Die Form der Bohrkopffläche bestimmt die Form des Bohrlochs: Ein Leitfaden für DTH-Bohrkopfflächenkonstruktionen
Sie können den richtigen Durchmesser, das richtige Gewinde und die richtige Schneidplattenqualität wählen – und trotzdem schlechte Ergebnisse erzielen, wenn die Geometrie der Bohrkopffläche nicht für den jeweiligen Einsatz geeignet ist. Die Form der Bohrkopffläche eines DTH-Bohrers bestimmt drei Dinge gleichzeitig: die Bohrgeschwindigkeit, die Geradheit des Bohrlochs und die Standzeit des Bohrkörpers. Und Sie können nicht alle drei gleichzeitig optimieren. Sie müssen sich entscheiden.
Hier sind die vier Stirnflächendesigns, die Sie bei Hochdruck-DTH-Bohrern sehen werden, was jedes davon gut kann und wo es seine Schwächen hat.
Die konvexe Fläche: Schnell, aber wandernd
Die konvexe Bohrkopffläche wölbt sich nach außen – die Mitte liegt höher als die Messreihe. Man kann sie sich wie eine Kuppel vorstellen.
Diese Kuppelform hat eine besondere Funktion: Sie sorgt dafür, dass die mittleren Einsätze zuerst ins Gestein eindringen. In mittelhartem bis hartem, abrasivem Gestein brechen diese mittleren Einsätze den Gesteinskern vor, bevor die Messreihe das Bohrloch auf den vollen Durchmesser erweitert. Das Ergebnis sind hohe Bohrgeschwindigkeiten – der Bohrer schneidet stets in bereits gebrochenes Gestein.
Der Kompromiss: Bohrlochgeradheit. Eine Kuppelform hat keinen Zentriermechanismus. Der Bohrer gleitet auf dem höchsten Auflagepunkt, und in unebenem oder brüchigem Gestein verschiebt sich dieser Punkt. Das Bohrloch verläuft. Beim Bohren von Sprenglöchern, wo Abweichungstoleranzen gering sind – beispielsweise bei der Gewinnung von Förderbohrungen in Steinbrüchen –, ist dies ein akzeptabler Kompromiss. Benötigt man jedoch gerade Bohrlöcher für vorgebohrte Linien oder eng beieinanderliegende Muster, ist eine konvexe Bohrfläche das falsche Werkzeug.
Das flache Gesicht: Der Überlebende
Ein Planfräser ist genau das, wonach es klingt – die Fräsfläche ist eben oder nahezu eben. Keine Wölbung, keine Vertiefung, nur Einsätze auf einer ebenen Fläche.
Dies ist die strukturell robusteste Konstruktion. Es gibt keine dünne Stelle in der Mitte, die bei starker Belastung brechen könnte. Die Einsätze werden durch den dahinterliegenden Stahl des Bohrkörpers optimal gestützt. Flachbohrkronen bewältigen höchste Aufprallenergien und härtestes, abrasives Gestein – Granit, Quarzit, dichter Basalt – ohne die Materialermüdungsprobleme, die bei stärker gewölbten Konstruktionen auftreten.
Die Nachteile: Flache Flächen zentrieren sich nicht gut, daher ist die Bohrlochgeradheit bestenfalls durchschnittlich. Die Bohrgeschwindigkeit ist mäßig – es gibt keinen Vorbrucheffekt, sodass jeder Einsatz bei jedem Schlag unberührtes Gestein durchdringt. Und der Abtransport des Bohrkleins kann schleppend sein, da keine natürliche Trichterform vorhanden ist, die das Bohrklein in die Spülkanäle leitet.
Flachbohrkronen sind die erste Wahl, wenn die Gesteinshärte die wichtigste Voraussetzung ist und die Geradheit des Bohrlochs zweitrangig ist. Sie sind zuverlässige Arbeitstiere, die selten katastrophal versagen, aber selten durch hohe Bohrgeschwindigkeit überzeugen.
Die konkave Vorderseite: Der Alleskönner
Eine konkave Fläche weist in der Mitte eine flache, kegelförmige Vertiefung auf. Die äußere Messreihe steht etwas über die mittleren Einsätze hinaus.
Diese Vertiefung erzeugt einen leichten Kernbohreffekt. Während der Bohrer vordringt, bildet sich in der Mitte der Vertiefung eine kleine Gesteinssäule. Diese Säule wirkt wie eine Führungsschiene – sie hält den Bohrer im Bohrloch zentriert. Das Ergebnis ist eine messbar bessere Bohrlochgeradheit als bei konvexen oder flachen Konstruktionen.
Die konkave Form lenkt die Späne zu den Spülkanälen in der Mitte und verbessert so den Spanabtransport. Ein besserer Abtransport bedeutet weniger Späne, die zwischen den Hüben an der Schneidfläche reiben, was zu schnellerem Eindringen und geringerem Verschleiß der Schneidplatte führt.
Dies ist die gängigste DTH-Bohrkopfform für Hochdruckbohrer auf dem Markt – und das aus gutem Grund. Sie bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Bohrgeschwindigkeit, Bohrlochgeradheit und Haltbarkeit bei einer Vielzahl von Gesteinsarten. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Bohrkopfform Sie verwenden sollen, beginnen Sie mit einer konkaven Form und passen Sie diese gegebenenfalls an.
Die tiefe konkave Mitte: Geradeste Löcher, weichstes Gestein
Ein tief konkav geformter Zentrierbohrer optimiert das Kernbohrkonzept. Die ausgeprägte Zentriervertiefung bildet beim Bohren einen stabilen Gesteinspfeiler. Die Zentrierwirkung ist stark. Tiefe Bohrlöcher, die mit dieser Konstruktion gebohrt werden, bleiben bemerkenswert gerade, selbst unter Bedingungen, bei denen andere Bohrkopfformen abweichen würden.
Der Preis: strukturelle Schwäche. Die tiefe Mittelaussparung reduziert die Stahlstärke im am stärksten beanspruchten Bereich der Meißelfläche. Unter hoher Stoßbelastung – insbesondere in hartem Gestein – kann der Mittelteil ermüden und reißen. Tief konkave Meißel eignen sich ausschließlich für weiche bis mittelharte Gesteinsformationen, wo die Stoßbelastung geringer und das Risiko von Rissen an der Meißelfläche minimal ist.
Verwenden Sie eine tiefe konkave Mitte, wenn absolute Geradheit des Bohrlochs oberste Priorität hat und die Gesteinsbeschaffenheit keine Einschränkungen mit sich bringt. Typische Anwendungsbereiche sind Brunnenbohrungen, tiefe Erkundungsbohrungen und Ankerbohrungen mit geringen Abweichungstoleranzen.
Wie man auswählt
Der Entscheidungsbaum ist einfach, sobald man die Vor- und Nachteile kennt:
Hartes, raues Gestein + Geschwindigkeit ist wichtig + Geradlinigkeit nicht:konvexe Fläche.
Hartes, raues Gestein + Haltbarkeit ist wichtig + Geradheit nicht:flache Oberfläche.
Gemischte Bedingungen + ausgewogene Leistung erforderlich:konkave Oberfläche. Dies deckt die meisten Anwendungsbereiche ab.
Weiches bis mittelschweres Gestein + Geradlinigkeit sind entscheidend:tiefe konkave Mitte.
Das Profil der Bohrfläche ist auf jedem Bohrmeißel aufgedruckt, der aus dem Bohrloch kommt. Achten Sie auf das Abnutzungsmuster. Ein konvexer Bohrmeißel mit gleichmäßigem Abrieb passte optimal zum Gestein. Ein tief konkaver Bohrmeißel mit einem Riss in der Mitte wurde über seine vorgesehene Oberfläche hinaus beansprucht. Das Profil des Bohrmeißels zeigt Ihnen, ob Sie die richtige Wahl getroffen haben. Lesen Sie es und passen Sie die nächste Bestellung entsprechend an.
