Die Automobilindustrie und ihre Zulieferer stehen heute überall auf der Welt vor großen Herausforderungen: Gestiegene politisch-rechtliche Anforderungen bei den Abgas- und Lärm-Emissionen, die in vielen Ländern den Weg in die E-Mobilität bereitet haben, sowie strengere Sicherheitsvorschriften – vor allem in Europa und den USA –  wirken sich direkt auf die Entwicklung und Produktion aus. Wer hier die ständig steigenden Standards hinsichtlich Energieeffizienz, CO2-Ausstoß und Geräuschminderung bei Verbrennern, Wirtschaftlichkeit, Miniaturisierung, Belastbarkeit und Funktionssicherheit nicht erfüllen kann, verliert seine internationale Wettbewerbsfähigkeit. Auch auf veränderte Kundenanforderungen muss mit innovativen Produkten zu akzeptablen Preisen reagiert werden. Deshalb gewinnen Produktionsverfahren, die diesen Faktoren Rechnung tragen weiter an Bedeutung.

Mit der Oberflächenfeinstbearbeitung von Bauteilen kann die Automobilindustrie in den meisten Fällen den globalen, gesetzlichen, technologischen und ökonomischen Herausforderungen gerecht werden. So erlaubt sie beispielsweise eine höhere Qualität, Präzision und Belastbarkeit sowie eine Verringerung von Abmessungen und Gewichten der bearbeiteten Teile.

Anerkannter Weltmarktführer in dieser Technologie ist die 1909 in Wuppertal gegründete deutsche Höchstpräzisions-Werkzeugmaschinenfabrik Thielenhaus Technologies. Ihr Microfinish-Verfahren gilt weltweit als Begriff für qualitative und wirtschaftliche Bearbeitung überall da, wo es auf höchste Präzision ankommt.

Durch kontinuierliche, intensive Anstrengungen bei Forschung, Entwicklung und Innovation ist es Thielenhaus Technologies gelungen, das bewährte Microfinish-Verfahren mit über 430 Patenten ständig so zu optimieren, dass es überzeugende Systemvorteile bietet. Entscheidend war zudem die frühzeitige internationale Ausrichtung und die ausgeprägte Marktorientierung, die immer wieder die Erschließung neuer Einsatzgebiete und Märkte ermöglicht hat. So ist das Familienunternehmen heute mit acht Standorten in sechs Ländern auf vier Kontinenten weltweit vertreten. 

Das Microfinish-Verfahren

Das von Thielenhaus unter dem Markennamen „Microfinish“ weiterentwickelte Superfinish-Verfahren basiert auf einem speziellen Feinstziehschleifen oder auch Kurzhubhonen genannt, bei dem das Werkstück umläuft und gleichzeitig ein gegen das zu bearbeitende Teil gedrücktes abrasives Stein- oder Bandwerkzeug eine schnelle, extrem kurze  Längsschwingung ausführt. Die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgt in Form von linearen Oszillationen. Für zylindrische und konische Teile geschieht dies im Einstech- oder Durchlaufverfahren. Rotierende Werkzeuge kommen bei ebenen, sphärischen, konkaven oder konvexen Werkstücken zum Einsatz.

Die Vorschubbewegung erzeugt der Schlitten, auf dem der Werkzeugträger aufgebaut ist. Durch die Überlagerung der Drehbewegung des Werkstücks mit der Oszillation und dem Vorschub des Werkzeugs gehen dessen abrasiven Partikel auf immer neuen Wegen über die Werkstückoberfläche. Dadurch werden besonders hohe Oberflächengüten erzeugt, die mit den klassischen Schleif- und Feinbearbeitungsprozessen nicht zu erreichen sind.

Da das Verfahren die Bearbeitungsbewegungen überlagert, sind auch logarithmische Profile und hochkomplexe Oberflächenstrukturen möglich. Durch die Bearbeitung wird zudem die nach dem Schleifen entstandene amorphe Schicht, die sogenannte Weichhaut,  beseitigt und eine metallurgisch reine Oberfläche geschaffen, die durch eine gleichzeitige deutliche Erhöhung der Druckeigenspannungen in der Werkstoffrandzone erheblich belastbarer wird. Die Technologie wird seit Jahrzehnten von führenden Unternehmen in der Automobil-, Wälzlager-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Medizintechnik eingesetzt.

Unterschiedliche Materialien und Formen

Mit dem Verfahren können höchst unterschiedliche Werkstücke aus Materialien wie Stahl, Guss, Kunststoffen und Keramik in nahezu allen Abmessungen und Formen, also zylindrisch, exzentrisch, konisch, plan, sowie sphärische Flächen bearbeitet werden. Die Palette reicht z. B. von keramischen Bremsscheiben, Kurbel- und Nockenwellen, Ölpumpenläufern, Ventilstößeln über Wälzlagerlaufbahnen, Lagerungen und Rollen bis zu Dichtflächen, Einspritzdüsen, Pumpenkolben, Kolbenstangen, Sensoren, Messer- und Scherköpfen sowie künstlichen Hüftgelenken.

Einsatz in der Automobilindustrie 

Gerade im Automobilbereich ist Höchstpräzision Voraussetzung für mehr Leistung, Funktionssicherheit, Langlebigkeit und für sparsamen Umgang mit Energie und Rohstoffen. Microfinish-Maschinen sind daher weltweit bei nahezu allen Automobilherstellern und deren Zulieferern im Einsatz. In der Produktion von Antriebs- und Motorenteilen ist das Bearbeitungsverfahren nicht mehr wegzudenken. Auf Microfinish-Maschinen bearbeitete Funktionsflächen von Kurbel- und Nockenwellen, Pleuel, Kipphebel und Ventilstößel sorgen bei Verbrennungsmotoren für energiesparenden Leichtlauf, Kompaktheit, höhere Drehzahlen, Langlebigkeit auch unter hoher Belastung und deutlich reduzierten Einfahrzeiten. Im Lenkungs- und Fahrwerkssegment werden insbesondere Zahnstangen, Lenkspindeln, Kugelbolzen, Stoßdämpfer-Kolbenstangen und Bremsscheiben gefinisht. Hochpräzise metallische Planflächen sind in modernen Einspritzsystemen häufig Drücken bis zu 3.000 bar ausgesetzt. Die Bauteile müssen daher in ihrer Oberflächenqualität und Ebenheit so gestaltet sein, dass die Dichtfunktion ohne zusätzliche Hilfsmittel durch reinen Metall-auf-Metall-Kontakt gewährleistet ist. Die dafür erforderlichen Ebenheitswerte von 0,0005 mm können mit dem Microfinish-Verfahren zuverlässig erreicht werden. Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass selbst im Motorsport NASCAR- und Formel-1-Teams auf Teile setzen, die auf Microfinish-Maschinen optimiert worden sind.

Beispiel Düsennadel für Einspritzsysteme

Bei hochgenauen Düsen von mit extrem hohen Drücken arbeitenden Common-Rail- und Direkt-Einspritzsystemen müssen beispielsweise die Düsennadeln zur Verbesserung der Rautiefe und vor allem des Traganteils gefinisht werden. Dazu werden sie mit einem getakteten oder umlaufenden Bandwerkzeug bearbeitet. Das endlos umlaufende Band wird ohne besonders geformte Andrückschuhe unter geringem Druck an die zu bearbeitende Nadel geführt und passt sich flexibel an die Geometrie des rotierenden Werkstücks an. Die Umlaufgeschwindigkeit des Bandes, der Anpressdruck und die Werkstückdrehzahl sind stufenlos regelbar.

Durch die Bearbeitung bis zu einer Rundheit von 0,1 mm ist eine besondere Formgebung der Nadeln möglich, die sicherstellt, dass sie sich in der Düse nicht verklemmen kann. Einspritzdüsen mit gefinishten Nadeln aus hochvergütetem Stahl erfüllen durch ihre perfekte Geometrie und Oberflächengüte höchste Ansprüche an Sicherheit unter allen Betriebsbedingungen und gewährleisten eine

Vorteile des Verfahrens

Das seit Jahrzehnten bewährte und laufend weiterentwickelte Microfinish-Verfahren sichert höchste geometrische Formgenauigkeit und engste Maßtoleranzen, so dass der ansonsten übliche Aufwand für Klassifizieren und Paaren meist entfallen kann. Je nach Anforderung und Aufgabenstellung sichert Microfinish gleichmäßige Oberflächengüten nicht selten um Ra 0,05 mm und Traganteile Rmr bis zu über 99 %.

Finnische und amerikanische Forscher haben berechnet, dass heute von einem Liter Kraftstoff nur ein Fünftel das Fahrzeug vorantreibt. Der Rest geht zu 35 % als Wärme und Reibung im Motor und zu 15 % im Getriebe verloren. Um diese Verluste bei den auch in den nächsten Jahren immer noch gefragten Verbrennungsmotoren weiter zu verringern, müssen die Toleranzen der entsprechenden Bauteile stark reduziert werden, so dass eine Oberflächenfeinstbearbeitung unumgänglich wird. Auch bei anderen Bauteilen werden die immer schärferen Effizienzanforderungen – vor allem in Europa und Amerika – zu geringeren Toleranzwerten der einzusetzenden Werkstücke führen.

Sämtliche konventionellen Bearbeitungsverfahren haben ihre Grenzen, die eine Abweichung von der mathematisch optimalen Form ergeben. Diese Grenzen werden mit dem Einsatz von Microfinish erheblich angehoben, indem die Bearbeitungsbewegungen überlagert werden. Mit einer möglichst großen Überdeckung von Werkzeug und Werkstück kann beispielsweise bei Lagersitzen auf Wellen dafür gesorgt werden, dass die Feinwelligkeit entfernt wird. Die aufgrund der Bearbeitung erhöhten Druckeigenspannungen machen die Oberfläche deutlich belastbarer. So können Bauteile bei gleicher Belastbarkeit wesentlich kleiner werden. Das und die Minimierung der Reibungswerte sind die Schlüsselfaktoren für die heute geforderte Energieeffizienz.

Darüber hinaus ist das Verfahren in der Lage, Geräusche zu minimieren, zu eliminieren oder auch bedarfsgerecht einzustellen. Diese Anforderungen werden heute immer größer – und zwar nicht nur bei Lenkungs- und Getriebeteilen. Geräusche entstehen durch Schwingungen, und so kann auf Basis einer Fourier-Analyse durch eine gezielte Bearbeitung dafür gesorgt werden, dass Schwingungen in ungünstigen Bereichen nicht entstehen. Denn je weniger das Bauteil von der geometrisch optimalen Form abweicht, desto besser ist der Schwingungswert.

Überall, wo Teile unter hoher Belastung – rotierend, gleitend oder abdichtend – arbeiten, entscheidet die Beschaffenheit geometrischer Formen über Lebensdauer, Belastbarkeit, Funktionssicherheit, Energieverbrauch und Geräuschemission. Insofern kann das Microfinish-Verfahren erheblich zur deutlichen Qualitätsverbesserung von Produkten und Systemen beitragen, die die Wettbewerbsfähigkeit der Automobilhersteller und deren Zulieferer verbessern, Garantiekosten senken und die Kundenzufriedenheit gegenüber den Anwendern erhöhen. Außerdem führen die möglichen Verringerungen der Werkstückabmessungen und die Verkürzungen der Bearbeitungszeiten im Regelfall zu erheblichen Kosteneinsparungen bei Material und Arbeitsaufwand.

Microfinish kann sowohl bei Einzelteilen als auch in der Massenfertigung ergänzend zu anderen Bearbeitungslösungen oder auch substituierend eingesetzt werden. Mit dem Verfahren lassen sich jede gewünschte Oberflächentopografie, geometrisch bestimmte Flächen oder sogar mathematischen Funktionen folgenden Freiformflächen erreichen. Durch die Schaffung von Spiegelglanz bzw. gerichteten Mikrobearbeitungsspuren können auch optische Effekte erzeugt werden. Darüber hinaus lassen sich mehrere Anwendungsbereiche in einem Bearbeitungsprozess kombinieren.

Prozessberatung

Damit ein interessierter Hersteller abklären kann, welches Verfahren ihm weiterhelfen kann, kann er sich an Thielenhaus Technologies wenden und seine Aufgabenstellung diskutieren. Er erhält dann eine für ihn unverbindliche Prozessberatung, bei der gemeinsam im Dialog die Ziele definiert werden. Die modern ausgestattete Abteilung für Versuch und Entwicklung ist in der Lage, Probebearbeitungen und Musterserien zu realisieren. Die Analyse dieser Testreihen liefert alle benötigten Daten und Diagramme zur Qualitätsbeurteilung. Diese Ergebnisse erlauben einen umfassenden Überblick und eine exakte Beurteilung von technischen und wirtschaftlichen Optimierungspotenzialen.