行业关注新能源汽车铝合金电机壳前端盖的工艺优化

　　摘要
　　新能源电机壳前端盖铸件，壁厚差较大很难实现顺序凝固，且整体壁厚较薄不利于排气和氧化渣的上浮。利用计算机模拟原方案，发现铸件充型末端的气体和氧化渣需要通过已充型的型腔返回顶冒口，导致铸件产生气孔、夹渣缺陷。且在凝固过程中冒口无法对铸件中心通孔处的热节进行补缩，有形成缩松缺陷的倾向。由于铸件壁薄处不加工且有网格筋结构，无法设置工艺补贴，故在铸件一侧设置冒口。将充型过程调整为型腔由竖直倾转为水平的方式，利用倾转后冒口重力压力头提供补缩压力。对优化方案进行模拟，铸件充型平稳，气体和氧化渣可经由冒口排出，且凝固过程中的热节都可通过冒口补缩，缩松缺陷得到解决。进行生产验证铸件无铸造缺陷，且提高了工艺出品率。
　　新能源汽车被视为缓解能源消耗及环境问题的重点项目，成为战略性新兴产业的一个重点发展目标[1]。电机壳前端盖（见图1）是某新能源汽车电机的重要零件。
　　图1 前端盖铸件
　　铸件材质为ZL101A,质量4.5kg。法兰及中心通孔处加工，加工面表面粗糙度Ra6.3μm，非加工面抛丸处理，铸件不允许有冷隔、裂纹、缩孔和穿透性缺陷。在铸造过程中预安装嵌件，嵌件材质：45#钢。铸件最大尺寸372mm，整体壁厚4mm，法兰壁厚21mm，中心通孔处壁厚16mm，壁厚差较大，很难实现顺序凝固。同时铸件整体壁厚较薄且有网格筋结构，不利于排气和氧化渣的上浮。 一.原工艺方案
　　原方案根据同类产品设计经验，采用金属型重力倾转铸造，倾转过程可减小铝液进入型腔的落差，减少飞溅和紊流。在铸件顶端设置顶冒口，两侧设置边冒口，边冒口与铸件厚壁法兰处设置缝隙浇道，原工艺方案见图2。
　　图2 原工艺方案
　　对原方案进行模拟，充型过程如图3 所示。随着模具的倾转，铝液进入型腔。倾转18°时，充型末端的气体和液面前端的氧化渣需要通过型腔上浮返回顶冒口，由于型腔区域壁厚较薄，凝固时间较短，型腔内的气体和氧化渣不能顺利上浮至顶冒口中，而会残留在型腔内，使铸件产生气孔和夹渣的缺陷。
　　图3 原方案倾转过程
　　凝固过程如图4 所示。t=12s 时铸件开始凝固，t=300s 时铸件完全凝固。铸件法兰及中心通孔处是热节区域。t=55s 时中心通孔处尚未凝固，而四周薄壁区域已经凝固，补缩通道中断，中心热节处形成封闭的液相区域，中心通孔处易形成缩松缺陷。
　　图4 原方案凝固过程二.方案优化
　　从模拟结果可知，铸件薄壁处热量散失较快，凝固后阻断了补缩通道。由于薄壁处不加工且有网格筋结构，无法设置补贴来实现中心热节处与顶冒口的顺序凝固，只能在中心热节处设置侧冒口补缩。而充型时型腔由水平倾转至竖直，冒口在铸件水平一侧，没有重力提供补缩压力，铝液不会顺利流向被补缩部位，不易达到良好的补缩效果。为解决补缩压力的问题，将充型过程调整为由竖直倾转为水平的方式，使铸件倾转完成后可利用重力补缩。原方案顶冒口、边冒口调整为五处腰形冒口，对铸件厚壁区域补缩的同时，减小了冒口总体积，大幅度提高了工艺出品率，优化方案见图5。
　　图5 优化方案
　　2.1 优化方案模拟
　　对优化后方案进行模拟，充型过程见图6。型腔由竖直倾转为水平，随着倾转角度的增大，铝液由底侧平稳地进入型腔，液面前端最终进入冒口，气体和氧化渣可经由冒口排出。由倾转过程可见，已经充型区域与未充型区域分界明显，无相交部位，减少了紊流的出现。
　　图6 优化方案倾转过程
　　凝固过程见图7，在凝固期间，冒口和被补缩部位之间始终存在补缩通道，扩张角向着冒口[2]，且倾转后冒口中的铝液可在重力作用下补缩，原方案中的缩松缺陷得到解决。
　　图7 优化方案凝固过程
　　2.2 生产验证
　　经生产验证，铸造表面质量良好，经X 射线探伤及加工后均无铸造缺陷。原方案铸件带浇注系统20.5kg，工艺出品率为22%，优化方案铸件带浇注系统9kg，工艺出品率为50%，大幅度提高了工艺出品率。优化方案生产的铸件见图8，加工后成品见图9。
　　图8 优化方案生产的铸件
　　图9 加工后成品结语
　　优化工艺方案，在新能源前端盖中心设置侧冒口，并将倾转方式由竖直倾转至水平，调整为由水平倾转至竖直，使铸件倾转完成后可利用冒口重力补缩，解决了铸件中心处的缩松问题，同时也减少了气孔和夹渣缺陷，提高了铸件质量和工艺出品率。
　　参考文献：[1] 彭频,何熙途.政府补贴与新能源汽车产业发展--基于系统动力学的演化博弈分析[J].运筹与管理,2021,30(10):8.
　　[2] 中国铸造协会.铸造工程师手册[M].第3 版.北京：机械工业出版社,2010.
　　[3] 郝长顺，程俊明，李胜君，等.新能源汽车铝合金电机壳的工艺优化[J].中国铸造装备与技术，2022（3）：83-86.
　　(消息来源：期刊 时代汽车）