Excellent result thanks to close, partnership-based cooperation

In Friedrichshafen, the Rolls-Royce subsidiary MTU Friedrichshafen develops and produces diesel and gas engines for ships, heavy land and rail vehicles, industrial applications and decentralised power supplies. The product range includes series with 8 to 20 cylinders and an output of 800 to 10,000 kW. They are the core of the company’s drive and energy systems. As soon as you arrive in Friedrichshafen by train or ferry from Lake Constance, it is very likely that an MTU product provides the necessary propulsion.

​​​​​​​All application-related differences – engines for large ships have different requirements than those for construction machinery or even emergency power generators –have one thing in common: The drive units must be

The reliable fulfilment of these requirements makes Power Systems a preferred partner for its customers. The MTU Friedrichshafen subsidiary determines not only the goals of the development engineers, but also the precision requirements in manufacturing. This starts in Friedrichshafen with the machining of cast parts and extends to the delivery of the finished engines and complete systems.

An example from an exhaust system shows the influence that high precision machining has on the durability and low maintenance of MTU’s large engines. The exhaust gases from each pair of cylinders are removed by means of exhaust gas guide elements made of cast iron with GJL-250 lamellar graphite, which are arranged in modular rows depending on the size of the engine. Inside, moulded parts made of heat-resistant sheet metal absorb the exhaust gases from the engine and transport them to the turbochargers.

These sheet metal parts are fastened to the inside of the cast elements with two screws each. The mounting surface must feature outstanding surface flatness because unevenness provides scope for the sheet metal parts to move. Due to the constant vibrations in piston engines, this could lead to problems over time and in extreme cases even to shearing of a fastening screw.

“While we can place the two screw holes from the outside, the mounting surface with both bores can only be machined through the opposite rectangular inlet opening,” says Stefan Wohnhas, the Production Engineer responsible for tool technology at MTU Friedrichshafen, describing the most important machining challenge. “The inlet opening is more than 10 mm narrower than the surface to be machined and is almost 300 mm away.”

​​​​​​​For some time now, the Friedrichshafen company has been using a counterboring tool with adjustable indexable inserts and a working diameter of 51 mm for pre-machining. Due to the small and distant entry opening, the shank of the special tool, which is over 400 mm long, is cranked. Over a length of 325 mm it has a diameter of only 24 mm.

If there was only a single countersink, the finish would also be of sufficient quality with this tool. The counterboring tool centres itself in the first bolt bore and machines the first half of the mounting surface. However, as the tool centres in the other of the two bolt bores for machining the second half of the mounting surface, the indexable inserts pass over a position that has already been machined. This leads to an uneven cutting pressure. “So we were unable to comply with the required 70 μm flatness,” reports Hans Schreiner, who can draw on 40 years of experience at MTU Friedrichshafen and is responsible for tool planning and procurement for large cubic parts.

So beschließen die Verantwortlichen bei MTU, auf das Bearbeitungsverfahren Planfräsen umzusteigen. „Da wir eine 70x35 mm große Fläche durch eine nur 54 mm breite, rechteckige Öffnung bearbeiten, war klar, dass wir ein Sonderwerkzeug benötigen“, sagt Hans Schreiner. „Mit unserer Problemstellung traten wir an MAPAL heran. Denn MAPAL hat den Ruf, auch schwierige Herausforderungen zu meisten. Andere Anbieter haben schon von vorne herein abgewinkt.“

Für MTU Friedrichshafen entwickelt MAPAL einen 400 mm langen Fräser zur Finishbearbeitung. Der Vollhartmetallschaft hat an der schwächsten Stelle 32 mm Durchmesser und ist damit deutlich stabiler als der 24 mm Schaft des Senkers. Ein Planmesserkopf mit vier tangential angeordneten, einstellbaren ISO-Wendeschneidplatten ist auf den Schaft aufgelötet. Das größte Außenmaß des Werkzeugs beträgt 63,5 mm. Nur bei einer definierten Spindelposition passt er durch die 54 mm breite Öffnung. Die zweischneidigen Wendeschneidplatten sind im 45° Winkel angestellt. Asymmetrisch angeordnet haben sie vier verschiedene Flugkreise: 19,5 – 27,5 – 44,5 und 54,5 mm. Trotz eines Verfahrweges von lediglich 10 mm bearbeitet das Werkzeug so die gesamte Fläche mit einer Länge von 70 mm.

„Die Anordnung der Schneiden stellte sowohl die Werkzeugentwickler bei MAPAL als auch unsere NC-Programmierer vor besondere Herausforderungen“, sagt Stefan Wohnhas. Die Aalener Präzisionswerkzeugspezialisten nutzen ihre gesamte Erfahrung, um trotz der komplexen Asymmetrie des Bearbeitungskopfes einen optimalen axialen Planlauf zu gewährleisten. Und das ist gelungen: Eine axiale Verstellmöglichkeit ermöglicht die µm-genaue Einstellung des Planlaufs.

Eine intensive Zusammenarbeit bestimmt die Entwicklungsphase. Nach jedem Entwicklungsschritt übermittelt MAPAL den MTU-Experten ein 3D-Modell des Werkzeugs. „Dieser digitale Zwilling machte es uns möglich, den gesamten Bearbeitungszyklus in unserer NC-Simulationssoftware durchzuspielen“, sagt Waldemar Schmidt, CAM-Programmierung und Werkzeugplanung bei MTU Friedrichshafen. „So konnten wir Kollisionen erkennen und das Verhalten des Fräsers vollständig testen. Und das ohne teure Prototypen anfertigen zu lassen und ohne Ausschuss zu produzieren.“

Umgekehrt leisten die MTU-Techniker über Anpassungen am Werkstück einen wesentlichen Beitrag zum Gelingen des Projekts. Um die befürchtete Labilität durch einen zu dünnen Schaft zu verhindern, veranlassen sie eine minimale konstruktive Änderung an der Einfahröffnung.

„Wir waren nicht immer sicher, ob die Konstruktion eines passenden Fräswerkzeugs überhaupt gelingt“, sagt Waldemar Schmidt. „MAPAL hat uns vom Gegenteil überzeugt. Mit dem Werkzeug übertreffen wir die Präzisionsanforderungen deutlich“, ergänzt Hans Schreiner. So erreicht MTU prozesssicher eine Planheit von sieben statt der geforderten 70 µm. Das Fräswerkzeug trägt minimal invasiv 0,2 mm Material mit einer Schnittgeschwindigkeit von durchschnittlich 120 m/min und einem Vorschub von 0,12 mm ab.

„Umfangreiche Messungen an einem eigens aufgebauten Versuchsmotor bestätigen den Effekt, den wir in der Feinbearbeitung mit dem MAPAL Sonderfräser erreichen“, berichtet Stefan Wohnhas. „Wir erhielten ein Werkzeug, mit dem wir durch minimal invasives Planfräsen mit langer Auskragung die Wartungsarmut und Langlebigkeit unserer Großmotoren nachhaltig weiter verbessern konnten.“

Rolls-Royce Power Systems, ein Geschäftsbereich des britischen Technologiekonzerns Rolls-Royce plc., ist einer der weltweit führenden Anbieter von Motoren, Antriebssystemen und dezentralen Energieanlagen. Die Marken MTU und MTU Onsite Energy stehen für schnelllaufende Motoren und Antriebssysteme für Schiffe, schwere Land- und Schienenfahrzeuge, militärische Fahrzeuge, für die Öl- und Gasindustrie mit bis zu 10.000 kW Leistung sowie für Stromaggregate für Not-, Dauer- und Spitzenstromversorgung und komplette Blockheizkraftwerke.