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maschine+werkzeug 05/2012

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Die Honqualität muss stimmen

Inline-Messtechnik – Aus dem Gemeinschafts-Forschungsprojekt ZOOM ist ein Prototyp zur Überprüfung von Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren während des Fertigungsprozesses hervorgegangen.

Das Werkzeugmaschinenlabor der Rheinisch-Westfaelischen Technischen Hochschule Aachen, die Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH, die Mahr GmbH und der Lehrstuhl für Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik der Universität Erlangen haben ein maschinenintegriertes, optisches Oberflächenmesssystem zur 100-Prozent-Inline-Prüfung gehonter Zylinderlaufbahnen entwickelt. Das System basiert auf einem innovativen Konzept, bei dem der Kühlschmierstoff als Immersionsmedium für die optische Messung genutzt wird.

Im Jahr 2009 hat das EU-Parlament eine Verordnung zur Minderung der CO2-Emissionen bei neuen Pkw verabschiedet. Die Automobilindustrie muss für den CO2-Ausstoß einen Durchschnitts-Grenzwert von 130 g/km für Neuwagen bis 2015 anstreben. Fahrzeuge mit höherem CO2-Ausstoß sind in den meisten EU-Ländern durch die KFZ-Steuer benachteiligt. Andererseits werden die Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren für Automobile in den meisten Ländern mit stark sinkenden Grenzen gesetzlich limitiert (beispielsweise die Abgasnormen in Europa). Mit der Einrichtung der Abgasnorm Euro 5 und der nächsten Abgasnorm Euro 6 müssen die verschiedenen Schadstoffemissionen für die zukünftigen Fahrzeuge in Europa drastisch reduziert werden.

Die zunehmende Reglementierung bezüglich der Emissionen von Fahrzeugen führt zu strengeren Anforderungen an die Entwicklung und Fertigung von Kraftfahrzeugen beziehungsweise von Verbrennungsmotoren. Die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Reibungsverlusten ist eine der wesentlichen Maßnahmen. Dabei trägt das Kolbensystem, bestehend aus Kolben, Kolbenringen und dem Zylinder, zu den Reibungsverlusten im Verbrennungsmotor erheblich bei. Diese Reibungsverluste werden nicht nur durch die Konstruktion bedingt, sondern ebenfalls wesentlich durch die Endbearbeitung.

Der Kraftstoffverbrauch sowie die Abgasemission hängen entscheidend von der Oberflächenqualität der Zylinderlaufbahn ab. Die Mikrostruktur der Oberfläche ist nur wenige Mikrometer tief und wird wesentlich durch das Fertigungsverfahren Honen alleine erreicht und gegebenenfalls durch weitere Bearbeitungsverfahren wie Laserstrukturieren, UV-Photonenbelichtung ergänzt. Kleinste Prozessschwankungen beim Honen durch Verschleiß der Schneidleisten, gealtertes Honöl (Kühlschmierstoff) oder zusätzliche, ungewollt erzeugte Schneidstoffe (Werkstoff- oder Werkzeugausbrüche) führen zu fehlerhaften Zylinderlaufbahnen mit der Folge von nicht akzeptablen Ölverbräuchen, sogenannten Ölfressern.

Um den Honprozess zu optimieren, der zu technologisch besseren und gleichzeitig ökologisch verträglicheren Produkten führt, ist ein Ansatzpunkt, eine 100-Prozent-Inline-Oberflächenkontrolle der gehonten Zylinderlaufbahnen durchzuführen. Heutzutage ist jedoch eine 100-Prozent-Prüfung durch die verfügbare taktile oder optische Messtechnik wegen der Fertigungstaktzeit von 30 Sekunden und der rauen Produktionsumgebungen nicht möglich.

Im Teilprojekt ›Optische Sensoren für das In-Prozess-Messen beim Honen von mit Kühlschmierstoffen gefüllten Zylinderlaufbahnen‹ des Verbundvorhabens ›Optischer Qualitätsregelkreis zur gezielten Fertigung von Zylinderlaufbahnen (ZOOM)‹, welches von Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF unter dem Kennzeichen 13N10294 gefördert und durch das VDI Technologiezentrum in Düsseldorf als Projektträger betreut wurde, wurde ein optischer maschinennaher Regelkreis realisiert.

Die innovative Idee ist der Einsatz eines vollständig in Kühlschmierstoff eingeschlossenen optischen Mikropunktsensors, der mit Hilfe einer kompakten Präzisionslinearführung, abgesenkt in der Zylinderbohrung, die Oberfläche in einigen Profilschnitten in Achsrichtung erfasst. Dadurch wird der zeit- und kostenintensive Reinigungsvorgang vermieden, was die Einpassung der Messzeit in die kurze Taktzeit des Honprozesses ermöglicht.

Mit der entwickelten Messtechnik, die prozessnah die gefertigten Zylinderlaufbahnen jeweils an mehreren Stellen überprüft und die ermittelten Messergebnisse an eine Auswerteeinheit leitet, kann schnell eine objektive Aussage über die Honqualität getroffen werden und bei Bedarf regelnd in den Fertigungsprozess eingegriffen werden.

Der Prototyp wurde bei der Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik in Nürtingen aufgebaut und umfangreich getestet. Das Unternehmen hatte die Koordination des Verbundprojekts ZOOM übernommen. Basis des Prototyps ist eine modifizierte Honmaschine, in welche das Messsystem integriert wurde. Die Messung erfolgt im Prozesstakt vollständig unter Kühlschmierstoff. Dadurch kann eine 100-Prozent-Inline-Prüfung der gehonten Zylinderlaufflächen ermöglicht sowie ein optischer maschinennaher Regelkreis zur gezielten Fertigung von Zylinderlaufbahnen aufgebaut werden.

www.wzl.rwth-aachen.de

www.nagel.com

  • Prototyp mit optischem Sensor

    Prototyp mit optischem Sensor

  • Honprozess

    Honprozess

  • Konzept des innovativen Messsystems

    Konzept des innovativen Messsystems

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Unternehmensinformation

Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH

Oberboihinger Straße 60
DE 72622 Nürtingen
Tel.: 07022-605-0

RWTH Rheinisch Westfälische Technische Hochschule Aachen Werkzeugmaschinenlabor

Steinbachstraße 19
DE 52074 Aachen
Tel.: 0241-80-27400
Fax: -22293

VDI Technologiezentrum GmbH

VDI-Platz 1
DE 40468 Düsseldorf
Tel.: 0211-6214-0

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Steinbachstraße 19
DE 52074 Aachen
Tel.: 0241-80-27415

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