新能源汽車結(jié)構(gòu)變化與機床市場需求

王欣

通用技術(shù)集團機床工程研究院有限公司沈陽分公司 遼寧沈陽 110142

工程師 王欣

1 序言

近年來世界各國新能源汽車消費市場持續(xù)高速增長，遠超行業(yè)發(fā)展預期。新能源汽車在結(jié)構(gòu)上和傳統(tǒng)燃油車相比發(fā)生了重大變化，對加工零部件的數(shù)控機床的要求是相應(yīng)定制化開發(fā)，除電動機、電控和電池等動力總成外，其他部件結(jié)構(gòu)如電池托盤、前后副車架、前機艙、一體化后底座、電動機殼體及裝飾支架等也需要機床加工。新能源汽車對機床市場的新需求集中體現(xiàn)在以下3個方面：①對普通機械加工機床（龍門機床、立式加工中心、數(shù)控車床、臥式加工中心及自動線等）的市場新需求。②對一體壓鑄配套機床（高速輕型龍門機床）的市場新需求。③對動力電池極柱專機（摩擦焊機床）的市場新需求。

2 新能源汽車行業(yè)發(fā)展

2.1 新能源汽車的定義

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車[1]。新能源汽車包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車和氫發(fā)動機汽車等[2]。本文主要談及新能源純電動汽車，以下簡稱新能源汽車。

2.2 發(fā)展環(huán)境與市場需求

隨著環(huán)境的不斷惡化，世界各國開始意識到節(jié)能減排的重要性，實施清潔能源的戰(zhàn)略也更加重要，同時各個國家開始推出燃油車禁售時間表，積極推動了新能源汽車在各國的大力發(fā)展。目前，全球新能源汽車市場總體增長迅速，已經(jīng)成為全球經(jīng)濟新的增長點。得益于政策持續(xù)推動，我國新能源汽車近幾年呈現(xiàn)出高速增長態(tài)勢。

根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2022年國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷量分別達到705.8萬輛和688.7萬輛，同比增長96.9%和93.4%，市場占有率達25.6%。2023年1-6月，新能源汽車產(chǎn)銷量分別完成378.8萬輛和374.7萬輛，同比分別增長42.4%和44.1%。隨著新能源汽車行業(yè)的高速增長，我國已成為全球最大的新能源汽車市場。巨大的市場需求在加速替代燃油車的同時，也成為機床行業(yè)市場需求新的增長點。

2.3 上下游產(chǎn)業(yè)鏈與發(fā)展問題

新能源汽車已經(jīng)改變了傳統(tǒng)汽車的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)燃油車的產(chǎn)業(yè)鏈中，整車廠需要掌握發(fā)動機、底盤和變速箱等關(guān)鍵技術(shù)，才能塑造其產(chǎn)品的核心競爭力；而在新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中，關(guān)鍵零部件的研發(fā)、生產(chǎn)和制造可以實現(xiàn)和整車廠完全分離的狀態(tài)，動力電池、電控系統(tǒng)和各類電動機均可以實現(xiàn)外部采購，在整車廠組裝即可；同時，充電樁、換電站等新能源汽車后服務(wù)市場在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位也越來越重要。

新能源汽車行業(yè)當前存在的問題：一是與巨大的新能源汽車市場相比，充、換電設(shè)施及新能源汽車后市場服務(wù)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對發(fā)展緩慢；二是區(qū)域發(fā)展不均衡，規(guī)模以上的新能源汽車產(chǎn)業(yè)園區(qū)主要集中在山東、江西、廣東和湖北等省份，市場潛力尚未得到充分挖掘。

3 新能源汽車結(jié)構(gòu)變化

新能源汽車的動力總成和傳統(tǒng)燃油車相對比發(fā)生了實質(zhì)性的變化。傳統(tǒng)燃油車主要由動力系統(tǒng)（發(fā)動機、變速箱和傳動軸等）、制動系統(tǒng)、汽車電子、底盤、車身及內(nèi)飾等組成。而新能源汽車取消了發(fā)動機等核心零部件，整個動力系統(tǒng)和傳動機構(gòu)完全發(fā)生了改變，增加了電源系統(tǒng)和驅(qū)動電動機等新功能結(jié)構(gòu)，主要由動力系統(tǒng)（電池、電動機和電控系統(tǒng)）、制動系統(tǒng)、汽車電子、底盤、車身及內(nèi)飾等組成。燃油車與新能源汽車主要結(jié)構(gòu)對比見表1。

表1 燃油車與新能源汽車主要結(jié)構(gòu)對比

因為新能源汽車結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，所以全新增加的功能系統(tǒng)及主要零部件有電動機殼體、電動機軸、壓縮機、電池托盤、前后車艙、閥體、散熱器、冷卻板、副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、保險杠、轉(zhuǎn)向器殼體、變頻器殼體、電動機和電驅(qū)減速器殼體等。目前新能源汽車逐漸向輕量化發(fā)展，主要生產(chǎn)方式由沖壓向壓鑄過渡，預計后期還將新增大量鋁合金的結(jié)構(gòu)件。

4 新能源汽車行業(yè)對機床的新需求

1）對普通機械加工機床（龍門機床、立式加工中心、數(shù)控車床及臥式加工中心等）的市場新需求。新能源汽車由于動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改變，新增加的機械加工零部件材料主要以擠壓鋁型材和鋁合金材質(zhì)為主，對機床的要求是相應(yīng)定制化迭代開發(fā)。對數(shù)控車床各軸的快移速度有較高的要求，用于各類電動機軸的加工；對于立式加工中心需要主軸高轉(zhuǎn)速達到12000r/min以上，用于各類殼體加工；對于龍門機床主要要求工作臺2000mm×3000mm及以上，主軸高轉(zhuǎn)速達到12000r/min以上，用于新能源汽車副車架、電池托盤等零部件加工；對于臥式加工中心要求高速、輕型，滿足鋁合金的加工要求即可，不需要進行重型切削。

2）對一體壓鑄配套機床（高速輕型龍門機床）的市場新需求。目前特斯拉新能源汽車應(yīng)用了一體化壓鑄零部件工藝，徹底改變了傳統(tǒng)燃油車生產(chǎn)制造體系。由于一體壓鑄零件的尺寸要求，在使用大型壓鑄機完成零部件壓鑄后，需要使用高速輕型龍門機床進行壓鑄件的毛刺、毛邊等的銑削加工，對于高速輕型龍門機床要求工作臺規(guī)格5m及以下，主軸高轉(zhuǎn)速達到12000r/min以上，同時需要配置直線電動機實現(xiàn)高速、高加速性能。隨著一體化壓鑄成型技術(shù)在新能源汽車廠逐漸推動普及，此類高速輕型龍門機床的市場需求會持續(xù)增長，預計會形成機床行業(yè)新的增長點。

3）對動力電池極柱專機（摩擦焊機床）的市場新需求。由于新能源汽車消費市場的高速增長，動力電池的市場需求也連帶強勁增長，催生了動力電池制造專機的市場，帶來了銅鋁復合摩擦焊接設(shè)備的市場需求。之前此類專機均由進口設(shè)備壟斷，現(xiàn)在國內(nèi)機床廠可以實現(xiàn)國產(chǎn)，突破技術(shù)封鎖，實現(xiàn)了設(shè)備的自主可控，面向動力電池行業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)銅鋁復合極柱高效、穩(wěn)定且可靠的焊接加工，解決了國內(nèi)動力電池結(jié)構(gòu)件廠家對此類設(shè)備的迫切需求。

5 適用機床類別綜述

5.1 電池保障部件

型材、電池托盤及托盤側(cè)板使用機床進行加工?？蛇x用型材加工中心（型材加工）、高速立式加工中心（小尺寸工件加工）和龍門機床（整體加工）3類機床按照工藝流程實現(xiàn)高效加工。

5.2 電動機部件

電動機端蓋、殼體使用機床進行加工。

（1）端蓋加工 電動機端蓋由鑄鐵材質(zhì)鑄造成型[3]。電動機端蓋與殼體的結(jié)合處，第一要求高精密的接觸面，表面粗糙度值Ra=1.6μm；第二要求實現(xiàn)高精度的孔系加工。按照工藝流程可選用數(shù)控車床和立式加工中心實現(xiàn)高效加工。

（2）內(nèi)外殼體加工 電動機殼體是由灰口鑄鐵鑄造成型的內(nèi)空柱體。殼體與端蓋裝配同軸度、圓度，殼體兩端內(nèi)外圓同軸度和端面的表面粗糙度，都有較高的要求，用于防止漏液。按照工藝流程可選用數(shù)控車床、立式加工中心或高速輕型臥式加工中心（鋁合金加工專用）實現(xiàn)高效加工。

（3）電動機變速器端蓋底殼加工 使用壓鑄機對鋁合金材質(zhì)壓鑄成型。鑒于端蓋、底殼是薄壁類零件，在裝夾時極易變形，所以在使用機床加工時，必須選取合理的夾緊和定位點，同時需掌控切削力大小。此外，變速箱孔系位置度要求高，連接孔和連接面多。按照工藝流程可選用立式加工中心（高速輕型臥式加工中心）或刨臺銑鏜機床實現(xiàn)高效加工。

5.3 電控部件

電控外殼由兩個部分組成，分別是電控箱殼體和電控箱上蓋，都需要使用機床進行加工。按照工藝流程可選用立式加工中心實現(xiàn)高效加工。

以上表述是按照一般機械加工典型零件加工工藝要求選用機床類別，新能源汽車行業(yè)適用的機床類別并不局限于此，比如根據(jù)新能源汽車電動機殼體上多角度加工特征，也可以選用造價較高的五軸車銑復合加工中心、五軸高速加工中心等機床加工，比如要實現(xiàn)大批量零部件的加工，也可以選用柔性自動線實現(xiàn)智能制造高效加工。

6 主要零部件機床加工要求

6.1 電池保障部件

相比電動機和電控系統(tǒng)，電池模組的體積往往更為龐大，系統(tǒng)也更為復雜。現(xiàn)階段的新能源汽車，大多選用兩類電池：一類是磷酸鐵鋰電池，一類是三元鋰電池。目前市面上大部分新能源汽車電池，基本都是由若干節(jié)18650或21700磷酸鐵鋰電池或三元鋰電池組成的電池組。由于這些多達幾千節(jié)的小型圓柱電池成組后，對其工作環(huán)境要求相對較高，尤其是溫度和受力情況，因此需要堅固的殼體和強大的熱管理系統(tǒng)來保護，才能保證其安全性，使電池的使用壽命和性能達到最大化。

針對新能源汽車電池包的上述特點，新能源汽車的電池模組殼體加工，可以拆分為電池托盤加工和電池側(cè)板加工兩個工序。

（1）電池托盤底板加工 電池托盤在整個電池包的最底部，起著承托電池組的作用。電池托盤的一大特點就是面積較大。目前市場上大部分新能源車型，電池托盤面積都要占到整車底盤面積的一半以上，部分長續(xù)航車型的電池托盤，甚至能覆蓋整個車輛底盤。因此，電池托盤無法由一整塊金屬來完成加工，往往需要多塊金屬拼接焊接成一整塊，然后再進行加工。這就要求多塊金屬在焊接時，焊接密封性能一定要好，冷卻液不能溢出。同時，考慮到電池的散熱性能要求，加工時不能擊穿冷卻倉。

基于以上分析可以看出，電池托盤屬于大面積薄壁類型材，加工時變形量大，且后續(xù)與側(cè)板裝配焊接時，密封性能要求也較高，這就要求加工設(shè)備對邊面的加工精度較高。同時，由于需要加工的面積較大，其對設(shè)備的加工效率要求也較高。

針對電池托盤的加工特點，加工時先由多塊鋁合金壓鑄擠壓成型，再經(jīng)由攪拌摩擦焊焊接成一整塊，最后再由龍門加工中心來完成托盤加工。

（2）電池托盤側(cè)板加工 電池托盤側(cè)板在與電池托盤焊接為一個整體后，一是可以起到加固電池托盤強度的作用，二是可以起到固定電池包內(nèi)的電池組位置的作用。

和電池托盤一樣，托盤側(cè)板也屬于薄壁類大件型材，其加工時變形量也較大。此外，其后續(xù)與托盤底板裝配焊接后的密封性要求也較高。所以加工易變形，鉆孔易擊穿冷卻倉，加工時各孔系的位置容易出現(xiàn)偏差，成了其加工難點。

基于以上分析，針對電池托盤側(cè)板的特點，在加工時，也先由鋁合金壓鑄擠壓成型，然后再由龍門加工中心完成加工。

6.2 電動機部件

電動機是新能源汽車的動力源，等同于燃油車的發(fā)動機，可見電動機對于一臺新能源汽車的重要程度。對于電動機的加工精度要求很高。電動機需要機床加工的部分，有電動機端蓋、電動機內(nèi)殼、電動機外殼、變速器底殼及變速器端蓋等部分。

（1）端蓋加工 電動機端蓋一般由灰口鑄鐵鑄造成型，然后進行表面處理。其中電動機端蓋與殼體接觸的部分，不但需要非常高精度的接觸面，而且更需要實現(xiàn)復雜而精準的中間孔系加工，精度高達IT6～IT7級，要求表面粗糙度值Ra=1.6μm，圓度0.008mm。

可選用數(shù)控車床和立式加工中心組合實現(xiàn)高效加工：針對電動機端蓋的加工特點，使用數(shù)控車床車削基準面及中間精孔，立式加工中心打孔攻螺紋、銑削側(cè)端面。

（2）內(nèi)、外殼體加工 電動機殼體為內(nèi)空柱體，一般為灰口鑄鐵鑄造成型。殼體與端蓋裝配同軸度、圓度，以及殼體兩端內(nèi)外圓同軸度均要求較高，且端面表面粗糙度亦有較高要求，以防止冷卻液溢出。其精度要求達到IT6～IT7級，表面粗糙度值Ra=1.6μm，圓度0.008mm，這樣才能保證電動機的良好運轉(zhuǎn)。

可選用數(shù)控車床和立式加工中心、臥式加工中心組合實現(xiàn)高效加工：針對電動機殼體特點，殼體內(nèi)部使用數(shù)控車床車削基準面及中間精孔，立式加工中心加工兩端孔系；殼體外部使用數(shù)控車床車削基準面，臥式加工中心加工側(cè)面。

6.3 一體化壓鑄零件

（1）傳統(tǒng)汽車車身制造 沖壓和焊接構(gòu)成傳統(tǒng)汽車車身制造的核心工藝。沖壓是傳統(tǒng)汽車車身制造的第一道核心工藝，利用沖床等設(shè)備將鋼或鋁合金壓制成各種車身零部件。據(jù)統(tǒng)計，汽車上有60%～70%的零部件是用沖壓工藝生產(chǎn)的。焊接是指對沖壓后的零部件進行連接，主要通過焊接機器人完成。據(jù)統(tǒng)計，每輛車車身（車身總成及車身部裝件）一般由300～400個零部件組成，大約有3000～6000個焊點，主要在焊接車間完成，工序多，生產(chǎn)周期較長。

（2）一體化壓鑄零件技術(shù) 目前一體化壓鑄工藝零件的規(guī)?；瘧?yīng)用主要體現(xiàn)在特斯拉新能源汽車上，用在Model Y車型的后地板。使用6000T壓鑄機一體成型，零件數(shù)從70多個減少為1～2個，焊點大約由700～800個減少到50個，同時制造時間由原來的1～2h縮減至3～5min，效率大幅提升。

相比傳統(tǒng)燃油車的沖壓和焊接制造工序，一體化壓鑄成型工藝極大地減少了零部件使用數(shù)量，一次壓鑄即可獲得完整的零部件，直接取代傳統(tǒng)復雜的沖壓+焊接工序，減少了兩大主要工序，大幅縮短制造時間，提高了生產(chǎn)效率。

一體化壓鑄零件技術(shù)給整個汽車行業(yè)帶來的是一場顛覆性技術(shù)革命，不但制造成本會大幅降低，而且效率大幅提升，同時零部件的加工精度和質(zhì)量均有質(zhì)的跨越。傳統(tǒng)汽車制造中，零部件尺寸精度達到±1mm公差范圍則被認為是國際先進水平的衡量標準，而特斯拉公司首席執(zhí)行官馬斯克宣稱，下一代特斯拉Model Y車型的精度將以μm為單位。

隨著今后技術(shù)的發(fā)展和成熟，預計新能源汽車主要結(jié)構(gòu)件均可以實現(xiàn)一體化壓鑄成型，各類結(jié)構(gòu)件在一體化成型后，再使用相應(yīng)的數(shù)控機床進行切削加工。

隨著大眾、沃爾沃、奔馳、蔚來及小鵬等越來越多的車企在汽車制造過程中采用一體化壓鑄零件工藝，壓鑄機會逐漸取代沖壓設(shè)備和各類焊接機器人而成為汽車制造領(lǐng)域的核心裝備，同時還會帶來對于壓鑄件的毛刺、毛邊進行切削加工的高速輕型龍門機床的爆發(fā)式增長。

7 結(jié)束語

本文基于新能源汽車結(jié)構(gòu)變化帶來的機床市場需求進行分析和研究，對相關(guān)的機床加工設(shè)備提出了產(chǎn)業(yè)鏈升級和定制化開發(fā)要求。未來新能源汽車產(chǎn)銷繼續(xù)保持增長勢頭，以動力總成為代表的核心零部件加工催生機床新需求；同時一體化壓鑄成型工藝的快速應(yīng)用需要大量機床做配套加工；另外，對于動力電池極柱的加工，需要細分領(lǐng)域的專機。這些新的需求在機床市場空間廣闊，給整個行業(yè)帶來新的機遇，會加速機床行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。