今日聚焦!如何优化新能源汽车铝合金电机壳工艺？

摘要

新能源汽车铝合金电机壳铸件，外侧有多处凸台，内部有螺旋水道结构，壁厚差较大，很难实现顺序凝固，部分铸件出现缩松缺陷。对铸造过程进行模拟，发现补缩通道中断，未建立起热节与冒口间的温度梯，有形成缩松的倾向。经用户同意优化铸件结构，减小凝固过程中的热节,并优化工艺方案，使用补贴代替边冒口。对优化方案进行模拟，铸件实现了顺序凝固。将优化后的方案用于实际生产验证，发现缩松缺陷得到解决，而且大幅度提高了工艺出品率和生产效率，降低成本。

关键词： 铝合金电机壳；补缩通道；顺序凝固；成本

【资料图】

全球能源与环境危机促使国际汽车技术更新换代，为我国新能源尤其是电动汽车自主创新带来了重大战略机遇[1]。铝合金电机壳作为新能源汽车的关键部件，其结构复杂，性能要求高，笔者单位承接了国内某电机企业新能源汽车铝合金电机壳的生产订单。

铝合金电机壳材质为ZL101A，重24kg，铸件外侧有多处凸台，上侧壁厚27.5mm，下侧壁厚32mm，中间侧壁内有8.5mm宽的螺旋水道，如图1所示。铸件内腔、上下端面和凸台端面都加工，不得有气孔、缩松、夹渣等缺陷。气密性要求≥0.6MPa不漏气。

图1 电机壳铸件

1 原工艺方案

铸件上下两侧和外侧凸台为厚壁区域，在铸件凝固过程中会产生热节，而中间水道处为薄壁区域。铸件壁厚差较大，很难实现顺序凝固，易产生缩孔、缩松等缺陷。原方案针对该铸件结构特点，采用低压铸造，外型和内腔使用金属型，螺旋水道使用砂芯，内侧四个边冒口，底部设有十字浇道，如图2所示。

图2 原工艺浇注系统

1.1 原方案模拟

对原方案进行模拟，凝固过程如图3所示。22s时铸件开始凝固，292s时铸件完全凝固。凝固过程中铸件厚壁区域形成热节，在图示A、B、C 部位补缩通道中断，形成封闭的液态孤立区域。铸件未实现顺序凝固，有形成缩松的倾向。

图3 原方案凝固过程

1.2 实际生产中的问题

部分铸件加工后在有凸台对应的内腔和端面出现缩松缺陷（见图4、图5），废品率较高。且由于内侧四个边冒口收缩受阻，铸件生产时铁芯脱模困难，生产效率低。

图4 内腔缺陷

图5 端面缺陷

2 方案优化

原铸件如图6所示，壁厚差较大，A、B、C、D、E为五处厚壁区域。其中A处不利于设置冒口补缩，B、C、D、E处与冒口组合形成的热节超过了冒口的补缩能力，没有建立起热节与冒口间的温度梯度，铸件难以实现顺序凝固。而且铸造合金都有一临界壁厚，当铸件壁厚超过临界壁厚以后，铸件的强度并不按比例随壁厚增加而增加，而会显著降低[2]。故在征得用户同意的情况下，对铸件厚壁区域进行结构微调，减重处理以减小铸件凝固过程中的热节，优化后铸件见图7。

图6 原铸件

图7 优化后铸件

根据模拟结果，针对B、C处与横浇道相交部位补缩通道中断，将横浇道向上移动，与B、C处直接连通，这样也减小了横浇道与铸件上端的距离，缩短了冒口所需要补缩的距离。由于铸件减重后D、E处热节减小，将四个边冒口更改为带有拐折的补贴，不仅利于铸件至上而下的凝固顺序，减小了浇注系统体积，缩短凝固时间，也有利于脱模，可大幅度提高工艺出品率和生产效率。优化后浇注系统见图8。

图8 优化后浇注系统

2.1 优化方案模拟

对优化后方案进行模拟，凝固过程如图9所示。在凝固过程中，铸件通过补贴、横浇道与直浇道形成补缩通道，且凝固的扩张角始终向着浇道方向，有效地建立起热节与冒口间的温度梯度，实现了顺序凝固。

图9 优化方案凝固过程

2.2 生产验证

以生产验证的情况看，铸件的凝固时间减少，脱模也较原方案容易，经过X射线探伤无铸造缺陷。铸件加工后，加工面组织致密无缺陷，气密检测合格。

原方案铸件带浇注系统47kg，工艺出品率为51%，生产1件平均需要20min，优化方案铸件带浇注系统35kg，工艺出品率为69%，生产1件平均需要15min。同样1t的铝合金液，7h的生产时间，原方案可生产21件，优化方案可生产28件。优化方案大幅度提高了工艺出品率和生产效率，降低了生产成本。优化方案生产的铸件见图10，加工后成品见图11。

图10 优化方案生产的铸件

图11 加工后成品

后续采用此方案生产了1000余件，不合格品不到40件，铸件合格率在96%以上。

3 结论

（1）通过优化铸件结构，减小铸件凝固过程中的热节，不仅有利于提高铸件内部质量，也可使产品用料减少且外形美观。

（2）通过优化工艺方案，使用补贴代替边冒口，不仅有利于铸件实现顺序凝固，提高产品质量，也可提高工艺出品率和生产效率，降低成本。