09.12.2019
Zylinderbohrungen in LKW-Motoren hochgenau bearbeiten
Erfolgreiche Teamarbeit von Anwender, Maschinenhersteller und MAPAL
Im Mercedes-Benz Werk in Mannheim entstehen moderne Motoren für Lastkraftwagen. Mit sehr engen Toleranzen bei den entscheidenden Abmessungen der Motorblöcke, um optimale Motoreigenschaften zu erreichen. Bei der Konzeption einer neuen Fertigungslinie für die Bearbeitung der Motorblöcke ermöglicht die enge Zusammenarbeit der Spezialisten von Mercedes-Benz, des Maschinenherstellers sowie von MAPAL wesentliche Fortschritte.
Bei der Fertigung der Motoren ist höchste Präzision gefragt. Denn um bestmögliche Motoreigenschaften gewährleisten zu können, müssen die entsprechenden Flächen im Motorblock äußerste Genauigkeit aufweisen. Ihre Geometrie ist komplex und beinhaltet eine Vielzahl an Schlüsselmerkmalen. Höchste Toleranzklassen sind prozesssicher einzuhalten. Dazu gehören je nach Motortyp mehrere H7-Passungen, diverse Bereiche mit Genauigkeitsvorgaben unter 15 µm sowie eng tolerierte Fasen. Darunter eine 20°-Fase mit Auslauf, für die eine Winkeltoleranz von lediglich ±0,025° (1‘30“) bei hohen Anforderungen an die Oberflächengüte einzuhalten ist. Neben der hohen Präzision liegt das Augenmerk auf einer wirtschaftlichen Fertigung.
Nur mit Aussteuerwerkzeugen zu bewältigen
Eine erste Linie für die Bearbeitung dieser Motorblöcke ist seit Jahr 2011 in Betrieb. Bei der Planung einer zweiten Linie griffen die Verantwortlichen auf die Erfahrungen der ersten Linie zurück. Und deklarierten die Bearbeitung der Bohrungen für die Aufnahme der Zylinderlaufbuchsen als besonders anspruchsvoll. Die Bearbeitung erfolgt in zwei Stationen: eine für die Vor- und eine für die Fertigbearbeitung.
Hierfür hat MAPAL komplexe Aussteuerwerkzeuge entwickelt. Sie sind mit bis zu 20 Schneidplatten, sowohl in ISO- als auch in Sonderausführung, bestückt. Die HSK-160 Schnittstelle weist eine vergrößerte Planfläche von 200 mm Durchmesser auf, ein Werkzeug wiegt insgesamt bis zu 60 Kilogramm. Trotz der Schnittstelle und der Gesamtlänge von 380 mm muss das Aussteuerwerkzeug eine Rundlaufgenauigkeit von 3 µm gewährleisten. Die Schieber steuert eine zusätzliche NC-Achse in der Maschinensteuerung mittels einer Zugstange an. Die Herausforderung bei der Werkzeugauslegung war, diese Zugstange in die HSK-Schnittstelle zu integrieren und den automatischen Werkzeugwechsel sicherzustellen. Eine hochpräzise Bajonettverriegelung löst die Aufgabe. Sie koppelt die Zugstange automatisch beim Werkzeugwechsel. Rampen aus Hartmetall übertragen die Bewegungen der Zugstange im Werkzeug auf die Schieber.
Safety logistics for the tools with a high proportion of manual manufacturing
In order to achieve the required quantities, three bores are machined simultaneously with three spindles. The three tools per machine are each assigned to a particular spindle, thus ensuring process reliability. For each tool, there is a sister tool and a further reserve tool for regular maintenance work and repairs at MAPAL.
The very high manufacturing precision required for actuating tools for Mercedes-Benz makes a large amount of manual production necessary. For example, the specialists from MAPAL lap the slide shafts in the tool body by hand. The accuracy of the tie rod mechanism must also meet the highest precision requirements. For each of these tools, this results in a manual workload of several man-weeks.
Replacing the cutting edges and adjusting the tools outside of the machine
With machining operations like these, the cutting edges of such tools are usually replaced and adjusted in the working area of the machine. Due to the cooling lubricant, this is not only uncomfortable for the machine operator, the machine also cannot produce during this time. In three-shift operation and with three tools per machine, this downtime would amount to three to four hours per day.
Unique setting fixtures for hanging tools
In an effort to ensure that the external adjustment is as simple as possible, MAPAL developed the corresponding devices for transporting, adjusting and maintaining the tools. This included a handling solution for inserting and replacing tools in the magazine, as the tools are inserted into the machining system while hanging, which is quite unusual. Due to the high tool weight of around 60 kg, the effort of just “turning over” the tool twice manually would have put the personnel under a lot of strain. When working with such a weight, the safety aspect also plays a major role. Furthermore, there would have been a risk that the tool could be damaged in the process. This is why MAPAL realised two unique setting fixtures into which the tools are inserted in a hanging position. A cart for hanging transport between the machining system and the setting fixture was also developed. The tools are thus transported and adjusted in the same position in which they are used in the machining system.
Closed quality control loop
The measurement results determined on the setting fixtures are transmitted directly to an RFID data medium on the tool. The controller of the machining system reads it out when the tools are inserted. This way, the machine can readjust some of the important measurements using the actuating slides during machining. As from the second workpiece, the results of the routine QA measurement are taken into account. This closed quality control loop for the tools was a high priority for Mercedes-Benz.
