一種用于新能源電池托盤的復(fù)合加工機(jī)床
2025-1-6 來源： 南京寧慶數(shù)控機(jī)床制造有限公司 作者：蔡 晶 陳建杰
1. 序言
新能源汽車電池模組主要由電池及承載電池的托盤構(gòu)成，電池托盤通常采用多塊鋁板進(jìn)行拼接、焊接而成，然后根據(jù)裝配需求繼續(xù)對(duì)電池托盤進(jìn)行一系列鉆孔、銑削等加工，從而實(shí)現(xiàn)電池托盤的高精度、高平整度，滿足電池模組裝配及汽車裝配的需求。目前，電池托盤的加工工藝基本都需要二次搬運(yùn)、多次裝夾并重新對(duì)刀，導(dǎo)致加工流程工序繁雜，加工效率較低，針對(duì)此我公司研發(fā)了一種用于新能源電池托盤的復(fù)合加工機(jī)床，托盤在機(jī)床上可以一次完成各種鉆、銑等加工工藝，既保證了加工質(zhì)量，又大幅提高了生產(chǎn)效率，并且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。
2. 典型電池托盤加工工藝分析
如圖 1 所示典型托盤，其正面周邊和筋條上分布有孔，且筋條分為 4 列。托盤上孔比較多，φ5mm 孔 66 個(gè)，φ6mm 孔 2 個(gè)，φ7mm 孔 6 個(gè)，φ8mm 孔 38 個(gè)，φ9mm 孔 52 個(gè)，11mm 六角孔 82 個(gè)，φ12mm 孔 6 個(gè)，反面 φ7mm 孔 38 個(gè)，φ9mm 孔 1 個(gè)。
圖 1 典型托盤
如果采用現(xiàn)有 LQI2520 高速龍門移動(dòng)機(jī)床（見圖 2）加工，需要 17min，并且側(cè)面有 11mm六角孔 13 個(gè)、穿線孔 3 個(gè)，還需要單獨(dú)使用側(cè)銑頭進(jìn)行加工。
圖 2 LQI2520 高速龍門移動(dòng)機(jī)床
采用圖3所示新式加工機(jī)床， 由機(jī)型HSC3036 Ⅲ和機(jī)型 HSC3217、桁架系統(tǒng)、自動(dòng)上下料系統(tǒng)和裝夾系統(tǒng)組成。正面、反面和側(cè)面同時(shí)加工，加工時(shí)間就降低到 1/3，效率提高了3 倍。正面采用三工位臥式機(jī)床，如圖 4 所示，反面和側(cè)面用一臺(tái)臥式五軸機(jī)床加工，以此大幅度提高加工效率。
3. 電池托盤機(jī)床主體結(jié)構(gòu)
圖 3 所示新式加工機(jī)床由四大部分組成 : 三單元臥式加工單元、臥式五軸單元、工作臺(tái)底板及夾具、桁架自動(dòng)化送料系統(tǒng)。
圖 3 新式加工機(jī)床
圖 4 三工位臥式機(jī)床
3.1 三單元臥式加工單元
三單元臥式加工單元有 5 個(gè)顯著特點(diǎn)。
1）輕量化設(shè)計(jì)，參與進(jìn)給部件均在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡可能減輕質(zhì)量，以確保移動(dòng)部件的高速與高加速度運(yùn)行。
2）三組進(jìn)給軸通過三通道控制，可互不干涉協(xié)同運(yùn)作，上下行程疊加可使加工范圍無空白區(qū)域。
3）為保證移動(dòng)速度，X 向大行程采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，其余兩向采用高精度滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。
4）機(jī)床可同時(shí)加工 3 片區(qū)域，理論上效率可提升 2 倍。
5）3 組主軸配置 3 臺(tái)圓盤刀庫，換刀效率高。
3.2 臥式五軸單元
臥式五軸單元如圖 5 所示，其特點(diǎn)主要有以下幾方面。
圖 5 臥式五軸單元
1）采用箱中箱式結(jié)構(gòu)，抗沖擊載荷能力強(qiáng)，可重切，可高速，穩(wěn)定性高。
2）X/Y 向雙絲杠驅(qū)動(dòng)，可以保證高速高精加工需求。
3）三向均配置四線軌，可以保證運(yùn)行精度與穩(wěn)定性。
4）X/Y 向大行程可覆蓋市場(chǎng)上大多數(shù)電池盒尺寸，配置五軸可對(duì)斜側(cè)面進(jìn)行銑削和打孔，有效避免二次裝夾。
3.3 工作臺(tái)底板及夾具
工作臺(tái)底板及夾具如圖 6 所示，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要有以下三方面。
圖 6 工作臺(tái)底板及夾具
1）工作臺(tái)底板采用鏤空式設(shè)計(jì)，將電池托盤反面需要加工的區(qū)域露出，以方便后方臥式五軸 HSC3217 機(jī)床對(duì)其反面及側(cè)面進(jìn)行加工。
2）夾具全部采用氣缸形式進(jìn)行夾緊，柔和的夾緊力可避免對(duì)工件表面造成損傷或變形，其中旋轉(zhuǎn)氣缸的選用，為自動(dòng)化上下料創(chuàng)造條件。
3）增加的定位擋板，可使批量化生產(chǎn)的每個(gè)工件，都可以準(zhǔn)確地被裝夾在預(yù)定的加工區(qū)域，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝夾。
3.4 桁架自動(dòng)化送料系統(tǒng)
桁架自動(dòng)化送料系統(tǒng)如圖 7 所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。
a）懸臂式結(jié)構(gòu)
b）料框內(nèi)設(shè)有定位擋板
圖 7 桁架自動(dòng)化送料系統(tǒng)
1）桁架采用懸臂式結(jié)構(gòu)，占用空間小，快捷高效。X 向采用齒條傳動(dòng)，Y、Z 向采用絲杠，為工件的精準(zhǔn)取放提供保障。
2）兩組進(jìn)給軸分別用于上料和下料，獨(dú)立控制互不干涉。
3）采用大規(guī)格型鋼作主體，以提供較高的剛性和強(qiáng)度。
4）整體式底板上方的獨(dú)立料框內(nèi)設(shè)有定位擋板，人工將工件放至料框內(nèi)，同樣采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸固定夾緊，通過齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，使毛坯件按順序分層前進(jìn)，配合桁架機(jī)械手進(jìn)行抓取，轉(zhuǎn)運(yùn)至被加工區(qū)域。
4. 機(jī)床工作方式
電池托盤工件加工時(shí)的運(yùn)行方式如下。
1）人工將毛坯工件裝夾至料框內(nèi)，起動(dòng)氣缸，將毛坯件固定于每個(gè)料框內(nèi)，如圖 8 所示。
圖 8 毛坯工件裝夾至料框內(nèi)
2）運(yùn)用桁架將毛坯件抓取、提升，運(yùn)送至加工區(qū)域，沿定位擋板向下放置，夾緊氣缸開始運(yùn)行，將工件固定。第一組桁架返回至毛坯區(qū)，第二組桁架移至右側(cè)成品區(qū)。
3） 三橫梁機(jī)床 HSC3036 Ⅲ和五軸機(jī)床HSC3217 協(xié)同運(yùn)行，對(duì)工件正反面及側(cè)面進(jìn)行加工，期間無需二次裝夾。如圖 9 所示
圖 9 機(jī)床協(xié)同運(yùn)行
5. 系統(tǒng)控制
此機(jī)床采用定制化數(shù)控系統(tǒng)界面，僅需要輸入孔的位置，即可調(diào)整規(guī)格品種的程序，鉆孔攻螺紋的參數(shù)可以在后臺(tái)程序調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多通道控制，每個(gè)臥式通道負(fù)責(zé)加工產(chǎn)品的一部分。通過定制化軟件，有效將工件分成 3 部分，每部分由1個(gè)臥式通道完成，大大提高了加工效率。
圖 10 加工坐標(biāo)系設(shè)定
5.1 加工坐標(biāo)系設(shè)定
加工坐標(biāo)系設(shè)定如圖10所示。其特點(diǎn)主要有:可以將三通道的加工工件坐標(biāo)系放在一起，用來比較以及反復(fù)確認(rèn) ; 增加微量調(diào)整，避免輸錯(cuò)，并且調(diào)整速度快 ; 此外，系統(tǒng)可提供鉆孔和絲錐專用的 Z 軸尺寸，互不影響。
5.2 通用設(shè)定畫面
通用設(shè)定畫面如圖11所示，參數(shù)化編程包含:刀具號(hào)、刀具長(zhǎng)度、刀具直徑、鉆孔深度、鉆孔/ 攻螺紋轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、牙距、快移速度、快移定位、逐鉆工藝、抬刀量及一攻到底。
圖 11 通用設(shè)定畫面
5.3 加工工件的坐標(biāo)程序
加工工件的坐標(biāo)程序如圖 12 所示，以第一通道為例，提供了兩套方案。①有規(guī)律的孔位加工 : 圓形以及矩形排列。②不規(guī)則孔加工方案 :可以定制孔加工的工藝程序，進(jìn)行固化。
5.4 加工統(tǒng)計(jì)
圖 12 加工工件的坐標(biāo)程序
加工統(tǒng)計(jì)主要是給機(jī)床使用情況做統(tǒng)計(jì)，如圖 13 所示。
圖 13 加工統(tǒng)計(jì)
可以看出，通過統(tǒng)計(jì)開機(jī)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、加工件數(shù)等，可以有效地對(duì)生產(chǎn)管理所需信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，引導(dǎo)生產(chǎn)管理人員進(jìn)一步優(yōu)化加工工藝和提高加工效率。
6. 結(jié)束語
該機(jī)床大大提高了電池托盤加工的自動(dòng)化水平和加工效率，現(xiàn)有的單機(jī)生產(chǎn)效率低，采用本組合自動(dòng)化機(jī)床，效率可以提高 2 倍。除了加工效率，更重要的是提高了工件的加工質(zhì)量。電池托盤是型材焊接件，定位基準(zhǔn)誤差大，工件自身變形大，采用多次定位極易導(dǎo)致孔位偏差，因此應(yīng)盡量采用一次性加工，使用該機(jī)床解決了原有單機(jī)生產(chǎn)多次裝夾所導(dǎo)致的孔位誤差問題。
該機(jī)床還有一種使用方案，即減去 1 個(gè)臥式五軸單元，采用自動(dòng)線單元，仍然能夠達(dá)到效率和質(zhì)量的大幅提高，而且采用自動(dòng)線，1 人可操作多條線，使車間實(shí)現(xiàn)少人化生產(chǎn)。
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