Bohr- und Fräsmaschinen verstehen: Funktionsweise und Anwendungen

Was sind Bohr- und Fräsmaschinen?

Bohr- und Fräsmaschinen sind Werkzeugmaschinen, die mit einem einschneidigen Schneidwerkzeug (ein Werkzeug mit einer Schneide) eingesetzt werden, um Bohrungen in verschiedenen Materialien zu erweitern. Diese Maschinen gibt es in zwei Hauptausführungen, die identische Funktionen unterschiedlich ausführen: horizontale Bohr- und Fräsmaschinen sowie vertikale Bohr- und Fräsmaschinen (oft als VTL bezeichnet).

Horizontale Bohr- und Fräsmaschinen

Bei horizontalen Maschinen rotiert die Bohrstange entlang einer horizontalen Achse, während das Werkstück auf dem Maschinentisch aufliegt. Die Funktionsweise ähnelt stark der einer horizontalen Fräsmaschine.

Vertikale Bohr- und Fräsmaschinen (VTL)

Bei vertikalen Ausführungen rotiert das Werkstück entlang einer vertikalen Achse, während das Bohrwerkzeug linear verfährt, ohne sich zu drehen. Dieses Prinzip erinnert an einen vertikalen Drehautomaten.

Funktionen von Bohr- und Fräsmaschinen

Bohr- und Fräsmaschinen werden hauptsächlich eingesetzt, um Bohrungen zu vertiefen oder zu erweitern, wenn andere Verfahren zu kostspielig, ineffizient oder unzuverlässig wären. Hauptanwendungsbereiche sind:

Bearbeitung von Außen- und Innenflächen (Abtragen/Fertigbearbeitung)

Eine der Hauptanwendungen von CNC-Bohr- und Fräsmaschinen ist das Rauh- oder Feinbearbeiten der Innenflächen einer Bohrung. Die verwendete Technik kann dabei helfen, die Oberflächenstruktur der Bohrungsinnenwand gezielt zu beeinflussen. Dies erfolgt häufig im Rahmen der Instandsetzung von Bauteilen, anstatt eine neue Bohrung zu erstellen.

Bearbeitung hitzeempfindlicher oder nicht duktiler Materialien

Bohr- und Fräsmaschinen können Bohrungen in Materialien erweitern, die für thermische oder elektrische Verfahren (wie Laserschneiden oder Erodieren) ungeeignet sind, da es sich um ein mechanisches Scherschneiden handelt. Für Durchgangsbohrungen sind manuelle Bohrwerke ideal geeignet. Zwar bieten CNC-Bohrfräsmaschinen die Präzision für Sackbohrungen, doch ist dies nicht ihr primärer Einsatzzweck.

Vorteile von Bohr- und Fräsmaschinen

Wenn eine horizontale CNC-Bohr- und Fräsmaschine einer horizontalen Fräsmaschine ähnelt und eine vertikale Ausführung einem vertikalen Drehautomaten, warum sollte man sich für ein Bohrwerk entscheiden? Wesentliche Gründe sind:

Aufnahme sehr großer Werkstücke

Manche Werkstätten müssen extrem große Werkstücke bearbeiten. Bohr- und Fräsmaschinen zeichnen sich durch einen sehr großen „konfigurierbaren Arbeitsraum“ aus, der die Aufnahme größerer Werkstücke ermöglicht als vergleichbare horizontale Fräsmaschinen.

Minimierung der Werkzeugauslenkung

Werkzeugauslenkung (Verformung während der Bearbeitung) tritt auf, wenn ein Werkzeug auf höheren Widerstand trifft, als es ausgleichen kann – etwa wenn die Spindel zu weit aus dem Spindelstock ragt und unter ungünstigem Winkel schneidet. Bei Bohr- und Fräsmaschinen fährt die Spindel aus dem Spindelstock aus, sodass sie kurz gehalten werden kann, um Auslenkungen zu vermeiden. Dies führt zu präziseren Bohrergebnissen.

Langlebigkeit, Lebensdauer und Nutzen

Sie mögen unspektakulär wirken, sind aber äußerst robuste und zuverlässige Werkzeuge – besonders bei guter Wartung. Bei richtiger Behandlung halten sie Jahrzehnte im Dauereinsatz, was sie zu attraktiven Investitionen macht, die ihren Wert behalten. Beim Bohren (auch Innenausdrehen genannt) wird der Innendurchmesser einer Bohrung vergrößert. Die Ausgangsbohrung entsteht durch Bohren oder als Kernloch beim Gießen. Das Bohren erfüllt drei wesentliche Aufgaben:

Dimensionierung (Sizing)

Der Bohrprozess bringt die Bohrung auf das richtige Maß und die gewünschte Oberflächengüte. Ein Bohrer oder Reibahlen eignen sich nur für „Standard“-Maße oder wenn Spezialwerkzeuge geschliffen werden. Durch Anpassung von Drehzahl, Vorschub und Eckenradius kann das Bohrwerkzeug jeden Durchmesser bearbeiten und die erforderliche Güte erzielen. Mikroverstellbare Bohrstangen ermöglichen Präzisionsbohrungen.

Geradheit (Straightness)

Die ursprüngliche gebohrte oder gegossene Bohrung kann durch Bohren gerichtet werden. Längere Bohrer neigen aufgrund exzentrischer Kräfte, harter Stellen im Material oder ungleichmäßiger Schärfung zum Abweichen. Kernlöcher in Gussstücken sind fast nie vollkommen gerade. Diese Fehler lassen sich korrigieren, indem das Bohrwerkzeug über den Vorschub der Maschine präzise entlang der Bahn geführt wird.

Konzentrizität (Concentricity)

Das Bohren stellt die Konzentrizität der Bohrung zum Außendurchmesser her – oft genauer als es die Spannvorrichtung erlaubt. Für optimale Konzentrizität werden Außen- und Innenbearbeitung in einer Aufspannung durchgeführt, ohne das Werkstück umzuspannen.

Neben diesen Grundlagen gibt es weitere Aspekte wie Spanabtrag, Oberflächengüte und Standzeit, die bei der Innenbearbeitung (Bohren) im Gegensatz zur Außenbearbeitung besondere Herausforderungen darstellen. Die Werkzeugüberhanglänge ist beim Bohren direkt durch den Bohrungsdurchmesser begrenzt. Größere Werkzeugdurchmesser verbessern die Stabilität, doch der Platz für Spanabfuhr und Radialbewegungen bleibt begrenzt.

Bohr- und Fräsmaschinen in der Werkstatt

Die Stabilitätsprobleme beim Bohren erfordern sorgfältige Vorbereitung. Durch Verständnis der Schnittkräfte, der Werkzeuggeometrie, der Schnittdaten sowie der verschiedenen Bohrstangen und Spannsysteme lassen sich Stabilität, Auslenkung und Vibrationen minimieren.

Schnittkräfte (Tangential- und Radialkraft) drücken das Werkzeug vom Werkstück weg und verursachen Auslenkungen. Die Tangentialkraft wirkt nach unten und vom Zentrum weg. Der Freiwinkel verringert sich durch die Biegung im Bohrungsinneren – besonders kritisch bei kleinen Durchmessern, wo ein ausreichender Freiwinkel des Schneideinsatzes Kontakt mit der Bohrungswand verhindern muss.