Niles Simmons und Mapal setzen neue Standards in der Elektromobilität Fertigungstechnische Meisterleistung im Bereich der Statorbearbeitung

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Der vom Chemnitzer Werkzeugmaschinenhersteller Niles Simmons und Werkzeughersteller Mapal entwickelte Prozess zur Komplettbearbeitung von Statorgehäusen für Elektromotoren in Fahrzeugen ist in der Serienfertigung angekommen und kann durchaus als eine fertigungstechnische Meisterleistung bezeichnet werden. Zulieferunternehmen und OEMs produzieren damit inzwischen hocheffizient Bauteile, die für Antriebe von batterieelektrischen Fahrzeugen und Hybridmodellen grosser Automobilhersteller bestimmt sind.

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.

Eigens für die Statorfertigung konzipierte Maschine entwickelt

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 Technolgy organisiert und haben die Entwicklung gemeinsam vorangetrieben. Die Bezeichnung «-2» in «Rasoma DZS 400-2» indiziert, dass sie mit zwei Werkstückspindeln arbeitet.

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Teilezu- und abführung

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 Technolgy. 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.

Komplettbearbeitung in zwei Aufspannungen

Zwischen Pickup und Dropdown erfolgt die Komplettbearbeitung der Bauteile auf der Vertikalmaschine in zwei Aufspannungen. Von oben nimmt ein Spannmittel das Werkstück zunächst auf und fährt es nacheinander an verschiedene Bearbeitungsstationen in der Maschine. Auf einer Umspannstation im Arbeitsraum wird das Teil um 180 Grad gedreht und von der zweiten Werkstückspindel für die Fertigbearbeitung aufgenommen. Während der zweiten Aufspannung beginnt parallel an der ersten Aufnahme die Bearbeitung des nächsten Bauteils.

Vorschruppen der verschiedenen Innendurchmesser des Bauteils

Wie auf einer Transferstrasse im Kleinformat reihen sich die Bearbeitungsschritte aneinander. Der Prozess beginnt mit dem Vorschruppen der verschiedenen Innendurchmesser des Bauteils. Dabei steht das Werkzeug still und das Werkstück dreht sich. «Die Zerspanung mit einem vierschneidigen ISO-Aufbohrwerkzeug auf einer HSK-A 100 Spindel benötigt gegenüber dem herkömmlichen Drehen mit einer Schneide nur ein Viertel der Hauptzeit», sagt André Ranke, Gebietsverkaufsleiter Mapal.

Anspruchsvoll: Simultane Innen- und Aussenbearbeitung

Äusserst effizient ist auch der nächste Bearbeitungsschritt, bei dem das rotierende Statorgehäuse innen und aussen gleichzeitig mit jeweils vier Schneiden bearbeitet wird. Das Innenwerkzeug rotiert ebenfalls. Durch die Differenz der Werkzeugdrehzahl zur Werkstückdrehzahl ergibt sich die Schnittgeschwindigkeit an den inneren Schneiden. Das glockenförmige Aussenwerkzeug steht still.

Patentiertes Verfahren

Zur Bearbeitung wird das Bauteil in den Spalt zwischen Innen- und Aussenwerkzeug gefahren. Dieses patentierte Verfahren reduziert auftretende Kräfte am Spannmittel. Um die dünnwandigen Bauteile präzise zu bearbeiten, kann so auf ein aufwändiges Werkstückspannmittel mit Schwingungsdämpfung verzichtet werden. «Bei der Werkzeugauslegung wurde besonderes Augenmerk auf das grosse Spanvolumen und die grossen aufkommenden Kräfte gelegt, da untypischerweise am Innen- und Aussendurchmesser gleichzeitig bearbeitet wird», erläutert Michael Kucher, Component Manager E-Mobility bei Mapal.

Bei der Fertigbearbeitung ist nur das Feinbohrwerkzeug angetrieben, während das Bauteil stillsteht. Damit wird verhindert, dass durch nicht rotationssymmetrische Werkstückformen Unwuchten im Material entstehen und sich negativ auswirken. Danach wird das Werkstück in der Maschine umgespannt und jener äussere Bereich bearbeitet, der zuvor im Flanschbereich gespannt war.

Die Umspannstation kann dabei noch für einen weiteren Zweck genutzt werden: Das Werkstück wird hier vor dem Feinbohren zum Entspannen des Materials abgelegt. Die Maschine weist zusätzlich zwei Werkzeugrevolver für angetriebene Werkzeuge auf, die nach Bauteilanforderung weitere Bearbeitungen ausführen.

Fertigungsprozess schneller und stabiler als erwartet

«Unter dem Strich kombiniert die «Rasoma DZS 400-2» das Beste aus zwei Welten, nämlich die Geschwindigkeit des Drehens für die Vorbearbeitung der Innen- und Aussenkontur mit der Genauigkeit des Feinbohrens für das Schlichten der Innenkontur», kommentiert Daniel Pilz, Project Leader von NSH Technolgy.

Der Werkzeugmaschinenhersteller und Mapal haben ihre jeweiligen Kernkompetenzen in diese Komplettlösung eingebracht. Mit der Serialisierung von Maschine, Werkzeugtechnologie und Prozess wurden die guten Ergebnisse des Prototyps noch weiter verbessert. Die erreichte Prozessstabilität übertraf die Erwartungen sogar, daher konnte die angepeilte Schnittgeschwindigkeit von 700 m/min noch weiter erhöht werden. «Die Erfahrungen, die Niles Simmons aus der Technologievielfalt mitbringt, wirken sich bei dieser Aluminiumbearbeitung positiv auf die Gesamtstabilität von Werkzeugtechnologie und Maschine aus», erklärt Michael Kucher.

«Rasoma DZS 400-2»: wesentlich kürzere Span-zu-Span-Zeit als ein Fräsbearbeitungszentrum

Die «Rasoma DZS 400-2» erreicht eine wesentlich kürzere Span-zu-Span-Zeit als ein Fräsbearbeitungszentrum. Das erklärt sich daraus, dass alle Werkzeuge bereits im Arbeitsraum sind und nur durch Schwenkbewegung der Revolverscheibe in Arbeitsposition gebracht werden. Damit entfallen sämtliche Werkzeugwechsel, was die Nebenzeiten entscheidend reduziert. Mit der beschriebenen Technologie wurde bereits in den Studien eine Taktzeitreduzierung gegenüber der Standarddrehbearbeitung von 50 Prozent erwartet. Die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten auf 1000 m/min unter Einsatz der optimal geeigneten Schneidstoffe und die Optimierung der Nebenzeiten resultierte in einem Zeitgewinn von weiteren 20 Prozent.

Nur ein Teil pro Schicht muss vermessen werden

Der Prozess läuft so stabil, dass stichprobenartige Entnahmen für die Qualitätssicherung ausreichend sind. Wurden anfangs noch sämtliche gefertigten Bauteile vermessen, so liegt die Empfehlung jetzt bei nur noch einem Teil pro Schicht. Dass dies mehr als ausreichend ist, belegt Daniel Pilz mit Zahlen: «Die «Rasoma DZS 400-2» mit den Sonderwerkzeugen von Mapal erreicht einen Prozessfähigkeitsindex von über 1,67 für kritische Merkmale wie Zylinderform, Durchmesser und Konzentrizitäten und erfüllt damit die industriellen Vorgaben.» Kunden, bei denen die Maschine bereits im Einsatz ist, kommen damit im Dreischichtbetrieb auf eine Jahresleistung von bis zu 180 000 produzierten Bauteilen.

Erfolgreich in der Grossserie

Zu den ersten Anwendern des Serienprozesses für die Statorfertigung auf der «Rasoma DZS 400-2» gehört die LTH Castings in Slowenien. Das traditionsreiche Giessereiunternehmen verfügt über mehr als 100 Giesszellen und bearbeitet die Rohteile auf über 250 CNC-Bearbeitungszentren. An insgesamt sechs Standorten sind rund 3800 Mitarbeiter tätig.

Dr. Primož Ogrinec, CTO von LTH Castings: «Mit unseren All-in-One-Lösungen vom Entwurf bis zur Serienproduktion sind wir ein wichtiger strategischer Partner der Automobilindustrie. Zu unserem Bauteilespektrum gehören Komponenten für Getriebe, Motoren für batterieelektrische und Hybridfahrzeuge, Lenkungs- und Bremssysteme.» Die «Rasoma DZS 400-2» Maschinen werden in der hochmodernen Produktion mit Robotern be- und entladen.

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.

«Rasoma DZS 400-2»: es können alle Gehäuse hergestellt werden

«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.

Für Hinterschnitt: ein hochpräzises Aussteuerwerkzeug mit vier Schiebern

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.

Neuer Massstab für niedrige Cost per Part

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.

Weil es unter den Automobilzulieferern einen harten Preiskampf gibt, standen bei der Entwicklung der «Rasoma DZS 400-2» von Beginn an möglichst niedrige Stückkosten im Vordergrund. Erreicht wurde dieses Ziel durch die Kombination aus hoher Maschinenverfügbarkeit, kurzen Taktzeiten, Qualität der bearbeiteten Bauteile und prozesssicherer Fertigung. Nach aktuellen Berechnungen lassen sich dadurch für die Zerspanung inklusive Werkzeugkosten besonders wirtschaftliche Cost per Part erzielen.

(böh)

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