Allein in Deutschland entstanden im Jahr 2019 rund 1 Mio. eBikes. Insbesondere die Gehäuse der eBike-Elektromotoren sind in der Fertigung eine Herausforderung. Sie sollen klein und leicht und außerdem zugleich hochgenau sein. Für den gesamten Antrieb steht am eBike nur sehr begrenztPlatz zur Verfügung.Schließlich sollen die Antriebe möglichst unauffällig verbaut werden. Die Anforderungen an ein möglichst geringer Gewicht resultiert aus dem Wunsch nach einer möglichst langen Laufdauer der Batterie. Zudem sollen die Gehäuse hochgenau sein, damit der Antrieb leise und mit hoher Laufruhe arbeiten kann und einen größtmöglichen Wirkungsgrad entfalten kann. Mapal bietet die richtigen Werkzeuge für die Produktion.
Für die Zerspanung der Gehäuse der eBike-Elektromotoren sind die Eigenschaften der Werkstoffe und außerdem die geringen Wandstärken der Werkstücke alles andere als trivial. Zudem haben die Gehäuse in vielen Fällen bereits eine Bschichtung, wenn sie bearbeitet werden. Eine Herausforderung, denn schließlich sollen diese Beschichtungen während der Bearbeitung ja nicht beschädigt werden. Die Gehäuse entstehen in hohen Losgrößen. Deshalb ist eine hocheffizient und wirtschaftlich ausoptimierte Auslegung der Werkzeuge und der Zerspanungsprozesse immens wichtig.
Bearbeitung für eBike-Elektromotoren baut auf umfangreicher Erfahrung auf
Mapal konnte in den vergangenen Jahrzehnten reichlich Erfahrung in der Zerspanung kleiner Gehäuse für eBike-Elektromotoren sammeln. Sowohl aus Aluminium als auch aus Magnesium. Zwar nicht für eBikes, sondern beispielsweise für Motorsägen, Mofas oder Rasenmäher. Mit der Elektrifizierung sind die Genauigkeitsanforderungen noch einmal gewachsen. Deshalb hat Mapal sein Programm zur Komplettbearbeitung kleiner Gehäuse an die veränderten Bedingungen angepasst.
Im Fokus
Gehäuse für eBike-Elektromotoren
Die meisten Gehäuse für eBike-Elektromotoren entstehen aus Aluminiumdruckguss oder aus Magnesiumdruckguss. Beide Werkstoffe sind relativ leicht. Magnesium ist mit einer Dichte von 1,7 g/cm3 noch etwas leichter als Aluminium mit einer Dichte von 2,7 g/cm3. Zudem lässt sich Magnesium noch präziser gießen als Aluminium. So sind Gehäusekonstruktionen mit noch dünneren Wandungen und filigraneren Strukturen möglich. Unabhängig vom Werkstoff bestehen die meisten Motorengehäuse aus dem eigentlichen Gehäuse und ein oder zwei Deckeln. Sie müssen sehr dünnwandig sein, das macht sie jedoch labil und damit zudem anfällig für Vibrationen. Die Gehäuse bieten mit mehrstufigen Konturzügen Platz für die Funktionsbauteile der Motoren. Daber sind die geometrischen und maßlichen Anforderungen hoch, nicht zuletzt aufgrund der engenForm‑, Lauf- und Lagetoleranzen.
PKD- und außerdem Vollhartmetallwerkzeuge sind für die zerspanende Bearbeitung der beiden Werkstoffe sehr gut geeignet. Je nach Anwendung konnten die Werkzeugexperten von Mapal den Prozess als Trockenbearbeitung auslegen. Die Verschmutzung wird mit Hilfe von polierten Spanräumen und besonders glatten Oberflächen an den Werkzeugen minimiert. Nicht zuletzt damit wird der Zerspanungsprozess auch ohne Kühlschmierstoff sicher.
Toleranzen sind in Magnesium besonders eng einzuhalten
Bei der Bearbeitung eines Gehäuses für eBike-Elektromotoren aus Magnesium sind die Toleranzen besonders wichtig. Denn Spannungen im Inneren des Gehäuses, unterschiedliche Beschichtungsdicken und außerdem die Duktilität des Materials, das sich nach der Bearbeitung aufgrund des Wärmeeintrags zusammenzieht, kann Abweichungen bei einigen Durchmessern und Lagern bewirken. Deshalb bestimmen die Mapal-Experten erst nach einer Probebohrung und einer Maßkontrolle am Werkstück die relevanten Werkzeugdurchmesser. Und die sind zudem auch valide für die Folgewerkzeuge.
Damit sich die Bearbeitung der Motorengehäuse für eBike-Elektromotoren möglichst wirtschaftlich gestalten lässt und außerdem die Nebenzeiten gering bleiben, haben die Mapal-Entwickler jeweils mehrere Arbeitsschritte zu einem einzigen Werkzeugen zusammengefasst.Typisch für ein solches Kombinationswerkzeug ist die Lösung zum Bearbeiten des Lagersitzes in eine Magnesiumgehäuse. Bei dieser Bearbeitung entstanden zunächst in den Versuchen starke Vibrationen. Schließlich ist das Bauteil vor allem um die dritte Lagerbohrung herum zudem extrem dünnwandig ausgeführt. Eine Herausforderung für das Werkzeug, das an den vorgegossenen Bohrungen zwischen 0,6 und 1 mm Magnesiumlegierung abtragen muss.
Ambitionierte Herausforderung fürs Werkzeug
Die Anforderungen an das Gehäuse für eBike-Elektromotoren waren durchaus ambitioniert. So sollte die Rundheit < 0,01 mm betragen, die Durchmessertoleranz bei IT7 liegen, die gemittelte Rautiefe Rz < 10 µm sein. Dafür entwarfen die Mapal-Experten ein komplexes, mehrstufiges PKD-Kombinationswerkzeug aus. Es bearbeitet die drei Lagerbohrungen und außerdem die Positionsbohrung des Lagersitzes in einem Zug. Zudem sehr prozesssicher und innerhalb der geforderten Toleranzen. Das Werkzeug arbeitet mit einer Drehzahl von 8000 min-1 bei Vorschubgeschwindigkeiten zwischen 3200 und 4800 mm/min und einem Vorschub zwischen 0,1 und 0,15 mm.
In einem anderen Werkzeug kombinierten die Mapal-Spezialisten eine Fräs- mit einer Bohrbearbeitung. Während die Lagerbohrung und die Positionsbohrung der Gehäuse für eBike-Elektromotoren mittels Bohrstufen erstellt werden, übernimmt eine Frässtufe das Einbringen der Dichtnut. Auch bei diesem Werkzeug wollten die Entwickler in erster Linie Vibrationen verhindern und außerdem den Schnittdruck verringern. Mit der exakten Abstimmung von Zähnezahl und Geometrie der Frässtufe wird zudem verhindert, dass Späne in der Nut bleiben. So wird zudem garantiert, dass der Fräsprozess sicher läuft. Die Frässtufe des Werkzeugs arbeitet mit einer Drehzahl von 8000 min-1, einer Vorschubgeschwindigkeit 7200 mm/min und einem Vorschub 0,15 mm
Das Komplettpaket für eBike-Elektromotoren
Die weiteren Werkzeuge zur Komplettbearbeitung der Gehäuse für eBike-Elektromotoren designten die Mapal-Entwickler ebenfalls als Kombinationswerkzeuge. Mit Erfolg: So bearbeitet ein Anwender das komplette Gehäuse mit nur acht unterschiedlichen Werkzeugen. Wieviele Werkzeuge letztlich benötigt werden, hängt jedoch sehr stark vom individuellen Bauteil, vom Werkstoff und außerdem von den Anforderungen ab. So benötigt etwa ein anderer Anwender aufgrund eines ungleich komplexeren Gehäuse 31 Werkzeuge. Mapal bietet ein Rundumpaket zur Zerspanung kleiner Gehäuse aus Aluminium oder Magnesium. Das passende Werkzeugkonzept ist stark von den Anforderungen und der Komplexität abhängig.