原標(biāo)題：純電動(dòng)汽車電機(jī)殼體壓鑄模具設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要：利用3D打印水道和高壓冷卻相結(jié)合的模具冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車電機(jī)殼體模具均勻冷卻，將傳感器和電磁閥與壓鑄設(shè)備控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)模具工作溫度智能控制，解決模具粘鋁問題，提高鑄件內(nèi)部品質(zhì)和生產(chǎn)效率。研究結(jié)果對(duì)類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)的汽車零部件開發(fā)具有參考意義與應(yīng)用價(jià)值。

1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體鑄件

驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體如圖1所示，由四個(gè)功能區(qū)組成：一是安裝電機(jī)內(nèi)殼、定子和轉(zhuǎn)子
區(qū)；二是安裝輸出軸組件區(qū)；三是安裝內(nèi)部循環(huán)水冷卻管道區(qū)；四是電機(jī)的安裝固
定區(qū)。

圖1 電機(jī)殼體模型

為了減輕電機(jī)重量，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用有限元分析，將電機(jī)殼體筒體部分壁厚減薄到4 mm，增加了“H”形加強(qiáng)筋；輸出軸組件安裝區(qū)壁厚由15 mm減薄到6 mm，增加異形加強(qiáng)筋，電機(jī)殼體鑄件重量由原來的的15 kg減輕到8 kg。鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)給壓鑄模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和壓鑄工藝參數(shù)設(shè)計(jì)帶來了極大難度，本文主要對(duì)壓鑄模具冷卻、溫度智能控制系統(tǒng)、壓鑄工藝參數(shù)、殼體鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)效率進(jìn)行研究。

2、壓鑄模具設(shè)計(jì)

2.1 冷卻系統(tǒng)

圖2是電機(jī)殼體實(shí)物圖，孔隙率不大于4%，電機(jī)殼體的筒體部分體積較大，長度500 mm，壁厚4 mm，鋁液長距離填充型腔必然導(dǎo)致模具溫度急劇上升，圖3所示的模流仿真溫度場中可以看出，殼體內(nèi)腔深處結(jié)構(gòu)復(fù)雜的加強(qiáng)筋位置G區(qū)壁厚最厚，溫度最高，必然產(chǎn)生粘鋁、內(nèi)部疏松、氣孔或縮孔，高壓點(diǎn)冷卻直水道無法加工。將該處設(shè)計(jì)成鑲件并采用3D打印冷卻水道，直接與模芯的高壓冷卻水管道連接，可以解決G區(qū)冷卻問題。如圖4所示，1是模具鑲件部分的局部實(shí)現(xiàn)了隨形冷卻水道，為了冷卻水道到模具型腔外表面的距離，圖1異形結(jié)構(gòu)尖角處只能采用直徑為1 mm的3D打印水道，確保圖3高溫區(qū)G的水道外壁到模具表面不足8 mm，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)隨形冷卻，確保冷卻水道到模具型腔外表面的距離基本相等，解決了復(fù)雜模具表面導(dǎo)熱能力不平衡問題；2為高壓進(jìn)、出水道，一端與高壓冷卻裝置連接，另一端與車間回水管道連接。

圖2 電機(jī)殼體實(shí)物

圖3 溫度場

圖4 3D打印鑲塊

2.2 合金粉末選擇

選取以鐵、錳、鎳、鉻、鉬、鎢等為主要成分的高純凈度、高流動(dòng)性、高球形度的合金粉末，采用激光熔融沉積法來制作3D隨形冷卻水道鑲件，經(jīng)過熱等靜壓、真空淬火、固溶退火、精密加工、表面激光涂層處理，3D打印的鑲件本體力學(xué)性能見表1。

表1 材料力學(xué)性能

2.3 冷卻水智能控制

由圖3溫度場數(shù)據(jù)分析得出，鑄件G區(qū)的溫度最高，對(duì)鑄件質(zhì)量影響最大，只要控制G區(qū)的溫度，整個(gè)鑄件內(nèi)部質(zhì)量就基本解決，將熱電偶安裝在3D打印鑲件G區(qū)的相反面檢測模具溫度效果最佳，如圖5所示，熱電偶在3 ms內(nèi)將溫度變化產(chǎn)生的熱電勢信息轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)字信號(hào)，通過熱電偶插頭與圖6所示壓鑄機(jī)連接，壓鑄機(jī)將接收到的溫度信號(hào)放入儲(chǔ)存器中并與模具溫度設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)模具溫度超過設(shè)定上限205℃時(shí)，如圖7所示，三組并聯(lián)的冷卻水控制電磁閥全部打開，模具冷卻水流量增加如圖8所示，模具溫度迅速下降；當(dāng)模具溫度低于設(shè)定下線190 ℃時(shí)，三組并聯(lián)的電磁閥依次關(guān)閉直到模具溫度值上升到設(shè)定范圍內(nèi)后，不再關(guān)閉其余電磁閥，實(shí)現(xiàn)了模具溫度動(dòng)態(tài)平衡，如圖9所示。

圖5 模溫監(jiān)控

圖6 壓鑄機(jī)

圖7 電磁閥

圖8 模具冷卻裝置

圖9 模具溫度監(jiān)控系統(tǒng)界面

3、模具應(yīng)用

經(jīng)過三次上機(jī)批量生產(chǎn)試驗(yàn)后優(yōu)化出三組工藝參數(shù)進(jìn)行小批量生產(chǎn)，壓鑄工藝參數(shù)見表2。

表2 壓鑄工藝參數(shù)

采用3組壓鑄工藝參數(shù)各試產(chǎn)1 000件，分別對(duì)電機(jī)殼體鑄件外部質(zhì)量、CT掃描進(jìn)行檢查和生產(chǎn)節(jié)拍平均值統(tǒng)計(jì)，結(jié)論見表3。殼體鑄件的壁厚差異較大，模具不同部位的蓄熱量不同，壁厚越厚蓄熱量就越大，試驗(yàn)結(jié)果顯示鑄件壁厚大于10 mm的部位模具溫度控制在180~195 ℃最為合理，壁厚在4~6 mm之間的部位模具溫度控制在195~205 ℃最為合理；內(nèi)澆道速度直接影響填充時(shí)間、模具壽命、鑄件表面質(zhì)量，速度過快會(huì)過早沖蝕模具表面，鋁液在噴射過程卷氣量較大，同時(shí)會(huì)造成排氣不暢通，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷；內(nèi)澆道速度為46 m/s時(shí)，外觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量最佳，見圖10。澆口比是控制充填速度和壓力傳遞的關(guān)鍵參數(shù)，是CAE仿真分析后設(shè)計(jì)出來的；生產(chǎn)效率第三組工藝參數(shù)最佳，但是合格率偏低。綜合生產(chǎn)效率和品質(zhì)考慮得出，第一組為最佳工藝參數(shù)。鑄件內(nèi)部前十大內(nèi)部缺陷中最大直徑為1.539 mm，孔隙率為3.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VW 50093：2012-075壓鑄件孔隙率5%的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)表

圖10 電機(jī)殼體CT報(bào)告

4、結(jié)論

（1）3D打印增材制造技術(shù)可以為壓鑄模具設(shè)計(jì)制造提供很好的技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)了模具復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位的隨形冷卻，徹底解決了壓鑄件粘鋁、拉模、氣孔等缺陷；3D打印水道最小可以做到直徑1 mm，距離模具表面可以做到8 mm以內(nèi)，對(duì)模具實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)冷卻。

（2）運(yùn)用熱傳感器、電磁閥、壓鑄機(jī)的模具溫度控制系統(tǒng)等控制模具工作溫度，將模具溫度信息與冷卻水流量控制信息直接連接，實(shí)現(xiàn)模具溫度智能控制，對(duì)類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)的汽車零部件開發(fā)具有參考意義與應(yīng)用價(jià)值。

作者：

張正來 龔華煒 徐慶光
寧波市法萊欣科技有限公司

蔡朝新 馬曉鋒 孫全權(quán)
浙江華朔科技股份有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2022年第3期第71卷