電動汽車主要零件的加工問題及解決方案

章宗城

尚亞（上海）國際貿(mào)易有限公司 上海 230106

1 序言

汽車工業(yè)為了節(jié)省能源消耗、保護環(huán)境以及減少CO2排放，就必須變革動力驅(qū)動源和相應(yīng)的各種機構(gòu)，并減少自身質(zhì)量，因而需要對多方面進行技術(shù)創(chuàng)新和改造。當前，動力驅(qū)動源已開始從燃油內(nèi)燃機改為油電混合驅(qū)動、純電驅(qū)動和氫燃料電池驅(qū)動等。其中，純電動汽車最節(jié)省能源，且結(jié)構(gòu)簡單、加速快、價格低、噪聲小。但也存在許多不足，如續(xù)航距離短、充電尚不便且時間長，以及易受外界條件影響等；油電混合能源汽車仍需要內(nèi)燃發(fā)動機，因此還有變速箱、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，油箱和油路等，適時充電后，可以電驅(qū)動行駛，行駛里程比純電動汽車遠。至今，燃油內(nèi)燃機和混合動力、電動等類型的汽車同時存在，但業(yè)內(nèi)人士估計，或遲或早完全由電力驅(qū)動的汽車將占道路上車輛的大多數(shù)。

我國現(xiàn)在是世界新能源車產(chǎn)銷第一大國，2020年我國純電動和新型的插電式混合動力汽車已累計產(chǎn)銷達500萬輛。新能源車所用到的許多零部件與內(nèi)燃機原有主要零部件不同，加工的工藝流程和所用的刀具也不同。以德國MAPAL集團為例，作為給汽車工業(yè)供應(yīng)切削刀具的大企業(yè)，他們較早就已考慮到這個問題，并逐漸把過去數(shù)十年加工傳統(tǒng)動力系統(tǒng)所積累的先進技術(shù)經(jīng)驗轉(zhuǎn)移到新能源汽車零部件的加工中。MAPAL的Jochen Kress博士這樣說：“汽車工業(yè)意義深遠的技術(shù)改革來臨了，這在機械加工業(yè)引起振動和改變，我們已作了準備，并認為這個改變也是一個機遇?！绷硗?，就新能源汽車本身來說，為提高和完善自己，許多國家的眾多公司也在不斷地研發(fā)新的系統(tǒng)組成，改進推出新的零部件，采用新材料。為應(yīng)對這些新的零部件以及新材料的高效加工，制造企業(yè)也應(yīng)該相應(yīng)作出及時的準備。

2 電動汽車典型零件加工問題及方案

以電力作為全部或部分動力來源，必須具有電動機系統(tǒng)（作為心臟）、電池系統(tǒng)（作為油箱）和動力電子設(shè)備（作為控制的神經(jīng)系統(tǒng)）等有關(guān)部件；此外還有許多輔助的電動設(shè)備，如電動制冷壓縮機、電輔助加熱器、電動的起動和輔助轉(zhuǎn)向設(shè)備等。各種電動電控設(shè)備的開發(fā)，必然會帶來許多新零部件。本文根據(jù)其主要的典型零件，介紹一下MAPAL歸納的幾方面重要問題及其新的加工方案。

2.1 問題一

電動系統(tǒng)殼體零件特別是較大直徑殼體如何實現(xiàn)經(jīng)濟可靠的精密加工？電動系統(tǒng)殼體主要是鏜孔加工，按照一般方法加工時，要承受很大的刀具刀桿重量和轉(zhuǎn)動慣量，切削力矩可達到50N·m，常應(yīng)安裝在刀柄接口為HSK-A100的主軸上，因而需要采用大的機床設(shè)備，安裝使用非常不方便，成本高、經(jīng)濟性差。為此，MAPAL采用了超輕結(jié)構(gòu)的精鏜刀，刀柄接口采用HSK-A63，可以在較小主軸的機床上使用，同時改進了冷卻通道，可進行反面沖洗，使切屑易于排出，避免劃傷精加工后的孔表面，使得加工質(zhì)量大幅提高，且經(jīng)濟高效。

純電動車輛中的鋁制電動機殼體的中孔很大，通常孔徑＞250mm。為精加工這樣大直徑的深孔，MAPAL科學(xué)地設(shè)計了質(zhì)量輕的焊接結(jié)構(gòu)鏜刀，能非常理想地加工出各種類型的薄壁不穩(wěn)定的殼體。即使刀具懸伸很長，加工出的精度也很高，這是因為焊接結(jié)構(gòu)是利用有限元分析法來計算確定的（見圖1），這種方法是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)對結(jié)構(gòu)各參數(shù)進行有效的數(shù)值分析。現(xiàn)有多種軟件，可模擬承受的切削力、確定合理的切削刃分布、計算轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量、評估焊縫、計算承受的軸向力和扭矩下的變形、計算系統(tǒng)的固有頻率，以及計算切削刃與導(dǎo)條上切削液的分配和流速等，精確地了解這些參數(shù)就可設(shè)計出最節(jié)省材料、最輕的可靠結(jié)構(gòu)。這種焊接刀架結(jié)構(gòu)質(zhì)量僅是一般鏜刀的1/2，它帶有外加的導(dǎo)條支承，合理設(shè)計了筋板使抗彎能力增強，加工時很穩(wěn)定，振顫極少。這種鏜刀上還可安裝ISO國際標準適合鋁合金加工的PCD刀片，他們把有限元法也用在刀片前刀面的設(shè)計中，制出特殊且合理的導(dǎo)引斷屑、排屑結(jié)構(gòu)，以保證切削時形成合適的切屑形狀，使其能及時被切離和排出，并使切削力降至很低。在加工時還配合了良好的裝夾系統(tǒng)，并選用合適的切削用量，從而可以達到μm級的加工精度。

圖1 有限元分析示例

不同加工階段所用的多種減輕質(zhì)量的鏜刀結(jié)構(gòu)如圖2所示。粗加工階段使用ISO鏜刀，帶刀夾及PCD ISO可轉(zhuǎn)位刀片；半精加工階段使用精密鏜刀，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，帶PCD ISO可轉(zhuǎn)位刀片；精加工階段使用精密導(dǎo)條刀具，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，帶微調(diào)PCD可轉(zhuǎn)位刀片、支撐導(dǎo)條。各階段鏜刀都采用了ISO標準經(jīng)濟的適合鋁合金加工的PCD可轉(zhuǎn)位更換刀片，壽命長，加工質(zhì)量高。

圖2 不同加工階段所用鏜刀

2.2 問題二

由于電動汽車薄壁零件多，加工時易受力變形，因此需要根據(jù)不同要求采用不同刀具與工藝。在這類表面的加工中，立銑刀較為常用。MAPAL獨特先進的SPM型立銑刀銑削薄壁殼體零件如圖3所示，為減少切削力，其切削刃具有超大的前角，合理布置了容屑排屑槽的空間，這些槽被良好拋光，并且PCD刀片材料和油霧潤滑技術(shù)協(xié)同配合，可使切削力比一般常規(guī)的立銑刀減少15%左右。如果切削力尚嫌大，還可以和擺線銑削方法結(jié)合，從多個方面盡量使切削力降低，從而減小工件變形。經(jīng)粗加工、半精加工和精加工后，可達到μm級的加工精度。

圖3 SPM型立銑刀銑削薄壁殼體零件

許多鋁合金結(jié)構(gòu)件需要用實心材料銑削，銑去的材料甚至多達95%。加工時隨著銑去的材料越來越多，零件的壁變得越來越薄，更易變形振動，很不穩(wěn)定，而這些零件的尺寸精度和表面粗糙度要求還很高。為高效加工出高質(zhì)量的零件，應(yīng)盡量使刀具能在一次裝夾中完成所有的加工，這樣零件各表面相互位置精度可達到最高。因此，對于這些薄壁、空腔和斷續(xù)表面多的零件以及對加工余量變動很大的鑄件的加工，通常都是以開發(fā)專用刀具作為解決方案。在多道工序的大型零件加工時，一般需要采用多種刀具，此時應(yīng)有效地將多種刀具進行復(fù)合，設(shè)計出一兩種多功能刀具，這樣既能保證加工精度，又可減少加工中換刀的輔助時間，是最理想的解決方案。

憑借對加工不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)零件加工工藝的充分理解，MAPAL根據(jù)長期積累的經(jīng)驗訣竅，提出了必須注意以下3方面：①選擇合適的切削參數(shù)，既要避免刀具振動又要避免工件振動，避免加工中二者損傷，提高刀具壽命。②在刀具設(shè)計中，刀桿材料和結(jié)構(gòu)選擇要注意抗振、減振，刀片的形狀和分布應(yīng)使切削力保持在最低。③在加工工藝選擇方面，要選擇安全、降低切削力的工藝，必要時應(yīng)采用螺旋插補方法來替代一般的銑、鉆方法。MAPAL的OptiMill-SPM銑刀在加工中心上銑削薄壁殼體零件，加工質(zhì)量好且工藝穩(wěn)定。另外，在不同加工條件下，還可有針對性地設(shè)計各種相應(yīng)的刀具和工藝方法，以解決不同零件在這方面的加工難題。

2.3 問題三

為及時解決電動汽車一些特殊零件的加工問題，需要采用各種相應(yīng)的先進刀具（見圖4）。汽車電動化不僅涉及驅(qū)動和蓄能等方面的零部件，也涉及到一些輔助設(shè)備，如電動制冷壓縮機，其核心部分是兩個咬合在一起的鋁制蝸輪——定子和轉(zhuǎn)子，壓縮機的效率取決于這兩個零件的加工精度。它們的形狀精度和位置精度都要求在μm級，加工垂直度誤差更要求在0.04μm以下，表面粗糙度要求也較高。為此MAPAL研發(fā)了一種用于精加工的幾何形狀具有超大前角的μm級精度公差螺旋刃立銑刀，可保證幾乎是無振動切削，并且刀具外圓直徑上配置了附加的倒角刃，這樣就能夠在一次切削中完成孔底、壁面和端面倒角的全部加工，確保了垂直度和表面粗糙度的嚴格要求，還確保了工藝安全。

圖4 針對特殊零件采用的各種先進刀具

3 結(jié)束語

除了本文所提到的3個方面，今后新能源汽車特別是純電動汽車為減輕自身質(zhì)量使用的新材料也將是主要方向，如碳纖維材料CFRP及鎂合金材料等，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要保證其有足夠的剛度。這些新材料構(gòu)成的新的特殊結(jié)構(gòu)零部件的高效精密加工，也將是汽車工業(yè)面臨的新的挑戰(zhàn)和任務(wù)。