Präzisionsfertigung von großen Pleuelstangen für Dieselmotoren

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Präzisionsfertigung von großen Pleuelstangen für Dieselmotoren

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Als Rudolf Diesel 1897 den weltweit ersten funktionstüchtigen Dieselmotor bei der damaligen Maschinenfabrik Augsburg AG baute, legte er den Grundstein für die heutige MAN Diesel Gruppe. Bei der Produktion von Dieselmotoren legen die Augsburger Fachleute größten Wert auf die Eigenfertigung der wichtigsten Know-how-Baugruppen. Im Bereich der Motorenfertigung arbeiten insgesamt fünf Bearbeitungszentren aus dem Chemnitzer Unternehmen StarragHeckert GmbH.

Neben Dieselmotoren für Schiffsantriebe und die Bordstromversorgung baut die MAN Diesel Gruppe schwimmende und stationäre Diesel-Kraftwerke.

„Die Pleuelstangen“, erläutert Franz Stadlmayr, Investment-Planung im Augsburger Unternehmen MAN Diesel, „sind die am höchsten belastete Baugruppe am Dieselmotor. Entsprechend groß sind die Qualitätsanforderungen sowohl an die Schmiederohlinge als auch an die mechanische Bearbeitung. Deshalb achten wir beim Zukauf der Schmiederohlinge auf höchste Qualität. Bei den Pleuelrohlingen handelt es sich um hochvergütete Schmiedeteile mit Zugfestigkeiten bis 1 100 N/mm2. Zugfestigkeiten also, die sich am oberen Ende der Skala befinden. Die kompletten Pleuelrohlinge für die größten Motoren, die wir in Augsburg fertigen, wiegen etwa 1,2 t. Im Laufe der komplexen Bearbeitung wird jedes dieser Rohteile um ein Spanvolumen von etwa 100 bis 150 kg leichter.“
Großbearbeitungszentren im Mittelpunkt der Pleuelstangen-Fertigung
„Die ersten guten Erfahrungen mit Werkzeugmaschinen aus Chemnitz gehen auf das Jahr 2003 zurück. Da installierten wir“, schildert Franz Stadlmayr, „zwei Starrag-Heckert Bearbeitungszentren CWK 630 Classic mit Rundspeicher. Wir strebten schon damals eine hohe Fertigungsflexibilität an und haben mit diesen Bearbeitungszentren drei auszumusternde Maschinen ersetzt und gleichzeitig eine Leistungssteigerung von 35 bis 40 Prozent erreicht.“ Mit diesen Maschinen werden mittelgroße Teile gefertigt, wie beispielsweise Kipphebel oder Schwinghebel. Zu den Rationalisierungsergebnissen haben vor allem die minimierten Nebenzeiten, effizientere Werkzeugwechsel sowie die Möglichkeit beigetragen, neue Werkzeugtechnologien zu nutzen. 2006 wurde zur Bearbeitung von kubischen Bauteilen ein weiteres Starrag-Heckert Bearbeitungszentrum, das HEC 800 H/V, installiert. Die Anlage ist mit einem Horizontal/Vertikal-Fräskopf ausgestattet, der die 5-Seitenbearbeitung in einer Aufspannung ermöglicht.
Die Bearbeitungszentren der Baureihe HEC ermöglichen mit Eilgangsgeschwindigkeiten bis zu 60 m/min und Drehbewegungen des NC-Drehtisches bis zu 80 min-1 sowie einem leistungsstarken Hauptantrieb ein hohes Zeitspanvolumen. Das große Spänevolumen wird durch die Gantry-Ausführung der Z-Achse und den Einsatz von Festblechen anstelle von Teleskopabdeckungen in Kombination mit einem überdurchschnittlich breiten Späneförderer in kürzester Zeit aus der Maschine transportiert.
Im Jahr 2004 begann man bei MAN mit der Planung eines Bearbeitungszentrums für die Pleuelstangenfertigung, das eine alte Portalfräsmaschine ersetzen sollte und dabei eine rationelle und hochflexible Präzisionsfertigung ermöglicht.
Nach einigen Probestücken auf unterschiedlichen Maschinen entschied man sich bei der Bearbeitung der hochvergüteten Schmiedestähle für ein StarragHeckert Großbearbeitungszentrums vom Typ HEC 1600 H/V Athletic.
Die speziellen Anforderungen an das Großbearbeitungszentrum HEC 1600 H/V Athletic
„Je präziser die Bearbeitung von Kernbaugruppen eines Dieselmotors erfolgt, desto kleiner ist der Verschleiß. Das bedeutet, die Zuverlässigkeit erhöht sich, der Kraftstoffverbrauch und die Geräuschentwicklung sinken“, erinnert Josef Fischer, Gruppenleiter Pleuelfertigung, an die bekannten Zusammenhänge. Die Anforderungen an die Bearbeitungspräzision des ausgewählten Bearbeitungszentrums zu stellen, waren, dass das Bearbeitungszentrum das Gewicht des Werkstücks plus Gewicht der Vorrichtung, die bis zu 2 000 kg wiegt, aufnehmen und Mikrometergenau positionieren kann. Zweitens war die Fünf-Seiten-Bearbeitung wichtig. Die Maschine muss drittens in der Lage sein, alle Möglichkeiten, die moderne Werkzeuge bieten, zu nutzen. Viertens wollte man ein schnelles und sicheres Werkzeughandling innerhalb des Bearbeitungszentrums. Fünftens wurde nach einer Maschine, die auf sehr produktive Weise beste Präzisionsarbeit leistet und mit einer Steuerung arbeitet und die hohe Flexibilität des Maschinensystems wirksam unterstützt.
„Außer einer Drehbearbeitung des Pleuelschafts nach der zweiten Aufspannung ist diese Maschine in der Lage“, erläutert Josef Fischer, „sämtliche Fertigungsschritte vom Rohteil bis zur Feinbearbeitung der fertig bearbeiteten Pleuelstange auszuführen. Das beginnt mit den Schrupparbeiten in der ersten und zweiten Aufspannung. Fertigungstechnisch bedingt, schwanken die Aufmaße bei den Schmiederohlingen im Bereich von 2 bis 7 Millimeter. Diese Schwankungen hat die Maschine zu verkraften. Das schließt ein, dass sie sich bei Extremfällen vor Überlastungen selbst schützen muss. Dazu wird das Spindeldrehmoment permanent über die Stromaufnahme gemessen. Wenn die Maschine eine bestimmte Zeit mit über 80 Prozent der Maximalleistung fährt, regelt die Steuerung die Maschine in drei Schritten zum Stillstand. Dabei schneidet sich das Werkzeug frei und die Maschine bleibt stehen, ohne dass ein Werkzeugbruch entsteht. Solch ein Fall trat bis jetzt erst zweimal ein, dann erfolgte die weitere Schruppbearbeitung in zwei Schritten.
„Nach der dritten Aufspannung“, führt Josef Fischer fort, „verbinden wir den inzwischen weiterbearbeiteten Lagerdeckel mit dem Pleuelschaft. Nur so können wir in den beiden letzten Aufspannungen die sehr eng gehaltenen Toleranzen einhalten. Doch nicht nur die Genauigkeit der Passungen müssen wir realisieren, auch das Stichmaß vom Mittelpunkt der Kurbellagerbohrung bis zur Planfläche, an die der Kopf angebaut wird, erfordert sehr enge Form- und Lagetoleranzen. Um die hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Rechtwinkligkeit zur Pleuelstange erfüllen zu können, führen wir die Endbearbeitung in zwei Aufspannungen aus.“ „Um die geforderte Präzisionsarbeit tatsächlich zu erreichen, sind noch weitere Faktoren erforderlich“, hebt Franz Stadlmayr hervor und zählt die wichtigsten auf: „Die Erfahrungen unserer Facharbeiter beim Spannen der Werkstücke, der gewissenhafte Einsatz der Präzisionswerkzeuge und der sorgfältige Umgang mit der Maschine und deren Peripherie sind hier Grundvoraussetzungen.“
Als weiteres Feature ist die Anlage mit einer Kühlmitteltemperierung ausgestattet. Damit wird sichergestellt, dass auch bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen die Maschine die geforderte geometrische Genauigkeit behält.
„Zur Präzisionsfertigung“, hebt Josef Fischer hervor, „gehört neben der hohen Qualifikation der Beschäftigten, auch eine möglichst einfache Bedienung der Maschinen. Hier hat sich die Siemens-Steuerung Sinumerik 840 D bestens bewährt. Mit wenigen Bedienelementen kommt man schnell in den Fertigungsprozess hinein. Diese Steuerung ist den Maschinenbedienern vertraut, so dass ein flexibler Einsatz entsprechend der zu erledigenden Aufgaben problemlos möglich ist.“
„Zur flexiblen Arbeitsweise“, fährt Josef Fischer fort, „gehört ferner, dass wir die Fertigung so organisieren, dass jeder Pleuelkopf, der zu Beginn der Fertigung vom Pleuelschaft abgeschnitten wurde, so zeitnah fertig bearbeitet wird, dass alle Teile einer Pleuelstange wieder zusammengeführt werden. Der Pleuelkopf kann in allen Starrag-Heckert-Bearbeitungszentren gefertigt werden, weil sie ausnahmslos die Fähigkeit zur 3D-Freiformflächenbearbeitung bieten, die wir unter anderem zur Bearbeitung der Halskontur brauchen.“
Im Januar 2007 wurde ein weiteres Großbearbeitungszentrum vom Typ HEC 1250 H/V Athletic für die Pleuelstangenfertigung in Betrieb genommen. Bis auf die Rundtischausführung und den etwas kleineren Arbeitsraum ist diese Anlage identisch mit der HEC 1600 H/V Athletic. Für die Bearbeitung unserer Werkstücke sind beide Maschinen absolut kompatibel. Der Einsatz von Linear- einheiten“, hebt Franz Stadlmayr hervor, „rückt die Präzisionsarbeit von Werkzeugmaschinen der neuesten Athletic-Generation in die Nähe von Lehrbohrwerksgenauigkeiten.“
„Genau wie die 1600er Maschine“, ergänzt Josef Fischer, „bietet die HEC 1250 H/V Athletic einen Kühlmitteldruck von 80 bar, so dass sich auch dort zum Beispiel moderne 600 Millimeter lange Tieflochbohrer mit auswechselbaren Hartmetallschneiden einsetzen lassen.“ Selbst solche langen Werkzeuge finden Platz in den Turmmagazinen. Diese Turmmagazine bieten ein gutes Werkzeughandling. Der manuelle Werkzeugtausch ist am Turmmagazin auch während der Bearbeitung und innerhalb des automatischen Wechselprozesses möglich. Alle installierten Groß-Bearbeitungszentren haben jeweils drei Turmmagazine mit einer Speicherkapazität von 165 Werkzeugen. Diese Kapazität reicht selbst bei einem verlängerten Drei-Schicht-System bestens aus.
Mit der Fünf-Seiten-Bearbeitung sinkt die Anzahl der notwendigen Aufspannungen, was zu weniger Aufspannungen und einer höheren Fertigungsgenauigkeit führt . Genau wie die HEC 1600 H/V Athletic ist die HEC 1250 H/V Athletic mit vier Maschinenpaletten ausgestattet, die auf insgesamt drei Seiten ein- und ausgeschleust werden, so dass die Bediener genügend Zeit haben, die Aufspannarbeiten mit Akribie durchzuführen. Obwohl beide Groß-Bearbeitungszentren die gleiche Leistung bei gleicher Präzision bringen, gab die neue Maschine die Möglichkeit, den Fertigungsablauf weiter zu optimieren. Jetzt erledigt die HEC 1600 H/V Athletic alle Schrupparbeiten. Und die neue Maschine wird für die beiden letzten Aufspannungen zur Schlicht- und Feinbearbeitung eingesetzt. Durch die Investition in die beiden Großbearbeitungszentren gelang es bei gleich bleibend hohem Qualitätsniveau den gestiegenen Bedarf an Pleuelstangen zu befriedigen. Die Flexibilität der Anlagen ermöglicht neben der kostengünstigen Bauteilproduktion auch noch eine Reduzierung der Durchlaufzeiten.
Starrag-Heckert GmbH Tel. 0371/8362300, Fax 0371/8362398 www.starragheckert.com
MAN Diesel SE Tel 0821/3220, Fax 0821/3223382 www.manbw.com
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