螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座整體鑄造新工藝

周志強(qiáng)，趙竹英，劉 鵬

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì) 044502）

隨著動車內(nèi)燃動力包發(fā)電機(jī)、電動汽車電機(jī)、地鐵電機(jī)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座整體鑄造，成為永磁電機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)。動車內(nèi)燃動力包發(fā)電機(jī)YJ257A、機(jī)場大巴電機(jī)YJ178A/B、電動汽車電機(jī)大多是采用螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座。

圖1 螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座結(jié)構(gòu)

1 螺旋冷卻水道電機(jī)機(jī)座基本結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

螺旋冷卻水道在電機(jī)中的工作機(jī)理為：采用帶螺旋冷卻水道的機(jī)座做定子鐵芯的支撐，將定子鐵芯壓裝于機(jī)座內(nèi)，再與永磁的轉(zhuǎn)子裝配形成一種密封高效的永磁電機(jī)，由于電機(jī)是全密封設(shè)計，電機(jī)運(yùn)行無法靠通常應(yīng)用的強(qiáng)通風(fēng)形式冷卻，采用螺旋水道機(jī)座電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量通過機(jī)座的螺旋冷卻水帶出，有效控制電機(jī)的溫升。電機(jī)的特點是能耗小、重量輕，功率大，效率高，適應(yīng)能力強(qiáng)。

螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座結(jié)構(gòu)如圖1所示。其良好的散熱效果，是滿足電機(jī)特殊性能要求制造的關(guān)鍵，包括熔制技術(shù)、冷卻通道成型技術(shù)、機(jī)座與冷卻通道融合技術(shù)等幾個方面。螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響該類電機(jī)質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率及效益。應(yīng)用螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座工藝可以提高該類電機(jī)鐵心的質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率及效益，縮短了制造周期，節(jié)省了制造成本。

2 螺旋水冷通道機(jī)座使用基本材料和性能

螺旋水冷通道機(jī)座一般選用ZL101A-T6的材料，化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能要求見表2.

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 力學(xué)性能

3 國內(nèi)外同類產(chǎn)品制造過程

國內(nèi)外電機(jī)同行業(yè)中螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座制造流程是：分體鑄造-加工-焊接-組裝形成機(jī)座毛坯-再加工形成機(jī)座鐵芯，在鑄造、加工、焊接過程中容易造成機(jī)座漏水質(zhì)量問題，從而影響電機(jī)機(jī)座整體質(zhì)量。螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座，普遍遇到的問題是，制作過程繁瑣，周期過長，質(zhì)量難于控制，造成機(jī)座在最后加工時，出現(xiàn)分體螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座漏水而報廢、返工現(xiàn)象。

目前國內(nèi)外鑄造螺旋冷卻通道鑄鋁機(jī)座整體鑄造仍處于探索、研究階段，需要解決的主要技術(shù)問題有：1）將機(jī)座分體鑄造改為整體鑄造；2）將冷卻通道用鑄造的方法一次鑄出；3）解決機(jī)座冷卻水道加工難度大、加工時間長的問題；4）解決機(jī)座在焊接過程出現(xiàn)的打壓漏水問題；5）改善整體機(jī)座應(yīng)力分布，改變過去應(yīng)力峰值高狀況，提高機(jī)座的可靠性。

4 新工藝與傳統(tǒng)工藝比較

4.1 傳統(tǒng)工藝方案及存在的問題

傳統(tǒng)制造工藝方案如圖2所示，機(jī)座制造過程分三個過程，內(nèi)筒體鑄造加工，在內(nèi)筒體的外表面通過加工的方法加工出螺旋水道，外筒體鑄造加工，通過加工在外筒體內(nèi)表面留足夠過盈量保證水道之間不會相互竄水，內(nèi)外筒體經(jīng)過熱套方式套裝，對兩端焊縫進(jìn)行封焊。

存在問題：1）需要兩套鑄造模具與工裝，費用大、周期長；2）在內(nèi)筒體進(jìn)行螺旋冷卻通道加工，由于通道為異性且為螺旋通道，加工困難，耗時長；3）內(nèi)外筒套裝需做工藝定位，否則會造成錯位，而造成機(jī)座報廢；4）內(nèi)、外筒的焊接，由于焊接工作量大，焊接質(zhì)量要求高（機(jī)座焊接后要進(jìn)行打壓試驗），往往由于焊接質(zhì)量問題造成機(jī)座漏水而影響機(jī)座性能，甚至造成電機(jī)的報廢。

圖2 機(jī)座傳統(tǒng)制造工藝流程

4.2 新工藝技術(shù)及工藝流程

4.2.1 新工藝技術(shù)

螺旋冷卻通道機(jī)座一次鑄出后機(jī)械加工為機(jī)座成品。工藝過程如下：采用金屬外模，分塊脫摸，保證機(jī)座外觀光潔度，及外形特征位置準(zhǔn)確性。中間采用覆膜樹脂砂砂芯，保證鑄造過程有足夠透氣性，充分保證鑄件內(nèi)在質(zhì)量。螺旋冷卻通道采用相應(yīng)規(guī)格的鑄鋁型材，預(yù)先通過工裝成型成為單獨螺旋水道系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)先打壓試驗，保證螺旋冷卻通道的有效截面和整體通道通暢及氣密性。在鑄造過程中，在冷卻通道中通過泵體加入冷卻介質(zhì)（導(dǎo)熱油200～500），導(dǎo)熱油溫度為100℃～500℃，導(dǎo)熱油循環(huán)壓力為0.1 MPa～0.6 MPa，保證鋁管材在澆注過程不至于熔化。該項目在國內(nèi)鑄造行業(yè)屬先例，在吸收國內(nèi)外專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)，采用特殊工藝方法，實現(xiàn)鑄造行業(yè)螺旋水道通過鑄造成型的難題。

4.2.2 新工藝鑄造流程

圖3為機(jī)座一體化鑄造示意圖，新工藝流程為（數(shù)字為圖3中部件代碼）：制造5螺旋水道獨立單元—制作4中間砂芯—將1、2、3外模體組裝—將砂芯4放入外模組合體中—連接7、9、10外循環(huán)冷卻體系—打開冷卻循環(huán)系統(tǒng)—打開低壓澆注機(jī)—低壓充型—保壓—關(guān)閉冷卻循環(huán)—撤出冷卻循環(huán)—開?！謇?。

4.2.3 新工藝鑄造難點

新工藝鑄造難點是：1）鑄件外模的設(shè)計；2）獨立循環(huán)冷卻系統(tǒng)選材及模具設(shè)計；3）外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計；4）冷卻液選擇。

鑄造過程應(yīng)注意事項：1）冷卻循環(huán)系統(tǒng)制造完成后要進(jìn)行打壓試驗，以保證其氣密性；2）要保證冷卻循環(huán)系統(tǒng)垂直度，否則會造成機(jī)座內(nèi)外壁穿；3）澆注及保壓過程要觀察冷卻液有無跑漏現(xiàn)象并及時處理；4）機(jī)座成型后再次進(jìn)行打壓試驗。

圖3 機(jī)座一體化鑄造示意圖

5 新工藝生產(chǎn)機(jī)座應(yīng)用行業(yè)及市場

新工藝生產(chǎn)機(jī)座應(yīng)用行業(yè)及市場：滿足鐵路市場研制160 km/h雙動力客運(yùn)電力機(jī)車主發(fā)電機(jī)，預(yù)計將是今后幾年鐵路市場的主打產(chǎn)品。冷卻機(jī)座是該電機(jī)制造的關(guān)鍵重要亮點之一。該機(jī)座結(jié)構(gòu)為紫銅管冷卻水道鑄鋁整體機(jī)座。為機(jī)場電動大巴研制的12 M、8 M牽引電動機(jī)，機(jī)座為螺旋冷卻通道，隨著國家綠色能源的推廣和應(yīng)用，該型大巴將成為機(jī)場大巴主力車。上汽研發(fā)的綠色能源車，電動汽車牽引電機(jī)機(jī)座，采用螺旋冷卻通道機(jī)座整體成型，推廣應(yīng)用前景良好。

6 結(jié) 論

螺旋冷卻水道機(jī)座整體鑄造新工藝，在國內(nèi)電機(jī)制造行業(yè)屬先例，在吸收國內(nèi)外專業(yè)技術(shù)優(yōu)點基礎(chǔ)上，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)，采用整體鑄造新工藝方法，實現(xiàn)鑄造行業(yè)螺旋冷卻通道機(jī)座通過鑄造成型的難題。新工藝方法的應(yīng)用，將縮短同類產(chǎn)品研制周期，降低電機(jī)制作難度、勞動強(qiáng)度，簡化電機(jī)關(guān)鍵件制造流程，提高制造運(yùn)行可靠性，有效控制電機(jī)制造成本。具有一定的科學(xué)創(chuàng)新價值和經(jīng)濟(jì)效益。