01.05.2018
Using new solutions for a reliable process - relief bore is introduced in crancshafts
How an automobile manufacturer brings a new process safely into series production with MAPAL by its side as technology partner.
In cases where completely new machining processes are necessary for common components, innovative technology partners are needed to bring a new process safely into series production. In the course of downsizing, for example, a relief bore is introduced in crankshafts to reduce the weight. To reliably realise this bore through the different bearings in industrial-scale production, MAPAL has developed an appropriate tool concept that is already successfully in use.
To meet the requirements for smaller engines with increasing performance and reduced CO2 emissions, different adjusting screws are turned. In this way, new materials are developed that are lighter but more stable. Or the components of the engine are modified to reduce the rotating mass and in turn the fuel consumption. For example, crankshafts for different engines are
designed with a relief bore. This results in a significant weight reduction for the component.
designed with a relief bore. This results in a significant weight reduction for the component.
A new machining process
For the manufacturing of crankshafts, the relief bore entails an additional machining process. At Daimler AG, the process development, planning and tool management departments work closely together with the manufacturing department for this. However together with the internal parties, suppliers that provide the optimum tools are also needed for reliable machining.
When the process was first designed, tools from different suppliers were considered. To introduce the bore through the bearing of the crankshaft, several manufacturers developed concepts. The solution from MAPAL was convincing. Many employees of the precision tool manufacturer are permanently on site in production in Untertürkheim to fix problems and to
offer support during production. MAPAL has also done a lot of development work and performed trials during the entire time up to latest series. There is often a lack of time for this in mass production and so it is all the more worthwhile for manufacturing companies when a technology partner takes on this work.
offer support during production. MAPAL has also done a lot of development work and performed trials during the entire time up to latest series. There is often a lack of time for this in mass production and so it is all the more worthwhile for manufacturing companies when a technology partner takes on this work.
Four steps to a relief bore
The process for machining the relief bore of the crankshaft made of microalloyed steel is realised with a total of four specially designed tools with two cutting edges. Minimum quantity lubrication is used for cooling. The cover bore is pre-machined with the first solid carbide drill (diameter 19.2 mm). The second solid carbide drill (diameter 18 mm) manufactures the pilot bore through the first bearing. A replaceable head drill (diameter 18 mm) is used as the third machining step. It finishes the first bearing and drills through the second bearing. The remaining bearings are machined with an additional, long replaceable head drill TTD (diameter 18 mm) from MAPAL. This tool threads through the first two bearings at slow speed and low feed, supports itself in it and achieves the best results for machining the remaining bearings despite the long projection length. This specially designed replaceable head drill consists of a holder made of steel with CFS connection, a CFS replaceable head holder with a length of 119.2 mm
and finally the TTD replaceable head made of solid carbide. When machining the crankshaft of a 6-cylinder engine, the holder with CFS connection alone is 480 mm long.
and finally the TTD replaceable head made of solid carbide. When machining the crankshaft of a 6-cylinder engine, the holder with CFS connection alone is 480 mm long.
Gratbildung beim Hochfahren der Serie
Der vierstufige Bearbeitungsprozess lieferte in den Versuchen und der Serienfertigung mit niedriger Stückzahl die gewünschten Ergebnisse. Beim Hochfahren der Serie trat allerdings ein Problem auf. Am Ein- und Austritt der einzelnen Lagerbohrungen bildete sich bereits nach rund 100 Bohrungen ein Grat, der mit jeder bearbeiteten Bohrung größer wurde. So mussten die Bohrköpfe des dritten und vierten Bohrers bereits nach 100 Bohrungen gewechselt werden. Denn durch den Grat wäre die mechanische Bauteilsauberkeit nicht gewährleistet gewesen. Es dürfen keinerlei metallische Partikel am Bauteil zu finden sein. Diese könnten sich beim Betrieb des Aggregats lösen. Aufgrund dessen muss jeder Restschmutz und jedes metallische Partikel an den Bauteilen kategorisch ausgeschlossen werden.
Eine Entgratschneide ist die Lösung
Mit diesem Problem gingen die Verantwortlichen auf MAPAL zu. Die Gratbildung sollte möglichst schnell behoben werden. Allerdings ohne zum Entgraten ein weiteres Werkzeug einzusetzen. Denn dann hätte sich zum einen die Taktzeit verlängert und zum anderen hätte der Prozess neu aufgelegt werden müssen. MAPAL stellte sich dieser Herausforderung. „Wir haben intensiv in unserer Entwicklungsabteilung Lösungen erarbeitet und den Wechselkopfbohrer, der abschließend alle Lager bearbeitet, mit einer Entgratschneide ausgestattet“, erläutert Tobias Moser, der als zuständiger MAPAL Außendienstmitarbeiter das Projekt betreut. Die Entgratschneide ist gefedert direkt nach der Schnittstelle zum Wechselkopf am CFS-Wechselkopfhalter angebracht. In der Vorwärtsbewegung werden die Bohrungseintritte entgratet, beim Rückzug des Bohrers dann entsprechend die Bohrungsaustritte.
Der Langbohrer fährt also zum Anbohren mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 200 mm/min in die Bohrung ein. An einem definierten Punkt wird die Vorschubgeschwindigkeit auf 125 mm/min über einen Weg von 4 mm reduziert. Auf dieser Strecke erzeugt die Entgratschneide die Fase am Bohrungseintritt und wird gleichzeitig durch die Federung ins Innere des Halters gedrückt. So kann im Weiteren die Bohrung mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 375 mm/min bearbeitet werden. Beim Rückzug erfolgt dasselbe.
Seit September 2017 in der Großserienfertigung
Anfang des Jahres 2017 testete MAPAL das neue Konzept in der Abteilung Forschung und Entwicklung mit einer Original-Kurbelwelle. „Mit diesen Ergebnissen konnten wir gut arbeiten und das Werkzeug weiter optimieren“, sagt Moser. Das Resultat und die Geschwindigkeit der Optimierung überzeugten.
Im Sommer wurde es schließlich ernst. Das modifizierte Werkzeug mit Entgratschneide wurde auf der Maschine für die Serienfertigung getestet. Auch hier stimmte das Ergebnis und der Prozess inklusive Vor- und Rückwärtsentgraten der Bohrungen ist seit September 2017 in der Großserienfertigung im Einsatz. „Dank der Entgratschneide sind auch die Standzeiten der Werkzeuge weit höher als vorher“, sagt Tobias Moser. Die ersten beiden Bohrer werden nach 2.000 Bohrungen ausgewechselt, die Bohrköpfe der beiden Wechselkopfbohrer nach 800 Bohrungen. Und die Entgratschneide? Die muss erst nach 25.000 Bohrungen gewechselt werden. Damit ist dieser Prozess der neue Standard für die Erleichterungsbohrung der Kurbelwelle. Und wird aktuell auf zwei weitere Linien übertagen.
Taktzeit reduzieren mit dem Tritan-Drill
Doch trotz des sicheren und zufriedenstellenden Prozesses, wird natürlich weiter an Verbesserungen und der Optimierung der Werkzeuge gearbeitet. Der erste Schritt war, in der Großserie prozesssicher zu fertigen. Nun ist es die Aufgabe, die Bearbeitung noch wirtschaftlicher zu machen. Ein erster Schritt in diese Richtung ist schon getan. „Wir haben die Entgratschneide erst unbeschichtet eingesetzt, nun ist sie mit einer speziellen PVD-Beschichtung für noch mehr Standzeit versehen“, erläutert Tobias Moser. Um höhere Arbeitswerte fahren zu können und damit die Taktzeit weiter zu reduzieren, wird derselbe Prozess zudem aktuell an einer Testmaschine mit den dreischneidigen Pendants, verschiedenen Ausführungen des Tritan-Drills, zu den bisher eingesetzten Bohrern getestet. Mit überaus vielversprechenden Ergebnissen, wie Moser verrät: „Wenn alles nach unseren Erwartungen verläuft, werden wir noch im aktuellen Jahr die Werkzeuge umstellen können.“
