原標(biāo)題：電機(jī)殼后端蓋的壓鑄工藝開(kāi)發(fā)

電機(jī)殼后端蓋作為新能源汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成零件，其主要作用是支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子和固定電機(jī)定子，同時(shí)防止灰塵、水汽等外部物質(zhì)進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，因此對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及氣密性質(zhì)量都有一定的要求。同時(shí)產(chǎn)品軸承孔位置采用局部嵌件后成形，模具需要考慮嵌件的定位與壓緊，增加了模具的制作與生產(chǎn)工藝的調(diào)試難度，因此保證模具能夠穩(wěn)定生產(chǎn)，模具的前期設(shè)計(jì)和后期的工藝改善十分重要。

對(duì)鋁合金電機(jī)殼后端蓋的壓鑄工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)，前期根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理布置澆道，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行填充及凝固分析，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鑄件氣孔不易消除。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)不同區(qū)域采取不同的解決措施。針對(duì)產(chǎn)品末端無(wú)法布置渣包的薄壁位氣孔，采用鑲件排氣及增加壁厚以改善鋁液流動(dòng)性；針對(duì)澆排末端厚壁位密集型氣孔，通過(guò)加強(qiáng)冷卻，加快局部凝固及產(chǎn)品表面致密層厚度來(lái)改善；針對(duì)入料口厚壁氣孔，分析澆排，并局部加強(qiáng)進(jìn)料等。試生產(chǎn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化方案完成產(chǎn)品的整體氣孔改善，降低了廢品率。

圖文結(jié)果

新能源汽車電機(jī)殼端蓋零件見(jiàn)圖1。該零件輪廓尺寸為397.98 mm×91.48 mm×286.46 mm，壓鑄件質(zhì)量為5.71 kg，平均壁厚為8.06 mm，投影面積為74 759 mm2，鑄件材質(zhì)為ADC12鋁合金。該鑄件整體壁厚偏厚，其中最大壁厚為33 mm，最小壁厚為4 mm，壁厚不均。產(chǎn)品軸承室位置局部嵌件，軸承室嵌件材質(zhì)為45號(hào)鋼，調(diào)制處理，硬度（HRC）為24~30；要求所有的外形尺寸符合圖紙裝配要求，產(chǎn)品的電機(jī)配合面、接線盒蓋板安裝面有密封要求，軸承孔與半軸孔安裝電機(jī)轉(zhuǎn)子，加工后外露氣孔有一定要求。另外，各圓角位置不能有明顯的燒傷、扣傷，產(chǎn)品不得有毛刺、飛邊，產(chǎn)品要求氣密性檢驗(yàn)，具體氣密性要求為：試漏壓力為22 kPa，允許泄漏量<5 mL/min。

圖1 電機(jī)殼后端蓋產(chǎn)品示意圖
1.電機(jī)軸承孔 2.電機(jī)配合密封面
3.半軸孔 4.接線盒蓋板安裝面

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析，選擇合適的動(dòng)定模分型。另外，產(chǎn)品側(cè)面分兩個(gè)方向出模，即模具需要設(shè)計(jì)2個(gè)抽芯滑塊進(jìn)行分模，產(chǎn)品動(dòng)定模分型及滑塊分型，從而保證產(chǎn)品的正常出模生產(chǎn)。圖2為電機(jī)殼后端蓋分形設(shè)計(jì)。圖3為電機(jī)殼后端蓋壁厚分析。根據(jù)產(chǎn)品壁厚，以產(chǎn)品定模側(cè)進(jìn)行分析，左側(cè)局部小面積壁厚較厚，右半邊整體壁厚較厚（見(jiàn)圖3a），以產(chǎn)品動(dòng)模側(cè)分析，動(dòng)模整體為筋條結(jié)構(gòu)，厚壁筋條主要體現(xiàn)在左邊（見(jiàn)圖3b），因此，產(chǎn)品兩側(cè)壁厚極不均勻。為保證壁厚位置有足夠的鋁料填充，需要加強(qiáng)壁厚位置的澆口布局。

圖2 電機(jī)殼后端蓋分型設(shè)計(jì)

圖3 電機(jī)殼后端蓋壁厚分析

澆排的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于進(jìn)澆口的選擇，一般需要根據(jù)鑄件的形狀、結(jié)構(gòu)、精度要求確定澆口的位置和形式。根據(jù)對(duì)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，產(chǎn)品可在滑塊1側(cè)及其對(duì)側(cè)進(jìn)澆，但根據(jù)產(chǎn)品的關(guān)鍵位置，除產(chǎn)品的電機(jī)配合面涉及整個(gè)產(chǎn)品外圍不受影響，軸承孔與半軸孔在遠(yuǎn)離滑塊1側(cè)，接線盒蓋板安裝面在動(dòng)模側(cè)滑塊背面受滑塊1擋料影響，因此選擇將澆口布置在滑塊1的對(duì)立側(cè)，保證進(jìn)澆位置離軸承孔與半軸孔近，接線盒蓋板安裝面不受滑塊1擋料影響。內(nèi)澆口布局，滑塊1對(duì)立側(cè)的加工端面布置4個(gè)內(nèi)澆口，兩側(cè)的非加工位置再各布局1個(gè)內(nèi)澆口加強(qiáng)兩側(cè)的充型，同時(shí)產(chǎn)品靠外側(cè)的圓孔中間設(shè)置搭橋過(guò)料，最終澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖4。

采用Magma模擬分析，模流分析初始條件設(shè)置見(jiàn)表1，并采用p-Q圖校核相關(guān)工藝的合理性，相關(guān)工藝設(shè)置合理見(jiàn)圖5。

圖4 電機(jī)殼后端蓋澆排系統(tǒng)

表1 模流模擬設(shè)置參數(shù)

圖5 模流設(shè)置參數(shù)p-Q²圖

采用Magma模擬分析產(chǎn)品整鑄件充型過(guò)程，見(jiàn)圖6。可以看出，當(dāng)鋁液充型2.604 s時(shí)，靠近主澆道的2條內(nèi)澆口金屬液率先填充進(jìn)入型腔（見(jiàn)圖6a）；當(dāng)充型 2.625 s時(shí)，所有內(nèi)澆口開(kāi)始填充型腔（見(jiàn)圖6b）；當(dāng)充型2.658 s時(shí)，鑄件整體充型完畢（見(jiàn)圖6c）。整個(gè)填充過(guò)程，經(jīng)過(guò)內(nèi)澆口的金屬液充型時(shí)間為44 ms，且產(chǎn)品厚壁位置的金屬液率先填充，無(wú)填充不足現(xiàn)象，澆排系統(tǒng)滿足產(chǎn)品充型要求。

鑄件整體氣壓分布情況見(jiàn)圖7。氣壓值顯示較高的區(qū)域在澆注系統(tǒng)的渣包以及溢流槽中以及產(chǎn)品部分壁厚大的筋條位置，表明這些位置出現(xiàn)氣孔的可能性較大。產(chǎn)品的凝固過(guò)程見(jiàn)圖8。可以看出，產(chǎn)品填充完成后3 s極少數(shù)邊緣凝固（見(jiàn)圖8a）；產(chǎn)品填充完成后12 s絕大多數(shù)已凝固（見(jiàn)圖8b）；凝固慢的位置為產(chǎn)品厚壁處。

在鑄件壁厚區(qū)域設(shè)置冷卻水，確保厚壁區(qū)域冷卻效果，避免此區(qū)域出現(xiàn)縮松及縮孔。產(chǎn)品周邊采用布置直冷運(yùn)水，其他位置設(shè)計(jì)點(diǎn)冷冷卻，同時(shí)在?5 mm以上芯針采用點(diǎn)冷針，最終冷卻系統(tǒng)見(jiàn)圖9。

圖6 鑄件填充過(guò)程

圖7 電機(jī)殼后端蓋殼體型腔氣壓模擬

圖8 產(chǎn)品凝固過(guò)程

圖9 模具冷卻系統(tǒng)

根據(jù)模具的設(shè)計(jì)匹配，使用16 000 kN意德拉壓鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，沖頭直徑選擇120 mm，壓射有效行程為620 mm，通過(guò)內(nèi)澆口的鋁液質(zhì)量為6.15 kg，理論高速位置設(shè)置為380 mm，壓射沖頭高度速度為4 m/s，增壓位置設(shè)置為560 mm，以此作為調(diào)試生產(chǎn)的基礎(chǔ)參數(shù)。機(jī)臺(tái)周邊配備全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，能有效保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性。在實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試時(shí)，適當(dāng)調(diào)整高速位置驗(yàn)證產(chǎn)品質(zhì)量，最終采用高速位置為420 mm、高速速度為4.2 m/s、增壓位置為560 mm時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量理想，但通過(guò)X射線探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)局部仍存在氣孔不穩(wěn)定的情況。產(chǎn)品的氣孔狀況見(jiàn)圖10。

產(chǎn)品內(nèi)部氣縮孔標(biāo)準(zhǔn)：位置1在澆注的最尾端壁厚小于9.5 mm；位置2~4局部壁厚超過(guò)9.5 mm，局部按照鋁合金壁厚與氣孔等級(jí)為2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；加工后外觀標(biāo)準(zhǔn)：位置1和4，小于?0.25 mm的非連接氣孔無(wú)數(shù)量限制，小于?2 mm×2 mm深的非連接孔，每100 mm長(zhǎng)度最多2個(gè)；位置2和3，小于?0.25 mm的非連接氣孔無(wú)數(shù)量限制，小于?1 mm×1 mm深的非連接氣孔，每100 mm長(zhǎng)度最多2個(gè)。可以看出，加工后外觀標(biāo)準(zhǔn)比內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，按照此狀態(tài)生產(chǎn)并進(jìn)行CNC加工檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)X光檢測(cè)有氣孔的位置均有部分產(chǎn)品氣孔加工外露（見(jiàn)圖11），因此針對(duì)產(chǎn)品氣孔需要進(jìn)一步改善。

圖10 電機(jī)殼后端蓋X光檢測(cè)結(jié)果

圖11 產(chǎn)品加工氣孔外露結(jié)果

方形孔局部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12。方框孔在澆排的水尾位置，處于產(chǎn)品的中間，局部方框壁厚為2.8 mm，因周邊無(wú)法在方框孔周邊布置渣包，局部的氣體難以排出，同時(shí)產(chǎn)品的壁厚相對(duì)產(chǎn)品整體偏薄，所以鋁料的局部流動(dòng)性相對(duì)較差，易有冷料堆積。

針對(duì)產(chǎn)品的排氣與減少冷料的堆積，分析可知，采用渣包排氣、排渣是最有效的方式。受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法直接增加渣包，所以采用多方式綜合解決。圖13為方框孔側(cè)壁氣孔改善措施。措施1是將沿氣孔加工外露的側(cè)壁進(jìn)行割鑲件處理（見(jiàn)圖13a），利用模具鑲塊的配合分型面進(jìn)行排氣；措施2是產(chǎn)品局部壁厚加厚至3.8 mm（見(jiàn)圖13b），通過(guò)局部加厚加強(qiáng)鋁液填充的流動(dòng)性，從而改善冷料局部堆積。綜合措施實(shí)施后，發(fā)現(xiàn)局部氣孔改善良好，滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。

圖12 方形孔局部結(jié)構(gòu)

圖13 方形孔側(cè)壁氣孔改善措施

加工位置2和3氣孔，在產(chǎn)品的同一面上，見(jiàn)圖14，在產(chǎn)品澆排系統(tǒng)的水尾側(cè)，同時(shí)也是壁厚相對(duì)較厚的位置。針對(duì)產(chǎn)品的厚壁位置，一般局部凝固較慢，當(dāng)周邊的壁薄位置凝固，就斷開(kāi)了局部的補(bǔ)縮通道，內(nèi)部容易產(chǎn)生縮松。另外根據(jù)生產(chǎn)顯示內(nèi)部氣孔品質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，只是加工導(dǎo)致的氣孔外露不符合標(biāo)準(zhǔn)，因此，改善方向主要朝避免外露的方向解決。

針對(duì)產(chǎn)品加工面外露且在水尾問(wèn)題，網(wǎng)紋對(duì)浮面的氣孔能夠起到排氣及冷料的效果，改善方法1是在局部端面增加網(wǎng)紋，但改善效果并不明顯，因此需要針對(duì)厚壁位置的縮松，采用局部增加擠壓，在產(chǎn)品未完全凝固時(shí)，采用擠壓銷針進(jìn)行補(bǔ)縮。這種方式理論可行，但產(chǎn)品密集型氣孔相對(duì)較分散，單個(gè)擠壓銷無(wú)法覆蓋全局，多個(gè)擠壓銷針又不太現(xiàn)實(shí)，因此方案不可行；考慮采用降低局部模溫，改善方法2是在外露的端面增加點(diǎn)冷，加強(qiáng)局部冷卻凝固，減輕局部的縮松，同時(shí)，降低模具表面溫度，使產(chǎn)品表面擁有更厚的致密層，從而減少加工外露的風(fēng)險(xiǎn)。圖15為電機(jī)配合面氣孔改善措施。

加工位置4的氣孔，檢查產(chǎn)品加工余量為0.6~0.8 mm，符合產(chǎn)品的正常加工余量，同時(shí)周邊壁厚約為12 mm，氣孔在澆排的入料口位置，不存在末端冷料無(wú)法排除問(wèn)題，孔內(nèi)也布置了運(yùn)水結(jié)構(gòu)，改善其厚壁位置的冷卻導(dǎo)致的縮松。根據(jù)對(duì)產(chǎn)品澆排的進(jìn)一步分析，該位置雖有一條澆道，但其正對(duì)產(chǎn)品減料位，見(jiàn)圖16，阻礙了鋁液對(duì)局部的填充，因此局部位置氣孔可能是鋁液填充不足引起。

針對(duì)鋁液填充不足，同時(shí)減小動(dòng)模具及改動(dòng)澆注系統(tǒng)，選擇加強(qiáng)半軸孔位置的進(jìn)料。方法1為對(duì)局部澆道內(nèi)澆口進(jìn)行加寬，寬度超過(guò)對(duì)應(yīng)的減料槽，結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)品直沖定模芯針，芯針沖擊受熱后周邊縮孔出現(xiàn)，同時(shí)芯針斷針頻繁，模具故障率升高；方法2為直接避開(kāi)定模芯針與動(dòng)模抽芯針，在其之間增加一股澆道，同時(shí)斷開(kāi)過(guò)料防止鋁液直接沿過(guò)料搭橋產(chǎn)生回流包卷，改進(jìn)措施見(jiàn)圖17。將澆口及搭橋按照方法2改善后，半軸孔的氣孔改善顯著。

圖14 區(qū)域位置及壁厚位置

圖15 電機(jī)配合面氣孔改善措施

圖16 半軸孔局部進(jìn)澆

圖17 內(nèi)部包卷及澆口改變

結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋁合金電機(jī)殼后端蓋的壓鑄工藝開(kāi)發(fā)，根據(jù)產(chǎn)品分型結(jié)構(gòu)以及進(jìn)澆原則，選擇可行的進(jìn)澆方案，用數(shù)值模擬分析產(chǎn)品的進(jìn)澆方案和產(chǎn)品澆排系統(tǒng)合理性，同時(shí)在模具上做相關(guān)措施，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題與模擬狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，從而進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)，改善成形工藝條件，提高鑄件品質(zhì)。

《電機(jī)殼后端蓋的壓鑄工藝開(kāi)發(fā)》

廖建強(qiáng) 管維健 肖厚濤
廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司

本文轉(zhuǎn)載自《特種鑄造及有色合金》