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maschine+werkzeug 01/2010

Schnellerer Takt für Turbolader

Technik

Präzisionswerkzeuge Mit seinen durchdachten Werkzeuglösungen und Bearbeitungsverfahren sichert Mapal seinen Kunden eine prozesssichere und hochwirtschaftliche Turbolader-Fertigung zu.

Hinsichtlich der Zerspanungsanforderungen lassen sich Turbolader grob in drei Bereiche unterteilen. Das Turbinengehäuse aus hitzebeständigen Stahlgusslegierungen (Warmseite), das Verdichtergehäuse aus Aluminium (Kaltseite) sowie das Laufzeug, bestehend aus dem Turbinenrad aus hochwarmfesten Nickel-Stahllegierungen, der aufgeschweißten Läuferwelle und dem Verdichterrad aus einer hochfesten Aluminiumlegierung. Abgastemperaturen bis zu 1000 °C und Drehzahlen bis zu 270000 U/min fordern höchste Fertigungsgenauigkeit und den Einsatz von extrem hitzebeständigen Materialien.

Mapal verfügt über große Erfahrungen im Bearbeiten anspruchsvoller Werkstückgeometrien mit schwierigen Werkstoffeigenschaften. In Verbindung mit der großen Produktvielfalt des Werkzeugprogramms in nahezu allen Bereichen der Zerspanung hat Mapal als einer der führenden Werkzeugausrüster eine äußerst wirtschaftliche Methode für die Komplettbearbeitung von Turboladerkomponenten entwickelt. Diese ermöglicht beispielsweise das Bearbeiten aller Merkmale der Hauptbohrung im Turbinengehäuse der Warmseite in nur vier Schritten.

Komplizierte Konturen und Einstiche in Verbindung mit spezifischen Werkstoffeigenschaften der meist aus hitzebeständigen Stahlgusslegierungen hergestellten Turbinengehäuse machen das Bearbeiten oft schwierig. Mapal setzt dabei erfolgreich auf ISO-Werkzeuge mit Tangentialtechnologie und kombiniert so viele Bearbeitungsschritte wie möglich. Für die Vor- und Semibearbeitung der kompletten Hauptbohrung werden so lediglich zwei Werkzeuge benötigt. Mit einem dieser Kombinationswerkzeuge werden beispielsweise insgesamt sechs Bearbeitungsmerkmale sowie ein Kontrollschnitt gefertigt.

Die hochpositive Einbaulage der Tangentialschneiden sorgt für weiche Schnitte, eine definierte Schneidkantenverrundung bringt die notwendige Stabilität. Durch gezielte Schnittaufteilung wird verhindert, dass sich während der Zerspanung Ringsegmente bilden, die, wenn sie unentdeckt bleiben, im verbauten Turbolader zu Beschädigungen führen können.

Die Einstichkontur des V-Band-Anschlusses ist ein typisches Bearbeitungsmerkmal nahezu aller Turbinengehäuse. Konventionell wird diese Kontur mit mehrschneidigen Glockenfräsern bearbeitet. Die Folgen sind lange Bearbeitungszeiten und nur mäßige Standzeiten. Durch das Umstellen auf Interpolationsdrehwerkzeuge mit Formplatten macht Mapal diese Bearbeitung besonders wirtschaftlich. In der Praxis konnte so die Taktzeit von 55 Sekunden auf 35 Sekunden gesenkt werden. Der kontinuierliche Schnittverlauf der ca. 30 Interpolationsumdrehungen sorgte im Vergleich zum Fräsen für Standzeiterhöhungen um bis zu 40 Prozent.

Beim Interpolationsdrehen wird die Maschinenspindel vom drehzahlgesteuerten Betrieb (Spindeln, Zirkularfräsen) in den lagegesteuerten Betrieb umgeschaltet und lässt sich dadurch wie eine Achse ansteuern. Zum Erzeugen einer spiralförmigen Schneidenzustellung, entsprechend dem Plandrehen auf Drehmaschinen bedarf es einer Näherungskonstruktion von tangential verlaufenden Kreisbögen. Bei Programmierung dieser Kreisbögen durch die X/Y-Achsen lässt sich die Spindel als C-Achse genau über den Mittelpunktswinkel nachführen. Die Schneide bleibt während der gesamten Bearbeitung im Eingriff.

Egal ob beim Turbinen- oder Verdichtergehäuse, für die Fertigbearbeitung der kompletten Innenkonturen musste man beim herkömmlichen Bearbeitungsprozess bislang oftmals zusätzlich auf eine Drehmaschine zurückgreifen. Diesen zeit- und kostenintensiven Fertigungsprozess ersetzt Mapal durch die Tooltronic, ein mechatronisches Werkzeugsystem für Bearbeitungszentren. Mapal Tooltronic ist eine vollwertige einwechselbare Werkzeugachse, die das Bearbeiten von beliebigen Konturen oder Hinterstichen ermöglicht und über die Maschinensteuerung geregelt wird. Die Antriebseinheit kann mit verschiedenen Maschinenschnittstellen versehen werden. Die Energie- und Datenübertragung erfolgt induktiv. Zum Bearbeiten der Innenkonturen von Turboladergehäusen wird die Antriebseinheit mit einem linearen Aussteuerwerkzeug kombiniert. Die Feinbearbeitung des Konturzugs erledigt dann ein Aufsatzwerkzeug mit Drehschneiden.

Zwei ISO-Kombinationswerkzeuge, ein Interpolationsdrehwerkzeug und das mechatronische Werkzeugsystem Tooltronic ermöglichen in vier Schritten das Komplettbearbeiten der Hauptbohrung im Turbinengehäuse auf einem Bearbeitungszentrum. Ähnlich wie beim Turbinengehäuse sind beim Verdichtergehäuse Konturen, Einstiche, Fasen, das Bearbeiten von Planflächen sowie Aufbohroperationen die wesentlichen Bearbeitungsmerkmale.

Da innerhalb dieses Gehäusetyps nur angesaugte Umgebungsluft zirkuliert, gibt es keine erhöhten Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit. Um jedoch das Gesamtgewicht des einbaufertigen Laders niedrig zu halten, wird das Verdichtergehäuse aus einer Aluminiumlegierung gegossen und ist somit prädestiniert für den Einsatz von Mapal PKD-Werkzeugen.

Auf diesem Gebiet spielt Mapal seine Erfahrungen und fertigungstechnischen Möglichkeiten bei der Auslegung und Herstellung von komplexen PKD-Werkzeugen voll aus. Für die Komplettenbearbeitung dieses Verdichtergehäuses werden insgesamt nur elf Werkzeuge benötigt.

www.mapal.com

  • Das Interpolationswerkzeug reduziert im Vergleich zum Glockenfräser die Taktzeit um 60 Prozent.

    Das Interpolationswerkzeug reduziert im Vergleich zum Glockenfräser die Taktzeit um 60 Prozent.

  • Linearer Aussteuerknopf mit Aufsatzwerkzeug zur effektiven Bearbeitung von Konturen am Gehäuse.

    Linearer Aussteuerknopf mit Aufsatzwerkzeug zur effektiven Bearbeitung von Konturen am Gehäuse.

  • Sechs Bearbeitungsmerkmale und einen Kontrollschnitt führt das Kombinationswerkzeug aus.

    Sechs Bearbeitungsmerkmale und einen Kontrollschnitt führt das Kombinationswerkzeug aus.

  • Bei einem Turbolader wird durch die sonst verlorene Abgasenergie ein Turbinenrad angetrieben. Eine Welle setzt dabei einen Radialverdichter in Bewegung. Die auf diese Art verdichtete Ansaugluft wird dem Motor zugeführt. Es entsteht ein Sauerstoffüberschuss, der eine bessere Verbrennung und damit eine höhere Motorleistung ermöglicht.

    Bei einem Turbolader wird durch die sonst verlorene Abgasenergie ein Turbinenrad angetrieben. Eine Welle setzt dabei einen Radialverdichter in Bewegung. Die auf diese Art verdichtete Ansaugluft wird dem Motor zugeführt. Es entsteht ein Sauerstoffüberschuss, der eine bessere Verbrennung und damit eine höhere Motorleistung ermöglicht.

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Unternehmensinformation

MAPAL Dr. Kress KG Präzisionswerkzeuge

Obere Bahnstraße 13
DE 73430 Aalen
Tel.: 07361-585-0
Fax: 07361-585-1029

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