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Die Erfindung betrifft ein Tieflochkernbohrverfahren für Metalle, vorzugsweise Stahl, zum Bohren von Rohren grossen Durchmessers und grosser Länge bei gleichzeitiger Erhaltung grösstmöglicher Kerne, bei dem die Schnittbreite in mehrere Streifen zerlegt und jeder Streifen gleichzeitig mit den andern geschnitten wird, die Zuführung eines Spülmediums durch das Innere eines Bohrwerkzeuges unter Abfuhr der Späne nach aussen erfolgt und als Bohrwerkzeug ein Bohrer mit hohlem Bohrerschaft bzw. -kopf sowie an dessen Stirnseite angeordneten Schneiden verwendet wird.
Bekannt ist ein Tieflochbohrverfahren, das sogenannte BTA-Verfahren für Löcher bis zu maximal 300 mm°. Hiebei wird ein Bohrwerkzeug verwendet, das im wesentlichen den klassischen Bohrwerkzeugen ähnlich ist, nämlich einen Schaft und einen ausgeprägten Bohrkopf besitzt. Der Bohrkopf ist mit einer langen Schneide und einer Stützkante zum Führen des Bohrers in der Bohrung ausgerüstet und hat einen Spitzenwinkel, der ungefähr dem des normalen Wendelbohrers entspricht, d. h. einen stumpfen Winkel darstellt. Da sich die Schneide nicht über die gesamte Hälfte des Bohrkopfes erstreckt, ist in dem Bohrerschaft für den stehenbleibenden Kern eine Durchlassöffnung vorgesehen, doch kann diese aus konstruktiven und Festigkeitsgründen im Verhältnis zum Schaftdurchmesser nur klein ausfallen.
Der Schaft muss zusätzlich mit einer Nut zur Aufnahme der Zuleitung für die Bohrflüssigkeit ausgestattet werden, was eine erhebliche Schwächung seines Querschnittes bedeutet. Die Spülung erfolgt durch öl und ist, da die Späne in einer Zentrifuge vom öl befreit werden müssen, umständlich und aufwendig. Die Schneidbreiten sind für die verschiedenen zu bohrenden Durchmesser variant und reichen in der Regel von 30 mm für kleine bis zu 50 mm für grosse Durchmesser. Hiedurch treten Unterschiede in den Umfangsgeschwindigkeiten zwischen innerem und äusserem Schneidenteil auf, die wieder eine genaue und feste Führung des Bohrers bedingen.
Zum genauen Durchführen des Verfahrens müssen am Werkstück für den Anschnitt plan angedrehte Flächen vorgesehen sein. Neben diesen Vorbereitungsarbeiten verursachen ferner auch die genaue Ausrichtung und Zentrierung von Werkzeug und Werkstück grosse Einrichtezeiten.
Fernerhin ist es bei derartigen Verfahren bekanntgeworden, die Führung des Bohrers in einem öldrucklager nur an der Aussenseite des Bohrers vorzunehmen. Allerdings handelt es sich dabei nicht um ein Kernbohrverfahren. Endlich ist es auch an sich bekannt, an der Bohrkrone eine Innenlagerung auszubilden, ohne eine hydraulische Lagerung des Bohrers am Kern. Alle diese bekannten Verfahren und Konstruktionen können den heutigen Anforderungen nicht genügen.
Zur Beseitigung der vorstehend aufgezählten Nachteile wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Zerlegung der Schnittbreite gleichzeitig in mehr als drei Streifen erfolgt, dass das Bohrwerkzeug durch hydraulischen oder pneumatischen Druck geführt wird und dass das Spülmedium, unter Druck zugeführt, gleichzeitig das Druckmedium bildet, welches in einem zwischen Kern und Bohrwerkzeug entstehenden inneren Ringraum den Bohrkopf zentrierend abstützt, nachdem während der Anschnittphase bis zur Erreichung des erforderlichen Druckraumes für das Druckmedium eine mechanische Führung erfolgt ist. Durch die gleichzeitige Anwendung aller dieser verschiedenen an sich zum Teil bekannten Massnahmen wird ein völlig neuer und in seiner Art unerwarteter technischer Effekt erzielt.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat gegenüber dem vorerwähnten Tieflochbohrverfahren den erheblichen
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durchführen lässt. Durch diese geringen Schnittbreiten erzielt man eine grosse Materialersparnis, besonders, da die zurückbleibenden Kerne ohne weiteres weiterverarbeitet werden können. Da das Bohrwerkzeug die Form eines dünnwandigen Rohres besitzt, können diese grossen Kerne leicht aufgenommen werden.
Man kann nach den bisherigen Erfahrungen nach dem erfindungsgemässen Verfahren schon Bohrungen bis mindestens 3500 mm Länge herstellen, wobei Teile grosser Länge, bedingt durch das grosse Gewicht des ausgebohrten Kernes, vorteilhaft von zwei Seiten gebohrt werden. Hiebei ist es günstig, das zu bearbeitende Material nach der Seelenachse des Stabes über die Mittelpunkte der Stirnfläche auszurichten.
Es hat sich erwiesen, dass die Bohrungen fast bis zum Durchbruch durchgeführt werden können und zur Stützung des Kernes eine nur relativ geringfügige Wandung stehen zu bleiben braucht, die mit Leichtigkeit entfernt werden kann.
Mittels des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich Hohlkörper aller Art herstellen. Ein besonderer Vorteil ist die Erzeugung gebohrten Rohrmaterials, bei dem die Flussfaser des geschmiedeten oder gewalzten Rohmaterials unverändert bleibt. Das ist vor allem günstig bei Halbzeugen, die zur Herstellung von Maschinenteilen verwendet werden sollen, welche eine unverletzte und unverformte Faserschicht bedingen.
Ein besonderes Problem stellt bei langen Werkzeugen immer ihre Führung dar. Hauptaufgabe ist es, das Werkzeug möglichst dicht an der Schnittstelle zu führen. Da eine Führung auf mechanischem Wege besonders bei langen Bohrungen äusserst schwierig ist, wie es sich im Falle der bei dem vorerwähnten BTA-Verfahren verwendeten Führungsleiste am Bohrkopf herausgestellt hat, musste versucht werden, eine wirklich gut zentrierende hydraulische oder pneumatische Führung vorzusehen. Dabei erwies es sich bei dem erfindungsgemässen Verfahren als günstig, schneidenseitig eine Führung mittels eines hydraulischen Druckmediums anzuwenden, wogegen das Werkzeug antriebsseitig auf herkömmliche mechanische Art eingespannt wird.
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Durch das Rohrinnere kann das Medium, beispielsweise Bohrölemulsion, leicht in den am Bohrkopf gebildeten engen Ringraum zwischen ausgebohrtem Kern und Werkzeug gelangen, wo es die Abstützung des Bohrwerkzeuges vornimmt. Von dort strömt es über die Schneiden, an denen es die notwendige Schmier- und Kühlwirkung ausübt, in den zwischen Bohrkopf und Bohrung gebildeten Ringraum ab.
Eine Abstützung des Werkzeuges durch hydraulische oder pneumatische Mittel ist besonders vorteilhaft, weil das Medium nach allen Richtungen den gleichen Druck ausübt und somit das Werkzeug zentrierend führt. Je nach Erfordernis kann dabei der Druck des Mediums in verschiedenen Bereichen gesteuert werden. Ausserdem kann mittels einer hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Drucküberlastsicherung der Arbeitsvorgang überwacht werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist, dass das Medium den Abtransport der Späne mit besorgen kann. Durch den überdruck kann in der Schneidzone keine Stauung der Späne eintreten, da diese gleichmässig weggespült-bzw. gerissen werden. Besonders günstig ist für den Abtransport der Späne die Anwendung von einer Bohrölemulsion, die in ihrer Viskosität fast dem Wasser gleich zu setzen ist, als Druckmedium. Dies hat gegenüber der Verwendung von öl als Druckmedium den Vorteil, dass die Emulsion ohne weiteres von den Spänen abläuft und keine zusätzlichen Arbeitsgänge erfordert, wie das bei der Entfernung von öl aus Spänen mittels Zentrifugen der Fall ist.
Somit übernimmt das Druckmedium eine dreifache Funktion, nämlich die zentrierende Führung des Werkzeuges, die Kühlung und Schmierung der Werkzeugschneiden sowie den Abtransport der Späne. Lediglich beim Anschnitt ist es erforderlich, das Werkzeug auf herkömmliche mechanische Weise, beispielsweise durch eine Lünette, zu führen und die Zufuhr des Mediums so zu regeln, dass letzteres die Schnittstelle in für die Kühlung ausreichender Menge umspült.
Durch die Aufteilung der Gesamtschnittbreite in eine Anzahl schmaler Streifen, von denen jeder für sich gleichzeitig mit den andern geschnitten wird, erzielt man eine Verteilung der Schnittkraft, die bei dem vorerwähnten BTA-Verfahren nur an einer Schneide auftritt und daher Schwierigkeiten in der Werkzeugführung hervorruft, auf den Umfang des Bohrwerkzeuges. Die einzelnen Schneiden, deren Anzahl der gewünschten Zahl der zu schneidenden Streifen entspricht, sind stirnseitig am rohrförmigen Bohrwerkzeug angeordnet. Um ein möglichst genaues Arbeiten des Werkzeuges zu gewährleisten, befinden sich die Einzelschneiden in gleichen Winkelabständen voneinander. Ferner sind zur Vermeidung grösserer Momentdifferenzen vorteilhaft stets solche Schneiden einander diametral gegenüber auf dem Umfang angeordnet, die benachbarte Streifen schneiden.
Man erzielt auf diese Weise die geringsten Unterschiede in den Hebelarmlängen der Einzelschnittkräfte, wodurch die Neigung des Werkzeuges zum Verlaufen infolge rechnerisch erfassbarer Schnittkraftunterschiede auf ein Mindestmass reduziert ist.
Durch die Aufteilung der Schnittbreite auf einzelne Schneiden wird die Spanbreite herabgesetzt. Statt eines einzigen breiten Spanes erhält man mehrere schmale Späne, die leichter zu brechen und ohne Schwierigkeit von dem Druckmedium abzutransportieren sind.
Während bei den beim BTA-Verfahren verwendeten Werkzeugen an den recht breiten Schneiden zwischen Innen- und Aussenkante der Schneide erhebliche Unterschiede in den Umfangsgeschwindigkeiten auftreten, fällt dieser Nachteil bei dem erfindungsgemässen Verfahren fast gänzlich fort. Im Gegensatz zum BTA-Verfahren nämlich, bei dem die Schneidbreite 100 bis 30% des Werkzeugkopfradius beträgt, also die Umfangsgeschwindigkeit des äusseren Schneidenpunktes gegenüber dem inneren Schneidenpunkt für kleine Bohrungen den zweifachen und für grosse Bohrungen den 1, 3-fachen Wert besitzt, nimmt die Schneidenbreite bei dem Verfahren gemäss der Erfindung lediglich 30% (bei kleinen Bohrungen) bis 5% (bei grossen Bohrungen) des Radius des Werkzeugkopfes ein.
Die Unterschiede in den Umfangsgeschwindigkeiten zwischen innerstem und äusserstem Schneidenpunkt sind entsprechend gering, so dass an jeder der Einzelschneiden annähernd gleiche Belastungen auftreten.
Der an seiner Stirnseite mit den Schneiden bestückte vordere Teil des Werkzeuges, der eigentliche Bohrkopf, besitzt bei einem auf der gesamten Werkzeuglänge konstanten Innendurchmesser eine etwas grössere Wandstärke, so dass zwischen diesem Teil und der Bohrung ein engerer Ringraum entsteht als zwischen dem Hauptteil des Werkzeuges und der Bohrung. Es ist vorgesehen, diesen stärkeren vorderen Werkzeugteil mit schraubenwendelförmigen Kanälen zu versehen, die von jeder Schneide aus nach hinten laufen und in dem übergang von Werkzeugkopf zum Schaftrohr, der aus Festigkeitsgründen allmählich und gut abgerundet vollzogen wird, verlaufen.
Eine solche Ausbildung ist besonders für die Spanabfuhr günstig, weil die Späne direkt von der Schneide aus in die besagten Kanäle abrollen und darin von dem Druckmedium nach hinten gedrückt werden, so dass es zu keinem Anstauen der Späne in den verjüngten Ringraum kommen kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist sowohl mit rotierendem Werkstück und feststehendem Werkzeug als auch mit feststehendem Werkstück und umlaufendem Werkstück durchführbar. Dabei wird das System "rotierendes Werkstück/feststehendes Werkzeug"hauptsächlich bei kleineren Bohrungen bis zu 100 mm Durchmesser und kleineren Längen angewandt, wogegen in den übrigen Fällen meist mit umlaufendem Werkzeug gearbeitet wird.
Wesentlich ist ferner, dass bei dem Tieflochbohrverfahren gemäss der Erfindung die Nebenzeiten äusserst
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gering sind. Einrichten von Maschine und Werkzeug sowie Aufspannen des Werkstückes beanspruchen nur ein Minimum an Zeit, wogegen ein stirnseitiges Planen des Werkstückes zu Zwecken der Abdichtung gegen das Druckmedium ganz fortfällt. Das Spannen des Werkstückes und antriebsseitig auch des Werkzeuges geschieht mit den an Drehmaschinen und Bohrwerken üblichen, meist mechanischen Mitteln. Infolge der kurzen Rüstzeiten und der damit verbundenen geringen Lohnintensität ist das erfindungsgemässe Verfahren auch günstig in der Einzelfertigung und bei Reparaturen einzusetzen. Ausserdem ruft es, bedingt durch die niedrigen Schnittbreiten und des somit niedrigen Leistungsbedarfes, relativ geringe Energiekosten hervor.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens soll nun an Hand der Zeichnungen erläutert werden. Darin zeigen Fig. l eine zum Teil nach der Linie A-B in Fig. 2 geschnittene Vorderansicht eines erfindungsgemässen Bohrkopfes und Fig. 2 die Draufsicht auf diesen.
Das Bohrwerkzeug besteht, wie aus Fig. l hervorgeht, aus einem Rohr--l--und einem gegenüber diesem Rohr--l--mit einem etwas grösseren Aussendurchmesser ausgestatteten vorderen Teil--2--. In diesem vorderen Teil-2--, dem eigentlichen Bohrkopf, sind stirnseitig Schneidenträger --3-- mit Schneiden --4-- angeordnet. Von den Schneiden-4-bzw.
Schneidenträgern-3-aus verlaufen Kanäle-5- in Form eines Schraubenwendels --51-- nach hinten, die am übergang des vorderen Teiles--2--in das Rohr--l--auslaufen. Die Kanäle--5--, durch die die Spanabfuhr besorgt wird, besitzen in der Draufsicht die Form einer Spirale-52--, d. h. sie sind an den Schneiden --4-- am geräumigsten und verengen sich gegen den Rücken der nächstfolgenden Schneide. Benachbarte Streifen bearbeitende Schneiden, beispielsweise die
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vorgenommen wird. Das Druckmedium, beispielsweise Bohrölemulsion, umströmt dann die Schneiden und fliesst über den andern Ringraum--72--, der zwischen Rohr--l--und Werkstück--62--gebildet wird, unter Abtransport der Späne aus den Kanälen --5-- ab.