新能源汽車鋁合金電機(jī)殼的工藝優(yōu)化

崔思嵐

摘 要：針對(duì)外部多個(gè)凸起、內(nèi)部多個(gè)螺旋通道的新能源汽車用鋁合金電機(jī)外殼鑄造存在壁厚差大、難以連續(xù)固化、局部存在縮松等問題。通過對(duì)連鑄工藝的仿真，得出了連鑄后的補(bǔ)縮通道出現(xiàn)了斷裂，沒有在熱接頭到冒口之間建立溫度階梯，出現(xiàn)了縮松現(xiàn)象的結(jié)論。在得到了客戶的認(rèn)可后，對(duì)鑄造結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，減少了在凝固時(shí)產(chǎn)生的熱節(jié)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)采用“補(bǔ)氣”替代“邊冒”的技術(shù)方案進(jìn)行了改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)仿真，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)，并完成了連續(xù)凝固。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，不僅解決了縮松問題，還使制程合格率、生產(chǎn)率、成本等方面有了較大的提高。

關(guān)鍵詞：鋁合金電機(jī)殼 工藝優(yōu)化 新能源汽車

1 引言

在全球能源和環(huán)境危機(jī)的推動(dòng)下，世界各國(guó)的汽車技術(shù)不斷升級(jí)，這給我們的新能源特別是電動(dòng)汽車的自主創(chuàng)新提供了重要的戰(zhàn)略機(jī)會(huì)。新能源汽車用鋁合金電氣外殼是一種具有高強(qiáng)度、低成本等特點(diǎn)的新型汽車用鋁合金電氣外殼。而鋁合金因其眾多的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)中被廣泛的使用，它不僅擁有優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度、塑性和韌性，而且還具備很高的經(jīng)濟(jì)性和很好的切削加工性能，可以用于制造形狀復(fù)雜的機(jī)械部件。

2 鋁合金電機(jī)殼的特點(diǎn)與新能源汽車工業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 鋁合金電機(jī)殼的特點(diǎn)

鋁電機(jī)殼具有兩個(gè)比較顯著的特性：鋁電機(jī)殼的加工技術(shù)要求高，機(jī)殼與端蓋的同心程度不高；底板，電磁立波減振效果不佳。由于上述兩個(gè)特性，使得鋁合金電動(dòng)機(jī)的噪音很大，為高品質(zhì)的產(chǎn)品的制作和制作帶來了技術(shù)上的困難。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)中，最重要的是鋁合金電機(jī)機(jī)殼和端蓋的同心度差，導(dǎo)致鋁合金電機(jī)殼電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生機(jī)械不平衡，在電機(jī)運(yùn)行過程中引起較大的噪聲[1]。這一問題必須從鋁合金外殼的制造過程來解決。

2.2 鋁合金在新能源汽車工業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在整車中，總質(zhì)量超過30%的車輛，因此，降低車輛的自重顯得尤為重要。采用鋁合金制造的轎車，既減輕了轎車的重量，又不減少了轎車的承載能力。鋁合金的致密、機(jī)械強(qiáng)度高、易壓縮、易彎曲、導(dǎo)熱性好，且其表面的氧化薄膜耐腐蝕，因此被認(rèn)為是新能源汽車的第一選擇。鋁合金的減震效果比鋼鐵要好很多，在碰撞中占據(jù)了絕對(duì)的上風(fēng)。由于其熔點(diǎn)較低，可在較高溫度下重新熔煉，且回收率可達(dá)到80%以上，因而易于回收。另外，車輛使用的鋁合金有60%都是可回收的，因?yàn)樗鼈兊奶匦院苋菀自诟邷叵卤恢匦氯蹮?，因此每一噸的鋁合金，消耗的能量都會(huì)減少90%，消耗的能量也會(huì)大大降低[2]。采用鋁合金構(gòu)造的車體，焊接點(diǎn)較少，裝車簡(jiǎn)便，而且不需要進(jìn)行生銹。

3 高性能壓鑄合金技術(shù)

開發(fā)出具有高強(qiáng)韌性能的新一代壓鑄鋁合金，需要在兩個(gè)方向上進(jìn)行：一是在已有的普通鋁合金的基礎(chǔ)上，通過添加合金元素，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；二是開發(fā)了一種新的鑄造用鋁合金系統(tǒng)。而一般情況下，新的壓鑄鋁合金必須滿足以下要求：①生產(chǎn)2-v4mm組合構(gòu)造的壓鑄零件；②澆注時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到300 MPa、150 MPa和15%；③抗腐蝕性能良好；④可以通過高溫噴射技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金的有效增強(qiáng)，并用于工業(yè)化生產(chǎn)；⑤可采用熱處理、強(qiáng)化等工藝。⑥環(huán)境友好，可回收利用。高強(qiáng)韌的壓鑄鋁合金有 Silafont—36，Magsimal—59，Aural—2，ADC-3，這幾種材料由國(guó)外開發(fā)，其共同特點(diǎn)是含鐵量均比普通的壓鑄鋁合金低；同時(shí)，對(duì)雜質(zhì)元素如 Zn和 Ti的含量也進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。主要研究?jī)?nèi)容有：超輕高強(qiáng)鎂合金；抗高溫蠕變鎂合金；當(dāng)前，國(guó)內(nèi)針對(duì)Mg-Li體系的研究主要集中在Mg-Li體系，Li能在一定程度上提高材料的韌性，但不利于材料的力學(xué)性能?？垢邷厝渥兊逆V合金主要是通過添加合金元素來進(jìn)行的，它的效果主要有三個(gè)方面：一是通過添加合金元素，使其在基體中生成高熔點(diǎn)的核質(zhì)點(diǎn)，使其在基體中不均勻成核，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。二是對(duì)晶界進(jìn)行強(qiáng)化、固化，促使其滑移；三是強(qiáng)化固溶作用，即在釔及其他元素的固-液界面處，形成強(qiáng)烈的溶質(zhì)過冷層，抑制初生相的長(zhǎng)大，達(dá)到細(xì)化晶體的目的。而耐腐蝕的壓鑄鎂合金，主要是通過添加一些金屬，把它們與機(jī)械性能和耐高溫蠕變性相結(jié)合，從而開發(fā)出耐腐蝕性能好、熱穩(wěn)定性好的壓鑄鎂合金；在鎂合金表面進(jìn)行包覆層、強(qiáng)化、抗氧化、抗介質(zhì)腐蝕等后期處理。

4 鋁合金在新能源汽車工業(yè)上面臨的問題

4.1 加工性能需改善

因?yàn)殇X合金的機(jī)械性能好，不會(huì)輕易的變彎，也不會(huì)輕易的承受壓力，并且它的穩(wěn)定性很好，不會(huì)輕易的變形，并且它的成形性很低，也不會(huì)輕易的變化，因此，在加工上會(huì)有一些難度。

4.2 材料成本高

鋁合金因其自身的特性，在新能源汽車中得到了大量的使用，但在使用的過程中，其價(jià)格也隨之上升。一輛用鋁合金制成的汽車，其價(jià)格是用鋼材制成的3.5倍，這意味著它的造價(jià)要比用鋼材制成的汽車高出一大截[3]。舉個(gè)例子，用一種鋁合金的原料來制造一噸的汽車覆蓋件，一噸的價(jià)格是三萬八千元，而用相同的鋼材來制造一噸的覆蓋件，只需要八千元。

5 鋁合金殼體壓鑄工藝分析

5.1 鋁合金殼體壓鑄工藝的控制方法

首先，就是對(duì)整個(gè)澆注體系進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的澆注體系分為橫澆道與內(nèi)澆道兩部分，由于四個(gè)橫澆道的金屬液在同一時(shí)刻注入，但抵達(dá)內(nèi)澆口的時(shí)間不同，導(dǎo)致出現(xiàn)混凝現(xiàn)象，因此，改進(jìn)后的澆注體系，使其橫澆道的數(shù)量增加到了567毫米，而橫澆道的長(zhǎng)度增加到了70毫米，橫澆道的數(shù)量增加到了70毫米。采用流量計(jì)法，計(jì)算出了內(nèi)澆口區(qū)的面積，結(jié)果表明，內(nèi)澆口區(qū)的厚度增加了90.8mm2，厚度增加了3 mm，達(dá)到了對(duì)內(nèi)澆口區(qū)的控制與降低的目的[4]。其次，為了避免出現(xiàn)“冒煙”現(xiàn)象，對(duì)原排水槽、溢流槽進(jìn)行了改進(jìn)，將溢流槽從2.0毫米增加到1.5毫米。此外，增設(shè)一套冷卻系統(tǒng)，即合理的模溫循環(huán)，并針對(duì)鑄造的特點(diǎn)，增設(shè)一條6 mm的冷卻通道，采取部分封閉的方式，并在澆口處設(shè)置一圈水套，以緩解澆口處溫度過高的問題，并采取焊接的方式。模擬研究發(fā)現(xiàn)，在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)的條件下，鋼液流動(dòng)更加合理，卷氣現(xiàn)象顯著減輕，排出效率顯著提高，同時(shí)降低了鋼液流動(dòng)中的溫度梯度，顯著降低了鋼液在典型截面上的縮孔縮松率。

5.2 基本技術(shù)要求

5.2.1 鑄件結(jié)構(gòu)

鑄造的特殊外形尺寸是1387×90×296毫米，靠近內(nèi)腔有兩個(gè)厚度較大的構(gòu)造，特殊外形尺寸是130×90×42毫米。更重要的是，在鑄件上表面，開口較多，機(jī)匣內(nèi)腔中還有一些縱橫隔筋，鑄件的縱橫筋和隔板交錯(cuò)的地方還有許多熱節(jié)，上端面也有很厚大的熱節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然，其他地方的壁厚大小也有顯著的差別，要真正做到鑄件同時(shí)固化，或者是按一定的順序固化。

5.2.2 技術(shù)要求

其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用中，重點(diǎn)是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助零件方面，其工作條件相對(duì)嚴(yán)苛，受力情況較為復(fù)雜，且航空零件的精度要求很高，絕對(duì)不允許出現(xiàn)氣孔、縮松等缺陷。通常情況下，最常用的是ZL114A合金，它是一種高強(qiáng)度的鋁合金，具有良好的可切削性，而且它的晶化溫度范圍很大，可以將工作溫度提高到90℃以上，而且它的熔化能力很強(qiáng)，不容易產(chǎn)生熱裂紋[5]。但是，為了防止在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)盒類鑄件中出現(xiàn)疏松、欠鑄等問題，在加工過程中，可以適當(dāng)?shù)靥砑永滂F和冒口，進(jìn)行淬冷和補(bǔ)縮，從而構(gòu)建出一個(gè)穩(wěn)定的連續(xù)固化條件，從而保證鑄件能夠得到精確的組織，從而更好地展現(xiàn)出材料本身的強(qiáng)度。

5.3 工藝方案設(shè)計(jì)

5.3.1 工藝方法

當(dāng)前，世界各國(guó)在進(jìn)行大尺寸鑄件的生產(chǎn)過程中，為了確保熔體中的金屬液體能夠被很好地填充，并且在某種意義上產(chǎn)生了一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?。相關(guān)人員也要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，盡量降低由于自重而產(chǎn)生的鋼液飛濺。但在充型過程中，因混凝流動(dòng)，使氣相二次氧化，形成了空洞缺陷。

5.3.2 澆注系統(tǒng)

一般情況下，模具的外形大多是長(zhǎng)條形，工作人員可以根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用槽形澆鑄，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)內(nèi)澆道和橫澆道，將內(nèi)澆道連接到升液管端口，這樣，鐵水就可以由橫澆道流入模具腔室，并通過內(nèi)澆道來實(shí)現(xiàn)模具腔室的填充。在定位上，因?yàn)殍T造的位置的差異，對(duì)鑄件的冶金質(zhì)量和鑄造工藝也有很大的影響，所以，相關(guān)的工作人員可以根據(jù)特定的水平和垂直澆注的位置進(jìn)行判斷，為今后的工作提供了有利的條件[6]。例如，垂直澆注的優(yōu)勢(shì)在于：首先，可以在鑄件兩側(cè)采用一條直縫澆注系統(tǒng)，使得熔池內(nèi)的溫度分布更加均衡，能夠確保液態(tài)鋁的流注，并且能夠排除掉一部分的雜質(zhì)和氣體。第二種方式是在模具中使用淬火砂石和冷鐵，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄造過程中的局部冷卻速度的控制，以得到更加準(zhǔn)確的鑄造組織。第三，可以幫助制造出完全型心，保證了鑄造過程中所需的高精度。

5.3.3 參數(shù)選擇

在具體的選擇過程中，應(yīng)考慮到升液速率、充型速率以及外殼的壓力等因素。首先在提升速度上，著重研究提升裝置中金屬液的提升速度，使其在提升過程中既能實(shí)現(xiàn)抽提，又能避免金屬液冒口，方便卸載。其次，在澆注速度的確定方面，主要反映了澆注過程中金屬液體的上升速率。采用傳統(tǒng)的無約束鑄造工藝，無法對(duì)鑄造過程進(jìn)行有效的控制，無法防止鑄造過程中出現(xiàn)的氧化、夾渣等問題。

6 復(fù)雜鋁合金鑄件鑄造工藝優(yōu)化效果

6.1 改進(jìn)后的工藝方案

導(dǎo)致機(jī)匣澆注松弛缺陷的根本原因在于，與其相關(guān)的構(gòu)件周圍已經(jīng)完全固化，但真實(shí)的間隙補(bǔ)縮范圍很小，而且裂縫之間的間隔過大，導(dǎo)致補(bǔ)縮源無法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，在澆注過程中，固態(tài)機(jī)匣已經(jīng)形成并發(fā)生了線性收縮，當(dāng)收縮受到阻礙時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力。在鑄造過程中，由于受到的總的壓力或者變形的現(xiàn)象超過了其所能承受的范圍，因此，在鑄造過程中，也可能發(fā)生熱裂[7]。針對(duì)復(fù)雜鋁合金鑄件縱向筋板厚相差較大，澆注時(shí)極易出現(xiàn)過熱的問題，提出了通過合理的技術(shù)路線，加快熔體凝固速率，實(shí)現(xiàn)工藝路線的最優(yōu)。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照改進(jìn)后的技術(shù)規(guī)程，對(duì)連鑄過程中存在的問題進(jìn)行了分析，認(rèn)為主要是由于連鑄過程中出現(xiàn)了裂紋后無相應(yīng)的補(bǔ)縮源，且部分大厚度部位出現(xiàn)了“熱節(jié)點(diǎn)”等。由于墻體構(gòu)造、厚度等因素限制，局部部位的墻體厚度相對(duì)較小，局部部位的墻體厚度過大，導(dǎo)致豎向鋼筋發(fā)生冷凝，且收縮不充分，尤其是橫向與縱向交接部位，由于澆筑順序紊亂，最終導(dǎo)致豎向鋼筋縮松。

7 鋁合金在新能源汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

7.1 新的設(shè)計(jì)方法

新能源汽車用鋁材料的開發(fā)主要有兩個(gè)方向：一是提高鋁材料的成形技術(shù)，二是提高鋁材料的熔煉、鑄造、熱處理等。為推動(dòng)鋁合金薄板的成型與制造，提升其在車輛上的可靠性與實(shí)用性提供理論依據(jù)。另一方面，是對(duì)新產(chǎn)品的研究與開發(fā)，目前正在對(duì)多種鋁合金產(chǎn)品與鋁合金材料進(jìn)行研究與開發(fā)。在這過程中，對(duì)鋁合金部件的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)算法、焊接工藝等進(jìn)行了研究與開發(fā)，從而使鋁合金材料的各項(xiàng)性能得到了提升，并使其在新能源汽車上的應(yīng)用得到了推廣。采用全無框式車體取代傳統(tǒng)的鋼架車體，并構(gòu)建完整的鋁合金車體數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

7.2 新型鋁合金開發(fā)

隨著鋁材的使用和發(fā)展，鋁材的優(yōu)點(diǎn)日益突出。在今后，將會(huì)制造出具有更強(qiáng)的抗腐蝕、抗疲勞以及更低的制造成本的新的鋁合金材料。對(duì)轉(zhuǎn)向器和各類零件進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行耐腐蝕能力和承壓能力都有很大的提升。為適應(yīng)新能源汽車本身重量輕、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，需進(jìn)行鍛造及高強(qiáng)度鋁合金板的制備。

7.3 新的連接技術(shù)

隨著新能源汽車的發(fā)展，鋁合金的應(yīng)用越來越廣泛，而鋁合金的焊接技術(shù)也將對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響。目前，大多數(shù)的轎車的車身都使用了焊接工藝，但由于鋁合金的可焊性低于鋼鐵，所以在鋁合金上的焊接工藝要比鋼鐵要難得多，而在其覆蓋件上的鋁合金則是使用了焊接工藝，這大大提高了工藝的難度。因此，如何提高鋁合金板材在汽車上的可焊性能，以及如何改善其焊接質(zhì)量，就成為了一個(gè)亟待解決的問題。目前，國(guó)內(nèi)外已有不少國(guó)家開發(fā)出了用于鋁合金的點(diǎn)焊工藝，使其在新能源汽車中的使用得到了極大的改善。

8 結(jié)語

綜上所述，由于鋁合金殼體的壓鑄工序比較長(zhǎng)，而且整個(gè)工序比較難以控制，所以為了減少鑄件的質(zhì)量問題，需要對(duì)壓鑄工藝進(jìn)行深入的研究，并對(duì)壓鑄方案和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而對(duì)目前的生產(chǎn)狀況進(jìn)行改進(jìn)，從而提升鋁合金殼體鑄件的合格率，從而為其它大型殼體的批量、高質(zhì)量生產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn)，打下良好的基礎(chǔ)。在中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展過程中，大量使用了鋁合金材料。本文從鋁合金材料的優(yōu)勢(shì)、研發(fā)、生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。要想將鋁合金材料大批量應(yīng)用到汽車工業(yè)上，要對(duì)其使用成本進(jìn)行充分的考慮。由于鋁合金殼體的壓鑄工序比較長(zhǎng)，而且整個(gè)工序比較難以控制，所以為了減少鑄件的質(zhì)量問題，需要對(duì)壓鑄工藝進(jìn)行深入的研究，并對(duì)壓鑄方案和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而對(duì)目前的生產(chǎn)狀況進(jìn)行改進(jìn)，從而提升鋁合金殼體鑄件的合格率，從而為其它大型殼體的批量、高質(zhì)量生產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn)，打下良好的基礎(chǔ)。

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