01.05.2018
Mit neuen Lösungen zum sicheren Prozess – Entlastungsbohrung für die Kurbelwelle bearbeiten
MAPAL hat ein Werkzeugkonzept entwickelt, mit dem ein Automobilhersteller prozesssicher Erleicherungsbohrungen in Kurbelwellen zerspant.
Werden bei gängigen Bauteilen gänzlich neue Bearbeitungen nötig, braucht es innovative Technologiepartner, um einen neuen Prozess sicher in Serie zu bringen. Im Zuge des Downsizings wird beispielsweise in Kurbelwellen eine Erleichterungsbohrung zur Reduzierung des Gewichts eingebracht. Um diese Bohrung durch die verschiedenen Lager prozesssicher in der Großserie umzusetzen, hat MAPAL ein entsprechendes Werkzeugkonzept entwickelt, das bereits erfolgreich im Einsatz ist.
Um den Anforderungen nach immer kleineren Motoren bei steigender Leistung und reduziertem CO2-Ausstoß gerecht zu werden, wird an verschiedenen Stellschrauben gedreht. So werden unter anderem neue Werkstoffe entwickelt, die leichter und dennoch stabiler sind. Oder die Bestandteile des Motors werden modifiziert, um die rotierende Masse und damit wiederum den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. So werden beispielsweise Kurbelwellen für unterschiedliche Motoren mit einer Erleichterungsbohrung ausgelegt. Diese hat eine signifikante Gewichtsreduzierung des Bauteils zur Folge.
Ein neuer Bearbeitungsprozess
Für die Fertigung der Kurbelwellen bedeutet die Erleichterungsbohrung allerdings einen zusätzlichen Bearbeitungsprozess. Bei der Daimler AG arbeiten hierfür die Abteilungen Verfahrensentwicklung, Planung, Toolmanagement mit der Fertigung interdisziplinär eng zusammen. Doch neben den internen Beteiligten braucht es auch Lieferanten, die für die prozesssichere Bearbeitung die optimalen Werkzeuge liefern.
Als die Daimler AG den Prozess erstmalig auslegte, wurden Werkzeuge unterschiedlicher Lieferanten in Betracht gezogen. Um die Bohrung durch die Lager der Kurbelwelle einzubringen, haben mehrere Hersteller Konzepte entwickelt. Überzeugt hat die Lösung von MAPAL. Viele Mitarbeiter des Präzisionswerkzeugherstellers sind ständig in der Fertigung in Untertürkheim vor Ort, um Probleme zu beheben und während der Produktion zu unterstützen. Zudem hat MAPAL während der gesamten Zeit bis zum Serienstand viel Entwicklungsarbeit geleistet und Vorfeldversuche durchgeführt. Dafür fehlt in der Großserienfertigung oft die Zeit und so ist es für fertigende Betriebe umso wertvoller, wenn ein Technologiepartner diese Arbeit übernimmt.
In vier Schritten zur Erleichterungsbohrung
Den Prozess zur Bearbeitung der Erleichterungsbohrung der Kurbelwelle aus mikrolegiertem Stahl realisieren insgesamt vier speziell ausgelegte, zweischneidige Werkzeuge. Gekühlt wird mit Minimalmengenschmierung. Der erste Vollhartmetallbohrer (Durchmesser 19.2 mm) bearbeitet die Deckelbohrung vor. Der zweite Vollhartmetallbohrer (Durchmesser 18 mm) fertigt die Pilotbohrung für die Bohrung durch das erste Lager. Als dritter Bearbeitungsschritt kommt ein Wechselkopfbohrer (Durchmesser 18 mm) zum Einsatz. Er bearbeitet das erste Lager fertig und durchbohrt das zweite Lager. Abschließend bearbeitet ein weiterer, langer Wechselkopfbohrer TTD (Durchmesser 18 mm) von MAPAL die restlichen Lager. Dieser fädelt mit langsamer Drehzahl und geringem Vorschub durch die ersten beiden Lager ein, stützt sich in diesen ab und erzielt so trotz langer Auskragung beste Ergebnisse bei der Bearbeitung der restlichen Lager. Dieser speziell ausgelegte Wechselkopfbohrer besteht aus einer Halterung aus Stahl mit CFS-Schnittstelle, dem CFS-Wechselkopfhalter mit einer Grundkörperlänge von 119,2 mm und schließlich dem Wechselkopf TTD aus Vollhartmetall. Bei der Bearbeitung der Kurbelwelle eines 6-Zylindermotors ist allein die Halterung mit CFS-Schnittstelle 480 mm lang.
Gratbildung beim Hochfahren der Serie
Der vierstufige Bearbeitungsprozess lieferte in den Versuchen und der Serienfertigung mit niedriger Stückzahl die gewünschten Ergebnisse. Beim Hochfahren der Serie trat allerdings ein Problem auf. Am Ein- und Austritt der einzelnen Lagerbohrungen bildete sich bereits nach rund 100 Bohrungen ein Grat, der mit jeder bearbeiteten Bohrung größer wurde. So mussten die Bohrköpfe des dritten und vierten Bohrers bereits nach 100 Bohrungen gewechselt werden. Denn durch den Grat wäre die mechanische Bauteilsauberkeit nicht gewährleistet gewesen. Es dürfen keinerlei metallische Partikel am Bauteil zu finden sein. Diese könnten sich beim Betrieb des Aggregats lösen. Aufgrund dessen muss jeder Restschmutz und jedes metallische Partikel an den Bauteilen kategorisch ausgeschlossen werden.
Eine Entgratschneide ist die Lösung
Mit diesem Problem gingen die Verantwortlichen auf MAPAL zu. Die Gratbildung sollte möglichst schnell behoben werden. Allerdings ohne zum Entgraten ein weiteres Werkzeug einzusetzen. Denn dann hätte sich zum einen die Taktzeit verlängert und zum anderen hätte der Prozess neu aufgelegt werden müssen. MAPAL stellte sich dieser Herausforderung. „Wir haben intensiv in unserer Entwicklungsabteilung Lösungen erarbeitet und den Wechselkopfbohrer, der abschließend alle Lager bearbeitet, mit einer Entgratschneide ausgestattet“, erläutert Tobias Moser, der als zuständiger MAPAL Außendienstmitarbeiter das Projekt betreut. Die Entgratschneide ist gefedert direkt nach der Schnittstelle zum Wechselkopf am CFS-Wechselkopfhalter angebracht. In der Vorwärtsbewegung werden die Bohrungseintritte entgratet, beim Rückzug des Bohrers dann entsprechend die Bohrungsaustritte.
Der Langbohrer fährt also zum Anbohren mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 200 mm/min in die Bohrung ein. An einem definierten Punkt wird die Vorschubgeschwindigkeit auf 125 mm/min über einen Weg von 4 mm reduziert. Auf dieser Strecke erzeugt die Entgratschneide die Fase am Bohrungseintritt und wird gleichzeitig durch die Federung ins Innere des Halters gedrückt. So kann im Weiteren die Bohrung mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 375 mm/min bearbeitet werden. Beim Rückzug erfolgt dasselbe.
Mass production since September 2017
At the start of 2017, MAPAL tested the new concept in the research and development department with an original crankshaft. “With these results, we could work well and further optimise the tool”; says Moser. The result and speed of the optimisation was impressive.
Things got serious in summer. The modified tool with deburring cutting edge was tested on the machine for series production. The result was also desirable here, and the process including forward and backward deburring of the bores has been used since September 2017 in large-scale production. “Thanks to the deburring cutting edge, the service life of the tools is also much longer than before”, says Tobias Moser. The first two drills are replaced after 2,000
bores and the drill heads of both replaceable head drills after 800 bores. And the deburring cutting edge? It only has to be replaced after 25,000 bores. This means that this process is the new standard for the relief bore of the crankshaft. And it has now been transferred to two other lines.
bores and the drill heads of both replaceable head drills after 800 bores. And the deburring cutting edge? It only has to be replaced after 25,000 bores. This means that this process is the new standard for the relief bore of the crankshaft. And it has now been transferred to two other lines.
Reduce cycle time with the Tritan-Drill
Despite the reliable and satisfactory process, work on improvements and optimisation of the tools is naturally being continued. The first step was to reliably manufacture in large-scale production. Now the task is to make machining even more economical. A first step in this direction has already been taken. “We first used the deburring cutting edge uncoated. Now it
is provided with a special PVD coating for an even longer service life”, explains Tobias Moser. To be able to obtain higher machining values and therefore further reduce the cycle time, the same process is also currently tested on a test machine with counterparts with three cutting edges, different designs of the Tritan-Drill. And the results were very promising, reveals Moser: “If everything goes as expected, we will be able to implement the tools this year.”
is provided with a special PVD coating for an even longer service life”, explains Tobias Moser. To be able to obtain higher machining values and therefore further reduce the cycle time, the same process is also currently tested on a test machine with counterparts with three cutting edges, different designs of the Tritan-Drill. And the results were very promising, reveals Moser: “If everything goes as expected, we will be able to implement the tools this year.”
