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Werkzeugkonzepte Schwingungen auf ein Minimum reduzieren

| Autor / Redakteur: Klaus Vollrath / Mag. Victoria Sonnenberg

Wenn 160 Mitarbeiter Großserien bis zu 1 Mio. Teile fertigen, dann sind Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit ein Muss. Die Schweizer Group Global GmbH (SGG) löste zwei besondere Herausforderungen mit Mapal.

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Typisches Werkstück: Blick auf die Innenseite einer Zylinderkopfhaube mit den beiden Nocken­wellen-Lagergassen.
Typisches Werkstück: Blick auf die Innenseite einer Zylinderkopfhaube mit den beiden Nocken­wellen-Lagergassen.
(Bild: Mapal)

Bei zahlreichen Fräsbearbeitungen kommt es aufgrund verschiedener Faktoren, wie der Aufspannung oder der Bearbeitungsparameter, zu Schwingungen. Diese können zu Rattermarken an der Bauteiloberfläche, geringen Standzeiten der Werkzeuge sowie zu stark beanspruchten und damit schnell verschlissenen Spindellagern führen. Während zwei Bearbeitungen bei der Schweizer Group in Plauen traten starke, inakzeptable Schwingungen auf. Um diese in den Griff zu bekommen, wandte sich das Unternehmen an Mapal.

„Wir bearbeiten Druckgussbauteile aus den Gießereien der Gruppe“, erläutert Dirk Steinbach, technischer Leiter im Werk Plauen der Schweizer Group Global GmbH (SGG). Die SGG ist mit rund 650 Mitarbeitern und sechs Standorten, unter anderem in China und Tschechien, weltweit aktiv. Die Gruppe beliefert vor allem Automobilhersteller und legt einen Schwerpunkt auf Powertrain und Elektronik. Typische Bauteile sind einbaufertig bearbeitete Aluminium- oder Magnesiumkomponenten für die Bereiche Motor, Getriebe, Antriebsstrang und Nebenaggregate sowie Gehäuse für Elektronik und Infotainment in Fahrzeugen.

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„Unsere 160 Mitarbeiter fertigen zumeist Großserien mit bis zu 1.000.000 Bauteilen. Dabei ist neben der Einhaltung strenger Genauigkeitsanforderungen eine höchst wirtschaftliche Bearbeitung unerlässlich“, sagt Steinbach. Es gehe um jede Zehntelsekunde, jeder unnötige Arbeitsschritt müsse vermieden werden. Die Fertigung erfolgt deshalb hochautomatisiert durch Maschinen, die untereinander durch Handling- und Prüfeinrichtungen zu Inseln oder Linien verkettet sind. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Taktzeiten nutzt SGG speziell ausgelegte Kombinationswerkzeuge, die exakt an die jeweiligen Anforderungen angepasst sind. Dies erfordert wiederum entsprechende Entwicklungen gemeinsam mit dem Werkzeughersteller. Daher arbeitet SGG seit vielen Jahren eng mit Mapal zusammen. Die Expertise der Mitarbeiter des Werkzeugherstellers war jüngst in zwei besonders herausfordernden Fällen gefragt.

„Beim ersten Fall wird tief im Inneren eines Kraftstofffiltergehäuses eine seitliche Tasche gefräst“, sagt Andreas Wittenauer, Leiter Anwendungstechnik PKD- Werkzeuge bei Mapal. Dafür kommt ein Zirkularfräser mit einer Länge von rund 185 mm und einem Schaftdurchmesser von 29 mm zum Einsatz. Der Fräskopf selbst hat einen maximalen Durchmesser von 48 mm. Er fräst nach dem Einfahren in das glockenförmige Werkstück eine etwa 10 mm tiefe seitliche Tasche in die Wandung. Dadurch entsteht eine Verbindung zum Sackloch eines seitlich in spitzem Winkel angesetzten Anschlussstutzens, um Kraftstoff in den Filter einzuleiten.

Extreme Schwingungen führten zur geräuschintensiven Bearbeitung

Durch die einseitige Bearbeitung bauten sich bei diesem Werkzeug so extreme Schwingungen auf, dass die zulässigen g-Kräfte überschritten wurden. Selbst als SGG dazu überging, diesen Arbeitsgang in mehrere Einzelschritte aufzuteilen, waren die Schwingungen immer noch sehr stark und die Bearbeitung äußerst geräuschintensiv. „Selbst in der angrenzenden Halle war diese Bearbeitung zu hören“, sagt Steinbach. Ganz abgesehen von der hohen Bearbeitungszeit. Zudem wirkten sich die starken Vibrationen negativ auf die Standmengen der Werkzeuge und auf die Spindel aus.

Schwingungsgedämpfter Fräserschaft

„Um die Schwingungen zu minimieren, haben wir den Fräserschaft schwingungsgedämpft gestaltet. Dafür ist er innen mit einer axial und radial beweglich gelagerten Hilfsmasse aus einem Schwermetall ausgestattet“, verrät Andreas Wittenauer. Dem System zugrunde liegt das Prinzip des dynamischen Unwuchtausgleichs. Die Hilfsmasse gleicht die Schwingungen aus, indem sie in die jeweilige Gegenlage ausweicht. Stahlfederpakete sorgen dafür, dass die Hilfsmasse anschließend in ihre Ruhelage zurückkehrt. Eine Ölfüllung übernimmt die Dämpfung der auftretenden inneren Vibrationen. „Zudem haben wir die gelöteten PKD-Schneiden um 30° geneigt“, erläutert Wittenauer. So wird ein weicher Schnitt möglich und die Geräuschentwicklung minimiert.

„Der zweite aktuelle Fall war eine noch größere Herausforderung“, sagt Wittenauer. Um die Lagerböcke in der Zylinderkopfhaube eines Supersportwagens zu bearbeiten, nutzt SGG ein langes, schlankes Fräswerkzeug. Die eigentliche Lagerfläche der Nockenwelle wird in Plauen lediglich vorbearbeitet, die Fertigbearbeitung übernimmt der Motorhersteller selbst. Die Seitenflächen des Lagerbocks hingegen werden bei SGG feinbearbeitet. Der Fertigung liegen hohe Genauigkeitsanforderungen zugrunde, da der Motor über ein System zur Ventilhubumstellung verfügt. Diese Verstellung der Nockenwelle sorgt für einen geringeren Kraftstoffverbrauch des Motors und seinen vibrationsarmen Lauf.

Gussteil als idealer Resonanzkörper für Schwingungen

Für die Bearbeitung der Lagerböcke war ursprünglich ein 300 mm langes Fräswerkzeug vorgesehen. Dessen recht massiver Kopf mit einem Durchmesser von 48,4 mm ist 38 mm lang und sitzt auf dem nur 26 mm dicken Schaft. Neben dieser an sich schon schwingungsanfälligen Kombination ist das großflächige und zugleich filigran-dünnwandige Gussteil ein fast schon idealer Resonanzkörper für Schwingungen. Verstärkt werden diese noch durch den unterbrochenen Schnitt bei der Bearbeitung. In Summe waren die Vibrationen so stark, dass es zu Rattermarken und sogar zu Werkzeugbrüchen kam.

Prinzip des dynamischen Unwuchtausgleichs

„Um diese Schwingungen in den Griff zu bekommen, haben wir eine zweistufige Lösung mit separaten Maßnahmen für den Schaft und den Fräskopf entwickelt“, erläutert Wittenauer. Das System aus dem langen, schlanken Schaft und dem massiven Fräskopf kann zu komplexen Schwingungsmodi angeregt werden. Um diese zu kompensieren, müssen für beide Bereiche jeweils speziell angepasste Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Auch hier nutzten die Werkzeugexperten das Prinzip des dynamischen Unwuchtausgleichs. Im Fräserschaft platzierten sie eine große Anzahl kleiner, hochdichter und frei beweglicher Hilfsmassen, die sich je nach dem aktuellen Schwingungszustand unterschiedlich anordnen und dadurch den auftretenden Schwingungen entgegenwirken. Für den Fräskopf, der mit PKD-­Schneiden bestückt ist, musste dagegen eine andere Lösung gefunden werden. Denn aufgrund möglicher Anpassungen der Schneidengeometrie und um den Instandhaltungsaufwand so gering wie möglich zu halten, muss der Fräskopf austauschbar sein. Dafür entwickelten die Mapal-Experten eine Schwingungsdämpfung mit einer einzelnen, radial ebenso wie axial beweglichen Hilfsmasse aus einer hochdichten Metalllegierung. Diese nimmt, um Ausschläge des Kopfes zu minimieren, jeweils die erforderliche Gegenlage ein. Durch diese Werkzeuglösung wurden die Schwingungen auf ein Minimum reduziert. Rattermarken am Werkstück gehören der Vergangenheit an. Zudem wird die Maschinenspindel geschont und die Standzeit der PKD-Schneiden deutlich erhöht.

„Beide Werkzeugkonzepte von Mapal erfüllen unsere Anforderungen und haben sich im Einsatz bestens bewährt“, bestätigt Dirk Steinbach. Beim Zirkularfräser des ersten Falls wurde die Zykluszeit innerhalb der Werkstückfamilie um bis zu 14 s gesenkt. Die Werkzeuge erreichen in beiden Fällen die geforderte Standmenge. „Beim Zirkularfräser ist der Unterschied übrigens auch deutlich hörbar. Der Geräuschpegel bei der Bearbeitung ist auf unter 78 dB gesunken“, betont Dirk Steinbach. Das sei auch ein substanzieller Beitrag zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen.

* Klaus Vollrath ist freier Journalist in 4912 Aarwangen (Schweiz). Weitere Informationen: Mapal Dr. Kress KG in 73431 Aalen, Tel. (0 73 61) 5 85 35 52, patricia.mueller@mapal.com

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