新能源汽車鋁合金電機殼的工藝優(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）精密設備有限公司，遼寧營口 115009）

全球能源與環(huán)境危機促使國際汽車技術更新?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)略機遇[1]。鋁合金電機殼作為新能源汽車的關鍵部件，其結構復雜，性能要求高，筆者單位承接了國內某電機企業(yè)新能源汽車鋁合金電機殼的生產訂單。

鋁合金電機殼材質為ZL101A，重24kg，鑄件外側有多處凸臺，上側壁厚27.5mm，下側壁厚32mm，中間側壁內有8.5mm 寬的螺旋水道，如圖1 所示。鑄件內腔、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 電機殼鑄件

1 原工藝方案

鑄件上下兩側和外側凸臺為厚壁區(qū)域，在鑄件凝固過程中會產生熱節(jié)，而中間水道處為薄壁區(qū)域。鑄件壁厚差較大，很難實現(xiàn)順序凝固，易產生縮孔、縮松等缺陷。原方案針對該鑄件結構特點，采用低壓鑄造，外型和內腔使用金屬型，螺旋水道使用砂芯，內側四個邊冒口，底部設有十字澆道，如圖2 所示。

1.1 原方案模擬

對原方案進行模擬，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 部位補縮通道中斷，形成封閉的液態(tài)孤立區(qū)域。鑄件未實現(xiàn)順序凝固，有形成縮松的傾向。

圖3 原方案凝固過程

1.2 實際生產中的問題

部分鑄件加工后在有凸臺對應的內腔和端面出現(xiàn)縮松缺陷（見圖4、圖5），廢品率較高。且由于內側四個邊冒口收縮受阻，鑄件生產時鐵芯脫模困難，生產效率低。

圖4 內腔缺陷

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 處不利于設置冒口補縮，B、C、D、E 處與冒口組合形成的熱節(jié)超過了冒口的補縮能力，沒有建立起熱節(jié)與冒口間的溫度梯度，鑄件難以實現(xiàn)順序凝固。而且鑄造合金都有一臨界壁厚，當鑄件壁厚超過臨界壁厚以后，鑄件的強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)域進行結構微調，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

根據模擬結果，針對B、C 處與橫澆道相交部位補縮通道中斷，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)化后方案進行模擬，凝固過程如圖9 所示。在凝固過程中，鑄件通過補貼、橫澆道與直澆道形成補縮通道，且凝固的擴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，實現(xiàn)了順序凝固。

圖9 優(yōu)化方案凝固過程

2.2 生產驗證

以生產驗證的情況看，鑄件的凝固時間減少，脫模也較原方案容易，經過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1 件平均需要15min。同樣1t 的鋁合金液，7h 的生產時間，原方案可生產21 件，優(yōu)化方案可生產28 件。優(yōu)化方案大幅度提高了工藝出品率和生產效率，降低了生產成本。優(yōu)化方案生產的鑄件見圖10，加工后成品見圖11。

圖10 優(yōu)化方案生產的鑄件

圖11 加工后成品

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

3 結論

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

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