新能源汽車鋁合金電機(jī)殼的工藝優(yōu)化

郝長順，程俊明，李勝君，姜 麗，張興君

（1.遼寧沿海精密裝備有限公司，遼寧營口 115009；2.新程（營口）精密設(shè)備有限公司，遼寧營口 115009）

全球能源與環(huán)境危機(jī)促使國際汽車技術(shù)更新?lián)Q代，為我國新能源尤其是電動汽車自主創(chuàng)新帶來了重大戰(zhàn)略機(jī)遇[1]。鋁合金電機(jī)殼作為新能源汽車的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能要求高，筆者單位承接了國內(nèi)某電機(jī)企業(yè)新能源汽車鋁合金電機(jī)殼的生產(chǎn)訂單。

鋁合金電機(jī)殼材質(zhì)為ZL101A，重24kg，鑄件外側(cè)有多處凸臺，上側(cè)壁厚27.5mm，下側(cè)壁厚32mm，中間側(cè)壁內(nèi)有8.5mm 寬的螺旋水道，如圖1 所示。鑄件內(nèi)腔、上下端面和凸臺端面都加工，不得有氣孔、縮松、夾渣等缺陷。氣密性要求≥0.6MPa 不漏氣。

圖1 電機(jī)殼鑄件

1 原工藝方案

鑄件上下兩側(cè)和外側(cè)凸臺為厚壁區(qū)域，在鑄件凝固過程中會產(chǎn)生熱節(jié)，而中間水道處為薄壁區(qū)域。鑄件壁厚差較大，很難實(shí)現(xiàn)順序凝固，易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。原方案針對該鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用低壓鑄造，外型和內(nèi)腔使用金屬型，螺旋水道使用砂芯，內(nèi)側(cè)四個邊冒口，底部設(shè)有十字澆道，如圖2 所示。

1.1 原方案模擬

對原方案進(jìn)行模擬，凝固過程如圖3 所示。22s 時鑄件開始凝固，292s 時鑄件完全凝固。凝固過程中鑄件厚壁區(qū)域形成熱節(jié)，在圖示A、B、C 部位補(bǔ)縮通道中斷，形成封閉的液態(tài)孤立區(qū)域。鑄件未實(shí)現(xiàn)順序凝固，有形成縮松的傾向。

圖3 原方案凝固過程

1.2 實(shí)際生產(chǎn)中的問題

部分鑄件加工后在有凸臺對應(yīng)的內(nèi)腔和端面出現(xiàn)縮松缺陷（見圖4、圖5），廢品率較高。且由于內(nèi)側(cè)四個邊冒口收縮受阻，鑄件生產(chǎn)時鐵芯脫模困難，生產(chǎn)效率低。

圖4 內(nèi)腔缺陷

圖5 端面缺陷

2 方案優(yōu)化

原鑄件如圖6 所示，壁厚差較大，A、B、C、D、E為五處厚壁區(qū)域。其中A 處不利于設(shè)置冒口補(bǔ)縮，B、C、D、E 處與冒口組合形成的熱節(jié)超過了冒口的補(bǔ)縮能力，沒有建立起熱節(jié)與冒口間的溫度梯度，鑄件難以實(shí)現(xiàn)順序凝固。而且鑄造合金都有一臨界壁厚，當(dāng)鑄件壁厚超過臨界壁厚以后，鑄件的強(qiáng)度并不按比例隨壁厚增加而增加，而會顯著降低[2]。故在征得用戶同意的情況下，對鑄件厚壁區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)微調(diào)，減重處理以減小鑄件凝固過程中的熱節(jié)，優(yōu)化后鑄件見圖7。

圖6 原鑄件

圖7 優(yōu)化后鑄件

根據(jù)模擬結(jié)果，針對B、C 處與橫澆道相交部位補(bǔ)縮通道中斷，將橫澆道向上移動，與B、C 處直接連通，這樣也減小了橫澆道與鑄件上端的距離，縮短了冒口所需要補(bǔ)縮的距離。由于鑄件減重后D、E 處熱節(jié)減小，將四個邊冒口更改為帶有拐折的補(bǔ)貼，不僅利于鑄件至上而下的凝固順序，減小了澆注系統(tǒng)體積，縮短凝固時間，也有利于脫模，可大幅度提高工藝出品率和生產(chǎn)效率。優(yōu)化后澆注系統(tǒng)見圖8。

圖8 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)

2.1 優(yōu)化方案模擬

對優(yōu)化后方案進(jìn)行模擬，凝固過程如圖9 所示。在凝固過程中，鑄件通過補(bǔ)貼、橫澆道與直澆道形成補(bǔ)縮通道，且凝固的擴(kuò)張角始終向著澆道方向，有效地建立起熱節(jié)與冒口間的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)了順序凝固。

圖9 優(yōu)化方案凝固過程

2.2 生產(chǎn)驗(yàn)證

以生產(chǎn)驗(yàn)證的情況看，鑄件的凝固時間減少，脫模也較原方案容易，經(jīng)過X 射線探傷無鑄造缺陷。鑄件加工后，加工面組織致密無缺陷，氣密檢測合格。

原方案鑄件帶澆注系統(tǒng)47kg，工藝出品率為51%，生產(chǎn)1 件平均需要20min，優(yōu)化方案鑄件帶澆注系統(tǒng)35kg，工藝出品率為69%，生產(chǎn)1 件平均需要15min。同樣1t 的鋁合金液，7h 的生產(chǎn)時間，原方案可生產(chǎn)21 件，優(yōu)化方案可生產(chǎn)28 件。優(yōu)化方案大幅度提高了工藝出品率和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。優(yōu)化方案生產(chǎn)的鑄件見圖10，加工后成品見圖11。

圖10 優(yōu)化方案生產(chǎn)的鑄件

圖11 加工后成品

后續(xù)采用此方案生產(chǎn)了1000 余件，不合格品不到40 件，鑄件合格率在96%以上。

3 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)，減小鑄件凝固過程中的熱節(jié)，不僅有利于提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量，也可使產(chǎn)品用料減少且外形美觀。

（2）通過優(yōu)化工藝方案，使用補(bǔ)貼代替邊冒口，不僅有利于鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固，提高產(chǎn)品質(zhì)量，也可提高工藝出品率和生產(chǎn)效率，降低成本。