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Maschinenwerkzeuge

Optimierte Maschinenwerkzeuge zum Fräsen und Bohren verkürzen die Bearbeitungszeit

31.08.2007 | Autor / Redakteur: Birgit Steinbock und Dirk Schmidt / Rüdiger Kroh

Mit neuen Maschinenwerkzeugen konnte die Produktivität in der Fertigung von Zylinderkurbelgehäusen deutlich erhöht werden.
Mit neuen Maschinenwerkzeugen konnte die Produktivität in der Fertigung von Zylinderkurbelgehäusen deutlich erhöht werden.

In der Fertigung von Kurbelwellengehäusen für Dieselmotoren wurden verschiedene Bearbeitungsschritte durch neue Maschinenwerkzeug-Konzepte optimiert. So wurde zum Beispiel ein Keramikfräser durch einen Planfräser mit Hartmetall-Wendeschneidplatten ersetzt. Dadurch konnte die Bearbeitungszeit pro Bauteil um 20 s verkürzt werden.

Seit über 140 Jahren werden bei der Kölner Deutz AG Motoren hergestellt. Zur Produktpalette des Unternehmens gehören Dieselmotoren ebenso wie Gasmotoren. Am Standort Kalk entstehen ausschließlich Kurbelwellengehäuse für wassergekühlte 4- und 6-Zylinder-Dieselmotoren mit einem Hubraum von 4 bis 7 l, das Spektrum der Motorleistung reicht bis 215 kW.

Zurzeit werden acht verschiedene Gehäuse für Nutzfahrzeuge und Baumaschinen in insgesamt 19 Varianten hergestellt. Knapp 100 Mitarbeiter sind am Standort tätig, und aufgrund der mehr als guten Auftragslage wird in 20 Schichten pro Woche rund um die Uhr gearbeitet.

Der Hauptteil der Fertigung erfolgt in einer aus sechs Maschinen bestehenden und verketteten Transferstraße, die vor wenigen Monaten durch die Anschaffung fünf zusätzlicher Bearbeitungszentren Verstärkung bekommen hat. Diese Maschinen unterstützen die Transferstraße und dienen für drei Teilstücke der Straße als Bypass, das heißt, jedes vierte Werkstück wird zur Bearbeitung in die neuen Maschinen umgeleitet.

Verkettete Transferstraße wurde um Bypass erweitert

Neben der Transferstraße und dem Bypass wird zurzeit eine weitere Produktionslinie eingerichtet, die vor allem der Entlastung der Transferstraße dient. Weil die Maschinen bei der Umstellung von vier auf sechs Zylinder jedes Mal komplett neu gerüstet werden müssen und das bis zu sechs Stunden dauern kann, sollen auf der neuen Linie vor allem kleinere Losgrößen gefertigt werden – mit bis zu 27 000 Teilen pro Jahr rechnet man bei Deutz. Abgerundet wird der Maschinenpark durch einige Sondermaschinen mit wechselbarem Bohrkopf sowie eine Justagemaschine als Vorbereitung auf die Transferstraße.

Mit Hilfe dieser Investitionen in neue Maschinen, aber auch durch die gemeinsam mit Sandvik Coromant erfolgte Optimierung vieler einzelner Fertigungsschritte kann die Produktion nun mit der Nachfrage (der Auftragseingang stieg 2006 um 20%) Schritt halten: Rund 70 000 Kurbelgehäuse verlassen das Werk in Kalk jedes Jahr, montiert werden die kompletten Motoren im Schwesterwerk in Porz.

Sandvik Coromant ist bereits seit über 25 Jahren Werkzeugpartner in Kalk, und es wurden bereits zahlreiche gemeinsame Projekte durchgeführt, zum Beispiel die Optimierung von einzelnen Bearbeitungsschritten in der Transferstraße von Hüller-Hille. Die dort stattfindenden Prozesse umfassen jeweils 13 bis 15 einzelne Stationen: Insgesamt ergeben sich so allein 280 Bohrungen und inklusive Messung insgesamt über 100 Arbeitsschritte bei der Produktion eines einzigen Kurbelgehäuses. Diese Vielzahl von unterschiedlichen anspruchsvollen Operationen führt zu vielen Bewegungen in der Maschine, was ihre tendenzielle Störanfälligkeit zur Folge hat.

Auch während des Rüstens der Maschinenwerkzeuge kann produziert werden

Im Gegensatz zu früher werden heute auf der Transferstraße vor allem Common-Rail-Motoren aus Chrom-Kupfer-legiertem Grauguss gefertigt, wodurch die Bearbeitung an den einzelnen Stationen etwas schneller geworden ist. Dennoch sind alle Maschinen auf die Sekunde genau gleich getaktet.

Das war zum Teil eine ziemliche Tüftelei, da es viele unterschiedliche Bearbeitungsschritte auf den Maschinen in folgender Reihenfolge gibt:

  • fräsen,
  • bohren,
  • tiefbohren,
  • horizontal feinbohren
  • und letztendlich vertikalbohren.

Deshalb wurden einzelne Prozesse aufgesplittet: Eine Bohrung von 300 mm Tiefe wird jetzt zum Beispiel in drei Schritten durchgeführt. Um einen jederzeit reibungslosen Ablauf zu gewährleisten, gibt es darüber hinaus einen konstanten Pufferspeicher von 36 Teilen, so dass auch während des Rüstens oder sonstiger Stillstandszeiten weiter produziert werden kann.

Neue Schneidplatten machen beim Fräsen viel aus

Gleich beim ersten Schritt, dem Fräsen, wurden die Schneidplatten ausgetauscht. Gerade bei der diffizilen Zerspanung von Guss, der oft etwas unterschiedlich ausfällt und daher schwierig zu bearbeiten ist, kann eine neue Sorte viel ausmachen.

Auch bei Deutz war man mit dieser Maßnahme erfolgreich: Die nun verwendeten Sorten K20W für die Nassbearbeitung, K20D für die Trockenbearbeitung sowie die Sorte GC1020 der neuen Wendeschneidplattengeneration erzielten bessere Ergebnisse als die vorher eingesetzten Platten. Außerdem wurde der Planfräser Coromill 290 zum Schruppen eingesetzt. Die passende Wendeschneidplatte GC1020 erzielte eine um 20% höhere Standzeit als ihre Vorgängerin.

Plattenaustausch im Werkzeugraum reduziert Rüstzeiten

Zur Reduzierung der Rüstzeiten an der Maschine werden die Platten jeweils im Werkzeugraum ausgetauscht, an der Maschine selber wird dann nur noch das Werkzeug gewechselt. Außerdem werden die Wechselzeiten, wann immer möglich, in den Schichtwechsel gelegt.

Im zweiten Schritt wurde die Fertigung eines neuen Motors der Baureihe 2009 überprüft und optimiert. Von der ursprünglich vorgesehenen Fertigung in Indien wurde aufgrund der Komplexität des Werkstücks mit großen Auskraglängen erst einmal Abstand genommen. Produziert wurde das Zylinderkurbelgehäuse in Kalk auf dem Bearbeitungszentrum MBH 250 von Heller: Zylinderrohr-, Kurbelwellen- und Nockenwellenbohrung wurden dort hergestellt und ausgespindelt. Zum Einsatz kamen schwingungsgedämpfte Standard-Aufbohrwerkzeuge mit einer Aus-kraglänge von bis zu 9 × D sowie die beiden Fräser Coromill 290 und 590, letzterer mit sonderbeschichteter Wendeschneidplatte, mit denen plangefräst oder geschlichtet wurde.

Axial-Stechwerkzeuge zum rotierenden Einsatz

Das nächste Projekt war die Qualitätsverbesserung bestehender Motoren und ihrer Prototypen. Was in Kalk erfolgreich konzipiert wurde, soll nun mittelfristig in allen Deutz–Werken zur Anwendung kommen. Extra für dieses Projekt wurden spezielle Axial-Stechwerkzeuge zum rotierenden Einsatz entwickelt.

Bei einer Stößelbohrung wird mit schwingungsgedämpften Aufbohrwerkzeugen in Sonderausführung mit einer Länge von 8 × D vorgespindelt, danach kommt die Reibahle 830 zum Einsatz.

Planfräser erreicht Qualität in nur einem Arbeitsschritt

Ein weiteres, erst vor kurzem abgeschlossenes Projekt war die Optimierung der Justage, des ersten Arbeitsschrittes, der noch vor und außerhalb der Transferstraße erfolgt. Weil dort die Basis für die weitere Bearbeitung geschaffen wird, muss mit hoher Präzision zerspant werden.

Die dafür eingesetzte Produktionsstraße mit Bearbeitungszentrum von Honsberg stammt noch aus der jetzt stillgelegten Gießerei. Durch den Neukauf der fünf Grob-Bearbeitungszentren und den damit verbundenen Umzug der Justage in eine andere Halle in Kalk wurde eine Generalüberholung der Maschine erforderlich, und dieser Umstand wurde dazu genutzt, auch eine neue Werkzeugkonfiguration auszuprobieren.

Und das mit etwas überraschendem Erfolg, denn der bislang verwendete Keramikfräser wurde vom neuen Planfräser Coromill 365, bestückt mit Hartmetall-Wendeschneidplatten, sowohl in Leistung als auch Preis glatt überrundet. Zwar ist mit der Keramik eine höhere Schnittgeschwindigkeit möglich, aber der Planfräser kann mit einem deutlich höheren Tischvorschub dagegenhalten.

Planfräser mit Hartmetall-Wendeschneidplatten besser als Keramikfräser

Während die Schnitttiefe beim Fräsen mit Keramik 3 mm betrug, sind jetzt 3 bis 6 mm möglich. Zwei Frässchnitte waren mit der Keramik nötig, um die Oberflächenanforderungen zu erfüllen, mit der neuen Lösung ist die erforderliche Qualität bereits nach einem Fräsvorgang erreicht.

Darüber hinaus waren auf dem Keramikfräser acht Wendeplatten im Einsatz, jetzt sind es nur noch sechs. Zwar sind die Standzeiten jetzt geringfügig kürzer als vorher, dennoch war der Wechsel von Keramik zum vermeintlich unterlegenen Hartmetall ein Erfolg: Die Produktion läuft bei einer Bearbeitungszeit von knapp drei Minuten pro Bauteil jetzt 20 s schneller, und die Nebenzeiten wurden um 50 min reduziert – auf das ganze Jahr gerechnet ergibt sich so eine Einsparung von über 700 Fertigungsstunden. Ein zusätzlicher Bonus ist der dickere und kontrolliertere Span, der jetzt entsteht, denn dadurch konnten die Reinigungszeiten um die Hälfte gesenkt werden.

Auch der dritte Produktionsbereich neben Transferstraße und Justage, die als Entlastung der Transferstraße dienende Bypassfertigung, wurde optimiert. Zum Eckfräsen wurden der Coromill 390 sowie die aus der gleichen Werkzeugfamilie stammenden Coromill 290 und 590 zum Schruppen und Schlichten eingesetzt. Während 290 und 390 mit der passenden Sorte GC1020 laufen, wird beim 590er eine sonderbeschichtete Wendeschneidplatte eingesetzt.

Über die positiven Ergebnisse der bisherigen Zusammenarbeit freuen sich sowohl Kunde als auch Lieferant: So wird bei Deutz jetzt prozesssicherer, günstiger und schneller produziert. Auch die Zahlen sprechen für sich: Die Ausschussquote ist auf aktuell 1% gesunken, war aber auch in den vergangenen Jahren nie höher als 1,6% – eine Konsequenz der prozesssicheren Bearbeitung.

Birgit Steinbock arbeitet bei der Agentur rheinfaktor in 50823 Köln, Dirk Schmidt gehört zum Technik-Team Automobil der Sandvik GmbH, Geschäftsbereich Coromant, 40549 Düsseldorf.

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