DE10316584B4

DE10316584B4 - Bohrer zum Bohren von Quarzglas und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE10316584B4
Application number: DE2003116584
Authority: DE
Inventors: Rene Sowa; Jürgen Schwarz; Detlef Knorr; Michael Tantow; Matthias Baer
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2023-03-22
Also published as: DE10316584A1

Abstract

Bohrer für Quarzglas, mit einer um ihre Längsachse rotierbaren Bohrstange, deren distales Ende einen Bohrkopf mit einer mit Schleif- oder Schneidmitteln versehenen Bohrkrone trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (2) aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft 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.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine besondere Verwendung des Bohrers.

Ein 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.

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.

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.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bohrer zum Bohren von Quarzglas mit möglichst defektfreier, gerader und maßhaltiger Innenbohrung bereitzustellen und eine geeignete Verwendung des Bohrers anzugeben.

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.

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.

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.

Besonders bewährt hat es sich, wenn die Bohrstange einen Außendurchmesser im Bereich von 25 mm bis 40 mm aufweist.

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.

Vorzugsweise ist zwischen dem Bohrkopf und der Bohrstange ein Bohrkopf-Anschlusselement vorgesehen, das mit der Bohrstange fest verbunden ist.

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.

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.

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.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Bohrstange eine mittlere Oberflächenrauigkeit R_a im Bereich von 2 μm bis 6 μm aufweist.

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.

Es hat sich besonders bewährt, wenn sich die Bohrstange durch ein Führungselement erstreckt, das mindestens ein Gleitlagerelement aus Grafit aufweist.

Das Führungselement dient insbesondere zur Führung der Bohrstange, wenn eine lange freitragende Strecke zwischen dem Antrieb und dem Bohrkopf zu überbrücken ist. Gleitlagerelemente aus Graphit entwickeln eine Eigenschmierung, so dass auf den Zusatz von Schmierstoffen verzichtet werden kann.

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.

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 Teilstücke – 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.

Hinsichtlich der Verwendung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Bohren von Quarzglas ein erfindungsgemäßer Bohrer eingesetzt wird, mit einer um ihre Längsachse rotierenden Bohrstange aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff, deren distales Ende einen Bohrkopf mit einer mit Schleif- oder Schneidmitteln versehenen Bohrkrone trägt, wobei unter Einsatz des Bohrers eine Bohrung in einem Quarzglaskörper erzeugt oder eine vorhandene Bohrung erweitert wird.

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.

Aus diesen Gründen wird – im Vergleich zum Einsatz eines Bohrers mit einer Bohrstange aus Edelstahl – bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Bohrers 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.

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 hergestellt, die eine Schichtstruktur aufweisen, wobei sich Schichten aus kreuzförmig angeordneten Fasern (Fasermatrix) und Schichten aus Grafit abwechseln.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Quarzglaskörper gegenläufig zur Bohrstange rotiert wird.

Die gegenläufige Rotation des zu bohrenden Quarzglaskörpers trägt zur Führung des Bohrers bei und führt zu einer Stabilisierung der horizontalen Orientierung der Bohrstange.

Besonders bewährt hat sich eine Verwendungsweise, bei der der Bohrkopf mittels der Bohrstange gegen eine zu erweiternde Bohrung des Quarzglaskörpers gezogen wird.

Dabei 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 Erfindung die anfängliche Durchbiegung jedoch minimiert.

Die erfindungsgemäße Verwendung 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.

Weiterhin hat sich eine Verwendungsweise besonders bewährt, bei der eine Bohrung mit einem Durchmesser von maximal 60 mm erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Verwendung des Bohrers 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.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die ein Bohrer eingesetzt wird, dessen Bohrstange eine mittlere Oberflächenrauigkeit R_a im Bereich von 2,0 μm bis 6,0 μm aufweist.

Eine geringe Oberflächenrauigkeit erleichtert eine etwaige Abdichtung am Zylindermantel der Bohrstange und sie vermindert den Abrieb bei Einsatz einer Drehdurchführung für die Bohrstange.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Als einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung
1: einen erfindungsgemäßen Bohrer mit einer Bohrstange aus CFC in einer Seitenansicht.
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 R_a 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.
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.
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 Füh rungselemente 13 enthalten jeweils Gleitlager aus Grafit, an denen entlang die Bohrstange 2 rotiert.
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 Außenumfang 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.
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.
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.
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.
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 Verfahren ermöglicht somit die Ausbildung eine tiefen, geraden Bohrung mit wenig Oberflächendefekten.

Claims

Bohrer für Quarzglas, mit einer um ihre Längsachse rotierbaren Bohrstange, deren distales Ende einen Bohrkopf mit einer mit Schleif- oder Schneidmitteln versehenen Bohrkrone trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (2) aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff besteht.
Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (2) einen Außendurchmesser im Bereich von 25 mm bis 40 mm aufweist.
Bohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bohrkopf (1) und der Bohrstange (2) ein Bohrkopf-Anschlusselement (3) vorgesehen ist, das mit der Bohrstange (2) fest verbunden ist.
Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Antrieb (4) für die Rotation der Bohrstange (2) und der Bohrstange (2) ein Antriebs-Anschlusselement (6) vorgesehen ist, das mit der Bohrstange (2) fest verbunden ist.
Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrkopf-Anschlusselement (3) und das Antriebs-Anschlusselement (6) aus Edelstahl gefertigt sind.
Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (2) eine mittlere Oberflächenrauigkeit Ra im Bereich von 2 μm bis 6 μm aufweist.
Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bohrstange (2) durch ein Führungselement (13) erstreckt, das mindestens ein Gleitlagerelement aus Grafit aufweist.
Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrstange (2) aus mehreren zylinderförmigen Teilstücken zusammengesetzt ist, die mit Gewinde versehen und mittels Schraubverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Gewinde als Rundgewinde ausgebildet sind.
Verwendung eines Bohrers nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer um ihre Längsachse rotierenden Bohrstange aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff, deren distales Ende einen Bohrkopf mit einer mit Schleif- oder Schneidmitteln versehenen Bohrkrone trägt, zum Bohren von Quarzglas, indem unter Einsatz des Bohrers eine Bohrung in einem Quarzglaskörper erzeugt oder eine vorhandene Bohrung erweitert wird.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglaskörper (10) gegenläufig zur Bohrstange (2) rotiert.
Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf (1) mittels der Bohrstange (2) gegen eine zu erweiternde Bohrung des Quarzglaskörpers (10) gezogen wird.
Verwendung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (5) der Bohrstange (2) horizontal orientiert ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bohrung mit einem Durchmesser von maximal 60 mm erzeugt wird.
Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bohrer eingesetzt wird, dessen Bohrstange (2) eine mittlere Oberflächenrauigkeit R_a im Bereich von 2 μm bis 6 μm aufweist.