原標題：超大型一體化前艙壓鑄件機加工技術研發(fā)及應用

當前，輕量化、低碳化和高度集成化成為當前汽車制造的重要發(fā)展趨勢。作為一種新型制造技術，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，被廣泛應用于汽車零部件的生產(chǎn)。然而，在一體化壓鑄過程中，鑄件往往會因為收縮、變形等因素，難以一次性達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，能夠嚴格符合設計標準，滿足與汽車其他相關部件的精密裝配需求，一體化壓鑄件必須經(jīng)過后續(xù)的機加工處理。

一體化壓鑄件結構復雜，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)一體化壓鑄機加技術的應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、賽力斯等造車新勢力，以及長安汽車、大眾、沃爾沃等傳統(tǒng)車企紛紛跟進，開始積極布局和規(guī)劃相關技術的應用。從總體情況來看，盡管國內(nèi)車企在一體化壓鑄機加技術方面取得了一定進展，但真正實現(xiàn)批量生產(chǎn)的應用案例仍然相對較少。

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)動機控制單元、電氣系統(tǒng)等重要組件，因此對其結構強度、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加工應用技術。然而，國內(nèi)外現(xiàn)有的針對前艙的機加工方式仍存在諸多不足。如采用龍門加工中心、機器人加工、組合機床（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，導致尺寸穩(wěn)定性低和劃碰傷風險高，而且生產(chǎn)線上機械人手爪數(shù)量多，成本高昂。此外，多臺設備串聯(lián)加工的方式也面臨著因故障及調(diào)試問題對整線產(chǎn)能的影響大、過程轉型切換復雜、時間長等挑戰(zhàn)。

基于此，本研究深入剖析前艙機加工技術的實際應用現(xiàn)狀，針對當前存在的技術瓶頸和挑戰(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，具有顯著的中間對稱性，且包含210個加工特征，包括28個螺紋孔、136個光孔以及46個加工面；鑄件最高位置精度為基準孔位置精度，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加工難點主要體現(xiàn)在兩個方面：尺寸巨大、加工特征極多，對加工設備的行程要求極大，且要考慮高效加工；復雜、深腔結構需求的加工擺放角度達到了20個以上。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，導致加工切削力大、易粘刀和熱變形，對刀具要求高。因此，本項目的目標加工設備需要滿足大行程、多角度、高剛性及加工效率高等技術要求，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

為了應對這種多角度加工的挑戰(zhàn)，同時考慮到多工序生產(chǎn)可能帶來的高風險，包括工序銜接的誤差累積、生產(chǎn)時間的延長以及設備故障率的增加等因素，經(jīng)過綜合評估與分析，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，產(chǎn)品因多次搬運而導致的劃碰傷風險也顯著降低，保障了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。整個加工過程可以在一道工序內(nèi)完成，機械手抓取和放置動作減少，這不僅使得上下料過程更加方便快捷，還降低了對自動化設備復雜性的要求，從而有效控制成本；②設備獨立作業(yè)，故障影響小。每臺加工設備負責完成特定的加工任務，減少了因某一設備故障而導致整條生產(chǎn)線停工的風險。此外，設備調(diào)試和故障處理的時間也被最小化，對整線產(chǎn)能的影響微乎其微；③工序精簡，轉型切換迅速。由于加工過程被高度整合，工序間的轉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、效率、質(zhì)量、成本等多個方面，該方案對前艙壓鑄件的生產(chǎn)線都展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。簡化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本，同時更利于現(xiàn)場的布局管理和過程質(zhì)量的嚴格管控，為企業(yè)的精益生產(chǎn)和持續(xù)改進奠定了堅實的基礎。

在具體的加工工藝過程中，該方案加工順序為：首先進行基準孔和基準面的加工，隨后加工其他光孔，確保孔位的準確性和孔壁的光潔度；最后進行其他面及螺紋孔的加工，完成整個前艙的加工。

按照上述方案的加工工藝路線，結合到產(chǎn)品加工擺放角度多的特點，設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，對應的夾具質(zhì)量大，立式龍門式設備相比臥式設備剛性更好。結合上述分析，目前有2種五軸設備選型方案：

（1） 五軸龍門加工中心設備方案

此方案的核心在于設備采用業(yè)內(nèi)常規(guī)且成熟的龍門五軸加工中心形式，此類設備加工工藝成熟、穩(wěn)定、可靠，但此類設備價格高、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，具體結構見圖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的順序）

（2）機器人切削加工單元方案

此方案的創(chuàng)新之處在于通過機器人手爪配置主軸系統(tǒng)來抓取刀具對產(chǎn)品進行切削加工，并使用2個機器人手爪完成銑削等作業(yè)，見圖3。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在設備價格相對較低、柔性好以及制造周期短等方面。

圖3 雙機器人切削加工單元

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，這給相關的夾具設計帶來了全新的挑戰(zhàn)。按照傳統(tǒng)的夾具設計模式來進行設計，夾具的質(zhì)量將會增大，甚至可能達到2.5 t。然而， CNC設備的第6軸轉臺的承重能力最大僅為1.2 t。這說明按照傳統(tǒng)方式設計的夾具質(zhì)量將遠超過轉臺的承重能力，從而無法進行正常的加工操作。為了克服這一難題，需要對前艙鑄件的夾具整體框架結構進行輕量化設計，通過夾具鏤空減重技術，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造，見圖5，由1個基座和5個平臺構成。對圖5的結構進行一階模態(tài)分析和施加載荷進行拓撲優(yōu)化，結果見圖6。

圖4 前艙鑄件的機加工定位示意圖
1.卡槽1 2.X1基準面 3.卡槽2 4.X2基準面
5.卡槽3 6.X4基準面 7.X3基準面

圖5 前艙夾具構造圖
1.平臺 2.基座

圖6 前艙夾具構造模態(tài)應力分析圖

結合成本與加工的可行性，整體框架結構采用了空心方管進行焊接，以構建夾具的主體結構，見圖7。根據(jù)模態(tài)分析結果，增加斜向方管。為了進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。對小平臺剛度較小且無法增加橫梁的區(qū)域，設計鏤空小裙邊以提高小平臺的剛度，同時最大程度減輕質(zhì)量。圖8為前艙鑄件鏤空減重夾具結構。經(jīng)過最終設計，確定了夾具的整體設計方案：夾具框架采用空心方管通過精密焊接工藝構建而成，框架上集成了4個主支承、3個定位圓銷、4個主壓緊裝置、20個輔助支撐以及16個輔助壓緊裝置，見圖9。此外，該夾具還配備了第6軸轉臺，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)合材料鉆頭側主要用于螺紋的小徑加工。為了最大限度地減少換刀時間，提高整體加工效率，對鉆頭的結構進行優(yōu)化，見圖10。

圖7 前艙夾具主體結構圖
1.斜向方管 2.筋板

圖8 前艙鑄件鏤空減重夾具結構

圖9 前艙鑄件的機加工夾具圖
1.夾具整體框架 2.轉臺頭架 3、6.輔助支撐及壓緊 4.定位圓銷 5.主支承及壓緊 7.轉臺尾架

圖10 前艙鑄件的機加工刀具形式

通過加工試驗并檢測，雙梁雙主軸五軸龍門加工中心、機器人切削單元在加工的鑄件孔、螺紋等特征外觀質(zhì)量符合標準要求，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到了標準要求，而采用機器人切削單元設備方案加工所得到的加工面外觀卻存在著明顯的起級以及振紋。這主要是由于該方案中的主軸剛性相對較差，使得機器人在進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，嚴重影響了加工件的質(zhì)量。

圖11 五軸龍門加工中心與機器人切削單元加工面刀紋情況

結論

對前艙結構及加工難點、機加工工藝方案設計、設備選型、夾具、刀具等進行設計，并通過實施驗證，同時對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、機器人切削單元等方案進行了對比。結果顯示，采用雙梁雙主軸五軸龍門加工設備，結合第6軸轉臺及鏤空減重夾具，多階梯形式鉆頭、切削及擠壓絲錐、波形結構銑刀等刀具，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，同時加工效率相比傳統(tǒng)方案提升了50%以上。這一成果不僅驗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加工技術研發(fā)及應用》

伍寶堅1 梁漢廣1 何紹勇1 萬里1 黃志垣2 梁峻瑜2 鐘宇毅2 鄧紹朗2
1. 廣東鴻圖科技股份有限公司；2. 廣東鴻圖汽車零部件有限公司

本文轉載自《特種鑄造及有色合金》