04.12.2020
Electrified Mobility
Reliable machining of small housings for electric motors made of magnesium and aluminium
Today amateur cyclists are climbing heights seemingly without any effort at all; heights that would actually make even cycling professionals sweat. E-bikes, pedelecs, are their secret, i.e. bicycles with electric auxiliary motors; they’re found all over the place today and are becoming more and more common. As the popularity of e-bikes increases, so do the production figures for their parts.
The production of e-bikes
In Germany alone, manufacturers produced one million electrically powered bicycles in 2019. The motor housings, among other things, pose a challenge during the production phase. After all, they have to be small and light and at the same time highly accurate. The small size of the entire drive is a result of the limited space available on an e-bike. Most of the motors are installed directly in or onto the frame itself as unobtrusively as possible. The entire drives must be particularly light-weight to ensure a long battery life. The less loads have to be moved, the less the motor has to “work” and the longer the battery can go without needing to be charged. After all, the housings must be manufactured with high precision to ensure that the motor runs both quietly and smoothly. As well as this, only a precisely manufactured motor runs smoothly and achieves the highest possible level of efficiency.
As a result of the requirements mentioned above, most manufacturers of small electric motors produce their motor housings from die-cast aluminium, more often from die-cast magnesium. Both workpiece materials are low in weight. Magnesium has a density of 1.7 g/cm3 and so is slightly lighter than aluminium with a density of 2.7 g/cm3. On top of this, magnesium is even easier to cast than aluminium. This allows for designs with even thinner walls and more intricate structures. Whether they’re made from aluminium or magnesium – most motor housings consist of the actual housing plus one or two covers. They have very thin walls and are unstable, so are therefore susceptible to vibrations. Multi-stage contours within the housing provide space for the various functional components of the motors. The geometric and dimensional requirements are high – narrow shape, running and position tolerances are specified.
Herausforderung Motorengehäuse
„Für die Zerspanung der Gehäuse sind die Eigenschaften des Materials sowie die dünnen Wände des Bauteils die größten Herausforderungen“, sagt Leander Bolz, Vertriebsleiter des MAPAL Kompetenzzentrums für PKD-Werkzeuge. Zudem sind die Gehäuse häufig bereits beschichtet, wenn sie zerspant werden. Diese Beschichtungen dürfen während der Bearbeitung nicht beschädigt werden. „Unsere Kunden in diesem Bereich fertigen sehr hohe Stückzahlen, entsprechend wichtig ist es, dass die Werkzeuge zur Zerspanung hochwirtschaftlich einsetzbar sind“, ergänzt Bolz.
Über die vergangenen Jahrzehnte hat MAPAL umfassende Erfahrung bei der Zerspanung von kleinen Motorgehäusen sowohl aus Aluminium als auch aus Magnesium gesammelt. „Beispielsweise für Motorsägen, Mofas oder Rasenmäher kommen seit jeher die kleinen Gehäuse zum Einsatz, allerdings sind mit der Elektrifizierung die Genauigkeitsanforderungen nochmals gestiegen“, erläutert Leander Bolz. Und so hat MAPAL sein Programm für die Komplettbearbeitung von kleinen Gehäusen auf die veränderten Bedingungen angepasst. In erster Linie eignen sich PKD- und Vollhartmetallwerkzeuge bestens für die Zerspanung der beiden Werkstoffe. In einigen Fällen legen die Werkzeugexperten den Prozess als Trockenbearbeitung aus. Polierte Spanräume und besonders glatte Oberflächen an den Werkzeugen verhindern ein Verschmutzen. Sie machen den Zerspanungsprozess auch ohne Kühlschmierstoff sicher.
„Wenn wir die Werkzeuge für die Bearbeitung eines Gehäuses aus Magnesium auslegen, bewegen wir uns im ersten Schritt immer an der oberen Toleranzgrenze“, erläutert Bolz. Denn durch Spannungen im Inneren des Werkstücks, unterschiedliche Beschichtungsdicken oder die Duktilität des Materials, das sich nach der Bearbeitung durch den Wärmeeintrag zusammenzieht, entstehen Abweichungen einiger Durchmesser und Lager. „Erst nach einer Probebohrung mit anschließender Maßkontrolle am Bauteil bestimmen wir die erforderlichen Werkzeugdurchmesser, die auch für die Folgewerkzeuge gültig sind.“
Wirtschaftlichste Lösung dank Kombinationswerkzeugen
PKD-Werkzeug bearbeitet Lager- und Positionsbohrungen
Ein Beispiel dafür ist das Werkzeug zur Bearbeitung des Lagersitzes eines Magnesiumgehäuses. „Bei dieser Bearbeitung hatten wir mit starken Vibrationen zu kämpfen, da das Bauteil vor allem im Bereich der dritten Lagerbohrung extrem dünnwandig ist“, erinnert sich Leander Bolz. Das Werkzeug muss an den vorgegossenen Bohrungen 0,6-1 mm Material abtragen.
Der Kunde stellte hohe Anforderungen:
- Rundheit < 0,01 mm
- Durchmessertoleranz IT7
- Gemittelte Rautiefe Rz < 10 µm
MAPAL legte dafür ein komplexes, mehrstufiges PKD-Kombinationswerkzeug aus. „Damit bearbeiten wir die drei Lagerbohrungen und die Positionsbohrung des Lagersitzes in einem Schuss – prozesssicher innerhalb der geforderten Toleranzen“, so Bolz.
Das Werkzeug arbeitet mit folgenden Schnittdaten:
- Drehzahl 8.000 min-1
- Vorschubgeschwindigkeit 3.200-4.800 mm/min
- Vorschub 0,1-0,15 mm
Bohren und Fräsen kombiniert in einem Werkzeug
Ein weiteres Werkzeug kombiniert die Fräs- und Bohrbearbeitung. Während Bohrstufen die Lagerbohrung und die Positionsbohrung bearbeiten, kommt eine Frässtufe zum Fertigen der Dichtnut zum Einsatz. „Auch bei diesem Werkzeug war es unsere Hauptaufgabe, Vibrationen zu verhindern und den Schnittdruck zu reduzieren“, erläutert Bolz. Die Werkzeugexperten erreichten dies, indem sie Zähnezahl und Geometrie der Frässtufe optimal aufeinander abstimmten. „Dadurch vermeiden wir auch Späne in der Nut und stellen sicher, dass der Fräsprozess sicher läuft“, sagt Bolz.
Die Frässtufe am Werkzeug arbeitet mit folgenden Schnittdaten:
- Drehzahl 8000 min-1
- Vorschubgeschwindigkeit 7.200 mm/min
- Vorschub 0,15 mm
