Industrie Die intelligente Fabrik der Zukunft. Kongress Mai 2014 Messe Wien

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1 Industrie Die intelligente Fabrik der Zukunft Kongress Mai 2014 Messe Wien

2 Einführung Bearbeitung von Stahlspritzschichten und Turboladern Reiben moderner Sintermetallführungen Fräsen von Aluminiumhybridbauteilen Bohren von Titan und Inconel Trochoidales Fräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe

3 MAPAL Weltweit Russland Indonesien Niederlassungen mit regionaler Produktion, Vertrieb und Service in 23 Ländern Mitarbeiter weltweit, davon ca in Deutschland Vertriebsvertretungen in 26 Ländern Umsatz 2013: 470 Millionen Euro

4 Unsere Kompetenzen Werkzeuge mit Wendeplatten Feste Werkzeuge Spanntechnik Mechatronische Systeme Services

5 Mitarbeiter und Maschinen Versuch & Entwicklung in Aalen Ingenieure : 15 Techniker: 15 Fachpersonal: 6 Versuchsmaschinen: 11

6 Verbrauchsenkung als Entwicklungsziel Viele Bestandteile des Automobils verändern sich durch dieses Ziel. Schlagworte Neue Konstruktionen Neue Werkstoffe Hochfeste Stähle, Guss Downsizing (Turboaufladung) Motor / Antriebsstrang Elektromobilität Sinterwerkstoffe Energieeffizienz / Ressourcenschonung Chassis Aluminium (Hybride) Hybridtechnologie Karosserie / Aufbau Titan, Inconel Leichtbau CFK, GFK, Stacks Neue Werkzeuge + Prozesse Beschichtung Neue Geometrien Hochharte Schneidstoffe Neue Prozesse

7 Einführung Bearbeitung von Stahlspritzschichten und Turboladern Reiben moderner Sintermetallführungen Fräsen von Aluminiumhybridbauteilen Bohren von Titan und Inconel Trochoidales Fräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe

8 MAPAL Werkzeugsysteme für LDS / PVA-Schichten Technologie für zukünftige Verbrennungsmotoren Strukturieren der Zylinderfläche im Aluminium vor dem Lichtbogen-Draht-Spritzen Gute Schichthaftung durch Verkrallen der Schicht Feinbearbeitung der harten LDS-Schicht Hohe Anforderung durch inhomogenen Schichtaufbau

9 Strukturierverfahren für LDS-Schichten Aktivierung der Oberfläche Strukturschneide Abdrücke von strukturierten Oberflächen Luft Luft Reibschneide Aluminium Aluminium Luft Aluminium

10 Zerspanung thermischer Spritzschichten Schichtzerspanung Beispielrechnung Bearbeitungszeit Bsp.1 Bsp.2 Schneidstoff PcBN Zylinderdurchmesser 75mm Zylinderlänge 140mm Vc=700m/min f=0,07mm/u Vc=120m/min f=0,2mm/u Bearbeitungszeit einschneidig t h = 40sec. Bearbeitungszeit einschneidig t h = 82sec.

11 Komplettbearbeitung Turbolader Bisheriger Werkstoff: D5S Neue Werkstoffe: (20% Cr, 1,5% Nb)

12 Bearbeitung Turbolader Steuerbohrung Werkstoff: Bohren: Standzeit 350 Teile vc: 65 m/min n: 1370 U/min f: 0,16 mm/u Reiben: Standzeit 1700 Teile vc: 45 m/min n: 945 U/min fz: 0,15 mm/zahn f: 1,2 mm/u

13 MEGA-SPEED-DRILL

14 MEGA-SPEED-DRILL Entkopplung von Führungsfase und Hauptschneide kein Klemmen! asymetrisches Design, weniger Schwingungen bessere Rundheit! hinten größer werdende, polierte Spannuten sichere Späneabfuhr, gute Bohrungoberfläche! besonders zähes Substrat mit verschleissfester Mehrlagenbeschichtung hoher Widerstand gegen Verschleiß und Ermüdung! Freie Nebenschneide Führung 2 Führung 1

15 Bearbeitung Turbolader Abgasseite-Vorbearbeitung T103-OP10 / Mat. Nr WP Präzisions-Aufbohrwerkzeug Schnittdaten: Ø49/70,5/73/90mm: vc = 70m/min Fase 10 f = 0,4mm/U

16 Einführung Bearbeitung von Stahlspritzschichten und Turboladern Reiben moderner Sintermetallführungen Fräsen von Aluminiumhybridbauteilen Bohren von Titan und Inconel Trochoidales Fräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe

17 Zylinderkopftechnologie ändert sich Auslöser sind neue Treibstoffe und kleinere Abmessungen Extrem harte Sinterwerkstoffe Neue Anforderungen durch hohe Verdichtung, Turboaufladung, Gasmotoren Winkeltoleranzen an der Dichtfase Kleinere Durchmesser in Ventilsitz und -führung Koaxialität von Führung und Sitz Verfügbare Maschinen und Personal Produzierte Stückzahlen Ein- oder Mehrspindelmaschinen

18 Ventiltriebwerkstoffe-Trends

19 PKW-Otto- und Dieselmotoren Motorenentwicklung Erhöhte spezifische Leistung durch Downsizing Erhöhte Anforderungen durch Umsetzung der Abgasvorschriften (Euro 6, RDE, WLTP), insbesondere bezüglich CO2- Emissionen: Extreme thermische Beanspruchung, z.b. durch Umsetzung von Lambda-1 zur Erzielung einer optimierten Verbrennung (Ottomotoren) Vermehrter Einsatz von alternative Kraftstoffen (Alkohol E10-E85, LPG, CNG) bei Ottomotoren Vermehrter Einsatz von zweistufige Aufladung, erhöhter Spitzendruck bei Dieselmotoren Erhöhter Einsatz von Abgasrückführung über das gesamte Motorenkennfeld bei Dieselmotoren Saubere Verbrennung, d.h. reduzierte Schmierwirkung von Verbrennungsprodukten bei Dieselmotoren Entwicklungen Ventilsitzring & Ventilführung Hochverschleißfeste Werkstoffkonzepte, die auch unter reduzierten Schmierbedingungen (reduzierte Verbrennungsprodukte) ausreichende Verschleißbeständigkeit aufweisen Einlass VSR: kostenoptimierter, pulvermetallurgisch hergestellte VSR ohne Cu-Infiltration, erhöhter Co- Anteil zur Erhöhung der Festigkeit und Verringerung der Adhäsionsneigung sowie speziellen Hartphasen zur Verbesserung des Verschleißverhaltens hohe Anforderungen an Bearbeitbarkeit aufgrund durch Sinterporen unterbrochenem Schnitt Auslass VSR: erhöhter Anteil von pulvermetallurgisch hergestellten VSR mit Cu-Infiltration auf Basis neuartiger Tool-Steels mit speziellen intermetallischen Phasen und Festschmierstoffen mit erhöhter Härte und Warmdruckfestigkeit hohe Anforderungen an Bearbeitbarkeit aufgrund von inhomogener Gefügestruktur Ein- & Auslass VF: neuartiges VF-Konzept mit bainitischem Gefüge sowie verschleißmindernder Hartphase sowie verbesserten Notlaufeigenschaften unter Mangelschmierung; erhöhte Warmfestigkeit im Verglich zu konventionellen VF-Werkstoffen MAHLE Ventiltrieb GmbH, EEV80ST, Heiko Heckendorn, 02. Mai 2014 Vertraulich MAHLE

20 Verschleissrate in Abhängigkeit des Brennstoffs Benzin mit Alkoholanteil E0 - E85 : der Verschleiss steigt mit dem Alkoholanteil Autogas (LPG: Liquefied Petroleum/Propane Gas) Verschleissrate vergleichbar mit E85, gesteigert gegenüber Benzin Erdgas (CNG: Compacted natural gas) Verschleissrate gesteigert gegenüber LPG und sehr gesteigert gegen Benzin (schlechtester Fall) (SAE ) MAHLE Ventiltrieb GmbH, EEV80ST, Heiko Heckendorn, 02. Mai 2014 Vertraulich MAHLE

21 NFZ-Motoren Motorenentwicklung Nach Einführung von Euro 6 in 2013 sind keine weiteren Emissionsanpassung geplant (Änderungen in Europa erwartet, z.b. mögliche CO2-Begrenzung) Total Cost of Ownership (TCO) wird zukünftig der Haupttreiber für Entwicklungen sein Trends: Erhöhter Mitteldruck bis zu bar und erhöhte spezifische Auslastung Vermehrter Einsatz von alternative Kraftstoffen, z.b. Biogas, LNG, CNG Entwicklungen Ventilsitzring & Ventilführung Hochverschleißfeste Werkstoffkonzepte mit erhöhter thermischer Beständigkeit und Eignung für alternative Kraftstoffe, d.h. ausreichende Verschleißbeständigkeit unter reduzierten Schmierbedingungen Einlass VSR: Verschleißfeste, hochlegierte martenitische Werkstoffe auf FE-Basis mit hoher Warmfestigkeit und Warmhärte (50-60 HRC); auch: erhöhte Relaxationsbeständigkeit Auslass VSR: Vermehrter Einsatz von hochverschleißfesten Sonderlegierungen auf Co-Basis, hergestellt über pulvermetallurgische Verfahren, mit optimierter Bearbeitbarkeit gegenüber äquivalenter konventioneller Gusswerkstoffe; Härte HRC, extrem hohe Warmdruckfestigkeit (Anm. diese Werkstoffkonzepte werden z.t. auch im Einlass benötigt) Ein- & Auslass VF: neuartiges VF-Konzept mit bainitischem Gefüge sowie verschleißmindernder Hartphase sowie verbesserten Notlaufeigenschaften unter Mangelschmierung; erhöhte Warmfestigkeit im Vergleich zu konventionellen VF-Werkstoffen = Pkw-Otto- und Dieselmotoren MAHLE Ventiltrieb GmbH, EEV80ST, Heiko Heckendorn, 02. Mai 2014 Vertraulich MAHLE

22 Downsizing bedingt kleinere Ventilführungen MAPAL bietet Lösungen mit festen Schneiden oder Wechselplatten Führungsleistenwerkzeug für Ventilführung ø5 H7 Hartmetallschaft bringt höchste Stabilität µm-genaue Justierung der Schneide v c = 55 m/min v f = 220 mm/min PKD Vollkopf MAPAL Einschneider

23 Einführung Bearbeitung von Stahlspritzschichten und Turboladern Reiben moderner Sintermetallführungen Fräsen von Aluminiumhybridbauteilen Bohren von Titan und Inconel Trochoidales Fräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe

24 Mischbearbeitung HP-FaceMill Ø 125mm ; z = 22; R=0,6mm HP-FaceMill Ø125 ; z = 22; R=0,6mm n = 230 1/min v c = 90 m/min f z = 0,10 mm v f = 500 mm/min Ergebnis: R z < 8 µm Geforderte Ebenheit und Parallelität werden problemlos erreicht Standzeit: 6000 Teile Problemlösung: Durch geringe vc, PKD, positiven Spanwinkel und Emulsion

25 Bi-Metall Fräsen mit MMS Bedplate (Kurbelwellenträger) AlSi9 / Sint D30 Planfräsen mit Oberflächenqualität Rz < 4 µm Eckmesserkopf mit Durchmesser 160 mm KSS: Minimalmengenschmierung Problem: Aufbauschneidenbildung durch Si und C führt zu Riefen

26 Bi-Metall Planfräsen mit MMS Eckmesserkopf mit Durchmesser 160 mm Schneiden: SEMT R- HC vc = 400 m/min f = 1,2 mm (z = 8) KSS: Minimalmengenschmierung Problemlösung: durch beschichtetes Hartmetall, 15 Spanwinkel, Wiper

27 Einführung Bearbeitung von Stahlspritzschichten und Turboladern Reiben moderner Sintermetallführungen Fräsen von Aluminiumhybridbauteilen Bohren von Titan und Inconel Trochoidales Fräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe

28 Typische Bauteile und Materialien Moderne Flugtriebwerke: Verdichterscheiben aus Hochleistungsmaterialien Titanlegierungen finden Ihren Einsatz auch in vielen Bereichen der Rumpf- Flügel- und Leitwerkkonstruktionen Bauteile halten immensen Drücken, Temperaturen und Kräften stand Niederdruck- und Hochdruckverdichtern (NDV/HDV) und -turbinen NDV = LPC TITANIUM HDV = HPC INCONEL moderne Technologien: Verdichterscheiben in Form von Blisks (integrated blade & disk design = blisk) NDV-Bereiche Titan-Legierungen HDV-Bereich Inconel-Legierungen

29 Materialeigenschaften Inconelwerkstoffe Inconelwerkstoffe (600, 617, 625, 718 etc.) sind Nickelbasislegierungen, bestehend aus Ni ( %), Cr ( %), Co (..15%), Mo (.. 10%), Nb (.. 5%) hohe Oxidations-, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit hohe Zugfestigkeiten bis max N/mm² und Zähigkeit bei relativ geringer Härte (max. 300 HV30).

30 Bearbeitung von Inconel-Verdichterscheiben Ziel: Reduzierung der Bearbeitungszeiten Reduzierung der gesamtheitlichen Werkzeugkosten Längere Standzeiten Einsparung von Werkzeugwechseln Bohrprozess auf konventionellem BAZ höhere Prozesssicherheit Segment HDT-Scheibe (HPT-disk)

31 Bearbeitung von Inconel-Verdichterscheiben Typ 4: HPC-Drill Typ 1: Quadro-Drill Kein Anstieg von Axial-Schnittkraft und Drehmoment konstante Kräfte und Momente

32 Materialeigenschaften Ti-Legierungen Ti-Legierungen ( z.b. TiAl6V4) enthalten neben Titan hauptsächlich Aluminium und Vanadium hohe Korrosionsbeständigkeit, hohe Zähigkeit, hohe Zugfestigkeit (~1200 N/mm²) bei geringer Dichte und Härte Inconel- und Ti-Legierungen sind infolge der hohen Zähigkeiten bei gleichzeitig hohen Festigkeitswerten schwer zerspanbar schlechte Spanbildung (Aufbauschneide, lange Wickelspäne) hohe Wärmeentwicklung (Schneidendeformation)

33 Titan-Bohren Vergleich mit dem Wettbewerb (empfohlen vom Endkunden) Wettbewerbswerkzeuge produzieren lange Wickelspäne bei der zweiten Bohrung führte der Prozess zu einem Titan-Brand Zerspanungsversuche mit der HPC-Geometrie und unterschiedlichen Parameter-Paarungen Versuche: Schnittgeschwindigkeit vc = 40 m/min zeigt sich als Optimum Vorschübe = 0,15.. 0,45 mm/rev je höher die Vorschübe, umso besser die Spanformung und Spankontrolle

34 Einführung Bearbeitung von Stahlspritzschichten und Turboladern Reiben moderner Sintermetallführungen Fräsen von Aluminiumhybridbauteilen Bohren von Titan und Inconel Trochoidales Fräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe

35 Technologievergleich Trochoidales Fräsen Vollnut - Fräsprozess Trochoidal - statisch Trochoidal - dynamisch Umschlingungswinkel 180 Die mittlere Spanungsdicke hm ist nicht konstant. Das bedeutet ungleiche Belastung Der Eingriffswinkel ist maximal begrenzt. vf variiert während der Bewegung hm ist konstant. vf Vorteile gegenüber Vollnutfräsen: höheres Spanvolumen Nutzung der ges. Schneidenlänge höhere Standzeit vf Ihre Vorteile: geringste Wärmeentwicklung höchste Werkzeugstandzeiten maximales Zeitspanvolumen

36 Trochoidales Fräsen im Detail Kleine Eingriffwinkel bedeuten: kurze Aufheizphase lange Abkühlphase geringe Schneidentemperatur gute Kühlmöglichkeit geringer Thermoschock hohe Schnittgeschwindigkeit

37 Konventionelles vs. Trochoidales Fräsen Konventionelles Fräsen - großes a e - kleines a p - geringe v c - kleines f z Trochoidales Fräsen - kleines a e - großes a p - hohe v c - großes f z

38 Trochoidales Fräsen Kleines a e Eingriffsbreite Konstante h m Spanmittendicke Kleines Eingriffswinkel Geringe Schneidentemperatur Gute Kühlmöglichkeit Geringer Thermoschock Hohe Schnittgeschwindigkeit Keine dünne Späne kein Verkleben Konstante Wärmeabfuhr Hohe Oberflächengüte Kurze Aufheizphase Lange Abkühlphase Höchste dynamische Bahngeschwindigkeit Höchstes Zeitspanvolumen Geringste Schnittkraft Geringer Verschleiß Hohes Einsparpotential gegenüber der konventionellen Strategie Werkzeugauslegung Maschine CAM Software

39 Trochodiales Fräsen Performance EndMill- Uni-Trochoid Performance EndMill- Steel-Trochoid Performance EndMill- Titan-Trochoid universeller Einsatz Schneidlänge ~3xD Beschichtung MF3 Ø Bereich 6,00 20,00 mm Wuchtgüte G2.5 eigens entwickelte Spanteiler Inox-Bearbeitung Schneidlänge ~3xD Beschichtung MF2 Ø Bereich: 6,00 20,00 mm Wuchtgüte G2.5 eigens entwickelte Spanteiler Superlegierungen Schneidlänge ~3xD Beschichtung MF5 Ø Bereich: 6,00 20,00 mm Wuchtgüte G2.5 hochglanzpolierte Spannuten Anwendungsgebiet Baustähle, unleg. Stähle Grau- und Sphäroguss, Vermikularguss Temperguss Anwendungsgebiet legierte Stähle rostfreie Stähle säurebeständige Stähle Anwendungsgebiet Titan/ -legierungen Nickelbasislegierungen Toolox

40 MAPAL beherrscht den Gesamtprozess Spannfutter HighTorque Chuck HTC Höchste Drehmomentübertragung Sehr hohe Radialsteifigkeit Beste Dämpfungseigenschaften Rundlaufgenauigkeit < 3µm Verbesserte Thermostabilität

41 Trochoidales Fräsen V2A Material: V2A (1.4301) Kühlmittel: Luft 6 bar Werkzeug: PerformanceEndMill-Steel- Trochoid Schnittdaten Kontur: v c : 250 m/min. n: 6632 min -1 Spanmittendicke h m : 0,05 mm v f : a p : 6000 mm/min 34 mm Zeitstudie Vgl. zum Kon. Fräsen: Konventionelles Fräsen: ca min Trochoidales Fräsen: 7,75 min Zeitspanvolumen bei konventionellen Fräsen: 7,3 cm³/min Zeitspanvolumen bei trochoidalem Fräsen: 49 cm³/min

42 Trochoidales Fräsen Ti6Al4V Material: Ti6Al4V Kühlmittel: Emulsion Werkzeug: PerformanceEndMill-Titan- Trochoid Schnittdaten Kontur: v c : 180 m/min. n: 4774 min -1 Spanmittendicke h m : 0,07 mm v f : a p : 2920 mm/min 34 mm

43 Trochoidales Fräsen Inconel 718 Material: Inconel 718 Kühlmittel: Emulsion Werkzeug: PerformanceEndMill-Titan- Trochoid Schnittdaten Kontur: v c : 105 m/min. n: 2785 min -1 Spanmittendicke h m : 0,08 mm v f : a p : 2887 mm/min 34 mm

44 Trochodiales Fräsen Bearbeitung MAPAL Baum

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