Welche Faktoren beeinflussen die Bohrgeschwindigkeit von CNC-Hochgeschwindigkeitsbohrmaschinen?

Eine schnelle Spindel garantiert keine schnellen Bohrungen. Schlechte Werkzeugwahl, tiefe Bohrungen, schwierige Materialien und verstopfte Späne können schnell zu Verschleiß, Bruch und Stillstandszeiten führen.

Die Bohrgeschwindigkeit einer CNC-Hochgeschwindigkeitsbohrmaschine hängt von Bohrlochtiefe und -durchmesser, Werkstückmaterial, Werkzeugmaterial und -geometrie, Spindelleistung, Maschinensteifigkeit, Kühlmittelzufuhr, Spanabfuhr und der erforderlichen Bohrlochqualität ab. Die beste Einstellung gleicht Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Standzeit und Prozessstabilität aus.

Die maximale Spindeldrehzahl ist lediglich eine theoretische Obergrenze. Bei der tatsächlichen Bearbeitung wirken starker Spanwiderstand, Reibung in tiefen Bohrungen, Materialhärte und physikalische Wärmeentwicklung als direkte Barrieren, die effektive Bohrgeschwindigkeiten weit unter die Nennkapazität der Maschine begrenzen. Das Erhöhen der Drehzahl entgegen diesen physikalischen Einschränkungen führt nur zu Werkzeugüberlastung, Reibung und vorzeitigem Ausfall.

Wie begrenzt das Verhältnis von Bohrtiefe zu Durchmesser die maximale Bohrgeschwindigkeit?

Ein Bohrprozess kann nahe dem Bohrungseingang stabil bleiben und tiefer im Inneren versagen. Längere Spanwege erhöhen Wärme, Reibung, Durchbiegung und das Risiko eines plötzlichen Werkzeugbruchs.

Mit zunehmendem Verhältnis von Bohrtiefe zu Durchmesser nimmt die Steifigkeit des Bohrers ab und die Spanabfuhr wird schwieriger. Geschwindigkeit und Vorschub müssen möglicherweise reduziert werden, während Innenkühlung, spezielle Bohrergeometrie, Pilotbohrungen oder Tieflochbohrzyklen notwendig werden können, um die Genauigkeit zu erhalten und Ausfälle zu verhindern.

Warum reduziert ein hohes L/D-Verhältnis die Prozessstabilität?

Das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser ergibt sich aus der Division der gebohrten Tiefe durch den nominellen Bohrlochdurchmesser. Ein 50 mm tiefes Loch, das mit einem 10 mm Werkzeug gebohrt wird, hat ein L/D-Verhältnis von 5.¹. Die gleiche Tiefe mit einem 2,5 mm Bohrer ergibt ein L/D-Verhältnis von 20.

Ein längeres und dünneres Werkzeug hat eine geringere Biegesteifigkeit. Kleine Radialkräfte können dann eine größere Bewegung der Bohrerspitze verursachen. Rundlauffehler, eine unebene Eintrittsfläche, Schwingungen der Spannvorrichtung oder eine falsche Spitzengeometrie können den Bohrer von seiner beabsichtigten Mittellinie wegdrücken. Das resultierende Loch kann eine schlechte Geradheit, einen zu großen Durchmesser, Wandmarkierungen oder Werkzeugbruch aufweisen.

Der Werkzeugüberhang spielt ebenfalls eine Rolle. Eine unnötig lange Halter- und Bohrerbaugruppe verringert die Steifigkeit, selbst wenn die tatsächliche Bohrung flach ist. Die kürzestmögliche Werkzeug- und Halteranordnung unterstützt in der Regel einen höheren Vorschub und eine bessere Genauigkeit.

Ein hohes L/D-Verhältnis verlängert auch den Spanabfuhrweg. Späne müssen sich durch die Spannuten bewegen, während Kühlmittel zur Schnittzone fließt. Verstopfte Späne erhöhen Reibung und Drehmoment. Die zusätzliche Wärme kann die Schneidkante erweichen, ihre Beschichtung beschädigen oder Material an den Bohrer schweißen.

Ungefährer L/D-Bereich	Allgemeine Prozessbedingungen	Gängiger Bohrprozess
Bis zu 3	Kurzes und stabiles Loch	Standardparameter können möglich sein
3–5	Normales Fertigungsbohren	Stabile Kühlung und Spansteuerung erforderlich
5–10	Mäßig tiefes Loch	Interne Kühlung und reduzierte Parameter können erforderlich sein
10–20	Tieflochbohren	Spezialisierte Geometrie, Pilotbohrung und sorgfältige Überwachung
Über 20	Spezialisierte Tieflochanwendung	Tiefbohren, BTA-Bohren oder ein anderes spezialisiertes Verfahren2

Diese Bereiche sind Richtwerte und keine universellen Grenzen. Moderne Vollhartmetallbohrer mit Innenkühlung können relativ tiefe Löcher ohne Entspanen bohren. Im Gegensatz dazu erfordert ein HSS-Bohrer mit Außenkühlung möglicherweise ein Entspanen bei einem wesentlich niedrigeren L/D-Verhältnis.

Sollte die Geschwindigkeit bei tiefer werdenden Löchern immer reduziert werden?

Eine feste prozentuale Reduzierung für jede Erhöhung des L/D-Verhältnisses sollte nicht auf jeden Prozess angewendet werden. Werkzeughersteller bieten separate Parameterempfehlungen für kurze, lange und extralange Bohrer an. Einige Tieflochwerkzeuge behalten eine angemessene Schnittgeschwindigkeit bei, verwenden jedoch einen niedrigeren Vorschub, eine kontrollierte Eintrittssequenz und einen höheren Kühlmitteldruck.

Tieflochbohren mit Entspanen kann Späne brechen und die Spannuten reinigen, aber jeder Rückzug verlängert die Nebenzeiten. Wiederholtes vollständiges Zurückziehen kann zudem Reibung, thermische Wechselbeanspruchung und Eintragsspuren verursachen. Ein korrekt ausgewählter Bohrer mit Innenkühlung kann das Loch möglicherweise schneller mit einem kontinuierlichen Vorschub fertigstellen.

Der Prozessengpass verschiebt sich mit zunehmender Tiefe. Die Leistung bei kurzen Löchern wird oft durch die Spindelleistung, die Werkzeugkapazität oder die Vorschubbeschleunigung begrenzt. Die Leistung bei tiefen Löchern wird häufiger durch Werkzeugdynamik, Spanabfuhr, Kühlmittelfluss, Geradheit und thermische Kontrolle begrenzt. Die produktive Geschwindigkeit muss daher auf dem gesamten Bohrprozesssystem basieren und nicht allein auf der Drehzahl.

Welchen Einfluss hat das Werkstückmaterial auf die Bohrgeschwindigkeit?

Derselbe Bohrer kann in Aluminium gut funktionieren und in Edelstahl schnell versagen. Materialhärte, Zähigkeit, Wärmefluss, Abrasivität und Spanform verändern den sicheren Schnittbereich.

Das Werkstückmaterial beeinflusst die zulässige Schnittgeschwindigkeit durch Härte, Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Kaltverfestigungsverhalten, Abrasivität und Spanbildung. Aluminium ermöglicht im Allgemeinen hohe Geschwindigkeiten, während Edelstahl, Titan, gehärteter Stahl und Legierungen auf Nickelbasis häufig niedrigere Geschwindigkeiten, robustere Werkzeuge und eine effektivere Kühlung erfordern.

Wie beeinflussen Härte und thermische Eigenschaften die Geschwindigkeit?

Harte Werkstoffe erhöhen den Druck an der Schneidkante. Sie können abrasiven Verschleiß und Kantenausbrüche beschleunigen. Eine höhere Härte erfordert nicht immer extrem niedrige Geschwindigkeiten, da beschichtete Hartmetallwerkzeuge einige gehärtete Materialien effizient bohren können. Die Werkzeugsorte, Beschichtung, Kantenpräparation und Maschinensteifigkeit müssen jedoch auf die Anwendung abgestimmt sein.

Materialfestigkeit und Zähigkeit beeinflussen die Schnittkraft. Zähe Werkstoffe leisten Widerstand gegen die Spanablösung und können lange, kontinuierliche Späne erzeugen. Diese Späne können sich um den Bohrer wickeln oder sich in den Spannuten festsetzen. Eine spanbrechende Geometrie und ein geeigneter Vorschub pro Umdrehung sind essenziell.

Die Wärmeleitfähigkeit bestimmt, wie schnell Wärme aus der Schnittzone abgeleitet wird. Aluminium leitet Wärme gut ab und ermöglicht oft hohe Schnittgeschwindigkeiten.³. Titan und Legierungen auf Nickelbasis leiten Wärme schlecht.⁴. Ein großer Teil der Wärme verbleibt daher in der Nähe der Schneidkante. Überhöhte Geschwindigkeit kann zu schnellem Freiflächenverschleiß, Erweichen der Schneidkante, Versagen der Beschichtung oder katastrophalen Ausbrüchen führen.

Kaltverfestigung stellt eine weitere Grenze dar. Austenitischer Edelstahl kann aushärten, wenn ein Bohrer reibt, anstatt zu schneiden.⁵. Ein zu niedriger Vorschub kann daher ebenso schädlich sein wie eine überhöhte Geschwindigkeit. Der Bohrer muss bei stabilem Vorschub einen positiven Schneidvorgang aufrechterhalten.

Werkstückmaterial	Hauptproblem beim Bohren	Allgemeiner Geschwindigkeitstrend
Aluminiumlegierung	Aufbauschneiden und lange Späne	Hohe Schnittgeschwindigkeit
Grauguss	Abrasive Partikel und Staub	Mittlere bis hohe Geschwindigkeit
Kohlenstoffstahl	Hitze und kontinuierliche Späne	Mittlere Geschwindigkeit
Legierter Stahl	Höhere Festigkeit und Werkzeugverschleiß	Mittlere bis niedrige Geschwindigkeit
Austenitischer Edelstahl	Kaltverfestigung und schlechte Wärmeübertragung	Niedrigere kontrollierte Geschwindigkeit
Titanlegierung	Wärmekonzentration und Schneidenverschleiß	Niedrige bis mittlere Geschwindigkeit
Nickelbasis-Superlegierung	Extreme Hitze und schneller Verschleiß	Niedrige Geschwindigkeit
Gehärteter Stahl	Hoher Druck und Ausbruchgefahr	Werkzeugspezifische kontrollierte Geschwindigkeit

Warum ist die Spanform wichtig?

Kurze, kontrollierte Späne können mit weniger Widerstand durch die Bohrnuten abfließen. Grauguss erzeugt von Natur aus kurze Späne, aber sein Graphit und die harten Partikel können abrasiven Verschleiß verursachen. Trockenbohren kann bei einigen Gussanwendungen möglich sein, wobei Staubabsaugung und Maschinenschutz dennoch erforderlich bleiben.

Kohlenstoffarmer Stahl und einige Aluminiumlegierungen können lange Späne bilden. Diese Materialien benötigen möglicherweise polierte Spannuten, eine effektive Kühlmittelzufuhr und eine Geometrie, die darauf ausgelegt ist, den Span zu kräuseln und zu brechen. Hohe Geschwindigkeit ohne Spankontrolle kann die Spannuten füllen und einen plötzlichen Drehmomentanstieg verursachen.

Klebrige Materialien können Aufbauschneiden bilden. Aluminium kann an einer ungeeigneten Schneidkante haften, während Edelstahl schmieren und kaltverfestigen kann. Poliertes Hartmetall, materialspezifische Beschichtungen, das richtige Kühlmittel und ein geeigneter Vorschub können diesen Effekt reduzieren.

Der Materialzustand muss ebenfalls berücksichtigt werden. Gusshaut, Zunder, unterbrochene Oberflächen, Schweißzonen und variable Härte können die sichere Geschwindigkeit verringern. Veröffentlichte Parametertabellen sind normalerweise Ausgangspunkte. Ein Produktionsversuch sollte dann die Spindellast, Spanform, Werkzeugverschleiß, Bohrungsgröße, Oberflächengüte und Taktzeit überwachen.

Wie beeinflusst die Lochgröße die Bohrgeschwindigkeit einer CNC-Hochgeschwindigkeitsbohrmaschine?

Kleine und große Bohrungen haben unterschiedliche Grenzwerte. Kleine Bohrer können durch geringen Rundlauffehler brechen, während große Bohrer das verfügbare Drehmoment, die Leistung oder den Vorschub der Maschine überschreiten können.

Der Bohrungsdurchmesser beeinflusst die Spindeldrehzahl durch die Schnittgeschwindigkeit. Kleinere Bohrer erfordern höhere Drehzahlen, um eine bestimmte Schnittgeschwindigkeit zu erreichen, während größere Bohrer niedrigere Drehzahlen erfordern. Kleine Werkzeuge sind durch Steifigkeit und Rundlauf begrenzt, während große Werkzeuge durch Drehmoment, Vorschubkraft, Leistung und Spanvolumen begrenzt sind.

Wie wird die Spindeldrehzahl aus dem Lochdurchmesser berechnet?

Die Spindeldrehzahl wird aus der empfohlenen Schnittgeschwindigkeit und dem Bohrdurchmesser berechnet:

[n = (1.000 × Vc) ÷ (π × D)](https://en.wikipedia.org/wiki/Speeds_and_feeds)[^6]

In dieser Formel ist, n die Spindeldrehzahl in U/min, Vc die Schnittgeschwindigkeit in Metern pro Minute und D der Werkzeugdurchmesser in Millimetern.

Ein kleinerer Durchmesser benötigt mehr Umdrehungen pro Minute, um die gleiche Schnittgeschwindigkeit zu erreichen. Zum Beispiel muss ein 5-mm-Bohrer bei gleicher Schnittgeschwindigkeit viermal schneller rotieren als ein 20-mm-Bohrer. Dieses Verhältnis erklärt, warum die Produktion kleiner Bohrungen von einer hochtourigen Spindel profitiert.

Der Vorschub wird mit einer weiteren Beziehung berechnet:

[Vf = f × n](https://web.mae.ufl.edu/designlab/AdvancedManufacturing/SpeedsandFeeds/SpeedsandFeeds.htm)[^7]

In dieser Formel ist, Vf ist der Vorschub in Millimetern pro Minute, f ist der Vorschub pro Umdrehung und n ist die Spindeldrehzahl. Eine höhere Drehzahl kann daher den axialen Vorschub erhöhen, jedoch nur, wenn das Werkzeug den gewählten Vorschub pro Umdrehung unterstützt.

Lochgröße	Hauptbetriebsmerkmal	Typische Einschränkung
Unter 3 mm	Sehr hohe Drehzahl und niedriger Vorschub pro Umdrehung	Rundlaufabweichung, Bruch und Spanverstopfung
3–20 mm	Breiter produktiver Bohrbereich	Werkzeugverschleiß und Spanabfuhr
Über 20 mm	Niedrigere Drehzahl und höhere Vorschubkraft	Drehmoment, Leistung, Vorschubkraft und Spanvolumen
Sehr großer Durchmesser	Spezialbohren oder Interpolation	Maschinenkapazität und Bearbeitungszeit

Warum kann ein kleines Loch trotzdem lange dauern?

Ein kleiner Bohrer kann zwar mit hoher Drehzahl betrieben werden, aber seine geringe Steifigkeit begrenzt den Vorschub pro Umdrehung. Eine geringe Rundlaufabweichung der Spindel kann einen großen Prozentsatz des Werkzeugdurchmessers ausmachen. Einige Mikrometer Rundlaufabweichung können eine Schneidkante überlasten⁶ und zu vorzeitigem Ausfall führen.

Kleine, tiefe Löcher bieten zudem wenig Platz für Späne und Kühlmittel. Eine hohe Spindeldrehzahl kann blockierte Spannuten nicht ausgleichen. Mikrobohren erfordert möglicherweise ausgewuchtete Halter, sehr geringe Rundlaufabweichung, gefiltertes Kühlmittel, präzise Werkzeugvermessung und einen kontrollierten Eintritt.

Große Löcher stellen ein anderes Problem dar. Ihre Schneidkanten entfernen bei jeder Umdrehung mehr Material. Drehmoment, Vorschubkraft und Spindelleistung steigen an. Große Späne erfordern zudem mehr Platz in den Spannuten und mehr Kühlmitteldurchfluss. Die Spindel muss bei der gewählten niedrigen Geschwindigkeit ausreichend Drehmoment liefern, nicht nur eine hohe maximale Drehzahl.

Wendeplattenbohrer sind bei größeren Durchmessern oft wirtschaftlich. Vorbohren, Stufenbohren, Kernbohren, Ausdrehen oder helikale Interpolation können eingesetzt werden, wenn ein Vollbohrer die Maschinenkapazität überschreiten würde. Jeder zusätzliche Arbeitsgang erhöht die Zykluszeit, daher sollten Lochtoleranz und Oberflächenanforderungen vor der Auswahl des Verfahrens geprüft werden.

Die schnellste Methode ist nicht immer die mit der höchsten Spindeldrehzahl. Ein stabiler Ein-Durchgang-Bohrvorgang kann schneller sein als ein aggressiver Prozess, der häufige Werkzeugwechsel, Entspanen, Inspektionen oder Nacharbeit erfordert.

Warum wirkt sich TSC positiv auf die Aufrechterhaltung der hohen Drehzahl von CNC-Hochgeschwindigkeitsbohrmaschinen aus?

Externe Kühlung kann den Locheingang bedecken, während die Schneidkante heiß und trocken bleibt. Späne können dann die Spannuten blockieren, das Drehmoment erhöhen und einen ansonsten leistungsfähigen Hochgeschwindigkeitsprozess stoppen.

Durch die Spindel zugeführtes Kühlmittel leitet die Flüssigkeit direkt durch das Werkzeug zur Schneidkante. Es führt Wärme ab, schmiert den Kontaktbereich und befördert Späne aus dem Loch. Diese Effekte reduzieren Drehmomentspitzen und thermische Schäden, wodurch hohe Spindeldrehzahlen und Vorschübe über längere Zeiträume stabil bleiben können.

Wie verbessert TSC die Kühlung und den Spanabtransport?

Die durch die Spindel geführte Kühlung, auch TSC oder Innenkühlung genannt, fließt durch Kanäle in der Spindel, im Halter und im Werkzeug. Auslassöffnungen in der Nähe der Bohrerspitze leiten das Fluid direkt in die Schnittzone. Diese Zufuhr-Methode ist bei tiefen Bohrungen effektiver als externe Düsen, da das Werkzeug selbst verhindert, dass externes Fluid den Bohrungsgrund erreicht.

Das Kühlmittel absorbiert Wärme von der Bohrerspitze, den Fasen, den Spänen und dem umliegenden Werkstückmaterial. Es sorgt zudem für eine Schmierung zwischen Bohrer, Span und Bohrungswand. Geringere Reibung reduziert das Drehmoment und begrenzt die Aufbauschneidenbildung.⁷.

Der Kühlmittelstrom befördert die Späne zwangsweise durch die Spannuten zurück. Ein stabiler Spanabtransport verhindert das Verstopfen durch Späne, das Nachschneiden, Kratzer an der Wandung und plötzliche Spindellastanstiege. Dieser Effekt ermöglicht es einem Bohrer, in Anwendungen, die andernfalls häufiges Entspanen (Pecking) erfordern würden, einen kontinuierlichen Vorschub beizubehalten.

TSC-Funktion	Direkter Prozesseffekt	Produktionsvorteil
Schneidenkühlung	Senkt die lokale Temperatur	Geringerer Werkzeugverschleiß
Interne Schmierung	Reduziert Reibung und Adhäsion	Geringere Schnittlast
Gezwungener Spanabtransport	Reinigt Spannuten und Bohrungsgrund	Weniger Verstopfungen und Werkzeugbrüche
Stabile Lastkontrolle	Begrenzt Drehmomentspitzen	Zuverlässigerer Hochgeschwindigkeitsbetrieb
Kontinuierliches Bohren	Reduziert Intervallbohrzyklen	Kürzere Bohrzykluszeit
Kontrollierte Bohrungstemperatur	Begrenzt die thermische Ausdehnung	Bessere Maßhaltigkeit

Erhöht TSC direkt die Spindeldrehzahl?

TSC erhöht nicht die nominelle maximale Drehzahl des Motors. Es schafft die Prozessbedingungen, die erforderlich sind, um eine hohe Spindeldrehzahl sicher zu nutzen. Ohne eine ordnungsgemäße Kühlmittelzufuhr können Hitze oder gestaute Späne eine Drehzahlreduzierung erzwingen, selbst wenn die Spindel schneller rotieren könnte.

Der Kühlmitteldruck muss auf den Bohrdurchmesser, die Kanalgröße, die Bohrtiefe und das Material abgestimmt sein. Kleine Innenkanäle erfordern möglicherweise einen hohen Druck, während größere Bohrer in der Regel ein größeres Durchflussvolumen benötigen. Die Systeme können von moderatem Druck bis zu 70 bar oder mehr reichen. Spezialisierte Tiefbohranwendungen können wesentlich höheren Druck erfordern.⁸. Ein einzelner Druckwert ist nicht für jede Maschine geeignet.

Filtration ist unerlässlich. Feine Kanäle in Hartmetallbohrern können durch Späne oder Verunreinigungen verstopft werden. Filterleistung, Pumpendurchfluss, Tankzustand, Kapazität der Drehdurchführung und Werkzeugaufnahmedichtungen müssen den gewählten Prozess unterstützen. Ein übermäßig hoher Druck kann Dichtungen beschädigen, Leckagen erhöhen oder die Grenzen des Werkzeugherstellers überschreiten.

TSC kühlt zudem nicht direkt die Spindellager, sofern die Maschine nicht über einen separaten Spindelkühlkreislauf verfügt. Sein Hauptzweck beim Bohren besteht darin, die Schnittzone zu kühlen, zu schmieren und Späne zu entfernen. Eine stabile Temperatur der Spindellager hängt weiterhin von der Schmierung und dem thermischen Design der Spindel ab.

Ein erfolgreicher TSC-Prozess kombiniert geeigneten Druck, ausreichenden Durchfluss, saubere Flüssigkeit, korrekte Konzentration und Werkzeuge mit Innenkühlung. Wenn diese Bedingungen stabil bleiben, wird die aufgeführte Hochgeschwindigkeitskapazität einer CNC-Bohrmaschine in der Serienfertigung nutzbar, anstatt nur bei kurzen Testschnitten.

Schlussfolgerung

Die produktive Bohrgeschwindigkeit hängt von einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Durchmesser, Tiefe, Material, Werkzeug, Maschinenkapazität und Kühlmittelzufuhr ab, anstatt nur die maximale Spindeldrehzahl anzustreben.

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