Electric motor housings reliably enter large-scale production

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.

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. 

Geringe Werkzeuggewichte lassen auch Bearbeitungslösungen für kleinere Maschinenschnittstellen wie HSK-A63 zu. Denn nur verhältnismäßig leichte Werkzeuge mit großen Durchmessern sind für den Einsatz auf Maschinen mit weniger Leistung geeignet. Um große Durchmesser auf Maschinen mit kleinen Schnittstellen zu bearbeiten, kann darüber hinaus die Zähnezahl des Werkzeugs reduziert werden. So reduziert sich das Zeitspanvolumen beziehungsweise das Schnittmoment, allerdings auf Kosten der Taktzeit.

Diese Optionen sind deshalb von großer Bedeutung, da der Großteil der vorhandenen Bearbeitungszentren in der Automobilindustrie ebendiese HSK-A63 Schnittstellen aufweisen. Um die neuen Anforderungen an die Bauteile für elektrisch angetriebene Fahrzeuge zu erfüllen, rüsten Unternehmen ihre Maschinenparks um. Empfehlenswert für viele Bearbeitungsprozesse ist ein Mehrfach-Maschinenkonzept. Denn kleinere Spindeln arbeiten flexibler und um 15 Prozent schneller als HSK-A100 Spindeln. Eine optimale Prozessauslegung umfasst Bearbeitungszentren mit HSK-A63 für die Rundumbearbeitung und Bearbeitungszentren mit HSK-A100 für die Bearbeitung der Statorbohrung. In jedem Fall beeinflusst die maschinenseitige Trennstelle die Werkzeugauslegung grundlegend. Denn das maximal mögliche Drehmoment und die maximal mögliche Schnittleistung sind maßgeblich für die Definition der Werkzeugzähnezahl. Dabei gilt: Je höher die Zähnezahl, desto kürzer die Zykluszeit, desto leistungsfähiger muss die Bearbeitungsmaschine beziehungsweise die Spindel sein.

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.

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.

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.