Innovative Werkstofftechniken treiben die Entwicklung in der Automobilindustrie voran

Neue Werkstoffe effizient bearbeiten

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Die verstärkte Verwendung von Aluminium, optimierten Stahlsorten oder hybriden Werkstoffen kann Autos leichter, umweltverträglicher und gleichzeitig leistungsstärker machen. Doch das hat seinen Preis: Die Bearbeitung ist sehr anspruchsvoll. Iscar hat diese Entwicklung aufgegriffen und fortschrittliche Werkzeuglösungen entwickelt, die neue Materialien effizienter und wirtschaftlicher bearbeiten. Autor: Erich Timons, CTO, Iscar

Gesetzliche Vorgaben sowie der andauernde Druck der Kostensenkungen in der Automobilindustrie beeinflussen die aktuellen Entwicklungen. Zu den rechtlichen Auflagen gehört auch ein niedrigerer CO2-Ausstoß. Für eine Senkung der Emissions-Werte müssen Autos leichter werden. Als wichtiger Zulieferer für den globalen Automobilsektor, befassten sich die Spezialisten von Iscar mit dieser Herausforderung. „Neue Werkstoffe erfordern neue Bearbeitungskonzepte. Um dies umzusetzen, ist Iscar zweigleisig gefahren. Es galt einerseits, die Lebensdauer der Werkzeugschneiden zu verlängern und auf der anderen Seite Werkzeuge zu entwickeln, die die Bearbeitungszeiten der anspruchsvollen Werkstoffe reduzieren“, erläutert Erich Timons, CTO bei der Iscar Germany GmbH im badischen Ettlingen.

Vor 10 bis 15 Jahren wurden die damals gebräuchlichsten Zylinderblöcke aus Gusseisen weitgehend durch Zylinderblöcke aus einer Metallkombination wie beispielsweise Aluminiumblöcke mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen aus Gusseisen ersetzt. Inzwischen steigen immer mehr Autobauer auf additiv hergestellte hybride Werkstoffe um, bei denen ein Stahlwerkstoff durch thermische Spritzverfahren direkt auf die Aluminium-Zylinderwände aufgebracht wird. Diese Beschichtungen bringen viele Vorteile hinsichtlich der Fahrzeug- und Motorleistung mit sich. Die zwei wichtigsten sind das Gewicht und die Schmierung. Der Motor ist ohne schwere Gusseisen-Zylinderlaufbuchsen viel leichter, und durch die Mikrostruktur der Beschichtungen wird die Reibung zwischen Zylinder und Kolben reduziert.

Eine Herausforderung ist beispielsweise die Schruppbearbeitung der Bohrungen. Das Ausspindeln dieser sehr verschleißfesten Funktionsschichten kann wirtschaftlich mit CBN-Schneiden hergestellt werden. Jedoch erreichen die aktuell verfügbaren CBN-Sorten nicht das geforderte Leistungsniveau. Hier hat der CBN-Hersteller anwendungsspezifische CBN-Sorten für diese Bearbeitung entwickelt. Eine ganz andere Herausforderung ist das Fräsen des Hohnfreiganges an diesen Motorblöcken. Hier müssen in einem Schnitt beide Werkstoffe bearbeitet werden. Dabei darf die nur wenige Zehntel Millimeter dicke Funktionsschicht nicht abplatzen.

In der Automobilindustrie herrscht nach wie vor der Trend zum Downsizing: Kleinere Motoren sollen Sprit sparen und dabei annähernd gleiche Leistung bringen wie hubraumstarke. Dementsprechend werden auch die Komponenten kleiner. In solchen Motoren kommen neuerdings Kolben aus Stahl zum Einsatz, die deutlich kürzer sind als frühere Aluminium-Varianten – mit Konsequenzen für die Bearbeitung. „Wir müssen hier mit Stech-Dreh-Bearbeitungen stark aushöhlen. Das ist ebenfalls eine schwierige Aufgabe“, sagt Timons. Das Hohlbohren von Kurbelwellen zur Gewichtsreduzierung und die Hartbearbeitung von Getriebebauteilen aus Sinterwerkstoffen sind weitere, anspruchsvolle Einsatzgebiete, die leistungsstarke Präzisionswerkzeuge erfordern.

Flexibler Schneideinsatz für bessere Nockenwellen-Bearbeitung

Neue Wege geht der Spezialist auch in der Bearbeitung von Nockenwellen, die aus Gewichts- und Kostengründen nicht mehr aus Stangenmaterial, sondern aus einzelnen Modulen bestehen. Die Anordnung der einzelnen Nocken ist dabei genau auf die Geometrie der Welle abgestimmt. Zur Nocken-Herstellung wird gesintertes und gepresstes Pulvermetall oder gehärteter Stahl verwendet. Da diese Komponenten jährlich in Millionen-Stückzahlen entstehen, ist die Reduzierung der Bearbeitungszeit ein wichtiger Kostenfaktor. Hierfür wurde ein innovativer Schneideinsatz entwickelt, mit dem der gesamte Bearbeitungsprozess ausgeführt werden kann: Plandrehen, Innendrehen wie Schruppen und Schlichten sowie Anfasen. Auch hier ist die Schneidstoffentwicklung letztendlich der entscheidende Faktor, neu entwickelte und auf diese Anwendung angepasste CBN-Sorten bringen den entscheidenden Vorteil, um die Bearbeitung noch wirtschaftlicher durchzuführen.

Die Tiefbohrer-Serie Trideep mit auswechselbarem Hartmetall-Schneideinsatz eignet sich für die Bearbeitung von geschmiedeten Nockenwellen. Für den Anwender ergeben sich dadurch viele Vorteile. Die Bearbeitung ist im Vergleich zu konventionellen Bohrern deutlich kostengünstiger. Der Schneideinsatz besitzt drei Schneiden und ein Nachschleifen ist überflüssig. Die Wendeschneidplatte hat drei geteilte Hauptschneiden und positiv eingesinterte Spanformer für kurze Späne. Das erforderliche Drehmoment ist dadurch geringer, ermöglicht höhere Vorschübe und verbessert die Späneabfuhr. Eine kleine Schleppfase an der Schneidecke ermöglicht eine sehr glatte Bohrungsoberfläche. Die Bohrer können sowohl auf Drehmaschinen als auch auf speziellen Tieflochbohrmaschinen eingesetzt werden.

Mit dem Ziel, teure Zykluszeiten bei der Stahlkolben-Bearbeitung zu vermeiden, haben die Ettlinger mit der Grip-Linie ein leistungsstarkes System entwickelt. Diese Werkzeuge sind ausreichend schlank, um an die teils schwer zugänglichen Bereiche zu gelangen, andererseits stabil genug, um hohen Schnittkräften standzuhalten. Die Grip-Linie besitzt eine schwalbenschwanzähnliche Klemmung, die den Schneideinsatz selbst bei wechselnder Schnittrichtung und Schneidenbelastung sicher im Plattensitz fixiert. Bearbeitungen wie Planstechen, Stech- und Längsdrehen nach rechts und links sowie Profildrehen lassen sich hochstabil und mit sehr guter Oberflächenqualität durchführen.

Spanformer sorgen für die richtige „Abfuhr“

Für eine reibungslose Bearbeitung spielt die „Entsorgung“ der metallischen Rückstände eine wichtige Rolle. Es gilt, Spänenester zu vermeiden, die Werkzeugbruch oder Beschädigungen am Werkstück verursachen können. Der Präzisionswerkzeughersteller hat eine Vielzahl an Spanformertypen entwickelt, die Späne auch in kleine Segmente brechen und somit eine zuverlässige Spanabfuhr ermöglichen.

Um Schäden an Werkzeug und Werkstück zu vermeiden, spielt die Kühlung während der Bearbeitung eine entscheidende Rolle. Mit dem Konzept Jetcut wird konsequent auf die zielgerichtete Zufuhr des Kühlschmierstoffes gesetzt. Der Strahl wird dabei direkt in die Schneidzone geleitet. Dies reduziert die thermische Belastung, aber vor allem sorgt die kinetische Energie des Kühlmittelstrahls für einen Spanbruch, so dass eine prozesssichere Bearbeitung stattfinden kann.

Spezifische Schneidstoffentwicklung

Ein Beispiel für die hohen Anforderungen an moderne Präzisionswerkzeuge ist die Herstellung und Bearbeitung von Turbolader-Komponenten. Auf Grund stark schwankender Nickelpreise versuchen die Turbolader-Hersteller, Werkstoffe mit geringem Nickelanteil zu entwickeln und einzusetzen. In den Technologiezentren arbeiten die Ingenieure mit Hochdruck an neuen Schneidstoffen, Wendeschneidplatten-Geometrien sowie Beschichtungen für die Bearbeitung dieser höchst anspruchsvollen neuen Werkstoffe. Die Forschungsabteilung des Werkzeugexperten hat mehrere verschleißfeste Hartmetallsorten speziell für die Bearbeitung von hitzebeständigen Turbinengehäusen entwickelt, die bei sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten verwendet werden können und eine erheblich längere Lebensdauer haben als herkömmliche Schneidstoffe. Diese Vorteile erzielt die Kombination aus spezieller Schneidengeometrie und innovativer Vor- und Nachbehandlung der neuen Hartmetallsorte. Die Werkzeugschneiden sind dadurch sehr viel länger nutzbar und die Bearbeitungszeit sinkt drastisch.

Die Sorte MS32 beispielsweise ist hauptsächlich für die Schruppbearbeitung vorgesehen. Durch ein Hartmetallsubstrat mit sehr ausgewogener Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, einer hochwertigen CVD-Beschichtung und einer entsprechenden Nachbehandlung erreicht die neue Sorte eine sehr hohe Standzeit. Der Planfräser Helido 800 entfernt bei einer Schnittgeschwindigkeit von 150 m/min und einem Vorschub pro Zahn von 0,25 Millimeter bis zu sechs Millimeter Aufmaß eines wärmebeständigen austenitischen Gussstahls. Dabei erreicht er eine Standzeit, die bis zu 50 Prozent über dem Durchschnitt liegt.

Eine Möglichkeit, Bearbeitungszeit zu sparen, bieten multifunktionale Kombinationswerkzeuge. Diese sind in der Lage, verschiedene Vorgänge auszuführen: Schruppbohren, Aufbohren, Schlichten, Ansenken und Anfasen in einer axialen Bewegung. Das reduziert die Bearbeitungs- und Nebenzeiten, da Werkzeugwechsel entfallen. „Die Entwicklung solch effektiver Werkzeuge ermöglicht eine signifikante Steigerung der Produktivität“, sagt Timons.

Der Hersteller hat spezielle Werkzeuglösungen für die komplexe V-Band-Bearbeitung am Turbinengehäuse entwickelt und setzt unter anderem auf eine Plungeoperation mit tangentialen Wendeschneidplatten. Dieses System zeichnet sich durch seine hohe Stabilität und die sehr weichschneidende Geometrie aus. Die Wendeschneidplatte ist für alle Plattensitze einsetzbar und damit sehr bedienerfreundlich. Für Drehbearbeitungen empfiehlt er sein Cutgrip-System mit vielen Geometrien, Spanformern, Beschichtungen und Hartmetallsubstraten. Speziell für die Drehbearbeitung an einem Doppelspindler eignet sich das modulare Cutgrip-System. Das Werkzeug ist radial wie axial einstellbar und besitzt je eine Wendeschneidplatte zum Schruppen und Schlichten. Damit können die engen Toleranzen der V-Band-Kontur realisiert werden.

Buchsenbohrungen für die Regelkappe am Turbinengehäuse sind Spezialgebiete des Wechselkopf-Bohrsystems Sumocham und des modularen Reibsystems Bayo-T-Ream. Beide Varianten besitzen wechselbare Köpfe für geringere Kosten und längere Standzeiten. Speziell für die Reib-Bearbeitung von hochwarmfesten Stahlgüssen wurde ein Reibkopf entwickelt mit 20 Prozent mehr Standzeit als vergleichbare Produkte. Für diesen Erfolg zeichnet sich unter anderem die zielgerichtete Innenkühlung direkt an der Schnittzone verantwortlich.

Iscar Germany GmbHwww.iscar.de


Erich Timons, CTO, Iscar Germany GmbH:

Der verstärkte Einsatz innovativer Werkstoffe in der Automobilindustrie wird die Werkzeughersteller nach Einschätzung von Erich Timons, CTO bei Iscar, auch weiterhin auf Trab halten. „Es gilt, Werkzeuge zu entwickeln, die eine schnelle und zuverlässige Bearbeitung dieser anspruchsvollen Materialien sicherstellen.“ Eine wichtige Rolle spielen dabei auch die Schneidstoffe. „Wir haben beispielsweise die Sorte MS32 entwickelt. Anwender erzielen damit bei der Bearbeitung von hitzebeständigen austenitischen Gusswerkstoffen bis zu 50 Prozent höhere Standzeiten.“ Entscheidende Bearbeitungsvorteile bringe auch die richtige Kühlung. „Wir setzen auf eine zielgerichtete Kühlschmierstoffzufuhr. Der Strahl wird dabei präzise direkt in die Schnittzone geleitet. Neben der dadurch erzielten Spankontrolle kann die Temperatur in der Schnittzone gesenkt werden und dadurch die Schnittgeschwindigkeiten erhöht werden“, schildert Timons, der die Herausforderungen durch neue Werkstoffe als wichtigen Innovationstreiber für die Werkzeughersteller sieht.

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