Kurbelwellen für die Formel-1-Rennwagen sind komplexe Teile. Sie binnen weniger Stunden aus dem Vollen zu spanen, gehört zu den schwereren Übungen der Fertigungstechnik. Der österreichische Werkzeugmaschinenbauer WFL beherrscht sie.
Auf einem einzigen Zentrum der Baureihe Millturn und in nur zwei Spannungen spant der österreichische Werkzeugmaschinen-Hersteller WFL Ges. mbH, Linz, Rennsport-Kurbelwellen fix und einbaufertig. Damit wird die Fertigung dieser Werkstücke auch in Kleinstserien wirtschaftlich interessant.
Die für das Drehmoment zuständige, exzentrische Anordnung der Hubzapfen ist dabei das Hauptproblem: Bei zentrisch gespanntem Werkstück rotieren die Hubzapfen in einem Flugkreis, der dem Hub der Kurbelwelle entspricht. Die Hubzapfen drehen sich exzentrisch um die Drehmitte und können in Drehmaschinen nicht bearbeitet werden. Daher werden sie in der Regel auf Spezialanlagen gefertigt – entweder durch Außenfräsen, Wirbeln, Drehschälen oder durch Drehen mit exzentrischer Spannung – mit der Konsequenz mehrerer Maschinenwechsel und Aufspannungen.
Ist der Einsatz solch spanungsstarker Verfahren bei großen Serien und der möglichen Automation jedoch durchaus sinnvoll, macht er in der Einzel- und Kleinserienfertigung wenig Sinn. Die anteiligen Rüst-, Programmier- und Aufspannvorgänge treiben die Durchlaufzeit stark in die Höhe.
Auf den Millturn-Zentren dagegen sind die Funktionen einer vierachsigen Drehmaschine, eines Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrums, einer Tieflochbohrmaschine und einer 3D-Messmaschine zusammengefasst. Das Ergebnis ist – in diesem Fall – eine fix und fertig bearbeitete, einbaubereite Kurbelwelle. Der Vorteil zählt doppelt: Bei verformungssensiblen Teilen wie Kurbelwellen schlagen die verschiedenen Zerspanungsabläufe immer wieder auf die Lauftoleranzen durch. Werden alle Bearbeitungsschritte hingegen ohne Umspannen erledigt, lassen sich möglicherweise anfallende Deformationen rasch durch einfaches Entspannen der Welle, durch mehrmaliges Nachzentrieren oder eine entsprechende Korrekturbearbeitung beheben.
Ein zweiter Vorteil liegt in der Möglichkeit, das Werkstück innerhalb des Prozesses zu messen. Noch vor dem ersten Schnitt wird über einen Messtaster die exakte Umfangs- und Längslage des Rohteils in der Maschine festgestellt. Die Bearbeitung erfolgt dann relativ zu diesen ermittelten Bezugspunkten. Dadurch sind Spannfehler ausgeschlossen und die Drehbearbeitung des Rohteils kann beginnen.
Bleibt freilich die Frage offen, wie nun die Hubzapfen hergestellt werden? Dies geschieht durch einen Stirndrehfräser, der durch Interpolation der drei Achsen X, Y und C dem exzentrisch rotierenden Hubzapfen folgt und als Summe der Bewegungen einen exakt kreisrunden Querschnitt fräst. Zapfen, die breiter sind als der Fräserdurchmesser, werden durch einen zusätzlichen Vorschub in Längsrichtung Z erzeugt.
Besonders kritisch ist hier die Fertigung von Freistichen und Entlastungsnuten. Prinzipiell gibt es drei Typen von Freistich. Was sie im Kern unterscheidet, ist der Schwierigkeitsgrad. Werden mit den ersten beiden über schräg gestellte Fräswerkzeuge noch befriedigende Ergebnisse erzielt, galten bei der dritten Variante Profilverzerrungen bislang als unvermeidbar. Dank einer Neuentwicklung der Linzer Werkzeugmaschinenspezialisten lassen sich diese Freistiche nun jedoch auch durch eine Drehbearbeitung erzeugen. Bei der Maß- und Oberflächengüte müssen keine Abstriche gemacht werden.
Der Trick dabei? Ein Drehwerkzeug folgt der exzentrischen Rotation des Hubzapfens, wobei seine Synchronbewegungen intern über die Steuerung generiert werden. Um eine perfekte Kontur des Freistichs zu erzeugen, wird die Synchronbewegung durch zwei zusätzliche Bewegungen der X- und der Z-Achse überlagert. Die erforderliche Schnittgeschwindigkeit resultiert aus der Rotation des Hubzapfens und der Synchronbewegung des Werkzeuges. Ein Softwarepaket, das WFL eigens für Anwendungen dieser Art entwickelt hat, erleichtert die Generierung der NC-Programme.
So ist auch die Herstellung der Ölbohrungen per B-Achse in sämtlichen Winkellagen problemlos möglich. Mittels 80 bar Kühlmitteldruck durch die Frässpindel ist der Einsatz hochproduktiver Einlippenbohrer möglich. Unterschiedliche Abtriebsprofile und Verzahnungen können durch Einsatz von Abwälzfräswerkzeugen in hoher Qualität erzeugt werden. Durch die stufenlose Positionierung des Abwälzfräsers – dank der servogesteuerten B-Achse ist auch dies möglich – kann der Steigungswinkel des Fräsers kompensiert werden, was die Erzeugung diverser Verzahnungsquerschnitte erheblich erleichtert.
WFL gehört zu den Pionieren der Dreh-Fräsbearbeitung und bietet Technik für die Komplettbearbeitung schwieriger Teile seit mehr als zehn Jahren an. fi
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