新能源汽车制造技术 课件10-新能源汽车先进制造技术

第十章新能源汽车先进制造技术2026.05SchoolofAutomotiveandTrafficEngineeringHeifeiUniversityofTechnology合肥工业大学

车辆工程专业课程_新能源汽车制造技术本章目录P210.1新能源汽车增材制造工艺方法及装备10.1.1新能源汽车增材制造的概念10.1.2新能源汽车增材制造技术在新能源汽车制造领域的应用10.1.3新能源汽车增材制造技术的发展趋势10.1.4新能源汽车增材制造工艺10.2新能源汽车近净成形工艺方法及装备10.2.1新能源汽车近净成形的概念10.2.2新能源汽车近净成形工艺10.3

新能源汽车可持续制造技术方法及装备10.3.1新能源汽车可持续制造技术的概念10.3.2可持续制造技术在新能源汽车制造中的具体应用10.4新能源汽车精密和超精密切削加工艺方法及装备10.4.1精密加工高速切削加工技术10.4.2超精密加工技术本章目录10.5新能源汽车高能束加工方法及装备10.5.1高能束加工工艺概念10.5.2高能束加工技术10.6智能工厂与数字孪生10.6.1智能工厂和数字孪生的概念10.6.2智能工厂和数字孪生在新能源汽车制造领域的应用10.7新能源汽车制造中的轻量化和塑料化10.7.1新能源汽车制造中的轻量化和塑料化的概念10.7.2新能源汽车制造中的轻量化和塑料化技术P3本章概述先进制造技术（AMT，AdvancedManufacturingTechnology）融合了微电子、自动化、信息技术等前沿技术，对传统制造技术进行了革新，形成了新型的制造系统。它涵盖了机械工程、电子、自动化、信息等多种技术的集成，包括技术、设备和系统。AMT特别强调在产品设计、制造、生产管理、销售及服务等环节中，应用计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代管理技术。它通过控制生产过程中的物质流、能量流和信息流，实现了生产过程的系统化管理。P410.1.1新能源汽车增材制造的概念10.1新能源汽车增材制造工艺方法及装备P5增材制造（AM，AdditiveManufacturing），通常称为3D打印，是一种依托数字模型，通过高能束如激光、电子束或电弧加热，使用粉末状或丝状材料，逐层堆叠制造实体的技术。随着技术的不断发展，增材制造技术为制造业的转型升级提供了强有力的技术支撑（见下图）。增材制造技术概念图10.1.2新能源汽车增材制造技术在新能源汽车制造领域的应用10.1新能源汽车增材制造工艺方法及装备P61）增材制造在汽车零配件制造中的应用。增材制造技术可以通过将数字模型转化为物理模型，实现按需生产，即时制造，生产周期短、零库存，从而减少备件供应的时间和成本。通过使用增材制造技术制造汽车零配件，可以提高新能源汽车制造的效率，减少服务等待的时间，提升客户满意度。2）增材制造在快速原型制作中的应用。通过逆向三维扫描技术与3D打印技术的结合，可以快速准确地得到零件的模型。这种快速原型制作和快速制造可以提高工作流程的效率。3）增材制造在汽车组件修复和改进中的应用。增材制造技术可以通过添加材料来修复或改进汽车组件，无论是修复轻微损伤还是替代整个零件。10.1.3新能源汽车增材制造技术的发展趋势10.1新能源汽车增材制造工艺方法及装备P7（1）材料性能的改进目前增材制造材料的性能还存在一定的局限性，如强度、耐磨性和耐腐蚀性等方面。未来的研究应该聚焦于改进材料的性能，以确保增材制造的汽车零部件能够满足高要求的工作条件和耐久性。（2）制造速度的提高目前增材制造的制造速度相比传统制造方法仍然较慢，尤其是针对大型复杂零件的制造。未来的研究可以通过优化制造流程、改进设备和工艺来提高制造速度，以满足新能源汽车制造领域快速响应的需求。（3）成本的优化目前增材制造技术在新能源汽车制造领域的应用仍然面临较高的制造成本。未来的研究可以通过材料的优化选择、设备的成本降低以及制造流程的优化来降低成本，使增材制造技术更具吸引力和可行性。（4）标准和认证的建立目前新能源汽车制造行业的规模越来越大，客户的要求也越来越高，增材制造以其独特的技术优势满足了新能源汽车制造的一系列需求，应用范围还在持续扩大。汽车行业与增材制造行业需共同研究和建立增材制造技术在汽车行业的相关标准，使增材制造技术在汽车市场的应用进入产业化、标准化阶段。10.1.4新能源汽车增材制造工艺10.1新能源汽车增材制造工艺方法及装备P8“增材熔覆制造技术”是上世纪80年代末90年代初在美国开发兴起的一项高新制造技术，其制造流程如下图所示。与传统制造技术以消减为主不同，3D打印以增材方式成形，不仅不浪费材料，而且可以快速而精密地制造出任意复杂形状的新产品、模具或模型。原型制作流程图10.1.4新能源汽车增材制造工艺10.1新能源汽车增材制造工艺方法及装备P9根据材料在沉积时的不同状态，金属增材熔覆制造技术可以分为二大类：第一类，金属材料在沉积过程中实时送入熔池，这类技术以激光近净成形制造（LENS，LaserEngineeredNetShaping）、金属直接沉积（DMD，DirectMetalDeposition）技术为代表，由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔池，熔化后逐层沉积，称之为激光直接沉积增材成形技术，该技术只能成形出毛坯，然后依靠数控加工达到其净尺寸；第二类，金属粉末在沉积前预先铺粉，这类技术以金属直接激光烧结（DMLS，DirectMetalLaserSintering）、选区激光熔化（SLM，SelectiveLaserMelting）为代表，粉末材料预先铺展在沉积区域，其层厚一般为20～100μm，利用高亮度激光按照预先规划的扫描路径轨迹逐层熔化金属粉末，直接净成形出零件，称之为激光精密增材成形技术。10.2.1

新能源汽车近净成形的概念10.2

新能源汽车近净成形工艺方法及装备P10近净成形是以成形零件的少或无加工余量为基础的成形过程，是以优化的材料成形工艺参数为前提，材料的利用率高，成形的零部件缺陷少而质量高。展望21世纪，制造工件的毛坯正在从接近零件形状（NearNetShapeProcess）向直接制成工件即精密成形或称净成形（NetShapeProcess）的方向发展。精密铸造技术、精密塑性成形技术、精密连接技术等精密成形技术将飞速发展。锻造技术和锻造加工产品的发展趋势，正朝着优质轻量化、精密（近）净成形化、高效低成本化等方向迈进。以冷温闭塞锻造、中空分流精锻成形、多工位冷挤压成形技术、多工位温-冷复合成形工艺为代表的精密锻造技术正在被迅速推广，极大地推进了整个行业向少无切削加工、近净成形方向的发展步伐。10.2.2

新能源汽车近净成形工艺10.2新能源汽车近净成形工艺方法及装备P111.闭塞锻造闭塞冷锻成形可以使锻件的几何形状、尺寸精度和表面质量最大限度地接近，甚至完全达到产品零件要求，是重要的近净成形工艺方法。2.分流锻造分流锻造技术的出现有效地解决了直齿圆柱齿轮类等高径比较大的零件的冷锻成形。分流锻造的原理是在锻件的适当位置设置溢流口，使材料在充填过程中始终有自由流动的空间，从而提高充型能力，降低变形阻力和成形载荷。3.多工位冷挤压成形多工位冷挤压成形适合于长轴类精密模锻件的生产，技术的关键在于确定临界变形程度，它直接影响到变形的工步数、锻件表面质量、多工位压力机吨位、多工位压力机闭合空间大小。10.2.2新能源汽车近净成形工艺10.2新能源汽车近净成形工艺方法及装备P124.摆辗成形摆动辗压是一种通过连续局部塑性变形实现工件整体成形的回转成形工艺。在摆辗过程中，上模与工件接触区域产生局部塑性变形，使工件逐渐完成整体成形。5.温锻+冷精整复合成形工艺国内多家企业结合现有锻造设备能力，大力推广温锻+冷精整、热锻+冷精整的复合成形工艺。随着锻造设备、加热设备及配套的自动化作业设施、锻造模具制造水平的快速发展，利用温锻+冷精整复合成形工艺及闭塞浮动模具的精密温锻制造技术已经成功地应用在汽车等速万向节的生产中。10.2.2新能源汽车近净成形工艺10.2新能源汽车近净成形工艺方法及装备P136.多工位冷挤和旋压成形工艺离合器毂齿形旋压成形原理如下图所示，圆筒形坯料套在凸模上，一对与凸模齿廓相同的滚轮对称安装在坯料两侧，坯料中心轴与滚轮中心轴相互对称，滚轮绕器中心轴高速旋转对工件旋压，旋压处的金属发生塑形变形，每旋压一次，凸模轴向进给一定距离并绕自身轴线旋转一个齿的角度。旋压成形机床10.2.2新能源汽车近净成形工艺10.2新能源汽车近净成形工艺方法及装备P14旋压成形工艺是一种无屑加工技术，表面质量高，加工时产生的径向压应力能提高工件的疲劳强度和扭转刚度，适合加工贯通齿，如下图所示。旋压成形工艺示意图10.2.2新能源汽车近净成形工艺10.2新能源汽车近净成形工艺方法及装备P157.粉末金属成形制造技术金属或陶瓷粉末注射成形技术结合了注塑工艺和粉末冶金技术的优点，是新兴的净成形制造技术，可以大批量经济高效地生产三维复杂形状的零部件（见下图）。粉末注射成形关键汽车零部件在欧美汽车工业界已经广泛应用，包括涡轮增压器转子、导向叶片、同步器齿箍等。粉末冶金成形工艺示意图10.3.1

新能源汽车可持续制造技术的概念10.3

新能源汽车可持续制造技术方法及装备P16可持续制造的定义是：无污染、节约能源和其他自然资源，并满足员工、社区和消费者的经济和安全需求的工艺。各国相继部署绿色制造战略和制定相关政策，目前走在最前列的是美国和欧盟。美国推行《先进制造伙伴计划AMP2.0》，2019年美国将可持续制造绿色制造列为振兴制造业的关键技术之一，其战略目标包括“实现清洁和可持续的制造以支持脱碳”和“引领智能制造的未来”等。欧盟推行《欧盟地平线2020计划（Horizontal2020）》，2020年欧盟计划投资3018亿欧元用于绿色制造的研究（见下图）。绿色加工技术概况10.3.2可持续制造技术在新能源汽车制造中的具体应用10.3新能源汽车可持续制造技术方法及装备P171.合理使用可持续材料对新能源汽车制造产品进行制造新能源汽车制造企业需要首先拥有注重环境保护的意识，明确制造业身上所背负的推进国家经济进步的社会责任的同时还需要履行保护环境的意识。在制造过程中注重减少环境的污染，采取可持续材料，例如耗能低、无污染以及无毒的高科技材料，实现资源的有效利用。将减少污染的可持续制造技术切实应用到产品制造中，实现对于环境的保护（见下图）。可持续制造工艺10.3.2可持续制造技术在新能源汽车制造中的具体应用10.3新能源汽车可持续制造技术方法及装备P182.使用可持续方法对机械产品进行设计计算机辅助设计工具中固有的生成设计能力使工程师能够使用算法，为满足特定的要求提出设计方案，如减少产品的最终质量。3.使用可持续制造工艺对机械产品进行生产生产过程中可以通过简化生产步骤来减少材料的投入量，进而减少能源的消耗，为了不降低产品的质量，这就对产品生产的技术提出了更高的要求。4.使用合理的可持续处理方法降低污染在机械制造所造成的污染当中不能够忽略的就是产品的包装，白色污染等各种类型的污染会对于环境产生极大的污染。而为了减少这些包装的污染则需要采取回收或者利用技术使得其进行快速的降解。而更换机械制造的产品为绿色包装则会极大的降低污染，同时也会减少包装上面的成本上的投入，得到双赢的效果。随着时间的推移，可持续包装材料还在不断的进行研发，不断出现新的环保材料。10.4.1精密加工高速切削加工技术10.4

新能源汽车精密和超精密切削加工艺方法及装备P191.高速切削加工概念在特定材料的工件切削过程中，存在一个特定的临界速度，此时切削温度达到峰值。如下图所示，切削温度随着切削速度的提高而上升，但一旦超过这个临界点，温度反而随着速度的进一步增加而降低。在常规切削中，通常在图示的A区速度范围内进行操作。然而，如果速度超过B区的“死谷”并进入C区，就可以利用现有刀具进行高速切削，这将显著提升切削效率并减少加工时间。值得注意的是，“高速”在高速切削加工技术中是一个相对术语，它根据加工方法、工件和刀具材料的不同而有所差异。高速切削加工示意图10.4.1精密加工高速切削加工技术10.4新能源汽车精密和超精密切削加工艺方法及装备P20高速切削，即切削速度比传统切削高出5至10倍的加工技术，其切削机理与传统切削有显著不同。这种技术具有以下显著的切削特性：（1）切削力显著降低（2）热变形极小（3）材料切除率显著提高（4）加工质量提升（5）工艺流程简化2.高速切削加工的关键技术高速切削涉及的关键技术如下图所示高速切削加工概念图10.4.2超精密加工技术10.4新能源汽车精密和超精密切削加工艺方法及装备P211.超精密加工的内涵超精密加工是一个广泛的领域，涵盖了所有能够实现零件形状、位置和尺寸精度达到微米甚至亚微米级别的机械加工方法，如下图所示为超精密加工机床。超精密加工机床10.4.2超精密加工技术10.4新能源汽车精密和超精密切削加工艺方法及装备P222.超精密加工所涉及的技术范围（1）超精密加工的基本原理超精密加工技术通过微量去除材料表面层来实现，包括切削、磨削和特种加工等方法。尽管它遵循一般的加工原则，但也具有其独特性，例如刀具磨损、积屑瘤形成以及磨削机制等。（2）超精密加工工具及其制备技术金刚石刀具的制备和磨锐是超精密加工中的关键技术。金刚石刀具因其极小的刀尖半径（纳米级）而广泛用于超精密切削。（3）超精密加工机床设备超精密加工对机床的精度、刚度、抗振性、稳定性和自动化水平有极高要求。（4）精密测量与补偿技术超精密加工需要高精度的测量技术和装置，这些技术不仅用于检验加工误差，还用于在线检测和误差补偿。（5）稳定的工作环境超精密加工对工作环境的稳定性要求极高，任何微小的环境变化都可能影响加工精度。10.5.1高能束加工工艺概念10.5

新能源汽车高能束加工方法及装备P23高能束加工是指利用高能量密度的束流（如激光束、电子束）作为热源，对材料进行焊接、切割、表面处理等的特种加工方法（见下图）。高能束加工示意图10.5.2高能束加工技术10.5新能源汽车高能束加工方法及装备P241.激光焊接VOLVO公司是最早开发车顶激光焊接技术的厂家。欧洲各大汽车厂的激光器绝大多数用于车顶焊接。车身（架）焊用于提高车身强度。（见下图）。激光焊接示意图10.5.2高能束加工技术10.5新能源汽车高能束加工方法及装备P252.激光切割1）用于新车型开发，以减少模具数量，缩短开发时间。2）用于在线切割，可以达到快速、灵活、精确的目的。3）用于变型车生产，具有灵活、方便的特点，可节省模具。3.激光打孔通用公司Fisher车身分部用激光在有色金属模具上打盲孔，可使乙烯树脂门内衬板与抠手结合得更紧；欧宝公司用500WCO：激光器在排气传感器安装座L打孔；欧宝公司还用400WYAG激光器在传动器齿轮上打归mmx8mm的孔，12s/件，2万件/周，消除了钻头钻孔时工具磨损及断头等问题。10.5.2高能束加工技术10.5新能源汽车高能束加工方法及装备P264.激光热处理及涂敷激光热处理是所有激光加工技术中开发应用最早的技术，其实际应用如菲亚特公司发动机缸套及其他零部件的激光热处理；日产公司发动机曲轴和涡轮增压器电机轴的激光处理；5.电子束加工电子束加工是在真空条件下，利用聚焦的高速电子流轰击工件表面，将电子的动能瞬间转化为热能，从而使材料熔化、汽化的加工方法。其核心特点是能量密度极高（最高可达109W/cm2），甚至高于激光。10.6.1智能工厂和数字孪生的概念10.6智能工厂与数字孪生P27智能工厂是智能制造理念在物理工厂层面的具体实现（见下图）。它并非单纯的自动化或无人工厂，而是一个基于先进技术、能够实现数据驱动、柔性响应、高效协同与精准决策的现代化生产系统。其核心目标在于通过人机物的深度融合，全面提升生产效率、质量与灵活性。智能工厂10.6.1智能工厂和数字孪生的概念10.6智能工厂与数字孪生P28智能工厂包含以下智能技术：1）新型传感技术。高传感灵敏度、精度、可靠性和环境适应性的传感技术，采用新原理、新材料、新工艺的传感技术（如量子测量、纳米聚合物传感、光纤传感等），微弱传感信号提取与处理技术。2）模块化、嵌入式控制系统设计技术。不同结构的模块化硬件设计技术，微内核操作系统和开放式系统软件技术、组态语言和人机界面技术，以及实现统一数据格式、统一编程环境的工程软件平台技术。3）先进控制与优化技术。工业过程多层次性能评估技术、基于大量数据的建模技术、大规模高性能多目标优化技术，大型复杂装备系统仿真技术，高阶导数连续运动规划、电子传动等精密运动控制技术。4）系统协同技术。大型制造工程项目复杂自动化系统整体方案设计技术以及安装调试技术，统一操作界面和工程工具的设计技术，统一事件序列和报警处理技术，一体化资产管理技术。10.6.1智能工厂和数字孪生的概念10.6智能工厂与数字孪生P295）故障诊断与健康维护技术。在线或远程状态监测与故障诊断、自愈合调控与损伤智能识别以及健康维护技术，重大装备的寿命测试和剩余寿命预测技术，可靠性与寿命评估技术。6）高可靠实时通信网络技术。嵌入式互联网技术，高可靠无线通信网络构建技术，工业通信网络信息安全技术和异构通信网络间信息无缝交换技术。7）功能安全技术。智能装备硬件、软件的功能安全分析、设计、验证技术及方法，建立功能安全验证的测试平台，研究自动化控制系统整体功能安全评估技术。8）特种工艺与精密制造技术。多维精密加工工艺，精密成形工艺，焊接、粘接、烧结等特殊连接工艺，微机电系统（MEMS）技术，精确可控热处理技术，精密锻造技术等。9）识别技术。低成本、低功耗RFID芯片设计制造技术，超高频和微波天线设计技术，低温热压封装技术，超高频RFID核心模块设计制造技术，基于深度三位图像识别技术，物体缺陷识别技术。10.6.1智能工厂和数字孪生的概念10.6智能工厂与数字孪生P30智慧工厂概况10.6.1智能工厂和数字孪生的概念10.6智能工厂与数字孪生P31数字孪生（DigitalTwin）是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。（见下图）数字孪生概况10.6.2智能工厂和数字孪生在新能源汽车制造领域的应用10.6智能工厂与数字孪生P32智能工厂和数字孪生在新能源汽车制造领域的应用主要包括以下几个方面：1.智能设计利用数字化、虚拟化、人工智能等技术，实现汽车产品的快速设计、仿真、验证和优化，提高设计质量和效率，满足个性化和多样化的需求。2.智能制造利用物联网、云计算、大数据、人工智能、机器人等技术，实现汽车制造过程的自动化、柔性化、智能化和绿色化，提高制造质量和效率，降低制造成本和资源消耗。3.智能检测利用传感器、图像处理、数据挖掘、人工智能等技术，实现汽车产品的在线检测、实时监控、智能诊断和预测，提高检测质量和效率，保障产品的安全性和可靠性。10.6.2智能工厂和数字孪生在新能源汽车制造领域的应用10.6智能工厂与数字孪生P334.智能维护利用物联网、云计算、大数据、人工智能、增强现实等技术，实现汽车产品的远程监控、智能预警、智能维修和智能优化，提高维护质量和效率，延长产品的寿命。（见下图）。汽车智能维修10.7.1新能源汽车制造中的轻量化和塑料化的概念10.7新能源汽车制