Die richtige Bohrgeschwindigkeit für das Gestein: Warum „langsam bei hartem Gestein, schnell bei weichem Gestein“ wichtiger ist, als Sie denken

Jeder Presslufthammer hat einen Gashebel. Und jeder Bohrer hat ein Gespür dafür, wie er ihn einstellen muss. Aber das Problem mit dem Gespür ist: Es basiert meist auf dem Gefühl am Bohrlochkopf, nicht auf dem, was tatsächlich unten im Bohrloch passiert, wo der Bohrer auf das Gestein trifft.

Die Regel klingt einfach: Hartes Gestein, niedrige Drehzahl; weiches Gestein, hohe Drehzahl. Doch die meisten Bohrmeister, die die Regel kennen, wenden sie trotzdem falsch an, weil sie die Funktionsweise nicht verstehen. Und wer die Funktionsweise nicht versteht, kann sich nicht an veränderte Bedingungen anpassen. Hier ist die physikalische Erklärung für die Drehzahlregelung und warum eine falsche Anwendung Bohrmeißel und Bohrgestänge schneller zerstört als alles andere auf der Bohranlage.

Was passiert an der Bit-Front, wenn die Geschwindigkeit nicht stimmt?

Ein pneumatischer Gesteinsbohrer überträgt zwei Energieformen über das Bohrgestänge auf den Bohrmeißel: Schlagenergie – der Kolben schlägt auf den Schaft – und Rotation. Der Schlag bricht das Gestein. Die Rotation sorgt dafür, dass die Hartmetalleinsätze zwischen den Schlägen immer wieder in frisches Gestein eindringen, sodass nicht zweimal dieselbe Stelle bearbeitet wird.

Das Verhältnis zwischen Schlagfrequenz und Drehzahl bestimmt, ob der Bohrer effizient schneidet oder sich nur selbst zerstört.

Bei zu hoher Drehzahl im harten Gestein rotiert der Bohrmeißel zwischen den Schlägen zu weit. Die Hartmetalleinsätze treffen auf die vom vorherigen Schlag hinterlassenen, unzerkleinerten Grate, nicht in die gerade entstandenen Krater. Anstatt sich in bereits gebrochenes Gestein einzugraben und die Risse zu erweitern, trifft der Bohrmeißel bei jedem Schlag in einem flachen Winkel auf intaktes Gestein. Die Einsätze prallen ab. Die Bohrgeschwindigkeit sinkt. Und da der Bohrmeißel nicht richtig im Gestein verankert ist, wird die Aufprallenergie über das Bohrgestänge zurückreflektiert, anstatt vom Gestein absorbiert zu werden. Diese reflektierte Energie äußert sich in Vibrationen – Vibrationen, die man in den Händen spürt und die zu zyklischer Materialermüdung in allen Gewindeverbindungen des Bohrgestänges führen.

Bei zu langsamer Drehzahl in weichem Gestein tritt das gegenteilige Problem ein. Die Schneidplatten überlappen sich zwischen den Schlägen zu stark und zerkleinern bereits gebrochenes Material erneut, anstatt frisches Gestein zu schneiden. Der Bohrmeißel zermahlt das Bohrklein zu Pulver, erzeugt übermäßige Hitze, und die Bohrgeschwindigkeit sinkt, da Energie für bereits zerkleinertes Material aufgewendet wird. Gleichzeitig wird das Bohrklein durch die langsame Drehzahl nicht schnell genug abtransportiert, sodass sich die Bohrmeißelfläche zusetzt. Eine zugesetzte Bohrmeißelfläche in weichem Boden führt unweigerlich zu einem verstopften Bohrloch und verbrannten Hartmetall-Schneidplatten.

Großdurchmesserbohrer in hartem Gestein: Warum langsames Bohren die einzige Option ist

Das Bohren eines 45-mm-Kegelkopfbohrers in Granit stellt eine völlig andere mechanische Herausforderung dar als das Bohren eines 32-mm-Bohrers in Kalkstein. Je größer der Bohrerdurchmesser, desto größer die Kontaktfläche zwischen Bohrkopf und Gestein. Eine größere Kontaktfläche bedeutet einen höheren Rotationswiderstand – der Bohrer muss die Reibung über einen größeren Messkreis überwinden – und einen höheren Eindringwiderstand, da die Aufprallenergie auf mehr Hartmetalleinsätze verteilt wird.

In hartem, dichtem und abrasivem Gestein wirkt sich die große Kontaktfläche nachteilig aus. Dreht man einen 45-mm-Bohrer mit der gleichen Drehzahl wie einen 32-mm-Bohrer in derselben Gesteinsformation, ist die Umfangsgeschwindigkeit an der Messreihe proportional höher – die äußeren Schneidplatten bewegen sich schneller, treffen härter auf das Gestein und verschleißen schneller als die mittleren. Die Messreihe verschleißt zuerst, der Bohrdurchmesser verringert sich, und plötzlich kann der Bohrlochdurchmesser für den Rest des Bohrprogramms nicht mehr gehalten werden.

Die Lösung besteht darin, sowohl die Schlagfrequenz als auch die Drehzahl zu reduzieren. Eine geringere Schlagfrequenz bedeutet, dass jeder Schlag mehr Zeit hat, Energie in das Gestein zu übertragen und einen geeigneten Krater zu erzeugen, bevor der nächste Schlag erfolgt. Eine geringere Drehzahl bewirkt, dass der Meißel zwischen den Schlägen eine kürzere Strecke zurücklegt, wodurch sichergestellt wird, dass die Einsätze auf bereits gebrochenem Material und nicht auf intakten Graten landen. Diese Kombination führt zu einer gleichmäßigeren Energieübertragung, einem gleichmäßigeren Verschleiß der Einsätze über die gesamte Meißelfläche und einem Bohrloch, das die Sollmaße einhält.

In der Praxis bedeutet das für einen typischen 36 bis 45 mm Kegelbohrer in hartem Granit oder Quarzit, dass die Drehzahl zwischen 150 und 250 U/min liegt – bei größeren Durchmessern eher im unteren Bereich. Die Schlagfrequenz sollte reduziert werden, um eine hohe Schlagenergie und einen angemessenen Indexierabstand zu gewährleisten. Der Nachteil ist eine geringere Bohrgeschwindigkeit, aber ein Bohrer, der das Loch mit dem richtigen Durchmesser fertigstellt, ist besser als einer, der zwar schnell zehn Meter bohrt, aber dann den Durchmesser nicht halten kann.

Kleine Bohrer in weichem Gestein: Geschwindigkeit ist dein Freund

Ein 32- oder 34-mm-Knopfmeißel in verwittertem Sandstein, Tonstein oder weichem Kalkstein hat genau das gegenteilige Problem. Die Kontaktfläche ist klein, das Gestein weich, und der Meißel dringt mit relativ geringer Aufprallenergie schnell ein. Bei Drehzahlen, die für Hartgestein üblich sind, verweilt der Meißel zu lange an derselben Stelle im Gestein, schleift es erneut ab, anstatt zu schneiden, und erzeugt Hitze, anstatt Fortschritte zu erzielen.

Erhöht man die Drehzahl – 300 bis 400 U/min, je nach Gesteinsart auch höher –, vergrößert sich der Abstand zwischen den Schlägen. Jeder Einsatz trifft bei jedem Schlag auf frisches, unzerklüftetes Gestein und erzeugt so saubere Späne anstatt Staub zu zerkleinern. Die höhere Drehzahl verbessert zudem den Abtransport des Bohrkleins: Die Rotation des Meißels befördert das Bohrklein mechanisch aus den Bohrlochkanälen in den Ringraum, wo es vom Spülwasser abtransportiert wird.

Die größte Gefahr in weichem Gestein geht nicht vom Bruch des Einsatzes aus, sondern von Überhitzung durch unzureichende Kühlung und Verstopfung des Bohrers durch schlechten Bohrgutabfluss. Höhere Drehzahlen wirken beiden Problemen entgegen, indem sie die Verweilzeit verkürzen und den mechanischen Freiraum verbessern. Achten Sie jedoch darauf, nicht zu schnell zu fahren, damit der Bohrer nicht zu springen beginnt. In sehr weichem, brüchigem Boden kann eine zu hohe Drehzahl dazu führen, dass der Bohrer über die Oberfläche gleitet, anstatt zu greifen, insbesondere bei zu geringem Vorschubdruck.

Der Check vor Schichtbeginn, der die meisten Probleme verhindert

Bevor Sie den Bohrer in das Loch stecken, nehmen Sie sich zwei Minuten Zeit, um Ihre Einstellungen zu überprüfen:

Prüfen Sie, ob die Schlagfrequenz und Drehzahl des Bohrers auf den Bohrerdurchmesser und die Gesteinsart, die Sie bohren möchten, eingestellt sind – und nicht auf die Einstellungen Ihres Vorgängers. Einstellungen, die gestern bei Sandstein noch funktionierten, werden heute bei Granit den Bohrer beschädigen.

Achten Sie darauf, dass das Bohrgestänge gerade ist und der Bohrer korrekt auf dem Kegel oder Gewinde sitzt. Ein leicht falsch ausgerichteter Bohrer eiert bei hoher Drehzahl, und dieses Ebbe verstärkt sich mit steigender Drehzahl. Was als leichte Vibration am Schaft beginnt, führt in der Tiefe zu einem ovalen Bohrloch, ungleichmäßigem Verschleiß des Einsatzes und beschleunigter Gewindeermüdung an der Gewindeverbindung.

Vergewissern Sie sich, dass das Spülwasser sauber und gleichmäßig fließt, bevor der Bohrer das Gestein berührt. Das Anbohren mit einem teilweise blockierten Wasserdurchfluss ist der schnellste Weg, einen neuen Bohrer zu überhitzen.

Nichts davon ist kompliziert. Doch der Unterschied zwischen einem reibungslos verlaufenden Bohrprogramm und einem, bei dem Gesteinsbohrkronen und Bohrgestänge doppelt so schnell verbraucht werden wie erwartet, liegt meist darin, ob sich jemand zu Schichtbeginn diese zwei Minuten Zeit genommen hat.