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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Bohren von Quarzglas, indem unter Einsatz eines
Bohrers mit einer um ihre Längsachse
rotierenden Bohrstange, deren distales Ende einen Bohrkopf mit einer
mit Schleif- oder Schneidmitteln versehenen Bohrkrone trägt, eine
Bohrung in einem Quarzglaskörper
erzeugt oder eine vorhandene Bohrung erweitert wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin
einen Bohrer für
Quarzglas, mit einer um ihre Längsachse
rotierbaren Bohrstange, deren distales Ende einen Bohrkopf mit einer
mit Schleif- oder Schneidmitteln versehenen Bohrkrone trägt.
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Ein derartiges Verfahren zum Erzeugen
oder Erweitern einer Bohrung in einem Quarzglaskörper und ein dafür geeigneter
Bohrer sind aus der
DE
44 34 025 A1 bekannt. Darin ist ein Bohrer mit einer um ihre
Längsachse
rotierbaren Bohrstange beschrieben, an deren distalem Ende ein Bohrkopf
befestigt ist, der mehrere mit Diamantkörnung belegte, scheibenförmige Bohrkronen
trägt,
deren Außendurchmesser
von vorn nach hinten stufenweise zunimmt. Mit der vorderen Bohrkrone
wird die Vorbohrung in einem Quarzglaskörper erzeugt oder, sofern bereits eine
Bohrung vorhanden ist, geradlinig erweitert. Der bekannte Bohrer
ist besonders im Hinblick auf die Erzeugung von Bohrungen mit schädigungsarmer Randzone
konzipiert.
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Während
des Bohrprozesses wirken auf den Bohrkopf hohe Kräfte ein.
Die Quarzglasmasse kann einseitig auf den Bohrkopf einwirkende Haftreibungskräfte erzeugen,
die den Bohrkopf seitlich aus der Rotationsachse auslenken. Darüber hinaus
kann sich die Bohrstange bei tiefen horizontalen Bohrungen aufgrund
ihrer Länge
leicht durchbiegen und dadurch den Bohrkopf aus der Waagerechten
kippen. Dadurch kann es beim Erweitern einer vorhandenen Bohrung
auch vorkom men, dass der obere Teil der Bohrkopfstirnfläche nicht
mehr in Eingriff zum Quarzglas ist.
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Aufgrund dieser Effekte kann es bei
dem bekannten Verfahren zu einer unzureichenden Geradheit der Bohrung
und Maßhaltigkeit
des Bohrungsdurchmessers kommen. Infolge einer einseitig am Bohrkopf
anliegenden Quarzglasmasse werden zudem radiale Rillen in der Bohrungsoberfläche erzeugt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Bohren von Quarzglas mit möglichst
defektfreier, gerader und maßhaltiger
Innenbohrung anzugeben und einen geeigneten Bohrer dafür bereitzustellen.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird
diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Bohrstange aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff eingesetzt
wird.
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Eine Bohrstange aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff
zeichnet sich durch geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit
(bezogen auf das Gewicht) aus. Beide Eigenschaften tragen dazu bei, dass
der Bohrkopf auch bei tiefen horizontalen Bohrungen wenig aus seiner
idealen Orientierung abgelenkt wird. Beim Erweitern einer vorhandenen
Bohrung wird darüber
hinaus gewährleistet,
dass am Umfang des Bohrkopfes stets etwa gleich große Reibungskräfte rotationssymmetrisch
um die Rotationsachse wirken, so dass die Ausbildung einseitig wirkender
Haftreibungskräfte,
die den Bohrkopf auslenken könnten,
vermieden wird.
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Aus diesen Gründen wird – im Vergleich zum Einsatz
eines Bohrers mit einer Bohrstange aus Edelstahl – beim erfindungsgemäßen Verfahren
eine besonders gerade Bohrung erhalten, die zudem weniger Oberflächendefekte,
wie zum Beispiel Rillen, aufweist. Dieser Effekt mach sich insbesondere
bei Bohrungstiefen ab etwa 1,5 m besonders bemerkbar.
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Für
den hier zur Ausbildung der Bohrstange verwendeten Werkstoff „kohlefaserverstärkter Kohlenstoff" ist auch die Abkürzung „CFC" gebräuchlich und
wird im Folgenden auch verwendet. Bauteile aus CFC werden aus Formkörpern herge stellt,
die eine Schichtstruktur aufweisen, wobei sich Schichten aus kreuzförmig angeordneten
Fasern (Fasermatrix) und Schichten aus Grafit abwechseln.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Quarzglaskörper gegenläufig zur
Bohrstange rotiert wird.
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Die gegenläufige Rotation des zu bohrenden Quarzglaskörpers trägt zur Führung des
Bohrers bei und führt
zu einer Stabilisierung der horizontalen Orientierung der Bohrstange.
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Besonders bewährt hat sich eine Verfahrensweise,
bei welcher der Bohrkopf mittels der Bohrstange gegen eine zu erweiternde
Bohrung des Quarzglaskörpers
gezogen wird.
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Bei dieser Verfahrensvariante wird
eine vorhandene Bohrung durch ein sogenanntes „ziehendes Bohren" erweitert. Hierbei
erstreckt sich die Bohrstange am Beginn des Prozesses über die
gesamte Länge
der Bohrung, so dass ihre anfängliche
Durchbiegung maximal ist, was sich gerade bei tiefen horizontalen
Bohrungen ungünstig
auswirkt. Wegen des – im
Vergleich zu Edelstahl – geringen
Gewichts der Bohrstange aus CFC wird bei der vorliegenden Endung
die anfängliche
Durchbiegung jedoch minimiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich zur
Herstellung einer Bohrung mit vertikaler Mittelachse geeignet. Seine
vorteilhafte Wirkung infolge der leichtgewichtigen Bohrstange entfaltet
das Verfahren aber dann, wenn die Mittelachse zur Vertikalen verkippt
ist, und insbesondere dann, wenn die Längsachse der Bohrstange horizontal
orientiert ist.
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Weiterhin hat sich eine Verfahrensvariante besonders
bewährt,
bei der eine Bohrung mit einem Durchmesser von maximal 60 mm erzeugt
wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für Bohrungen
mit beliebigem Durchmesser geeignet. Zur Herstellung von Bohrungen
mit kleinem Durchmesser sind jedoch entsprechend dünne Bohrstangen
einzusetzen, die bei einer Ausführung
aus Metall – und
insbesondere auch aus Edelstahl – ein geringes axiales Flächenträgheitsmoment
aufweisen. Derartige metallische Bohrstangen mit einem Außendurchmesser
von weniger als 60 mm zeigen daher bei tiefen Bohrungen (ab etwa
1,5 m) eine nicht zu vernachlässigende
Durchbiegung. Dieser Nachteil wird beim Einsatz einer Bohrstange
aus CFC durch deren geringes Gewicht und hohe Biegesteifigkeit vermieden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn die ein Bohrer eingesetzt wird, dessen Bohrstange eine mittlere
Oberflächenrauigkeit
Ra im Bereich von 2,0 μm bis 6,0 μm aufweist.
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Eine geringe Oberflächenrauigkeit
erleichtert eine etwaige Abdichtung am Zylindermantel der Bohrstange
und sie vermindert den Abrieb bei Einsatz einer Drehdurchführung für die Bohrstange.
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Hinsichtlich des Bohrers für Quarzglas
wird die oben angegebene technische Aufgabe ausgehend von einem
Bohrer der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Bohrstange aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff besteht.
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Eine Bohrstange aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff
zeichnet sich durch geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit
aus. Beide Eigenschaften tragen dazu bei, dass der Bohrkopf auch
bei tiefen horizontalen Bohrungen wenig aus seiner idealen Orientierung
abgelenkt wird. Beim Erweitern einer vorhandenen Bohrung wird darüber hinaus
gewährleistet,
dass am Umfang des Bohrkopfes stets etwa gleich große Reibungskräfte rotationssymmetrisch um
die Rotationsachse wirken, und so die Ausbildung einseitig wirkender
Haftreibungskräfte.
die den Bohrkopf noch weiter auslenken könnten, vermieden wird.
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Aus diesen Gründen wird – im Vergleich zum Einsatz
eines Bohrers mit einer Bohrstange aus Edelstahl – beim Einsatz
des erfindungsgemäßen Bohrers
eine geradere Bohrung erhalten, deren Innenwandung zudem weniger
Oberflächendefekte,
wie zum Beispiel Rillen, aufweist. Dieser Effekt mach sich besonders
bemerkbar bei Bohrungstiefen und Bohrstangen ab einer Länge von
etwa 1,5 m.
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Besonders bewährt hat es sich, wenn die Bohrstange
einen Außendurchmesser
im Bereich von 25 mm bis 40 mm aufweist.
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Insbesondere Bohrstangen aus Metall
mit geringem Außendurchmesser
haben ein geringes axiales Flächenträgheitsmoment
und zeigen daher bei tiefen Bohrungen (ab etwa 1,5 m) eine nicht
zu vernachlässigende
Durchbiegung. Infolge ihres geringen Gewichts und der vergleichsweise
hohen Biegesteifigkeit (bezogen auf das Gewicht) zeigt eine Bohrstange
aus CFC diese Nachteile nicht in dem Maße, so dass sie auch zur Herstellung
von Bohrungen mit kleinem Durchmesser geeignet ist.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Bohrkopf und
der Bohrstange ein Bohrkopf-Anschlusselement vorgesehen,
das mit der Bohrstange fest verbunden ist.
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Das Bohrkopf-Anschlusselement soll
einen einfachen Wechsel des Bohrkopfes ermöglichen. Der Bohrkopf muss
häufig
ausgetauscht werden, sei es wegen Verschleiß oder zum Werkstückwechsel.
Hierzu ist das Bohrkopf-Anschlusselement beispielsweise in Form
eines Morsekegels ausgebildet. Da dieser eine hohe Maßhaltigkeit
aufweisen muss ist daher vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt. Die
Verbindung des Bohrkopf-Anschlusselements mit der Bohrstange ist
hingegen auf Dauer angelegt. Sie kann beispielsweise durch Verkleben,
Verstiften, Aufsprengen oder Aufschrumpfen hergestellt werden.
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In ähnlicher Weise ist auch für die Verbindung
zwischen einem Antrieb für
die Rotation der Bohrstange und der Bohrstange ein Antriebs-Anschlusselement
vorgesehen, das mit der Bohrstange fest verbunden ist.
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Wegen der hohen Kräfte, die
vom Antrieb auf die Bohrstange zu übertragen sind, ist eine besonders
feste Verbindung zum Antrieb erforderlich. Bei einer Klemm- oder Pressverbindung
würden
die Bohrstange durch starke radiale Druckspannungen belastet, die
zu Abscherungen oder Brüchen
führen können. Daher
greift der Antrieb erfindungsgemäß an einem
Antriebs-Anschlusselement an, das vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt
ist, und das mit der Bohrstange fest verbunden ist. Diese Verbindung kann
wiederum durch Verkleben, Verstiften, Aufsprengen oder AUfschrumpfen
hergestellt werden.
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Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn
die Bohrstange eine mittlere Oberflächenrauigkeit Ra im
Bereich von 2 μm
bis 6 μm
aufweist.
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Eine geringe Oberflächenrauigkeit
erleichtert eine etwaige Abdichtung am Zylindermantel der Bohrstange
und sie vermindert den Abrieb bei Einsatz einer Drehdurchführung. Die
Definition der Oberflächenrauigkeit
Ra ergibt sich EN ISO 4287, die Messbedingungen
aus EN ISO 4288 oder EN ISO 3274, je nachdem, ob die Oberfläche der
Bohrstange durch Schleifen (nicht periodisches Oberflächenprofil)
oder durch Drehen (periodisches Oberflächenprofil) endbearbeitet ist.
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Es hat sich besonders bewährt, wenn
sich die Bohrstange durch ein Führungselement
erstreckt, das mindestens ein Gleitlagerelement aus Grafit aufweist.
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Das Führungselement dient insbesondere zur
Führung
der Bohrstange, wenn eine lange freitragende Strecke zwischen dem
Antrieb und dem Bohrkopf zu überbrükken ist.
Gleitlagerelemente aus Graphit entwickeln eine Eigenschmierung,
so dass auf den Zusatz von Schmierstoffen verzichtet werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Bohrers
ist die Bohrstange aus mehreren zylinderförmigen Teilstücken zusammengesetzt,
die mit Gewinde versehen und mittels Schraubverbindung miteinander
verbunden sind, wobei die Gewinde als Rundgewinde ausgebildet sind.
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Die Verbindung der als Stab oder
Rohr vorliegenden Teilstücke
miteinander erfolgt durch eine lösbare
Schraubverbindung. Dadurch kann die Länge der Bohrstange leicht an
die aktuellen Erfordernisse angepasst werden. Die Teilstükke – abgesehen von
den beiderseitigen Endstücken – sind jeweils
an beiden Enden mit einem Gewinde versehen. Entweder ist an einem
Ende ein Außengewinde
(Gewindebolzen) und an dem anderen Ende ein Innengewinde (Gewindebohrung)
vorgesehen. Entscheidend ist dass diejenigen beiden jeweils ineinander
greifenden Gewinde, mittels denen die Schraubverbindung zwischen
benachbarten Teilstücken
realisiert ist, als Rundgewinde ausgebildet sind. Durch das Rundgewinde
werden Kantenspannungen im Bereich der Gewindeflanken vermindert.
Metrische Gewinde haben üblicherweise
einen Flankenwinkel von 60°;
Trapezgewinde um 30°.
Werden derartige Gewindeverbindungen axial belastet, so bildet sich – je nach Flankenwinkel – eine in
radialer Richtung wirkende Kraftkomponente aus, die das Muttergewinde
in der Grafitschicht aufsprengen kann. Daher werden bei dieser Ausgestaltung
der Tragstange die Gewinde als Rundgewinde ausgeführt, wie
sie in DIN 405 spezifiziert sind. Durch die Ausrundung des Gewindegrundes
werden Spannungsspitzen reduziert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Als
einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung
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1:
einen erfindungsgemäßen Bohrer
mit einer Bohrstange aus CFC in einer Seitenansicht.
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In 1 ist
die Bezugsziffer 1 einem Bohrkopf zugeordnet, der an dem
vorderen Ende einer Bohrstange 2 befestigt ist. Die Bohrstange 2 besteht aus
carbonfaserverstärktem
Kohlenstoff (CFC) der SGL Carbon Group, wie er unter Bezeichnung „SIGRABOND" im Handel erhältlich ist.
Sie hat eine Länge
von 5 m, einen Durchmesser von 32 mm und ist über ihre gesamte Länge auf
eine Oberflächenrauigkeit
Ra von etwa 3 μm geschliffen. Sie ist aus insgesamt
5 Teilstücken
mit einer Länge
von jeweils 1 m zusammengesetzt, wobei die Teilstücke mittels
endständiger
Rundgewinde miteinander verschraubt sind.
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Die Verbindung zwischen Bohrkopf 1 und Bohrstange 2 erfolgt über ein
als Morsekegel ausgebildetes Zwischenstück 3 aus Edelstahl,
das an seinem dem Bohrkopf abgewandten Ende eine Aufnahme aufweist,
in das die Bohrstange 1 hineinragt und darin verklebt ist.
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Die Bohrstange 1 wird mittels
eines Bohrspindel-Antriebs 4 um ihre Längsachse 5 rotiert,
wie dies der Richtungspfeil 9 anzeigt. Hierzu ist das hintere
Ende der Bohrstange 2 in der Aufnahme eines Adapterstücks 6 aus
Edelstahl eingeklebt, die andererseits von den Spannbacken 7 des
Antriebs 4 fest umschlossen wird. Die Bohrstange 2 wird
mittels zweier in Richtung der Längsachse 5 verschiebbarer Führungselemente 13 unterstützt und
in der Längsachse 5 geführt. Die
Führungselemente 13 enthalten jeweils
Gleitlager aus Grafit, an denen entlang die Bohrstange 2 rotiert.
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Der Bohrkopf
1 setzt sich
aus insgesamt vier scheibenförmigen
Bohrkronen mit nach hinten hin zunehmendem Außendurchmesser zusammen, die auf
einen Zapfen aufgeschoben und darauf mittels einer Schraube gesichert
sind. Am Au ßenumfang
der Bohrkronen sind mit einem Diamantbelag versehene Diamantleisten
vorgesehen, wie dies in der
DE
44 34 025 A1 ausführlich
beschrieben ist. Die letzte der Bohrkronen mit dem größten Außendurchmesser
erzeugt die Endbohrung mit einem Solldurchmesser von 45 mm.
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Nachfolgend wird anhand 1 eine Verfahrensweise zum
Erweitern der Innenbohrung eines Quarzglas-Hohlzylinders mit einer
Länge von
3 m und einem anfänglichen
Bohrungsdurchmesser von 41 mm unter Verwendung des erfindungsgemäßen Bohrers 1 mit
einem maximalen Bohrkronen-Durchmesser von 45 mm beispielhaft erläutert.
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Der Hohlzylinder 10 wird
mittels Spannkonen 8 einer Tieflochbohrmaschine 14,
zentriert aufgenommen. Der Bohrer wird so ausgerichtet, dass die Längsachse 5 der
Bohrstange 2 exakt horizontal und in der Rotationsachse 5b des
Hohlzylinders 10 verläuft.
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Während
des Bohrens rotiert der Hohlzylinder 10 gegenläufig – wie durch
den Richtungspfeil 12 angedeutet – zur Rotationsrichtung 9 der
Bohrstange 1. Diese wird kontinuierlich in die vorhandene
Innenbohrung eingeschoben, so dass die erweiterte Bohrung mit einem
Solldurchmesser von 45 mm erzeugt wird.
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Wegen des geringen Gewichts der CFC-Bohrstange 1 und
ihrer vergleichsweise hohen Steifigkeit (im Vergleich zu einer Bohrstange
aus Edelstahl) wird der Bohrkopf 1 wenig aus seiner ideal horizontalen
Orientierung abgelenkt. Am Umfang des Bohrkopfes 1 wirken
daher etwa gleich große
Reibungskräfte
und die Ausbildung einseitig wirkender Haftreibungskräfte, die
den Bohrkopf 1 auslenken könnten, wird vermieden. Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
somit die Ausbildung eine tiefen, geraden Bohrung mit wenig Oberflächendefekten.