新能源汽車鋁合金電機殼的工藝優化

崔思嵐

摘 要：針對外部多個凸起、內部多個螺旋通道的新能源汽車用鋁合金電機外殼鑄造存在壁厚差大、難以連續固化、局部存在縮松等問題。通過對連鑄工藝的仿真，得出了連鑄后的補縮通道出現了斷裂，沒有在熱接頭到冒口之間建立溫度階梯，出現了縮松現象的結論。在得到了客戶的認可后，對鑄造結構進行了改進，減少了在凝固時產生的熱節點，同時對采用“補氣”替代“邊冒”的技術方案進行了改進。在此基礎上，通過計算機仿真，得到了最優的工藝參數，并完成了連續凝固。經實踐檢驗，不僅解決了縮松問題，還使制程合格率、生產率、成本等方面有了較大的提高。

關鍵詞：鋁合金電機殼 工藝優化 新能源汽車

1 引言

在全球能源和環境危機的推動下，世界各國的汽車技術不斷升級，這給我們的新能源特別是電動汽車的自主創新提供了重要的戰略機會。新能源汽車用鋁合金電氣外殼是一種具有高強度、低成本等特點的新型汽車用鋁合金電氣外殼。而鋁合金因其眾多的優勢，在工業中被廣泛的使用，它不僅擁有優良的拉伸強度、塑性和韌性，而且還具備很高的經濟性和很好的切削加工性能，可以用于制造形狀復雜的機械部件。

2 鋁合金電機殼的特點與新能源汽車工業的應用優勢

2.1 鋁合金電機殼的特點

鋁電機殼具有兩個比較顯著的特性：鋁電機殼的加工技術要求高，機殼與端蓋的同心程度不高；底板，電磁立波減振效果不佳。由于上述兩個特性，使得鋁合金電動機的噪音很大，為高品質的產品的制作和制作帶來了技術上的困難。這兩個優點中，最重要的是鋁合金電機機殼和端蓋的同心度差，導致鋁合金電機殼電機轉子產生機械不平衡，在電機運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的應用優勢

在整車中，總質量超過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、機械強度高、易壓縮、易彎曲、導熱性好，且其表面的氧化薄膜耐腐蝕，因此被認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，在碰撞中占據了絕對的上風。由于其熔點較低，可在較高溫度下重新熔煉，且回收率可達到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，因為它們的特性很容易在高溫下被重新熔煉，因此每一噸的鋁合金，消耗的能量都會減少90%，消耗的能量也會大大降低[2]。采用鋁合金構造的車體，焊接點較少，裝車簡便，而且不需要進行生銹。

3 高性能壓鑄合金技術

開發出具有高強韌性能的新一代壓鑄鋁合金，需要在兩個方向上進行：一是在已有的普通鋁合金的基礎上，通過添加合金元素，對其進行結構優化；二是開發了一種新的鑄造用鋁合金系統。而一般情況下，新的壓鑄鋁合金必須滿足以下要求：①生產2-v4mm組合構造的壓鑄零件；②澆注時，抗拉強度、屈服強度和伸長率分別達到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實現對鋁合金的有效增強，并用于工業化生產；⑤可采用熱處理、強化等工藝。⑥環境友好，可回收利用。高強韌的壓鑄鋁合金有 Silafont—36，Magsimal—59，Aural—2，ADC-3，這幾種材料由國外開發，其共同特點是含鐵量均比普通的壓鑄鋁合金低；同時，對雜質元素如 Zn和 Ti的含量也進行了嚴格的控制。主要研究內容有：超輕高強鎂合金；抗高溫蠕變鎂合金；當前，國內針對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性能?？垢邷厝渥兊逆V合金主要是通過添加合金元素來進行的，它的效果主要有三個方面：一是通過添加合金元素，使其在基體中生成高熔點的核質點，使其在基體中不均勻成核，達到細化晶粒的目的。二是對晶界進行強化、固化，促使其滑移；三是強化固溶作用，即在釔及其他元素的固-液界面處，形成強烈的溶質過冷層，抑制初生相的長大，達到細化晶體的目的。而耐腐蝕的壓鑄鎂合金，主要是通過添加一些金屬，把它們與機械性能和耐高溫蠕變性相結合，從而開發出耐腐蝕性能好、熱穩定性好的壓鑄鎂合金；在鎂合金表面進行包覆層、強化、抗氧化、抗介質腐蝕等后期處理。

4 鋁合金在新能源汽車工業上面臨的問題

4.1 加工性能需改善

因為鋁合金的機械性能好，不會輕易的變彎，也不會輕易的承受壓力，并且它的穩定性很好，不會輕易的變形，并且它的成形性很低，也不會輕易的變化，因此，在加工上會有一些難度。

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，其價格也隨之上升。一輛用鋁合金制成的汽車，其價格是用鋼材制成的3.5倍，這意味著它的造價要比用鋼材制成的汽車高出一大截[3]。舉個例子，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，就是對整個澆注體系進行了改進，改進后的澆注體系分為橫澆道與內澆道兩部分，由于四個橫澆道的金屬液在同一時刻注入，但抵達內澆口的時間不同，導致出現混凝現象，因此，改進后的澆注體系，使其橫澆道的數量增加到了567毫米，而橫澆道的長度增加到了70毫米，橫澆道的數量增加到了70毫米。采用流量計法，計算出了內澆口區的面積，結果表明，內澆口區的厚度增加了90.8mm2，厚度增加了3 mm，達到了對內澆口區的控制與降低的目的[4]。其次，為了避免出現“冒煙”現象，對原排水槽、溢流槽進行了改進，將溢流槽從2.0毫米增加到1.5毫米。此外，增設一套冷卻系統，即合理的模溫循環，并針對鑄造的特點，增設一條6 mm的冷卻通道，采取部分封閉的方式，并在澆口處設置一圈水套，以緩解澆口處溫度過高的問題，并采取焊接的方式。模擬研究發現，在不改變原有結構的條件下，鋼液流動更加合理，卷氣現象顯著減輕，排出效率顯著提高，同時降低了鋼液流動中的溫度梯度，顯著降低了鋼液在典型截面上的縮孔縮松率。

5.2 基本技術要求

5.2.1 鑄件結構

鑄造的特殊外形尺寸是1387×90×296毫米，靠近內腔有兩個厚度較大的構造，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，機匣內腔中還有一些縱橫隔筋，鑄件的縱橫筋和隔板交錯的地方還有許多熱節，上端面也有很厚大的熱節點，當然，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固化，或者是按一定的順序固化。

5.2.2 技術要求

其在航空發動機的使用中，重點是在航空發動機的輔助零件方面，其工作條件相對嚴苛，受力情況較為復雜，且航空零件的精度要求很高，絕對不允許出現氣孔、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，不容易產生熱裂紋[5]。但是，為了防止在結構復雜的機盒類鑄件中出現疏松、欠鑄等問題，在加工過程中，可以適當地添加冷鐵和冒口，進行淬冷和補縮，從而構建出一個穩定的連續固化條件，從而保證鑄件能夠得到精確的組織，從而更好地展現出材料本身的強度。

5.3 工藝方案設計

5.3.1 工藝方法

當前，世界各國在進行大尺寸鑄件的生產過程中，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生了一個適當的溫度梯度。相關人員也要根據實際生產需要，盡量降低由于自重而產生的鋼液飛濺。但在充型過程中，因混凝流動，使氣相二次氧化，形成了空洞缺陷。

5.3.2 澆注系統

一般情況下，模具的外形大多是長條形，工作人員可以根據模具的結構特點，采用槽形澆鑄，同時還可以設計內澆道和橫澆道，將內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，并通過內澆道來實現模具腔室的填充。在定位上，因為鑄造的位置的差異，對鑄件的冶金質量和鑄造工藝也有很大的影響，所以，相關的工作人員可以根據特定的水平和垂直澆注的位置進行判斷，為今后的工作提供了有利的條件[6]。例如，垂直澆注的優勢在于：首先，可以在鑄件兩側采用一條直縫澆注系統，使得熔池內的溫度分布更加均衡，能夠確保液態鋁的流注，并且能夠排除掉一部分的雜質和氣體。第二種方式是在模具中使用淬火砂石和冷鐵，以實現對鑄造過程中的局部冷卻速度的控制，以得到更加準確的鑄造組織。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 參數選擇

在具體的選擇過程中，應考慮到升液速率、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現抽提，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。采用傳統的無約束鑄造工藝，無法對鑄造過程進行有效的控制，無法防止鑄造過程中出現的氧化、夾渣等問題。

6 復雜鋁合金鑄件鑄造工藝優化效果

6.1 改進后的工藝方案

導致機匣澆注松弛缺陷的根本原因在于，與其相關的構件周圍已經完全固化，但真實的間隙補縮范圍很小，而且裂縫之間的間隔過大，導致補縮源無法實現補縮，在澆注過程中，固態機匣已經形成并發生了線性收縮，當收縮受到阻礙時，又會產生新的應力。在鑄造過程中，由于受到的總的壓力或者變形的現象超過了其所能承受的范圍，因此，在鑄造過程中，也可能發生熱裂[7]。針對復雜鋁合金鑄件縱向筋板厚相差較大，澆注時極易出現過熱的問題，提出了通過合理的技術路線，加快熔體凝固速率，實現工藝路線的最優。

6.2 試驗結果

按照改進后的技術規程，對連鑄過程中存在的問題進行了分析，認為主要是由于連鑄過程中出現了裂紋后無相應的補縮源，且部分大厚度部位出現了“熱節點”等。由于墻體構造、厚度等因素限制，局部部位的墻體厚度相對較小，局部部位的墻體厚度過大，導致豎向鋼筋發生冷凝，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，最終導致豎向鋼筋縮松。

7 鋁合金在新能源汽車工業的發展趨勢

7.1 新的設計方法

新能源汽車用鋁材料的開發主要有兩個方向：一是提高鋁材料的成形技術，二是提高鋁材料的熔煉、鑄造、熱處理等。為推動鋁合金薄板的成型與制造，提升其在車輛上的可靠性與實用性提供理論依據。另一方面，是對新產品的研究與開發，目前正在對多種鋁合金產品與鋁合金材料進行研究與開發。在這過程中，對鋁合金部件的設計方法、結構算法、焊接工藝等進行了研究與開發，從而使鋁合金材料的各項性能得到了提升，并使其在新能源汽車上的應用得到了推廣。采用全無框式車體取代傳統的鋼架車體，并構建完整的鋁合金車體數據庫，對我國汽車產業的發展起到了推動作用。

7.2 新型鋁合金開發

隨著鋁材的使用和發展，鋁材的優點日益突出。在今后，將會制造出具有更強的抗腐蝕、抗疲勞以及更低的制造成本的新的鋁合金材料。對轉向器和各類零件進行研究，并對其進行耐腐蝕能力和承壓能力都有很大的提升。為適應新能源汽車本身重量輕、實用性強等特點，需進行鍛造及高強度鋁合金板的制備。

7.3 新的連接技術

隨著新能源汽車的發展，鋁合金的應用越來越廣泛，而鋁合金的焊接技術也將對其應用產生重要的影響。目前，大多數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量，就成為了一個亟待解決的問題。目前，國內外已有不少國家開發出了用于鋁合金的點焊工藝，使其在新能源汽車中的使用得到了極大的改善。

8 結語

綜上所述，由于鋁合金殼體的壓鑄工序比較長，而且整個工序比較難以控制，所以為了減少鑄件的質量問題，需要對壓鑄工藝進行深入的研究，并對壓鑄方案和工藝參數進行優化，從而對目前的生產狀況進行改進，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、高質量生產積累經驗，打下良好的基礎。在中國新能源汽車產業的快速發展過程中，大量使用了鋁合金材料。本文從鋁合金材料的優勢、研發、生產工藝等方面進行了詳細的分析。要想將鋁合金材料大批量應用到汽車工業上，要對其使用成本進行充分的考慮。由于鋁合金殼體的壓鑄工序比較長，而且整個工序比較難以控制，所以為了減少鑄件的質量問題，需要對壓鑄工藝進行深入的研究，并對壓鑄方案和工藝參數進行優化，從而對目前的生產狀況進行改進，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、高質量生產積累經驗，打下良好的基礎。

參考文獻：

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