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In drei Monaten zum Serienprozess

Drehteile an der Grenze des fertigungstechnisch Machbaren für E-Motor
In drei Monaten zum Serienprozess

Präzisionswerkzeuge | M-Tec erhielt von Daimler den Auftrag, den Fertigungsprozess für Bauteile des Elektromotors zweier Hybridmodelle auszulegen. Für die Werkzeugkonzeption wurde Mapal mit ins Boot geholt.

Andreas Enzenbach Corporate Communication Mapal Dr. Kress KG, Aalen

Die 2009 gegründete M-Tec GmbH hat sich die Fertigung von komplexen Bauteilen auf die Fahnen geschrieben. Dabei steht nicht die Lohnfertigung im Fokus, die das Unternehmen mit seinen 25 Mitarbeitern nur für Bestandskunden umsetzt, sondern das Betreuen von Projekten. Die Metallbearbeitung-Spezialisten aus dem schwäbischen Waldstetten optimieren gemeinsam mit Kunden Bauteile und Prozesse, fertigen Prototypen und dienen als verlängerte Werkbank. Viele der Kunden kommen aus dem Automotive-Bereich. Hier sieht Geschäftsführer Matthias Maier die Trends hin zur Elektrifizierung und zu immer leichteren Bauteilen mit engeren Toleranzen.
So erhielten die Waldstettener Ende 2014 den Auftrag, den Fertigungsprozess für zwei Bauteile eines Hybridmotors auszulegen. Auf dem Rotorträger und der Stützscheibe des E-Motors – beide aus Stahl (CF53) –, wird alles aufgebaut. In den Rotorträger wird ein Stator und in diesen ein drehbar gelagerter Rotor integriert. Die Stützscheibe wird fest im Rotorträger fixiert. Die beiden Teile in H6-Qualität, das Herzstück des Motors, werden von einem Daimler-OEM automatisiert montiert. Deshalb ist extreme Genauigkeit gefordert. Zudem könnten Abweichungen von der Maßhaltigkeit zu erheblichen Leistungseinbußen des Motors führen.
Nur drei Monate statt den für solche Projekte üblichen zwei bis drei Jahren standen für die Prozessauslegung zur Verfügung. Dabei mussten die Abläufe serientauglich sein. Eine Herausforderung waren dabei die im Schichtbetrieb wechselnden Mitarbeiter an den Maschinen. So komplex die Teile sind, so einfach mussten deshalb die Bearbeitungsschritte ausgelegt werden, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten.
Schon zu Beginn dieses Projekts holte sich M-Tec die Aalener Werkzeugspezialisten von Mapal als Partner ins Boot. Es war bereits das 20. Großprojekt, das die beiden Unternehmen seit 2013 gemeinsam realisierten.
Die Grundkörper des Rotorträgers und der Stützscheibe werden geschmiedet und anschließend umgeformt. Die Feinbearbeitung der Nabe zum Lagern der Antriebswelle am Rotorträger zeigte sich als besonders anspruchsvoll. „Eine Passung mit H6-Toleranz in der Serienfertigung zu drehen, ist im Grenzbereich“, erklärt Maier. Allein mit einer Drehbearbeitung könne die Zylinderform nicht hergestellt werden.
Im Technologiezentrum von Mapal in Aalen suchten die Experten die passende Lösung, nach der richtigen Schneide und Beschichtung für eine Außenreibahle und statteten diese (Innendurchmesser 45,025 mm) nach Versuchen mit unbeschichteten, aber gebürsteten Cermet-Schneiden aus. „Das Bürsten der Schneiden lieferte den gewünschten Effekt“, sagt Markus Götzelmann, Anwendungstechniker bei Mapal. Mit dem Sonderwerkzeug samt Pendelhalter, der den Achsversatz durch das Radialspiel beim Reiben kompensiert, stellten die Aalener das richtige Werkzeug zum Bearbeiten der Passung auf einem Dreh-Fräs-Zentrum bereit. „Mit der Außenreibahle erzielten wir mit einer Drehzahl von 900 min-1 und einem Vorschub von 0,1 mm/min schnell sehr gute Ergebnisse“, so Maier. Die geforderte Oberflächengüte von Rz = 6,3 μm wurde mit 1,7 μm deutlich übertroffen.
Zudem ist der Rotorträger – der an der breitesten Stelle einen Außendurchmesser von 210 mm und einen Innendurchmesser von 190 mm hat – mit anspruchsvollen Bohrungen versehen. Auch hier sind genaues Positionieren und Maßhaltigkeit gefragt. Für die teils mehrstufigen Bohrungen sowie für Bohrungen auf schrägen Ebenen nutzt M-Tec verschiedene Mapal-Stufenbohrer.
Neben einem Schrumpffutter mit einer HSK-Aufnahme für die Innenreibahle kommt ein Sonderwerkzeughalter mit HSK-T63-Anschluss auf dem Dreh-Fräs-Zentrum zum Einsatz. Mit letzterem erfolgt die Innendrehbearbeitung des Rotorträgers. Die Innenreibahle mit Durchmesser 42 mm ist zum Ausgleichen der Verzüge an der Passung nach dem Härten im Einsatz.
Auch die Bearbeitung der Stützscheibe mit einem Durchmesser von 193 mm war eine schwierige Aufgabe. Sie wird nahezu komplett mit Mapal-Werkzeugen auf einer Drehmaschine gefertigt. Eine weitere Herausforderung beim Fertigen der Scheibe bestand in der begrenzten Anzahl an Werkzeugplätzen auf der Maschine.
Als Spannzeuge verwendet M-Tec HSK-T-Aufnahmen, die es unter anderem ermöglichen auch rotierende Tools auf einer Drehmaschine einzusetzen. Zudem legten die Aalener Werkzeugspezialisten Drehhalter mit positiven und negativen Wendeschneidplatten aus sowie Bohrer, Fräser und Reibahlen als Kombinationswerkzeuge, so dass so wenige Werkzeuge wie möglich zum Einsatz kommen. Wenn deren Standzeitende erreicht ist, ermöglicht die HSK-T-Schnittstelle einen schnellen und prozesssicheren Werkzeugwechsel.
Projektpartner schult Fertigungspersonal und bietet Support direkt an der Maschine
Die Langlöcher am äußeren Rand der Stützscheibe werden mit einem VHM-Fräser OptiMill-Uni HPC mit 8 mm Durchmesser realisiert. Für die weiteren Bohrungen waren zuerst Bohr-Fräs-Kombinationen angedacht. „Das hat aber auf der reinen Drehmaschine nicht funktioniert“, erzählt Maier. Deshalb kommen dafür VHM-Bohrer zum Einsatz. Die Passung an der Stützscheibe, die der Passung am Rotorträger gegenüberliegt, wird mit einer Innenreibahle mit einem Durchmesser von 80 mm feinbearbeitet.
Mapal war für M-Tec nicht nur Partner bei der Werkzeug- und Projektauslegung. Die Mitarbeiter des Werkzeugherstellers schulten auch das Personal des Fertigungsbetriebs vor Ort und leisteten Support direkt an der Maschine. „Dieses partnerschaftliche Verhältnis ist für uns sehr wichtig, denn Mapal hat uns durch das Engagement entlastet“, resümiert Maier, „und das rechnet sich.“ Gemeinsam erreichten die Partner das Ziel der Serienbeauftragung für die beiden Teile des Elektromotors. •
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