電動汽車鋁合金電池托盤低壓鑄造模設計

金海威，鄭敏，賈永闖，劉永躍

（寧波合力科技股份有限公司，浙江 寧波 315700）

0 引言

隨著汽車行業的迅速發展，新能源汽車已成為全球汽車發展的趨勢[1]。發展新能源汽車產業是緩解能源危機、降低溫室氣體排放、減少環境污染的有效途徑，新能源汽車已成為汽車工業變革的重要方向。新能源汽車與傳統汽車不同，是將電池作為動力來驅動汽車行駛和工作，受電池質量、電池續航里程以及汽車節能減排方針的限制，電池驅動的新能源汽車比傳統汽車更需要輕質量的車身，在車輛設計和材料運用上，其車體輕量化成為車企首先要考慮的問題。以前新能源汽車多采用鋼材制作電池托盤，現在各企業多采用鋁合金電池盒，相對鋼材減輕了質量。

電池是電動汽車的核心部件，其性能決定電動汽車的續航、能耗、使用壽命等技術指標，而電池模塊中電池托盤是起到承載、保護、散熱功能的主要部件，模塊化的電池包被布置在電池托盤中，通過電池托盤固定在汽車底盤，如圖1所示。由于安裝在車身底部，工作環境惡劣，電池托盤需要具備防止石擊和穿刺的功能，以防電池模組受到損傷。電池托盤是電動汽車重要的安全結構件，以下介紹電動汽車鋁合金電池托盤的成型工藝和模具設計。

圖1 鋁合金電池托盤

1 工藝分析和模具設計

1.1 鑄件分析

電動汽車鋁合金電池托盤如圖2所示，外形尺寸為1 106 mm×1 029 mm×136 mm，基本壁厚為4 mm，鑄件質量約15.5 kg，加工后鑄件質量約12.5 kg，材質為A356-T6，抗拉強度≥290 MPa，屈服強度≥225 MPa，延伸率≥6%，布氏硬度≥75～90 HBS，需要滿足氣密性及IP67&IP69K要求。

圖2 鋁合金電池托盤

1.2 工藝分析

低壓鑄造是介于壓力鑄造和重力鑄造之間的一種特殊鑄造方法，它不僅具有兩者可采用金屬模的優點，還具有充填平穩的特點。低壓鑄造具備自下而上低速充填、速度易于控制、沖擊和鋁液飛濺小、氧化渣少、組織致密度和力學性能高等優點[2]。低壓鑄造在較低的壓力下，鋁液充填平穩，鑄件在壓力下凝固結晶，能獲得組織致密、力學性能較高且外形美觀的鑄件，適合大薄壁鑄件成型。

根據鑄件需要的力學性能，澆注材料選擇A356，此材料T6處理后可以滿足客戶的使用需求，但是該材料的澆注流動性一般，需要合理控制模具溫度才能生產鑄造尺寸大且薄的鑄件。

1.3 澆注系統

針對鑄件尺寸大且薄的特點，需要設計多個澆口，同時為了保證鋁液充填流暢，在窗口處增加了充填通道，需要后期加工去除。在前期澆注系統設計時，設計了2種工藝方案，并對每個方案進行了對比，如圖3所示，方案一布置9個澆口，在窗口處增加補縮通道；方案二布置6個澆口，從待成型鑄件側面進澆。CAE仿真分析如圖4、圖5所示。利用模擬結果優化模具結構，盡量避免模具設計對鑄件質量產生不利影響，降低鑄件缺陷產生的概率，縮短鑄件開發周期[3]。

圖3 低壓鑄造2種工藝方案對比

圖4 充填時溫度場對比

圖5 凝固后縮松缺陷對比

綜上所述2種方案從模擬結果看，在型腔中鋁液近似平行地向上推移，符合鋁液整體平行充填的理論，鑄件模擬縮松部位通過加強冷卻等途徑解決。

方案優點：從模擬充填時鋁液的溫度看，方案一成型的鑄件遠端溫度相對方案二均勻度高，這有利于型腔的充填；方案二成型的鑄件沒有如方案一的澆口殘留，縮松情況優于方案一。

方案缺點：方案一因在待成型鑄件上布置澆口，所以在鑄件上會有澆口殘留，相比原鑄件會增加約0.7 kg原料；方案二從模擬充填時鋁液的溫度看，遠端鋁液溫度已經偏低，而模擬是在模溫理想狀態下，所以實際狀態下鋁液流動能力可能不足，會存在鑄件成型困難的問題。

結合各種因素分析，澆注系統選擇方案二，針對方案二的缺點，在模具設計中對澆注系統和加熱系統進行優化，如圖6所示，增加了溢流冒口，有利于鋁液的充填，減少或避免成型鑄件缺陷的產生。

圖6 優化后澆注系統

1.4 冷卻系統

鑄件的受力部位和力學性能要求高的區域需要設置合理的冷卻或補縮，避免產生縮松或熱裂。鑄件基本壁厚為4 mm，靠模具的自身散熱會影響凝固，針對其重要部位，設置了冷卻系統，如圖7所示。在充填完成后，通水冷卻，具體冷卻時間需要在澆注現場進行調整，保證遠離澆口端到澆口端形成先后凝固的順序，澆口和冒口在最后凝固，達到補縮的效果。壁厚較厚部位采用鑲件加水冷的方式，這種方式在實際澆注過程中效果較好，可以避免縮松的產生。

圖7 冷卻系統

1.5 排氣系統

由于低壓鑄造金屬的型腔是封閉的，既不像砂型具有較好的透氣性，也不像一般重力澆注通過冒口等進行排氣，低壓鑄造型腔的排氣會影響鋁液充填過程及鑄件成型質量。低壓鑄造模可通過分型面、推桿等處的間隙、排氣槽和排氣塞等實現排氣[4]。

排氣系統中的排氣尺寸設計應有利于排氣但又不溢料為原則，合理的排氣系統能防止鑄件出現充填不滿、表面疏松、強度低等缺陷。在澆注過程中鋁液最后的充填區域，如側面的搭子和上模的冒口，均需設置排氣。針對低壓鑄造實際過程中鋁液容易流進排氣塞縫隙，導致開模時把氣塞拉出的情況，進行數次嘗試和改進后采用3種方法：方法一采用粉末冶金燒結式氣塞，如圖8（a）所示，缺點是制造成本高；方法二采用縫隙0.1 mm的線縫式排氣塞，如圖8（b）所示，缺點是噴涂料后排氣縫容易堵塞；方法三采用線切割式排氣塞，排氣塞縫隙為0.15～0.2 mm，如圖8（c）所示，缺點是加工效率低，制造成本高。需要根據鑄件的實際區域選擇不同的排氣塞，一般燒結式和線切割式排氣塞用于鑄件型腔部位，線縫式用于砂芯頭部位。

圖8 3種適合低壓鑄造的排氣塞

1.6 加熱系統

鑄件體積大且壁厚薄，在模流分析中，充填的最末端處鋁液流動速度不足，原因是鋁液因流動距離過長，溫度下降，鋁液提前固化而失去流動能力，出現冷隔或澆注不足的現象，上模冒口也會達不到補縮的作用。基于這些問題，在不改變鑄件壁厚和形狀的前提下，提高鋁液溫度和模溫，提升鋁液的流動性，解決冷隔或澆注不足的問題，但是過高的鋁液溫度和模溫會產生新的熱結或縮松，導致鑄件加工后平面針孔度超標，因此需要選擇合適的鋁液溫度和適當的模具溫度。根據經驗，鋁液溫度控制在720℃左右，模具溫度控制在320～350℃。

針對此鑄件體積大、壁厚薄且高度低的特點，在模具上模部分設置了加熱系統，如圖9所示，火焰方向對著模具底面和側面，對鑄件的底平面和側面進行加熱，結合現場澆注情況，調整加熱時間和火焰大小，將上模部分的溫度控制在320～350℃，保證鋁液的流動性在合理范圍，使鋁液充滿型腔和冒口。在實際使用過程中，加熱系統可以有效保證鋁液的流動性。

圖9 加熱系統

2 模具結構及工作原理

根據低壓鑄造工藝，同時結合鑄件特點和設備結構，為保證成型鑄件留在上模，將前、后、左、右的抽芯結構設計在上模，鑄件成型凝固后，首先上、下開模，然后4個方向抽芯，最后上模頂板推出成型鑄件，模具結構如圖10所示。

圖10 模具結構

3 結束語

電池托盤的低壓鑄造模具設計和優化過程中，從鑄件成型工藝選擇、澆注系統、冷卻系統、排氣系統及加熱系統等方面完善設計細節，使用多澆口的澆注系統，充填平穩，順序凝固控制良好，成型的鑄件性能達到要求。通過實際生產驗證，鑄件生產合格率穩定在90%以上，對薄壁且高度較低的大型鋁合金電池托盤的模具設計提供參考作用。