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Modernste Turbo-Fertigung bei ABB>> Die ABB Turbo Systems AG in Klingnau setzt im Rahmen ihrer Turbolader-fertigung auf zwei Stama-Fräs-Dreh-Zentren vom Typ MC 834/MT-Compact. Mit ihnen werden die ersten Operationen der Aluminium-Verdichterräder-Fertigung ausgeführt. Diese Bearbeitungsschritte tragen wesentlich zur Endge nauigkeit und Wuchtgüte bei. Die Anforderungen an Präzision und Prozesssicherheit sind so hoch, dass nur ein vertikales Fräs-Dreh-Zentrum in Frage kam.

In Hochglanz präsentiert sich die neue Halle für die ABB-Turboladerfertigung in Klingnau und zeigt eindrücklich auf, dass für ABB die Produktion in der Schweiz in hohem Mass wirtschaftlich ist. Wirtschaft-lichkeit ist allerdings kein Selbstläufer. Ein Rundgang durch die vollklimatisierte

80-Mitarbeiter-ABB-Zweigstelle zeigt auf, dass alles durchdacht ist: begonnen bei der Arbeitssicherheit, über die Logistik bis hin zur Produktion und Montage, kurz: eine Vorzeige-Produktionsstätte.

ABB setzt auf modernste Fertigungsme-thoden, denn nur so können die hohen

technologischen Anforderungen der Tur-bolader garantiert werden. Und nur mit hoher Prozesssicherheit und Produktivität ist es möglich, am Standort Schweiz wirt-schaftlich zu fertigen.

turbolader für diesel- und gasmotoren

Der ABB-Teamleiter im Werk Klingnau, Christian Hehs, gibt in diesem Zusam-menhang folgendes Statement ab: «Wir fertigen hier im ABB-Werk Klingnau Ver-dichterräder von Turboladern, sowie die zugehörigen Wellen. In unserer Montage werden die Turbolader anschliessend montiert. Eingesetzt werden sie in Klein-kraftwerken, Lokomotiven, Schiffsmoto-ren und Baumaschinen − im Prinzip für

im Fokus

unterschiedliche Ansprüche an turbos

ABB-Teamleiter Ch. Hehs hebt das umfassende Know-how bei ABB im Bereich der Turbolader-Entwicklung und -Fertigung wie folgt hervor: «ABB Turbo Systems AG macht die komplette Entwicklung der Turbos, die speziell auf den jeweiligen Motor abgestimmt ist. Das beinhaltet den Prototypenbau inklusive Versuche am Motor. Die Anforderungen können sehr unterschied-lich sein, bei einer Baumaschine müssen alle Drehzahl-bereiche berücksichtigt werden, ein Schiffsdiesel läuft fast immer mit der gleichen Drehzahl. Das ist ein kom-plett anderes Anforderungsprofil an den Turbo. Die Turbos müssen entsprechend diesem Anforderungs-profil entwickelt werden. Genau das beherrschen wir.»

Drehzahlen bis 750001/minEin Turbolader besteht im Prinzip aus einer Abgastur-bine im Abgasstrom, die über eine Welle den Verdichter im Ansaugtrakt antreibt.

Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, sodass während des Ansaugtaktes eine grössere Menge Luft in den Zylinder gelangen kann als bei ei-nem Saugmotor, der mit Atmosphärendruck arbeitet. Es steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer ent-sprechend grösseren Kraftstoffmenge zur Verfügung. Dadurch steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe erhöht.

Im Bild zu sehen, das aus Aluminium gefertigte Verdichterrad. Diese Turbos werden in Schiffsdiesel, Kraftwerken oder Bauma-schinen eingesetzt, um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte der Grossmotoren zu erhöhen.

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Diesel und Gasmotoren ab 500 kW auf-wärts. Das wichtigste Kriterium ist die Qualität. Wenn beispielsweise bei einem Schiffsdiesel der Turbolader ausfallen soll-te, können schnell Schäden in 6-stelliger Höhe entstehen. Insofern darf es zu einem technischen Ausfall erst gar nicht kom-men. 1a-Qualität ist unser oberstes Gebot. Qualität bezieht sich nicht nur auf die Aus-fallsicherheit, sondern auch auf eine hohe Leistungsausbeute. Der Wirkungsgrad muss optimal sein. Hier spielen die jeweili-ge Materialgüte und die Fertigungstole-ranzen eine entscheidende Rolle.»

Das ist kein Wunder, können Schiffsmo-toren doch problemlos Leistungen über 100 000 PS generieren. Dank eines Turbo-

laders wird die Leistung eines Grossmo-tors um 75 Prozent erhöht.

herz des turboladers: der rotor

Herz eines jeden Turboladers ist der Rotor. Im Bereich des Ansaugtraktes sind es Ver-dichteräder aus Aluminium, weil hier kei-ne hohen Temperaturen vorherrschen und die geringe Dichte sich auf das Ansprech-verhalten bezüglich Trägheit positiv aus-wirkt. Auf der Abgasseite müssen Turbinen aus temperaturbeständigem Chrom-Ni-ckel-Stahl eingesetzt werden, wegen der heissen Gasströme.

Ch. Hehs: «Der Fertigungsablauf bei uns in Klingnau läuft wie folgt ab. Wir können

direkt auf die CAD-Daten zurückgreifen und das CAM-Programm programmieren. Das wird bei uns in der AVOR erledigt. Zu-sammen mit dem Maschinenoperator wird auf kritische Bereiche, die wir mit unseren Mitteln nicht fertigen können, geprüft. Wenn etwas modifiziert werden muss, hal-ten wir Rücksprache mit der Entwicklung und besprechen eine mögliche Anpassung.»

Prozesssicherheit steht im mittelpunkt

Die wichtigsten Anforderungen an die Be-arbeitungsmaschine im Rahmen der Tur-boladerfertigung sind Prozesssicherheit und eine hohe Präzision.

Auf der Rückseite des Verdichterrades müssen hochpräzise Passungssitze und ein dreigängiges Gewinde gefertigt werden (Zentrierung). Im mittleren Bild das Ausdrehen der Innenbohrungen, die anschliessend hochpräzis gerieben werden. Im Bild rechts ist die anschliessende Vorderseitenbearbeitung auf dem zweiten Stama-BAZ zu erkennen.

Im linken Bild wird mit der Rückseitenbearbeitung begonnen. Gut zu sehen das Maschinenkonzept, das als Dreh-Fräszentrum konzipiert ist. Im Bild rechts ist die Vorderseiten-Innenbearbeitung zu sehen. Die Frässpindel (oben) fungiert als Drehstahlhalter und muss entspre-chend hohe Drehmomente halten können.

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Ch. Hehs: «Eine Vertikalbearbeitung war aufgrund der eingesetzten Reibahle Bedingung. Es muss eine exakt zentrische Passung gefertigt werden. Die Passungs-Bohrungen sind sogenannte ‹Schlüssel-bohrungen› zum Montieren und zum Auswuchten des Verdichterrades. Wir ha-ben Versuche gefahren und dabei er-kannt, dass die Reibahle auf einem hori-zontalen Drehzentrum nicht genügend genau positioniert werden kann. Das hat-te zur Folge, dass die Passungsbohrung

ausserhalb des Lage-Toleranzbereiches lag. Bei den horizontalen Drehzentren macht sich die Schwerkraft bemerkbar. Das ist bei den meisten Fertigungsoptio-nen vernachlässigbar, aber nicht bei un-serem speziellen Anwendungsfall. So mussten wir auf eine vertikale Fräs-Dreh-maschine zurückgreifen. Die Bohrungen sind auf +/–5 µm genau zu fertigen, so-dass sich eine Gesamttoleranz von maxi-mal 1/100 mm ergibt mit dem Ziel, 100 Pro-zent Gutteile zu fertigen.»

das maschinenkonzept

Für die Prozesssicherheit sorgt das Bear-beitungszentrum Stama MC 834/MT-Compact. Vom Maschinenkonzept wird die Frässpindel sowohl zum Fräsen/Boh-ren genutzt als auch als Werkzeughalter für die Drehbearbeitung.

Da bei der Schrupp-Drehbearbeitung der Aussenkontur hohe Kräfte am Dreh-stahl auftreten, ist eine Drehmomentstütze integriert, die die Frässpindel fixiert. So kann bis zur Leistungsgrenze des Dreh-tisches gedreht werden.

Mit 9000 kg Gesamtgewicht verfügt die Maschine über eine ordentliche Grund-masse, um etwaige Schwingungen erst gar nicht entstehen zu lassen. Die Verfahrbe-reiche sind wie folgt ausgelegt: X=800 mm, Y=520 mm und Z=510 mm. Das ist genü-gend Verfahrweg, um die Verdichterräder mit einem maximalen Gewicht von 5 kg zu fertigen.

recht flotte Bearbeitung

Darüber hinaus zeigt sich, dass es recht flott zugehen kann, der Eilgang liegt in al-len Achsen bei 60 m/min. Die Achsbe-

Im oberen Bild der Rohling und die auf den Stama-Zentren bearbeiteten Drehkonturen. Unten ein fertiges Verdichterrad.

en BreF

modernste turbo-Fertigung bei ABB

Die ABB Turbo Systems AG in Klingnau setzt im Rah-men ihrer Turboladerfertigung auf zwei Stama-Fräs-Dreh-Zentren vom Typ MC 834/MT-Compact. Mit ih-nen werden die ersten Operationen der Aluminium-Verdichterräder-Fertigung ausgeführt. Diese Bearbei-tungsschritte tragen wesentlich zur Endgenauigkeit und Wuchtgüte bei. Die Anforderungen an Präzision und Prozesssicherheit sind so hoch, dass nur ein verti-kales Fräs-Dreh-Zentrum in Frage kam.

>> 1a-Qualität ist unser oberstes Gebot. Qualität bezieht sich nicht nur auf die Ausfallsicherheit, sondern auch auf eine hohe Leistungsausbeute. <<

Christian Hehs (Teamleiter Produktion) ABB Turbo Systems, Werk Klingnau

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schleunigungen gehen hoch bis zu 10 m/s2 in der Z-Achse. Auch die Leistungsdaten des Hauptspindelantriebs können sich se-hen lassen.

Das Drehmoment liegt bei 73 Nm (100 % ED) respektive 170 Nm (20 % ED). Die Leis-tung der Hauptspindel beträgt 22 kW (100 % ED) respektive 51 kW (20 % ED) bei einer maximalen Spindeldrehzahl von 10 000 1/min. Der Rundtisch, oder besser der Dreh-spindelantrieb, auf dem das Werkstück für die Drehbearbeitung gespannt ist, verfügt über 50 kW (20 % ED) und eine maximale Drehzahl von 4200 1/min. Die untere Dreh-Schwenkeinheit ist für ABB ohne eine Schwenkeinheit ausgeführt worden, da die-se Achse für diese Bearbeitungen nicht not-wendig war.

Als Werkzeugaufnahme in der Frässpin-del steht ein HSK-A63 zur Verfügung, der eine hohe Präzision und Steifigkeit garan-tiert und zudem für die Drehoperation −dank Nut – ein hohes Drehmoment über-

tragen kann. Integriert ist eine automati-sche Blaseinrichtung zur prozesssicheren Reinigung der Aufnahme während des Wechselvorganges. Ein wesentliches Krite-rium gerade auch bei der Aluminiumbear-beitung ist eine effiziente Kühlmittelzufuhr. Sie wird mit bis zu 70 bar durch die Spindel zugeführt.

Der maximale Werkzeugdurchmesser liegt bei 78 mm und sofern freie Nebenplät-ze vorhanden sind bei 160 mm. Die Werk-zeuglänge kann 300 mm betragen bei ei-nem Gesamtgewicht von 5 kg. Die Span-zu Span-Zeit liegt bei 3,3 Sekunden.

Ch. Hehs: «Wichtig war für uns ein relativ grosses Werkzeugmagazin mit 64 Werkzeu-gen. So können wir zwischen den Kleinse-rien ohne zu rüsten wechseln. Die kurzen Rüstzeiten und die hohe Prozessstabilität waren ein wirklich wichtiger Aspekt, für das ausgewählte Maschinenkonzept. Zudem ist die Maschine sehr bedienerfreundlich und sie baut relativ kompakt aus unserer Sicht.»

steuerung: komplex und übersichtlichStama ist bekannt für die komplexen Steu-erungen und Funktionen seiner Bearbei-tungszentren.

Wie kommt der Maschinenbediener mit der Maschine zurecht, war die Frage des SMM: Ch. Hehs: «Der Maschinenbediener kommt recht gut klar mit der Fanuc-Steue-rung. Es ist ja die neuste 31er-Generation von Fanuc, und die bleibt sicher die nächs-ten 5–10 Jahre das Mass der Dinge. Gleich-wohl, das Gewindeschneiden des dreigän-gigen Gewindes nicht ganz einfach war.»

Fertigung auf zwei baugleichen BAZ

Der Fertigungsablauf des Aluminium-Ver-dichterrades läuft wie folgt ab. Generell wird er auf zwei praktisch baugleichen Zentren gefertigt. Beladen wird manuell. Zuerst wird in «Spannlage 1» die Rückseite, anschliessend wird in «Spannlage 2» die Vorderseite bearbeitet. Mehrmaschinen-bedienung ist in Klingnau Standard.

Das bedeutet, dass auch die beiden BAZ von nur einem Mitarbeitenden bedient werden. Aktuell wird 2-schichtig 5 Tage pro Woche gefahren, für die Flexibilität ist der Samstag optional. Bei Bedarf könnte auf einen 3-Schichtbetrieb erweitert werden.

In «Spannlage 1» wird die rückseitige Aussenkontur vorgedreht, anschliessend das Zentrum vorgebohrt. Schliesslich wird die Aussenendkontur geschlichtet, die In-nenkontur ausgedreht, um am Schluss die Passungsbohrung zu reiben und die Plan-fläche zu schlichten. Nach der Passungs-bearbeitung wird ein dreigängiges Gewin-de gedreht, mit dem das Verdichterrad auf der Turbolader-Welle befestigt und zent-riert wird. Für das Reiben und das Gewin-de werden Spezialwerkzeuge benötigt.

Nachdem diese Fertigungsoperationen auf der ersten Stama MC 834/MT-Compact

Im Bild v.l.n.r.: Christian Hehs (Teamleiter Produktion), Joshua Frei (Maschinenoperateur, beide ABB Turbo Systems AG) und Gustav Fricker (Geschäftsführer Stama Schweiz AG) zwischen den beiden Stama-Fräs-Dreh-Zentren vom Typ MC834/MT-Compact.

Im linken Bild ein fast fertig montierter Turbolader. Rechts im Bild die Endkontrolle des Verdichterrades.

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gefertigt wurden, geht es zum gegenüber-liegenden Stama-Bearbeitungszentrum zur Vorderseiten-Bearbeitung.

umspannen ohne referenz-punktnahme

Das Umspannen ist wegen der hohen Ge-nauigkeitsanforderung bei diesem Werk-stück nicht ganz unkritisch. Es muss in der zweiten Spannlage auf 2/100mm genau span-nen. Die Spannbacken wurden dabei spezifisch auf das Verdichterrad angepasst. Es sind sehr spezielle, auf diese Anwen-dung evaluierte Spannmittel. Die nachfol-genden Fertigungsoperationen laufen ohne vorherige Referenzpunktnahme ab.

nachwuchten nicht erlaubt

In der zweiten Spannlage wird ebenfalls mit der Aussenkontur begonnen (Vordre-hen), dann werden 11 konzentrisch lie-gende Gewindekernbohrungen gefertigt, um anschliessend die Innengewinde mit Gewindeformern zu formen. Danach wird die Zentrumsbohrung gebohrt, das Zent-rum ausgedreht und gerieben. Am Schluss wird ein Innen-6-Kant ausgedreht und die Aussenkontur geschlichtet.

Nach der Fertigbearbeitung wird das Verdichterrad vermessen und gewuchtet. Jedes Bauteil wird vor (!) der Montage ein-zeln gewuchtet. Nach der Montage des Ro-tors (Verdichterrad und Turbinenrad) wird die Wuchtgüte geprüft. Interessant in die-sem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass nach der Montage nicht mehr nach-gewuchtet werden darf. Bestünde eine zu grosse Unwucht im fertig montierten Ro-

tor, so wäre zumindest ein Bauteil Aus-schuss.

Lobenswert aus der Sicht der ABB-An-wender ist Folgendes zu erwähnen, wie Ch. Hehs sagt: «Bisher hatten wir keinerlei grössere Schwierigkeiten. Wir haben mit der Inbetriebnahme genau vor einem Jahr begonnen. Jetzt ist das Jahr der Gewähr-leistung um, und es kommt ein Jahreswar-tungsvertrag zum Zug. Was derzeit noch etwas Schwierigkeiten macht, ist die Fern-wartung.» «Die sollte aber jetzt langsam in Gang kommen», verspricht Gustav Fricker (Geschäftsführer, Stama Swiss) abschlies-send. Mit der Fernwartung erhoffen sich die ABB-Anwender einen schnelleren und kostengünstigeren Service. <<

AutorMatthias BöhmChefredaktor SMM

InformationStama Swiss GmbHIndustriestrasse 205242 LupfigTel. 056 464 68 68Fax 056 464 68 69info@stama-swiss.chwww.stama-swiss.ch

AnwenderABB Turbo SystemsWerk KlingnauWeierstrasse 55303 KlingnauTel. 058 588 52 42www.abb.ch

Bilder: Böhm

Eine Produktionshalle, wie aus dem Bilderbuch − die ABB-Turbo-Systems-AG-Fabrik in Klingnau. Im Vordergrund die beiden Stama-Fräs-Dreh-Zentren.

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