Wie machen wir... Zylinderköpfe?

Am Anfang war ein viereckiges Rohteil aus Gusseisen – und eine Konstruktionszeichnung. In dieser stehen die exakten Maße. Daraus wird innerhalb von eineinhalb Tagen ein Zylinderkopf. Aber wie?

700 Grad Celsius Abgastemperatur und Zünddrücke über 200 Bar – beides muss ein Zylinderkopf aushalten, wenn der Motor läuft. Er schließt den Brennraum nach oben hin zum Zylinderkopfdeckel ab. Im Zylinderkopf sitzen die Ein- und Auslassventile sowie die Einspritzdüse. Deshalb muss nicht nur das Material des Zylinderkopfs absolut hochwertig sein, er muss auch mit höchster Präzision gefertigt werden.

Die virtuelle Fertigung

Das Bohren und Fräsen beginnt nicht erst an der Maschine, sondern am Computer. Jeder Fräs- und Bohrschritt, den das Bearbeitungszentrum macht, um aus dem Rohteil einen Zylinderkopf zu fertigen, wird vorher im Programm ProEngineer und NC-Simul programmiert und simuliert. Bernd Scherer ist solch ein virtueller Fertiger. Er ist Produktionsplaner und NC-Koordinator bei mtu. Er beschreibt den Arbeitsablauf des Programmierens: Wie der Mitarbeiter an der Maschine sucht er sich zunächst im Computer die richtigen Werkzeuge aus dem Werkzeugverwaltungssystem zusammen, mit denen er bestimmte Flächen fräsen oder bohren möchte. Dann legt er den dreidimensionalen Zylinderkopf auf den virtuellen Bearbeitungstisch in das virtuelle Spannmittel. Mit wenigen Klicks gibt er in dem Programm ProEngineer an, wo die Maschine wie weit und wie viel der Oberfläche abfräsen und wo welche Löcher gebohrt werden sollen. „Das System hilft, immer die richtigen Maße zu verwenden“, erklärt Scherer. Anschließend programmiert er den nächsten Schritt. „Das Knifflige an der Programmierung ist, die perfekten Bewegungsabläufe in der Maschine zu finden, so dass sämtliche Flächen effizient bearbeitet werden und ein wirtschaftlich und technologisch perfektes Programm entsteht“, erklärt der Fachmann.

Simulation am Computer

Um zu kontrollieren, ob die Programmierung stimmt, simuliert er die Bearbeitung des Zylinderkopfes am Computer. Dabei sieht er genau, wie sich das Werkzeug bewegt und wo es eventuell zu Kollisionen zwischen Werkstück und Maschine kommen kann. Ein großer Vorteil, denn bei der realen Fertigung führt jede Kollision zu großen Schäden an der Maschine, am Werkzeug und am Werkstück.

Schritt für Schritt zum Zylinderkopf

Dann geht’s los. Die virtuelle Fertigung im Computerprogramm ProEngineer wird auf die reale Bearbeitungsmaschine übertragen. Genau genommen sind es zwei Bearbeitungsmaschinen, in denen Schritt für Schritt aus dem Rohling ein Zylinderkopf wird. Ein Mitarbeiter legt das Gussteil des Zylinderkopfs auf die Spannvorrichtung des ersten Bearbeitungstischs. Er schließt die großen Schiebetüren der Fräsmaschine und startet sie. Jetzt geht alles automatisch. Ein Fräser fährt an der Oberfläche entlang und fräst Stück für Stück das Material ab. Zu sehen ist davon so gut wie gar nichts. Kühlschmierstoff, der zum Kühlen und Schmieren benötigt wird, spritzt an die Scheiben der Maschine. Das erste Bearbeitungszentrum bearbeitet nacheinander die Ober- und auf dem zweiten Bearbeitungstisch die Unterseite des Rohteils. Anschließend misst der Mitarbeiter die wichtigsten Bohrungs-, Fräs- und Abstandsmaße ab, um zu sehen, ob der Prozess und die Werkzeuge in Ordnung sind.

Bearbeitung in mehreren Schritten

In der zweiten Bearbeitungsmaschine folgt die Bearbeitung der Flächen und Bohrungen am Umfang. Anschließend reinigt eine Waschmaschine den Zylinderkopf. Ein Mitarbeiter setzt dann in die Grundbohrungen die Ventilführungen und Ventilsitzringe ein. Daraufhin wird das Gussteil auf Fehlstellen, Risse und andere Beschädigungen überprüft, verputzt und entgratet. Auf dem zweiten Bearbeitungszentrum werden unter anderem die Bohrungen der Ventilführungen sowie der Ventilsitz gemeinsam fertig bearbeitet, um eine exakte Flucht zu erzielen. Die Fertigung und das anschließende Messen dieser Merkmale auf den Hundertstelmillimeter garantieren die einwandfreie Funktion der Ventile. Ein zweiter Waschgang erfüllt die Anforderungen der technischen Sauberkeit. Am Montagearbeitsplatz montiert ein Mitarbeiter schließlich Schutzhülse und die Verschlussdeckel. Wenn das Bauteil die anschließende Dichtheitsprüfung übersteht, ist es bereit für den letzten Arbeitsschritt, die Montage der Ein- und Auslassventile, durch die die Luft in und die Abgase aus den Brennkammern strömen. Jetzt ist der Zylinderkopf gerüstet für ein ausdauerndes und kraftvolles Arbeiten am Motor.