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maschine+werkzeug 04/2016

Feinarbeit im Pleuel

Werkzeuge

Reiben - Mit neuen Pleueln ist es Volkswagen gelungen, Gewicht zu reduzieren, die Reibung zu verringern und damit die Effizienz des Motors zu steigern. Die Fertigung dieser Pleuel stellt hohe Anforderungen an die mechanische Bearbeitung. Zum Einsatz kommt dabei ein ausgeklügeltes RIQ-Werkzeug von Kennametal.

Der Standort Salzgitter hat für Volkswagen eine besondere Bedeutung. Mit der Fertigung von täglich rund 7.100 Otto- und Dieselmotoren in über 370 Varianten ist das hier angesiedelte Motorenwerk nicht nur eines der größten weltweit, sondern dient darüber hinaus als Leitwerk für den gesamten VW-Konzern.

In Projekten werden in Salzgitter neue Technologien und Fertigungsverfahren entwickelt und zur Serienreife gebracht. Wenn die Produktion hier reibungslos läuft, wird das Ganze dann im Laufe der folgenden Monate auch auf andere VW-Produktionsstätten auf der ganzen Welt übertragen.

Auch bei der Umwelt-Initiative von VW, die bis 2018 in allen Volkswagen-Werken das Senken der Umweltbelastung um 25 Prozent zum Ziel hat, ist Salzgitter vorne mit dabei. Einen wesentlichen Beitrag leistet hier die im Motorenwerk durchgehend eingesetzte Minimalmengenschmierung. Viele Prozesse laufen nahezu trocken. Das sorgt nicht nur für weniger Schadstoffe und verunreinigte Späne, die sonst zu entsorgen wären, sondern auch für einen deutlich niedrigeren Energiebedarf der Maschinen.

Vor rund fünf Jahren hat VW ein Projekt gestartet, das die Optimierung von Pleueln zum Ziel hatte. Im Zuge dieses Projekts ist es gelungen, am dünneren kolbenseitigen Ende des Pleuels mit dem kleinen Auge Material einzusparen. Heraus kam dabei ein Bauteil, das als ›Korbhenkelpleuel‹ bezeichnet wird – wegen der Ähnlichkeit mit einer Korbhenkeltasche. Die Idee hinter der besonderen Geometrie des Pleuels: Durch die geschwungene Kontur wird im Vergleich zum vorherigen trapezförmigen Pleuel Material eingespart.

»Das geringere Gewicht kommt wiederum der Effizienz zugute, da weniger Reibung entsteht. Daraufhin möchten wir unsere Motoren natürlich grundlegend ausrichten«, so ein Statement der Werkzeugplanung des Geschäftsfelds Motor bei VW. Aufgabe der Werkzeugplanung ist es, die Pläne aus der Entwicklung umzusetzen und ein geeignetes Werkzeugkonzept zu finden, mit dem aus Rohteilen Fertigteile entstehen können.

Diese spezielle Form der neuen Pleuel stellte auch spezielle Anforderungen an die Bearbeitung. Zuvor hatte man es bei der Bohrungsbearbeitung für das kleine Auge mit einer planparallelen Fläche zu tun, erst nach Fertigstellung dieser Bohrung wurde die Trapezform gefräst. Anders beim Korbhenkel-Prozess: Hier muss die zylindrische Bohrung in eine Schräge eingebracht werden, was einen unterbrochenen Schnitt beim Ein- und Austritt des Werkzeugs bedingt. Für die Werkzeugschneiden ist das eine echte Herausforderung.

Dabei werden auch hohe Ansprüche an die Genauigkeit gestellt. Weil in das kleine Auge der Reibeigenschaft wegen noch eine Messingbuchse eingesetzt wird, muss die Bearbeitung der Bohrung mit einer Genauigkeit zwischen RZ=0µ und RZ=6µ erfolgen. Bei zu kleinen Werten könnte die Buchse durchrutschen, bei zu großem RZ lässt sie sich erst gar nicht einsetzen.

Neben der Präzision wird in der Großserienfertigung absolute Prozesssicherheit verlangt. Die Linie in Salzgitter ist für bis zu 12.000 Pleuel pro Tag ausgelegt. Ein Großteil der Produktion hier sind Vierzylindermotoren, für die jeweils vier Pleuel benötigt werden. Typische Taktzeiten für einen Motor sind 30, 45 oder 60 Sekunden. Ein Pleuel entsteht im 5,4-Sekunden-Takt. Diesen Takt hat VW in den Rahmenkriterien für seinen Korbhenkel-Prozess ebenso vorgegeben wie die Minimalmengenschmierung. Daraus resultieren auch Schnittparameter wie Vorschub und Schnittgeschwindigkeit. Bei der Realisierung kam in diesem Projekt Kennametal mit einem RIQ-Werkzeug (RIQ = Reamer Indexable Quattro Cut) für das Reiben des kleinen Auges zum Zug.

»Neben den geforderten sehr engen Toleranzen in Zylindrizität und der Oberflächengüte, machte die gerundete Korbhenkelform die Bearbeitung nochmal schwieriger«, erläutert Michael Hacker, Technical Program Manager bei Kennametal, die Ausgangslage. Mit dem Führungsleistenwerkzeug von Kennametal sei diese Bearbeitung schnell und prozesssicher gelungen, so Hacker.

Der Prozess beginnt mit einer Stufenbohrung als Vorbearbeitung. Das Finishwerkzeug kann so an einer nicht unterbrochenen Bohrung starten und sich über die restliche Bohrungstiefe mit Führungsleisten abstützen, so dass beim Reiben die eng geforderten Rundheiten gehalten werden können. Durch die in dem Werkzeug und Schneidplatte vordefinierte Verjüngung wird das RZ-Fenster genau getroffen, ohne dass die Verjüngung eingestellt werden müsste. Ermöglicht wird dies durch Hochgenauigkeitsverzahnungen von Grundkörper und Schneidkörper, die exakt ineinandergreifen.

Das Trägerwerkzeug ist eine kundenspezifische Lösung für den Korbhenkel-Prozess von VW. Seine Geometrie ist so auf jene des Pleuels abgestimmt, dass es in jeder Phase der Semifinish- und Finish-Bearbeitung im Werkstück abgestützt wird. Bestückt ist die Reibahle mit Wendeschneidplatten aus Kennametals Standardprogramm. Die Spanstufe in den RIQ-Reibschneidkörpern gewährleistet einen sicheren Spanbruch, was Spänestau verhindert. »Wäre das nicht der Fall, gäbe es bei dem eingesetzten Schmiedestahl-Werkstoff sehr lange Späne, die dann zu Spänenestern führen und den Prozess stören würden«, erläutert Michael Hacker.

Ein weiterer Pluspunkt des RIQ-Werkzeugs sind die vier Schneiden pro Schneidkörper, was einen entsprechenden ökonomischen Vorteil bringt. »Pro Schneide fertigen wir etwa 1.000 bis 1.200 Pleuel, dann muss das Werkzeug gewechselt werden«, gibt ein Mitarbeiter der Werkzeugplanung des Geschäftsfelds Motor an. Für die Fertigung in Salzgitter bedeutet das im Durchschnitt drei Werkzeugwechsel täglich, also etwa einen pro Schicht.

Verglichen mit anderen Führungsleistenwerkzeugen lässt sich Kennametals RIQ dank der vorgegebenen Verjüngung wesentlich leichter einstellen. So muss der Bediener an der Maschine nur noch den Durchmesser an einer Schraube einstellen. Das kriegt, laut den Mitarbeitern der Werkzeugplanung, »so gut wie jeder nach einer kurzen Einweisung hin und es ist keine besondere Schulung nötig, wie bei anderen hochkomplexen Werkzeugen«.

Als das Projekt ›Korbhenkel‹ gestartet wurde, war Kennametal als Werkzeuglieferant von Anfang an involviert. Das Unternehmen liefert alle Werkzeuge für die Pleuel-Bearbeitung. Hacker: »Die ersten Grundsatzversuche haben bei uns im T&D-Center (Test- & Demonstrations-Center) stattgefunden. Den Korbhenkel-Prozess haben wir unter den üblichen Bedingungen mit Minimalmengenschmierung und vorgegebenen Schnittparametern getestet, um möglichst nah am realen Prozess zu sein. Dass die Herstellung der Pleuel exakt, robust und prozesssicher funktioniert, hatten wir bereits bei uns in Fürth demonstriert.« Im Gegensatz zum späteren Einsatz in der Fertigungslinie bei VW wurde das Werkzeug in Kennametals hauseigenem Entwicklungszentrum auf normalen Bearbeitungszentren getestet.

  • Kennametals RIQ-Werkzeug am kleinen Auge des Pleuels.

    Kennametals RIQ-Werkzeug am kleinen Auge des Pleuels.

  • In jeder Phase der Bearbeitung ist das Werkzeug im Werkstück abgestützt.

    In jeder Phase der Bearbeitung ist das Werkzeug im Werkstück abgestützt.

  • Typisches Pleuel mit kleinem und großem Auge.

    Typisches Pleuel mit kleinem und großem Auge.

  • Erst die Seitenansicht zeigt oben die Besonderheit: Durch die Korbhenkel-Form wird Material eingespart.

    Erst die Seitenansicht zeigt oben die Besonderheit: Durch die Korbhenkel-Form wird Material eingespart.

  • Stationäre Werkzeugspindeln mit den RIQ-Reibwerkzeugen.

    Stationäre Werkzeugspindeln mit den RIQ-Reibwerkzeugen.

  • Verfahren werden die Werkstücke, jeweils vier zugleich.

    Verfahren werden die Werkstücke, jeweils vier zugleich.

  • Das RIQ-Werkzeug mit Führungsleisten und Schneiden.

    Das RIQ-Werkzeug mit Führungsleisten und Schneiden.

  • Hochgenauigkeitsverzahnungen von Grundkörper und Schneidplatte machen die Einstellung der Verjüngung überflüssig. 8-förmige Einstellkeile sorgen für sicheren Sitz.

    Hochgenauigkeitsverzahnungen von Grundkörper und Schneidplatte machen die Einstellung der Verjüngung überflüssig. 8-förmige Einstellkeile sorgen für sicheren Sitz.

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Kennametal Shared Services GmbH

Wehlauer Straße 73
DE 90766 Fürth
Tel.: 0911-9735-0
Fax: -388

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