Nockenwelle zusammenbauen: einfach, flexibel und präzise

Vor allen Dingen eröffnet das Bau-Prinzip aber neue Möglichkeiten für die Konstrukteure, denn durch den Prozess können völlig andere Prinzipien für die Lagerung der Nockenwelle angewendet werden. Gleichzeitig lassen sich neue Fertigungskonzepte, wie das Nockenformschleifen von Einzelnocken, realisieren.

Allerdings rückt aktuell die Frage nach dem effizientesten Verfahren für den Zusammenbau in den Vordergrund, denn spanende Nachbearbeitungen (wie sie beim Einsatz von Pressverfahren nötig werden) sind angesichts der empfindlichen Konstruktionsdetails nicht mehr möglich. Stattdessen müssen fertige Präzisionsteile direkt zu einem perfekten Endprodukt verbunden werden – und genau diese Grundbedingung erfüllt der thermische Fügeprozess von EMAG Automation.

Mit ihm lassen sich unterschiedlichste Komponenten kraftfrei, kontrolliert und präzise auf die Welle setzen. Hinzu kommt: Mit der neuem Fügemaschine SFC 600 heben die Powertrain-Spezialisten ihre Kerntechnologie auf ein neues Leistungslevel. Das „Setzen“ erfolgt mithilfe von NC-gesteuerten Achsen, die sich einfach steuern lassen. Der Ansatz ermöglicht das flexible Fügen von Nockenwellen im schnellen Wechsel. Was für Möglichkeiten eröffnet dieser Ansatz für die Nockenwellen-Produktion?

Seit Jahren versuchen sich die Planer im Automobilbau an einem extremen Spagat: Einerseits soll die Zahl der Teile, die in der Modellpalette des Herstellers verwendet werden, deutlich sinken. Andererseits erfüllt eine immer größere Zahl von Modellvarianten die spezifischen Wünsche der Kunden. Auch und gerade der Motorenbau macht hier keine Ausnahme.

Dass es für das Extremziel „Mehr Varianten – weniger Bauteile“ auch auf innovative Produktionsverfahren ankommt, macht die gebaute Nockenwelle in besonderer Weise deutlich. Der Ansatz etabliert zunächst einmal ein hochflexibles Baukastenprinzip: Die verschiedenen Komponenten der Welle werden einzeln in großen Stückzahlen produziert. Anschließend lassen sie sich je nach Motor zu einer anderen Bauteilvariante zusammenfügen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass ideale Werkstoffe für jede Teilkomponente ausgewählt werden können. Es kommen also zum Beispiel geschmiedete oder gesinterte Nocken zum Einsatz, untergeordnete Bauteile wie Stopfen oder Endstücke werden hingegen aus günstigeren Materialien hergestellt. Das eröffnet ein enormes Sparpotential. Zusätzlich lassen sich die Funktionen der gebauten Welle anders planen: Zahnräder liegen bei Bedarf direkt an einer Schulter an. Auch Zwischenelemente wie Schiebenocken zur Zylinderabschaltung sind umsetzbar.

Vor dem Hintergrund dieser Entwicklung hat EMAG Automation bereits vor mehr als 20 Jahren erste Füge-Lösungen erarbeitet – und das Verfahren im Laufe der Jahre immer weiter verfeinert, seine Präzision erhöht und die Taktzeiten minimiert. Die Maschinen verfügen im Kern über einen patentierten Fügeprozess, der ein kraftfreies Fügen bietet.

Die zu fügende Nocke wird dabei induktiv erwärmt, dadurch aufgeweitet und kraftfrei auf der Welle positioniert. Die Erwärmparameter sind an die unterschiedlichen Einzelteile exakt angepasst. Werkstoffeigenschaften und die Geometrie der Passung werden dabei berücksichtigt.

Mit dem gezielten Kühlen startet dann der Schrumpfprozess. Das Ergebnis ist ein kraftschlüssiger Querpressverband. Durch das Verfahren entstehen keine Spannungen und so gut wie kein Verzug am Bauteil. Bislang kam für das Handling des erwärmten Bauteils eine Kombination aus Roboter und Greiftechnik zum Einsatz – ein hochgenauer Ansatz, dessen Steuerung und Programmierung allerdings anspruchsvoll sind.

Mit der neuen Fügemaschine SFC 600 (Shrink Fit Center) für Nockenwellen bis 600 Millimeter Länge eröffnen die Spezialisten deshalb ein neues Kapitel in ihrer Technologiegeschichte. Hier wird das Setzen der Bauteile – dank der verwendeten Linear­motortechnik – mithilfe von äußerst präzisen und schnellen NC-Achsen realisiert. Damit wird der gesamte Prozess durch das NC-Programm kontrolliert, und die Voraussetzungen für eine flexible Fertigung von Varianten sind geschaffen.

Design und Funktionalität der Bedienoberfläche sind an die Programmierung einer Werkzeugmaschine angelehnt und alle Daten der verschiedenen Wellen-Elemente werden zentral im System abgelegt – die jeweilige Welle lässt sich gewissermaßen am Bildschirm vorab „zusammenbauen“. „Insgesamt steht dieser Ansatz für einen enormen Leistungssprung in der Nockenwellen-Produktion“, erklärt Wolfgang Bohn, Angebotstechniker bei EMAG Automation.

„Wir haben die Bedienbarkeit und Steuerung beim thermischen Fügen massiv vereinfacht. Deshalb erfolgt jeder Produktionswechsel wesentlich schneller. Je nach Nockenwellen-Modell genügt unter Umständen ein Wechsel des NC-Programms. Grundsätzlich ist die Maschine bis auf wenige Elemente praktisch rüstfrei. Der Wechsel von einer Nockenwellen-Produktion zu einer anderen vollzieht sich somit in weniger als zehn Minuten.“

Auch der eigentliche Produktionsprozess ist perfekt getaktet und erfolgt mit hohem Tempo: Zunächst entnimmt ein Ladeportal bis zu zwei Komponenten der Nockenwelle gleichzeitig von den integrierten Paletten­­ und führt sie den zwei Induktoren zum Anwärmen zu. Zwei Generatoren der EMAG-Tochter eldec als Energiequelle befinden sich dafür im Inneren der kompakten Einhausung.

Durch deren Einbindung in die NC-Steuerung lassen sich auch komplizierte Erwärmzyklen programmgesteuert realisieren. Nach dem Induktionsprozess übernimmt das NC-gesteuerte Doppel-Greifsystem parallel zwei Bauteile (Lage und Typ werden direkt mit einer Kamera geprüft) und setzt sie in der gewünschten Position auf die Welle. Leitungsstarke Servo- bzw. Linearmotoren in der Greifer-Achse sorgen dabei für ein durchgängig hohes Tempo.

Hinzu kommt eine massive Verkürzung des Gesamtprozesses durch die Simultanverarbeitung von bis zwei Komponenten. Insgesamt ist es so möglich, eine Standard-4-Zylinder-Nockenwelle in nur rund 60 Sekunden komplett zusammenzubauen. Wichtig für die Prozesssicherheit des Verfahrens ist im Übrigen die Sicherheitsfunktion des neuen Greifsystems: Es ist mit einem Crash-Schutz ausgestattet, der etwa bei Bauteilfehlern oder einer fehlerhaften Montage in den Prozess eingreift und den Ablauf unterbricht.

„Bei der Konstruktion der Maschine haben wir Wert auf einen stabilen, präzisen und sicheren Ablauf gelegt. Dazu gehören viele Details“, erklärt Bohn. „Beispielsweise ist das flexible Greifsystem, das ganz unterschiedliche Bauteile aufnehmen kann, komplett thermisch isoliert. Deshalb bleibt im Umkehrschluss auch die Temperatur des eingespannten Bauteils bis zum Fügen absolut stabil.“  

Welche Marktchancen versprechen sich die Spezialisten von EMAG Automation von der kompakten Kranhakenmaschine SFC 600, die sich schnell bei jedem Kunden installieren lässt? „Mit dieser Technologie heben wir das thermische Fügen auf eine neue Ebene, weil der Produktionsprozess deutlich flexibler wird und der Ablauf einfacher zu steuern ist“, sagt Bohn.

„Gerade bei niedrigen und mittleren Produktionsvolumen mit hoher Umrüstfrequenz ist eine Fertigung mit der SFC 600 sehr effektiv. Zusätzlich ist die Maschine mit einer Automations-Schnittstelle versehen und lässt sich also auch für hohe Produktionsvolumen konfigurieren. Wir sind uns sicher: Die Kombination aus thermischen Fügen und NC-basierten Antrieben sorgt beim Zusammenbauen von Nockenwellen für eine neue Effizienz. Das extreme Maß an Flexibilität wird sich im Markt durchsetzen.“