28.09.2023

Structural parts in record time

HELLER Group company Wenzler and MAPAL pool knowledge

When a sports car manufacturer was running short on structural parts, it put its trust in the process expertise of the mechanical engineers at August Wenzler Maschinenbau GmbH. In order to meet ambitious deadlines set by the automobile manufacturer, the HELLER Group subsidiary Wenzler pooled its expertise with tool manufacturer MAPAL.

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Die 1954 gegründete August Wenzler Maschinenbau GmbH in Spaichingen kommt aus dem Sondermaschinenbau und hat über Jahrzehnte hinweg vor allem Rundtischmaschinen hergestellt, die vorzugsweise für die Produktion von Armaturen zum Einsatz kommen. 2009 wurde Wenzler von der HELLER Group übernommen. Das Maschinenportfolio wurde danach komplett verändert, vom ehemaligen Sondermaschinenbauer hin zum Standardhersteller von 5-Achs-Bearbeitungszentren. Wenzler ist in der HELLER Group für Lösungen im Bereich Strukturbauteile zuständig. Das Bearbeitungszentrum vom Typ VKM weist dabei die Besonderheit auf, dass bis zu zwei Zentren in einem Grundbett integriert werden können. Das ermöglicht ein kompaktes Layout bei guter Zugänglichkeit. In Verbindung mit hoher Agilität und der Verwendung von Minimalmengenschmierung ist diese Maschine ideal geeignet zur Zerspanung von Aluminiumstrukturbauteilen.
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Sein Bearbeitungszentrum VMK stattete Wenzler mit Spannvorrichtung, Prozess und einem Werkzeugsatz von MAPAL aus und stellte dem Automobilzulieferer damit eine Turn-Key-Maschine zur Verfügung.   ©Wenzler

Alle technologisch aufwendigen Komponenten, etwa die Rundachsen und die Hauptspindeln, bezieht Wenzler dabei von HELLER. Die translatorischen Achsen der Maschine befinden sich im Werkzeug und die rotativen Achsen im Werkstück. Das ermöglicht die Integration von Verfahrwegen mit den Abmessungen 1500 x 1250 mm.

Wenig Masse, hohes Tempo

Andere Maschinen dieser Größe sind in der Regel auf ein hohes Zerspanvolumen ausgelegt, was sie entsprechend schwer und langsam macht. Wenzler ist einen anderen Weg gegangen und hat eine sehr agile Maschine mit geringen Massen konstruiert. Für die Größe der Maschine ist das Zerspanvolumen bei Strukturbauteilen eher klein und wird mit leichten bis mittleren Schnitten erzeugt. Jedoch muss die Maschine, die vom Zerspanungsprozess herrührenden Schwingungen aufnehmen können. Die hohe Agilität ist für geringe Nebenzeiten entscheidend.

Ein typisches Bauteil ist der Fahrschemel, der in Fahrzeugen als Hinterachsträger fungiert. Er misst bis zu 1000 x 1000 mm und wiegt zwischen 25 und 30 kg. Damit bietet sich eine automatische Be- und Entladung der Maschine an. Der Arbeitsraum der VKM ist von zwei gegenüberliegenden Seiten gut zugänglich, was eine sichere räumliche Trennung von Roboter und Werker erlaubt. 

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Fahrschemel sehen bei allen Fahrzeugen sehr ähnlich aus, unterscheiden sich in ihrem Schwingungsverhalten bei der Bearbeitung aber deutlich voneinander. In jedem Projekt müssen daher die optimalen Zerspanungswerkzeuge gefunden werden.   ©Wenzler

Die Maschinen sind großteils als Turn-Key-Maschinen ausgelegt. „Uns ist es immer am liebsten, wenn wir neben der Maschine auch den Prozess, die Spannvorrichtung und die Werkzeuge als Komplettpaket liefern. Da haben wir die Gewissheit, dass alles gut funktioniert“, erläutert Wolfgang Wenzler, der das Familienunternehmen zusammen mit seiner Schwester Ingrid Wenzler in dritter Generation leitet. „Wir sind nach wie vor in erster Linie Systemanbieter. Das Anforderungsprofil unserer Kunden hat sich nicht verändert. Der Kunde kommt immer mit einem Werkstück, nennt Quantität und Qualität und möchte von uns die passende Lösung.“

Wenn es mal sehr schnell gehen muss, fallen Wenzler mitunter auch ungewöhnliche Lösungen ein. So wurden in der Vergangenheit auch schon Maschinen an Kunden ausgeliefert, obwohl die Konstruktion des Bauteils noch nicht abgeschlossen war und der Prozess dafür noch ausstand. Wenzler hat dafür die Entwicklung auf einer TechCenter-Maschine abgeschlossen, die in Spaichingen für solche Zwecke bereitsteht, und lieferte den Prozess nach. Diese Maschine wurde auch genutzt, als ein Sportwagenhersteller, der nicht über eine eigene Teilefertigung verfügt, dringend 3.000 Fahrschemel benötigte. Der Maschinenhersteller wurde kurzerhand zum Lohnfertiger und half dem Kunden aus der Bredouille. 

Die Qualität der Bauteile und das bei Wenzler vorhandene Prozessverständnis haben den Autobauer überzeugt. Vier Jahre später wandte er sich erneut an das Spaichinger Unternehmen. Wiederum ging es um die Fertigung von Fahrschemeln, das Unternehmen wollte eine Maschine mitsamt einem auf Minimalmengenschmierung ausgelegten Prozess kaufen. Damit startete der Sportwagenhersteller keine eigene Teilefertigung, sondern stattete seinen Zulieferer, eine Gießerei, aus, der aus eigener Kraft nicht auf die erforderliche Taktzeit für das Bauteil kam. 

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Blick in die Fertigung bei Wenzler, wo gerade zwei Maschinen des Typs VKM 2-2 mit jeweils zwei Spindeln und zwei autarken Kammern ausgebaut werden.  ©Wenzler

Von vier Stunden auf 16 Minuten

Das Gießereiunternehmen benötigte anfangs rund vier Stunden für die mechanische Bearbeitung des Achsträgers in mehreren Aufspannungen und kam auch nach verschiedenen Optimierungen nicht unter zwei Stunden. Mit diesem Output wäre das Produktionsziel von jährlich 4.000 Exemplaren der Sportwagen in Gefahr gewesen. Anhand der Daten analysierte Wolfgang Wenzler das Bauteil und kam zu dem Ergebnis, dass eine Taktzeit von 16 Minuten möglich ist. Das konnte nach seiner Einschätzung aber nur gelingen, wenn er MAPAL als Werkzeuglieferant für dieses Projekt mit ins Boot holen könnte. Die beiden Unternehmen arbeiten seit mehr als 40 Jahren zusammen und haben schon viele Projekte erfolgreich umgesetzt. Der Aalener Präzisionswerkzeughersteller bringt seine ganze Lösungskompetenz ein, es findet eine vertrauensvolle Zusammenarbeit auf Augenhöhe statt.

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Pooled their knowledge for the complex project (from left): Igor Ivankovic, Peter Krafft (both MAPAL), Ingrid Wenzler, Wolfgang Wenzler, Sebastian Knaus (all from Wenzler) and Sven Frank (MAPAL). Behind them a VKM 2-2 machine with two spindles and two autonomous chambers.  ©MAPAL

The special challenge here this time was the enormous time pressure as the project had to be completed within ten weeks. The “normal” timeframe for such a project is ten months. The blanks represented a further handicap. In car manufacturing, 4,000 parts are considered a small series. It would not have been economical for the foundry to invest a lot of time and money to optimise blanks like it would have for a large series. Instead, the blanks had very large sprues and required a lot of stock removal. And so a lot of aluminium still had to be machined during finishing.

Wolfgang Wenzler appreciates the cooperation with MAPAL: “It is impressive how accessible this company is. When it comes to making decisions, we reach the right people here very quickly, all the way up to management. Without long correspondence, we were given binding confirmation even by telephone, which was particularly important for this project.” MAPAL’s experience with PCD also came into play. Wenzler was able to profit from their enormous knowledge.

Three of the tool manufacturer’s technicians were involved in the project in Spaichingen. As a technical consultant for the client, Peter Krafft took care of all the questions that arose in everyday operation. Sven Frank is Global Head of MTB Management and thus responsible for machine manufacturers. Igor Ivankovic, Component Manager Chassis & Brakes, contributed his specialist knowledge about parts. “Thanks to this line-up, we were able to help very quickly; our expertise is available immediately from day one”, Frank explains. “We have also been focusing for years on process designs with minimum quantity lubrication to increase the sustainability of machining production. We were able to draw on extensive expertise.”

Four tools are the key

An analysis showed that the first four of a total of 26 tools were responsible for 60 percent of the cycle time. The others were only employed for a relatively short period of time. The tool manufacturer therefore knew where to start to improve performance. Right from the first meeting, MAPAL made concrete suggestions with regards to tool design. “You could notice that our two companies have a lot of experience in this field and all the necessary decisions can be made quickly”, Wolfgang Wenzler reports.

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Responsible for 60 percent of the cycle time: special attention was paid to these four tools when machining the subframe.  ©MAPAL
“Of course we gave thought at MAPAL to which tools we should use for such a small series”, Ivankovic explains. “As very long paths added up when machining all the individual cuts, there was no way around using PCD.” For the first machining step, a standard high-feed milling cutter NeoMill-2-HiFeed with carbide indexable inserts was chosen. With its maximum cutting depth of 17 mm, it mills the risers left over from casting.
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The machining situation on the subframes: lots of stock removal and some of the bearing bores still closed. Bores and threads are of minor importance for the cycle time.  ©MAPAL
Next, a PCD-tipped SPM milling cutter machines various contours. In order to manoeuvre the high ramp angles during helix milling, the tool is open on the face side. The premachining of the bore reduces the ensuing machining forces and offers more flexibility in varying stock removal situations. For the third machining step, the fine machining of the subframe bearings, MAPAL developed four possible PCD solutions. As it was not yet known during the project planning phase how the subframe bearings would be pressed in, a flexible custom solution was selected for the boring tool using exchangeable PCD inserts with an adjustable radius. The fourth and final tool is a PCD circular milling cutter – also a custom tool – which machines the control arm. The defined cutting-edge machining eliminates vibrations originating in the part or from the long projection length of the tool. All tools are optimally designed for use with minimum quantity lubrication.
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The structural part, a subframe, is held stable by a special clamping fixture on the Wenzler machine and can be machined from all sides in a single clamping setup.   ©Wenzler

Wolfgang Wenzler was relieved by the result: “With the tools from MAPAL, we were able to produce smooth surfaces from the very start. We were very happy about this. The milling noise was very solid, and we were able to achieve sensational cutting data.” His calculated cycle time also proved to be right on the dot. The first machining of a part in automatic operation was completed in 16 minutes, without any optimisation. Despite all their experience, every new structural part is always a challenge for Wenzler. The distribution of masses is somewhat different for every frame, which therefore exhibits unique vibrational behaviour.

Krafft was also very impressed by the quick processing: “The tools were put on the machine, and we were able to start production immediately. I’ve supervised a lot of projects, but they rarely ran with so few adaptations.” Sebastian Knaus, Technical Director at Wenzler, sees a number of reasons behind the extreme reduction in cycle time: “At first, the foundry only had slow machines available where standard tools were used that required many paths. Our performance approach was superior from the start. Additionally, they worked with three clamping setups.” Because the bridge is relatively slim in Wenzler’s VKM, machining could also be performed “over head”, which allowed the entire part to be machined in a single clamping setup.

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Die relativ schlanke Brücke der Wenzler VKM erlaubt die Komplettbearbeitung des Bauteils, da auch „über Kopf“ bearbeitet werden kann.   ©MAPAL
The supplied process may be a little “over technological”, Wolfgang Wenzler admits, but everything had to work straight away with this rush job. This also meant that the supplier had begun with production reliably and at high quality without any corrective measures. “Detailed production specifications and the skilled worker shortage could result in high-tech being deployed more often in the future to ensure processes run without a hitch”, Wolfgang Wenzler thinks. The project in Spaichingen has shown that low costs per part are even possible for relatively small series by deploying expensive solutions that save running time and correspondingly reduce machine times.

Kathrin Rehor, PR Project Manager at MAPAL

Contact

Kathrin Rehor Public Relations Kathrin.Rehor@mapal.com Phone: +49 7361 585 3342


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