電動汽車鋁合金電池托盤低壓鑄造模設(shè)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(yè)的迅速發(fā)展，新能源汽車已成為全球汽車發(fā)展的趨勢[1]。發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)是緩解能源危機(jī)、降低溫室氣體排放、減少環(huán)境污染的有效途徑，新能源汽車已成為汽車工業(yè)變革的重要方向。新能源汽車與傳統(tǒng)汽車不同，是將電池作為動力來驅(qū)動汽車行駛和工作，受電池質(zhì)量、電池續(xù)航里程以及汽車節(jié)能減排方針的限制，電池驅(qū)動的新能源汽車比傳統(tǒng)汽車更需要輕質(zhì)量的車身，在車輛設(shè)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(xiàn)在各企業(yè)多采用鋁合金電池盒，相對鋼材減輕了質(zhì)量。

電池是電動汽車的核心部件，其性能決定電動汽車的續(xù)航、能耗、使用壽命等技術(shù)指標(biāo)，而電池模塊中電池托盤是起到承載、保護(hù)、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(huán)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(jié)構(gòu)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(shè)計。

圖1 鋁合金電池托盤

1 工藝分析和模具設(shè)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(zhì)量約15.5 kg，加工后鑄件質(zhì)量約12.5 kg，材質(zhì)為A356-T6，抗拉強(qiáng)度≥290 MPa，屈服強(qiáng)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(yōu)點，還具有充填平穩(wěn)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(xué)性能高等優(yōu)點[2]。低壓鑄造在較低的壓力下，鋁液充填平穩(wěn)，鑄件在壓力下凝固結(jié)晶，能獲得組織致密、力學(xué)性能較高且外形美觀的鑄件，適合大薄壁鑄件成型。

根據(jù)鑄件需要的力學(xué)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(chǎn)鑄造尺寸大且薄的鑄件。

1.3 澆注系統(tǒng)

針對鑄件尺寸大且薄的特點，需要設(shè)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(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計了2種工藝方案，并對每個方案進(jìn)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(cè)面進(jìn)澆。CAE仿真分析如圖4、圖5所示。利用模擬結(jié)果優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，盡量避免模具設(shè)計對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，降低鑄件缺陷產(chǎn)生的概率，縮短鑄件開發(fā)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(jié)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(qiáng)冷卻等途徑解決。

方案優(yōu)點：從模擬充填時鋁液的溫度看，方案一成型的鑄件遠(yuǎn)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(yōu)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(yuǎn)端鋁液溫度已經(jīng)偏低，而模擬是在模溫理想狀態(tài)下，所以實際狀態(tài)下鋁液流動能力可能不足，會存在鑄件成型困難的問題。

結(jié)合各種因素分析，澆注系統(tǒng)選擇方案二，針對方案二的缺點，在模具設(shè)計中對澆注系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)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(chǎn)生。

圖6 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)

1.4 冷卻系統(tǒng)

鑄件的受力部位和力學(xué)性能要求高的區(qū)域需要設(shè)置合理的冷卻或補縮，避免產(chǎn)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(shè)置了冷卻系統(tǒng)，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(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整，保證遠(yuǎn)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(dá)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(chǎn)生。

圖7 冷卻系統(tǒng)

1.5 排氣系統(tǒng)

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(jìn)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(zhì)量。低壓鑄造?？赏ㄟ^分型面、推桿等處的間隙、排氣槽和排氣塞等實現(xiàn)排氣[4]。

排氣系統(tǒng)中的排氣尺寸設(shè)計應(yīng)有利于排氣但又不溢料為原則，合理的排氣系統(tǒng)能防止鑄件出現(xiàn)充填不滿、表面疏松、強(qiáng)度低等缺陷。在澆注過程中鋁液最后的充填區(qū)域，如側(cè)面的搭子和上模的冒口，均需設(shè)置排氣。針對低壓鑄造實際過程中鋁液容易流進(jìn)排氣塞縫隙，導(dǎo)致開模時把氣塞拉出的情況，進(jìn)行數(shù)次嘗試和改進(jìn)后采用3種方法：方法一采用粉末冶金燒結(jié)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(jù)鑄件的實際區(qū)域選擇不同的排氣塞，一般燒結(jié)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(tǒng)

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(xiàn)冷隔或澆注不足的現(xiàn)象，上模冒口也會達(dá)不到補縮的作用?；谶@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(chǎn)生新的熱結(jié)或縮松，導(dǎo)致鑄件加工后平面針孔度超標(biāo)，因此需要選擇合適的鋁液溫度和適當(dāng)?shù)哪＞邷囟?。根?jù)經(jīng)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(shè)置了加熱系統(tǒng)，如圖9所示，火焰方向?qū)χ＞叩酌婧蛡?cè)面，對鑄件的底平面和側(cè)面進(jìn)行加熱，結(jié)合現(xiàn)場澆注情況，調(diào)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(tǒng)可以有效保證鋁液的流動性。

圖9 加熱系統(tǒng)

2 模具結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)低壓鑄造工藝，同時結(jié)合鑄件特點和設(shè)備結(jié)構(gòu)，為保證成型鑄件留在上模，將前、后、左、右的抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 模具結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

電池托盤的低壓鑄造模具設(shè)計和優(yōu)化過程中，從鑄件成型工藝選擇、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及加熱系統(tǒng)等方面完善設(shè)計細(xì)節(jié)，使用多澆口的澆注系統(tǒng)，充填平穩(wěn)，順序凝固控制良好，成型的鑄件性能達(dá)到要求。通過實際生產(chǎn)驗證，鑄件生產(chǎn)合格率穩(wěn)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(shè)計提供參考作用。