Serienreife Lösung für die Statorbearbeitung

Die beiden Hersteller hatten vor kurzem in einem Entwicklungsprojekt demonstriert, dass auf einer Pick-Up-Drehmaschine eine sehr wirtschaftliche und hochpräzise Produktion von Statorgehäusen möglich ist. Die dünnwandigen Aluminiumbauteile werden für den Antrieb in Elektrofahrzeugen benötigt. Sie sind auf der Außenseite mit Rippen für den Kühlkreislauf versehen und werden in die größeren Motorgehäuse eingebaut.

War während der Entwicklung bei NILES-SIMMONS noch mit einer dafür umgebauten modularen Drehmaschine gearbeitet worden, so kam nun eine eigens für die Statorfertigung konzipierte Maschine auf den Markt. Die Entwicklungsbasis bildete das Vertikalbearbeitungszentrum der Marke RASOMA, welche genau wie NILES-SIMMONS eine Marke der NSH Group (NILES-SIMMONS-HEGENSCHEIDT GmbH) ist. Beide Marken sind gemeinsam in der NSH Group Tochterunternehmung NSH TECHNOLOGY organisiert und haben die Entwicklung gemeinsam vorangetrieben. Die Bezeichnung RASOMA DZS 400-2 indiziert, dass sie mit zwei Werkstückspindeln arbeitet.

Für den Einsatz in der Serienfertigung wurde die Maschine an den Seiten mit einem Pickup-Bereich für die Rohteile und einem Dropdown-Bereich für die fertigen Teile versehen. Zu- und Abfuhr der Bauteile erfolgt über Transportbänder. Bei manueller Bestückung kann über die Automation ein Puffer von zehn bis zu 20 Bauteilen genutzt werden. So ist das Bedienen mehrerer Anlagen möglich, während der Mitarbeiter fertigungsbegleitend anderen Prozessen nachgehen kann. „Wir haben damit standardmäßig eine einfachste Automatisierung realisiert, für die keine Roboter oder Absperrungen an der Maschine benötigt werden. Der Bediener kann die Teile direkt auf ein Palettenband legen“, erläutert Thomas Lötzsch, Sales Manager bei NSH TECHNOLOGY. Eine vollautomatisierte Werkstückbe- und -entladung mehrerer Maschinen mit einem zentralen Fördersystem ist optional möglich. Die Maschine lässt sich leicht in eine bestehende Produktionsumgebung integrieren, wozu auch das relativ kompakte Aufstellmaß von 7,50 x 2,60 m beiträgt. Die Grundlage für die Gestaltung der RASOMA DZS 400-2 war in Zusammenarbeit mit LTH Castings entstanden, einem Partner mit langer Erfahrung im Bereich Gießen und Spezialist für die Zerspanung komplexer, hochwertiger und dünnwandiger Komponenten aus Druckguss-Aluminium. Die Ausgestaltung berücksichtigte so direkt Praxiserfahrungen und Anforderungen von Anwendern.

Between pick-up and drop-down, the complete finishing of the components takes place on the vertical machine in two clamping systems. A clamping device first of all picks up the workpiece from above and moves it to various machining stations in the machine one after another. At a re-clamping station in the working area, the part is turned 180 degrees and picked up by the second workpiece spindle for finishing. During the second clamping, machining of the next component begins at the same time at the first pick-up.

The machining steps follow one another, like on a miniature transfer line. The process begins with the pre-roughing of the component’s various inner diameters. The tool stands still and the workpiece rotates. “Unlike conventional turning with a blade, machining with a four-blade ISO boring tool on an HSK-A 100 spindle takes just a quarter of the productive time”, says MAPAL regional sales manager André Ranke. The next machining step, in which the rotating stator housing is machined inside and outside simultaneously with four blades each, is also extremely efficient. The inner tool also rotates. The difference in the tool speed and the workpiece speed produces the cutting speed at the inner blades.

The bell-shaped outer tool stands still. The component is placed in the gap between the inner and outer tool for machining. This patented process reduces forces that occur on the clamping system. This makes it possible to avoid using a complex workpiece clamping device with vibration damping for precise machining of the thin-walled components. “When designing the tool, particular attention was paid to the large chip volume and the significant forces generated, as it is unusual for the inner and outer diameters to be machined simultaneously”, explains Michael Kucher, Component Manager E-Mobility at MAPAL.

During finishing, only the fine boring tool is driven, while the component stands still. This prevents workpiece shapes that are not rotationally symmetrical from causing imbalances in the material and having a negative impact. The workpiece is then reclamped in the machine and the outer area that was previously clamped in the flange area is machined. The re-clamping station can also be used for another purpose: the workpiece is placed here before fine boring to relax the material. The machine has two tool revolvers for driven tools that carry out further machining based on component requirements.

“The bottom line is that the RASOMA DZS 400-2 brings together the best of both worlds: the turning speed for pre-machining inner and outer contour with the accuracy of fine boring for finishing the inner contour”, says Daniel Pilz, Project Leader at NSH TECHNOLOGY. The machine tool manufacturer and MAPAL contributed their respective core competences to this complete solution. With the serialisation of the machine, tool technology and process, the positive results of the prototype were improved even further. The process reliability achieved even exceeded expectations, allowing the targeted cutting speed of 700 m/min to be increased even further. “For this aluminium machining, the experience NILES-SIMMONS brings from the diversity of technology has a positive impact on the overall reliability of the tool technology and machine”, explains Michael Kucher, Component Manager E-Mobility at MAPAL.

The RASOMA DZS 400-2 achieves a much shorter chip-to-chip time than a milling centre. This is because all tools are already in the working area and are only brought into working position by swivelling the revolver disc. This does away with all tool changes, reducing non-productive time substantially. Using this technology, a cycle time reduction of 50% versus standard turning was already anticipated in studies. During process optimisation, cutting speeds of 1,000 m/min were achieved using optimal cutting material. The additional optimisation of non-productive time resulted in even more time saving of 20%.

Wie die meisten Automobilzulieferer stellt LTH Castings Komponenten für unterschiedliche Fahrzeugmodelle her. Bei der Fertigung von Statorgehäusen ist dabei die Flexibilität der RASOMA DZS 400-2 hilfreich, bei der nur Spannmittel und Werkzeuge umgerüstet werden müssen. „Mit einem einzigen System und unter Anwendung des neuen Prozesses wurde herstellerspezifisch sowohl in Quantität als auch Qualität eine Optimallösung entwickelt und zur Serienreife gebracht“, erläutert André Ranke. Die Produktion von Statorgehäusen ist damit bis zu einem Durchmesser von 500 mm und einer Bauteillänge von 500 mm möglich.

„Auf der RASOMA DZS 400-2 können alle Gehäuse hergestellt werden, die wir bisher gesehen haben, und wir haben schon sehr viele gesehen“, versichert Thomas Lötzsch. Dabei gab es auch für das Projektteam schon mal eine Überraschung, als für das Gehäusedesign eines großen Automobilherstellers ein Hinterschnitt an der Innenseite des Bauteils verlangt wurde. Das Musterbauteil von MAPAL, das für die Prozessauslegung eigens konstruiert und gefertigt wurde, wies diese Herausforderung nicht auf. Doch MAPAL hatte zusammen mit den Spezialisten der NSH Group sehr schnell eine gemeinsame Lösung parat: Anstelle des in der Praxis bewährten Feinbohrwerkzeugs wurde ein hochpräzises Aussteuerwerkzeug mit vier Schiebern aus dem Produktportfolio von MAPAL eingesetzt, das die gewünschte Innenkontur erzeugt. Maschinenseitig wurde in wenigen Tagen eine mit MAPAL abgestimmte Schnittstelle konstruiert, die schon beim laufenden Auftrag Serienreife erlangte. Durch die inzwischen sehr eng vernetzte Entwicklungskonstruktion sind die beiden Unternehmen in der Lage, kurzfristig auf neu entwickelte Konturen zu reagieren.

Die RASOMA DZS 400-2 mit der Werkzeugtechnologie von MAPAL hat sich für die Serienproduktion etabliert und löst Qualitätsprobleme, die auf herkömmlichen Dreh-Fräsmaschinen und horizontalen Transferstraßen auftreten. Thomas Lötzsch sind Fälle bekannt, in denen die geforderten Form- und Lagetoleranzen nicht prozesssicher erreicht und stattdessen Ausschuss produziert wurde – bis zu 50 Prozent. Wo die Qualität stimmte, ließen wiederum die Taktzeiten zu wünschen übrig und verursachten höhere Werkstückkosten. Ein etablierter Prozess für die Fertigung der Bauteile fehlte.