Doppelter „Angriff“ auf die Nockenwelle

Mit Synchro-Stützschleifen lässt sich die Produktivität um bis zu 70 Prozent verbessern

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Fertigungssystem zur Komplettbearbeitung von Nockenwellen. Von der Weichbearbeitung bis zum Schleifen – alles auf der VTC-Plattform.
Die Basis fürs Synchro-Stützschleifen ist die VTC 315 DS von Emag, eine vertikale 4-Achs-Schleifmaschine
Auch komplexe Geometrien wie Nockenkonturen können mit dem Simultan- bzw. Synchro-Stützschleifverfahren bearbeitet werden.
Dr.-Ing. Guido Hegener, Geschäftsführer der EMAG Salach Maschinenfabrik GmbH.

Prinzip des Synchro-Stützschleifens

 

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http://www.emag.com

Der internationale Automobilmarkt befindet sich nach wie vor in einer dynamischen Wachstumsphase. Um immerhin drei Prozent ist die Zahl der weltweit verkauften Pkw im Jahr 2011 im Vergleich zu 2010 angestiegen, so das amerikanische Marktforschungsinstitut Polk. Dabei ist die Produktionssituation bei vielen Automobil-Unternehmen und ihren Zulieferern von einer großen Dynamik geprägt. Die „just in time“ benötigten Mengen eines Bauteils steigen auch kurzfristig in rasantem Maß an. Gleichzeitig steht die Qualität auf dem Prüfstand. Dass sich mit neuen Maschinenbautechnologien diese Herausforderungen perfekt bewältigen lassen, zeigt sich bei einer besonders anspruchsvollen Anwendung, die letztlich die Qualität des gesamten Motors entscheidend beeinflusst: der Schleifbearbeitung von Kurbel- und Nockenwellen. Mit dem von EMAG entwickelten Synchro-Stützschleifen lässt sich die Produktivität bei der Herstellung der Bauteile um bis zu 70 Prozent verbessern – ein Quantensprung.

Beispiel China: Auch wenn der Pkw-Markt des Landes mittlerweile etwas moderater wächst, ist das „Reich der Mitte“ nach wie vor der entscheidende Konjunkturmotor im internationalen Vergleich. Während im Jahr 2009 noch rund 11 Millionen Pkw in China produziert wurden, waren es 2010 bereits rund 14 Millionen. Im Jahr 2011 stieg die Produktion etwas moderater auf 15 Millionen Fahrzeuge (Quelle: PwC, Statista). Auch die Einfuhr von Pkw-Komponenten, kompletten Motoren oder Getrieben nimmt rasant zu. Weltweit ist China nach Einschätzung der Außenhandelsexperten von Germany Trade and Invest bereits der drittgrößte Importeur. Wie lassen sich diese Steigerungsraten im Rahmen von wirtschaftlichen und hochqualitativen Prozessen bewältigen – sowohl an etablierten Produktionsstandorten außerhalb Chinas als auch bei der Planung von neuen Produktionsstätten im Land?

Paradebeispiel Kurbel- und Nockenwellenbearbeitung

Die Herstellung von Kurbelwellen und Nockenwellen ist in diesem Zusammenhang ein Paradebeispiel, weil beide Bauteile im Zentrum der Motorenproduktion stehen und ihre außergewöhnliche Geometrie komplexe Herstellungsprozesse verlangt. Der dazugehörenden Schleifbearbeitung kommt dabei innerhalb des Gesamtprozesses wiederum eine besondere Rolle zu, weil sie die Maßhaltigkeit der Bauteile garantieren muss. Gleichzeitig ist sie häufig zeitaufwendig und anspruchsvoll: Vor allem Wellen mit hohem Schlankheitsgrad sind in Bearbeitungsrichtung wenig stabil – daher wird häufig eine aufwendige Stabilisierung mit mehreren nachlaufenden Lünetten vorgenommen. Trotzdem können insbesondere bei der Eliminierung des Rundlauffehlers nur vergleichsweise geringe Vorschübe eingestellt werden. Dieses hat natürlich eine hohe Taktzeit und eine geringe Ausbringung zur Folge. „Wir haben uns bei der Entwicklung einer neuen Schleiftechnologie auf Basis einer vertikalen Einspannung des Bauteils genau diese Problematik vorgenommen. Unser Ansatz war es, die Kräfte zu reduzieren, die während des Schleifens auf das Bauteil einwirken. Das macht letztlich höhere Vorschübe möglich“, erklärt Dr. Guido Hegener, Geschäftsführer der EMAG Salach Maschinenfabrik GmbH.

Geringe Kräfte wirken auf das Bauteil

Mit der Entwicklung des sogenannten Synchro-Stützschleifens, das auf den vertikalen Schleifmaschinen VTC 315 DS von EMAG zum Einsatz kommt, ist den Entwicklern ein Durchbruch bei dieser wortwörtlich empfindlichen Anwendung gelungen. Das Prinzip basiert auf dem Einsatz von zwei Schleifscheiben, die von zwei Seiten mit unterschiedlicher Laufrichtung auf die Kurbelwelle oder Nockenwelle einwirken. Die in Vorschubrichtung auftretenden Normalkräfte werden durch die gegenüberliegende Anordnung der Schleifscheiben und die simultane Zerspanung aufgehoben. Gleichzeitig kommt eine einfache, NC-gesteuerte Stütze zum Einsatz, die von einer Seite gegen das Werkstück drückt. Das Werkstück kann deshalb in keine Richtung mehr ausweichen, und auch die Tangentialkräfte sind ausgeschaltet. „Diese Konstruktion wirkt sich in der Folge mehrfach positiv aus“, erklärt Guido Hegener. „Einerseits sind aufgrund der steifen Einspannung extreme Vorschübe bei der Schleifbearbeitung von labilen Werkstücken, wie beispielsweise einer Kurbelwelle oder Nockenwelle, möglich. Andererseits sind zwei Schleifscheiben gleichzeitig im Einsatz. Damit reduziert sich die Bearbeitungszeit im Vergleich zu den heute üblichen Schleifverfahren noch einmal drastisch.“

Vertikale Bauweise punktet

Entscheidend ist mit Blick auf die wirtschaftliche Bearbeitung der Bauteile zudem das Konstruktionsprinzip der EMAG Schleifmaschine. Innerhalb der VTC 315 DS ist die Welle vertikal eingespannt. Die Werkstückspindel befindet sich oben, der Reitstock unten. In dieser Position erfolgt der komplette Schleifprozess an der Welle. Durch die vertikale Lage des Bauteils ergibt sich dabei ein günstiger Spänefall. Dadurch kann der abgetragene Werkstoff zusammen mit dem Kühlmittel besonders einfach und effizient abtransportiert werden. Außerdem läuft das Kühlmittel nicht über die Maschinenstruktur, und seine Temperatur ist während des gesamten Prozesses keinen Schwankungen ausgesetzt. „Das ist ein Punkt, der am Ende auch die Bearbeitungsqualität direkt beeinflusst, weil der gesamte Wärmegang in der Anlage sehr gering ist“, erklärt Guido Hegener. Gleichzeitig erleichtert die vertikale Bauweise das Bedienen der Anlage und sorgt für einen effizienten Produktionsablauf: Zudem kann bei der VTC 315 DS meistens auf eine gesonderte Mitnahme verzichtet werden. Das vereinfacht das Rüsten.

4-Zylinder-Nockenwellen mit hoher Maßgenauigkeit

Welche Erfahrungen haben Anwender mit dem Synchro-Stützschleifen-Prinzip gesammelt? „Die Rückmeldungen sind außerordentlich positiv“ erklärt Guido Hegener. „Das Prinzip eignet sich auch für Getriebewellen, Gelenkwellen, Pumpenwellen oder Ausgleichswellen mit einer maximalen Länge bis zu 600 Millimetern. Es zeigt sich immer wieder ein riesiger Produktivitätssprung. Zum Teil verkürzt sich die Bearbeitungszeit bis zu 70 Prozent gegenüber dem konventionellen Schleifen.“ Auf der anderen Seite steigt die Bearbeitungsqualität an. Ein Beispiel dafür ist die Erfahrung eines Anwenders bei der Produktion einer gegossenen 4-Zylinder-Pkw-Nockenwelle. Die Bearbeitung der Hauptlager erfolgt in mehreren Sequenzen mit jeweils fünf Sekunden Schleifzeit. Trotz der kurzen Schleifzeit werden Rundläufe unterhalb von 10 µm erzeugt. Das ist deutlich unterhalb der zulässigen Toleranzgrenze und eine merkliche Verbesserung im Vergleich zum vorher eingesetzten Schleifverfahren – ein echter Qualitätssprung also.

Doppelter Angriff auf die Nockenwelle

Das Synchro-Stützschleifen ist nicht nur für die Rundbearbeitung, sondern auf für die Unrundbearbeitung vorteilhaft einsetzbar. Bei 4 Zylinder-Nockenwellen können simultan Nockenpaare bearbeitet werden. D.h. vier Schleifscheiben schleifen gleichzeitig an einer Nockenwelle. Mit diesem Verfahren können einerseits die Bearbeitungszeiten drastisch reduziert werden, andererseits erhöht sich die Qualität der Nockenform. Somit entsteht ein doppelter Nutzen für den Anwender.

Mit dieser Bearbeitung kann EMAG die gesamte Prozesskette der Nockenwelle – Endenbearbeitung, Drehen, Tieflochbohren, Fräsen, Rundschleifen, Unrundschleifen – in vertikaler Aufspannung ausführen.  

Große Marktchancen

Dass die Verantwortlichen bei EMAG unter diesen Vorzeichen dem Verfahren große Marktchancen einräumen, kann freilich nicht überraschen. Für das Synchro-Stützschleifen sprechen eine ganze Reihe von weiteren Argumenten: Die viel kürzeren Bearbeitungszeiten machen sich zum Beispiel auch bei der günstigen Energiebilanz bemerkbar. „Die verbrauchte ‚Energy per piece’ ist deutlich niedriger. In der Folge sinken die Kosten beim Anwender“, bestätigt Guido Hegener. Dazu kommt, dass die vertikal konstruierten Anlagen weniger Stellplatz als Maschinen in horizontaler Bauweise benötigen. „Wirtschaftliche Prozesse, einfaches Handling, hohe Qualität – die vielen Vorteile des Synchro-Stützschleifens im Vergleich zu konventionellen Schleifprozessen werden sich im Markt durchsetzen“, ist sich Guido Hegener sicher.