Как обработка с ЧПУ обеспечивает точное производство компонентов аккумуляторов и двигателей для электромобилей

Электромобили Это автомобили, которые приводятся в движение электродвигателем вместо двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине или дизельном топливе. Электромобили являются предпочтительной альтернативой традиционным бензиновым автомобилям благодаря более низким эксплуатационным расходам и отсутствию выбросов. В 2019 году продажи аккумуляторных электромобилей и подключаемых гибридных электромобилей выросли на 43%, а новые участники рынка готовятся к переходу от двигателей внутреннего сгорания к электрическим моделям. Однако для того чтобы электромобили стали экономически выгодными на уровне бензиновых автомобилей и соответствовали требованиям к доступности, производительности, безопасности и надёжности, их производство требует применения технологий прецизионной обработки. Компоненты, используемые в аккумуляторных батареях и электродвигателях электромобилей, должны обладать очень точными характеристиками в отношении накопления энергии, электрического КПД, выходной мощности и долговечности. Необходимость обеспечения постоянства этих параметров особенно важна при массовом производстве электромобилей. Обработка с ЧПУ стала одним из ключевых процессов в производстве, требующих высокой точности деталей, используемых в электромобилях. Обработка на станках с ЧПУ использует программируемые инструменты и технологии для резки, моделирования и изготовления деталей из широкого спектра материалов с точностью до микрометров, а также с заданной степенью однородности и точности. В данной статье также будет рассмотрено, как применение обработки с ЧПУ устраняет препятствия на пути массового производства деталей для электромобилей, аккумуляторов и электродвигателей, что способствует развитию отрасли электромобилей.

История и значение точности в производстве компонентов для электромобилей

Качество и долговечность таких компонентов электромобилей, как аккумулятор и двигатель, в значительной степени зависят от уровня качества изготовления. Действительно, Литий-ионный которая в основном используется в электромобилях, отличается высокой точностью на уровне элементов и аккумуляторных батарей, что определяет энергетическую ёмкость, мощность и тепловые характеристики на протяжении сотен циклов заряда-разряда. Ранние электродвигатели также требовали точной подгонки ротора, статора и других деталей для обеспечения максимального крутящего момента, частоты вращения и КПД. Тем не менее, когда электромобили впервые появились в последнем десятилетии XX века и в первые годы нынешнего столетия, обеспечение такой точности становилось настоящей головной болью для автопроизводителей и их субподрядчиков. Требуемые допуски зачастую были гораздо уже, чем для бензиновых автомобилей, однако объемы производства электромобилей были довольно низкими, что затрудняло оправдание затратных методов прецизионной обработки. Проблемой был также контроль качества, поскольку незначительные отклонения в размерах компонентов при ручной сборке могли ухудшить эксплуатационные характеристики и снизить долговечность. В результате ограниченное количество электромобилей, выпущенных в то время, страдало от низкого запаса хода в реальных условиях и более высоких, чем прогнозировалось, темпов износа.

Вскоре стало ясно, что для широкого распространения электромобилей необходимо обеспечить точное и воспроизводимое производство. Ранние прототипы, изготовленные вручную, уже не могли удовлетворить спрос растущих рынков. Требовалось масштабируемое решение для производства больших объемов аккумуляторных элементов и электродвигателей, отвечающих строгим допускам, необходимым для максимизации энергетической плотности, эффективности и срока службы, а также для минимизации затрат. Внедрение процессов программируемой прецизионной обработки позволило производству компонентов для электромобилей перейти от изготовления небольших партий прототипов к массовому производству. В частности, компьютерное числовое программное управление ((ЧПУ) фрезерование, токарная обработка и шлифование оказались весьма экономически эффективным методом обработки деталей для электромобилей с соблюдением допусков, обеспечивающих оптимальную производительность и надежность при массовом производстве.

Обработка деталей аккумуляторов для электромобилей на станках с ЧПУ

Литий-ионные аккумуляторы по-прежнему остаются наиболее распространенным типом аккумуляторов, используемых в электромобилях, благодаря своей высокой энергетической плотности. В рамках категории литий-ионных аккумуляторов применяются различные химические составы, включающие жидкие или твердые электролиты. Независимо от конкретной конструкции, литий-ионные аккумуляторы требуют допусков на уровне микронов, особенно в пределах отдельных элементов.

Обработка на станках с ЧПУ играет решающую роль в обеспечении высокой точности при производстве компонентов аккумуляторных элементов. Например, станки с ЧПУ вырезают тонкие листы и фольги анодных и катодных электродов с точностью до заданных значений ширины и толщины. С ЧПУ также формуются изолирующие сепараторы, вставляемые между электродами. Корпуса элементов, точно охватывающие внутренние компоненты, изготавливаются с широким использованием ЧПУ: в них фрезеруются сложные трехмерные углубления и каналы для прохождения электролита и вентиляции.

При сборке элементов в мощные аккумуляторные батареи также широко используется ЧПУ. 5-осевой ЧПУ позволяет выполнять сложную обработку нестандартных корпусов, что обеспечивает максимальное накопление энергии в ограниченном пространстве. С помощью ЧПУ изготавливаются кронштейны и рамы, которые обеспечивают штабелирование элементов при соблюдении строгих допусков по тепловой и электрической изоляции. Качественная сварка и обжим с помощью ЧПУ обеспечивают прочность конструкции без ущерба для энергетической плотности или теплоотвода.

Одним из примеров является «Гигафабрика» Tesla в Неваде, которая ежегодно производит более 35 ГВт·ч литий-ионных элементов для электромобилей и систем аккумулирования энергии. Более 700 станков с ЧПУ от таких компаний, как DMG Mori, обрабатывают электроды и детали корпусов с допуском ±5 микрон. Роботизированные линии сварки и укладки создают модули и блоки аккумуляторов с точностью лучше 0,5 мм с использованием инструментов, оптимизированных для ЧПУ, что позволяет компании Tesla достигать амбициозных целевых показателей по затратам. Строгий контроль качества ЧПУ гарантирует стабильные эксплуатационные характеристики всех аккумуляторов.

Обработка деталей электродвигателей на станках с ЧПУ

Электродвигатели для транспортных средств требуют точности на уровне микронов как при создании прототипов, так и при серийном производстве. Ключевым компонентом является статор двигателя, состоящий из медных обмоток и слоистых стальных пластин, точно уложенных друг на друга и сваренных. ЧПУ отлично подходит для обработки этих сложных сердечников и задних пластин.

Многофункциональные обрабатывающие центры с ЧПУ точно выполняют сверление, фрезерование и сварку сложных схем пазов в пакетах ламинатов статора в соответствии со строгими допусками на паки. В пазы устанавливаются обмоточные катушки, которые вместе с внешними пазами создают крутящий момент при подаче питания. Отклонения в ширине, глубине или расположении пазов влияют на рабочие характеристики и эффективность двигателя. Обработка с ЧПУ обеспечивает повторяемость в пределах ±5 микрон.

Соответствующие вращающиеся детали также подвергаются тщательной обработке на станках с ЧПУ. На токарных станках и многоосевых токарных центрах валы и втулки двигателей обрабатываются с высокой точностью, с соблюдением очень узких допусков — зачастую в пределах 1–2 микрон. Шлифование на станках с ЧПУ обеспечивает соосность и округлость вращающихся деталей, что позволяет свести к минимуму потери на трение.

На ключевом заводе Sinmetal Motor в Чанчжоу (Китай) ежегодно производится более 600 000 экземпляров электродвигателей, устанавливаемых на популярные электромобили китайского производства. На этом заводе 130 токарных станков с ЧПУ и вертикальных обрабатывающих центров с помощью автоматизированных приспособлений обрабатывают роторы, статоры и внешние корпуса с допуском 6 микрон. Такая жесткость облегчает как быстрое прототипирование, так и серийное производство, что позволяет проводить недорогие итерации конструкции и масштабировать производство для удовлетворения спроса на автомобили.

Влияние на себестоимость и качество продукции

Обработка с ЧПУ обеспечивает существенные преимущества с точки зрения себестоимости и качества производства компонентов для электромобилей по сравнению с ручными методами. Автоматизированный и высокоточный характер работы с ЧПУ позволяет сократить затраты на рабочую силу. Например, один оператор может контролировать работу нескольких линий по производству электродов аккумуляторов с ЧПУ вместо отдельных ручных операций.

Более высокая производительность ЧПУ также способствует повышению эффективности производства и увеличению выхода готовых деталей. Высокая точность резки позволяет соблюдать узкие допуски и минимизировать количество брака. При укладке ламинатов двигателя с точностью до микрон с помощью ЧПУ отход, не соответствующий техническим требованиям, практически полностью исключается. Получаемый в результате эффект масштаба снижает удельную себестоимость, что имеет решающее значение для доступности продукции.

Эти преимущества в плане затрат способствуют внедрению электромобилей. Однако прецизионная обработка с ЧПУ обеспечивает ещё большую ценность с точки зрения срока службы и надёжности аккумуляторов и двигателей. Более жесткие допуски между компонентами означают снижение вибрации, нагрева и механических нагрузок — всех факторов, негативно влияющих на долговечность. Это продлевает срок эксплуатации, повышая ценность для клиентов за счёт сокращения необходимости замены. Кроме того, это сокращает расходы на техническое обслуживание как для производителей оригинального оборудования, так и для потребителей.

Контроль производственного процесса и его повторяемость гарантируют, что каждый компонент соответствует своим проектным характеристикам независимо от темпов производства. Стабильные допуски при обработке с ЧПУ на уровне наносекунд обеспечивают одинаковые эксплуатационные характеристики партии за партией для массовых рынков. Даже небольшое повышение точности позволяет сократить вес и расход материалов на несколько килограммов за счет оптимизации конструкции. Это увеличивает запас хода и снижает потребление ресурсов. В конечном итоге ЧПУ позволяет электромобилям удовлетворять потребности общественного транспорта за счет увеличения срока службы и снижения совокупной стоимости владения.

Расширение масштабов и стимулирование инноваций с помощью ЧПУ

Обработка с ЧПУ как ничто другое подходит для наращивания масштабов производства электромобилей при одновременном обеспечении точности, необходимой для инноваций. Технология ЧПУ позволяет решать одновременные задачи, связанные с ростом объемов производства в сочетании с частыми изменениями конструкции и выпуском новых моделей.

Программирование ЧПУ для компонентов электромобилей отличается высокой гибкостью — корректировки можно вносить быстро, без вложений в новое оснащение. Это позволяет производителям автомобилей и аккумуляторов оперативно совершенствовать свою продукцию с учетом последних научных достижений. Кроме того, это упрощает внесение изменений в программы резания или сварки в случае возникновения проблем с поставками.

Практически неограниченные размеры партий по запросу позволяют компании CNC создавать прототипы концепций аккумуляторов и двигателей нового поколения вплоть до единичных образцов. Это ускоряет цикл исследований и разработок. Обрабатывающие центры с ЧПУ способствуют дальнейшей консолидации производственных площадей в компактные автономные ячейки, обеспечивающие круглосуточное автоматизированное производство, оптимизированное для электромобилей.

Наглядным примером служит компания Spark EV — стартап, занимающийся коммерциализацией электромобилей для микромобильности. Для наращивания объемов производства компания Spark автоматизировала изготовление компонентов двигателей с помощью парка фрезерных, шлифовальных и токарных станков с ЧПУ Fanuc, объединенных через сеть Интернета вещей (IoT). Эта централизованная обрабатывающая ячейка позволила Spark тестировать прототипы двигателей быстрее, чем это было возможно в цехах с ручным производством. По мере изменения проектных требований достаточно было лишь внести корректировки в код ЧПУ, что избавляло от необходимости в дорогостоящей модификации инструментов.

К третьему модельному году компания Spark полностью оптимизировала производство аккумуляторов и двигателей с помощью шаблонов для обработки на станках с ЧПУ. В настоящее время их производственная линия с ЧПУ выпускает 4 000 единиц в год, занимая при этом небольшую площадь — это более чем в десять раз превышает первоначальную производственную мощность и обеспечивает точность на порядок выше. Такое быстрое наращивание производственных мощностей способствовало росту компании, что позволило удовлетворить спрос на автопарки для городских доставок.

Перспективы на будущее

Вот несколько способов, с помощью которых обработка с ЧПУ может способствовать развитию производства электромобилей в будущем:

• Расширенная автоматизация — более тесная интеграция автономных транспортных средств, коллаборативных роботов и систем мониторинга технического состояния позволит расширить масштабы производства в режиме «lights-out». Ячейки с ЧПУ будут работать круглосуточно с минимальным участием человека.
• Интеграция аддитивных технологий — 3D-печать станет дополнением к ЧПУ при изготовлении инструментов и приспособлений, а также мелкосерийных сложных деталей. Гибридные станки, сочетающие аддитивные и субтрактивные технологии, позволят объединять различные процессы для производства многофункциональных компонентов.
• Использование определений на основе моделей — «цифровые двойники» конструкций деталей, оптимизированные с учетом программного обеспечения, ускорят настройку ЧПУ и сведут к минимуму ошибки при программировании и производстве.
• Профилактическое техническое обслуживание — встроенные датчики и аналитические системы будут отслеживать рабочие показатели и степень износа систем ЧПУ, что позволит проводить профилактическое техническое обслуживание для обеспечения максимальной надежности и продолжительности безотказной работы. Неисправности будут прогнозироваться, а не устраняться постфактум.
• Приложения машинного обучения — распознавание закономерностей в наборах данных позволит оптимизировать параметры резания, автоматически компенсируя отклонения, связанные с особенностями инструмента и материала, для повышения точности и выхода готовой продукции. Аномалии будут выявляться в режиме реального времени.
• Модульные системы “фабрика в коробке” — автоматизированные микрофабрики типа «подключи и производи», оптимизированные для выпуска конкретных деталей электромобилей, обеспечат возможность масштабирования производственных мощностей. Эти модульные блоки позволяют свести к минимуму занимаемую площадь и капиталовложения при мелкосерийном производстве.
• Разработка материалов и технологических процессов — Новые материалы, такие как керамика, композиты и сплавы, будут разрабатываться с учетом требований обрабатываемости. Гибридные и нетрадиционные методы ЧПУ, такие как обработка с использованием ультразвука, расширят возможности производства.

Таким образом, в целом можно сказать, что повышение уровня автоматизации, интеграция аддитивных и цифровых технологий, возможности прогнозирования, а также внедрение новых материалов выведут ЧПУ на новый уровень, способствуя глобальному переходу к электромобильности. Автоматизированные микрофабрики, оптимизированные для нужд электромобилей, также могут способствовать децентрализации производства.

Заключение

В заключение следует отметить, что обработка с ЧПУ сыграла решающую роль в обеспечении той производственной точности, которая необходима для производства электромобилей, чтобы они могли быть конкурентоспособными по цене, надежности и эксплуатационным характеристикам в условиях массового производства. Соблюдение строгих допусков на уровне микронов для компонентов аккумуляторных элементов и деталей электродвигателей посредством повторяемых технологических процессов, таких как фрезерование и шлифование с ЧПУ, лежит в основе успешного внедрения электромобилей на сегодняшний день.

Способность ЧПУ-технологий обеспечивать быстрое создание прототипов конструкций и одновременно переходить к их серийному производству имеет решающее значение в условиях постоянного развития технологий электромобилей. Гибкость ЧПУ-технологий позволяет адаптироваться к изменениям в цепочке поставок и инженерным инновациям, которые способствуют дальнейшему снижению затрат и увеличению запаса хода. Стабильность, контроль качества и повышение эффективности труда, обеспечиваемые производственными линиями с ЧПУ, также снижают совокупные затраты на владение транспортным средством на протяжении всего срока службы, что является ключевым фактором для его широкого признания общественностью.

В перспективе дальнейшее развитие технологий ЧПУ будет способствовать следующим этапам эволюции электромобилей. Более компактные автоматизированные ЧПУ-узлы, оптимизированные для конкретных узлов силовой передачи, позволят ещё больше сократить занимаемую площадь производственных помещений. Интеграция станков с ЧПУ в гибкие производственные системы ускорит циклы инноваций. Создание экологически чистой транспортной инфраструктуры зависит от процессов прецизионной обработки, таких как ЧПУ, которые способствуют доступному массовому производству высокопроизводительных аккумуляторов и двигателей. Таким образом, ЧПУ по-прежнему играет ключевую роль в обеспечении полного перехода транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, на электрическую тягу во всем мире.

Вопросы и ответы

Какие типы станков с ЧПУ используются для обработки деталей аккумуляторов электромобилей?

Фрезерные станки с ЧПУ широко используются для резки электродов и деталей корпусов благодаря своей способности точно обрабатывать сложные трехмерные формы. Многоосевые токарные центры с ЧПУ также широко применяются для обработки прутков.

Как ЧПУ интегрируется в процесс производства двигателей для электромобилей?

ЧПУ широко применяется на всех этапах изготовления двигателей, включая укладку и обработку ламината на многофункциональных станках, а также токарную и фрезерную обработку роторов. Это обеспечивает высокую точность при производстве разнообразных моделей небольшими партиями, что необходимо для создания прототипов и мелкосерийного производства.

Приводит ли ЧПУ к увеличению производственных затрат?

Несмотря на то что первоначальные инвестиции в оборудование с ЧПУ выше, автоматизированная обработка позволяет снизить затраты по сравнению с ручными методами за счет повышения производительности, выхода готовой продукции и сокращения трудозатрат. Точность и качество также способствуют снижению общих затрат на протяжении всего жизненного цикла.

Какие преимущества предоставляет ЧПУ для инноваций в области аккумуляторов и двигателей?

ЧПУ обеспечивает быстрое прототипирование за счет оперативного внесения изменений в программу и возможности изготовления небольших партий. Его точность позволяет оптимизировать конструктивные параметры, критичные с точки зрения эксплуатационных характеристик, что способствует постоянному развитию технологий.