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WB Werkstatt + Betrieb 12/2014

Gute Führung zahlt sich aus

Bohrungsfeinbearbeitung im Motorenbau

Aus Gründen der Energie- und Ressourceneffizienz kommen im klassischen Verbrennungsmotor verstärkt verschleiß- und temperaturbeständige Werkstoffe zum Einsatz, die schwer zu zerspanen sind. Zugleich werden immer kleinere Toleranzen – bei gesteigerten Ansprüchen an die Produktivität – gefordert. Speziell die Bohrungsfeinbearbeitung spielt eine entscheidende Rolle. Auch ökonomische Aspekte und die fortschreitende Digitalisierung erfordern neue und kreative Lösungen.

Bild 1 Motorenproduktion weltweit für Pkw und leichte Lkw

Der Trend zur Mobilität bei steigenden Leistungs- und Komfortansprüchen ist ungebrochen und besteht heute stärker denn je, zugleich ist er Motor für Beschäftigung und Wachstum in Deutschland. Gegensätzliche Anforderungen, wie verschärfte Emissionsrichtlinien und steigende Qualitätsansprüche bei erhöhtem Kostendruck, sind dabei die primären Treiber für immer effizientere Antriebslösungen und Produktionsstrategien. Unterstützt wird dies durch ein stetiges Wachstum der Absatzzahlen von Personenkraftwagen. Untersuchungen prognostizieren einen signifikanten Anstieg der Verbrennungskraftmotoren mit zwei, drei und vier Zylindern bis zum Jahr 2016 [1, 2, 3] (Bild 1).

Entwicklungstrend “Downsizing” – erhöhte Anforderungen an den Zerspanprozess

Um den negativen Auswirkungen auf das globale Klima durch den CO2 -Ausstoß der Verbrennungsmotoren zu begegnen, werden weltweit strengere Vorgaben für die Schadstoffemission von Fahrzeugen erlassen. Damit die verschärften Grenzwerte für die CO2 -Emission eingehalten werden können, setzt die Automobilindustrie bei der Entwicklung neuer Motorengenerationen verstärkt auf das sogenannte “Downsizing”. Das Ziel: Die verminderte Leistungsfähigkeit eines verkleinerten Hubraums soll durch Erhöhung des Verbrennungsdrucks und damit der Verbrennungstemperatur sowie eine höhere Drehzahl kompensiert werden.

Die technischen Modifikationen beim Downsizing führen jedoch zu steigenden thermischen und mechanischen Belastungen der angrenzenden Baugruppen. Daher besteht die Notwendigkeit, verschleißfeste und temperaturbeständige Werkstoffe einzusetzen, um die vom Kunden geforderte Laufleistung auch zukünftig zu gewährleisten. Gleichzeitig stellt die Reibungsreduzierung im Antriebsstrang einen Stellhebel dar, den Kraftstoffverbrauch und damit die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Der Einsatz neuer Materialien im Zusammenspiel mit hohen geforderten Fertigungstoleranzen stellt dabei große Herausforderungen für die spanende Fertigung dar. Am PTW der TU Darmstadt nehmen sich die Industriearbeitskreise “Powertrain Machining” und “High Quality Drilling (HQD)” dieser Herausforderungen in Zusammenarbeit mit den beteiligten Partnern an. Eine Expertenbefragung zur Thematik, durchgeführt unter sieben Industrievertretern, ergab den Befund einer Vielzahl feinbearbeiteter Bohrungen wie verschiedenster Lagersitzbohrungen und Führungen, aber auch Bohrungen für die Zündkerze und die Einspritzdüsen. Eine weitere Herausforderung stellt selbstverständlich die Zylinderbohrung selbst dar. Die bei der Befragung identifizierten kritischen Bohrungen in der Motorenfertigung sind in der Tabelle dargestellt.

Anhand der Ergebnisse der Expertenbefragung zu den drei Themenkomplexen “Ventilführung und Ventilsitz”, “Zylinderbohrung” sowie “Kurbel- und Nockenwellenbohrung” werden zunächst kritische Aspekte identifiziert und Herausforderungen vorgestellt, bevor ausgewählte Entwicklungstrends in diesen Bereichen aus dem Blickwinkel der Werkzeug-, Maschinen- und Fahrzeughersteller in den Fokus rücken.

Kombinationswerkzeuge auf flexiblen BAZ zur Ventilführungs- und -sitzbearbeitung

Bild 2: Kombinationswerkzeug für die Bearbeitung von Ventilführung und Ventilsitz

Im Bereich der Bearbeitung von Ventilführung und Ventilsitz auf flexiblen Bearbeitungszentren kommen in der automobilen Serienfertigung heute überwiegend Kombinationswerkzeuge zum Einsatz (Bild 2). Dabei wird zunächst mittels einer mehrschneidigen Reibahle die Ventilführung bearbeitet. Im Anschluss daran erfolgt eine Senkoperation durch am Umfang des Werkzeughalters angebrachte Wendeschneidplatten, welche die Dichtfase und die Sekundärfasen des Ventilsitzes erzeugen.

Nach Expertenmeinung ist es dabei nach dem heutigen Stand der Technik unumgänglich, dem eigentlichen Feinbearbeitungsprozess einen Pilotprozess voranzusetzen. Die Ventilführung wird dabei mittels einer sehr kurzen und steifen Mehrschneiden-Reibahle einige Millimeter tief gerieben. Gleichzeitig werden oftmals bereits die Fasen des Ventilsitzes vorbearbeitet. Dies ist notwendig, da unter anderem durch den Einpressvorgang der Ventilführungen in den Zylinderkopf ein Achsversatz von bis zu 0,1 mm zwischen der Vorbohrungsachse und der Spindelachse auftreten kann. Wissenschaftliche Untersuchungen, die am PTW der TU Darmstadt mit Unterstützung der Firma Kennametal durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass bei Auftreten eines Achsversatzes die Bearbeitungswerkzeuge durch die Radialkräfte deutlich abgedrängt werden, sodass die geforderte Konzentrizität von 30 µm zwischen Ventilsitz und Ventilführung nicht mehr erreicht wird [4]. Einschneidige Reibwerkzeuge sowie Aussteuerwerkzeuge zur Bearbeitung des Ventilsitzes kommen nach Experteneinschätzung bei einem Serienneuanlauf nicht mehr zum Einsatz. Dies ist zum einen bedingt durch die erhöhte geforderte Flexibilität, die bei der Bearbeitung auf konventionellen Transfermaschinen nicht gegeben ist. Zum anderen besteht nach Einschätzung der Firma Gühring ein Trend hin zu einer reduzierten Einstellbarkeit der Werkzeuge, um die Anzahl möglicher Fehlerquellen zu minimieren.

Bild 3: PKD-Vollkopf-Reibahle zur Bearbeitung von Ventilführungen aus Sintermetall

Werkstoffseitig liegt der Anteil an Ventilführungen und Ventilsitzringen aus Sinterstählen nach Einschätzung der Experten inzwischen bei etwa 90 Prozent. Sinterstähle sind dabei kostengünstiger und verschleißbeständiger als herkömmliche Kupfer- oder Messinglegierungen, stellen jedoch eine Herausforderung für die eingesetzten Werkzeuge dar, sodass zum Erreichen der geforderten Qualität bei gleichzeitig kurzer Taktzeit und dennoch hoher Standzeit bei allen Werkzeugherstellern in diesem Bereich vermehrt Schneidstoffe auf Basis von polykristallinem kubischen Bornitrid (PCBN, Ventilsitz) und polykristallinem Diamant (PKD, Ventilführung) eingesetzt werden. Die höheren Kosten für die Schneidstoffe werden dabei über den Gewinn an Standzeit und Produktivität amortisiert. Durch die Entwicklung einer Reibahle mit PKD-Vollkopf (Bild 3) konnte die Firma Mapal beispielsweise die Standzeit um den Faktor 3 erhöhen. Im Bereich der Messinglegierungen, die hauptsächlich noch auf der Einlassseite des Zylinders eingesetzt werden, besteht die größte Herausforderung im Einsatz bleifreier Ausführungen. Dabei ist vor allem der Spanbruch im Fokus der Entwicklung.


Inhaltsverzeichnis

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele ist Leiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt

Dipl.-Ing. Dominik Schäfer ist Leiter der Forschungsgruppe Zerspanungstechnologie am PTW
schaefer <AT> ptw.tu-darmstadt.de

Dipl.-Ing. Sebastian Güth ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Zerspanungstechnologie am PTW

Christian Bölling M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Zerspanungstechnologie am PTW

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Literaturhinweis

1 E. Abele, P. Pfeiffer (2013): Automobilantriebe und Auswirkungen auf die Zerspanende Industrie. Maschinenbau und Metallbearbeitung. Kuhn Verlag.

2 P. Trechow (2011): Vor dem Elektroantrieb kommt die Aufladung von Benzin- und Dieselmotoren. VDI Nachrichten 30/31.

3 J. Winterhagen (2013): Abgasrückgewinnung künftig auch im Benziner. VDI Nachrichten.

4 E. Abele, T. Hauer, K. Schützer, M. Roth (2013): Qualität mehrschneidig geriebener Bohrungen. Werkstattstechnik Online.

5 Mahle GmbH (2009): Zylinderkomponenten. Wiesbaden: Viewing+Teubner.

PTW – Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen der TU Darmstadt
64287 Darmstadt
Tel. +49 6151 16-2156
www.ptw.tu-darmstadt.de

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