原標(biāo)題：超大型一體化前艙壓鑄件機(jī)加工技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用

當(dāng)前，輕量化、低碳化和高度集成化成為當(dāng)前汽車制造的重要發(fā)展趨勢(shì)。作為一種新型制造技術(shù)，一體化壓鑄憑借生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)。然而，在一體化壓鑄過程中，鑄件往往會(huì)因?yàn)槭湛s、變形等因素，難以一次性達(dá)到所需的高精度尺寸要求。為確保鑄件的裝配尺寸，如安裝面、安裝孔、螺紋的位置和尺寸等，能夠嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足與汽車其他相關(guān)部件的精密裝配需求，一體化壓鑄件必須經(jīng)過后續(xù)的機(jī)加工處理。

一體化壓鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中前艙、后地板、電池托盤等零件不僅尺寸大，而且加工特征種類和數(shù)量多，特征擺放角度多，給機(jī)加工帶來了諸多挑戰(zhàn)。在保證加工尺寸精度和表面質(zhì)量的同時(shí)提高加工效率及穩(wěn)定性成為亟待解決的難題。國內(nèi)一體化壓鑄機(jī)加技術(shù)的應(yīng)用最早可以追溯到特斯拉上海工廠在Model Y車型后地板的生產(chǎn)中，此后，蔚來、小鵬、高合、賽力斯等造車新勢(shì)力，以及長安汽車、大眾、沃爾沃等傳統(tǒng)車企紛紛跟進(jìn)，開始積極布局和規(guī)劃相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。從總體情況來看，盡管國內(nèi)車企在一體化壓鑄機(jī)加技術(shù)方面取得了一定進(jìn)展，但真正實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的應(yīng)用案例仍然相對(duì)較少。

前艙作為一體化壓鑄件的主要組成部件，其內(nèi)部集成了冷卻系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、電氣系統(tǒng)等重要組件，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性和加工精度有著極高的要求。目前，國內(nèi)已有部分車企在積極布局與規(guī)劃前艙的一體化壓鑄機(jī)加工應(yīng)用技術(shù)。然而，國內(nèi)外現(xiàn)有的針對(duì)前艙的機(jī)加工方式仍存在諸多不足。如采用龍門加工中心、機(jī)器人加工、組合機(jī)床（多軸鉆）及激光切割等多工序組合的加工方式，不僅裝夾次數(shù)多，容易積累加工誤差，導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性低和劃碰傷風(fēng)險(xiǎn)高，而且生產(chǎn)線上機(jī)械人手爪數(shù)量多，成本高昂。此外，多臺(tái)設(shè)備串聯(lián)加工的方式也面臨著因故障及調(diào)試問題對(duì)整線產(chǎn)能的影響大、過程轉(zhuǎn)型切換復(fù)雜、時(shí)間長等挑戰(zhàn)。

基于此，本研究深入剖析前艙機(jī)加工技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)當(dāng)前存在的技術(shù)瓶頸和挑戰(zhàn)提出高效、優(yōu)質(zhì)和低成本的加工方案。

圖文結(jié)果

前艙壓鑄零件見圖1。該零件輪廓尺寸為1 650 mm×950 mm×630 mm，質(zhì)量約為57 kg，具有顯著的中間對(duì)稱性，且包含210個(gè)加工特征，包括28個(gè)螺紋孔、136個(gè)光孔以及46個(gè)加工面；鑄件最高位置精度為基準(zhǔn)孔位置精度，為±0.1 mm。基于以上分析可得，相比其他產(chǎn)品，一體化鑄件前艙的機(jī)加工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：尺寸巨大、加工特征極多，對(duì)加工設(shè)備的行程要求極大，且要考慮高效加工；復(fù)雜、深腔結(jié)構(gòu)需求的加工擺放角度達(dá)到了20個(gè)以上。尺寸大且精度較高，最高位置精度為±0.1 mm，且夾具尺寸及質(zhì)量增大，為保證高效加工，夾具需要減重；前艙的材料為免熱處理鋁合金材料，此材料偏軟、伸長率高，導(dǎo)致加工切削力大、易粘刀和熱變形，對(duì)刀具要求高。因此，本項(xiàng)目的目標(biāo)加工設(shè)備需要滿足大行程、多角度、高剛性及加工效率高等技術(shù)要求，加工夾具需要提升加工剛性才能保證加工效率。

圖1 一體化前艙壓鑄件

為了應(yīng)對(duì)這種多角度加工的挑戰(zhàn)，同時(shí)考慮到多工序生產(chǎn)可能帶來的高風(fēng)險(xiǎn)，包括工序銜接的誤差累積、生產(chǎn)時(shí)間的延長以及設(shè)備故障率的增加等因素，經(jīng)過綜合評(píng)估與分析，最終采用通過一道工序來完成前艙所有特征的加工方案。其優(yōu)勢(shì)在于：①裝夾次數(shù)大幅減少，減少了因多次裝夾可能帶來的定位誤差，提升了鑄件尺寸的穩(wěn)定性。同時(shí)，產(chǎn)品因多次搬運(yùn)而導(dǎo)致的劃碰傷風(fēng)險(xiǎn)也顯著降低，保障了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。整個(gè)加工過程可以在一道工序內(nèi)完成，機(jī)械手抓取和放置動(dòng)作減少，這不僅使得上下料過程更加方便快捷，還降低了對(duì)自動(dòng)化設(shè)備復(fù)雜性的要求，從而有效控制成本；②設(shè)備獨(dú)立作業(yè)，故障影響小。每臺(tái)加工設(shè)備負(fù)責(zé)完成特定的加工任務(wù)，減少了因某一設(shè)備故障而導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停工的風(fēng)險(xiǎn)。此外，設(shè)備調(diào)試和故障處理的時(shí)間也被最小化，對(duì)整線產(chǎn)能的影響微乎其微；③工序精簡，轉(zhuǎn)型切換迅速。由于加工過程被高度整合，工序間的轉(zhuǎn)型切換變得簡單快捷，大大縮短了生產(chǎn)周期，提高了整體的生產(chǎn)效率；④綜合效益顯著，在搬運(yùn)、效率、質(zhì)量、成本等多個(gè)方面，該方案對(duì)前艙壓鑄件的生產(chǎn)線都展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。簡化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)更利于現(xiàn)場(chǎng)的布局管理和過程質(zhì)量的嚴(yán)格管控，為企業(yè)的精益生產(chǎn)和持續(xù)改進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在具體的加工工藝過程中，該方案加工順序?yàn)椋菏紫冗M(jìn)行基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)面的加工，隨后加工其他光孔，確保孔位的準(zhǔn)確性和孔壁的光潔度；最后進(jìn)行其他面及螺紋孔的加工，完成整個(gè)前艙的加工。

按照上述方案的加工工藝路線，結(jié)合到產(chǎn)品加工擺放角度多的特點(diǎn)，設(shè)備必須具備五軸或五軸以上加工功能。此外，產(chǎn)品的尺寸巨大，對(duì)應(yīng)的夾具質(zhì)量大，立式龍門式設(shè)備相比臥式設(shè)備剛性更好。結(jié)合上述分析，目前有2種五軸設(shè)備選型方案：

（1） 五軸龍門加工中心設(shè)備方案

此方案的核心在于設(shè)備采用業(yè)內(nèi)常規(guī)且成熟的龍門五軸加工中心形式，此類設(shè)備加工工藝成熟、穩(wěn)定、可靠，但此類設(shè)備價(jià)格高、制造周期長。目前此方案有2種形式可供選擇：單梁單主軸式（以下簡稱單五軸）和雙梁雙主軸式（以下簡稱雙五軸），兩者的區(qū)別在于主軸加工頭的數(shù)量，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 龍門五軸加工中心的形式及加工路線圖（數(shù)字為主軸沿著箭頭路線移動(dòng)的順序）

（2）機(jī)器人切削加工單元方案

此方案的創(chuàng)新之處在于通過機(jī)器人手爪配置主軸系統(tǒng)來抓取刀具對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行切削加工，并使用2個(gè)機(jī)器人手爪完成銑削等作業(yè)，見圖3。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低、柔性好以及制造周期短等方面。

圖3 雙機(jī)器人切削加工單元

XY平面方向定位：前艙鑄件外形尺寸巨大，相比傳統(tǒng)的壓鑄件，鑄件的變形量也較大。經(jīng)過壓鑄模擬分析，發(fā)現(xiàn)在壓鑄工藝的中部區(qū)域以及前端部位，鑄件的變形程度相對(duì)較小，即便存在變形情況，也主要表現(xiàn)為從中間向輪轂兩端的方向輕微拉長。圖4為前艙鑄件的機(jī)加工定位示意圖。

前艙鑄件的尺寸較大，為1 650 mm×950 mm×630 mm，這給相關(guān)的夾具設(shè)計(jì)帶來了全新的挑戰(zhàn)。按照傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)模式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，夾具的質(zhì)量將會(huì)增大，甚至可能達(dá)到2.5 t。然而， CNC設(shè)備的第6軸轉(zhuǎn)臺(tái)的承重能力最大僅為1.2 t。這說明按照傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的夾具質(zhì)量將遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)臺(tái)的承重能力，從而無法進(jìn)行正常的加工操作。為了克服這一難題，需要對(duì)前艙鑄件的夾具整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，通過夾具鏤空減重技術(shù)，將夾具質(zhì)量控制在1 t左右。根據(jù)夾緊位置和輔助支撐位置，確定出夾具的大致構(gòu)造，見圖5，由1個(gè)基座和5個(gè)平臺(tái)構(gòu)成。對(duì)圖5的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一階模態(tài)分析和施加載荷進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果見圖6。

圖4 前艙鑄件的機(jī)加工定位示意圖
1.卡槽1 2.X1基準(zhǔn)面 3.卡槽2 4.X2基準(zhǔn)面
5.卡槽3 6.X4基準(zhǔn)面 7.X3基準(zhǔn)面

圖5 前艙夾具構(gòu)造圖
1.平臺(tái) 2.基座

圖6 前艙夾具構(gòu)造模態(tài)應(yīng)力分析圖

結(jié)合成本與加工的可行性，整體框架結(jié)構(gòu)采用了空心方管進(jìn)行焊接，以構(gòu)建夾具的主體結(jié)構(gòu)，見圖7。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，增加斜向方管。為了進(jìn)一步提升剛度以及焊接穩(wěn)定性，在方管間的連接處增加筋板。對(duì)小平臺(tái)剛度較小且無法增加橫梁的區(qū)域，設(shè)計(jì)鏤空小裙邊以提高小平臺(tái)的剛度，同時(shí)最大程度減輕質(zhì)量。圖8為前艙鑄件鏤空減重夾具結(jié)構(gòu)。經(jīng)過最終設(shè)計(jì)，確定了夾具的整體設(shè)計(jì)方案：夾具框架采用空心方管通過精密焊接工藝構(gòu)建而成，框架上集成了4個(gè)主支承、3個(gè)定位圓銷、4個(gè)主壓緊裝置、20個(gè)輔助支撐以及16個(gè)輔助壓緊裝置，見圖9。此外，該夾具還配備了第6軸轉(zhuǎn)臺(tái)，使得能夠在同一道工序內(nèi)完成所有特征的加工，提高了生產(chǎn)效率和加工精度。

針對(duì)前艙材料特征，為減少粘刀，鉆頭材料采用金剛石及硬質(zhì)合金材料，金剛石材料鉆頭耐磨，切削速度高，主要適用于薄孔加工，硬質(zhì)合材料鉆頭側(cè)主要用于螺紋的小徑加工。為了最大限度地減少換刀時(shí)間，提高整體加工效率，對(duì)鉆頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，見圖10。

圖7 前艙夾具主體結(jié)構(gòu)圖
1.斜向方管 2.筋板

圖8 前艙鑄件鏤空減重夾具結(jié)構(gòu)

圖9 前艙鑄件的機(jī)加工夾具圖
1.夾具整體框架 2.轉(zhuǎn)臺(tái)頭架 3、6.輔助支撐及壓緊 4.定位圓銷 5.主支承及壓緊 7.轉(zhuǎn)臺(tái)尾架

圖10 前艙鑄件的機(jī)加工刀具形式

通過加工試驗(yàn)并檢測(cè)，雙梁雙主軸五軸龍門加工中心、機(jī)器人切削單元在加工的鑄件孔、螺紋等特征外觀質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，見圖11。但在加工鑄件的面上，單梁單主軸五軸龍門加工中心方案與雙梁雙主軸五軸龍門加工中心方案，加工前艙鑄件外觀以及尺寸精確均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，而采用機(jī)器人切削單元設(shè)備方案加工所得到的加工面外觀卻存在著明顯的起級(jí)以及振紋。這主要是由于該方案中的主軸剛性相對(duì)較差，使得機(jī)器人在進(jìn)行端面加工的過程中，無法保持穩(wěn)定的切削狀態(tài)，從而產(chǎn)生刀紋以及振紋，嚴(yán)重影響了加工件的質(zhì)量。

圖11 五軸龍門加工中心與機(jī)器人切削單元加工面刀紋情況

結(jié)論

對(duì)前艙結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)、機(jī)加工工藝方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、夾具、刀具等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過實(shí)施驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)所提出的雙梁雙主軸五軸龍門加工方案與傳統(tǒng)的單梁單主軸五軸龍門、機(jī)器人切削單元等方案進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示，采用雙梁雙主軸五軸龍門加工設(shè)備，結(jié)合第6軸轉(zhuǎn)臺(tái)及鏤空減重夾具，多階梯形式鉆頭、切削及擠壓絲錐、波形結(jié)構(gòu)銑刀等刀具，單道工序完成前艙所有特征的加工方案，在保證前艙鑄件機(jī)加工尺寸精度、外觀質(zhì)量（加工面粗糙度等）等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)加工效率相比傳統(tǒng)方案提升了50%以上。這一成果不僅驗(yàn)證了加工工藝方案的有效性和可行性，也為后續(xù)類似零件的加工提供了參考和借鑒。

《超大型一體化前艙壓鑄件機(jī)加工技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用》

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本文轉(zhuǎn)載自《特種鑄造及有色合金》