Mapal: Kombinationswerkzeuge Labile Magnesium- und Alu-Gehäuse bearbeiten

Redakteur: Konrad Mücke

Gehäuse kompakter Antriebsmotoren für Elektro-Fahrräder aus Aluminium oder Magnesium haben dünne Wandungen, um besonders leicht zu sein. Sie sind allerdings hochgenau zu bearbeiten. Dazu eignen sich Kombinationswerkzeuge aus Vollhartmetall oder mit PKD-Schneiden.

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Ein komplexes, mehrstufiges Kombinationswerkzeug mit PKD-Schneiden bearbeitet drei Lagerbohrungen und eine Positionsbohrung des Lagersitzes prozesssicher auf die geforderten Genauigkeiten 0,01 mm in Rundheit und IT7 im Durchmesser.
Ein komplexes, mehrstufiges Kombinationswerkzeug mit PKD-Schneiden bearbeitet drei Lagerbohrungen und eine Positionsbohrung des Lagersitzes prozesssicher auf die geforderten Genauigkeiten 0,01 mm in Rundheit und IT7 im Durchmesser.
(Bild: Mapal)

Um strenge Forderungen hinsichtlich einer kompakten und leichten Bauweise zu erfüllen, bestehen Gehäuse für batteriegespeiste Elektromotoren in Elektrofahrrädern (E-Bikes, Pedelecs) überwiegend aus Aluminium oder Magnesium. Beide Werkstoffe sind spezifisch leicht. Magnesium hat eine Dichte von 1,7 g/cm³, Aluminium 2,7 g/cm³. Die Rohlinge für die Motorengehäuse entstehen im Druckgussverfahren. Magnesium lässt sich besser als Aluminium giessen. Somit ermöglicht dieser Werkstoff vergleichsweise dünnere Wandungen und filigranere Strukturen. Das komplette Gehäuse eines Elektromotors besteht aus einem zylindrischen Bauteil und zwei Deckeln. Diese sind besonders labil und somit schwierig zu bearbeiten. Es sind die Bohrungen, Zentrierungen, mehrstufige zylindrische Konturen und – im rohrförmigen Bauteil – die komplette Zylinderform zu bearbeiten. Beim Fräsen und Bohren neigen die zu bearbeitenden Komponenten zu Schwingungen. Dennoch sind hohe Genauigkeiten hinsichtlich der Durchmesser, der Zentrizität und der Lage gefordert, um die Welle im Motorengehäuse genau und sicher zu lagern.

Produktiv und wirtschaftlich für grosse Serien

«Für die Zerspanung der Gehäuse sind die Eigenschaften des Werkstoffs sowie die dünnen Wände des Bauteils die grössten Herausforderungen», sagt Leander Bolz, Vertriebsleiter des Kompetenzzentrums für PKD-Werkzeuge beim Werkzeughersteller Mapal. Zudem sind die Gehäuse häufig bereits beschichtet, wenn sie bearbeitet werden. Diese Beschichtungen dürfen während der Bearbeitung nicht beschädigt werden. «Da die Gehäuse in sehr gros­sen Serien gefertigt werden, sollen die Werkzeuge zur Zerspanung hochwirtschaftlich einsetzbar sein», ergänzt Leander Bolz. In den zurückliegenden Jahrzehnten hat der Werkzeughersteller umfassende Erfahrungen beim Bearbeiten kleiner Motorgehäusen aus Aluminium und Magnesium gesammelt. «Beispielsweise für Motorsägen, Mofas oder Rasenmäher werden seit jeher kleine Motorengehäuse benötigt. Allerdings sind mit der Elektrifizierung die Forderungen hinsichtlich der Genauigkeit nochmals strenger geworden», erläutert Leander Bolz. Der Werkzeughersteller hat sein Programm an Werkzeugen zum Komplettbearbeiten kleiner Gehäuse auf die besonderen Bedingungen ausgerichtet. Insbesondere für Aluminium und Magnesium eignen sich Werkzeuge mit PKD-Schneiden und auch Vollhartmetall-Werkzeuge. Je nach Bedingungen gestalten die Werkzeugexperten eine Trockenbearbeitung. Polierte Spanräume und besonders glatte Oberflächen an den Werkzeugen verhindern ein Verkleben und Anhaften der Späne. So können die Werkzeuge auch ohne Kühlschmierstoff prozesssicher arbeiten.

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«Wenn wir Werkzeuge zum Bearbeiten eines Gehäuses aus Magnesium auslegen, bewegen wir uns im ersten Schritt immer an der oberen Toleranzgrenze», erläutert Leander Bolz. Denn durch Gefügespannungen, unterschiedliche Beschichtungsdicken oder die Duktilität des Werkstoffs – nach dem Wärmeeintrag beim Bearbeiten und dem anschliessenden Abkühlen neigen die Bauteile dazu, sich zu verziehen – entstehen Abweichungen bei einigen bearbeiteten Geometrien. «Erst nach einer Probebohrung mit anschliessendem Prüfen der Abmessungen am Bauteil bestimmen wir die erforderlichen Werkzeugdurchmesser, die auch für die Folgewerkzeuge gültig sind.»

Kombinationswerkzeuge äusserst wirtschaftlich

Um die Motorengehäuse möglichst wirtschaftlich zu fertigen, speziell auch durch minimierte Neben- und Werkzeug-Wechselzeiten, sind jeweils mehrere Arbeitsschritte in Kombinationswerkzeugen zusammengefasst. Beispielsweise werden die Lagersitze in Magnesiumgehäusen mit einem derartigen Werkzeug bearbeitet. «Bei dieser Bearbeitung entstanden starke Vibrationen, da das Bauteil vor allem im Bereich der mittigen Lagerbohrung extrem dünnwandig ist», erinnert sich Leander Bolz. Das Werkzeug muss an den vorgegossenen Bohrungen etwa 0,6 bis 1 mm dick Werkstoff abtragen. Allerdings sollen die Lagersitze auf 0,01 mm rund, auf die Toleranz IT7 im Durchmesser genau bei nur Rz < 10 µm mittlere Rautiefe bearbeitet werden. Die Spezialisten bei Mapal konzipierten dafür ein komplexes, mehrstufiges Kombinationswerkzeug mit PKD-Schneiden. «Damit bearbeiten wir die drei Lagerbohrungen und die Positionsbohrung des Lagersitzes in einem Ablauf – prozesssicher auf die geforderten Genauigkeiten», so Leander Bolz. Dabei fertigt das Werkzeug bei 8000 min-1 Drehzahl, 3200 bis 4800 mm/min Vorschubgeschwindigkeit und 0,1 bis 0,15 mm Vorschub pro Umdrehung.

Bohren und Fräsen kombiniert in einem Werkzeug

Ein weiteres Werkzeug kombiniert Fräsen und Bohren. Während Bohrstufen die Lagerbohrung und die Positionsbohrung bearbeiten, bearbeitet eine Frässtufe die Dichtnut. «Auch bei diesem Werkzeug war es unsere Hauptaufgabe, Vibrationen zu vermeiden und den Schnittdruck zu reduzieren», erläutert Leander Bolz. Die Werkzeugexperten erreichten dies, indem sie die Zähnezahl und die Geometrie der Frässtufe optimal aufeinander abstimmten. «Dadurch vermeiden wir auch Späne in der Nut und sorgen dafür, dass der Fräsprozess sicher läuft», sagt Leander Bolz. Gefräst wird bei 8000 min-1 Drehzahl, 7200 mm/min Vorschubgeschwindigkeit, entsprechend 0,15 mm Vorschub pro Umdrehung.

Komplettpaket für sämtliche Geometrien

Zum Komplettbearbeiten der Motorengehäuse konzipiert der Werkzeughersteller weitere Kombinationswerkzeuge. «Bei einem Anwender reichen acht unterschiedliche Werkzeuge aus, um ein Gehäuse komplett zu bearbeiten», sagt Leander Bolz. Die Anzahl benötigter Werkzeuge variiere jedoch je nach Bauteil, Werkstoff und Forderungen an die Genauig­keit, wie er weiter berichtet. Beispielsweise erfordere ein ungleich komplexeres Gehäuse sogar 31 Werkzeuge. «Wir bieten heute das Rundumpaket für die Bearbeitung kleiner Gehäuse aus Aluminium und Magnesium. Je nach Forderungen und Komplexität verwirklichen wir das passende Werkzeugkonzept», fasst Leander Bolz zusammen. SMM

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