Das Horn-Werkzeugportfolio. - Bild: Horn/Sauermann

Die Automobilindustrie war und ist Impulsgeber für das Horn-Werkzeugportfolio. - Bild: Horn/Sauermann

Menschen, die heutzutage vor dem Autokauf stehen, müssen sich nicht wie früher die Frage stellen, ob Diesel oder Benziner. Sondern sie haben eine Vielzahl an Auswahlmöglichkeiten, was das Antriebskonzept betrifft. In Deutschland und Europa steht gesellschaftlich und politisch zurzeit vor allem die Elektromobilität im Fokus. Aber ist die Elektromobilität die Lösung der Probleme, die zum Teil Verbrennungsmotoren verursachen? Denn auch Elektroautos sind nicht frei von CO2. Neben dem CO2-Ausstoß bei der Fertigung ergeben sich in fast allen EU Ländern erhebliche CO2-Emissionen durch das Aufladen der Akkus mithilfe des Stroms aus dem jeweiligen nationalen Produktionsmix. „Da auch batteriebetriebene Elektromobilität deutliche Schwächen hat, ist dieses Antriebskonzept meiner Meinung nach nur eine Übergangslösung.

Länder und Unternehmen, überwiegend im asiatischen Raum, haben aber mittlerweile erkannt, dass Wasserstoff, Brennstoffzelle und synthetische Kraftstoffe, die CO2-neutral zum Einsatz kommen könnten, jedoch tatsächlich das Potenzial aufweisen, eine langfristige Lösung zu sein“, so Lothar Horn, Geschäftsführer der Paul Horn.

Geschäftsführer Lothar Horn.- Bild: Horn/Sauermann
Lothar Horn, Geschäftsführer von Paul Horn.- Bild: Horn/Sauermann

In der Automobilindustrie ist neben der Stückzahlentwicklung der Wandel zu hocheffizienten Motoren und Hybridkonzepten ein wesentlicher Aspekt. Hierfür fragt die Automobilindustrie neue Werkzeugkonzepte nach. Da rein batterieelektrische Fahrzeuge aber andererseits weniger Werkzeuge in der Fertigung benötigen, steht fest, dass hier das Bearbeitungsverhältnis deutlich sinkt. Hintergrund ist die Komponenten-Vielfalt. Während bisherige Antriebskonzepte rund 4.000 Bauteile hatten, beschränkt sich ein rein elektrisches Antriebskonzept auf etwa 320 Bauteile.

Bei Hybridlösungen hingegen steigen die benötigten Bauteile mengenmäßig an. Hybridfahrzeuge werden in den nächsten Jahren einen wachsenden Anteil an der Summe aller Personenkraftwagen haben. Das Bearbeitungsvolumen wird dadurch mittelfristig entsprechend zunehmen. Es bleibt die Frage, wie sich der Komponenten-Wegfall durch den Elektromotor kompensieren lässt.

Weniger Abhängigkeit von speziellen Branchen ist gefragt

Lothar Horn: „Es ergibt in erster Linie grundsätzlich Sinn, sich breiter und dadurch auch branchenunabhängiger aufzustellen. Im Bereich Zerspanung gibt es eine Vielzahl von Branchen wie beispielsweise die Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Chemie, Medizintechnik sowie den Werkzeug- und Formenbau. Daher ist es auch eine strategische Entscheidung, in welche Richtung man sich entwickelt beziehungsweise entwickeln möchte. Hybride Lösungen führen zu mehr Zerspanung, rein batteriebetriebene Antriebslösungen benötigen deutlich weniger Zerspanung als bisher.“

Herstellung einer Verzahnung durch das Verfahren Wälzschälen. - Bild: Horn/Sauermann
Auch bei Elektromotoren spielt das Thema Verzahnen eine Rolle: Hier die Herstellung einer Verzahnung durch das Verfahren Wälzschälen. - Bild: Horn/Sauermann

Oft kommen zur Effizienzsteigerung Turbolader zum Einsatz. Diese bestehen zumeist aus hochwarmfesten und schwer zu zerspanenden Werkstoffen. Auch durch die Hybridisierung erfolgt eine Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren. Grundsätzlich ist es sinnvoll zu prüfen, ob man durch kundenspezifische Sonderwerkzeuge Leistungssprünge im Herstellungsprozess erreicht.

Neue Möglichkeiten der Zerspanung müssen genutzt werden

Auch neue Möglichkeiten der Zerspanung wie zum Beispiel Wälzschälen kommen dabei zum Tragen. Das Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen ist seit über 100 Jahren bekannt. Eine breitere Anwendung findet es aber erst, seit Bearbeitungszentren und Universalmaschinen mit voll synchronisierten Spindeln und verfahrensoptimierter Software die Anwendung dieser hochkomplexen Technologie ermöglichen. Jedoch ist hierbei festzuhalten, dass dies keine reine Lösung für Elektromobilität ist, sondern eine breite Anwendung auch im Bereich Aerospace und weiteren Branchenanwendungen findet.

Die batteriegestützte Elektromobilität mit ihren derzeitigen Lithium-Ionen – Akkumulatoren hat aber noch einen weiteren Effekt. Die Batterien benötigen, wie beispielsweise Hartmetallwerkzeuge auch, das Element Kobalt. Das größte Wachstum bezüglich wieder aufladbarer Batterien entfällt mit Abstand auf Anwendungen in der E-Mobilität, aber auch die Speicherung regenerativer Energien sowie mobile Applikationen wirken sich steigernd auf die zukünftige Nachfrage aus.

Aktuell gehen Prognosen des VDMA auf lange Sicht von einer steigenden weltweiten Jahresproduktion an PKW aus. Das Zerspanvolumen ist dabei antriebsabhängig. Des Weiteren zeigen die VDMA-Studien auf, dass Hybridfahrzeuge (Mild-Hybrid und Plug-in-Hybrid) in Zukunft vermutlich einen größeren Anteil einnehmen als rein batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, was zu einem erhöhten Zerspanvolumen führt.

„Bis es zu einer langfristigen Lösung im Antriebsstrang kommt, bleiben dem Endkunden eine Vielzahl an Auswahlmöglichkeiten – einschließlich moderner Diesel- und Benzinmotoren.“ so Lothar Horn und ergänzt: „Moderne Diesel- und Benzinmotoren haben auch künftig noch großes Potenzial.“

In einem Antriebsstrang kommen Kugel-Festgelenke und Kugel-Verschiebegelenke zum Einsatz. Die Kugelbahnen fräsen die Zerspanungspezialisten von GKN Driveline aus Offenbach in den Gelenkzapfen, das Gelenkstück und die Kugelnabe in hohen Stückzahlen. Für die aktuellste Prozessoptimierung mit dem Ziel zur Erhöhung der Werkzeugstandmengen, kontaktierte GKN den Werkzeugspezialisten Horn. Für den schon optimierten Prozess des Kugelbahnfräsens war eine weitere Optimierung das Ziel. Die Stellschraube hierzu war der Einsatz einer neuen Werkzeugbeschichtung.

Fräsen der Kugelnabe. - Bild: Horn/Sauermann
Fräsen der Kugelnabe mit dem Horn-Werkzeugsystem SX und der neuen Beschichtung AK6. - Bild: Horn/Sauermann

Neue Beschichtung bringt Vorteile

Bisher beschichtete Horn die SX-Werkzeuge mit einer Aluminium-Chrom-Nitrid basierten Schicht (AlCrN). Die Schichtdicke lag bei der alten Beschichtung bei vier Mikrometern. Durch die gemeinsame Entwicklungsarbeit mit dem Beschichtungsanlagen-Hersteller entstand die neue Beschichtung AK6. Die hochwarmfeste Schicht hat eine sehr gute Schichthaftung. Durch die Sputtertechnologie entstehen zudem keine Beschichtungsdroplets. Das hat den Vorteil, dass die Werkzeugoberfläche eine sehr glatte Struktur aufweist, da Rauheiten und Fehlstellen der Werkzeugbeschichtung sich negativ auf die Standzeit auswirken.

Der Bearbeitungsprozess der Kugelbahnen gestaltet sich wie folgt: Jede Kugelbahn wird mit zwei Zustellungen gefertigt. Mit einer Schnittgeschwindigkeit von 200 bis 300 m/min schruppt und schlichtet das Werkzeug jede Kugelbahn. Die Werkzeuge sind vier- oder fünfschneidig ausgeführt, die Bearbeitungszeit eines Bauteils mit sechs, acht oder zehn Kugellaufbahnen liegt zwischen 35 und 50 Sekunden, je nach Bauteilgröße und die Bahnen werden in das noch weiche Bauteil gefräst.

Der Härteverzug der induktiv gehärteten Kugellaufbahnen ist in dem vorgehaltenen Profil des Werkzeugs verrechnet. Die geforderte mikrometergenaue Bahnkontur wird somit erst nach der Wärmebehandlung erreicht. Das elliptische Schneidenprofil der Kugelbahnfräser schleift Horn mit einer Formtoleranz von unter 0,005 Millimeter. Dies ermöglicht die genaue Anpassung der Schneidenform an den zu erwartenden Härteverzug. Die neue AK6 Schicht mit einer Schichtdicke von knapp sechs Mikrometern ermöglicht je nach Werkstück Standzeiterhöhungen zwischen 30 und 70 Prozent.

Quelle: Paul Horn GmbH

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