Spanende Fertigung Ausschussquote nach unten gedrückt

Modifiziertes Honverfahren ersetzt Feinbohren beim Bearbeiten von Pleuelstangen.

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Obwohl das Feinbohren bisher als Standard-Bearbeitungsverfahren beim Fertigen der Bohrung in der Pleuelstange galt, wird es in Fachkreisen mit zunehmend kritischen Augen gesehen. Das Problem bezieht sich allerdings nicht auf die Qualität der Werkstücke, die bei einer Maschinenabnahme an 30 oder 50 Werkstücken nachgewiesen wird. Bemängelt werden vor allem der hohe Ausschuss (Tabelle) und die geringe Verfügbarkeit der Maschinen. Werden diese Faktoren mit in eine Kostenbetrachtung einbezogen, ist das Feinbohren ein besonders aufwändiges und damit teures Verfahren. Der Kostennachteil ist es auch, der Motorenhersteller verstärkt dazu veranlasst, nach Verfahren zu suchen, die in der Fertigungspraxis einfacher anwendbar sind, die aber hochwertigere oder zumindest gleichwertige Ergebnisse bieten wie das Feinbohren. Eine interessante Alternative ist eine Modifizierung des bisher angewandten Honverfahrens. Serienprozesse zeigen, dass die Vorteile des Honens vor allem in der hohen Qualität und Prozesssicherheit sowie in der hohen Werkzeugstandzeit gesehen werden. Allerdings weist das konventionelle Honen auch Nachteile auf. So fällt gravierend ins Gewicht, dass die klassische Prozesskette aus verschiedenen Bearbeitungsverfahren zusammengesetzt ist. Bisher wird das Honen nur als Endbearbeitungsverfahren eingesetzt. Deshalb ist es notwendig, dass zwischen dem Bruchtrennen und dem Honen eine Feindrehbearbeitung erfolgt. Das Ergebnis: Zum Unterschied zur Endbearbeitung durch Feindrehen, mussten beim Honen zwei Verfahren installiert und produktionstechnisch beherrscht werden, nämlich das Feindrehen und das Honen. Das führte zu erhöhten Kosten bei der Teileherstellung.Die Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik hat eine Lösung entwickelt, mit der die Nachteile beider Verfahren beseitigt und die Vorteile zusammengeführt werden. Es handelt sich dabei um eine Variante, für die der Begriff „Precidor mit Kreuzstruktur“ steht. Es ist ein Feinbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung von Durchgangsbohrungen, auch mit Bohrungsunterbrechungen. Ähnlich wie bei einer Reibahle zerspanen drehende, mit hochverschleißfesten Diamantschneidbelägen ausgerüstete Werkzeuge mit einem einzigen Hub den gesamten abzutragenden Werkstoff. Der besondere Effekt dieses Verfahrens: Im Gegensatz zum klassischen Precidor-Honen ist es in der Lage, eine Kreuzstruktur auf der Bohrungsoberfläche zu erzeugen. Welche Vorteile das neue Verfahren bietet, zeigt sich besonders stark bei der Fertigung von Pleuelstangen, insbesondere bei den zwischen dem großen Auge der Pleuelstange und der Kurbelwelle des Motors befindlichen Lagerschalen.Diese wurden bisher durch Haltenuten gegen Verdrehen gesichert. Die Pleuelstange eines Motors ist das entscheidende Bindeglied bei der Umwandlung der translatorischen Bewegung der Kolben in die Drehbewegung der Kurbelwelle. Außer der Übertragung der bei der Verbrennung entstehenden Kraft muss die Pleuelstange zudem in den Totpunkten des Kolbenhubs Kolben und Kolbenringe abbremsen und beschleunigen. Steigende Drehzahlen und höhere Verbrennungsdrücke führen damit zu einem Anstieg der Belastung der Kolbenstange. Weil die Pleuelstange als bewegte Masse zugleich den Laufkomfort des Motors mitbestimmt, konnten die steigenden Belastungen nicht durch eine Gewichtszunahme der Kolbenstange kompensiert werden. Dieser Zielkonflikt kann einerseits durch die Verwendung neuer Werkstoffe gelöst werden. Andererseits sollen konstruktive Anpassungen die Masse der Pleuelstange reduzieren. Typische Beispiele für konstruktive Änderungen sind ein trapezförmiges kleines Pleuelauge, aber auch die Erzeugung des kleinen Pleuelauges mit Ovalität und Vorweite. Untersuchungen haben jedoch ein großes Risiko aufgezeigt. Die Lagerschalen am großen Pleuelauge können sich verdrehen, wenn die Pleueloberfläche feingedreht ist. Auch die bei bruchgetrennten Pleuelstangen übliche Sichelnut bietet keinen ausreichenden zusätzlichen Schutz. Honen erzeugt Rauheit mit ausreichenden ProfilspitzenAuf weitere Maßnahmen zur Verhinderung des Verdrehens der Lagerschalen lässt sich jedoch leichten Herzens verzichten, wenn die Oberflächen gehont statt feingedreht sind, wie Rauheitsmessungen (Bild 2) verdeutlichen: Ursprünglich werden die Rauheiten am großen Pleuelauge in Achsrichtung der Bohrungen gemessen, weil dafür Standardmessgeräte verwendet werden können. Dieser Messschrieb zeigt, dass sowohl bei der feingebohrten als auch bei der gehonten Oberfläche Rauheitskennwerte oberhalb Rz = 3,5 µm erreicht werden. Wird die Rauheit dagegen in Belastungsrichtung der Lagerschalen gemessen, kann nur mit Honen eine Rauheit mit ausreichenden Profilspitzen erzeugt werden.Der Vorteil des Honens ist, es steigert das Drehmoment, bei dem die Lagerschalen anfangen, sich zu verschieben, um den Faktor 6 bis 7, sogar Faktoren von 8 bis 10 sind bei gewichtsoptimierten Pleuelstangen erreichbar. Diese erheblich verbesserten Werte sind durch eine andere Struktur der Oberfläche erreichbar. So können Rauheitskennwerte in Umfangsrichtung oberhalb von Rz = 3,5 µm nur über die gerade für das Honen typische Kreuzstruktur erreicht werden.Diese technischen Vorteile mit Kostenvorteilen zu verknüpfen ist die Aufgabe der Verfahrensvariante „Precidor mit Kreuzstruktur“. Es geht darum, direkt nach dem Cracken das große Auge fertig zu bearbeiten, ohne Einbußen in den Bereichen Qualität und Prozesssicherheit. Durch eine Modifikation der Kinematik besteht jetzt zudem die Möglichkeit, Kreuzstrukturwinkel von 40 bis 50° und darüber sicher zu erzeugen. Dieses Honen mit Kreuzstruktur bietet außer diesem Qualitätsvorteil auch einen maßgebenden Kostenvorteil. Zusätzlich zur Senkung der Investitionskosten kann auch die Ausschussquote um den Faktor 10 gesenkt werden. Diesen ebenfalls kostensparenden Effekt bewirkt unter anderem die Standzeit der Honwerkzeuge. Diese Werkzeuge arbeiten mit Standzeiten zwischen 70 000 und 500 000 Teilen, während beim Feinbohren spätestens nach 4000 Teilen das Werkzeug getauscht werden muss. Ein weiterer wichtiger Punkt: Beim Honen mit Kreuzstruktur werden Werkzeuge mit undefinierter Schneide eingesetzt. Das Schneidverhalten ist über die gesamte Standzeit des Werkzeuges konstant, weil verschlissene Schneidkörner durch neue, darunter liegende scharfe Schneidkörner ersetzt werden. Anders beim Feinbohren. Dabei kommt es zu Schwankungen, sowohl in der Rauheit als auch im Durchmesser. Deren Ursache liegt wiederum in den typischen Verschleißerscheinungen der geometrisch definierten Schneide, nämlich der Veränderung der Schneidengeometrie, und daraus resultierend eine Veränderung der Eingriffsbedingungen über die Standzeit des Werkzeuges.Beim Precidor-Honen vermindert sich jedoch nicht nur der Anteil der bei jedem Werkzeugwechsel anfallenden Ausschussteile. Es senken sich außerdem die Werkzeug- und Werkzeugwechselkosten. Die Maschine kann mit einer automatischen Messung der Teile und integrierter Verschleißkompensation über den gesamten Standzeitbereich der Werkzeuge ohne Bedienereingriff arbeiten. In Verbindung mit den hohen Standzeiten führt dies zu einer Verfügbarkeit der Honmaschinen, die 4 bis 6% über der Verfügbarkeit der Feinbohrmaschinen liegt. Das heißt, es können über eine halbe Million Teile, ohne das Risiko eines menschlichen Fehleingriffes, bearbeitet werden.Durch eine Optimierung der Prozesskette kann das Honen mit Kreuzstruktur heutzutage bezüglich der Investitionskosten, aber auch der Kosten je Teil, die klassische Bearbeitung mittels Feindrehen unterbieten. Diese Vorteile führen bei Neuanlagen dazu, das Feinbohren durch das Honen zu ersetzen. Bei vorhandenen Fertigungsanlagen erfolgt vielfach eine Nachrüstung hinter der bisherigen Endbearbeitung Feindrehen, um die Vorteile bezüglich Lagerschalendrehen und Ausschussverminderung auch für bestehende Anlagen nutzen zu können. Zur Optimierung des motorischen Verhaltens wird gegenwärtig die Bearbeitung des kleinen Pleuelauges mit Ovalität und Vorweite entwickelt. Entsprechende Verfahren sind in der Offenlegungsschrift DE10258143 und DE10258144 beschrieben. Damit ist künftig eine im Vergleich zum Feinbohren wirtschaftliche Bearbeitung des großen und des kleinen Auges auf einer kombinierten Precidor-Honmaschine möglich.Die Anlagen eignen sich auch für kleine SerienWeitere Optimierungen der Maschinentechnik, wie Schnellwechseleinheiten für die Umrüstung auf neue Werkstücke, aber auch die Möglichkeit der Skalierung der Maschinen von einer Honspindel mit einer Taktzeit von etwa 30 s auf vier Honspindeln mit einer Taktzeit von rund 6 s, machen diese Anlagen für die Großserie ebenso interessant wie für kleine Serien. Vor diesem Hintergrund konnten in den vergangenen Jahren bereits mehrere Anlagen mit einer optimierten Prozesskette ohne Feinbohren nach dem Cracken in Betrieb genommen werden.