Schleifprozess

Der Schleifprozess bei einer Kurbelwelle mit sieben Lagern dauert nur noch 20 statt bislang 35 Minuten. Weil die Durchmesser-Bearbeitung eher kraftreduziert erfolgt, wird dabei auch noch die Schleifscheibe geschont. - Bild: EMAG

| von Markus Isgro

Immer genauer, kostengünstiger und effizienter soll die Automobilproduktion erfolgen – ein Trend, der fast jeden Herstellungsprozess erfasst hat. Auch und gerade hochkomplexe Bauteile wie die Kurbelwelle sind davon betroffen, denn die Bearbeitung ihrer Lagerflächen und Radien ist von jeher kosten- und zeitintensiv und deshalb im Fokus der Produktionsplaner.

Außerdem müssen viele Hersteller das Bauteil angesichts der wachsenden spezifischen Leistung von hochverdichteten Motoren noch stabiler und präziser produzieren. Einzelne  Motoren verfügen deshalb bereits über Kurbelwellen, deren Schleifprozesse aufwändiger ausfallen: Es werden nicht nur Planflächen der Pleuel- und Hauptlager, sondern auch die Übergangsradien zwischen Lagerfläche und Anlaufbund feinbearbeitet. Anschließend weist das zentrale Motorenbauteil in wortwörtlich jeder Ecke eine perfekte Oberfläche auf. Das ist wiederum die entscheidende Basis für eine Kurbelwelle mit hoher Bruchfestigkeit

Das Tempo für den Gesamtprozess erhöhen

Grafik Diagonalschleifen
Anlaufbund, Radius und Durchmesser werden beim Diagonalschleifen während eines ganzheitlichen Ablaufs bearbeitet. - Bild: EMAG

Allerdings ist dieser ganzheitliche Schleifprozess derzeit noch sehr zeitintensiv, weil während der Bearbeitung Eigenspannungen im Bauteil freigesetzt werden, durch die sich die Maße des Bauteils verändern. Deshalb erfolgt in vielen Fällen ein Aufsplitten der Bearbeitung in Vor- und Fertigschleifen. Dabei führen die hergebrachten Verfahren zu einem hohen Schleifscheiben-Verschleiß, weil der Übergang zwischen  Radien und seitlicher Planschulter das Werkzeug in besonderem Maß belastet.

Die Frage liegt also auf der Hand: Wie lässt sich mit neuen Lösungen der enorme Schleifscheibenverschleiß und die durch Prozesssplittung verursachte Taktzeit optimieren?– Mit dem sogenannten Diagonalschleifen geben die Schleifspezialisten von EMAG jetzt eine passende Antwort, wie Roland Schmitz, Leiter Technologie Schleifen der EMAG Maschinenfabrik in Salach, bestätigt: „Auf diese Weise läuft die schwierige Schleifaufgabe an den Haupt- und Hublagern der Welle deutlich schneller und somit kostengünstiger ab.“

Ausgangspunkt der Neuentwicklung war dabei eine einfache, aber entscheidende Feststellung der Ingenieure: Das Zylinder-Durchmesserschleifen und die Planschulterbearbeitung an der Kurbelwelle haben unterschiedliche Anforderungen. Während der zentrische Durchmesser im Rahmen eines mehrstufigen Prozesses (vom Schruppen über das Schlichten bis zum Feinschlichten und Ausfeuern) seine perfekte und parallele Oberfläche bekommt, sind bei der etwas gröberen Schulterbearbeitung deutlich weniger Prozessstufen nötig.

„Dazu kommt, dass sich das Bauteil während seiner Bearbeitung in spezifischer Weise verformt, was wiederum die entstehenden Kräfte beeinflusst“, betont Schmitz. Konkret heißt das: Die Durchmesser-Bearbeitung in radialer Richtung erfolgt deutlich kraftreduziert, damit sich die Welle nicht zu stark durchbiegt. Die Durchbiegung in axialer Richtung während der Planschulter-Bearbeitung ist hingegen deutlich geringer. Stattdessen kommt es hier angesichts der höheren Andruckkräfte eher zu Schleifbrand und die Schleifscheibe verschleißt schneller.

Geschwindigkeit und Bewegung präzise steuern

„Angesichts dieser unterschiedlichen Bedingungen setzen wir beim Diagonalschleifen auf einen neuartigen, ganzheitlichen Ablauf“, so Schmitz. „Schleifgeschwindigkeit und die Bewegung der Achsen werden losgelöst voneinander und punktgenau zum jeweiligen Teilprozess gesteuert.“  – Auf der einen Seite ist es den Schleifspezialisten somit gelungen, die Hauptzeiten in der Kurbelwellenproduktion massiv zu verkürzen.

So erfolgt das Vorschleifen von Hublager, Mittellager und Passlager um rund ein Drittel schneller als beim sogenannten Doppeleinstich-Schleifen, das aktuell noch häufig zum Einsatz kommt. Der Schleifprozess bei einer Kurbelwelle mit sieben Lagern dauert nur noch 20 statt bislang 35 Minuten. Auf der anderen Seite sinken auch die Werkzeugkosten, weil die Schleifscheibenkanten andersartig belastet werden. „Nach unserer Schätzung sinkt dadurch der Werkzeugverbrauch pro Bauteil um rund ein Drittel ab“, erklärt Schmitz.

modulare Maschinensystem
Das modulare Maschinensystem der PM-Baureihe kann für viele Fertigungsaufgaben zum Einsatz kommen. Das Bild zeigt die Doppelschlitten-Kurbelwellenschleifmaschine PMD 320 für Lkw-Kurbelwellen bis 1500 mm Länge. - Bild: EMAG

Vorbild für die Pkw-Produktion

Dass diese EMAG-Innovation derzeit vor allem im Rahmen der Nutzfahrzeugproduktion zum Einsatz kommt, hat einen einfachen Grund: Hier sind die Qualitätsanforderungen an Kurbelwellen von jeher besonders hoch. Angesichts der langen Motoren-Laufzeiten der Lkws müssen sie eine sehr hohe Stabilität aufweisen.

„Aber auch für den Pkw-Bereich wird die kombinierte Schleifbearbeitung von Lagerfläche und Radien immer wichtiger“, so Dr. Guido Hegener, Geschäftsführer der EMAG Maschinenfabrik GmbH. „In vielen Hochleistungsmotoren wirken stärkere Kräfte auf die Kurbelwelle ein. Dann ist ein umfassender Schleifprozess in jedem Detail unverzichtbar. Mit dem Diagonalschleifen verfügen wir bereits heute über die dafür notwendige, hocheffiziente Technologie.“ – Ein Wettbewerbsvorteil, den die EMAG-Ingenieure auch bei anderen Bauteilen nutzen wollen.

Beispielsweise Nocken- und Getriebewellen profitieren in ganz ähnlicher Weise vom Diagonalschleifen. „Wir sehen große Marktchancen für das Verfahren. Die aktuelle technologische Entwicklung im Automobilbau läuft ja gewissermaßen auf uns zu. Das wollen wir natürlich ausnutzen“, betont Dr. Hegener.