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Werkzeugsysteme zur Motoren- und Zahnradfertigung

Leistungsfähige Werkzeugsysteme zur Motoren- und Zahnradfertigung
Auch E-Fahrzeuge benötigen ein Getriebe

Die Zukunft der Automobilindustrie und generell der Fahrzeugindustrie ist weltweit geprägt durch ein verstärktes Mobilitätsbedürfnis der Bevölkerung, insbesondere in den Regionen China und Indien. Prognosen folgend steigt die jährliche Zulassungszahl von Pkws weltweit von 78 Millionen in 2015 auf etwa 130 Millionen Stück in 2030 an. Zu berücksichtigen sind auch die forcierten Aktivitäten seitens Politik und Industrie bezüglich der Elektromobilität. Autor: Dr. Diethard Thomas

Von den Herstellern von Pkw-Komponenten wird befürchtet, dass von der Elektromobilität eine Bedrohung insbesondere für Verbrennungsmotoren und Getriebe ausgeht. Diese Sorge muss jedoch relativiert werden, weil in den kommenden zwei Dekaden nur zirka 30 bis 40 Prozent der Neuzulassungen einen Stecker besitzen werden. Unter Berücksichtigung des generellen, starken Marktwachstums von Pkws bleibt also noch ein beträchtlicher Teil an rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen einschließlich der Hybridantriebe übrig. Und selbst rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge benötigen ein Getriebe, allerdings mit weniger Stufen.

Die LMT Tools Group als kompetenter und starker Fertigungspartner der Automobilindustrie sieht in dieser Zukunftsentwicklung auch eine Chance und ist für die großen Herausforderungen gerüstet. Das betrifft insbesondere leistungsfähige Werkzeugsysteme zur Motoren- und Zahnradfertigung, wie an einigen nachfolgenden Beispielen gezeigt werden soll. Es betrifft aber auch die Zukunftsausrichtung des gesamten Werkzeugportfolios an Fräs-, Reib- und Gewindewerkzeugen zur Bearbeitung neuer, hochfester Werkstoffe einerseits oder von Leichtbauwerkstoffen wie Composites andererseits, auch unter Berücksichtigung moderner Produktionskonzepte, wie Smart Factory oder 3D-Druck. Als kompetenter Projektierungs- und Fertigungspartner bietet LMT Tools Komplettlösungen für alle Motoren-, Getriebe- und Fahrwerkskomponenten aus einer Hand.

Aktorik fördert Präzision

In der Automobilindustrie ist höchste Präzision bei großen Stückzahlen gefordert. Zum Beispiel treffen bei der Bearbeitung von Kurbelwellenlagerbohrungen und Zylinderbohrungen Extreme aufeinander. Effizienz, Laufruhe und verschleißarmer Betrieb des gesamten Motors hängen von der Qualität und Maßgenauigkeit dieser zentralen Bohrungen ab. Ihre hochpräzise Finish-Bearbeitung erfolgt deshalb mit Lineboringbars (Reihenbohrstangen), deren Design, Haltersysteme und Schneidplatten individuell ausgelegt und jedem Motortyp angepasst werden können.

Diese kompensierbaren Lineboringbars definieren eine ganz neue Werkzeuggeneration. Neu ist, dass diese Werkzeuge zur Fertigbearbeitung der Bohrungen zusätzlich mit einer innenliegenden Zugstange versehen sind, wodurch alle Schneiden gleichzeitig und vollautomatisch nachjustiert werden können, um den Schneidenverschleiß zu kompensieren. Damit entfällt das zeitintensive, manuelle Nachstellen jeder einzelnen Schneide. Rundheit, Koaxialität und Oberflächenqualität der Bohrungen erfahren ein Höchstmaß an Präzision.

Üblicherweise läuft ein solcher aktorischer Prozess über einen Messregelkreis. Zunächst wird die Lagerbohrung vermessen. Anschließend wird der Istwert des Durchmessers an die Maschinensteuerung weitergegeben und der Messrechner vergleicht den Istwert mit den geforderten Toleranzen. Es folgt das vollautomatische Nachjustieren der Schneiden auf den neuen Durchmesser. Das Ergebnis ist eine deutliche Steigerung von Werkstückqualität und Wirtschaftlichkeit. Die Zeit zum Nachstellen der Schneiden innerhalb der Maschine konnte um 70 % reduziert werden. Damit erfüllt dieses Werkzeug nicht nur den Trend höchster Effizienz, sondern genügt mit seinen aktorischen Fähigkeiten auch bereits wesentlichen Anforderungen der Smart Factory.

Upgrade zum Downsizing

Ein Trend im Automobilbau heißt seit Jahren „Downsizing“: Motoren werden kleiner und leichter, erbringen aber zugleich mehr Leistung. Eine Antwort auf diese Herausforderung bietet der Turbolader. In seinem Inneren dreht sich der Impeller mit bis zu 290 000 Umdrehungen pro Minute. Es entstehen extreme Temperaturen, denen mit hochwarmfesten Werkstoffen begegnet wird. Die Fertigung der Turbolader stellt daher extreme Ansprüche an Werkzeuge und Schneidstoffe. Dieses wiederum macht ihn zu einem der teuersten Bauteile in der Automobilproduktion. LMT Tools bietet für die Produktion des technisch komplexen Bauteils hoch präzise Planschieber- und Kombinationswerkzeuge an. Sie erhöhen die Prozesssicherheit und senken die Herstellungskosten.

Bei der Fertigung von Turboladern kommen fast alle Bearbeitungsverfahren zum Einsatz: Schrupp- und Feinbearbeitung sowohl beim Fräsen und Aufbohren als auch beim Gewinden und Reiben. Dabei stellen die verwendeten hochwarmfesten Werkstoffe – etwa Gussstahl 1.4837 und 1.4848 – höchste Ansprüche an Schneidstoff, Schneidengeometrie, Schneidkantenpräparation und Beschichtung der Wendeschneidplatten.

Kombinationswerkzeuge erlauben schnelle und prozesssichere Bearbeitungen in nur einem Arbeitsgang. Verschiedene Verfahren – Aufbohren, Planen und Zirkularfräsen – werden mit einem einzigen Werkzeug durchgeführt. Der aufwändige Werkzeugwechsel, und damit eine mögliche Fehlerquelle, entfällt. Das reduziert die Nebenzeiten und steigert die Prozesssicherheit. So erhöhen Werkzeuglösungen die Wirtschaftlichkeit der Turbolader-Produktion, indem sie die Herstellungskosten signifikant senken.

Lautlos in die Zukunft

Auch für die zukünftigen Leistungs- und Qualitätsanforderungen beim Verzahnen hat LMT Tools mit den Engineeringexperten von LMT Fette sowie mit Maschinenherstellern, Hochschulen und Anwendern ein großes Produktportfolio geschaffen, das von PM-HSS- und Speed-Core-Wälzfräsern über einteilige Hartmetallfräser (Carbide-Line-S und Carbide-Line-H) bis zu Wendeplattensystemen (Carbide-Line-I) reicht. Davon profitieren auch die Getriebe von Elektroautos.

Zu den Wegbereitern der Elektromobilität gehört unter anderen ein amerikanischer Hersteller, für den die Getriebe-Zahnräder mit Verzahnungssystemen bei einem Zulieferer gefertigt werden. Und dabei steht ein Thema ganz besonders im Fokus: die Geräuschentwicklung. Natürlich gelten die bisher bekannten Leistungsmerkmale für Getriebe, wie lange Lebensdauer bei optimalem dynamischen Verhalten, auch weiterhin. Aber im Gegensatz zum Verbrennungsmotor ist der Elektromotor lautlos. Damit steigen die Anforderungen an die Laufruhe des Getriebes, um vom Nutzer nicht als störend empfunden zu werden.

In der Anfangszeit hat der besagte Hersteller mit Zweigang-Getrieben experimentiert, was Vorteile beim Beschleunigen von 100 bis 200 km/h gehabt hätte. Aber nachdem es Probleme mit der Lieferung entsprechend robuster und langlebiger Getriebe gab, hat man sich für das Einganggetriebe entschieden. Der Antrieb der Elektromobile liegt in diesem Beispiel sehr kompakt zwischen den beiden Rädern und verbindet in einer Einheit den Elektromotor, das Getriebe und den Wechselrichter, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Die Abmessungen der Zahnräder unterscheiden sich nicht von herkömmlichen Pkw-Getrieben. Um die gesteigerten Anforderungen bezüglich Geräuschentwicklung zu erfüllen, ist jedoch extrem hohe Präzision gefordert. Deshalb hat sich der Getriebehersteller für das Werkzeugsystem mit Wälzfräser Speed-Core plus Chamfer-Cut entschieden. Zusammen mit dem Verzahnungsmaschinenhersteller Liebherr in Kempten hat LMT Fette das Frässystem Chamfer-Cut zur Perfektion gebracht, das direkt nach dem Wälzfräsen die Zahnräder an den Stirnseiten anfast. Chamfer-Cut kann entweder zusammen mit dem Wälzfräser auf einen Dorn gespannt werden, oder auch als Einzelwerkzeug auf eigener Frässpindel eingesetzt werden. In jedem Fall entsteht eine hochpräzise, konstante Fase an den Zahnrädern.

Für das Getriebe im E-Mobil leistet diese hohe Fasenqualität einen wichtigen Beitrag zur Geräuscharmut. Zusätzlich konnten die Fräskosten pro Rad deutlich gesenkt werden, weil ein 2. Schnitt Wälzfräsen, der beim Alternativverfahren Drückentgraten nötig wäre, entfällt.

Fortschritt durch Forschung

Die Werkzeugbeschichtung ist als besonderer Leistungsträger aus der spanenden Fertigungstechnik nicht mehr wegzudenken. Sie trägt maßgeblich dazu bei, dass heute Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 600 m/min realisierbar sind, zum Beispiel beim Wälzfräsen. Sie ermöglicht Standzeiterhöhungen um bis zu 500 %, beispielsweise beim Gewindebohren. Außerdem trägt sie durch drastische Verkürzung der Bearbeitungszeiten zur effizienteren Maschinennutzung und damit zur Reduzierung der hohen Maschinenkosten bei.

Allerdings setzt die Beschichtungsentwicklung großes Fachwissen und Erfahrung in der Werkzeuganwendung voraus. In Beschichtungszentren wird mit Hochdruck an neuen Schichtsystemen geforscht, die maßgeschneidert für den jeweiligen Anwendungsfall sind und Werkzeuganwendungen beim Fräsen, Wälzfräsen oder Gewinden zu Höchstleistungen treiben.

So ist es beispielsweise beim Wälzfräsen gelungen, Schrupp- und Schlichtoperationen nicht nur mit demselben Werkzeug, sondern auch mit einer einzigen Beschichtung durchzuführen. Dabei muss die Schicht sowohl große als auch kleine Kopfspandicken aushalten. Zusammen mit den Speed-Core-Wälzfräsern ermöglicht die aktuelle Schicht Al7 eine weitere Steigerung der Schnittgeschwindigkeit um 30 Prozent.

LMT GmbH & Co. KG
www.lmt-tools.de

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