Energiesparen in der Produktion

Prozessketten verkürzen – Warmumformung von Edelstahl – Trocken bearbeiten

Den Wissenschaftlern des Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) gelang in Zusammenarbeit mit der Salzgitter Hydroforming GmbH eine Prozesskettenverkürzung im Bereich der Warmumformung von ferritischem Edelstahl. Gemeinsam wurden ein neues Verfahren zur temperierten Innenhochdruck-Umformung (IHU) von Edelstahlrohren sowie die dafür notwendige Werkzeugtechnik entwickelt.

In der Regel kommt bei der Herstellung komplexer IHU-Bauteile  aus Edelstahllegierungen ein mehrstufiger IHU-Prozess mit zwischengeschalteten Glühprozessen zum Einsatz. Durch die Erhöhung der Umformtemperatur auf Bereiche zwischen 850 bis 1100 °C konnten die Kaltverfestigung ausgeschaltet und das Umformvermögen des Werkstoffes deutlich erweitert werden. Die Glühprozesse sowie das IHU-Vorformen entfallen. Durch den Einsatz eines gasförmigen Wirkmediums ist zudem kein Waschvorgang mehr notwendig.

Mit der temperierten Innenhochdruck-Umformung ist die Fertigung der Bauteile damit in nur einem Prozessschritt möglich. Das spart Zeit und senkt die für das Verfahren benötigte Energie sowie Produktionskosten.

Energiesparend schleifen: Zielen statt Spülen

Werkstücke wie Zylinder oder Nockenwellen trocken zu bearbeiten hat viele Vorteile. Wasser, Energie und Kosten werden gespart, gleichzeitig werden der Ausstoß von Treibhausgasen verringert und die Luft in den Werkshallen verbessert. Für den Motorenbau  im Volkswagen Motorenwerk Salzgitter wird Metall bearbeitet. Beim Drehen, Fräsen, Bohren oder Schleifen von Metallen entsteht Reibungswärme. Die Wärme muss abtransportiert werden, damit Bauteil und Maschine nicht beschädigt werden.

Bisher wurde in vielen Prozessen die Nassbearbeitung genutzt: Hunderte Liter an Kühlschmiermitteln fluteten das Bauteil an der zu bearbeiteten Stelle. Das kühlte das Werkstück, schmierte die Maschine und entfernte heiße Späne. Der Aufwand dafür war immens: Das Kühlschmiermittel musste vorgehalten, zugeführt, abgepumpt, temperiert und wieder sauber gefiltert werden. Und an heißen Tagen verdampften Schmiermittel. Die Beschäftigten in den Werkshallen arbeiteten in ölgeschwängerter Luft, was zwar vom Arbeitsrecht gedeckt aber unangenehm war.

Eine Minidosis Sprühnebel reicht oft

In jüngerer Zeit setzt sich deshalb die so genannte Trockenbearbeitung durch. Die Verantwortlichen verändern dafür die Vorgänge an vielen Stellschrauben so, dass weniger Reibungswärme entsteht. Im Ergebnis braucht es gar kein Schmiermittel mehr oder nur sehr wenig, das dann gezielt eingesprüht wird – die so genannte Minimalmengen-Schmierung. Aluminium ist schwer zu bearbeiten. Hier geht die Entwicklung weiter. Das Motorenwerk ist Vorreiter bei der Fertigung von Aluminium-Zylinderköpfen mit Minimalmengen-Schmierung.

Herausforderung “Schleifen”

Im Rahmen eines Forschungsprojekts widmete sich VW einem besonders anspruchsvollen Bearbeitungsschritt,  die Minimalmengen-Schmierung – sie wurde erstmals erfolgreich eingesetzt, um Nockenwellen zu schleifen. Hier hat es der “letzte Schliff” in sich. Das Schleifen produziert deutlich mehr Reibungswärme als andere Arbeitsschritte. Die besondere Form der Nocken, große Reibungsflächen, die Stahlhärte und die erforderliche Passgenauigkeit der Teile sind weitere Eigenheiten des Vorgangs. Deshalb rechnet sich gerade hier eine Umstellung. Werkstücke und Werkzeuge wurden bislang pro Stunde mit 5.000 bis 7.000 Litern Kühl- und Schmiermittel geflutet. Das kann bis zu 80 Prozent des Gesamtbedarfs an Energie für diesen Arbeitsschritt ausmachen. Der eigentlichen Wertschöpfung dienen dagegen nur 20 Prozent der eingesetzten Energie. Das Werk in Salzgitter produziert pro Jahr m ehr als drei Millionen Nockenwellen – 9.000 am Tag. Eine Umstellung der Technik würde die Hälfte an Energie und Kosten in Höhe von 300.000 Euro einsparen.

Hightech an der Scheibe

Der verbesserte Prozess behält das Prinzip der Minimalmengen-Schmierung bei: Über zwei Kanäle wird Druckluft mit kleinsten Öltröpfchen vermischt und passgenau zwischen Schleifscheibe und Nocke gesprüht. Doch das allein genügt nicht. Zusätzlich hat die Schleifscheibe einen speziellen Belag aus einem Stück, um sie widerstandsfähiger zu machen. Die Eigenschaft der Schleifscheibe, Wärme aufzunehmen, verbesserte sich dank einer keramischen Schicht zwischen Schleifbelag und Stahlkörper sowie speziellem Kleber. Auch die Struktur des Schleifbelags mit gelaserten Löchern ist wichtig: Die Poren verteilen das Schmiermittel, sorgen für den Abtransport heißer Späne und reduzieren so die Reibungswärme. Eine Haube um die Schleifscheibe begrenzt den Funkenflug. Eine Druckluftdüse sorgt dafür, dass die heißen Späne in die richtige Richtung fliegen. So landen die Späne nahe einer Absaugvorrichtung, die sie schnell entfernt.

Serienreife in Arbeit

Was am Teststand der Nockenschleifmaschine funktioniert hat, muss sich nun in der industriellen Fertigung bewähren. Werkzeugmaschinenhersteller Junker und VW planen eine Pilotfertigung unter Serienbedingungen.
->Quelle: iwu.fraunhofer.de1;  iwu.fraunhofer.de2