Automatische Mehrfachschrauber verkürzen die Taktzeit

In der Motorenfertigung im Werk Porz der Kölner Deutz AG muss jeder Handgriff sitzen. Zwei Baureihen werden dort in verschiedenen Varianten in einer Fertigungslinie montiert, mit Hubräumen zwischen 4 und 7 l, ausgeführt als Vier- und Sechs-Zylinder-Motoren. Dabei stellte sich insbesondere die Zylinderkopfverschraubung in der Vergangenheit häufiger als Taktzeit-Nadelöhr heraus. Der Grund: Die Zylinderkopfschrauben müssen in einer definierten Reihenfolge in mehreren Stufen angezogen werden, um Verspannungen zu vermeiden, die zu Undichtigkeiten führen könnten.

Zwei Mehrfachschrauber übernehmen Zylinderkopfverschraubung

Zwei Mehrfachschrauber von Atlas Copco Tools – jeder bestückt mit 26 QST-Schraubspindeln, gesteuert jeweils durch Power-Macs-4000-Controller – übernehmen nun die Zylinderkopfverschraubung. Der Clou dabei ist, dass je nach Baureihe nur eine der beiden 26-fach-Einheiten ein einziges Mal aufsetzen muss, der Rest geschieht automatisch.

Zunächst werden, etwa bei der Baureihe 2012, alle Zylinderkopfschrauben auf 30 Nm vorangezogen, anschließend zeitversetzt von innen nach außen auf 80 Nm Fügemoment verschraubt, bevor der Endanzug, dem gleichen Schema folgend, alle Schrauben nochmals um einen Drehwinkel von 90° anzieht. Von außen betrachtet, sieht das wie ein homogener Ablauf aus, der vor allem sehr schnell erfolgt.

Vom Einfahren eines Werkstückträgers bis zum nächsten dauert die komplexe Zylinderkopfverschraubung nur 1,2 min. Früher war das der Flaschenhals in der Fertigung. Zudem lassen sich nun die Sechs-Zylinder-Motoren in genau der gleichen Zeit verschrauben wie die Vier-Zylinder-Motoren.

Mehrmaliges Aufsetzen der Schrauber kann entfallen

Die alte Lösung bestand aus zwei Achtfach-Schraubern mit jeweils zwei Schlitten, die aufgrund der Anzahl der Verschraubungen – 18 beim Vier-Zylinder- und 26 beim Sechs-Zylinder-Motor – mehrmals aufgesetzt werden mussten. Für den ersten Anzug musste schon allein vier Mal aufgesetzt werden, dann folgten für die nächsten Stufen zwei erneute Durchgänge. Um so eine Taktzeit von 2,2 min (1,85 min beim Vierzylinder) zu erreichen, mussten die Deutz-Techniker schon tricksen.

Das gelang nur, indem auf einen Durchgang verzichtet und Voranzug sowie Verschraubung bis auf das Fügemoment direkt nacheinander ausgeführt wurden. Sonst hätte die Taktzeit bei über 3 min gelegen. Mit dem Mehrfachschrauber entfällt der Zeitaufwand für das mehrmalige Aufsetzen, so dass sich nun wieder die frühere dreistufige Anzugsstrategie umsetzen lässt.

Kompakte Spindeln meistern kleine Lochabstände

Für die Spezialisten von Atlas Copco Tools war die größte Herausforderung die enge Anordnung der 26 Spindeln, vorgegeben durch die Platzierung der Zylinderkopfschrauben. Von Vorteil war dabei die kompakte Bauweise der QST-Spindeln, die zudem, verglichen mit den QMX-Vorgängermodellen, dank einer neuen Motorengeneration um bis zu 67% schneller arbeiten — und das bei mindestens ebenso hoher Genauigkeit und Lebensdauer.

Von Nutzen war auch der Power Macs 4000. Dieser Schraubcontroller hält die Montagezeiten so minimal wie möglich, und das prozesssicher: Der Null-Fehler-Montage steht somit nichts mehr im Wege. Erleichtert wird sein Einsatz durch den nun möglichen Stand-alone-Aufbau.

Die SAB-Keßler e. K. aus Düsseldorf lieferte die Mechanik rund um die Schraubspindeln und war gleichzeitig Generalunternehmer. Weil die Mehrfachschrauber nur einmal aufgesetzt werden müssen, zusätzliche Verfahreinheiten also entfallen, konnte deutlich Bauraum gespart werden. Den frei gewordenen Platz innerhalb der Fertigungslinie nutzt man bei Deutz für fünf bis sechs weitere manuelle Arbeitsstationen. Je mehr Arbeitsplätze für die manuellen Tätigkeiten beim Motorenbau zur Verfügung ständen, desto eher kann man die Taktzeit bei den vielen verschiedenen Varianten glätten.

Siemens-S7-SPS steuert Gesamtablauf an der Station Zylinderkopfverschraubung

Den Gesamtablauf an der Station Zylinderkopfverschraubung einschließlich des Materialflusses steuert eine Siemens-S7-SPS. Die einzelnen Verschraubungsdaten der Power-Macs-Controller werden ebenfalls gesammelt und zu jedem Motor in der sogenannten Motoren-Dokumentation hinterlegt. Das gilt insbesondere für die sicherheitskritische Schraubklasse eins, die Deutz in Anlehnung an die Verschraubungsklasse A nach VDI/VDE 2862 definiert hat. Darunter fallen neben dem Zylinderkopf auch die Verschraubungen von Pleuel und Schwungrad. Dort muss es absolut sicher sein, dass die vorgegebenen Drehmomente und Drehwinkel eingehalten werden.

Sowohl die QST-Spindeln als auch die Power-Macs-4000-Controller sind von vornherein für die höchsten Prozesssicherheitsstufen 4 und 5 ausgelegt – erlauben also über die direkte Drehmoment- und Drehwinkelmessung die dokumentierte Fertigung selbst sicherheitskritischer Bauteile. Tauchen bei Deutz Probleme auf, gibt es bei den Domstädtern auch eine Prozedur, um einen Motor gezielt ein zweites Mal durch die Station zu schicken.

Christian Ramoser ist Vertriebsingenieur Fahrzeugindustrie bei der Atlas Copco Tools Central Europe GmbH, 45141 Essen.