一種用于新能源電池托盤的復合加工機床
2025-1-6 來源： 南京寧慶數控機床制造有限公司 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成，電池托盤通常采用多塊鋁板進行拼接、焊接而成，然后根據裝配需求繼續對電池托盤進行一系列鉆孔、銑削等加工，從而實現電池托盤的高精度、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、多次裝夾并重新對刀，導致加工流程工序繁雜，加工效率較低，針對此我公司研發了一種用于新能源電池托盤的復合加工機床，托盤在機床上可以一次完成各種鉆、銑等加工工藝，既保證了加工質量，又大幅提高了生產效率，并且便于實現自動化生產。
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，φ6mm 孔 2 個，φ7mm 孔 6 個，φ8mm 孔 38 個，φ9mm 孔 52 個，11mm 六角孔 82 個，φ12mm 孔 6 個，反面 φ7mm 孔 38 個，φ9mm 孔 1 個。
圖 1 典型托盤
如果采用現有 LQI2520 高速龍門移動機床（見圖 2）加工，需要 17min，并且側面有 11mm六角孔 13 個、穿線孔 3 個，還需要單獨使用側銑頭進行加工。
圖 2 LQI2520 高速龍門移動機床
采用圖3所示新式加工機床， 由機型HSC3036 Ⅲ和機型 HSC3217、桁架系統、自動上下料系統和裝夾系統組成。正面、反面和側面同時加工，加工時間就降低到 1/3，效率提高了3 倍。正面采用三工位臥式機床，如圖 4 所示，反面和側面用一臺臥式五軸機床加工，以此大幅度提高加工效率。
3. 電池托盤機床主體結構
圖 3 所示新式加工機床由四大部分組成 : 三單元臥式加工單元、臥式五軸單元、工作臺底板及夾具、桁架自動化送料系統。
圖 3 新式加工機床
圖 4 三工位臥式機床
3.1 三單元臥式加工單元
三單元臥式加工單元有 5 個顯著特點。
1）輕量化設計，參與進給部件均在保證強度的基礎上，盡可能減輕質量，以確保移動部件的高速與高加速度運行。
2）三組進給軸通過三通道控制，可互不干涉協同運作，上下行程疊加可使加工范圍無空白區域。
3）為保證移動速度，X 向大行程采用齒輪齒條驅動，其余兩向采用高精度滾珠絲杠驅動。
4）機床可同時加工 3 片區域，理論上效率可提升 2 倍。
5）3 組主軸配置 3 臺圓盤刀庫，換刀效率高。
3.2 臥式五軸單元
臥式五軸單元如圖 5 所示，其特點主要有以下幾方面。
圖 5 臥式五軸單元
1）采用箱中箱式結構，抗沖擊載荷能力強，可重切，可高速，穩定性高。
2）X/Y 向雙絲杠驅動，可以保證高速高精加工需求。
3）三向均配置四線軌，可以保證運行精度與穩定性。
4）X/Y 向大行程可覆蓋市場上大多數電池盒尺寸，配置五軸可對斜側面進行銑削和打孔，有效避免二次裝夾。
3.3 工作臺底板及夾具
工作臺底板及夾具如圖 6 所示，其設計特點主要有以下三方面。
圖 6 工作臺底板及夾具
1）工作臺底板采用鏤空式設計，將電池托盤反面需要加工的區域露出，以方便后方臥式五軸 HSC3217 機床對其反面及側面進行加工。
2）夾具全部采用氣缸形式進行夾緊，柔和的夾緊力可避免對工件表面造成損傷或變形，其中旋轉氣缸的選用，為自動化上下料創造條件。
3）增加的定位擋板，可使批量化生產的每個工件，都可以準確地被裝夾在預定的加工區域，實現自動化裝夾。
3.4 桁架自動化送料系統
桁架自動化送料系統如圖 7 所示，其結構特點如下。
a）懸臂式結構
b）料框內設有定位擋板
圖 7 桁架自動化送料系統
1）桁架采用懸臂式結構，占用空間小，快捷高效。X 向采用齒條傳動，Y、Z 向采用絲杠，為工件的精準取放提供保障。
2）兩組進給軸分別用于上料和下料，獨立控制互不干涉。
3）采用大規格型鋼作主體，以提供較高的剛性和強度。
4）整體式底板上方的獨立料框內設有定位擋板，人工將工件放至料框內，同樣采用標準氣缸固定夾緊，通過齒輪齒條驅動，使毛坯件按順序分層前進，配合桁架機械手進行抓取，轉運至被加工區域。
4. 機床工作方式
電池托盤工件加工時的運行方式如下。
1）人工將毛坯工件裝夾至料框內，起動氣缸，將毛坯件固定于每個料框內，如圖 8 所示。
圖 8 毛坯工件裝夾至料框內
2）運用桁架將毛坯件抓取、提升，運送至加工區域，沿定位擋板向下放置，夾緊氣缸開始運行，將工件固定。第一組桁架返回至毛坯區，第二組桁架移至右側成品區。
3） 三橫梁機床 HSC3036 Ⅲ和五軸機床HSC3217 協同運行，對工件正反面及側面進行加工，期間無需二次裝夾。如圖 9 所示
圖 9 機床協同運行
5. 系統控制
此機床采用定制化數控系統界面，僅需要輸入孔的位置，即可調整規格品種的程序，鉆孔攻螺紋的參數可以在后臺程序調節。該系統可實現多通道控制，每個臥式通道負責加工產品的一部分。通過定制化軟件，有效將工件分成 3 部分，每部分由1個臥式通道完成，大大提高了加工效率。
圖 10 加工坐標系設定
5.1 加工坐標系設定
加工坐標系設定如圖10所示。其特點主要有:可以將三通道的加工工件坐標系放在一起，用來比較以及反復確認 ; 增加微量調整，避免輸錯，并且調整速度快 ; 此外，系統可提供鉆孔和絲錐專用的 Z 軸尺寸，互不影響。
5.2 通用設定畫面
通用設定畫面如圖11所示，參數化編程包含:刀具號、刀具長度、刀具直徑、鉆孔深度、鉆孔/ 攻螺紋轉速、進給速度、牙距、快移速度、快移定位、逐鉆工藝、抬刀量及一攻到底。
圖 11 通用設定畫面
5.3 加工工件的坐標程序
加工工件的坐標程序如圖 12 所示，以第一通道為例，提供了兩套方案。①有規律的孔位加工 : 圓形以及矩形排列。②不規則孔加工方案 :可以定制孔加工的工藝程序，進行固化。
5.4 加工統計
圖 12 加工工件的坐標程序
加工統計主要是給機床使用情況做統計，如圖 13 所示。
圖 13 加工統計
可以看出，通過統計開機時間、運行時間、加工件數等，可以有效地對生產管理所需信息進行統計，引導生產管理人員進一步優化加工工藝和提高加工效率。
6. 結束語
該機床大大提高了電池托盤加工的自動化水平和加工效率，現有的單機生產效率低，采用本組合自動化機床，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量。電池托盤是型材焊接件，定位基準誤差大，工件自身變形大，采用多次定位極易導致孔位偏差，因此應盡量采用一次性加工，使用該機床解決了原有單機生產多次裝夾所導致的孔位誤差問題。
該機床還有一種使用方案，即減去 1 個臥式五軸單元，采用自動線單元，仍然能夠達到效率和質量的大幅提高，而且采用自動線，1 人可操作多條線，使車間實現少人化生產。
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