01.07.2019
Electric motor housings reliably enter large-scale production
MAPAL provides innovative solutions for machining tasks
The number of vehicles with electric drives being produced is increasing alongside the importance of electric mobility. Although electric motors per se are nothing new, the automotive industry is currently entering uncharted waters in terms of both their use as means of propulsion for vehicles and their large-scale series production. Being a technology partner to its customers, MAPAL has devised a number of innovative machining systems, including some for the complex machining of electric motor housings.
The development of electric motors is clearly moving towards integration. Modern designs encase the electric motor, power electronics and gearbox in one central housing. When used as drive systems in vehicles, electric motors need to maintain their performance across a wide range of temperatures. Weight and efficiency play a major role. Highly automated, large-volume production that is as cost-effective as possible is another factor in the automotive industry.
Scalability of the requirements
How the machining approach affects tool design
Due to their bell-like shape, the thin-walled electric motor housings are prone to natural oscillation. For this reason, and because of casting-related stresses in the part, particular attention needs to be paid to the clamping setup and the various machining operations. During clamping setup for the part, it should be ensured that the radial forces are low so that the eventual outcome of machining, especially the cylindrical form, is not negatively affected.
Whereas the radial stock removal at the bore entrance is roughly 0.5 mm, the draft angles caused by casting result in material build-up measuring up to 13 mm in diameter forming at the bottom of the bore. This results in significant machining forces acting on the part and the tool, and these need to be taken into account in process and tool design.
Moment of tilt: a limiting factor
It is not unusual for stator bores to measure up to 300 mm in diameter. Machining this type of bore cost-effectively therefore calls for large tool diameters and long tool projection lengths. At such proportions, both the weight of the tool and its moment of tilt have a decisive impact on the machining process and can be limited by the requirements of machine tool and tool gripper. The tools should therefore be made as lightweight as possible.
One possible means of reduce weight and moment of tilt comes in the form of special tool designs, for example with innovative, additive manufacturing methods and the resulting ultra-lightweight designs. This not only enables customisable cooling channel design, but also allows enormous amounts of weight to be saved as a result of the geometric freedom that it opens up and the option to have hollow interiors.
Multi-machine approach recommended
Thanks to the weight savings, it is possible to devise machining approaches for smaller machine connections, such as the HSK-A63. After all, only comparably low-weight tools with large diameters can be machined on less powerful equipment. Meanwhile, to make it easier to machine large diameters on machining centres with smaller tool connections, it is possible to reduce the number of teeth on the tool and thus the machining volume or the cutting torque. However, that comes at the expense of cycle time.
These options are particularly important because most of the existing machining centres in the automotive industry are fitted with HSK-A63 connections. One way of meeting the new requirements for parts for electric vehicles is to retrofit existing machine pools accordingly. A multi-machine approach is recommended for many machining processes. With smaller spindles, it is possible to work more flexibly and up to 15% more quickly than with HSK-A100 spindles. In ideal cases, machining centres with HSK-A63 connections should be used for all-round machining; for machining stator bores, however, machines with HSK-A100 connections are preferred. In each case, the connection on the machine side has a fundamental impact on tool design. That is because the number of teeth on the tool in question is chosen on the basis of the maximum possible torque and cutting power. As a general rule, the greater the number of teeth, the shorter the cycle times and the more powerful the machine and spindle need to be.
Requirements to the machining process
Machining of the housing is ultimately subject to tight tolerances with regard to
- the concentricity of the bearing and stator bores,
- the perpendicularity of the bores to the reference surface
- the roundness and cylindrical form of the stator bore and bearing seat.
In addition to the tolerances, the Al-Si alloys usually used for electric motor housings impose particular requirements on the machining process. Depending on the composition, machining these alloys can sometimes produce very long chips. However, these are undesirable for any machining process and must be avoided as they may result in wear on the part and tool as well as an increase in torque or the temperature of the part. The temperature of the chips is usually in excess of 100 degrees Celsius, and the heat needs to be extracted along with the chips. To meet this requirement reliably, MAPAL has used the finite element method (FEM) to develop special chip guiding stages and chip breaker geometries.
Tool design
Vorbearbeitung: Hoher Materialabtrag mit wirtschaftlichen Arbeitswerten
Ausschlaggebend für die Auslegung des Werkzeugs für die Vorbearbeitung ist in den meisten Fällen die Bearbeitungsmaschine. Die erste Wahl für MAPAL ist ein Aufbohrwerkzeug mit Kurzklemmhaltern und PKD-bestückten Wendeschneidplatten. Dieses Werkzeug arbeitet mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben und erzielt schnell und damit wirtschaftlich einen hohen Materialabtrag. Allerdings erfordert es eine Maschine mit hohem maximalem Drehmoment und entsprechender Leistung.
Ist eine solche Maschine nicht verfügbar, kann die Statorbohrung mit einem ISO-Helixfräser mit PKD-bestückten Wendeschneidplatten vorgefräst werden. Der Helixfräser erreicht ebenfalls sehr hohe Schnittdaten; allerdings ist die Bearbeitungszeit durch den größeren Bearbeitungsweg deutlich länger.
Semi-Finishing und Fertigbearbeitung: Höchste Präzision sicherstellen
Auch bei der Semi-Finishbearbeitung liegt der Fokus auf dem Drehmoment und der Leistung der Maschine. Das Semi-Finishwerkzeug bearbeitet den aufwendigen Konturzug des E-Motorgehäuses so vor, dass die abschließende Fertigbearbeitung in einem Arbeitsgang prozesssicher gelingt. Ein Präzisionsaufbohrwerkzeug mit PKD-bestückten ISO-Wendeschneidplatten ist hier das Werkzeug der Wahl.
Das Finishwerkzeug stellt die komplette Kontur mit Fasen und radialen Übergängen innerhalb einer Toleranz von wenigen µm her. Um höchste Genauigkeit zu erreichen, ist das Feinbohrwerkzeug mit feinjustierbaren PKD-bestückten Schneidplatten ausgestattet. Führungsleisten gewährleisten eine optimale Abstützung in der Bohrung.
Lagerbohrung: Mischbearbeitung stellt Herausforderung dar
Einige Varianten der Elektromotorengehäuse weisen eine eingepresste Stahlbuchse für die Lagerung der Rotorwelle auf. Dabei wird zunächst der Sitz der Buchse bearbeitet und während des Prozesses eine Buchse eingepresst. Aufgrund der hohen Anforderungen an Koaxialität von Lagerbohrung und Statorbohrung bearbeitet anschließend ein Kombinationswerkzeug beide Bohrungen fertig. Dabei zerspant ein Teil des Werkzeugs die Stahlbuchse, der restliche Teil gleichzeitig die Statorbohrung aus Aluminium. Diese sogenannte Mischbearbeitung stellt Werkzeughersteller vor mehrere Herausforderungen: Sie müssen zum einen die Stahlspäne prozesssicher vom Aluminiumbereich fernhalten, um nicht die Bauteiloberfläche oder die PKD-Führungsleisten des Werkzeugs zu beschädigen. Zum anderen unterscheiden sich die beiden Materialien grundsätzlich – in der Wahl der Schnittgeschwindigkeiten oder der zu erwartenden Standzeiten der Schneiden.
Eine spezielle Spanleitstufe, eine optimierte Kühlmittelführung sowie geöffnete Spanräume stellen in der MAPAL Bearbeitungslösung sicher, dass die Stahlspäne prozesssicher nach vorne abtransportiert werden. Die Aluminiumspäne hingegen führt das Werkzeug durch eine eigens ausgelegte Rückspülung nach hinten ab. Die MAPAL Lösung verfügt darüber hinaus über einen sogenannten Protektionsschild, der zusätzlich sicherstellt, dass die Stahlspäne im vorderen Bereich bleiben (siehe Bild oben, Werkzeug 3).
Wie aber den unterschiedlichen Schnittwerten und Standzeiten begegnen? Für Aluminium empfehlen die Spezialisten eine Schnittgeschwindigkeit von 800 m/min; für Stahl nur 200 m/min. Und während eine PKD-bestückte Schneide 6.000 bis 8.000 Aluminium-Bauteile bearbeitet, liegt die Schneidenstandzeit in der Stahlbearbeitung, in der Regel Cermet, bei nur 250 bis 300 Bauteilen. Die Lösung sind Wendeschneidplatten. Vor Ort auswechselbar, können beide Schneidentypen bis zu ihrem Standzeitende im Einsatz bleiben.