Transferprojekt T4

Beherrschung von Unsicherheit in verketteten Bearbeitungsprozessen am Beispiel eines Powertrain-Bauteils

Das Transferprojekt T4 verfolgt das Ziel, die im SFB 805 entwickelten Methoden und Modelle zur Beschreibung und Beherrschung von Unsicherheit in der Prozesskette Bohren/Reiben auf eine unsicherheitsbehaftete mehrstufige Prozesskette anzuwenden.

Im Bereich Powertrain stellt die Bearbeitung von Ventiltriebkomponenten im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eine solche typische Abfolge verketteter Bearbeitungsprozesse dar. Dabei ist die zusammenhängende Betrachtung aller notwendigen Bearbeitungsschritte zur Bewertung und Auswahl von Bearbeitungstechnologien und Werkzeugkonzepten notwendig, um die auftretende Unsicherheit beherrschen zu können und eine prozesssichere Bearbeitung zu gewährleisten.

Motivation

Bohrungsfeinbearbeitung – Eingesetzte Werkzeugkonzepte und Auswirkung von Unsicherheit

Die Bohrungsfeinbearbeitung ist der qualitätsbestimmende Prozess innerhalb einer mehrstufigen Prozesskette zur Herstellung eng tolerierter Pass- und Präzisionsbohrungen. Ein häufig angewandtes Bearbeitungsverfahren ist in diesem Zusammenhang die Reibbearbeitung, die eine vorhandene Vorbohrung auf das vorgesehene Endmaß bearbeitet. Dabei kommen sowohl leistengeführte, einschneidige als auch mit Fasen ausgestattete mehrschneidige Werkzeuge zum Einsatz. Ein Vorteil mehrschneidiger Werkzeuge ist die erhöhte Produktivität durch den gesteigerten Vorschub pro Umdrehung, während einschneidige Werkzeuge insbesondere durch die Aufteilung der Funktionen „Führen“ und „Schneiden“ gezielt an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe angepasst werden können. Die bisher durchgeführten Grundlagenuntersuchungen identifizieren vier Störgrößen als relevante Unsicherheit bei der Bohrungsfeinbearbeitung. Zum einen ist dies ein auftretender Rundlauffehler, zum anderen ein Achsversatz zwischen Werkzeug- und Werkstückmittenachse, eine schräge Anbohrfläche sowie eine schräge Vorbohrung. Als Auswirkung dieser Störgrößen tritt eine Radialkraft auf, die das dynamische Verhalten des Gesamtsystems beeinflusst. Das Ergebnis ist eine Verschlechterung der erreichbaren Bohrungsqualität hinsichtlich der Zylinderform und der Konzentrizität, wodurch die geforderte Toleranz nicht eingehalten werden kann.

Die bisher durchgeführten Arbeiten verdeutlichen, dass die auftretende Unsicherheit bei der Bohrungsfeinbearbeitung einen signifikanten Einfluss auf die erreichbare Bohrungsqualität besitzt. Insbesondere das dynamische Verhalten des Werkzeuges kann die Bohrungsqualität hinsichtlich der Kreis- und Zylinderform sowie der Konzentrizität maßgeblich verschlechtern. Eine Wissenslücke im Hinblick auf den Einfluss auftretender Störgrößen besteht dahingehend, dass diese in der industriellen Praxis im Allgemeinen überlagert auf den Prozess einwirken und damit die Prozessdynamik beeinflussen. Auch ist eine Unsicherheitsbetrachtung innerhalb einer Prozesskette, in welcher mehrere Feinbearbeitungsschritte aufeinanderfolgen, bisher nicht Gegenstand der Forschung.

Auftretende Probleme bei der Fertigung von Zylinderkopfkomponenten

Die Endbearbeitung von Ventilführung und Ventilsitz im Zylinderkopf ist eine der anspruchsvollsten Aufgaben innerhalb der automobilen Serienproduktion. Die beiden Bauteile sind hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, die sich aufgrund der Erhöhung des effektiven Mitteldrucks im Rahmen der Vorgaben zur Senkung des CO2-Ausstoßes und des Down-Sizing-Effekts von Verbrennungsmotoren in den letzten Jahren nochmals signifikant gesteigert haben. Wurden bis in die 2000er-Jahre Ventilführungen und Ventilsitze üblicherweise aus Messinglegierungen hergestellt, so finden sich heute fast ausschließlich pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile in der automobilen Serienproduktion. Dabei handelt es sich vornehmlich um Bauteile aus hochlegierten Stählen mit einer Härte über 30 HRC. Dies führt zu einem starken Anstieg der Zerspankräfte. Gleichzeitig sind die Toleranzvorgaben stetig verschärft worden, so dass eine prozesssichere Bearbeitung ohne zusätzliche Prozessschritte nicht mehr gewährleistet werden kann. Es handelt sich bei der Bearbeitung der Komponenten um eine mehrstufige Prozesskette (vgl. Bild 1). Im Ausgangszustand liegt ein unbearbeitetes Gussteil, üblicherweise aus einer Aluminium-Legierung, vor. In dieses werden in einem ersten Schritt Passbohrungen zum anschließenden Fügen der Ventilführung und des Ventilsitzes in den Zylinderkopf eingebracht. Anschließend werden diese unter Krafteinwirkung oder über Kühlung der Ventilführungen und -sitzringe in die gefertigten Passbohrungen eingepresst und in einem letzten Prozessschritt endbearbeitet.

Bild 1: Unsicherheitsbehaftete Prozesskette in der automobilen Serienproduktion.

Die dabei auftretende Unsicherheit – in Form von auf den Nachfolgeprozess einwirkenden Störgrößen – wird jedoch in der automobilen Serienproduktion nicht beachtet. Die Überprüfung der Qualitätskenngrößen erfolgt auch aufgrund betriebswirtschaftlicher Zwänge erst nach der erfolgten Endbearbeitung. Die dominie-renden Störgrößen sind dabei ein Achsversatz zwischen Werkzeug- und Werkstückmittenachse sowie eine schräge Anbohrfläche. Beide bewirken eine Auslenkung des Werkzeuges während der instationären Prozessphase, was zu einem Nichterreichen der geforderten Bohrungsqualität führen kann. Auch die Entwicklung einer robusten Werkzeuggeometrie ermöglicht keine prozesssichere einstufige Bearbeitung der Ventilführung.

Zielsetzung und Vorgehen

Das übergeordnete Ziel des Transferprojekts T4 ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Bewertung und Auswahl von Bearbeitungsprozessen innerhalb einer unsicherheitsbehafteten Prozesskette wie der Bearbeitung von Ventiltriebkomponenten im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors auf Basis der im SFB 805 erarbeiteten Methoden. Die Beherrschung von Unsicherheit erfolgt durch den Einsatz von unter Unsicherheitsaspekten optimierten Bearbeitungswerkzeugen und angepassten Bearbeitungsstrategien. Mit der Entwicklung von Entscheidungsmethodiken kann eine zielgerichtete Auswahl robuster Werkzeuge erfolgen und so die für die jeweilige Prozesskette optimale Bearbeitungsfolge ausgewählt werden. Damit ist neben einer Steigerung der Bearbeitungsqualität auch eine Erhöhung der Produktivität verbunden.

Die Methoden zur Realisierung bauen auf den Erkenntnissen aus den ersten beiden Förderperioden des SFB 805 auf. Durch die Betrachtung einer komplexen Prozesskette müssen diese Erkenntnisse jedoch systematisch erweitert werden. So sind alle relevanten Bearbeitungsverfahren bzw. –varianten bei der rechnergestützten Auslegung der Prozesskette zu berücksichtigen. Dies erfordert eine Erweiterung bestehender Modelle um den Aspekt der leistengeführten Reibwerkzeuge. Zudem müssen die Auswirkungen durchgeführter Bearbeitungen in den nachfolgenden Prozessschritten berücksichtigt werden, um die Unsicherheit in der gesamten Prozesskette beherrschen zu können und somit prozesssichere Bearbeitungsfolgen zu ermöglichen.

Entwicklung und Konstruktion eines Versuchsstandes zur Abbildung der unsicherheitsbehafteten verketteten Bearbeitungsprozesse im Zylinderkopf

Es erfolgt eine Identifikation bisher unbeachteter Unsicherheit innerhalb der Bearbeitungsprozesse bei der Ventilführungs- und Ventilsitzbearbeitung. Insbesondere in den Fokus rücken dabei mögliche Schwankungen in den Abmaßen und den Werkstoffeigenschaften des Zylinderkopf-Rohteils, der Ventilführungs- und Ventilsitzring-Rohlinge sowie den Vorbearbeitungsschritten zur Herstellung der Passbohrungen und dem Fügevorgang der Sinterbauteile. Unter Berücksichtigung der identifizierten Einflussgrößen wird ein Modell-prozess abgeleitet und dafür ein entsprechender Versuchsstand für den Einsatz auf vorhandenen Bearbeitungszentren konzipiert.

Implementierung eines Simulationsmodells für leistengeführte Werkzeuge

In der industriellen Serienfertigung werden alternativ zu Mehrschneiden-Reibahlen auch leistengeführte, einschneidige Reibahlen eingesetzt. Zur Auslegung einer unsicherheitsoptimierten Prozesskette ist daher die Berücksichtigung dieser unabdingbar. Die in den ersten beiden Förderperioden bereits entwickelten Modelle können dabei als Ausgangspunkt benutzt werden. Einschneiden-Reibahlen erfordern im Gegensatz zu Mehrschneiden-Reibahlen eine Auslenkung des Werkzeuges zur Funktionserfüllung.

Implementierung eines Simulationsmodells der unsicherheitsbehafteten Prozesskette

Die Auswirkungen von Werkzeugverschleiß auf das Verhalten des dynamischen Gesamtsystems „Werkzeug“ sind bisher nur unzureichend untersucht worden. Im Rahmen der Erstellung eines ganzheitlichen Modells zur Abbildung der Prozesskette wird diese Auswirkung explizit über alle Teilmodelle mit spanenden Bearbeitungsprozessen berücksichtigt.

Auslegung einer unsicherheitsoptimierten Prozesskette mittels Robust Design

Auf Basis der vorherigen Arbeiten und unter Anwendung wird das Ziel verfolgt, eine unsicherheitsoptimierte Prozesskette auszulegen und sowohl unter Laborbedingungen verifiziert als auch in einem anschließenden Feldversuch in der automobilen Serienproduktion zu erproben.

  Name Kontakt
Teilprojektleiter
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele, Institutsleiter
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele
+49 6151 16-20478
Wissenschaftliche Mitarbeiter/innen
Dr.-Ing. Christian Bölling
+49 6151 16-20841