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）國際貿易有限公司 上海 230106

1 序言

汽車工業為了節省能源消耗、保護環境以及減少CO2排放，就必須變革動力驅動源和相應的各種機構，并減少自身質量，因而需要對多方面進行技術創新和改造。當前，動力驅動源已開始從燃油內燃機改為油電混合驅動、純電驅動和氫燃料電池驅動等。其中，純電動汽車最節省能源，且結構簡單、加速快、價格低、噪聲小。但也存在許多不足，如續航距離短、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燃發動機，因此還有變速箱、轉動系統，油箱和油路等，適時充電后，可以電驅動行駛，行駛里程比純電動汽車遠。至今，燃油內燃機和混合動力、電動等類型的汽車同時存在，但業內人士估計，或遲或早完全由電力驅動的汽車將占道路上車輛的大多數。

我國現在是世界新能源車產銷第一大國，2020年我國純電動和新型的插電式混合動力汽車已累計產銷達500萬輛。新能源車所用到的許多零部件與內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，作為給汽車工業供應切削刀具的大企業，他們較早就已考慮到這個問題，并逐漸把過去數十年加工傳統動力系統所積累的先進技術經驗轉移到新能源汽車零部件的加工中。MAPAL的Jochen Kress博士這樣說：“汽車工業意義深遠的技術改革來臨了，這在機械加工業引起振動和改變，我們已作了準備，并認為這個改變也是一個機遇。”另外，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新的系統組成，改進推出新的零部件，采用新材料。為應對這些新的零部件以及新材料的高效加工，制造企業也應該相應作出及時的準備。

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（作為心臟）、電池系統（作為油箱）和動力電子設備（作為控制的神經系統）等有關部件；此外還有許多輔助的電動設備，如電動制冷壓縮機、電輔助加熱器、電動的起動和輔助轉向設備等。各種電動電控設備的開發，必然會帶來許多新零部件。本文根據其主要的典型零件，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

電動系統殼體零件特別是較大直徑殼體如何實現經濟可靠的精密加工？電動系統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動慣量，切削力矩可達到50N·m，常應安裝在刀柄接口為HSK-A100的主軸上，因而需要采用大的機床設備，安裝使用非常不方便，成本高、經濟性差。為此，MAPAL采用了超輕結構的精鏜刀，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，使得加工質量大幅提高，且經濟高效。

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科學地設計了質量輕的焊接結構鏜刀，能非常理想地加工出各種類型的薄壁不穩定的殼體。即使刀具懸伸很長，加工出的精度也很高，這是因為焊接結構是利用有限元分析法來計算確定的（見圖1），這種方法是基于結構力學對結構各參數進行有效的數值分析。現有多種軟件，可模擬承受的切削力、確定合理的切削刃分布、計算轉動慣量和質量、評估焊縫、計算承受的軸向力和扭矩下的變形、計算系統的固有頻率，以及計算切削刃與導條上切削液的分配和流速等，精確地了解這些參數就可設計出最節省材料、最輕的可靠結構。這種焊接刀架結構質量僅是一般鏜刀的1/2，它帶有外加的導條支承，合理設計了筋板使抗彎能力增強，加工時很穩定，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計中，制出特殊且合理的導引斷屑、排屑結構，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，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量的鏜刀結構如圖2所示。粗加工階段使用ISO鏜刀，帶刀夾及PCD ISO可轉位刀片；半精加工階段使用精密鏜刀，焊接結構設計，帶PCD ISO可轉位刀片；精加工階段使用精密導條刀具，焊接結構設計，帶微調PCD可轉位刀片、支撐導條。各階段鏜刀都采用了ISO標準經濟的適合鋁合金加工的PCD可轉位更換刀片，壽命長，加工質量高。

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協同配合，可使切削力比一般常規的立銑刀減少15%左右。如果切削力尚嫌大，還可以和擺線銑削方法結合，從多個方面盡量使切削力降低，從而減小工件變形。經粗加工、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

許多鋁合金結構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。為高效加工出高質量的零件，應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，此時應有效地將多種刀具進行復合，設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。

憑借對加工不穩定結構零件加工工藝的充分理解，MAPAL根據長期積累的經驗訣竅，提出了必須注意以下3方面：①選擇合適的切削參數，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在刀具設計中，刀桿材料和結構選擇要注意抗振、減振，刀片的形狀和分布應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，加工質量好且工藝穩定。另外，在不同加工條件下，還可有針對性地設計各種相應的刀具和工藝方法，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，需要采用各種相應的先進刀具（見圖4）。汽車電動化不僅涉及驅動和蓄能等方面的零部件，也涉及到一些輔助設備，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，在結構設計上要保證其有足夠的剛度。這些新材料構成的新的特殊結構零部件的高效精密加工，也將是汽車工業面臨的新的挑戰和任務。