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Kühlung entscheidend

Entwicklungspartnerschaft bringt die Technik des Nutenstechens nach vorne
Kühlung entscheidend

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Bei der KS Kolbenschmidt GmbH in Neckarsulm gehört das Stechen der Nuten für Kolbenringe zur essenziellen Standardoperation. Nutenbearbeitung ist aber auch für Horn das Betätigungsfeld, in dem das Unternehmen traditionell seine besondere Stärke beweisen kann. Keine Frage, dass sich hier zwei Partner gefunden haben, die mit ihrem Wissen, ihrer Erfahrung und neuen Ideen die Technik des Nutenstechens immer wieder einen Schritt nach vorne bringen.

KS Kolbenschmidt ist einer der wenigen Kolbenhersteller mit Weltgeltung. Das zu dem Automobilzulieferer KSPG AG gehörende Unternehmen fertigt in seinem Großkolben-Bereich Kolben mit Durchmessern zwischen 160 und 640 mm. Eingesetzt werden sie zum Beispiel in stationären Dieselmotoren, Schiffen, Power-stationen und Lokomotiven. Bis zu 2000 kW pro Zylinder fordern höchste Fertigungsqualität bei den Kolben. Verwendete Werkstoffe und Werkstoffpaarungen sind Alu, Alu/Stahl, GGG70/Stahl oder Stahl/Stahl. In modernen Motoren werden heute immer „gebaute“ Kolben verwendet. Die Werkstoffpaarung richtet sich hauptsächlich dabei nach den jeweiligen Anforderungen. Außer bei reinen Aluminiumkolben ist das Oberteil immer aus Stahl. Die Kolbenexperten verwenden hierfür den Stahlwerkstoff 42CrMo4V mit einer Zugfestigkeit bis 1200 N/mm2. Ein schwierig zu bearbeitender Werkstoff, zäh, hart und schwer zerspanbar.

Niedriger KSS-Druck machte Probleme
Die Nuten für die Kolbenringe im Kolbenoberteil sind je nach Ausführung 3-10 mm breit und bis zu 25 mm tief. Sie werden in der ersten Operation ins Volle vorgestochen. In der zweiten Operation folgt das Fertigstechen der Flanken und des Nutgrunds.
Seit zwölf Jahren ist Horn Werkzeugpartner für das Nutenstechen. Anfänglich verursachte das Stechen der Kolbenringnuten auf älteren Maschinen ohne Hochdruck-KSS-Pumpe und ohne Innenkühlung einige Probleme. Lange Späne im Arbeitsraum verhinderten die gewünschte Prozesssicherheit. Immer wieder musste die Maschine angehalten werden, um mit dem Haken die störenden Späne zu entfernen. Der Werkzeugpartner entwickelte für diese schwierige Applikation spezielle Geometrien, die zwar zu einer verbesserten Spankontrolle führten, aber nur mit ganz exakt eingestellter KSS-Düse. Die 8 bis 10 bar Kühlmitteldruck waren aber einfach zu wenig für einen optimalen Stechprozess.
KSS mit Hochdruck-IK führte zur Problemlösung
Als dann in neue leistungsstarke Dreh-Fräs-Zentren mit Hochdruck-Innenkühleinrichtung bis 80 bar investiert wurde, trat Wolfgang Köhler, für das Toolmanagement bei KS Kolbenschmidt zuständig, mit einer anspruchsvollen Forderung an den zuständigen Horn-Außendienstmitarbeiter Armin Jaud heran. Um die technologischen Möglichkeiten der neuen Drehbearbeitungszentren auszunutzen, sollte ein durchgängiges innengeführtes KSS-System entwickelt werden – von der Maschinenschnittstelle durch den Grundhalter bis an die Schneide – ohne externe KSS-Führung. Hiefür ging man eine gemeinsame Entwicklungspartnerschaft ein – mit KS Kolbenschmidt als Pilotkunden für das inzwischen standardisierte IK-System basierend auf dem Standard-Haltersystem 218 mit Wendeschneidplattentyp S229.
Zwei Systeme – gleicher Vorteil
Zwei Systeme nutzt der Kolbenhersteller seither zum Stechen der Nuten: einen HSK-100-Grundkörper mit Kassettensystem Typ 220 an der Dreh-Bohr-Fräs-Einheit sowie einen VDI-Halter mit Klemmhalter Typ 218 für die Adaption am Revolver. Beim Klemmhalter 218 sorgt ein fester Anschlag für die KSS-Übergabe und stützt beim radialen Schnitt zusätzlich den hohen Schnittdruck ab. Sowohl beim HSK-100-Halter als auch beim VDI-Halter kommen Wendeschneidplatten des Typs S229 zum Einsatz. Beim Vorstechen ins Volle hat sich die Geometrie „.L“ als optimale Ausführung bewährt. Vorschübe von f = 0,25 mm/U sorgen in allen Breitenbereichen für kurze und kontrollierte Späne.
Zum Fertigstechen der Flanken und des Nutgrundes zeigte die Geometrie „.5“ die besten Ergebnisse. Bei ap = 0,5 mm und f = 0,25mm/U entstehen nur ganz kurze Kommaspäne. Beschichtet sind beide Schneidplattenvarianten mit der Beschichtung AS66.
Sichere Spankontrolle durch Hochdruck-IK
Der innengeführte KSS tritt bei beiden Varianten – HSK 100, als auch VDI – mit gezieltem Strahl aus der Düse im Spannfinger aus und trifft mit kräftigen 80 bar direkt auf die Wirkzone der Schneide, dort wo die größte Reibung und höchste Temperatur entsteht. Gleichzeitig hebt der Hochdruckstrahl den Span an und fördert zusätzlich – auch durch Abschreckung – den Spanbruch.
Die Ergebnisse konnten sich sehen lassen: Kurze kontrollierte Späne führten zur geforderten Prozesssicherheit und ermöglichten einen automatisierten Arbeitsablauf. Die Verjüngung des abrollenden Spans verhindert Flankenbeschädigung. Die Standmenge pro Schneide erhöhte sich durch die effektive Kühlung um 50 Prozent.
Durch die Einführung der Innenkühlung im Hochdruckbereich hat der Kolbenhersteller nun die Möglichkeit, bei gleichen Schnittparametern höhere Standmengen zu erzielen oder durch höhere Schnittparameter die Produktivität zu steigern – bei Beibehaltung der bisherigen Standmenge. Die durch Innenkühlung gewonnene Prozesssicherheit gilt dabei für beide Alternativen.
Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH www.phorn.de

Innenkühlung optimal nutzen
Die Zuführung einer Innenkühlung beim Längsdrehen stellt insbesondere bei Verwendung von ISO-Schneidplatten keine großen Probleme dar, da die Wirkstelle im Normalfall von der Seite aus gut zu erreichen ist. Ganz andere Schwierigkeiten ergeben sich jedoch beim Ein- oder Abstechen. Bei diesen Verfahren ist die Schnittzone komplett abgeschirmt: oben vom Span, unten von der Schneidplatte und seitlich vom Werkstück. Ein der individuellen Anwendung und Zielsetzung angepasster wirkungsvoller Kühlmittelstrahl kann deshalb nur aus Richtung der Schneidplatte, dem Spannfinger oder dem Klemmhalter zugeführt werden. Wichtig dabei ist, dass der KSS-Strahl parallel zur Schneidplatte erfolgt, da sonst der Kühlschmierstoff nicht in die Nut gelangen kann.
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