Unrund drehen auf dem Zentrum

Oliver Munz

Im Automobilbereich, speziell im Motorenbau, aber auch in zahlreichen weiteren Branchen, besteht der Trend zur Verformungskompensation. Dazu werden Veränderungen der Bauteile, die während des Einsatzes aufgrund starker mechanischer oder thermischer Einwirkungen entstehen, schon im Vorfeld präzise kompensiert. Das lässt sich beispielsweise durch unrunde, nicht-zylindrische Innen- und Außenkonturen realisieren. Konkret bedeutet dies: Beispielsweise eine Bohrung im Bauteil wird so hergestellt, dass sie unter Belastung die optimale Form erreicht. Dadurch werden Einflüsse wie Reibung oder Kerbwirkung verringert, und das trägt unter anderem zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch bei.

Die Mapal Tooltronic mit aufgesetztem Aussteuerwerkzeug CAT (Contour Actuating Tool) ist das ideale Werkzeug, um nahezu jede beliebige Zylinderform – etwa Konturbohrungen – prozesssicher, flexibel und in kurzer Zeit zu fertigen. Denn mit Tooltronic-CAT kann auf einem Bearbeitungszentrum das Fertigungsverfahren des Unrunddrehens umgesetzt werden. Dabei erzeugt die gesteuerte, oszillierende Bewegung des Drehwerkzeugs die gewünschte unrunde Geometrie.

In der Praxis ist das System bereits erfolgreich im Einsatz. Ein Zulieferer der Automobilindustrie bearbeitet beispielsweise die Kolbenbolzenbohrungen mit dem mechatronischen Aussteuerwerkzeug. Um bei diesem Bauteil aus einer AlSi-Legierung Verformungen zu kompensieren, werden die Bohrungen in Trompetenform mit ovalem und elliptischem Querschnitt eingebracht. Dabei erfolgt die Bearbeitung mit einer Drehzahl von 2200 min-1, einem Vorschub von 0,08 mm pro Umdrehung und einem Aufmaß ap von 0,1 mm, erklärt Bernd Essig, Leiter Entwicklung Mechatronische Systeme bei Mapal.

Auch die Kolbenaußenfläche wird in der Automobilindustrie bereits mit der Tooltronic-CAT bearbeitet. Die im Vergleich zu einer Bohrung relativ große Fläche lässt Raum für die verschiedensten Freiformelemente und bietet damit zahlreiche Möglichkeiten, die Kolbenverkippung sowie thermische Verzüge zu kompensieren. Und warum das Ganze? In Zeiten von strengen Emissionsauflagen nutzen Automobilhersteller jede Möglichkeit, um CO2 einzusparen. Die Kompensation der Kolbenverkippung ermöglicht es, die zur Schmierung benötigte Ölmenge deutlich zu reduzieren.

Ebenso verhält es sich beim dritten Beispiel aus der Praxis – der Zylinderlauffläche im Kurbelgehäuse. „Hier werden schon seit langem unrunde Elemente hergestellt“, sagt Essig. Das sei Stand der Technik. Realisiert werde die Verformung bisher mit einer mechanischen Verspannung durch Honbrillen. „Diese Verformung ist allerdings limitiert, sie bietet nur begrenzte Möglichkeiten“, gibt er zu bedenken. Und an diesem Punkt setzt die Tooltronic-CAT an. Sie bietet differenzierte Möglichkeiten, die Verformung durch verschiedenste Außenkonturen zu kompensieren. Dies bietet neue Maßstäbe für die Auslegung der Antriebsteile.

Die Drehzahl, mit der gefertigt werden kann, ist abhängig von der Geometrie der jeweiligen Bohrung oder Außenkontur sowie dem notwendigen Hub. Bei ovalen Formen ist eine Drehzahl von bis zu 2200 min-1 möglich. Zudem kann mit der Tooltronic-CAT ein radialer Hub von bis zu 40 μm erreicht werden. Hochdynamische Aktoren machen diese radiale Durchmesseränderung möglich. Abhängig von der Spindeldrehzahl oszilliert der Aktor bei elliptischen Formen bis zu 100 Mal pro Sekunde.

Die hochdynamischen, vernetzten Aktoren sind das Alleinstellungsmerkmal, das das System auszeichnet. Denn: Die Werkzeugbewegung findet geregelt statt. Die Elektronik überwacht das Werkzeug laufend, misst dessen Position. Dies stellt zwar einen großen Aufwand dar, jedoch ist die Positionsmessung sowie die ständige, automatische Überwachung unabdingbar, um die komplexen Formen herzustellen.

Neben den Aktoren innerhalb der Tooltronic-CAT ist deren Vernetzung mit der Maschinensteuerung oder einer externen Rechnereinheit ein weiterer elementarer Bestandteil, um die „unrunden“ Konturen zu fertigen. Dazu bietet Mapal die Software CTCreator (Curve-Table-Creator) an. Über ein USB-Kabel kann die Tooltronic-CAT, die über eine eigene USB-Schnittstelle verfügt, mit der Rechnereinheit verbunden werden. Nach Eingabe der Daten der gewünschten Bohrung oder Freifläche, berechnet die Software die notwendigen Konturpunkte am Bohrungsumfang. Dadurch können auch die gewünschten Ebenen zur Kontrolle angelegt werden. Per Knopfdruck werden die Daten vom Rechner ans Werkzeug gesendet. Jederzeit ist während der Bearbeitung die grafische Kontrolle über 2D- und 3D-Modelle sowie die Kontrolle anhand der Werte, dargestellt in tabellarischer Form, möglich.

Das Ende der Fahnenstange ist hier noch nicht erreicht. Denn der Wunsch nach komplexeren und detaillierteren Konturen an Mantelflächen nimmt zu. „Wir wollen dafür mit noch höherer Werkzeugdynamik eine erstklassige Möglichkeit zur Bearbeitung bieten. Daran arbeiten wir“, sagt Essig. „Zudem arbeiten wir daran, die Technologie des CAT auf ein spezielles Zylinderbohrwerkzeug zu transferieren, um dort den Vorteil der Mehrschneidigkeit hinsichtlich der Bearbeitungszeit nutzen zu können.“ Ziel ist es, neue Möglichkeiten zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen zu eröffnen und damit bisher ungenutztes Potenzial zu erschließen.

Teamleiter Technisches Marketing,

Mapal Dr. Kress KG, Aalen