新能源汽車電動機高精密制造技術研究與應用

楊永修，王樂，丁園，張興野，王麗濤

中國第一汽車集團有限公司研發總院試制所 吉林長春 130000

現階段隨著新能源汽車的快速發展，電動機動力結構變得多樣化，有的與減速器、差速器集成在一起，有的與橋殼集成在一起，也有的將電動機集成在車輪上。在新產品試制中，殼體結構數據多樣化，需頻繁地更換殼體種類和安裝夾具，影響新產品的試制效率。同時，在殼體數控加工中，常規的加工坐標系設定方法常表現為效率低、精度差及易干涉等問題，影響電動機殼的加工精度。定子裝配孔與轉子軸承孔分序加工，無法滿足同軸度精度要求，導致電動機轉子在高速旋轉時出現擺動的現象，影響電動機輸出性能。為解決以上問題，本文針對新能源汽車電動機高精密加工方法進行研究與論述。

數控加工坐標系設定及測量技術的研究與應用

加工坐標系設定是建立數控機床主軸與待加工零件間的位置關系，坐標系的設定精度直接影響產品零件的加工精度。高端數控機床裝配的電子測頭，可實現坐標系設定、在線測量、曲面檢測等功能。由于電子測頭造價較高，后期維護昂貴，大部分數控機床都不裝配電子測頭，在進行坐標系設定時，常采用刀具試切分中法、尋邊器分中法及以百分表分中法等技術手段。但以上數控加工坐標系設定方法常表現為設定效率低、精度差、零件表面破壞等特點，并且只能用于垂直面的坐標系設定，無法在電動機殼側壁圓孔處建立加工坐標系。為解決以上技術難題，實現普通數控機床的坐標系高精密、高效率設定，提升產品加工質量和試制效率，對加工坐標系設定技術方法及應用進行研究。

根據數控機床主軸的結構特點，可發現數控機床主軸軸線、刀柄軸線和刀具軸線共線（見圖1）。由于加工坐標系的測量及設定原理為建立數控機床主軸與產品件間的位置關系，因此，可以間接轉換為刀具軸線與產品件的位置關系。結合百分表測量的使用方法，使百分表在零件上的測量值與在刀具軸線上的測量值一致，從而確定刀具軸線與產品件間的位置關系。

圖1 數控銑床主軸結構

裝置由表桿軸機構、表夾滑塊機構及角度刻度盤機構組成。表桿軸上端設計成圓柱形，和數控刀具一樣可以裝夾在機床刀柄上，下端設計成半圓柱形，半圓柱平面與自身圓柱軸線重合。表夾滑塊機構起到對百分表的夾持和位置調節作用，它可以帶動百分表在表桿軸機構上移動。角度刻度盤機構的作用是記錄加工坐標系測量時，百分表的角度位置，保證在第二次設定坐標系時可以在相同的角度位置上測量。數控加工坐標系設定流程如圖2所示。

圖2 數控加工坐標系設定流程

電動機殼側壁為復雜曲面結構，設定坐標系時百分表與產品件發生干涉，無法在豎直面結構進行測量。為解決此類技術難題，對裝置的結構進行優化升級，如圖3、圖4所示，增加多角度連接機構，實現百分表多角度調節，解決在電動機殼側壁上的復雜曲面、多角度空間曲面和狹窄結構型腔的坐標系設定難題。

圖3 數控加工坐標系設定裝置轉向機構

圖4 數控加工坐標系設定應用

電動機殼快速定位工作臺技術研究與應用

電動機殼快速定位工作臺為成組式搭建結構，由定位底板、定位套、固定鎖緊銷、定位鎖緊套、鋁連接板、圓形支座和壓力感應裝置組成。適用于多品種，小批量試制生產，為數控加工提供柔性化加工模式。將電動機殼結構相似、加工工藝相似的殼體分組，使加工技術與工藝設計合理化，以便對各批次試制的電動機殼提供適當的生產設備和工藝裝備。實現擴大批量生產，減少工裝調整時間和工序間等待的時間，可大幅度提高生產率。

在工作臺設計初期，根據數控機床各坐標軸行程范圍制作定位底板，在底板上加工出等距離的沉頭孔，孔的數量可根據底板的大小來確定。定位鎖緊套放入到底板沉頭孔內，同時用三個螺栓緊固在定位底板上，定位鎖緊套中制作成斜面，斜面與固定鎖緊銷配合起到固定作用。快速定位工作臺布局如圖5所示。

圖5 快速定位工作臺布局

鋁連接板根據電動機殼固定區域的大小制作，在鋁連接板的四個角位置加工通孔，并將定位套過盈壓裝進去。表面均布沉頭螺紋孔，鋁連接板下表面為沉頭孔，可以實現電動機殼、支撐塊倒把固定，或在上表面固定壓板等功能。

為解決電動機殼在四軸或五軸設備上加工時主軸刀柄與機床工作臺干涉問題，設計原型支撐座。固定鎖緊銷用于緊固定位底板和鋁連接板，通過鎖緊銷下端漲出的三個鋼球與定位鎖緊套上斜面接觸，產生向下的拉力，使其固定在一起。圓形支座是使用熱處理工藝，在長期使用或頻繁更換時，可降低表面磨損，控制輪廓變形，始終維持較高的精度。將支撐座設計成中空結構，降低自身重力對精度的影響，支座的下端面與鋁連接板的制作工藝相同，支座上端面與定位底板的制作工藝相同，便于連接固定鋁連接板。根據電動機殼端面的尺寸大小，選擇兩個或多個一起使用，增加電動機殼在粗加工時的強度。快速定位工作臺主體結構如圖6所示。

圖6 快速定位工作臺主體結構

薄膜壓力傳感器感應裝置是由綜合機械性能優異的聚酯薄膜、高導電材料和納米級壓感材料組成，底層是柔性薄膜和復合其上的導電層，頂層是柔性薄膜和復合其上的壓感材料，兩者通過雙面膠貼合，并隔離上下兩層的感應區域，當感應區域受壓時，底層彼此分離的線路接通，金屬端口的輸出電阻隨著壓力的不同發生相應變化。此裝置可以安裝在夾具中，檢測對電動機殼固定時的壓裝力或用于檢測電動機殼在精加工時產生的變形，收集并分析數據，提高電動機殼的加工精度和表面質量。電動機殼體快速定位工作臺應用如圖7所示。

圖7 電動機殼體快速定位工作臺應用

電動機殼體階梯孔同軸度高精密加工技術研究與應用

汽車在運行過程中，電動機中的轉子高速運轉，為保證電動機在運行時的性能和穩定性，對電動機殼體的定子裝配孔和轉子軸承孔的同軸度有極高的精度要求。電動機殼體傳統的加工工藝，使用加長立銑刀螺旋下切的方式粗加工定子裝配孔和軸承孔，由于立銑刀伸出過長，導致加工后殼體側壁產生振紋。精加工時，分序使用兩把不同直徑的鏜刀精加工側壁和軸承孔，在換刀的過程中，很容易出現圓心的偏離，造成定子裝配孔和轉子軸承孔的同軸度偏差，影響產品質量。

為解決上述問題，設計開發了一種階梯式可變徑鏜刀（見圖8），包括設置在鏜刀刀體上的鏜刀桿，并且在鏜刀桿上設計兩個圓臺，每個圓臺的上端外邊緣處設置一刀頭。鏜刀桿的階梯型與需要加工的產品形狀匹配，在不同圓臺上設置不同刀頭，從而一次性地實現粗鏜削和精鏜削。刀柄和刀頭采用套式連接結構，通過兩個鏜刀頭可以一次性加工兩個不同直徑的階梯孔。

加工部位采用微調精鏜單元和刀橋分體安裝式結構，通過更換微調精鏜單元，快速完成鏜孔尺寸切換，同時在刀橋上階梯式設置兩段孔徑部，每個孔徑部分別安裝有獨立的微調精鏜單元進行不同尺寸的里孔鏜削加工，在最大限度的情況下，實現了多孔位同時精鏜加工，提高多孔位里孔的鏜削加工效率。

圖8 階梯鏜刀結構

階梯式鏜刀可以實現一次進刀逐一完成各加工位置后一次退刀，與普通鏜刀相比減少了換刀和退刀時間，縮短了產品的整體加工時間，大大提高了加工產品的尺寸一致性，滿足電動機殼體加工精度要求，提升新能源汽車電動機運轉性能和穩定性。電動機殼階梯孔加工如圖9所示。

圖9 電動機殼階梯孔加工

結語

通過對新能源汽車電動機殼體高精密加工方法的研究，在數控加工坐標系設定及測量、電動機殼快速定位裝夾和階梯軸承孔同軸度高精密加工等關鍵技術上，進行了深入的分析和對比，其加工方法具有獨特性。該加工方法制造的電動機殼體在電動機傳動的研發中起到了助推作用，對提升加工能力及保障電動機高速運轉性能有明顯效果。