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Bohren,

 

Verfahren zur Herstellung zylindrischer Hohlräume (Bohrlöcher, Bohrungen) vorwiegend durch Spanen, Kerben, Spülen oder Verdrängen. Die unterschiedlichen Materialien und Werkstoffe (z. B. weiche Böden, Gesteine, Holz, Kunststoffe, Metalle) erfordern, dass die Bohrwerkzeuge, -einrichtungen und -verfahren an die spezifische Aufgabenstellung (v. a. in der Fertigungstechnik, im Bergbau und in der geologischen Erkundung) angepasst sind. Neben dem Spül- und Verdrängungsbohren im Lockergestein und den am häufigsten angewandten mechanischen Bohrverfahren, dem drehenden (spanenden) und dem schlagenden (kerbenden) Bohren, kommen noch nichtmechanische Bohrverfahren, z. B. thermisches Bohren, Laserbohren, Elektrobohren, Plasmastrahlbohren, Ultraschallbohren und Mikrowellenbohren zur Anwendung.

 

Die allgemeinsprachlich als »Bohren« bezeichnete Tätigkeit in der Zahnmedizin, also das Aufschleifen und Ausfräsen kariös veränderten Zahngewebes (Schmelz, Zahnbein) mit kleinen Diamant- oder Hartmetallschleifern und -fräsen, die über eine biegsame Welle durch einen Elektromotor oder mittels Dentalturbine angetrieben werden (v. a. zur Vorbereitung von Zahnfüllungen), ist im technischen Sinn kein Bohren, sondern ein spanabhebendes Fräsen.

 

 Bohrverfahren

 

In der Gesteinsbohrtechnik (Bergbau und Tiefbohrtechnik) unterscheidet man das Bohren nach der Art der Gesteinszerstörung und nach der Zielstellung der Bohrung. Dabei kommen vorwiegend die drehschlagenden und drehenden Bohrverfahren zur Anwendung. Beim drehschlagenden Bohren dringt die Schneide durch einen Schlagimpuls unter gleichzeitigem Drehen des Bohrwerkzeuges kerbend auf der Bohrlochsohle in das Gestein ein und zerstört es zermalmend und abscherend. Beim drehenden (spanenden) Bohren wird das Gestein vorwiegend durch Drehen und Andrücken der Schneide spanend zerstört. Entscheidend für die Anwendung der verschiedenen Bohrverfahren sind der Eindringwiderstand, die Abrasivität und die Homogenität des zu durchbohrenden Gesteins. So bohrt man z. B. die Sprengbohrlöcher im Kalk- oder Salzgestein drehend und im Festgestein (Granit, Gneis) drehschlagend. Bei Tiefbohrungen und bei Bohrungen in sehr festen Gesteinen mit Bohrlochdurchmessern über 100 mm wird vorwiegend das Drehbohren mit hartmetallbestückten Rollenbohrköpfen oder mit Diamantbohrköpfen angewandt.

 

Aufgabenbezogen kann man auch zwischen Sprengloch-, Erkundungs-, Gründungs-, Gewinnungs-, Schacht-, Rettungs-, Injektionsbohren unterscheiden. Beim Vollbohren wird das Gestein auf der gesamten Bohrlochsohle zerstört, im Unterschied zum Kernbohren, wo nur um einen zu gewinnenden Bohrkern ringförmig das Gestein zerstört wird. Beim Brunnenbohren wurde das Seilbohren (Pennsylvanische Schlagbohren) weitestgehend durch das Drehbohren beziehungsweise Drehschlagbohren verdrängt. In der Tiefbohrtechnik arbeitet man nahezu ausschließlich mit dem Drehbohrverfahren. Dabei wird die Drehbewegung entweder direkt am Bohrkopf durch einen Sohlenmotor erzeugt oder über Tage mittels Drehtisch beziehungsweise Kraftspülkopf auf das Gestänge übertragen. Die Bohrandruckkraft wird in der Regel mit Schwerstangen erzeugt. Als Sohlenmotoren werden hydrodynamisch arbeitende Bohrturbinen und, gegenwärtig vorherrschend, hydrostatisch arbeitende Schraubenmotoren verwendet. Bei diesen Sohlenmotoren wird die Energie durch die im Bohrrohr strömende Spülflüssigkeit zugeführt. Die Schraubenmotoren lassen sich durch den Zusammenhang von Drehzahl, Druck, Volumenstrom und Drehmoment sehr gut überwachen und steuern. Sie sind auch mit entsprechender Navigationstechnik technische Voraussetzung für das zielgenaue Bohren (Richtbohren) in der Erkundung, beim Aufschluss von Erdöl- und Erdgaslagerstätten, bei bestimmten technischen Bohrungen, im Bohrlochbergbau und beim Rettungsbohren. Die Richtbohrtechnik erlaubt heute, durch Einsatz von speziellen Bohrgarnituren (Bohrkopf, Bohrgestänge, Bohrmotoren, Richtkeile, Stabilisatoren usw.) Ablenkungsbohrungen mit Radien von 300 m und mit Spezialbohrsträngen bis unter 100 m herzustellen.

 

Beim Bohren ist der Austrag des Bohrkleins aus dem Bohrloch leistungs- und funktionsbestimmend. Dies kann mechanisch mittels Wendel- oder Spiralgestänge oder durch Spülung erfolgen. Zur Spülung können Luft, Wasser, Luft-Wasser-Gemische oder Schäume verwendet werden. Die Spülung kann durch das Gestänge (Normalspülung) oder über den Ringraum zwischen Gestänge und Bohrlochwandung (Umkehrspülung) zugeführt werden. Neben dem Bohrkleinaustrag kühlt die Spülung den Bohrkopf (im Hartgestein), bindet entstehende Stäube und beziehungsweise oder stabilisiert als Bohrpülung (Zusatz von Ton, Schwerspat) mit einer Dichte bis 2,0 g/cm³ die Bohrlochwandung beziehungsweise schützt die Bohrung vor ungewolltem Wasserzutritt.

 

In der Fertigungstechnik unterscheidet man nach den Gesichtspunkten der Erzeugung, der Formänderung und der Oberflächenverfeinerung die Arbeitsverfahren Bohren, Aufbohren (Ausbohren), Senken, Feinbohren und Reiben. Bohren ins Volle geschieht meist mit Spiralbohrern mit möglichst großer Zerspanleistung ohne besondere Genauigkeitsansprüche. Aufbohren mit ein- oder mehrschneidigen Werkzeugen dient der Verbesserung der Genauigkeit einer bereits vorhandenen Bohrung. Senken bezweckt die formgebende Veränderung der Stirnseite einer Bohrung. Feinbohren ist ein Aufbohren mit hohen Schnittgeschwindigkeiten, kleinen Vorschüben und kleiner Spanbreite zur Erzielung großer Maß- und Formgenauigkeit. Verwendet werden hier meist einschneidige Werkzeuge (Meißel mit fein einstellbaren Schneiden aus Hartmetall oder Diamant), die in Bohrstangen oder anderen Werkzeugspannern eingesetzt sind. Reiben ist ein Aufbohren mit niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, großen Vorschüben und kleiner Spanbreite zur Erzielung großer Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Sonderverfahren des Bohrens werden angewendet bei besonderen Zerspanbarkeitseigenschaften des Werkstoffes oder bei außergewöhnlicher Abmessungen der herzustellenden Bohrung in Bezug auf Länge und Durchmesser. Harte Werkstoffe, z. B. Glas, werden mithilfe wässriger Aufschlämmungen von sehr harten Pulvern (Metalloxiden oder -karbiden) und einem in Bohrrichtung schwingenden Werkzeug bearbeitet (z. B. durch Ultraschallbohren; Ultraschallabtragung). Metallisch harte Werkstoffe werden mithilfe des Elektronenstrahlbohrens und der Funkenerosion (Elektroerosion) gebohrt. Das Herstellen von Bohrungen mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 5:1 bezeichnet man als Tiefbohren.

 

 Bohrgeräte und Bohrwerkzeuge

 

In Bergbau, Flach- und Tiefbohrtechnik werden als Bohrgerät im weiteren Sinn die maschinellen Anlagen zur Herstellung von Bohrlöchern in Gesteinen bezeichnet. Dimensionierung und Konstruktion sind abhängig von den Einsatzbedingungen, der vorgesehenen Bohrlochtiefe, dem Bohrlochdurchmesser sowie von der erforderlichen Andruckkraft für das Bohrwerkzeug auf der Bohrlochsohle. Die Andruckkraft wird beim Tiefbohren mit Schwerstangen sowie beim Sprenglochbohren und Schürfbohren durch Vorschubeinrichtungen erreicht. Bei den Bohrgeräten muss man zwischen mobilen Bohranlagen beziehungsweise Bohrwagen im Bergbau und stationären Bohrgeräten - Bohrtürmen, Bohrmasten - in der Tiefbohrtechnik unterscheiden. Zur Herstellung von Spreng-, Anker- und Injektionsbohrlöchern im Bergbau, Steinbruch und Bauwesen werden Bohrmaschinen bis 25 kg Masse auf Stützen handgeführt für Bohrlochlängen bis zu 5 m verwendet. Bohrmaschinen über 25 kg Masse sind lafettengeführt auf Bohrwagen, sie ermöglichen größere Bohrlochlängen und v. a. höhere Bohrgeschwindigkeiten. In der Flach- und Tiefbohrtechnik hat das Bohrgerät folgende Hauptteile: 1) das Bohrgerät im engeren Sinn in Form eines Bohrturms, -masts oder -bocks oder auch einer Bohrlafette, meist ausgestattet mit Flaschenzug, Bohrhaken und einem Turmrollenlager, das alle beim Bohren, Rohrein- und -ausbau und beim Bohrlochvermessen auftretenden Lasten (bis zu 600 t) aufzunehmen und den Bohrstrang stets genau vertikal über dem Bohrloch zu halten hat; 2) das Hebewerk, das mit Seiltrommel, Bremseinrichtungen und Bohrseil versehen ist; 3) die Antriebsmotoren mit den Antriebsaggregaten wie Drehtisch und Kraftspülkopf oder der Sohlenmotor bei drehendem Bohren beziehungsweise der Bohrhammer beim drehschlagendem Bohren; 4) die Spülungseinrichtung, bestehend aus Spülpumpen, -schläuchen, -kopf und -reinigungseinrichtungen, sowie Spülungsrinnen, Schüttelsiebe u. Ä. zur Abscheidung der Gesteinsteile aus der Bohrspülung (Bohrspülmittel). - Zum Bohrgerät gehören außerdem die Bohrlochabsperrungsvorrichtung sowie die zur Registrierung, Dokumentation und Auswertung aller beim Bohren anfallenden Daten erforderlicher Bohrprozessmesseinrichtung.

 

Die wichtigsten Bohrwerkzeuge sind die Bohrköpfe (im Tiefbohren als Meißel bezeichnet) zum Vollbohren und die zum Kernbohren eingesetzten ringförmigen Bohrkronen. Bohrköpfe können mit Hartmetallschneiden in verschiedenen Anordnung, Hartmetallstiften oder Diamanten bestückt sein oder sind auf ihrer Arbeitsfläche mit einer von Diamantsplittern oder -staub durchsetzten Matrix überzogen. Ab Bohrlochdurchmesser > 100 mm werden zum Bohren Rollenbohrköpfe beziehungsweise Rollenmeißel verwendet, deren Rollen mit Stiften, Zähnen und Disken aus Hartmetall oder Sonderlegierungen bestückt sind. Mit der Drehbewegung des Bohrkopfes rollen die drehbar gelagerten Rollen (2-3 Stück) über die gesamte Bohrlochsohle ab und zerstören das Gestein kerbend und beziehungsweise oder scherend.

 

In der Fertigungstechnik ist das zum Bohren von Metall am häufigsten verwendete Bohrwerkzeug der Spiralbohrer (Wendelbohrer). Seine Schneidengeometrie sowie die Steigung der Drallnut sind abhängig vom Material des zu bearbeitenden Werkstücks. Als Werkstoff wird je nach Anforderung verwendet: Schnellarbeitsstahl verschiedener Güteklassen oder Hartmetall in Form von Schneidplatten, die stirnseitig in den Grundkörper des Bohrers eingelassen sind. Der Spitzbohrer wird heute nur noch für Bohrungen mit kleinen Durchmessern und geringer Tiefe eingesetzt. Der Zentrierbohrer, der infolge seiner kurzen, stabilen Bauart nicht verläuft, dient zum Anbohren und gleichzeitigem Ansenken von längeren Werkstücken, die auf Drehmaschinen weiter bearbeitet werden.

 

Zum Bohren von Holz werden Spiralbohrer sowie Schneckenbohrer (mit schneckenartiger Spitze und löffelförmiger Schneide) und Schlangenbohrer (mit kegeligem Einzugsgewinde, zwei Vorschneidern und zwei Spanabhebeschneiden) verwendet. Mit dem Zentrumsbohrer werden Bohrungen mit großen Durchmessern hergestellt. Mit dem mehrschneidigen, kegelförmigen Krauskopf und dem Forstnerbohrer (mit Zentrierspitze und Umfangsschneide) werden Stirnseiten von Bohrungen bearbeitet. Mit dem Zapfenschneider werden Astlöcher und Scheiben zum Einleimen in diese ausgebohrt.

 

Bei der Bohrknarre (Bohrratsche) wird der Bohrer mittels Hebel, Schaltklinke und Schaltrad stückweise gedreht. Sie wird dort angewendet, wo wegen Platzmangels keine volle Umdrehung möglich ist. Bei der Bohrkurbel oder Bohrwinde wird die Schnittgeschwindigkeit und das Drehmoment über eine von Hand betätigte Kurbel, gegebenenfalls mit einer Getriebeübersetzung, erzeugt; die Vorschubkraft muss durch festes Aufdrücken erzeugt werden. Drillbohrer bestehen aus einer Triebwelle mit Steilgewinde, die durch Hin- und Herbewegen einer entsprechenden Mutter in Drehbewegung versetzt wird. Zur Erzielung größerer Bohrleistungen elektrisch oder pneumatisch angetriebener Bohrwerkzeuge dienen die Bohrmaschinen.

 

 Kulturgeschichte

 

Seit der Altsteinzeit bohrte man mit hergerichteten Spitzen aus Silex, Geweih und Knochen. Seit der Jungsteinzeit ist die Technik des Steinbohrens nachweisbar (Voll- und Kernbohrung). Unbekannt ist, wann Bohrer aus Metall erfunden wurden. In der Bronze- und der Eisenzeit wurden Löcher in Metallgegenstände entweder mitgegossen und ausgefeilt oder im schmiedbaren Zustand des Werkstücks durch Durchschlag hergestellt. Für das 12. Jahrhundert ist der Drillbohrer mit Schnur (Rennspindel) belegt. Mit Wasserkraft betriebene Bohrmaschinen benutzte man im 16. Jahrhundert. Der Spiral- oder Wendelbohrer wurde 1770 in England erfunden.

 

Zum Geräteinventar der meisten Naturvölker gehörten (und gehören zum Teil noch heute) Bohrer aus Holz, Bambus, Stein und Knochen (oft mit Bohrköpfen aus Tierzähnen, Stein u. a.), die zwischen den Händen gerieben (Quirlbohrer) oder mittels einer darumgelegten Schnur oder eines Bogens in Drehung versetzt werden (Strickbohrer, Bogenbohrer). Beim Drillbohrer (Rennspindel), der in Nordafrika und Asien belegt ist, wird die Bohrspindel durch eine Schnurwicklung mit Querholz pumpend zur Rotation gebracht. Bohrer dienen in vielen Gebieten auch der Feuererzeugung.

 

Literatur:

 

Hb. Gesteinsbohrtechnik, hg. v. W. Schwate (1983);

 W. König: Fertigungsverfahren, Bd. 1: Drehen, Fräsen, B. (⁴1990);

 

Grundbau-Tb., hg. v. U. Smoltczyk, 3 Tle. (⁴1990-92);

 P. Hatzsch: Tiefbohrtechnik (1991);

 H. Tschätsch: Hb. spanende Formgebung. Verfahren, Werkzeuge, Berechnung, Richtwerte (³1991).