电动汽车主要零件的加工问题

汽车等运输工业为了节省能源消耗，减少CO2排放，就必须变革动力驱动源和相应的各种机构以及减少自身重量。当前动力驱动源从燃油内燃机改为油电混合驱动、纯电驱动等是发展的主要趋势。纯电动汽车结构简单、加速快、价格低、噪声小，但是目前也存在许多不足，如：续行距离短、充电尚不便、充电时间长还受外界条件影响等等。混合能源汽车还要靠内燃发动机行驶，因此还有变速箱、转动系统、油箱、油路等。适时充电后，可以电驱动行驶，行驶里程比纯电动汽车远。它又分插电式和非插电式，前者电池容量较大，还可外接插入电源接口。目前这三大类各有优劣，谁也无法真正替代其他两类。但业内人士预计，在2025年到2030年间将有25%到30%的车辆是纯电动的。

图 1 电机壳体主孔精密加工用刀具

我国现在是世界新能源车产销第一大国，截止到2020年，我国纯电动和新型的插电式混合动力汽车已累积产销已达到500万辆。新能源车用到的许多零部件和内燃机不同，加工所用的刀具也不相同。德国MAPAL公司在他们的战略定位上，很早就考虑到这个主题。MAPAL公司JochenKress博士曾这样说：“汽车工业意义深远的技术改革来临了，这将在机械加工业带来影响和改变，我们已作好了准备。”

以电力作为全部或部分动力来源，必须增加电动机系统（作为心脏）、电池系统（作为血液）、动力电子设备（作为控制的神经系统）等部件。各种电动电控设备就必然会出现许多新零部件，下面介绍一下MAPAL公司针对新能源汽车零件加工中遇到的主要问题所提出的新的加工方案。

图 2 薄型壳体的加工用刀具

◆大直径电机壳体如何能实现又经济又可靠的精密加工？按照一般方法进行镗孔加工时，主轴要承受到很大刀具刀杆重量和转动惯量，切削力矩达到50Nm，接口为HSK-A100的主轴，成本高，经济性差。MAPAL公司采用了超轻结构的精镗刀，刀柄的接口采用HSK-A63。可以在较小主轴的机床上使用，同时改进了冷却通道，可进行反面冲洗使切屑易于排出，并且不划伤精加工出的孔表面，质量高、经济又高效。

纯电动车辆的中铝制电机壳体的中孔常大于250mm，为精加工这样大直径的深孔，MAPAL公司使用了重量轻的焊接结构镗刀，它非常理想地加工出各种类型薄壁不稳定的壳体，即使刀具悬伸很长，加工出的精度也很高。这种焊接结构重量仅是一般镗刀的1/2。它外加导条支承，依靠合理设计的筋钣使刀具工作稳定抗弯能力强，加工时振颤极少，还可经济安装ISO国际标准的PCD刀片，可以精密地调整达到μm的加工精度，加工时注意配合良好的装夹系统，并选用合适的切削用量，可将切削力降至很低。

图 3 针对特殊零件采用的各种先进刀具

◆电动车中复杂薄壁壳体零件非常多，这些零件刚性很差，加工时受力极易变形，因此必须根据不同加工余量不同加工要求的零件，采用不同工艺。加工这类表面，一般多用立铣刀。MAPAL公司采用了独特的SPM型立铣刀，这类立铣刀刀刃具有超大的前角，并合理布置了容屑槽的空间，采用PCD刀片材料和油雾润滑技术协同配合。这样可使切削力比一般常规的立铣刀减少15%。为了切除较深的型面，他们合理设计制造出合适轴向和径向前角的立铣刀，如果切削力增大，还可以和摆线铣削方法结合在一起，多种方法可使切削力降得很低。这样经粗、半精、精加工后可达到μm级的精度。

许多铝合金结构件使用实心的材料铣削出来，材料去除高达95%，零件加工时随着铣去的材料越来越多，零件的壁变得越来越薄，越来越不稳定，零件因此极易变形振动，但往往这些零件最后加工的尺寸精度和表面光洁度还要求很高。对客户来说，最重要的是降低切削力，并在一次安装中完成所有的加工，为了满足这种要求和尽可能地使刀具进入所有要加工的区域，对于薄壁腹钣、空腔和断续零件的加工，以及对加工余量变动很大的铸件加工，都是以开发专门的刀具解决方案为前提条件。有多道工序的大型零件加工时，必然需要采用许多刀具，此时应有效地将多种刀具进行复合，设计出多功能刀具，以减少刀具数量和加工中换刀的辅助时间。凭借对加工不稳定结构零件工艺的充分理解，MAPAL公司提出了必须注意以下三方面：1.选择合适的切削参数，既要避免刀具振动又要避免工件振动。2.注意刀具设计和刀杆材料，结构选择和设计要抗振减振，要合理设计刀片的形状和分布，使切削力保持在最低。3.加工工艺选择方面，要选择安全、稳定使切削力降至最低的方法，必要时应该采用螺旋插补来替代原用铣、钻等方法。针对刚性差壁薄零件，MAPAL公司提供的OptiMill-SPM铣刀装有PCD的可转位大正前角刀片，图2左即是这种铣刀在加工中心上铣削薄壁壳体零件的情况。为提高效率MAPAL公司还加大了切削刃的长度，排屑槽被良好地抛光，加工质量好，工艺稳定。图2右侧是在不同加工条件下，有针对地设计各种相应特殊的刀具以解决不同形状零件的加工难题。4.要及时解决电动车一些特殊零件加工问题。汽车电动化不仅涉及驱动和蓄能等方面零部件，也牵涉到一些辅助设备如电动制冷压缩机，它的核心部分是两个咬合在一起的铝制涡轮⸺定子和转子。压缩机的效率也决定于这两个零件的加工精度。它们的形状精度和位置精度都要求在μm级，加工垂直度误差要求一般在0.04μm以下，表面粗糙度要求一般在μm（μ<10）以下。虽有这样极高的要求，还要求这样的薄壁零件在精加工内一次完成。为此MAPAL公司研发了一种特殊精加工几何形状具有超大前角的SPMμm级精度公差的螺旋刃立铣刀，可保证几乎是无振动的切削，并且刀具外圆直径上配置了附加的倒角刃，这样就能够在一次切削中完成孔底、壁面和端面倒角的全部加工，确保了垂直度和表面粗糙度的严格要求，还确保了工艺安全。

作者：章宗城，尚亚国际贸易公司