Gia công CNC cho sản xuất xe điện: Hướng dẫn toàn diện về ngành công nghiệp

Gia công CNC trong sản xuất xe điện là gì?

Các máy CNC chính được sử dụng trong sản xuất xe điện bao gồm máy cắt laser sợi quang cho vỏ pin và các tấm thân xe, máy hàn laser robot cho các mối nối giữa các cell pin và thanh dẫn điện, máy phay CNC chính xác cho các bộ phận động cơ và vỏ biến tần, và máy phay ATC cho các bộ phận kết cấu bằng nhôm. Mỗi quy trình xử lý các vật liệu và hình dạng chi tiết cụ thể trong chuỗi cung ứng xe điện.

Ngành sản xuất xe điện nằm ở giao điểm giữa sản lượng ô tô hàng loạt và độ chính xác cấp độ hàng không vũ trụ. Một bộ pin duy nhất chứa hàng nghìn mối hàn riêng lẻ. Một động cơ duy nhất yêu cầu các tấm thép silic được cắt chính xác, vỏ nhôm được gia công với dung sai chặt chẽ và các cuộn dây đồng phải được nối mà không bị hư hại do nhiệt.

Kết quả là một môi trường sản xuất nơi máy móc CNC được sử dụng ở mọi giai đoạn: từ cắt phôi nguyên liệu, chế tạo linh kiện, hàn cụm phụ, gia công vỏ cuối cùng và đánh dấu sản phẩm hoàn thiện. Khối lượng sản xuất dao động từ số lượng nguyên mẫu trong nghiên cứu và phát triển đến hàng triệu chi tiết mỗi năm trong sản xuất hàng loạt. Sự kết hợp các quy trình này khác với ngành công nghiệp ô tô truyền thống vì xe điện thay thế động cơ đốt trong và hộp số bằng bộ pin, động cơ điện và thiết bị điện tử công suất, mỗi bộ phận đều đòi hỏi một bộ công cụ CNC khác nhau.

Danh mục linh kiện xe điện: Những bộ phận nào được gia công và gia công như thế nào

Bảng dưới đây thể hiện mối liên hệ giữa các linh kiện chính của xe điện với các máy CNC sản xuất ra chúng. Bảng này được thiết kế như một tài liệu tham khảo cho người mua đang nghiên cứu về gia công trong chuỗi cung ứng xe điện.

Một chiếc xe điện cần khoảng 20 đến 40 nhóm linh kiện gia công CNC khác nhau, tùy thuộc vào kiến ​​trúc và phiên bản. Các bộ phận liên quan đến pin chiếm số lượng lớn. Các bộ phận động cơ và biến tần chiếm ưu thế về yêu cầu độ chính xác. Khung xe (body-in-white) chiếm ưu thế về vốn đầu tư vào máy móc.

Sản xuất hệ thống pin: Vỏ, mô-đun và thanh dẫn điện

Sản xuất bộ pin là khâu tiêu thụ nhiều máy móc CNC nhất trong sản xuất xe điện. Ví dụ, bộ pin của Tesla Model Y sử dụng thanh dẫn bằng nhôm với lớp mạ một mặt trên bề mặt hàn, được bố trí trên 4 mô-đun gồm 4680 cell hình trụ theo cấu hình 92s9p. Mỗi mô-đun chứa 107 cell và bao gồm hàng chục giao diện được cắt và hàn bằng laser.

Vỏ hộp và khung bao cấu trúc

Vỏ bộ khuếch đại thường được chế tạo từ tấm nhôm hoặc nhôm đúc. Việc cắt chủ yếu được thực hiện bằng máy cắt laser sợi quang do độ dày của tấm (từ 1 đến 5 mm) và độ phức tạp về hình học của các cổng, kênh làm mát và các chi tiết lắp đặt. Gia công sau khi cắt trên máy phay CNC bổ sung các lỗ lắp đặt có ren, bề mặt làm kín và giao diện cổng áp suất.

Gia công và hàn thanh dẫn điện

Thanh dẫn điện (busbar) là đường dẫn điện chính của bộ pin. Chúng thường được làm bằng đồng hoặc nhôm, dày từ 1 đến 5 mm, và được tạo hình để luồn lách qua cấu trúc mô-đun. Việc cắt được thực hiện bằng máy cắt laser sợi quang vì vật liệu này có độ phản xạ cao và mỏng. Hàn thanh dẫn điện vào các cực của pin là công đoạn đòi hỏi khắt khe nhất trong sản xuất xe điện: nó liên quan đến các vật liệu khác nhau (đồng với nhôm, hoặc thép mạ niken với đồng), dung sai hình học chặt chẽ và khối lượng lên đến hàng triệu mối hàn mỗi năm trên mỗi nhà máy.

Kết nối giữa các tế bào và hệ thống làm mát

Các mối nối giữa tế bào và thanh dẫn yêu cầu hàn laser bằng robot với kỹ thuật làm lệch chùm tia để khắc phục độ phản xạ cao của đồng ở bước sóng laser sợi quang tiêu chuẩn 1064 nm. Máy hàn laser sợi quang hai chùm tia hiện đại có thể hoạt động nhanh hơn gấp mười lần so với các máy một chùm tia trước đây trên các mối nối này. Các tấm làm mát được đan xen xuyên suốt cụm pin để quản lý nhiệt sử dụng tấm nhôm với các kênh được hàn bằng phương pháp hàn đồng hoặc hàn laser.

Sản xuất động cơ điện và hệ thống truyền động

Động cơ điện được sử dụng trong các xe điện sản xuất hàng loạt chủ yếu là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) và ngày càng phổ biến hơn là các thiết kế từ thông hướng trục. Cả hai loại động cơ này đều phụ thuộc rất nhiều vào gia công CNC chính xác.

Các lá thép và vỏ stato

Các lá thép stato được cắt từ tấm thép silic dày từ 0.2 đến 0.5 mm. Việc cắt bằng laser sợi quang chính xác đã thay thế phần lớn phương pháp dập khuôn cho các nguyên mẫu và sản xuất số lượng nhỏ vì nó giúp loại bỏ chi phí dụng cụ và cho phép lặp lại thiết kế nhanh chóng. Sản xuất số lượng lớn vẫn sử dụng khuôn dập liên tục, nhưng ngay cả những khuôn này cũng phụ thuộc vào máy cắt dây EDM và cắt laser để chế tạo dụng cụ. Vỏ stato thường là các thân bằng nhôm đúc được gia công hoàn thiện trên máy phay CNC để tạo các lỗ ổ trục, bề mặt lắp đặt và đường dẫn chất làm mát.

Hàn kẹp tóc động cơ

Cuộn dây động cơ hình kẹp tóc, hiện là tiêu chuẩn trong nhiều bộ truyền động xe điện, sử dụng dây đồng hình chữ nhật được uốn cong và hàn thành một cuộn dây stato liên tục. Các mối nối ở đầu kẹp tóc được hàn bằng hệ thống laser sợi quang robot, thường có hàng nghìn mối nối trên mỗi động cơ. Chất lượng chùm tia và hình dạng mối nối quyết định điện trở của động cơ, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi hoạt động của xe.

Vỏ biến tần và thiết bị điện tử công suất

Vỏ bộ biến tần chứa các mô-đun công suất silicon carbide chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ ắc quy thành dòng điện xoay chiều (AC) 3 pha cho động cơ. Chúng thường được làm bằng nhôm với các đường dẫn làm mát tích hợp, được sản xuất bằng phương pháp cắt laser sợi quang từ phôi, sau đó gia công CNC các bề mặt làm kín, các tấm gắn và hoàn thiện kênh làm mát.

Khối lượng sản xuất các linh kiện động cơ thấp hơn so với linh kiện pin, nhưng dung sai lại chặt chẽ hơn. Một động cơ cuộn dây hình kẹp tóc đơn có thể cần từ 2,000 đến 5,000 mối hàn laser riêng lẻ. Bất kỳ mối hàn nào có điện trở cao đều dẫn đến tổn thất nhiệt trong suốt vòng đời hoạt động của động cơ, do đó việc kiểm tra chất lượng ở tốc độ sản xuất là rất quan trọng.

Vật liệu trong sản xuất CNC xe điện

Ngành sản xuất xe điện sử dụng hỗn hợp vật liệu đặc biệt so với ngành ô tô truyền thống. Nhôm chiếm ưu thế về cấu trúc do trọng lượng nhẹ, đồng chiếm ưu thế về điện do khả năng dẫn điện, và thép đặc biệt được sử dụng trong lõi động cơ và cấu trúc thân xe.

Vấn đề vật liệu khác loại là thách thức kỹ thuật then chốt trong sản xuất xe điện. Các mối nối giữa đồng và nhôm, sắt và nhôm, và thép mạ niken với đồng đều tạo thành các hợp chất liên kim loại giòn khi hàn bằng laser đơn tia thông thường. Hàn laser sợi quang hai tia, tạo hình chùm tia dạng vòng và hàn laser sóng bán liên tục (QCW) là các giải pháp tiêu chuẩn trong ngành.

Cắt bằng laser sợi quang: Xương sống của ngành chế tạo kim loại cho xe điện

Cắt bằng laser sợi quang là quy trình chủ lực trong sản xuất xe điện. Nó được sử dụng để gia công vỏ pin, vỏ mô-đun, thanh dẫn điện, lá thép stato, tấm tản nhiệt, vỏ biến tần và các tấm thân xe. STYLECNC Danh mục máy cắt laser sợi quang Bao gồm các cấu hình từ máy cắt nguyên mẫu khổ nhỏ đến các nền tảng sản xuất công nghiệp để sử dụng liên tục trong chuỗi cung ứng.

Đối với vỏ pin cấu trúc và các tấm thân xe lớn, máy cắt kim loại bằng laser sợi quang công suất cao Máy này xử lý các tấm nhôm và thép dày hơn với cấu hình phù hợp với khối lượng sản xuất của chuỗi cung ứng ô tô. Đối với sản xuất tấm phẳng số lượng lớn, máy... dây chuyền cắt laser cấp liệu cuộn Thay thế các máy dập truyền thống để sản xuất nắp pin, tấm tản nhiệt và các tấm kết cấu trong trường hợp chi phí khuôn dập không thể khấu hao.

Đối với phức tạp 3D hình học trong sản xuất thân xe trắng, 3D máy cắt kim loại bằng laser sợi quang robot Cung cấp khả năng tiếp cận đa trục trên các khung phụ đã lắp ráp, các khớp cấu trúc và các bộ phận được dập định hình bằng thủy lực mà máy cắt mặt phẳng không thể tiếp cận.

Độ dày tấm kim loại trong sản xuất xe điện dao động từ 0.2 mm đối với các tấm thép silic mỏng nhất đến 8 mm đối với nhôm kết cấu dày nhất. Một hệ thống laser sợi quang đơn lẻ hiếm khi bao phủ toàn bộ phạm vi này một cách hiệu quả, đó là lý do tại sao hầu hết các xưởng trong chuỗi cung ứng xe điện sử dụng 2 hoặc 3 cấu hình laser sợi quang được điều chỉnh cho các dải độ dày khác nhau.

Phần mềm sắp xếp phôi là rất cần thiết ở quy mô sản xuất. Một chương trình thiết kế nắp pin hoặc vỏ mô-đun hiện đại bao gồm hàng trăm chi tiết nhỏ trên mỗi tấm, và việc tối ưu hóa thứ tự cắt sẽ trực tiếp quyết định số lượng chi tiết mà mỗi ca sản xuất được. Mỗi máy cắt laser sợi quang. STYLECNC Triển khai các tàu có hệ thống CAM có khả năng xếp chồng như một phần của cấu hình tiêu chuẩn.

Hàn laser robot: Kết nối tế bào và khung xe (Body-in-White)

Hàn laser là quy trình then chốt cho việc lắp ráp bộ pin xe điện và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất khung xe. Máy hàn laser sợi quang xử lý hàng triệu mối nối giữa các cell pin và thanh dẫn điện trong mỗi nhà máy sản xuất pin, còn máy hàn laser robot thực hiện các mối hàn đa trục giúp liên kết các tấm thân xe lại với nhau. Robot hàn laser sợi quang công nghiệp dùng trong sản xuất ô tô Bài viết này mô tả chi tiết mô hình triển khai trong các nhà máy sản xuất xe điện hiện đại.

Cụ thể đối với việc sản xuất pin, Hệ thống cắt và hàn laser cho sản xuất pin lithium-ion Tài liệu tham khảo này đề cập đến các cấu hình dây chuyền sản xuất tích hợp kết hợp hàn chân linh kiện, gắn thanh dẫn điện và niêm phong kiện hàng trên cùng một dây chuyền. 3D robot hàn laser sợi quang công nghiệp Đây là một khối cấu tạo phổ biến cho các tế bào thể trắng cần khả năng di chuyển theo nhiều trục.

Đối với công việc tạo mẫu thử nghiệm với số lượng nhỏ và sửa chữa trong quá trình sản xuất, Máy hàn laser CNC tự động Cung cấp độ chính xác tương đương với hệ thống robot nhưng với kích thước nhỏ gọn hơn, phù hợp với các phòng nghiên cứu và phát triển cũng như các nhà máy lắp ráp xe điện chuyên dụng.

STYLECNC Trong chuỗi cung ứng xe điện: Từ nguyên mẫu đến sản xuất hàng loạt

Sản xuất xe điện là một chuỗi cung ứng nhiều cấp. Các nhà cung cấp cấp 1 cung cấp các bộ pin, động cơ và bộ biến tần hoàn chỉnh cho các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM). Các nhà cung cấp cấp 2 cung cấp vỏ, thanh dẫn điện và các tấm stato cho các nhà cung cấp cấp 1. Các nhà cung cấp vật liệu cấp 3 cung cấp tấm nhôm, tấm đồng và thép silic cho các nhà cung cấp cấp 2. Máy móc CNC được sử dụng ở mọi cấp độ.

STYLECNC Các máy móc công nghiệp được triển khai trên tất cả các cấp độ của chuỗi cung ứng xe điện. Máy cắt laser sợi quang xử lý việc gia công phôi cho vỏ pin ở cấp độ 2 và cấp độ 3. Máy hàn laser robot xử lý việc hàn các đầu nối cell và nối thanh dẫn điện tại các nhà sản xuất pin cấp độ 1. Máy phay ATC, bao gồm cả... máy phay CNC nhôm với hệ thống ATC đĩaThực hiện gia công nhôm kết cấu cho các nguyên mẫu và các dự án sản xuất xe điện số lượng nhỏ, nơi chi phí khuôn mẫu quá cao.

Đối với các chương trình chế tạo nguyên mẫu xe điện, cùng một máy cắt laser sợi quang sẽ được sử dụng để sản xuất thanh dẫn điện sau này cũng có thể được dùng để tạo nguyên mẫu các thiết kế ban đầu với độ chính xác tương đương. Sự nhất quán giữa nguyên mẫu và sản xuất này giúp giảm thiểu rủi ro thay đổi thiết kế vào giai đoạn cuối của chương trình. Nó cũng giúp giảm số lượng nhà cung cấp riêng biệt mà người quản lý chương trình phải phối hợp.

Đối với các chương trình sản xuất, STYLECNC dây chuyền dập phôi cuộn, máy cắt laser sợi quang công suất cao, và 3D Hệ thống hàn robot được thiết kế để hoạt động liên tục và tích hợp với hệ thống MES của nhà máy, đáp ứng nhu cầu sản xuất xe điện. Việc tích hợp với các mảng cảm biến do khách hàng triển khai, khả năng truy xuất nguồn gốc linh kiện và kiểm tra chất lượng là tiêu chuẩn chứ không phải tùy chọn.

Thuật ngữ: Các thuật ngữ trong sản xuất CNC xe điện

Hãy sử dụng tài liệu tham khảo này khi so sánh các quy trình sản xuất xe điện, đánh giá nhà cung cấp hoặc xem xét các tài liệu kỹ thuật trong ngành.

Câu Hỏi Thường Gặp

Những loại máy CNC nào được sử dụng trong sản xuất xe điện?

Hệ thống cốt lõi bao gồm máy cắt laser sợi quang để gia công vỏ pin, vỏ mô-đun, thanh dẫn điện và các lớp stato; máy hàn laser robot để kết nối các cell pin với thanh dẫn điện và các mối nối khung xe; máy phay CNC để gia công vỏ động cơ, vỏ biến tần và các bộ phận rôto; và máy phay ATC để gia công các bộ phận kết cấu bằng nhôm. Mỗi nhà sản xuất xe điện lớn và nhà cung cấp cấp 1 đều sử dụng một số sự kết hợp của cả bốn loại máy này.

Tại sao hàn laser lại quan trọng trong sản xuất pin xe điện?

Vì các mối nối pin phải kết hợp các vật liệu khác nhau với điện trở cực thấp, hàng nghìn lần trên mỗi bộ pin, ở tốc độ sản xuất cao. Tài liệu của IPG Photonics và Tech Briefs cho thấy hàn laser sợi quang với kỹ thuật rung lắc hoặc chùm tia kép là công nghệ duy nhất kết hợp được tốc độ, độ chính xác và khả năng xử lý các vật liệu khác nhau cần thiết. Hàn siêu âm được sử dụng song song cho các kết nối giữa các cell pin và tab cụ thể nhưng không thể thay thế hàn laser cho việc lắp ráp toàn bộ bộ pin.

Điều gì khiến việc hàn thanh dẫn điện bằng đồng trở nên khó khăn?

Đồng phản xạ khoảng 95% chùm tia laser sợi quang tiêu chuẩn 1064 nm, gây ra hiện tượng tạo lỗ hàn không ổn định, bắn tóe và độ xuyên thấu không đồng đều với các hệ thống laser đơn chùm. Giải pháp trong ngành là sử dụng laser sợi quang hai chùm, trong đó một chùm tia vòng làm nóng trước đồng để tăng khả năng hấp thụ, tiếp theo là một chùm tia lõi thực hiện quá trình hàn. Điều này loại bỏ hiện tượng bắn tóe và mang lại tốc độ hàn nhanh hơn gấp mười lần so với các hệ thống laser đơn chùm trước đây.

Quy trình sản xuất xe điện khác với gia công cơ khí ô tô truyền thống như thế nào?

Gia công cơ khí ô tô truyền thống tập trung vào động cơ đốt trong, hộp số và khung gầm. Sản xuất xe điện thay thế những bộ phận đó bằng bộ pin, động cơ điện và thiết bị điện tử công suất, vốn có yêu cầu về vật liệu và quy trình hoàn toàn khác. Hàn đồng trở nên quan trọng hơn. Cắt thép silic cán mỏng được mở rộng quy mô. Gia công kết cấu nhôm tăng mạnh vì xe điện sử dụng nhiều nhôm hơn xe động cơ đốt trong để bù lại trọng lượng của pin.

Những vật liệu nào khó gia công nhất trong sản xuất xe điện?

Có 3 thách thức chính về vật liệu. Đồng là vật liệu khó gia công bằng laser nhất do tính phản xạ cao. Thép silic là vật liệu khó gia công chính xác nhất vì các lớp màng mỏng phải được căn chỉnh chính xác đến từng micromet trên hàng nghìn lớp. Nam châm neodymium là vật liệu khó gia công nhất vì chúng giòn, phải được xử lý theo các hướng cụ thể và thường chỉ được từ hóa sau khi cắt để tránh làm hỏng dụng cụ cắt bằng từ dư.

Liệu các xưởng gia công CNC hiện có thể chuyển hướng sang làm việc trong chuỗi cung ứng xe điện?

Vâng, và nhiều xưởng đang làm như vậy. Sự trùng lặp về thiết bị là đáng kể: bất kỳ xưởng nào đã sử dụng máy cắt laser sợi quang, máy hàn robot hoặc trung tâm gia công CNC đều có khả năng cốt lõi. Điều khác biệt nằm ở lập trình, đồ gá và chứng nhận chất lượng. Chuỗi cung ứng xe điện thường yêu cầu chứng nhận chất lượng ô tô IATF 16949, truy xuất nguồn gốc linh kiện và tích hợp hệ thống MES. Đầu tư vào máy móc thường ít rào cản hơn so với đầu tư vào hệ thống chất lượng đối với các xưởng mới tham gia lĩnh vực này.

Lời kết

Ngành sản xuất xe điện đã thay đổi ngành công nghiệp gia công CNC nhiều hơn bất kỳ ngành nào khác trong nhiều thập kỷ qua. Cắt laser sợi quang đã trở thành quy trình gia công kim loại tấm tiêu chuẩn. Hàn laser robot đã chuyển từ chuyên dụng sang tiêu chuẩn. Gia công CNC chính xác các bộ phận bằng nhôm và đồng đã phát triển mạnh mẽ, và mọi khâu trong chuỗi cung ứng xe điện hiện nay đều phụ thuộc vào khả năng gia công CNC để đạt được mục tiêu về chi phí và chất lượng.

STYLECNC Máy cắt laser sợi quang công nghiệp, hệ thống hàn laser robot và máy phay ATC được triển khai rộng rãi trong chuỗi cung ứng xe điện trên toàn cầu, từ các chương trình nguyên mẫu đến các nhà sản xuất bộ pin cấp 1. Để thảo luận về cấu hình gia công linh kiện xe điện, hãy xem lại... Danh mục máy cắt laser sợi quang, Các Danh mục máy hàn laserhoặc liên hệ với STYLECNC Nhóm chúng tôi sẽ lập báo giá phù hợp với danh sách linh kiện cụ thể của bạn.