01.07.2019

E-Motorengehäuse gehen prozesssicher in die Großserie

MAPAL stellt innovative Bearbeitungslösungen für Zerspanungsaufgaben bereit

Mit der Bedeutung der Elektromobilität in der Automobilindustrie steigen auch die produzierten Stückzahlen der Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb. Zwar sind Elektromotoren per se nichts Neues, jedoch betreten Automobilhersteller mit ihrem Einbau in Fahrzeuge und der damit verbundenen Großserienfertigung Neuland. Präzisionswerkzeughersteller MAPAL stellt innovative Bearbeitungslösungen für die Zerspanungsaufgaben bereit, unter anderem für die komplexe Bearbeitung des E-Motorgehäuses.

Durch die Lagerbohrung im Statorgehäuse ist die Front des Feinbohrwerkzeugs zu sehen.

Konstruktionsvariante und Leistungsanforderung – diese beiden Stichworte geben in der Entwicklung von Elektromotoren die Richtung vor. Konstruktiv geht der Weg ganz klar in Richtung Integration: Moderne Motorenkonzepte bringen den Elektromotor, die Leistungselektronik und das Getriebe in einem zentralen Gehäuse unter. Als Antrieb für Fahrzeuge müssen Elektromotoren ihre Leistungsfähigkeit in einem großen Temperaturspektrum erhalten. Dazu spielen Gewicht, Effizienz und Wirkungsgrad eine Rolle. Und in der Automobilindustrie kommt die Anforderung nach einer hochautomatisierten und möglichst kostengünstigen Fertigung in großer Stückzahl hinzu.

Skalierbarkeit des Anforderungskatalogs

Die Automobilhersteller optimieren Verbrennungsmotoren im Hinblick auf diese Kriterien seit Jahrzehnten. Was jedoch für diese Motoren gang und gäbe ist, stellt im Hinblick auf Elektromotoren eine Herausforderung dar. Das zeigt ein Vergleich zwischen einem Gehäuse eines Elektromotors und einem Getriebegehäuse: Das Elektromotorengehäuse weist deutlich enger definierte Toleranzen auf als das Getriebegehäuse. Denn die Genauigkeit hat entscheidenden Einfluss auf den Wirkungsgrad des Motors. Die Bearbeitung erschweren überdies integrierte Kühlkanäle, die das Gehäuse dünnwandig machen, sowie in einigen Fällen Mischbearbeitungen durch eingepresste Lagerbuchsen.

In der Prototypenfertigung sind die genannten Aspekte oft noch ohne große Schwierigkeiten zu meisten. In der Großserienfertigung jedoch stellen sie eine echte Herausforderung dar. Und das nicht nur für die Einhaltung aller Toleranzen, sondern auch bezüglich der Prozesskosten. Neben der erwähnten Lagerbohrung ist die Bearbeitung der Statorbohrung besonders anspruchsvoll. Sie weist einen großen Durchmesser und eine große Tiefe auf.

Auswirkungen des Bearbeitungskonzepts auf die Werkzeugauslegung

Die dünnwandigen E-Motorengehäuse neigen aufgrund ihrer glockenähnlichen Form zu Eigenschwingungen. Aus diesem Grund und wegen gussbedingter Spannungen im Bauteil ist besonderes Augenmerk auf die Aufspannung und auf die einzelnen Bearbeitungsoperationen zu legen. Bei der Aufspannung ist auf geringe Radialkräfte zu achten, damit das spätere Bearbeitungsergebnis, insbesondere die Zylinderform, nicht negativ beeinflusst wird.

Während am Bohrungseintritt ein radiales Aufmaß von ungefähr 0,5 mm vorliegt, bildet sich am Boden der Bohrung aufgrund der gussbedingten Entformungsschräge eine größere Materialanhäufung von bis zu 13 mm im Durchmesser. Dadurch wirken hohe Bearbeitungskräfte auf das Bauteil und das Werkzeug, die in die Prozess- und Werkzeugauslegung einbezogen werden.

Limitierender Faktor Kippmoment

Statorbohrungen weisen nicht selten einen Durchmesser von bis zu 300 mm auf. Um sie wirtschaftlich zu bearbeiten, setzen die Anwender Werkzeuge mit großen Durchmessern und langen Auskragungen ein. Bei solchen Verhältnissen hat neben dem Werkzeuggewicht das Kippmoment des Werkzeugs nennenswerten Einfluss auf den Bearbeitungsprozess und sind durch Vorgaben der Bearbeitungsmaschine und des Werkzeuggreifers möglichweise limitiert. Grundsätzlich legen Werkzeugspezialisten aus diesem Grund die Werkzeuge möglichst gewichtsarm aus.

Zum Beispiel können spezielle Werkzeugkonstruktionen Gewicht und Kippmoment reduzieren, wie etwa neuartige Fertigungsmethoden und die dadurch mögliche Ultraleichtbauweise. Sie erlaubt nicht nur eine individuelle Kühlkanalführung, sondern ermöglicht extreme Gewichtseinsparungen durch geometrische Freiheiten und die Option innerer Hohlräume.

Empfehlenswert: Ein Mehrfach-Maschinenkonzept

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.

Anforderungen an den Bearbeitungsprozess

Der Zerspanung des Gehäuses liegen enge Toleranzen zugrunde bezüglich:

der Koaxialität von Lagerbohrung und Statorbohrung;
der Rechtwinkligkeit der Bohrungen zur Referenzfläche;
der Rundheit und Zylinderform der Statorbohrung und des Lagersitzes.

Neben den Toleranzen stellen die meist eingesetzten AlSi-Legierungen besondere Anforderungen an den Bearbeitungsprozess. Je nach Zusammensetzung der Legierung entstehen sehr lange Späne, die es eigentlich zu vermeiden gilt. Sie führen tendenziell zu Verschleiß an Bauteil und Werkzeug, zu steigenden Drehmomenten oder zu höheren Temperaturen im Bauteil. Späne haben meist eine Temperatur von über 100 Grad Celsius. Und diese Wärme muss mit den Spänen abtransportiert werden. Um diese Anforderungen prozesssicher zu erfüllen, stehen bei MAPAL spezielle, durch die Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelte Spanleitstufen und Spanbrechergeometrien zur Verfügung.

Im Detail ist an einer Schneide die spezielle Spanbrechergeometrie zu sehen. — Spezielle Spanleitstufen und Spanbrechergeometrien sichern einen prozesssicheren Bruch und Abtransport der Späne.

Eine weitere Herausforderung bei der hochgenauen Zerspanung der Gehäuse ist der Bauteilverzug durch Temperaturunterschiede. Aufgrund der Wärmeausdehnungseigenschaften von Aluminium ist dies häufig der Fall. Eine Vollwelle mit einem Durchmesser von 219 m dehnt sich beispielsweise mit einer Temperaturänderung von fünf Grad Celsius um 0,026 mm aus. Im Hinblick auf die eng gesetzten Toleranzen stellt dies ein Problem dar: Die Ausdehnung entspricht in etwa der Durchmesser- und Formtoleranz eines E-Motorgehäuses. Eine Kühlschmierung mithilfe einer Emulsion (Kühlschmierstoff) oder in Einzelfällen auch eine Minimalmengenschmierung reduzieren Temperaturschwankungen über den entsprechenden Späneabtransport. Auch die Anpassung von Schnittwerten und Vorschüben leistet hier einen Beitrag.

Tool design

MAPAL has developed various designs for tools that meet the aforementioned requirements which are used on a daily basis. These include lightweight and yet stable tools in welded design that are highly suited to machining the thin walls of the housing. For the welded designs, the tool body takes the form of a tube. One of these tools weighs just half as much as a conventional boring bar. The carriers for the cutting edges and guide pads, if applicable, are welded on and support each other by means of connecting ribs. This minimises the risk of chattering. It also ensures that support is provided in the event of interrupted cuts. The bending section modulus is excellent thanks to the tubular design and the stabilising ribs. Despite long projection lengths and large diameters, the tools are highly accurate. To achieve this, the MAPAL specialists use extensive analyses based on the finite element method (FEM) to investigate coolant distribution, machining forces, torque and moment of tilt.

A rendering of the fine boring tool as a welded design from the FEM analysis. — Numerous analyses were carried out during the development of welded designs as a fine boring tool.

The machining process and the tools are custom-designed to suit the dimensions, machine pool and clamping setup in question. This helps to minimise the cutting forces working on the part. The process of machining the stator bore is split into three stages – pre-machining, semi-finishing and fine machining.

Pre-machining: Vorbearbeitung: High material removal rate with economic machining values

In most cases, the machine tool is the critical factor in the design of the tool for pre-machining the stator bore. In the machining process that MAPAL recommends, the first choice is a boring tool with cartridges and PCD-tipped indexable inserts. This tool is that it achieves a high material removal rate very quickly and thus cost-effectively because it allows work at high cutting speeds and feed rates. However, using this tool requires a machine with high maximum torque and power to match.

If such a machine is not available, the alternative is to pre-mill the stator bore. MAPAL offers an ISO helix milling cutters with PCD-tipped indexable inserts for this very purpose. Although this tool can also be used to work with very high cutting speeds and feed rates, the machining time is much longer than it is with boring on account of the longer machining stroke.

Eleven tools are arranged around a stator housing. — MAPAL covers the entire process for the complete machining of electric motor housings.

Semi-finishing and finishing: Ensure highest precision

In designing the tool for semi-finishing, MAPAL also focuses on the torque and power of the machine. This stage of machining involves pre-machining the complex contour definition of the electric motor housing so that finishing the complete contour including chamfers and radial transitions is possible in one machining step. For this stage of machining, MAPAL recommends a precision boring tool with PCD-tipped ISO indexable inserts.

The final stage involves machining the stator bore to micron precision with a fine boring tool, also a welded design. The PCD-tipped indexable inserts are finely adjustable, which helps to maximise accuracy. The tool is fitted with guide pads to provide the best possible support in the bore.

Three machining steps (pre-machining, semi-finishing and fine machining) are shown with tool and part. — MAPAL recommends a process with three steps for machining the stator drilling – pre-machining, semi-finishing and fine machining.

Bearing bore: Challenge of mixed machining

With some types of housings for electric motors, a steel bushing is pressed in for the bearing for the rotor shaft. The seat for the bushing is machined first and a bushing is pressed in the further course of the process. Because of the tough requirements for the concentricity of the bearing and stator bores, both bores are then fine machined with a combination tool. This involves one stage of the tool being used to machine the steel bushing and the rest to machine the stator bore out of aluminium at the same time. This is referred to as mixed machining and presents tool manufacturers with a number of challenges. Firstly, the steel chips need to be kept reliably away from the aluminium area. Otherwise, there is a considerable risk of damage to the surfaces of the component and the PCD guide pads on the tool. And secondly, the two materials differ in a fundamental way and have to be treated differently – in the choice of cutting speeds or the estimated end of the tool life.

A special chip guiding stage, the appropriate coolant supply and open chip spaces of the MAPAL machining solution ensure that the steel chips are reliably conveyed forwards. The aluminium chips, however, are routed backwards by means of a specially designed flushing mechanism. The MAPAL tool is also fitted with a protective plate that ensures that the steel chips are kept in the front area (see picture below, tool 3).

But how to work with the differing cutting speeds and tool lives? The specialists recommend 800 m/min for machining aluminium and 200 m/min for steel. And whereas PCD-tipped cutting edges can be used to machine aluminium on 6,000 to 8,000 aluminium parts, the tool life of the cutting edges, usually Cermet, for machining steel is at 250 to 300 parts. Indexable inserts are the solution in this case. Both insert types can be replaced on-site and can be fully used to the end of the respective tool lives.

Machining options for deep bores with large diameters: MAPAL solutions 90 percent faster

MAPAL recommends to machine large diameters with boring and fine boring. Besides, there is yet another option for machining stator bores: finish boring. In the application example, two finish boring tools with one PCD-tipped insert each for roughing and finishing machine a stator bore with a part length of 200 mm, a target diameter of 220 mm and a blank diameter of 215.7 mm. The productive machining time is around five minutes.

On the right, the fine boring tool is clamped into the machine as a welded design. The stator housing is on the left. — Using a fine boring tool as a welded design, the main bore of the central housing is machined to an accuracy of a few µm.

In the machining process recommended by the MAPAL specialists with boring and fine boring, the tools feature eight and four PCD-tipped cutting edges. Instead of five minutes, machining takes just under 0.48 minutes and is therefore much more efficient. The system with three different machining steps is already being used in practice and delivering good results. The required, tight tolerances for concentricity, roundness and cylindrical form are reliably maintained to within just a few micrometres even in large-scale production.