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Werkzeuge Werkzeugentwicklung für die Statorherstellung

| Autor / Redakteur: Berend Denkena und andere / Mag. Victoria Sonnenberg

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten ZIM-Projektes wurde in enger Zusammenarbeit mit der Industrie und Forschung ein neues Werkzeugkonzept zur Herstellung von Statoren entwickelt.

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Bild 1: Mit dem neuen Werkzeugkonzept lassen sich Statoren nachweislich produktiver herstellen.
Bild 1: Mit dem neuen Werkzeugkonzept lassen sich Statoren nachweislich produktiver herstellen.
(Bild: IFW)

Bei Explorationsbohrungen zur Erkundung und Erschließung von Erdöl- und Erdgaslagerstätten werden in der Flach- und Tierfbohrtechnik nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Moineau-Motoren, sogenannte PDMs (positive displacement motors), eingesetzt (Bild 2). Dazu wird Bohrspülung unter hohem Druck durch den Bohrstrang bis zum Bohrmotor gepumpt. In der eigentlichen Motoreinheit, bestehend aus einer 3 bis 5 m langen Rotor-Stator-Kombination, wird die hydraulische Energie in mechanische Energie in Form einer Drehbewegung gewandelt [1, 2].

Der exzentrisch laufende Rotor weist dazu schraubenförmig gewundene Nocken auf. Im Stator ist entsprechend eine hypozykloidähnliche gedrallte Innenkontur eingebracht, wobei zur Erzeugung eines Drehmomentes die Anzahl der Vertiefungen größer als die Anzahl der Nocken ist [3].

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Bisher wird die hypozykloidähnliche Kontur vollständig durch ein Elastomer in einem entsprechend langen Rohr aus Stahl gebildet. Neben der Formgebung hat das Elastomer zusätzlich eine Abdichtungsfunktion und gleicht Fertigungstoleranzen und Verformungen unter Last aus. Der wesentliche Nachteil dieser Anordnung ist, dass durch die geringe mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit des Elastomers die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Bohrmotoren stark begrenzt wird [3].

Ein neuer Ansatz ist es deshalb, den Stator aus einer Stahllegierung endkonturnah zu fertigen und nur mit einer dünnen, gleichmäßig dicken Elastomerschicht zu versehen [4]. Mit diesen äquidistanten Statoren lässt sich durch mögliche Druck- und Drehzahlerhöhung die Leistung gegenüber baugrößengleichen konventionellen Statoren um bis zu 100 % steigern [5, 6], wobei gleichzeitig die Lebensdauer verdoppelt wird [4].

Herstellung von äquidistanten Statoren

Die Länge der Statoren, der geringe zur Verfügung stehende Bauraum und die komplexe, schraubenförmig gewundene Innenkontur stellen für die Fertigung besondere Herausforderungen dar. Mögliche Herstellungsverfahren sind hier das Auskammern [7] sowie erosive oder warmformgebende Verfahren. Ein sehr vielversprechendes und produktives Verfahren ist die Herstellung der Statorkontur durch Fräsen. Dazu ist von der Micon Mining and Construction Products GmbH ein neuartiges Maschinenkonzept entwickelt worden (Bild 3). Die Aufnahme und Abstützung der bis zu 5 m langen Statoren erfolgt über ein 3-Backen-Futter und Lünetten. Aufgrund des begrenzten verfügbaren Bauraums im Inneren des Stators wird die erforderliche Schnittleistung außerhalb des Stators über ein Aufsatzaggregat erzeugt und über einen Werkzeugtragarm und ein 90°-Umlenkgetriebe auf das Werkzeug übertragen.

Verfahrensgrenze als Herausforderung

Der Betrieb einer derart großen und komplexen Sondermaschine ist mit hohen Kosten verbunden, sodass es besonders wichtig ist, das vorhandene Leistungspotenzial voll auszunutzen. Dementsprechend hoch sind die Anforderungen an das zu entwickelnde Werkzeug und den Prozess.

Die über 5 m lange und 20 mm tiefe Wölbung in der Innenkontur sollte prozesssicher in unter zwei Stunden in vergüteten Stahl gefräst werden. Hieraus resultiert gleichzeitig eine Standzeit der Werkzeuge von 2 Stunden, weil ein Wechsel während des Fräsprozesses sehr zeitaufwendig ist und der Werkzeugantrieb hierdurch beschädigt werden kann. Zudem ist durch das Umlenkgetriebe nur ein begrenztes Drehmoment von 18 Nm übertragbar.

Zunächst wurde am IFW ein Werkzeuggrundkörper entwickelt, der die Geometrie der Innenkontur mit den erforderlichen Toleranzen in einem Durchgang bearbeiten kann (Bild 4). Der Grundkörper wurde mit stabilen Wendeschneidplatten bestückt, die eine hinsichtlich Werkzeugverschleiß angepasste Beschichtung und Schneidkantenverrundung sowie ein verschleißfestes Substrat aufweisen. In ersten Einsatzversuchen konnte aufgezeigt werden, dass das Standzeitende der Wendeschneidplatten nach über 5 m Vorschubweg noch nicht erreicht war. Es stellte sich ein prozesssicherer, abrasiver Freiflächenverschleiß mit einer Verschleißmarkenbreite von VBBmax = 110 μm ohne Ausbrüche ein. Zudem war ausreichend Spanraum vorhanden, um die großen Späne aus der Vollnut sicher abzuführen. Bei den Einsatzversuchen wurden zusätzlich die Prozesskräfte für eine detaillierte Betrachtung der Werkzeugbelastung und des Schnittmomentes aufgenommen.

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