Die Herstellung von Turboladern gehört zu den technisch besonders komplexen Herausforderungen. Die geometrischen und physikalischen Bedingungen erfordern ein Höchstmaß an theoretischem und praktischen Wissen. Die Walter AG aus Tübingen beherrscht diese Technologie und bietet eine Vielzahl an Schneidstoffen und Werkzeugen zur Fertigung von Turboladern an.
Die weltweite Nachfrage nach Turboladern im Fahrzeugbau steigt seit vielen Jahren kontinuierlich an und wird sich in Zukunft noch weiter erhöhen. Damit einher gehen die kontinuierlich wachsenden Ansprüche an die Werkzeughersteller – das bestätigt Friedrich Auinger, Senior Prozess Engineer RCC, zuständig für Turbolader bei Walter: „Die Herstellung von Turboladern verlangt höchste Präzision und absolute Prozesssicherheit. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit von Motoren in Zeiten mit sinkenden Ressourcen.“
Turbolader sind heute Stand der Technik bei Dieselmotoren und vielen Ottomotoren in der Kraftfahrzeugtechnik wie in Motorrädern, Pkws, Lkws, Schiffen, kleineren Flugzeugen und Lokomotiven – oft werden sie auch in Turbinen in der Energietechnik eingesetzt. Turbolader steigern die Leistungsfähigkeit von klassischen Kolbenmotoren – doch wie genau geht das?
Ein Turbolader besteht grundsätzlich aus einer Turbine und einem Verdichter, die beide auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Sie arbeiten mit Flügel- bzw. Schaufelrädern, um Strömungsenergie in eine Drehbewegung umzusetzen und umgekehrt. Die notwendige Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt erfolgt durch einen Verdichter im Ansaugtrakt, der von einer Abgasturbine angetrieben wird. Turbolader können entweder den Druck (Stauaufladung) oder die Bewegungsenergie der Abgase (Stoßaufladung) als Energiequelle nutzen. Bei der Stauaufladung werden die Abgase zunächst zusammengeführt und gesammelt, um sie dann auf die Abgasturbine zu leiten. Die Anströmung der Turbine geschieht in der Regel durch den Druckaufbau im Krümmerabschnitt vor der Turbine.
Der Abgasstrom versetzt das Turbinenrad auf der Abgasseite in Rotation. Das Drehmoment wird über eine Welle auf das Verdichterrad im Ansaugtrakt übertragen. Dabei wirken bis zu 260 000 Umdrehungen pro Minute auf die Wellenlager des Turboladers, die aus diesem Grund hydrodynamisch gleitend ausgeführt werden. Die hohen Temperaturen beim Verdichten werden durch einen Luft-Luft-Wärmetauscher, den Ladeluftkühler, reduziert. Einige Turbolader besitzen neben den Ölversorgungsanschlüssen auch Anschlüsse an den Wasserkreislauf zur Kühlung.
Welche Werkzeuge für welches Bauteil?
Im Anschlussbereich für das Schaufelrad etwa erfolgt die Ausführung auf der Innenseite im Drehverfahren für die Grob- und Feinverarbeitung. Eingesetzt werden können hierzu Kombiwerkzeuge mit Tigertec PVD-Al2O3-Wendeplatten-Bestückungen, die eine schnelle Bearbeitung in einem Durchgang gewährleisten und für maximale Produktivität und hohe Prozesssicherheit sorgen. Als Schneidstoffe werden je nach Anforderung WSM 10, 20 oder 30 eingesetzt.
Bei der eigentlichen Bearbeitung des Gehäuses kommen ebenfalls unterschiedliche Verfahren zum Einsatz: Fräsen der Oberflächen, spezielle Grob- und Feinbearbeitung der Innenseite, Bohren, Gewinde schneiden, konisches Fräsen von Löchern, V-Band-Sonderwerkzeug und Reiben. Hier eignet sich der Walter Xtratec Heptagonfräser F4045 mit seinen 14-schneidigen Tigertec Silver-Wendeplatten und dem Schneidstoff WSM 35 zum Schruppen. Auch das Kombiwerkzeug B2084 findet hier wieder Verwendung, genau wie der Titex Xtreme-Bohrer CI, der Gewindeschneider Prototyp Prototex ECO-HT sowie das Cone-Fit VHM-Fräsprogramm.
Eine wichtige Rolle bei der Bearbeitung von Turbinengehäusen spielen die speziell hierfür entwickelten Sonderwerkzeuge F2001-5859071 mit Durchmesser = 61 mm und F2001-5961878 mit Durchmesser = 100 mm. Ausgestattet sind sie mit propellerartigen Wendeschneidplatten sowie quadratischen Wendeplatten mit jeweils acht Schneiden zum Fräsen der Konturen und Radien bzw. V-Band-Bearbeitung.
Zum Bearbeiten der Lagergehäuse werden unterschiedliche Planfräser der Xtratec-Serie verwendet, die mit Tigertec und Tigertec Silver beschichteten Schneidplatten bzw. PVD-Al2O3-Bestückungen kombiniert werden. Für die hier benötigten unterschiedlichen Bohrungen stehen der Titex XD-Tiefloch-Bohrer, der Titex Xtreme-Bohrer Pilot 180 C und der Titex Xtreme DH20/DH30 parat. Bei Gewindebohrungen setzt man den Prototyp Paradur Eco-HT ein.
Ein Ausblick
Die Entwicklung im Automobilbau wird in den nächsten Jahren weitere große Innovationen vor allem bei der Sparsamkeit und Effizienz von Motoren hervorbringen. Auch bei Schiffsdieseln und sogar in der Luftfahrt sind Entwicklungen denkbar, bei der die Technologie der Turbolader entsprechende Fortschritte einleiten wird. Neue Materialien, die noch höheren Temperaturen Stand halten, sind bei den Werkzeugexperten aus Tübingen Ziel und Ansporn zukünftiger Entwicklungen in der Schneidstoff und Beschichtungstechnologie.
Walter AG www.walter-tools.com
Rund um den Turbolader
Zahlen: Bis zum Jahr 2020 muss, auch laut den ehrgeizigen Zielen der EU, der CO2-Ausstoß im Flotten-Durchschnitt auf 95 g/km sinken. Derzeit sehen Entwickler die besten Erfolgschancen in der Turboaufladung. Mehr ab Seite 62
„Heiße Seite“: Die Turbine und deren Gehäuse bezeichnet man im Branchenjargon immer wieder als heiße Seite des Abgasturboladers. Dies mag nicht nur von den hohen Temperaturen im Betrieb herrühren, auch die Bearbeitung der Turbinengehäuse und der Turbinenräder ist für Fertigungsbetriebe ein „heißes Eisen“. Mehr ab Seite 68
„Kalte Seite“: Beim Fertigen der Verdichter für Abgasturbolader („kalte Seite“) stellen vor allem die Verdichterräder aus Aluminiumlegierungen besondere Forderungen an die Fertigungstechnik. Mehr ab Seite 84
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