汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)端蓋中心填充壓鑄工藝開發(fā)實(shí)踐

勾建勇

江蘇嶸泰工業(yè)股份有限公司 江蘇揚(yáng)州 225200

1 序言

根據(jù)國家“十四五”節(jié)能減排計(jì)劃，2025年要求汽車百公里油耗小于4.5L，為適應(yīng)這一需求，電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量呈爆發(fā)式增長。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車三電系統(tǒng)的核心部件，其電動(dòng)機(jī)殼體采用高壓壓鑄成形，由于具有輕量化、精度高、適合批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，所以得到了廣泛應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)端蓋是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)殼體的一部分，與電動(dòng)機(jī)主殼體一起形成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的工作型腔，對轉(zhuǎn)子起著承載與冷卻的作用，其尺寸精度要求高，對軸承孔的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及冷卻水腔的致密性也有較高的要求。本文針對一款典型的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)端蓋壓鑄件的模具設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)做具體介紹。

2 產(chǎn)品技術(shù)要求與壓鑄難點(diǎn)分析

2.1 產(chǎn)品技術(shù)要求

該驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)端蓋壓鑄件產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型和實(shí)物外形如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型與實(shí)物外形

產(chǎn)品重量：1.25kg；直徑260mm，高度70mm。

材質(zhì)：DIN EN AC 1706 46000 / AlSi9Cu3(Fe)[1]。

內(nèi)部氣孔要求：X射線檢測滿足ASTM E505[2]標(biāo)準(zhǔn)II級。

加工面氣孔要求：密封面及軸承安裝孔位置的氣孔直徑＜0.4m m，同一加工面允許氣孔不超過3個(gè)；一般表面氣孔直徑＜0.8mm，氣孔間距＞10mm；直徑＜0.2mm的氣孔不計(jì)。

2.2 壓鑄難點(diǎn)分析

1）由于產(chǎn)品接線端子裝配需要，因此呈輻射狀開設(shè)了8個(gè)條形孔，同時(shí)，中央部位有一個(gè)大的電動(dòng)機(jī)軸孔，這些空腔使產(chǎn)品壁厚呈不連續(xù)狀態(tài)，不利于金屬液充型，需要選用合理的填充模式[3]，以解決金屬液流動(dòng)填充問題。

2）產(chǎn)品周邊有8個(gè)條形深腔結(jié)構(gòu)，寬度5mm、高度20mm，這8個(gè)位置需要與電動(dòng)機(jī)主殼體形成冷卻水腔，對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻，要求在2b a r（1bar＝105Pa）氣壓下進(jìn)行氣密檢測，泄漏量＜0.6mL/min，該區(qū)域的致密性要求高，不能有疏松及表面黏附缺陷。

3 壓鑄工藝設(shè)計(jì)與CAE模擬分析及優(yōu)化

3.1 鑄件內(nèi)部氣孔、縮孔缺陷分析

要防止鑄件內(nèi)部的卷入性氣孔，合理的金屬液填充模式是模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，可以有效避免金屬液匯流及紊流造成的外來夾雜物及卷氣缺陷[4]。

對于產(chǎn)品壁厚集中造成的熱節(jié)點(diǎn)，采用MAGMA軟件進(jìn)行凝固模擬，分析產(chǎn)品的凝固順序，找出產(chǎn)生縮松、縮孔的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，通過模具內(nèi)部的冷卻實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的順序凝固。

3.2 填充模式的選擇

該驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)端蓋屬于圓形回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，考慮模具結(jié)構(gòu)盡量簡單的因素，這類鑄件一般采用多個(gè)扇形澆口，側(cè)面填充。但該電動(dòng)機(jī)端蓋存在多處空腔結(jié)構(gòu)，阻斷了金屬液的流動(dòng)路徑；周邊薄的片狀模具材料，會(huì)導(dǎo)致金屬填充過程過熱并產(chǎn)生沖蝕。

根據(jù)壓鑄生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種中心進(jìn)料的填充模式[5]，從電動(dòng)機(jī)軸孔向周邊輻射填充。根據(jù)我公司壓鑄機(jī)規(guī)格，采用一模兩腔壓鑄方案，通過采用MAGMA模擬軟件進(jìn)行模擬分析，對填充方案進(jìn)行優(yōu)化。

（1）填充溫度對比分析 采用MAGMA軟件對兩種填充模式的溫度場進(jìn)行分析，如圖2、圖3所示。從流態(tài)上比較，側(cè)澆口填充在金屬液充型過程中，形成多處包裹卷氣位置，型腔充滿狀態(tài)最低溫度615℃左右，前端與末端溫度差約40℃；中心澆口填充模式金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，沒有金屬液匯集的包裹區(qū)域，型腔充滿狀態(tài)最低溫度625℃左右，型腔不同區(qū)域溫差＜20℃。

圖3 中心澆口充型溫度場模擬

（2）型腔最大氣壓對比分析 圖4所示為兩種填充模式的最大氣壓分析。從模擬結(jié)果看，采用側(cè)澆口填充時(shí)，型腔內(nèi)有多處氣壓高于30bar的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；而采用中心澆口填充時(shí)，產(chǎn)品成形區(qū)域最高氣壓10bar，沒有卷氣風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 兩種填充模式的型腔最大氣壓分析

基于以上模擬分析，確定采用中心進(jìn)料的輻射填充模式進(jìn)行模具及工藝設(shè)計(jì)。

3.3 澆排設(shè)計(jì)

模具澆排設(shè)計(jì)如圖5所示。內(nèi)澆口布置在電動(dòng)機(jī)主軸孔內(nèi)，沿圓周輻射狀均布，每腔設(shè)計(jì)2個(gè)集中排氣口。

圖5 澆排設(shè)計(jì)

3.4 數(shù)值模擬分析與優(yōu)化

（1）填充溫度模擬 圖6所示為填充溫度模擬結(jié)果顯示，從型腔填充開始到型腔充滿，共32ms，在型腔充滿狀態(tài)下，產(chǎn)品最低溫度區(qū)域?yàn)?20～630℃，高于金屬液相線溫度610℃，高于金屬固相線溫度578℃，高出40～50℃，滿足液態(tài)金屬成形溫度條件。

圖6 填充溫度模擬結(jié)果

（2）凝固溫度模擬 圖7所示為凝固溫度模擬結(jié)果。從圖7可看出，產(chǎn)品凝固順序較好，流道部分最后凝固，保證了良好的壓力補(bǔ)縮條件，但近內(nèi)澆口的局部圓環(huán)位置，比內(nèi)澆口凝固時(shí)間略長，有產(chǎn)生縮松風(fēng)險(xiǎn)，需要重點(diǎn)考慮這個(gè)區(qū)域的模具冷卻設(shè)計(jì)。

圖7 凝固溫度結(jié)果

（3）缺陷預(yù)測模擬 圖8所示為缺陷預(yù)測分析，當(dāng)凝固時(shí)間84s時(shí)，內(nèi)澆口凝固，此時(shí)壓鑄機(jī)的壓力補(bǔ)縮被阻斷，在內(nèi)澆口附近存在環(huán)形熱節(jié)點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域有潛在收縮性氣孔缺陷，需要設(shè)計(jì)冷卻以控制凝固時(shí)間；根據(jù)氣壓分析結(jié)果，在充型84s、型腔完全充滿狀態(tài)下，型腔內(nèi)沒有高氣壓風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，因此無形成卷入性氣孔的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 缺陷預(yù)測結(jié)果

4 關(guān)鍵工序開發(fā)FMEA與預(yù)防措施

4.1 熔煉過程

鋁合金材料為DIN 1706 ENAC 46000，材料液相線溫度610℃，固相線溫度580℃。為有效控制鋁合金成分與力學(xué)性能并減少熔煉過程燒損，選擇熔化效率為1.5t/h的中央熔解爐，鋁錠與回爐料配比按照（60%～80%)∶（40%～20%），出爐溫度（720±10）℃，采用石墨轉(zhuǎn)子與高純氮?dú)膺M(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)包內(nèi)除氫，控制鋁合金密度指數(shù)＜3%。

為防止因Si元素偏析而導(dǎo)致的測量誤差，原材料采購時(shí)，降低Si元素含量上限，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的wSi＝8%～11.0%，調(diào)整為內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)wSi＝8%～10.5%；為防止鋁合金黏模傾向及減少鐵相對鋁合金強(qiáng)度的影響，設(shè)定Fe元素下限并降低上限，將標(biāo)準(zhǔn)值wFe＜1.3%，調(diào)整為wFe＝0.7%～1.0%。

4.2 壓鑄過程

（1）鎖模力計(jì)算 產(chǎn)品主分型面投影面積為1350cm2，產(chǎn)品承受一定動(dòng)載荷并有氣密性要求，選取鑄造比壓為75MPa，兩腔產(chǎn)生在分型面的主脹型力：F主＝10128.75kN；由于沒有滑塊，分脹型力F分＝0。

鎖模力安全系數(shù)取K＝1.15，總鎖模力需求F鎖＝11648kN，結(jié)合我公司現(xiàn)有壓鑄機(jī)狀態(tài)，選用1250t（鎖模力12500kN）壓鑄機(jī)，一模兩腔壓鑄，實(shí)際鎖模安全系數(shù)為K＝1.23，鎖模力計(jì)算參見表1。

表1 壓鑄機(jī)鎖模力計(jì)算

（2）模具工藝需求與壓鑄機(jī)射出能力的P-Q圖校核 模具設(shè)計(jì)的容杯直徑選用110mm，壓室充滿度43%，內(nèi)澆口面積為830mm2， 壓鑄工藝的高速壓射速度為4.5m/s，內(nèi)澆口速度為50m/s，理論填充時(shí)間為30ms。采用P-Q圖對工藝窗口進(jìn)行校核，工藝需求與理論工藝窗口吻合較好，理論工藝帶可調(diào)整范圍充足，如圖9所示。

圖9 P-Q圖

5 壓鑄模具設(shè)計(jì)

（1）模具的澆排系統(tǒng) 根據(jù)CAE分析，選用一模兩腔中心進(jìn)料作為填充方案，采用真空輔助排氣，激冷塊式真空閥。

（2）模具的溫度平衡設(shè)計(jì) 參照CAE的凝固模擬分析，模具溫度平衡設(shè)計(jì)如圖10所示。對近澆口區(qū)域的熱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖中3號位置的環(huán)形冷卻，主流道部分采用1號位置的3個(gè)冷卻通道，中板填充錐管采用2號位置的環(huán)形冷卻，定模金屬填充過程溫度低的薄壁區(qū)域采用4號位置的油溫加熱通道，動(dòng)模型腔采用5號位置的點(diǎn)式冷卻，圖中紅色為油溫加熱通道，藍(lán)色為水冷通道。

圖10 模具溫度平衡設(shè)計(jì)

（3）模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 模具結(jié)構(gòu)包含成形部分的A板、定模板、動(dòng)模板共3個(gè)模板，頂出板用于實(shí)現(xiàn)鑄件從動(dòng)模脫模。用真空閥板控制抽真空，方導(dǎo)柱導(dǎo)向，采用快速鎖模銷將模具與壓鑄機(jī)連接，模具總體設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 模具總體設(shè)計(jì)

6 試生產(chǎn)驗(yàn)證與檢測

6.1 生產(chǎn)條件

壓鑄機(jī)：生產(chǎn)采用TOYO/V5 1250t壓鑄機(jī)，循環(huán)節(jié)拍70s。

鋁合金：鋁合金牌號ALSI9Cu3（Fe)，采用集中熔解，機(jī)邊保溫，采用氮?dú)廪D(zhuǎn)子除氣，控制密度指數(shù)＜3%，機(jī)邊保溫爐保溫溫度（665±10）℃。

主要壓鑄參數(shù)[6]：低速速度0.25m/s，高速速度4.5m/s，高速行程160mm，鑄造比壓75MPa，增壓建壓時(shí)間25ms。

真空使用：真空啟動(dòng)位置150mm，真空度＜200mbar。

6.2 產(chǎn)品測試

電動(dòng)機(jī)端蓋產(chǎn)品實(shí)物及內(nèi)部缺陷無損檢測如圖12所示。鑄件外觀成形良好，組織致密，內(nèi)部X射線檢測達(dá)到ASTM E505標(biāo)準(zhǔn)II級以上。

圖12 鑄件實(shí)物及X射線檢測

6.3 模溫狀態(tài)

生產(chǎn)過程采用熱成像儀對模溫進(jìn)行監(jiān)控，噴霧后模具溫度：定模170～235℃，平均溫度220℃，動(dòng)模溫度190～278℃，平均溫度245℃。模具溫度保持良好，溫度梯度好，保證了液態(tài)金屬填充及鑄件的順序凝固。模具實(shí)際溫度場如圖13所示。

圖13 模具實(shí)際溫度場

6.4 批量生產(chǎn)驗(yàn)證

該電動(dòng)機(jī)端蓋鑄件經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，按照ASTM E505標(biāo)準(zhǔn)II級與外觀缺陷標(biāo)準(zhǔn)要求，壓鑄過程合格率＞98.5%，加工過程氣孔、泄漏等毛坯不良缺陷＜0.5%，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到項(xiàng)目開發(fā)指標(biāo)。

經(jīng)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，生產(chǎn)過程及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，模具運(yùn)行可靠，壓鑄過程綜合OEE＞75%。

7 結(jié)束語

對于圓形回轉(zhuǎn)類零件，采用中心輻射填充模式更有利于金屬液充型；在工藝開發(fā)階段，采用CAE工具進(jìn)行工藝方案的模擬優(yōu)化及缺陷預(yù)測，對提高工藝開發(fā)的成功率非常重要，可有效地避免設(shè)計(jì)失誤，在產(chǎn)品開發(fā)初期充分識別壓鑄件的缺陷并針對可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行時(shí)效模式分析，制定有針對性的解決措施，能夠有效避免鑄件缺陷的產(chǎn)生。