高柔性生產(chǎn)線(xiàn)助力新能源電動(dòng)機(jī)高質(zhì)量生產(chǎn)

■菲索瑪特（北京）機(jī)床有限公司 李 強(qiáng)

新能源汽車(chē)正在興起，電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)必須相應(yīng)地適應(yīng)汽車(chē)工業(yè)的新要求。要達(dá)到生產(chǎn)成本低的要求，生產(chǎn)過(guò)程中就需要集成高度的自動(dòng)化。此外，還有不同的版本，不同的功率等級(jí)的新能源汽車(chē)電動(dòng)機(jī)，如48V車(chē)載電動(dòng)機(jī)、400V電動(dòng)機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)或混動(dòng)應(yīng)用電動(dòng)機(jī)，或更大的800V電動(dòng)機(jī)。為了能夠大規(guī)模生產(chǎn)這些關(guān)鍵零部件，需要靈活的制造系統(tǒng)，根據(jù)零件的大小和類(lèi)型，可以在同一產(chǎn)線(xiàn)共線(xiàn)生產(chǎn)，而不需要額外的設(shè)備或很長(zhǎng)的換產(chǎn)時(shí)間。但到目前為止，還缺乏能夠獨(dú)立于電動(dòng)機(jī)類(lèi)型而大批量共線(xiàn)生產(chǎn)的產(chǎn)線(xiàn)。為此，作為高柔性、高性?xún)r(jià)比生產(chǎn)線(xiàn)專(zhuān)家的德國(guó)Felsomat公司，針對(duì)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套完整的新能源電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)解決方案。工藝流程優(yōu)化后，模塊化單元可以靈活擴(kuò)展，同時(shí)也可以設(shè)計(jì)成獨(dú)立的系統(tǒng)。在2019年德國(guó)柏林的CWIEME大會(huì)上，F(xiàn)elsomat公司首次展示了其eFlexline的設(shè)計(jì)理念。

電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)正在增長(zhǎng)，各種設(shè)計(jì)和技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，短期解決方案是48V車(chē)載系統(tǒng)。而作為向純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)過(guò)渡的解決方案，內(nèi)燃機(jī)和400V電動(dòng)機(jī)相結(jié)合的混合動(dòng)力解決方案在市場(chǎng)上將越來(lái)越受歡迎。由于CO2排放規(guī)定，從2023年起，要求所有的汽車(chē)制造商生產(chǎn)的每輛純電動(dòng)車(chē)配備400V-E電動(dòng)機(jī)，它縮短了充電時(shí)間，也可以顯著減少電纜的橫截面和質(zhì)量，從而對(duì)車(chē)輛的整體質(zhì)量產(chǎn)生積極影響。

雖然已經(jīng)有產(chǎn)線(xiàn)可以生產(chǎn)上述這些類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)及其組件，如轉(zhuǎn)子和定子，但通常只局限于一種類(lèi)型或一個(gè)系列的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。此外，為了滿(mǎn)足高性?xún)r(jià)比的規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)成本必須可控。同時(shí)產(chǎn)線(xiàn)還必須集成精確、高效的自動(dòng)化，以滿(mǎn)足恒定的品質(zhì)要求。定子的生產(chǎn)尤其需要特別高的制造工藝和能力，有大量單獨(dú)的生產(chǎn)步驟，這是電動(dòng)機(jī)中最昂貴的組件，占總成本的35%。為了使這種部件的制造能力與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)制造能力相當(dāng)，定子生產(chǎn)線(xiàn)或制造單元必須能夠柔性工作，不需要長(zhǎng)時(shí)間的換型，卻能夠生產(chǎn)不同高度的定子。

基于多年的經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)elsomat公司已為定子和轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)了數(shù)條生產(chǎn)線(xiàn)，同時(shí)，對(duì)電動(dòng)機(jī)總裝進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于Felsomat成熟的裝配技術(shù)和模塊化、自動(dòng)化的柔性生產(chǎn)制造系統(tǒng)。

每臺(tái)機(jī)器都具有專(zhuān)業(yè)級(jí)工藝

傳統(tǒng)方式安裝在電動(dòng)機(jī)上的線(xiàn)圈是一種導(dǎo)體，它通過(guò)產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)影響驅(qū)動(dòng)電源中的電流傳輸，線(xiàn)圈由銅線(xiàn)纏繞而成，線(xiàn)圈的纏繞方式有多種類(lèi)型。因此Felsomat公司的定子生產(chǎn)線(xiàn)（eFlexline）完全專(zhuān)注于發(fā)夾電動(dòng)機(jī)定子生產(chǎn)技術(shù)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一條能夠完美匹配不同繞組方案、同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種發(fā)夾線(xiàn)形狀的生產(chǎn)線(xiàn)，具備標(biāo)準(zhǔn)化的接口和簡(jiǎn)單高效的自動(dòng)化系統(tǒng)，確保處理不同尺寸的工件，可以根據(jù)產(chǎn)品要求和發(fā)夾形狀調(diào)整各個(gè)生產(chǎn)單元的工作任務(wù)。

發(fā)夾電動(dòng)機(jī)工藝鏈開(kāi)始于絕緣紙的處置，絕緣紙折疊并插入到定子碟片鐵芯的預(yù)留槽中，以避免電壓浪涌。根據(jù)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，可以選擇不同的絕緣紙折疊形狀。在接下來(lái)的發(fā)夾制造單元中，扁銅線(xiàn)成卷上料，然后在設(shè)備中對(duì)扁銅線(xiàn)進(jìn)行旋解、校直、剝離漆皮及裁剪，制成I-Pin。根據(jù)需要，可采用激光燒灼式或機(jī)械銑削式剝離漆皮。接下來(lái)將I-Pin進(jìn)行2D及3D折彎，做成所需的“銅線(xiàn)發(fā)夾”。當(dāng)然，定子所需的特殊形狀發(fā)夾也可以在此單元中完成制作。做好的“銅線(xiàn)發(fā)夾”根據(jù)產(chǎn)品分類(lèi)，通過(guò)自動(dòng)化裝置，將其逐步逐層編織成“銅線(xiàn)發(fā)夾籃”，最終“銅線(xiàn)發(fā)夾籃”由機(jī)械手裝配進(jìn)已經(jīng)帶有絕緣紙的定子鐵芯中。

所有生產(chǎn)流程均具備加工柔性

定子發(fā)夾扭頭加工工藝也要有非常高的柔性，eFlexline中的加工單元可以滿(mǎn)足從兩層到8層發(fā)夾定子的同時(shí)扭頭工藝。另一方面，在扭頭的工藝過(guò)程中，另一端帶有絕緣層的發(fā)夾通過(guò)預(yù)設(shè)內(nèi)鎖裝置鎖緊，該系統(tǒng)根據(jù)需要可以被配置成最多10級(jí)的扭頭功能。為了優(yōu)化發(fā)夾末端的焊接質(zhì)量，使用帶有掃描功能的激光光學(xué)裝置和激光焊接視覺(jué)系統(tǒng)。

為了將銅線(xiàn)更好的固定在槽內(nèi)，提高繞組的絕緣性能，并排除濕氣的影響，發(fā)夾繞組采用單獨(dú)的工藝步驟——滴漆。這種工藝是將樹(shù)脂直接滴在絕緣紙末端，通過(guò)虹吸效應(yīng)，滲透到插有絕緣紙的鐵芯槽中，同時(shí)使定子表面保持清潔和無(wú)樹(shù)脂殘留。采用節(jié)能的感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)定子外殼進(jìn)行所需的加熱工藝，所應(yīng)用的樹(shù)脂則被自動(dòng)調(diào)節(jié)到一個(gè)恒定的介質(zhì)溫度進(jìn)行凝固。合成樹(shù)脂本身是通過(guò)一個(gè)高精度的滴針滴到扁銅線(xiàn)和絕緣紙槽之間的間隙，樹(shù)脂在定子內(nèi)凝固后，對(duì)之前焊接過(guò)的發(fā)夾端進(jìn)行粉末涂敷。

優(yōu)化的工藝流程模塊可靈活伸縮，同時(shí)可作為獨(dú)立系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最后，定子組件被轉(zhuǎn)移到一個(gè)測(cè)試單元中，期間定子的指定功能被測(cè)試。整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的所有工藝參數(shù)和結(jié)果都被存儲(chǔ)，如果需要，還可以遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。此外，該系統(tǒng)還創(chuàng)建了完整的工件歷史記錄，以最大限度地跟蹤每個(gè)產(chǎn)品，從而使整個(gè)工藝流程可見(jiàn)。

Felsomat桁架自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)

eFlexline系列電動(dòng)機(jī)產(chǎn)線(xiàn)采用桁架機(jī)械手式的自動(dòng)化系統(tǒng)模式，被越來(lái)越多的客戶(hù)認(rèn)可，已經(jīng)收到來(lái)自大眾汽車(chē)集團(tuán)、標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)、Z F集團(tuán)等歐美企業(yè)的訂單。Felsomat是業(yè)內(nèi)首家將桁架形式自動(dòng)化引入到新能源汽車(chē)電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)的企業(yè)。桁架系統(tǒng)當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)缸體、缸蓋生產(chǎn)線(xiàn)以及曲軸生產(chǎn)線(xiàn)中，其具有高速及高穩(wěn)定性，同時(shí)又具有低維護(hù)頻次以及可忽略不計(jì)的設(shè)備磨損特性。以一個(gè)8層扁線(xiàn)電動(dòng)機(jī)定子柔性產(chǎn)線(xiàn)訂單為例，產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃10萬(wàn)產(chǎn)能，僅需要3名工人，主要工序之間通過(guò)桁架連接，例如定子鐵芯的插紙及擴(kuò)口設(shè)備、發(fā)夾制作及編制發(fā)夾籃設(shè)備、發(fā)夾籃裝配設(shè)備均通過(guò)桁架連接，無(wú)需人工干預(yù)，通過(guò)在桁架下方預(yù)留場(chǎng)地，僅需補(bǔ)充一臺(tái)模塊化的發(fā)夾制作設(shè)備就能擴(kuò)展到15萬(wàn)產(chǎn)能，桁架自動(dòng)化系統(tǒng)除了更改軟件程序外，不需額外進(jìn)行改造。發(fā)夾扭頭及焊接設(shè)備也是通過(guò)桁架將主機(jī)設(shè)備與緩存料道相銜接，在產(chǎn)能增加或品種增加時(shí)，也能進(jìn)行柔性加工。Felsomat自行開(kāi)發(fā)研制的模塊化、少在制件式滴漆設(shè)備，通過(guò)桁架機(jī)械手系統(tǒng)與冷卻通道相銜接，這樣就避免了加熱后的定子將熱氣直接散發(fā)到工廠(chǎng)中，也避免了料道方案中，高溫定子對(duì)操作者的潛在傷害。與市場(chǎng)傳統(tǒng)產(chǎn)品不同的是，這種滴漆設(shè)備可以方便的集成到產(chǎn)線(xiàn)中，無(wú)需額外獨(dú)立空間，這樣就節(jié)省了工廠(chǎng)內(nèi)部物流轉(zhuǎn)運(yùn)成本。而且此類(lèi)型滴漆設(shè)備為模塊化標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，在生產(chǎn)線(xiàn)投資初期，可只訂購(gòu)滿(mǎn)足初步產(chǎn)能規(guī)劃的設(shè)備數(shù)量，隨著產(chǎn)能爬坡，可以隨時(shí)增購(gòu)額外的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床；通過(guò)更換工裝，標(biāo)機(jī)設(shè)備也可切換為其他品種產(chǎn)品的制作生產(chǎn)，增減就像拼樂(lè)高玩具那樣簡(jiǎn)單。由于采用“少在制件”理念的設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)備需要換型或維護(hù)而停機(jī)時(shí)，需要報(bào)廢的在制件就很少，降低了制造成本。

新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)另外一個(gè)核心零部件是電驅(qū)橋的制造。與傳統(tǒng)變速箱制造相比，雖然電驅(qū)橋由更少的零部件組成，但加工難度以及柔性的要求更高。由于新能源電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、輕量化及低噪音的要求，對(duì)電驅(qū)橋齒輪的制造工藝也有了革命性的變革。傳統(tǒng)差速器殼體以及主減速齒輪的裝配是通過(guò)螺栓或者鉚接，但新能源汽車(chē)已經(jīng)要求改為激光焊接工藝，由于差速器殼體材料一般是鑄鐵，而主減速齒輪的材料均為鋼材，將兩種不同材料進(jìn)行激光焊接，這是一項(xiàng)全新的變革。Felsomat 擁有多年的固體光源激光焊接經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)此種工藝的研究及應(yīng)用也一直走在行業(yè)前列。

激光清洗和填絲工藝

激光清洗差殼以及主減速齒輪是此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一，在進(jìn)行激光清洗前，兩種工件必須保持干燥和清潔，激光清洗聚焦的只是焊接區(qū)域的二次清洗，以保障之后的焊接質(zhì)量。激光清洗后的工件由Felsomat 專(zhuān)業(yè)自動(dòng)桁架機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)到壓裝工位，對(duì)二者進(jìn)行壓裝，之后進(jìn)入Felsomat 模塊化的焊接單元FLW400 進(jìn)行焊接。為保證焊接生產(chǎn)線(xiàn)的柔性，F(xiàn)LW400 的激光頭帶有B軸，使設(shè)備既能進(jìn)行軸向焊接也能進(jìn)行徑向焊接。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這兩種焊接形式在實(shí)際量產(chǎn)產(chǎn)品中均有實(shí)施。

保障鑄鐵材料與鋼制件成功焊接在一起，且能保證差速器整體產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)參數(shù)的另一關(guān)鍵點(diǎn)是焊接期間的填絲工藝。填絲作為鑄鐵和鋼材的焊接媒介，可以避免出現(xiàn)焊接裂縫，這是當(dāng)前業(yè)內(nèi)采用的最流行的工藝。當(dāng)然，通過(guò)對(duì)鑄鐵材料和鋼材的選用，也可以避免使用填絲工藝，F(xiàn)elsomat在類(lèi)似項(xiàng)目中與客戶(hù)共同開(kāi)發(fā)優(yōu)化了此種工藝，并成功交付此焊接產(chǎn)線(xiàn)供量產(chǎn)使用。填絲材料的選擇、填絲量的選擇對(duì)工藝穩(wěn)定性影響很大。通過(guò)對(duì)填絲裝置、激光光束質(zhì)量的時(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控，以及FLW400機(jī)床所堅(jiān)守的德國(guó)工匠制造精神，來(lái)保證焊接全過(guò)程質(zhì)量的穩(wěn)定性。焊接后根據(jù)客戶(hù)要求，F(xiàn)elsomat 開(kāi)發(fā)的超聲波檢測(cè)單元也可以集成到焊接產(chǎn)線(xiàn)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的100%焊接后檢測(cè)，避免產(chǎn)生批量生產(chǎn)事故，降低生產(chǎn)成本。在提供給寶馬汽車(chē)i系列新能源汽車(chē)的差速器殼體焊接生產(chǎn)線(xiàn)中，F(xiàn)elsomat攻克了狹小空間內(nèi)噴射式超聲波檢測(cè)的難題，縮短了整體工藝工序，降低了制造成本。