Djupa hålsborrning

Den här artikeln handlar om hål med höga längd-till-diameter-förhållanden. För mätning av restspänningar, se mätteknik för djuphålsborrning (DHD) . För borrning av djupa brunnar, se Djupvattensborrning .

Inom tillverkningstekniken avser djuphålsborrning borrning av borrhål med höga längd-till-diameter-förhållanden.

Definition av djuphålsborrning

Enligt VDI Standard 3210 är djuphålsborrningsprocesser tillverkningsprocesser för bearbetning av borrhål med diametrar mellan D = 0,2...2000 mm och vars borrdjup vanligtvis är större än tre gånger diametern. För små diametrar kan längd-diameter-förhållanden på upp till l/D ≤ 100 uppnås, i speciella fall även upp till l/D = 900. Vid stora diametrar begränsas vanligtvis l/D-förhållandet av färden resp. bäddlängden på djuphålsborrmaskinen.

Djupa hålsborrning

Lödt eneggat BTA solid borrverktyg (vänster); symmetrisk spiralborr (höger)

Djuphålsborrning skiljer sig också från normal borrning genom att, beroende på borrprocess och borrdiameter, kylsmörjmedel måste pumpas till skäreggarna i stora mängder och under högt tryck. Detta säkerställer god kylning och samtidigt god smörjning av kontaktytorna mellan arbetsstycket och verktygets skäregg å ena sidan och verktygets arbetsstycke och styrdynor å andra sidan. Dessutom leder kylsmörjmedlet till att spån ständigt avlägsnas från skärzonen, vilket gör ytskadande och tidskrävande spånborttagningsslag onödiga och förbättrar därför kvaliteten på borrhålet och produktiviteten i processerna. För tillverkning av djupa hål urskiljs två olika verktygstyper. Å ena sidan finns det verktyg med en asymmetrisk enda banbrytande design. Dessa verktyg för djuphålsborrning inkluderar enkelläpps djuphålsborrar , enkelrörssystemet (BTA djuphålsborrning) och dubbelrörssystemet (ejektordjuphålsborrning), som kallas det "klassiska" djupa hålet borrprocesser. Däremot finns verktyg med symmetriskt anordnade skäreggar. Dessa inkluderar spiralverktyg för djuphålsborrning och djuphålsborrverktyg med dubbla läppar, som också kan tilldelas djupborrningsprocesserna på grund av de borrdjup som ska uppnås med dem. Djupa hålsborrning gjordes ursprungligen i Kina.

De nämnda verktygstyperna skiljer sig åt med avseende på det realiserbara diameterområdet, de uppnåbara l/D-förhållandena, ytkvaliteten och deras produktivitet . Symmetriska verktyg kan endast användas i området med liten diameter på D = 0,2 ... 32 mm för att producera hål med ett l/D-förhållande upp till ett maximum av l/D = 85, standarden är ett l/D-förhållande på l /D = 30. Med asymmetriska verktyg kan hål i diameterområdet D = 0,5...2000 mm tillverkas och den övre gränsen för l/D-förhållandet begränsas vanligtvis av maskindimensionerna. Figuren visar utvalda metoder för djuphålsborrning med sina vanliga applikationsdiametrar, varvid det blir tydligt att metoder för djuphålsborrning inte konkurrerar med varandra i alla diameterområden. Fördelen med de symmetriskt utformade verktygen jämfört med de "klassiska" djuphålsborrverktygen i området med liten diameter är genomförbarheten av betydligt högre matningar f, som kan vara 6 gånger högre jämfört med de vanliga värdena för enläpps djuphålsborrning.

Tiefbohrverfahren mit ihren üblichen Anwendungsdurchmessern

Utöver det höga l/D-förhållandet kännetecknas de "klassiska" djuphålsborrmetoderna av hög produktivitet och hög ytkvalitet jämfört med de konventionella borrmetoderna med spiralborrar. Den höga borrkvaliteten kännetecknas av låg ytjämnhet, små diameteravvikelser och en hög geometrisk noggrannhet. Viktigt för den goda ytkvaliteten är den asymmetriska utformningen av djuphålsborrverktygen. De "klassiska" verktygen för enkelläpps djuphålsborrning, BTA djuphålsborrning och ejektordjuphålsborrning är, med några få undantag, utformade asymmetriskt och har en sekundär skäregg (cirkulär slipfas) och styrdynor. På grund av dessa konstruktionsegenskaper överförs en viss del av skärkrafterna under processen via styrplattorna till borrhålsväggen. Dessa kraftkomponenter vid verktygshuvudet stöds vid den producerade borrhålsväggen och styr sålunda verktyget i själva borrhålet. Fördelningen av processkrafterna vid djuphålsborrning skiljer sig därför från konventionell borrning, där krafterna till stor del absorberas av verktygsskaftet och därmed av maskinspindeln. På grund av processkraftsfördelningen till borrhålsväggen vid djuphålsborrning styr borren sig själv och därmed gynnas processen av en jämförelsevis låg rakhetsavvikelse. Styrdynornas "stöd" på borrhålsväggen resulterar också i en formningsprocess som (helst) jämnar ut borrhålsväggen. På grund av denna formningsprocess kan ytjämnheten som orsakas av skäreggarnas ingrepp under borrning minska med cirka 70 %. Sålunda kan mycket höga ytkvaliteter med borrhålstoleranser av IT 9 till IT 7 uppnås genom djuphålsborrningsprocesser. Efterföljande steg för att förbättra borrhålets ytkvalitet kan ofta reduceras eller helt elimineras. En ytterligare fördel är den låga gradbildningen för tråghål och för överborrning av tvärhål. På grund av den höga ytkvaliteten i kombination med en hög produktivitet kan användningen av djuphålsborrningsmetoder vara ekonomisk även på låga borrdjup.

Metoder för djuphålsborrning

Enläpps djuphålsborrning

Principen för enkelläpps djuphålsborrning

Enläpps djuphålsborrning används vanligtvis för att producera hål i diameterintervallet D = 0,5...40 mm. Detta tillämpningsområde är för närvarande begränsat i den nedre delen av tillverkningstekniken för att realisera kylmedelskanalerna inuti verktyget och de ökande utmaningarna inom slipteknik med minskande verktygsdiametrar. Den övre gränsen är ett resultat av den mer ekonomiska användningen av alternativa metoder för djuphålsborrning. Kännetecknande för enkelläpps djuphålsborrning är den interna kylvätsketillförseln genom en njurformad eller två cirkulära kylkanaler. Spån/kylmedelsblandningen släpps ut i ett v-format längsgående spår på verktyget, den så kallade matstrupen. Kylvätskans massflöde är den enda transportmekanismen för att ta bort spånen. Av denna anledning är en diameterberoende högtryckskylmedelstillförsel nödvändig. Den allmänna strukturen för enläppverktyg är uppdelad i tre delar: borrhuvudet, skaftet och klämhylsan. Vanligtvis är borrhuvudet förenat med skaftet genom lödning. Spännhylsan är verktygets spännelement och bildar gränssnittet till verktygshållaren och därmed till verktygsmaskinen. Massiva hårdmetallverktyg används ofta för mindre verktygsdiametrar och verktyg med högpresterande design. Med dessa mer kraftfulla verktyg är borrhuvudet och skaftet gjorda av en enda hårdmetallstång. Borrhuvudet är vanligtvis tillverkat av hårdmetaller av ISO-skärapplikationsgruppen K 10 till K 20 och beläggs vid behov. I speciella applikationer används även PCD, cermets, keramik eller snabbstål. Valet av borrhuvudets geometri görs beroende på den befintliga bearbetningssituationen. I detta avseende skiljer man mellan olika skärkantsvinklar och den perifera formen på styrdynorna. Med den vanliga standardslipningen för enläppsborrar är huvudskäret uppdelat i en yttre och en inre skäregg, som skiljer sig i olika skärvinklar beroende på borrhålsdiameter. Valet av omkretsform, dvs antalet och arrangemanget av styrkuddarna på omkretsen av enläppsborren, är också viktigt. Jämfört med konventionell borrning med spiralborrar, kännetecknas enkelläppsborrning av dess lämplighet och höga processtillförlitlighet med stora längd-till-diameter-förhållanden. Dessutom uppnår enläppsborrning jämförelsevis höga borrhålskvaliteter, vilket kan minska behovet av efterbearbetning.

Verktyg

Enläpps djuphålsborr med utbytbara skäreggar och styrelement från TBT

Enläpps djuphålsborr av massiv hårdmetall från TBT

Som framgår av bilderna består en enläpps djuphålsborr av en verktygshållare, ett skaft och borrhuvudet (oftast hårdmetall). Vad gäller konstruktionen kan man generellt säga att skaftet är några 1/10-dels millimeter till 1 millimeter mindre än borrhuvudet. Det kan också ses att ungefär 1/4 av skaftet består av en skåra, i vilken kylvätskeflödet spolar ut flisen ur borrhålet. Själva skärhuvudet bär styrytor som är i kontakt med borrhålsväggen och styr borren. Konventionella spiralborrar styrs å andra sidan vanligtvis av verktygsmaskinens axel.

Själva skäreggen är asymmetriskt anordnad och löper från egghörnet via spetsen till mitten av borren. Verktyget arbetar alltså med en enda skäregg. Skärkrafterna, som inte upphävs på grund av den asymmetriska utformningen, stöds på borrhålsväggen. Spånen som produceras vid skärkanten omges av kylvätska från utsidan och spolas sedan bort från skärzonen genom skåran i skaftet. Upp till en diameter på ca. 10 mm har verktygen en kylkanal, för större diametrar används två eller flera kanaler.

BTA djuphålsborrning

Principen för BTA djuphålsborrningsmetoden

Nackdelarna med enläpps djuphålsborrning, såsom spånornas kontakt med den genererade borrhålsytan eller det låga vridmomentet, var motivationen att utveckla en modifierad djuphålsborrningsmetod som undviker dessa problem och behåller de goda egenskaperna. Som ett resultat av ovanstående utvecklades omkring 1940 en ny djuphålsborrningsmetod som fick namnet BTA djuphålsborrning i början av 1950-talet. BTA står för "Boring and Trepanning Association" som dominerades av det nu likviderade företaget Gebrüder Heller i Bremen Tyskland. Under deras ledning skapades den nya processen under andra världskriget genom att kombinera deras egen utveckling med Burgsmüllers och Beisners. Burgsmüller ersatte den räfflade borraxeln som användes dittills med ett rör med slutet tvärsnitt, som var mer vridstyvt, och förde för första gången spånen genom insidan av röret. Burgsmüller använde ett dubbeleggat verktyg och en luft-oljeblandning, som numera används i produktionen med minimal smörjmängd. Beisner förbättrade verktygsdesignen och introducerade olja som kylande smörjmedel. Heller, som var det första företaget att introducera hårdmetallspetsade enläpps djuphålsborrverktyg, hade patentet på skäregg/styrdyna-konstellationen som då även användes för BTA-verktygen.

Under bearbetningsprocessen matas kylvätskan till skärzonen, som visas i figuren, genom ringgapet mellan det producerade hålet och borrröret med hjälp av borroljan (BOZA). BOZA tätar även mellan arbetsstycket och borrröret. För detta ändamål har den en konisk roterande arbetsstyckeshållare som är riktad mot arbetsstycket och pressas mot arbetsstycket med högt tryck. Detta centrerar arbetsstycket och skapar en tätande kontaktyta. I de flesta fall är baksidan av BOZA tätad av en packbox, som också styr borrröret. I BOZA är gängbussningen vanligtvis integrerad, vilket gör att arbete med ett pilotborrhål i BTA-processen sällan är nödvändigt.

Verktyg

BTA djuphålsborrverktyg för borrning med en skäregg från Botek

BTA djuphålsborrverktyg för solid borrning med delade skäreggar från BTA-Tiefbohrsysteme

BTA djuphålsborrverktyg för borrning med delad skäregg från Botek

Spånen avlägsnas genom öppningarna integrerade i borrhuvudet med hjälp av skäroljeflödet. Därför kallas öppningarna "spånmynning". På detta sätt kan spånen avlägsnas utan kontakt med borrhålsväggen. På grund av det cirkulära tvärsnittet av verktyget och borrröret har processen ett högre vridmotståndsmoment jämfört med enläpps djuphålsborrning, vilket gör att en betydligt högre skärprestanda kan uppnås. BTA-processen används för borrhålsdiametrar på D = 6...2000 mm. För industriella processer används den i ett intervall från ca. D = 16 mm. Det är möjligt att tillverka BTA-borrhuvuden med en diameter på D ≤ 6 mm, men det finns inget känt applikationsfall förrän idag.

Ejektor djuphålsborrning

Processprincip för ejektordjuphålsborrning

Ejektorborrhuvud med pålödda skäreggar och styrelement från Sandvik

Ejektorborrhuvud med utbytbara skäreggar och styrelement från Sandvik

Ejektorns djuphålsborrning används i ett diameterområde på ca. D = 18 ... 250 mm. Det är en variant av BTA-processen där borrhuvudena som används är strukturellt jämförbara med BTA-verktygssystemet. Den enda skillnaden är ytterligare kylvätskeutlopp på verktygets omkrets. Kylvätskan tillförs genom ringutrymmet mellan borrröret och innerröret, vilket också ger processen namnet tvårörsprocess. Kylvätskan kommer ut i sidled från de redan nämnda kylvätskeutloppen, strömmar runt borrhuvudet och strömmar tillbaka in i innerröret och transporterar de producerade spånen. En del av kylvätskan matas direkt in i innerröret via ett ringmunstycke. Detta skapar ett undertryck (ejektoreffekt) vid spånmynningen, vilket underlättar återflödet i innerröret. Systemet kan drivas via en extern högtryckspump eller maskinens interna kylmedelsförsörjning. Eftersom det till skillnad från BTA-processen inte krävs någon tätning mot utströmmande kylvätska kan ejektorprocessen även användas på konventionella svarvar och bearbetningscentra. Eftersom rörtvärsnittet genom vilket spånen ska avlägsnas minskas av dubbelrörssystemet, är skärkapaciteten lägre än med BTA-processen. Av denna anledning väljs vanligtvis lägre skärhastigheter för djuphålsborrning med ejektorer. Dessutom åtföljs den lägre styvheten av sämre koncentricitetsegenskaper (IT9 till IT11).

En förutsättning för genomförandet av processen är användningen av ett anslutningsstycke som sätts in i revolverhållaren på svarven eller spindeln på bearbetningscentret. Genom detta anslutningsstycke matas kylvätskan från den anslutna pumpenheten in i ringgapet mellan inner- och ytterröret. För att aktivera denna funktion finns två olika versioner tillgängliga. Ett roterande anslutningsstycke krävs för bearbetningscentra och ett icke-roterande anslutningsstycke för svarvar. Det nödvändiga installationsutrymmet måste beaktas vid val av verktygsmaskin.

Verktyg

Utformningen av verktygen för ejektordjuphålsborrning är nästan identisk med BTA:s djuphålsborrningsverktyg. De extra kylvätskeutloppen visas i bilderna.

Metoder förknippade med djuphålsborrning

Utöver de klassiska metoderna för djuphålsborrning finns det ett antal andra metoder för slutbearbetning av djupa hål. Hålet kan efterbearbetas med avseende på ytfinish eller kan tjäna som bas för bearbetning av komplexa och icke-cylindriska konturer.

Intern profilering

Av olika anledningar finns det komponenter med djupa hål vars inre konturer är rotationssymmetriska men inte likformigt cylindriska. Sådana komponenter kan ha konturer utan underskärningar, t.ex. för centrifugalgjutformar eller koniska hål i extrudercylindrar, och med underskärningar, t.ex. för propelleraxlar eller landningsställ. För att producera sådana kammarfickor krävs förborrning av hög kvalitet. Om den radiellt utdragbara skärverktygshållaren styrs via en NC-axel och ansluts till NC-hålsliden på djuphålsborrmaskinen, är det nästan möjligt att producera vilken borrhålsväggkontur som helst i ett snitt över hela konturlängden. Skäreggens läge kan modifieras genom en axiell förskjutning, t.ex. genom att använda ett inre tryckrör. Dessutom kan styrdynorna även justeras hydrauliskt. Eftersom styrhålet redan har bearbetats efter det första skärsteget för den så kallade långkammarmetoden, måste styrdynorna även vara radiellt justerbara för att stödja verktyget för större kammare. Som ett alternativ till denna metod kräver den så kallade kortkammarmetoden inte utdragbara styrdynor, eftersom verktyget endast sitter i det förborrade styrhålet.

Skiving och smidig rullning

Skiving förbättrar rundheten och dimensionsnoggrannheten för borrhålsdiametern. Processen skapar en öppen ytprofil, som är särskilt lämplig för efterföljande bearbetningsprocesser såsom slätvalsning eller honing. Inom området för bearbetning av hydraulcylindrar och cylinderfoder anses avskalning och slät valsning vara en tillverkningsprocess relaterad till djuphålsborrning, även om den har en skärande och även en formningskomponent. Anledningen till detta är den breda användningen av kombinerade skärning och släta rullande verktyg.

Enkelkantsbrottsning

En annan bearbetningsprocess för att öka ytkvaliteten och dimensionsnoggrannheten hos ett borrhål är användningen av enbladiga brotschar. Brotschning är nedsänkningen av ett förborrat hål, där verktyget stöds av själva styrkuddarna. Därför är verktygsgeometrin för dessa brotschar mycket lik enläppsborrar. Skillnaden mot enläpps djuphålsborrning med lågt skärdjup är den omkretsfasning som vanligtvis saknas, en långsidig skäregg parallell med fräsaxeln och de låga kylvätskevolymerna och trycken.

Djupa hålsborrmaskiner

Konstruktioner av djuphålsborrmaskiner (exempel med indikering av matning och skärrörelse)

Verktygsmaskiner på vilka djuphålsborrning utförs (exempel delvis med indikering av matning och skärrörelse)

För bearbetning med djuphålsborrningsprocesser eller processer förknippade med djuphålsborrning används djuphålsborrmaskiner huvudsakligen som standardmaskiner (flerfunktions-) eller specialmaskiner. Pistolövningar är ett arketypiskt exempel. Ofta används enläps djuphålsborrar på bearbetningscentra för produktion av hål med mindre borrdjup (upp till ca 40 × D). Ejektorborrning används främst på konventionella verktygsmaskiner. Eftersom djuphålsborrning har en hög produktivitet används endast jämförelsevis kraftfulla maskiner. I grund och botten krävs ett kylvätskesystem som ger kylvätska med (jämfört med andra borrmetoder) ett volymflöde över genomsnittet vid högre tryck. Ett djuphålsborrsystem består av djupborrmaskinen och kylvätsketanken med ytterligare kringutrustning för kylvätskeberedning och spånhantering. Ejektorborrningsprocessen utvecklades som teknik för djuphålsborrning som kan användas på konventionella verktygsmaskiner. Användningen av djuphålsborrning med en läpp är särskilt vanligt på bearbetningscentra i serieproduktion. Till höger kan du se schematiska ritningar av konventionella djuphålsborrmaskiner.

Litteratur

VDI – Föreningen för tyska ingenjörers riktlinjer

• VDI 3208: Tiefbohren mit Einlippenbohrern
• VDI 3209: Tiefbohren mit äußerer Zuführung des Kühlschmierstoffs (BTA- und ähnliche Verfahren)
• VDI 3209: Blatt 2 Tiefbohren; Richtwerte für das Schälen und Glattwalzen von Bohrungen
• VDI 3210: Blatt 1 Tiefbohrverfahren
• VDI 3211: Tiefbohren auf Bearbeitungszentren
• VDI 3212: Abnahmebedingungen für einspindelige und mehrspindelige Tiefbohrmaschinen