Funktion, Anforderungen und Grenzen
Tieflochbohrungen gelten in der Fertigungstechnik als eine der anspruchsvollsten Disziplinen und sind in der Kugelgewindetriebfertigung unverzichtbar. Ob Kugelrückführung, Schmierstoffversorgung oder Flüssigkeitskühlung: Mehrere Kernfunktionen eines Kugelgewindetriebs setzen Bohrungen voraus, deren Durchmesser-Längen-Verhältnis weit über das hinausgeht, was konventionelle Bohrtechnologien beherrschen.
Definition und Einordnung
Als Tieflochbohrung gilt jede Bohrung mit einem Durchmesser-Längen-Verhältnis (D/L) ab 10:1, die Bohrtiefe beträgt also mindestens das Zehnfache des Bohrdurchmessers. Ab diesem Verhältnis versagen konventionelle Spiralbohrer in mehrfacher Hinsicht: Die Spanabfuhr ist nicht mehr gesichert, die Führung des Werkzeugs über die Bohrungslänge nimmt ab, und die Wärmeabfuhr aus der Kontaktzone ist mit Standardkühlmitteln nicht mehr kontrollierbar. Für Tieflochbohrungen kommen daher spezialisierte Verfahren zum Einsatz, insbesondere Ein- und Zweilippenbohrer, bei denen Kühlmittel unter Druck durch den Werkzeugschaft zugeführt und der Span über eine innenliegende Auswurfnut oder ein äußeres Abfuhrrohr abtransportiert wird.
Die wesentlichen Prozessparameter, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Kühlmitteldruck und -durchflussmenge sowie Werkzeugführung, müssen auf Werkstoff, Bohrungsdurchmesser und D/L-Verhältnis individuell abgestimmt sein. Werkzeugsteifigkeit und -elastizität spielen eine entscheidende Rolle für die Einhaltung des geforderten Bohrungsverlaufs: Ein zu steifes Werkzeug folgt geometrischen Unregelmäßigkeiten im Werkstück und erzeugt Spannungen, ein zu elastisches weicht vom Sollverlauf ab und erzeugt Verlaufsfehler.
Einsatzbereiche im Kugelgewindetrieb
Kugelrückführung (D/L 10:1 – 25:1)
Die Wälzkörper eines Kugelgewindetriebs durchlaufen die tragende Laufbahn und müssen anschließend über einen Rückführkanal zum Mutteranfang zurückgeführt werden. Bei internen Umlenkungen erfolgt diese Rückführung über Tieflochbohrungen im Mutternkörper, die den Kugelkanal axial durch den Mutternkörper führt.
Die geometrischen Anforderungen an diese Bohrung sind hoch: Der Bohrungsverlauf muss innerhalb definierter Form- und Lagetoleranz liegen, da Abweichungen zu ungleichmäßigem Kugeleinlauf, erhöhtem Geräuschpegel und Verschleiß am Einlaufbereich führen. Übliche D/L-Verhältnisse liegen bei 10:1 bis 25:1 – ein Bereich, der mit entsprechendem Werkzeug und standardisiertem Prozess beherrscht werden kann, jedoch konsequente Messprozesse zur Bohrungsverlaufskontrolle erfordert.
Kugelrückführbohrung am Beispiel einer KGT 100×25
Schmierstoffzuführung (D/L bis 40:1)
Für eine gezielte Schmierung der Laufbahn werden Schmierstoffkanäle über Tieflochbohrungen direkt in den Mutternkörper eingebracht. Diese Kanäle führen den Schmierstoff an definierten Positionen im Gewindegang und ermöglichen so eine gleichmäßige Versorgung der Wälzkontaktzone.
Die D/L-Verhältnisse liegen hier bei bis zu 40:1. Im Vergleich zur Kugelrückführungsbohrung sind die Anforderungen an den Bohrungsverlauf weniger kritisch, da kein definierter Kugelübergang hergestellt werden muss. Dennoch sind Lagegenauigkeit und Winkeltoleranz der Bohrung entscheidend, um die Schmierstoffverteilung zuverlässig zu steuern.
Tieflochbohrung einer KGT-Spindel für ein Kühlungssystem
Kühlungssysteme: Mutter und Spindel (D/L bis 400:1)
Thermisch hochbelastete Anwendungen erfordern eine aktive Flüssigkeitskühlung, um Wärmeausdehnung und damit verbundene Positionierfehler zu minimieren.
Bei gekühlten Muttersystemen wird die Kühlflüssigkeit durch Bohrungskanäle im Mutternkörper geführt. Die erforderlichen D/L-Verhältnisse liegen hier bei bis zu 50:1 und bewegen sich damit im oberen Bereich dessen, was intern mit spezialisiertem Equipment beherrschbar ist.
Gekühlte Spindelsysteme stellen eine fertigungstechnisch eigene Kategorie dar. Hier muss die Kühlflüssigkeit über die gesamte Länge der Spindel durch eine axiale Innenbohrung geführt werden. Die dabei auftretenden D/L-Verhältnisse erreichen Werte von bis zu 400:1 – ein Bereich, der ausschließlich von auf Tieflochbohren spezialisierten Fertigungspartnern mit entsprechenden Maschinenkonzepten (u. a. gegenläufige Dehnung von Werkzeug und Werkstück, aktive Schwingungsdämpfung) realisiert werden kann.
Ergänzend werden Tieflochbohrungen in Spindeln auch zur Mediendurchführung eingesetzt, beispielsweise für Druckluft, elektrische Energie oder Datentransfer. Bei teleskopierbaren Gewindetrieben kommen Bohrungen mit D/L-Verhältnissen von 5:1 bis 15:1 hinzu.
Konstruktive Auswirkung: Steifigkeitsverlust
Jede Bohrung reduziert den wirksamen Querschnitt des Bauteils und damit dessen Steifigkeit. Für den Mutternkörper ist dieser Effekt in der Regel vernachlässigbar: Die verbleibenden Wandstärken sind bei üblichen Mutterngeometrien ausreichend, um die geforderte Steifigkeit zu gewährleisten.
Für Tieflochbohrungen in der Spindel gilt dies nicht uneingeschränkt. Die axiale Steifigkeit einer Spindel wird maßgeblich durch den Querschnitt in Abhängigkeit von Bohrungsdurchmesser und Wellendurchmesser bestimmt. Bei langen Hüben kann dieser Steifigkeitsverlust die zu erreichende Positioniergenauigkeit in Verbindung mit dem Regelverhalten einschränken.
Die Entscheidung für oder gegen eine Tieflochbohrung in der Spindel ist daher eine konstruktive Abwägung: zwischen dem thermischen Nutzen der Kühlung und dem mechanischen Nachteil der reduzierten Spindelsteifigkeit. Diese Abwägung muss anwendungsspezifisch und auf Basis der tatsächlichen Lastfälle getroffen werden.
Fertigungstiefe und Prozessbeherrschung
Tieflochbohrungen zur Kugelrückführung sowie zur Schmierstoff- und Kühlmittelversorgung werden bei Kammerer ausschließlich im eigenen Haus gefertigt. Werkzeugkonzepte, Fertigungs- und Messprozesse wurden systematisch entwickelt und in reproduzierbare Standardprozesse überführt. Die Bohrungsqualität wird durch Form- und Lagetoleranzen definiert und messtechnisch abgesichert.
Für D/L-Verhältnisse bis zu 400:1, realisiert in gekühlten Spindelanwendungen, arbeitet Kammerer seit rund 15 Jahren in enger technischer Abstimmung mit spezialisierten Partnerfirmen zusammen. Diese Konstellation ermöglicht es, auch fertigungstechnisch extrem anspruchsvolle Anforderungen in Serie umzusetzen.
