion und Fertigung haben jeweils ihre eigenen Randbedingungen. Wenn Sie die Grundprinzipien der Bohrungsbearbeitung verstehen, können Sie Bauteile konstruieren, die die funktionalen Anforderungen erfüllen, ohne auf der Produktionsseite unnötige Kosten oder Risiken zu verursachen.
