Highly precise machining of truck engine cylinder bores

Manufacturing engines requires the highest level of precision. In order to ensure the best-possible engine properties, the corresponding surfaces in the engine block must be machined with the utmost accuracy. They have a complex geometry and numerous key characteristics (KC) for which the highest tolerance classes must be reliably observed. Depending on the engine type, these include multiple H7 fits, various areas with accuracy specifications less than 15 μm as well as chamfers with tight tolerances, including a 20° chamfer with an outlet, for which an angle tolerance of just ± 0.025° (1' 30") must be observed while meeting the high requirements in terms of surface quality at the same time. Aside from all the accuracy, the focus is also on cost-effective manufacturing.

A first line for machining these engine blocks was commissioned in 2011. When planning a second line, the persons responsible drew on their experience with the first line. They identified the machining of the bores for the cylinder liner adapters as particularly challenging. The machining was divided into two stations: one for pre-machining and one for fine machining.

To this end, MAPAL has developed complex actuating tools that are equipped with up to 20 indexable inserts, including ISO inserts and custom inserts. The actuating tools feature a tool body in monoblock design. The HSK-160 connection shows an enlarged face surface with a diameter of 200 mm. One tool weighs a total of up to 60 kg. Despite the connection and a tool length of 380 mm, it must be ensured that the tool has a radial run-out accuracy of 3 μm. The slides are actuated by a drawbar via an additional NC axis in the machine controller. It had to be integrated in the HSK connection and suitable for the automatic tool change. This challenge was solved with a high-precision bayonet coupling. It is used to couple the drawbar automatically during a tool change.Inside the tool, the movements of the drawbar are transferred to the slides by means of carbide ramps.

In order to achieve the required quantities, three bores are machined simultaneously with three spindles. The three tools per machine are each assigned to a particular spindle, thus ensuring process reliability. For each tool, there is a sister tool and a further reserve tool for regular maintenance work and repairs at MAPAL.

Die sehr hohe geforderte Fertigungspräzision der Aussteuerwerkzeuge für Mercedes-Benz macht einen großen manuellen Fertigungsanteil notwendig. Beispielsweise läppen die Spezialisten von MAPAL die Schieberschächte im Werkzeuggrundkörper von Hand. Auch die Genauigkeit der Zugstangenmechanik muss höchsten Präzisionsanforderungen genügen. Für jedes dieser Werkzeuge ergibt sich so ein manueller Arbeitsaufwand von mehreren Mannwochen.

Die Bediener vor Ort nehmen diese Art von Werkzeugen in der Regel aus der Maschine und gehen in den Arbeitsraum, um die Schneiden zu wechseln und einzustellen. Das ist für die Maschinenbediener aufgrund des Kühlschmierstoffs nicht nur unkomfortabel, die Maschine produziert in dieser Zeit nicht. Im Dreischichtbetrieb und bei drei Werkzeugen pro Maschine summiert sich diese Stillstandszeit theoretisch auf drei bis vier Stunden täglich. Ein inakzeptabler Wert.

Gemeinsam mit den Mitarbeitern von Mercedes-Benz und dem Maschinenhersteller hat MAPAL daher ein Konzept zum automatischen Werkzeugwechsel sowie zum Einstellen der Werkzeuge außerhalb der Maschine. Dieses Vorgehen ist grundsätzlich bei Bearbeitungsmaschinen durchaus üblich. Allein schon die Dimensionen der Werkzeuge machen es in diesem Fall allerdings zur Herausforderung. Eine Maschine mit automatischem Werkzeugwechsel stellt für diese Art der Bearbeitung und für diese Dimensionen eine Weltneuheit dar. Und so forderte das Projekt viel Innovationskraft und Mut bei allen Projektpartnern.

Damit das externe Einstellen so einfach wie möglich ist, entwickelte MAPAL passend zu den Werkzeugen die entsprechenden Geräte für Transport, Einstellung und Handhabung. Unter anderem eine Lösung für das Handling beim Ein- und Auswechseln der Werkzeuge ins Magazin, denn der Werkzeugeinsatz in der Bearbeitungsmaschine erfolgt hängend, was durchaus außergewöhnlich ist. Das hohe Werkzeuggewicht von rund 60 Kilogramm würde schon allein das zweimalige „Umdrehen“ des Werkzeugs zu hohen Belastungen für das Personal führen. Zudem spielt bei solchen Gewichten der Sicherheitsaspekt eine große Rolle. Auch das Risiko von Beschädigungen der Werkzeuge muss in die Überlegungen einbezogen werden. Die Lösung bieten zwei weltweit einmalige Sonder-Einstellgeräte von MAPAL, die die Werkzeug in hängender Position aufnehmen. Dazu kommt ein Wagen für den hängenden Transport zwischen Bearbeitungsmaschine und Einstellgerät. Die Werkzeuge werden so in der Lage transportiert und eingestellt, in der sich in der Bearbeitungsmaschine zum Einsatz kommen.

Die an den Einstellgeräten ermittelten Messergebnisse werden direkt auf einen RFID-Datenträger am Werkzeug übertragen. Die Steuerung der Bearbeitungsmaschine liest diesen Chip beim Einwechseln aus. So kann die Maschine während der Bearbeitung einen Teil der wichtigen Maße mithilfe der Aussteuerschieber nachstellen. Ab dem zweiten Werkstück sind die Ergebnisse der routinemäßigen QS-Messungen berücksichtigt. Dieser geschlossene Qualitätsregelkreis für die Werkzeuge hatte für Mercedes-Benz hohe Priorität.

Die zweite Fertigungslinie für LKW-Motorblöcke konnte planmäßig in Betrieb genommen werden. Die Werkzeuge erfüllen ihre Aufgabe gemäß aller Vorgaben, und Mercedes-Benz fertigt die Motorblöcke heute hochpräzise in Serie.