Innovative Bohrwerkzeuge erhöhen die Rentabilität in der Autoindustrie
Juni 09, 2016
Paul Best & Todd Cox
Allied Machine & Engineering
Das Bohren von Löchern spielt in der Automobilherstellung eine entscheidende Rolle. Für jedes hergestellte Fahrzeug müssen Hunderte von Löchern gebohrt werden, darunter Komponenten wie Getriebewellen, Motorblöcke, Airbag-Treibstoffkammern, Nockenwellen und andere interne Motorteile. In jeder Produktionslinie für Kraftfahrzeugteile laufen die Förderbänder ununterbrochen, und effiziente Schneidwerkzeuge sind der Schlüssel zur Rentabilität. Jede Minute, in der eine Maschinenspindel stillsteht, ist eine Minute, in der Geld verloren geht. Clevere Hersteller wissen, dass sie selbst scheinbar kleine Änderungen an der Werkzeugkonstruktion in Angriff nehmen müssen, da sie einen großen Unterschied in der Effizienz der Bohrungsherstellung ausmachen können. Inzwischen gibt es innovative Schneidwerkzeugtechnologien, die sich nahtlos in einen Prozess integrieren lassen, ohne dass die Produktion unterbrochen werden muss. Die Einführung dieser Innovationen kann die Gewinnspannen von Automobilherstellern erheblich
steigern.
Einbindung von Werkzeugen in die Automobilfertigung
In der Vergangenheit wurden alle großen, hochvolumigen Zerspanungs- und Bohrvorgänge in der Automobilindustrie mit Transferstraßen auf speziellen Maschinen durchgeführt. Diese Maschinen verfügten über festgelegte Laufgeschwindigkeiten und große Ketten, die die Teile zwischen den Bearbeitungsstationen beförderten, wo sie auf die Ausführung des Vorgangs warteten. An einem Tag konnte nur eine bestimmte Anzahl von Teilen gebohrt werden, und wenn eine Maschine ausfiel, musste die gesamte Anlage stillgelegt werden. Die Entwicklung von Bohrern, die die Arbeitsabläufe beschleunigten, brachte keinen Vorteil, da die Anlage nur mit der vorgesehenen Geschwindigkeit laufen konnte.
Dieser antiquierte Ansatz in der Automobilproduktion wurde in den 1970er und 1980er Jahren beibehalten, änderte sich aber langsam in den 1990er Jahren mit dem Aufkommen der computergesteuerten Maschinen (CNC). Die Automobilhersteller von heute setzen flexible CNC-Maschinen ein. Wenn Teile auf einer Maschine schneller gefertigt werden können, können sie auf die nächste Maschine übertragen werden, wodurch sich vielleicht ein Vorteil ergibt, der sich letztlich in höheren Einnahmen niederschlägt. Mit diesen neuen CNC-gesteuerten Transferstraßen können die Hersteller flexibler sein, Anpassungen nach Bedarf vornehmen und alle neuen Fortschritte bei den Schneidwerkzeugen nutzen, die die Zykluszeiten verkürzen. Ohne frühere Systembeschränkungen können die Automobilhersteller Werkzeuginnovationen einbeziehen, um die Produktion zu steigern und mehr Geld zu verdienen. Die Zerspanungsindustrie entwickelt daher ständig neue Werkzeugkonstruktionen und Beschichtungen, die dazu beitragen, die Produktion der zeitaufwändigsten Teile zu beschleunigen und gleichzeitig die Qualität aufrechtzuerhalten, damit diese Autokomponenten andere Arbeitsgänge nicht behindern. Diese Steigerung des Durchsatzes kann zu erheblichen Kosteneinsparungen für die Hersteller führen.
Branchentrends, die die Metallzerspanung in der Automobilindustrie beeinflussen
Ein wichtiger Faktor, der die Metallzerspanung in den letzten 30 bis 40 Jahren beeinflusst hat, ist die langfristige Abschaffung von frei bearbeitbaren Metallen. Mit der Abschaffung von Blei in Metallen und dem Ersatz von Gusseisen durch Gusseisen mit Kugelgraphit (CGI) sind die in der Automobilindustrie verwendeten Metalle nicht mehr maschinenfreundlich, sondern extrem schwer zu bearbeiten. Das bedeutet, dass die Werkzeugkonstruktion angepasst werden muss, um die Spankontrolle zu verbessern, damit die Standzeit des Werkzeugs erhöht und die Bohrung gerader wird. Andere damit zusammenhängende Veränderungen in der Branche, die sich auf Werkzeuge für das industrielle Bohren auswirken, sind die Umweltgesetze in den Vereinigten Staaten, die die Verwendung von Chlor und Schwefel in Kühlmittelsystemen für das Bohren einschränken. (Das Ausmaß dieses Problems ist in Europa anders, wo die Trockenbearbeitung vorgeschrieben ist, bei der kein oder nur sehr wenig Kühlmittel verwendet wird, weil die Beseitigung von Kühlmittelabfällen durch Umweltschutzgesetze verboten ist). Der Verzicht auf Chlor und Schwefel hat zu einer Zunahme der Probleme mit Spanbildung am Schneidwerkzeug, Spanverkleben und einer geringeren Werkzeugstandzeit geführt. Einige Unternehmen gehen zur Vermeidung dieser Probleme zu Fast-Netto-Schmieden über, aber die Probleme werden weiterhin bestehen, da sich die Teile von Schmied zu Schmied immer unterscheiden werden.
Die Herausforderungen, die durch diese Umweltverbesserungen entstanden sind, haben die Hersteller von Werkzeugen dazu inspiriert, innovative Wege zu finden, um die Leistung ihrer Werkzeuge zu verbessern und gleichzeitig eine gesündere Umwelt für die Beschäftigten in der Fertigung zu fördern.
Innovative Werkzeuge machen ältere Maschinen so leistungsfähig wie neue
Als Reaktion auf diese Trends in der Automobilproduktion, in der Wirtschaft und in der Gesetzgebung sucht der Markt nach Innovationen im Bereich Bohren und Ausbohren - sowohl bei den Maschinen als auch bei den Werkzeugen. Diese Innovationen sind es, die einem Automobilhersteller Geld einbringen.
So werden beispielsweise neue Dreh- und Bohrmaschinen mit Hochgeschwindigkeits-Werkzeugwechsel und genaueren HSK-Werkzeugspindeln (Hohlkegelschaft) auf den Markt gebracht. Es gibt aber auch viele Möglichkeiten, Werkzeuge zu entwickeln, die die Mängel älterer Maschinen ausgleichen. Der Einsatz von Werkzeugen des 21. Jahrhunderts auf Maschinen des 20. Jahrhunderts kann die Fertigungseffizienz erheblich verbessern und die Rentabilität steigern, so dass ältere Maschinen wie brandneue funktionieren. Die Verbesserung eines bestehenden Investitionsgutes kann für die Automobilhersteller von großem Vorteil sein, da die Finanzierung größerer Neuanschaffungen schwierig sein kann. Mit der Flexibilität der neuen CNC-Maschinen können neue
So werden beispielsweise neue Dreh- und Bohrmaschinen mit Hochgeschwindigkeits-Werkzeugwechseln und genaueren HSK-Werkzeugspindeln auf den Markt gebracht. Es gibt aber auch viele Möglichkeiten, Werkzeuge zu entwickeln, die die Mängel älterer Maschinen ausgleichen. Der Einsatz von Werkzeugen des 21. Jahrhunderts auf Maschinen des 20. Jahrhunderts kann die Fertigungseffizienz erheblich verbessern und die Rentabilität steigern, so dass ältere Maschinen wie brandneue funktionieren. Die Verbesserung eines bestehenden Investitionsgutes kann für die Automobilhersteller von großem Vorteil sein, da die Finanzierung größerer Neuanschaffungen schwierig sein kann. Dank der Flexibilität neuer CNC-Maschinen können neue Werkzeugverbesserungen nahtlos integriert werden, ohne dass die Produktionslinie für eine Umrüstung stillgelegt werden muss.
Ein Beispiel ist die Konstruktions- und Designarbeit, die Allied Machine & Engineering für einen Tier-1-Zulieferer eines großen Automobilherstellers an einer hochvolumigen Getriebewelle aus einer Stahllegierung, einem schlecht spanabhebenden Material, durchgeführt hat. Das vorhandene Werkzeug verwendete ein Kühlmittelsystem mit niedrigem Werkzeugdruck und kleinen Spindelkonen. Dadurch entstand ein sehr großer und abrasiver Span, der sich an der Außenseite des Bohrerhalters festsetzte, auf dem Grund der Bohrung lag und nicht abtransportiert werden konnte. Aufgrund der schlechten Oberflächengüte der Bohrung konnte das Werkzeug nur 200-400 Löcher pro Einsatz bohren und hatte einen hohen monatlichen Ausschuss von etwa 20.000 $.
Allied führte die Untersuchung zur Spanbildung in seinen eigenen Labors durch - außerhalb der Produktionslinie des Herstellers und nicht an dessen Spindel, so dass die Tests keine Produktionsausfälle verursachten. Das Forschungslabor bei Allied Machine ist in der Lage, die exakten Maschinenbedingungen und Pumpendrücke des Herstellers zu simulieren, so dass die Spanabfuhr optimiert werden konnte.
Das von Allied entwickelte Werkzeug war eine Spezialanfertigung, ein geführter T-A®-Bohrer, der es ermöglicht, länger gerade zu bohren, exaktere Löcher zu erzeugen und gleichmäßiger zu verschleißen. Der austauschbare Einsatzbohrer verfügt über einen einstellbaren Fixierstift, der die Präzision des Werkzeugs erhöht, einen vergrößerten Lagerdurchmesser am Halter und zusätzliche Kühlmittelauslässe im gelöteten Hartmetalllagerbereich des Dreifachbohrerhalters. Diese Konstruktion verringert das Spiel zwischen Halter und Klinge, erhöht aber die Unterstützung des Verschleißpolsters.
Dieser speziell entwickelte T-A-Bohrer wurde in Kombination mit einem neu entwickelten Spezialeinsatz verwendet, der die Aufbauschneide reduziert. Die Wendeschneidplatte ermöglichte dem Automobilhersteller eine bessere Spanbildung, eine höhere Standzeit, eine geringere Spindelbelastung und eine glattere Schneidkante.
Die kombinierte, speziell entwickelte Werkzeugtechnologie ermöglichte es den Niederdruckmaschinen, eine deutlich bessere Leistung zu erbringen, die mit der moderner Hochdruck-Kühlmittelmaschinen vergleichbar ist. Dieser Bohrer erzeugt eine sehr kleine und überschaubare Spanbildung, die Späne werden über die Spannuten abgeführt, und alle Riffelungen auf der Innenseite der Welle wurden beseitigt. Das neue Werkzeug erzeugt eine hervorragende Oberflächengüte, spart etwa 240.000 Dollar pro Jahr an Ausschuss und erhöht die Lebensdauer des Werkzeugs um 280 Prozent. Mit jeder Wendeschneidplatte können etwa 1200 Löcher gebohrt werden - 3 bis 6 Mal mehr als mit dem vorherigen Werkzeug.
Ein weiteres Beispiel für Innovation ist eine Anwendung zum Bohren von Löchern in der Treibstoffkammer von Airbags, an der Allied Machine kürzlich für ein Unternehmen gearbeitet hat, das 7 Millionen Stück pro Jahr produziert. Das Unternehmen hatte auch Probleme mit der Spanbildung; die Größe des Spans führte dazu, dass im Inneren des Teils praktisch eine "Barbierstange" entstand, was dazu führte, dass eine große Anzahl von Teilen ausgeschnitten werden musste.
Die Forscher im Allied-Labor untersuchten das Problem, um die Symptome zu verstehen, und entwarfen dann ein Werkzeug, das speziell auf die Arbeitsweise des Unternehmens und sein Material zugeschnitten war. Sie entwickelten eine Spitze mit der richtigen Geometrie für die Spanbildung, mit der die optimale Größe des Spans aus der Bohrung entfernt werden kann. Mit dem speziell entwickelten geführten T-A-Bohrerkörper und dem maßgeschneiderten Bohreinsatz spart der Kunde drei Sekunden pro Stück - und 7 Millionen mal 3 Sekunden bedeuten eine Menge Zeit - und eine Menge Geld.
Dieses speziell entwickelte Werkzeugdesign wurde seitdem in einer Vielzahl anderer Automobilanwendungen auf der ganzen Welt eingesetzt, einschließlich eines Werkzeugs, das für die Herstellung von Kurbelwellenenden konzipiert ist. Ein neues Gewindefräswerkzeug und ein innovativer Schnellwechsel-Reibkopf sind weitere aktuelle Beispiele dafür, wie Werkzeuge eingesetzt werden können, um einen Vorteil zu erzielen.
Dank flexibler moderner CNC-Fertigungsanlagen können alle auf den Markt gebrachten Werkzeugverbesserungen problemlos integriert werden. Durch die Vermeidung größerer Umrüstungen, die hohe Investitionskosten und das Aufreißen von Anlagen für die Installation neuer Geräte erfordern, können die Hersteller viel Geld sparen und ihr Endergebnis verbessern.