Что такое обработка на станках с ЧПУ в производстве электромобилей?
В производстве электромобилей основными станками с ЧПУ являются волоконные лазерные резаки для корпусов батарей и кузовных панелей, роботизированные лазерные сварочные аппараты для межсоединений ячеек и шин, прецизионные фрезерные станки с ЧПУ для компонентов двигателей и корпусов инверторов, а также автоматизированные станки для обработки алюминиевых конструкционных деталей. Каждый процесс обрабатывает определенные материалы и геометрические формы деталей в рамках цепочки поставок электромобилей.
Производство электромобилей находится на стыке автомобильного производства и аэрокосмической точности. Один аккумуляторный блок содержит тысячи отдельных сварных соединений. Для одного двигателя требуются прецизионно вырезанные пластины из кремниевой стали, алюминиевые корпуса, обработанные с высокой точностью, и медные обмотки, которые необходимо соединить без термического повреждения.
В результате создается производственная среда, где станки с ЧПУ используются на каждом этапе: вырубка сырья, изготовление компонентов, сварка узлов, окончательная обработка корпусов и маркировка готовой продукции. Объемы производства варьируются от количества прототипов в научно-исследовательских работах до миллионов деталей в год в серийном производстве. Сочетание процессов отличается от традиционной автомобильной промышленности, поскольку в электромобилях двигатель внутреннего сгорания и трансмиссия заменены аккумуляторными батареями, электродвигателями и силовой электроникой, для каждого из которых требуется свой набор станков с ЧПУ.
Каталог комплектующих для электромобилей: что обрабатывается и как.
В таблице ниже приведено соответствие основных компонентов электромобилей станкам с ЧПУ, которые их производят. Она предназначена в качестве справочного материала для покупателей, изучающих цепочку поставок оборудования для электромобилей.
| Компонент электромобиля | Функция | Материал | ЧПУ Процесс |
|---|---|---|---|
| Корпус аккумуляторной батареи | Конструктивная оболочка, защищающая ячейки | Алюминий 6061 или литой ADC12 | Волоконно-лазерная резка + фрезерование на станках с ЧПУ |
| Корпус аккумуляторного модуля | Группирует ячейки в модули | Алюминиевый лист, 1–3 мм | Волоконно-лазерная резка |
| Шинопроводы | Токопроводящие межсоединения между ячейками | Медь или алюминий, от 1 до 5 мм | Волоконно-лазерная резка + лазерная сварка |
| Охлаждающие пластины | Управление температурой батареи | Алюминий с паяными каналами | Волоконно-лазерная резка + фрезерование на станках с ЧПУ |
| Межклеточные соединения | Соединение ячейки с шиной | Никелированные стальные или медные пластины | Роботизированная лазерная сварка |
| Ламинированные пластины статора двигателя | Электромагнитный сердечник | Кремниевая сталь, 0.2–0.5 мм | Волоконно-лазерная резка |
| Корпус двигателя | Конструктивный + теплоизоляционный корпус | Литой под давлением алюминий | Фрезерование на станках с ЧПУ + фрезерный станок с автоматической сменой инструмента |
| Мотор ротора | Вращающийся магнитный сердечник | Сталь с редкоземельными магнитами | Прецизионное фрезерование с ЧПУ |
| Корпус инвертора | Корпус силовой электроники | алюминий | Волоконно-лазерная резка + фрезерование на станках с ЧПУ |
| Сборка зарядного порта | Внешний интерфейс зарядки | Алюминий или конструкционный пластик | Фрезерование на станках с ЧПУ + литье под давлением |
| Панели кузова без кузова | структурные элементы кузова автомобиля | Алюминиевый лист + высокопрочные стали | Волоконно-лазерная резка + роботизированная сварка |
| Крышка аккумуляторного блока | Герметичная верхняя крышка для упаковки | Алюминиевый лист, штампованный или нарезанный | Волоконно-лазерная резка и сварка |
Для изготовления одного электромобиля требуется примерно от 20 до 40 различных семейств компонентов, обработанных на станках с ЧПУ, в зависимости от архитектуры и комплектации. По объему производства преобладают детали, связанные с батареей. По требованиям к точности преобладают детали, относящиеся к двигателю и инвертору. По капитальным вложениям в оборудование преобладают детали, относящиеся к кузову автомобиля.
Производство аккумуляторных систем: корпуса, модули и шины.
Производство аккумуляторных батарей — это та область, где в производстве электромобилей используется наибольшее количество станков с ЧПУ. Например, в аккумуляторной батарее Tesla Model Y используются алюминиевые шины с односторонним покрытием на сварной поверхности, расположенные на 4 модулях по 4680 цилиндрических ячеек в конфигурации 92s9p. Каждый модуль содержит 107 ячеек и представляет собой десятки соединений, вырезанных и сваренных лазером.
Корпуса и конструктивные кожухи.
Корпуса блоков обычно изготавливаются из листового алюминия или литого алюминия. Резка преимущественно выполняется волоконными лазерами из-за толщины листа (от 1 до 5 мм) и геометрической сложности портов, каналов охлаждения и элементов крепления. После резки на фрезерных станках с ЧПУ добавляются резьбовые монтажные отверстия, уплотнительные поверхности и интерфейсы для портов давления.
Изготовление и сварка шинопроводов
Шины — это электрические магистрали аккумуляторного блока. Обычно они изготавливаются из меди или алюминия, толщиной от 1 до 5 мм, и имеют форму, позволяющую им проходить через всю архитектуру модуля. Резка производится волоконными лазерами, поскольку материал обладает высокой отражательной способностью и тонкостью. Сварка шин с клеммами ячеек — самая сложная операция в производстве электромобилей: она включает в себя работу с разнородными материалами (медь с алюминием или никелированная сталь с медью), жесткие геометрические допуски и объемы, измеряемые миллионами соединений в год на одном заводе.
Межсоединений ячеек и охлаждения
Для соединения ячеек с шинами требуется роботизированная лазерная сварка с использованием техники колебания луча, чтобы преодолеть высокую отражательную способность меди на стандартной длине волны волоконного лазера 1064 нм. Современные двухлучевые волоконные лазерные сварочные аппараты могут работать до десяти раз быстрее, чем однолучевые предшественники, при сварке таких соединений. В качестве охлаждающих пластин для теплоотвода используются алюминиевые листы с припаянными или приваренными лазером каналами.
Производство электродвигателей и силовых агрегатов
В серийных электромобилях преобладают синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM), а также все чаще используются двигатели с осевым магнитным потоком. Обе архитектуры в значительной степени зависят от высокоточной обработки на станках с ЧПУ.
Статорные пластины и корпуса
Статорные пластины вырезаются из листовой кремниевой стали толщиной от 0.2 до 0.5 мм. Высокоточная волоконно-лазерная резка в значительной степени заменила штамповку для прототипов и мелкосерийного производства, поскольку она исключает затраты на оснастку и позволяет быстро итеративно изменять конструкцию. В крупносерийном производстве по-прежнему используются прогрессивные штампы, но даже они зависят от электроэрозионной обработки проволокой и лазерной резки для изготовления оснастки. Корпуса статоров обычно представляют собой литые алюминиевые детали, которые подвергаются чистовой механической обработке на станках с ЧПУ для создания отверстий под подшипники, монтажных поверхностей и каналов для охлаждающей жидкости.
Сварка шпилек для двигателя
Обмотки электродвигателей в форме шпильки, которые сейчас являются стандартом во многих силовых установках электромобилей, используют прямоугольную медную проволоку, согнутую и сваренную в сплошную обмотку статора. Соединения между концами шпильки свариваются роботизированными волоконно-лазерными системами, часто выполняя тысячи соединений на один двигатель. Качество луча и геометрия соединения определяют электрическое сопротивление двигателя, которое напрямую влияет на запас хода автомобиля.
Корпуса инверторов и силовой электроники
Корпуса инверторов содержат силовые модули из карбида кремния, которые преобразуют постоянный ток от батареи в трехфазный переменный ток для двигателя. Обычно они изготавливаются из алюминия со встроенными каналами охлаждения и производятся методом лазерной резки волоконным лазером с последующей фрезеровкой на станках с ЧПУ уплотнительных поверхностей, монтажных площадок и финишной обработкой каналов охлаждения.
Объемы производства компонентов для электродвигателей ниже, чем для аккумуляторных батарей, но допуски более жесткие. Для одного электродвигателя с обмоткой типа «шпилька» может потребоваться от 2,000 до 5,000 отдельных лазерных сварных швов. Любой шов с повышенным сопротивлением проявляется в виде теплопотерь в течение всего срока службы двигателя, поэтому контроль качества на производственных скоростях имеет решающее значение.
Материалы в производстве электромобилей на станках с ЧПУ
В производстве электромобилей используется особый состав материалов по сравнению с традиционным автомобилестроением. Алюминий преобладает в несущих конструкциях из-за своего веса, медь — в электротехнических, благодаря своей проводимости, а специальные стали используются в сердечниках двигателей и конструкциях кузова.
| Материал | Где используется | ЧПУ Процесс | Особые соображения |
|---|---|---|---|
| Алюминий 6061 / 6082 | Корпуса аккумуляторных батарей, корпуса двигателей, корпуса инверторов. | Волоконно-лазерная резка, фрезерование на станках с ЧПУ. | Отличная обрабатываемость, малый вес, высокая теплопроводность. |
| Литой АЦП12 | Корпуса двигателей, крышки аккумуляторных батарей | Фрезерование на станках с ЧПУ, чистовая обработка. | Для создания пористости в отливке необходимы медленные резы, а герметизация поверхностей имеет решающее значение. |
| Медь (C110, C102) | Шины, обмотки двигателей, шпильки | Волоконно-лазерная резка и сварка | Обладает высокой отражательной способностью на длине волны 1064 нм, требует использования модуляции луча или двухлучевого лазера. |
| Кремниевая сталь (электротехническая сталь) | Пластины статора и ротора | Волоконно-лазерная резка, электроэрозионная обработка проволокой | Для выравнивания стопки требуются точные разрезы. |
| Никелированная сталь | Клеточные терминалы, мобильные вкладки | Роботизированная лазерная сварка | Никелирование предотвращает образование интерметаллических соединений. |
| Нержавеющая сталь 304/316 | Трубки системы охлаждения, корпуса датчиков | Волоконно-лазерная резка, фрезерование на станках с ЧПУ. | Коррозионная стойкость, подходит для открытых участков. |
| Высокопрочная сталь усовершенствованного назначения | Структурные панели кузова | Волоконно-лазерная резка, роботизированная сварка | Очень высокая прочность на разрыв, требует большей мощности лазера. |
| Неодимовые магниты | Роторы электродвигателей (синхронные двигатели с постоянными магнитами) | Прецизионное шлифование | Хрупкий, трудно поддается механической обработке, намагничивается после резки. |
Проблема разнородных материалов является определяющей технической задачей в производстве электромобилей. Соединения меди с алюминием, железа с алюминием и никелированной стали с медью при сварке обычными однолучевыми лазерами образуют хрупкие интерметаллические соединения. Двухлучевая волоконно-лазерная сварка, кольцевое формирование луча и квазинепрерывная лазерная сварка (QCW) являются стандартными решениями в отрасли.
Волоконно-лазерная резка: основа металлообработки электромобилей.
Волоконно-лазерная резка — это основной процесс в производстве электромобилей. Она используется для изготовления корпусов батарей, корпусов модулей, шин, ламинированных статорных пластин, охлаждающих пластин, корпусов инверторов и панелей кузова. STYLECNC каталог станков для лазерной резки волоконным лазером Рассматриваются различные конфигурации, от малоформатных прототипных резаков до промышленных производственных платформ для непрерывного использования в цепочке поставок.
Для конструктивных корпусов батарей и крупных кузовных панелей используются следующие материалы: мощный волоконный лазерный станок для резки металла Обрабатывает более толстые листы алюминия и стали в конфигурациях, соответствующих объемам поставок в автомобильной промышленности. Для крупносерийного производства плоских заготовок. линия лазерной вырубки с катушечной подачей Заменяет традиционные штамповочные прессы для изготовления крышек аккумуляторных батарей, охлаждающих пластин и конструкционных панелей в тех случаях, когда стоимость штампов не может быть амортизирована.
Для сложных 3D геометрия в производстве кузовов автомобилей. 3D роботизированный станок для лазерной резки металла с волоконным лазером Обеспечивает многоосевой доступ к собранным подрамникам, конструктивным узлам и штампованным гидроформованным деталям, недоступным для плоскорезных станков.
Толщина листового металла в производстве электромобилей варьируется от 0.2 мм для ламинированной кремниевой стали до 8 мм для конструкционного алюминия. Одна платформа волоконного лазера редко эффективно охватывает весь этот диапазон, поэтому большинство предприятий, занимающихся поставками комплектующих для электромобилей, используют 2 или 3 конфигурации волоконных лазеров, настроенных на разные диапазоны толщины.
Программное обеспечение для раскроя имеет важное значение в производственных масштабах. Современная программа для изготовления крышки аккумуляторного блока или корпуса модуля включает сотни мелких элементов на одном листе, а оптимизация порядка резки напрямую определяет количество деталей, производимых за смену. Каждый волоконный лазерный резак STYLECNC В стандартную комплектацию входят корабли с системой CAM, позволяющей размещать модули друг в друге.
Роботизированная лазерная сварка: межсоединения ячеек и кузовные работы.
Лазерная сварка является основополагающим процессом для сборки аккумуляторных батарей электромобилей и, все чаще, для производства кузовов автомобилей. Волоконные лазерные сварочные аппараты обрабатывают миллионы соединений элементов с шинами на каждом заводе по производству батарей, а роботизированные лазерные сварочные аппараты выполняют многоосевую сварку, которая скрепляет несущие панели кузова. Промышленные волоконно-лазерные сварочные роботы для автомобилестроения В статье подробно описывается схема развертывания современных заводов по производству электромобилей.
В частности, что касается производства аккумуляторных элементов, Системы лазерной резки и сварки для производства литий-ионных батарей. В справочнике рассматриваются конфигурации интегрированных производственных линий, объединяющие сварку контактов ячеек, крепление шин и герметизацию пакетов на одной линии. 3D промышленный волоконно-оптический лазерный сварочный робот является распространенным строительным блоком для клеток белого вещества, которым необходимо следовать по многоосевой траектории.
Для мелкосерийного изготовления прототипов и производственного ремонта, автоматический станок для лазерной сварки с ЧПУ Обеспечивает такую же точность, как и роботизированные системы, но при этом занимает меньшую площадь, что подходит для научно-исследовательских центров и специализированных предприятий по сборке электромобилей.
STYLECNC В цепочке поставок электромобилей: от прототипа до серийного производства.
Производство электромобилей представляет собой многоуровневую цепочку поставок. Поставщики первого уровня поставляют готовые аккумуляторные батареи, двигатели и инверторы производителям оригинального оборудования (OEM). Поставщики второго уровня поставляют корпуса, шины и пластины статора поставщикам первого уровня. Поставщики материалов третьего уровня поставляют алюминиевый лист, медный лист и кремнистую сталь поставщикам второго уровня. На каждом уровне используется оборудование с ЧПУ.
STYLECNC Промышленные станки используются на всех уровнях цепочки поставок электромобилей. Волоконно-лазерные резаки обрабатывают заготовки для корпусов батарей на уровнях Tier 2 и Tier 3. Роботизированные лазерные сварочные аппараты выполняют сварку контактов ячеек и соединение шин на предприятиях-производителях батарей уровня Tier 1. Маршрутизаторы ATC, включая алюминиевый фрезерный станок с ЧПУ с дисковой системой ATCМы занимаемся обработкой конструкционного алюминия для прототипов и мелкосерийного производства электромобилей, где стоимость штампов является непомерно высокой.
В программах создания прототипов электромобилей тот же волоконный лазерный резак, который в конечном итоге будет использоваться для производства серийных шин, позволяет создавать прототипы первоначальных конструкций с той же точностью. Такая преемственность между прототипированием и производством снижает риск внесения изменений в конструкцию на поздних этапах программы. Это также сокращает количество отдельных поставщиков, с которыми должен координировать руководитель программы.
Для производственных программ STYLECNC линии вырубки с подачей рулонного материала, мощные волоконные лазерные резаки и 3D Роботизированные сварочные системы разработаны для непрерывной работы и интеграции с системами MES, необходимыми для производства электромобилей. Интеграция с установленными заказчиком массивами датчиков, отслеживаемость деталей и контроль качества являются стандартными, а не дополнительными функциями.
Глоссарий: Термины, используемые в производстве электромобилей с ЧПУ.
Используйте этот справочник при сравнении производственных процессов электромобилей, оценке поставщиков или изучении отраслевой технической документации.
| Срок | Определение |
|---|---|
| Шинный | Жесткий электрический проводник, обычно из меди или алюминия, соединяющий элементы или модули батареи. |
| Вкладка "Ячейка" | Тонкий проводник, отходящий от отдельной батарейной ячейки, предназначен для внешнего подключения. |
| Кузов без покрытия (BIW) | Собранная конструкция кузова автомобиля до покраски или отделки, преимущественно состоящая из сварных стальных и алюминиевых панелей. |
| Намотка шпильки | Обмотка двигателя выполнена с использованием прямоугольной медной проволоки, согнутой в форме шпильки и приваренной к концам. |
| Кремниевая сталь | Железный сплав с добавлением кремния для снижения электрических потерь; используется в сердечниках статора и ротора электродвигателя. |
| Сварка колебательным движением | Технология лазерной сварки, при которой луч колеблется по круговой траектории для расширения зоны расплава. |
| Двухлучевой лазер | Волоконный лазер с двумя соосными лучами (сердечник и кольцо) для стабильной сварки отражающих металлов. |
| QCW-лазер | Квазинепрерывный лазер, сочетающий импульсный и непрерывный выходной сигнал для высокоточной сварки. |
| Интерметаллическое соединение | Хрупкая фаза «металл-металл» образуется на границах сварных швов из разнородных материалов; ее необходимо контролировать для предотвращения разрушения соединения. |
| Заготовка с подачей рулонного материала | Процесс вырубки листового металла с непрерывной подачей стали из рулона, используемый для производства автомобильных деталей в больших объемах. |
Часто задаваемые вопросы
Какие станки с ЧПУ используются в производстве электромобилей?
Основной комплекс оборудования включает в себя волоконные лазерные резаки для корпусов батарей, корпусов модулей, шин и статорных пластин; роботизированные лазерные сварочные аппараты для соединений ячеек с шинами и соединений кузова; фрезерные станки с ЧПУ для корпусов двигателей, корпусов инверторов и компонентов ротора; и автоматизированные станки для обработки алюминиевых конструкционных деталей. Каждый крупный производитель электромобилей и поставщик первого уровня использует комбинацию всех четырех типов оборудования.
Почему лазерная сварка так важна в производстве аккумуляторов для электромобилей?
Поскольку соединения батарей должны обеспечивать чрезвычайно низкое электрическое сопротивление при тысячах циклов на один аккумуляторный блок и в условиях высокой скорости производства, согласно данным IPG Photonics и Tech Briefs, лазерная сварка волоконным лазером с использованием волнового или двухлучевого метода является единственной технологией, сочетающей в себе необходимую скорость, точность и возможность работы с разнородными материалами. Ультразвуковая сварка используется для отдельных соединений ячеек с контактами, но не может заменить лазерную сварку при сборке всего аккумуляторного блока.
Почему медные шины так сложно сваривать?
Медь отражает примерно 95 процентов стандартного лазерного луча волоконного лазера с длиной волны 1064 нм, что приводит к нестабильному образованию сквозных отверстий, разбрызгиванию металла и непостоянной глубине проплавления при использовании однолучевых систем. Решением в отрасли являются двухлучевые волоконные лазеры, где кольцевой луч предварительно нагревает медь для увеличения поглощения, а затем центральный луч выполняет саму сварку. Это устраняет разбрызгивание металла и обеспечивает скорость сварки до десяти раз выше, чем у однолучевых аналогов.
Чем производство электромобилей отличается от традиционной автомобильной механической обработки?
Традиционная автомобильная механическая обработка сосредоточена на двигателе внутреннего сгорания, трансмиссии и шасси. В производстве электромобилей эти компоненты заменяются аккумуляторными батареями, электродвигателями и силовой электроникой, которые предъявляют совершенно иные требования к материалам и технологическим процессам. Сварка меди становится центральным элементом. Масштабируется резка ламинированной кремниевой стали. Резко возрастает объем обработки алюминиевых конструкций, поскольку в электромобилях используется больше алюминия, чем в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания, для компенсации веса батарей.
Какие материалы сложнее всего обрабатывать механически при производстве электромобилей?
Три основных проблемы, связанные с материалами, являются наиболее актуальными. Медь наиболее сложна для лазерной обработки из-за своей отражательной способности. Кремниевая сталь наиболее сложна для прецизионной обработки, поскольку слои ламината должны быть выровнены с точностью до микрометра на протяжении тысяч слоев. Неодимовые магниты наиболее сложны для механической обработки, поскольку они хрупкие, требуют обработки в определенных положениях и обычно намагничиваются только после резки, чтобы избежать повреждения режущих инструментов остаточным магнетизмом.
Могут ли существующие цеха ЧПУ переориентироваться на работу в цепочке поставок электромобилей?
Да, и таких предприятий много. Оборудование значительно пересекается с существующим: любая мастерская, уже использующая волоконные лазерные резаки, роботизированные сварочные аппараты или обрабатывающие центры с ЧПУ, обладает основными возможностями. Изменения касаются программирования, оснастки и сертификации качества. В цепочках поставок электромобилей обычно требуется сертификация качества IATF 16949, отслеживаемость деталей и интеграция с MES-системами. Инвестиции в оборудование часто представляют собой меньший барьер, чем инвестиции в системы контроля качества для предприятий, выходящих на этот рынок.
Выводы
Производство электромобилей изменило индустрию станков с ЧПУ больше, чем любая другая отрасль за последние десятилетия. Волоконно-лазерная резка стала стандартным методом обработки листового металла. Роботизированная лазерная сварка перешла из разряда специализированных процессов в стандартные. Высокоточная обработка алюминиевых и медных компонентов на станках с ЧПУ резко возросла, и теперь каждый звено цепочки поставок электромобилей зависит от возможностей станков с ЧПУ для достижения целевых показателей по стоимости и качеству.
STYLECNC Промышленные волоконные лазерные резаки, роботизированные системы лазерной сварки и автоматизированные станки для резки используются во всех цепочках поставок электромобилей по всему миру, от программ создания прототипов до производителей аккумуляторных батарей первого уровня. Для обсуждения конфигураций обработки компонентов электромобилей см. каталог станков для лазерной резки волоконным лазером, каталог лазерных сварочных аппаратовили свяжитесь с STYLECNC Наша команда подготовит для вас индивидуальное коммерческое предложение, составленное на основе вашего списка необходимых деталей.
