原标题：超大型一体化前舱压铸件机加工技术研发及应用

当前，轻量化、低碳化和高度集成化成为当前汽车制造的重要发展趋势。作为一种新型制造技术，一体化压铸凭借生产效率高、产品质量稳定、制造成本低等优势，被广泛应用于汽车零部件的生产。然而，在一体化压铸过程中，铸件往往会因为收缩、变形等因素，难以一次性达到所需的高精度尺寸要求。为确保铸件的装配尺寸，如安装面、安装孔、螺纹的位置和尺寸等，能够严格符合设计标准，满足与汽车其他相关部件的精密装配需求，一体化压铸件必须经过后续的机加工处理。

一体化压铸件结构复杂，其中前舱、后地板、电池托盘等零件不仅尺寸大，而且加工特征种类和数量多，特征摆放角度多，给机加工带来了诸多挑战。在保证加工尺寸精度和表面质量的同时提高加工效率及稳定性成为亟待解决的难题。国内一体化压铸机加技术的应用最早可以追溯到特斯拉上海工厂在Model Y车型后地板的生产中，此后，蔚来、小鹏、高合、赛力斯等造车新势力，以及长安汽车、大众、沃尔沃等传统车企纷纷跟进，开始积极布局和规划相关技术的应用。从总体情况来看，尽管国内车企在一体化压铸机加技术方面取得了一定进展，但真正实现批量生产的应用案例仍然相对较少。

前舱作为一体化压铸件的主要组成部件，其内部集成了冷却系统、发动机控制单元、电气系统等重要组件，因此对其结构强度、密封性和加工精度有着极高的要求。目前，国内已有部分车企在积极布局与规划前舱的一体化压铸机加工应用技术。然而，国内外现有的针对前舱的机加工方式仍存在诸多不足。如采用龙门加工中心、机器人加工、组合机床（多轴钻）及激光切割等多工序组合的加工方式，不仅装夹次数多，容易积累加工误差，导致尺寸稳定性低和划碰伤风险高，而且生产线上机械人手爪数量多，成本高昂。此外，多台设备串联加工的方式也面临着因故障及调试问题对整线产能的影响大、过程转型切换复杂、时间长等挑战。

基于此，本研究深入剖析前舱机加工技术的实际应用现状，针对当前存在的技术瓶颈和挑战提出高效、优质和低成本的加工方案。

图文结果

前舱压铸零件见图1。该零件轮廓尺寸为1 650 mm×950 mm×630 mm，质量约为57 kg，具有显著的中间对称性，且包含210个加工特征，包括28个螺纹孔、136个光孔以及46个加工面；铸件最高位置精度为基准孔位置精度，为±0.1 mm。基于以上分析可得，相比其他产品，一体化铸件前舱的机加工难点主要体现在两个方面：尺寸巨大、加工特征极多，对加工设备的行程要求极大，且要考虑高效加工；复杂、深腔结构需求的加工摆放角度达到了20个以上。尺寸大且精度较高，最高位置精度为±0.1 mm，且夹具尺寸及质量增大，为保证高效加工，夹具需要减重；前舱的材料为免热处理铝合金材料，此材料偏软、伸长率高，导致加工切削力大、易粘刀和热变形，对刀具要求高。因此，本项目的目标加工设备需要满足大行程、多角度、高刚性及加工效率高等技术要求，加工夹具需要提升加工刚性才能保证加工效率。

图1 一体化前舱压铸件

为了应对这种多角度加工的挑战，同时考虑到多工序生产可能带来的高风险，包括工序衔接的误差累积、生产时间的延长以及设备故障率的增加等因素，经过综合评估与分析，最终采用通过一道工序来完成前舱所有特征的加工方案。其优势在于：①装夹次数大幅减少，减少了因多次装夹可能带来的定位误差，提升了铸件尺寸的稳定性。同时，产品因多次搬运而导致的划碰伤风险也显著降低，保障了产品的外观质量。整个加工过程可以在一道工序内完成，机械手抓取和放置动作减少，这不仅使得上下料过程更加方便快捷，还降低了对自动化设备复杂性的要求，从而有效控制成本；②设备独立作业，故障影响小。每台加工设备负责完成特定的加工任务，减少了因某一设备故障而导致整条生产线停工的风险。此外，设备调试和故障处理的时间也被最小化，对整线产能的影响微乎其微；③工序精简，转型切换迅速。由于加工过程被高度整合，工序间的转型切换变得简单快捷，大大缩短了生产周期，提高了整体的生产效率；④综合效益显著，在搬运、效率、质量、成本等多个方面，该方案对前舱压铸件的生产线都展现出了明显的优势。简化了生产流程，降低了生产成本，同时更利于现场的布局管理和过程质量的严格管控，为企业的精益生产和持续改进奠定了坚实的基础。

在具体的加工工艺过程中，该方案加工顺序为：首先进行基准孔和基准面的加工，随后加工其他光孔，确保孔位的准确性和孔壁的光洁度；最后进行其他面及螺纹孔的加工，完成整个前舱的加工。

按照上述方案的加工工艺路线，结合到产品加工摆放角度多的特点，设备必须具备五轴或五轴以上加工功能。此外，产品的尺寸巨大，对应的夹具质量大，立式龙门式设备相比卧式设备刚性更好。结合上述分析，目前有2种五轴设备选型方案：

（1） 五轴龙门加工中心设备方案

此方案的核心在于设备采用业内常规且成熟的龙门五轴加工中心形式，此类设备加工工艺成熟、稳定、可靠，但此类设备价格高、制造周期长。目前此方案有2种形式可供选择：单梁单主轴式（以下简称单五轴）和双梁双主轴式（以下简称双五轴），两者的区别在于主轴加工头的数量，具体结构见图2。

图2 龙门五轴加工中心的形式及加工路线图（数字为主轴沿着箭头路线移动的顺序）

（2）机器人切削加工单元方案

此方案的创新之处在于通过机器人手爪配置主轴系统来抓取刀具对产品进行切削加工，并使用2个机器人手爪完成铣削等作业，见图3。其优势主要体现在设备价格相对较低、柔性好以及制造周期短等方面。

图3 双机器人切削加工单元

XY平面方向定位：前舱铸件外形尺寸巨大，相比传统的压铸件，铸件的变形量也较大。经过压铸模拟分析，发现在压铸工艺的中部区域以及前端部位，铸件的变形程度相对较小，即便存在变形情况，也主要表现为从中间向轮毂两端的方向轻微拉长。图4为前舱铸件的机加工定位示意图。

前舱铸件的尺寸较大，为1 650 mm×950 mm×630 mm，这给相关的夹具设计带来了全新的挑战。按照传统的夹具设计模式来进行设计，夹具的质量将会增大，甚至可能达到2.5 t。然而， CNC设备的第6轴转台的承重能力最大仅为1.2 t。这说明按照传统方式设计的夹具质量将远超过转台的承重能力，从而无法进行正常的加工操作。为了克服这一难题，需要对前舱铸件的夹具整体框架结构进行轻量化设计，通过夹具镂空减重技术，将夹具质量控制在1 t左右。根据夹紧位置和辅助支撑位置，确定出夹具的大致构造，见图5，由1个基座和5个平台构成。对图5的结构进行一阶模态分析和施加载荷进行拓扑优化，结果见图6。

图4 前舱铸件的机加工定位示意图
1.卡槽1 2.X1基准面 3.卡槽2 4.X2基准面
5.卡槽3 6.X4基准面 7.X3基准面

图5 前舱夹具构造图
1.平台 2.基座

图6 前舱夹具构造模态应力分析图

结合成本与加工的可行性，整体框架结构采用了空心方管进行焊接，以构建夹具的主体结构，见图7。根据模态分析结果，增加斜向方管。为了进一步提升刚度以及焊接稳定性，在方管间的连接处增加筋板。对小平台刚度较小且无法增加横梁的区域，设计镂空小裙边以提高小平台的刚度，同时最大程度减轻质量。图8为前舱铸件镂空减重夹具结构。经过最终设计，确定了夹具的整体设计方案：夹具框架采用空心方管通过精密焊接工艺构建而成，框架上集成了4个主支承、3个定位圆销、4个主压紧装置、20个辅助支撑以及16个辅助压紧装置，见图9。此外，该夹具还配备了第6轴转台，使得能够在同一道工序内完成所有特征的加工，提高了生产效率和加工精度。

针对前舱材料特征，为减少粘刀，钻头材料采用金刚石及硬质合金材料，金刚石材料钻头耐磨，切削速度高，主要适用于薄孔加工，硬质合材料钻头侧主要用于螺纹的小径加工。为了最大限度地减少换刀时间，提高整体加工效率，对钻头的结构进行优化，见图10。

图7 前舱夹具主体结构图
1.斜向方管 2.筋板

图8 前舱铸件镂空减重夹具结构

图9 前舱铸件的机加工夹具图
1.夹具整体框架 2.转台头架 3、6.辅助支撑及压紧 4.定位圆销 5.主支承及压紧 7.转台尾架

图10 前舱铸件的机加工刀具形式

通过加工试验并检测，双梁双主轴五轴龙门加工中心、机器人切削单元在加工的铸件孔、螺纹等特征外观质量符合标准要求，见图11。但在加工铸件的面上，单梁单主轴五轴龙门加工中心方案与双梁双主轴五轴龙门加工中心方案，加工前舱铸件外观以及尺寸精确均达到了标准要求，而采用机器人切削单元设备方案加工所得到的加工面外观却存在着明显的起级以及振纹。这主要是由于该方案中的主轴刚性相对较差，使得机器人在进行端面加工的过程中，无法保持稳定的切削状态，从而产生刀纹以及振纹，严重影响了加工件的质量。

图11 五轴龙门加工中心与机器人切削单元加工面刀纹情况

结论

对前舱结构及加工难点、机加工工艺方案设计、设备选型、夹具、刀具等进行设计，并通过实施验证，同时对所提出的双梁双主轴五轴龙门加工方案与传统的单梁单主轴五轴龙门、机器人切削单元等方案进行了对比。结果显示，采用双梁双主轴五轴龙门加工设备，结合第6轴转台及镂空减重夹具，多阶梯形式钻头、切削及挤压丝锥、波形结构铣刀等刀具，单道工序完成前舱所有特征的加工方案，在保证前舱铸件机加工尺寸精度、外观质量（加工面粗糙度等）等方面具有显著优势，同时加工效率相比传统方案提升了50%以上。这一成果不仅验证了加工工艺方案的有效性和可行性，也为后续类似零件的加工提供了参考和借鉴。

《超大型一体化前舱压铸件机加工技术研发及应用》

伍宝坚1 梁汉广1 何绍勇1 万里1 黄志垣2 梁峻瑜2 钟宇毅2 邓绍朗2
1. 广东鸿图科技股份有限公司；2. 广东鸿图汽车零部件有限公司

本文转载自《特种铸造及有色合金》