新能源汽車一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件微量噴涂技術(shù)

摘 要：基于新能源汽車輕量化發(fā)展趨勢(shì)的大背景，總結(jié)了新能源汽車壓鑄噴涂技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，分析了壓鑄大尺寸一體化金屬結(jié)構(gòu)件所需要的新型高效智能化柔性微量噴涂裝置的關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)地提出了微量噴涂的壓力、流量和脫模劑成分對(duì)一體化大尺寸零件壓鑄綜合性能的影響，模具溫度在線檢測(cè)和工藝參數(shù)邊緣計(jì)算方法以及柔性微量噴涂噴嘴相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化方法等，對(duì)大尺寸、復(fù)雜薄壁鋁合金壓鑄零件高品質(zhì)成形工藝提供參考。

關(guān)鍵詞：壓鑄；一體化鋁合金結(jié)構(gòu)件；微量噴涂；新能源汽車

0 引言

隨著全球新能源汽車輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展，各種輕量化材料的應(yīng)用也成為研究的焦點(diǎn)，壓鑄鋁合金薄壁高剛度一體化結(jié)構(gòu)是主要趨勢(shì)。壓鑄工藝實(shí)施前模具表面的噴涂工藝是保證壓鑄零件質(zhì)量的關(guān)鍵，直接影響產(chǎn)品的脫模效果、外觀質(zhì)量、生產(chǎn)節(jié)拍、模具壽命及模具溫度平衡等。大尺寸、復(fù)雜薄壁鋁合金壓鑄零件的壓鑄模具有較多深腔和凸起鑲塊，不同壓鑄模具型腔差異較大,需要通過(guò)調(diào)整機(jī)器人噴涂動(dòng)作路徑實(shí)現(xiàn)柔性化噴涂，噴涂工藝控制要點(diǎn)多，給壓鑄生產(chǎn)效率、鑄件質(zhì)量、模具壽命帶來(lái)一定影響。

本文在分析新能源汽車壓鑄噴涂技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，指出大尺寸一體化鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件成形中需要新型高效智能化柔性微量噴涂技術(shù)，分析出壓力、流量和脫模劑成分對(duì)一體化大尺寸零件壓鑄綜合性能的影響，以及模具溫度在線檢測(cè)和工藝參數(shù)邊緣計(jì)算方法和柔性微量噴涂噴嘴相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化方法等關(guān)鍵技術(shù)，為大尺寸、復(fù)雜薄壁鋁合金壓鑄零件高品質(zhì)成形工藝提供參考。

1  一體化壓鑄噴涂技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

一體化壓鑄，可實(shí)現(xiàn)車身的零部件以及相應(yīng)的構(gòu)造化繁為簡(jiǎn)，將多個(gè)零件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變?yōu)橹皇褂靡粋€(gè)零件，從而使得車身結(jié)構(gòu)大幅簡(jiǎn)化，最終達(dá)到降低車重、減少能耗、降低成本的目的。一般壓鑄可分為普通真空壓鑄和高真空壓鑄，高真空壓鑄是指模具型腔真空度大于90 kPa 的專用壓鑄工藝，每100 g 鋁壓鑄件內(nèi)氣體含量?jī)H為1～3 ml，可實(shí)現(xiàn)尺寸大、復(fù)雜的薄壁零件高品質(zhì)鑄造。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金壓鑄零件的壓鑄模具有較多深腔和凸起鑲塊，且因不同壓鑄模具型腔差異較大,需要通過(guò)調(diào)整機(jī)器人噴涂動(dòng)作路徑實(shí)現(xiàn)柔性化噴涂，噴涂工藝控制要點(diǎn)多，給壓鑄生產(chǎn)效率、鑄件質(zhì)量、模具壽命帶來(lái)一定影響。另外，壓鑄工藝實(shí)施前模具表面的噴涂工藝是保證壓鑄零件質(zhì)量的關(guān)鍵，直接影響產(chǎn)品的脫模效果、外觀質(zhì)量、生產(chǎn)節(jié)拍、模具壽命及模具溫度平衡等。

在壓鑄噴涂過(guò)程中，噴射涂料是對(duì)模具型腔、型芯表面、滑塊、推出元件、壓鑄機(jī)的沖頭和壓室等所噴涂的潤(rùn)滑材料和稀釋劑的混合物。其主要作用如下：

（1）延長(zhǎng)模具壽命。涂料在壓鑄合金件和模具之間形成有效的隔離保護(hù)層，避免鋁合金熔液直接沖擊模具型腔和型芯表面，改善模具工作條件。

（2）降低模具熱導(dǎo)率，保持鋁合金熔液的流動(dòng)性，提高金屬的成型性。

（3）高溫時(shí)保持良好的潤(rùn)滑性能，減少壓鑄件與模具成型部分尤其是型芯之間的摩擦，便于推出，延長(zhǎng)模具壽命，提高壓鑄件的表面質(zhì)量。

（4）涂料壓力、濃度和噴涂時(shí)間需要精密控制。噴涂時(shí)如果涂料用量過(guò)多，造成涂料浪費(fèi)，同時(shí)污染環(huán)境。涂料壓力和濃度需要保證，避免厚薄不均或者太厚。

圖1 所示為壓鑄生產(chǎn)制造工藝流程，在壓鑄過(guò)程短暫的開(kāi)模階段開(kāi)始噴涂，為了保證壓鑄生產(chǎn)效率，噴涂時(shí)間必須嚴(yán)格控制。那么如何實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的微量噴涂一直是壓鑄噴涂技術(shù)發(fā)展追求。

圖1 壓鑄生產(chǎn)制造工藝流程圖

1.1 脈沖噴涂技術(shù)

相比連續(xù)噴涂，脈沖噴涂是在模具表面噴涂脫模劑時(shí)采用連續(xù)的噴—停—噴—?！獓姷姆绞?，這種在模具表面間歇性噴涂可以減少對(duì)模具的熱沖擊。目前已有研究借助有限元分析模擬了壓鑄噴涂工藝，比較了連續(xù)噴涂和脈沖噴涂工藝對(duì)模具材料溫度場(chǎng)的影響，證明壓鑄噴涂工藝可以有效降低噴涂時(shí)模具的溫度梯度及熱應(yīng)力。

1.2 模具內(nèi)噴涂技術(shù)

壓鑄模噴涂方式包括機(jī)械手自動(dòng)噴涂和人工噴涂?jī)煞N方式。但受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具的限制，容易在壓鑄模具局部發(fā)生噴涂不勻或噴不到的現(xiàn)象，引起模具局部溫度過(guò)高，脫模阻力增大，造成鑄件出現(xiàn)拉裂、灼傷等缺陷。模具內(nèi)噴涂技術(shù)是通過(guò)在模具內(nèi)部預(yù)先鋪設(shè)好噴涂管道，生產(chǎn)時(shí)通過(guò)自動(dòng)控制噴涂裝置連接脫模劑配比裝置，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)噴涂。

1.3 微量噴涂技術(shù)

微量噴涂技術(shù)是近年來(lái)被認(rèn)可推廣的最佳噴涂方式之一，高效、高質(zhì)量噴涂，代表壓鑄噴涂技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)。微量噴涂是把100%純脫模劑通過(guò)微量噴涂設(shè)備精確噴涂到模具表面，形成潤(rùn)滑隔離膜，也就是采用純濃縮脫模劑，不再使用水做傳輸介質(zhì)。

德國(guó)WOLLIN 作為知名壓鑄行業(yè)噴涂設(shè)備制造集團(tuán)，也是微量噴涂技術(shù)的先行者。采用Delta Speed 微量噴嘴，定體積式控制噴涂量，噴涂時(shí)微型馬達(dá)勻速進(jìn)給，每個(gè)噴嘴可獨(dú)立編程控制。采用微量噴涂技術(shù)能提升壓鑄件產(chǎn)能，降低稀釋水、廢水用量，延長(zhǎng)模具使用壽命，成本大幅降低。

2  高效智能化柔性微量噴涂裝置的關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)外大型壓鑄機(jī)壓鑄制造島均采用柔性化噴涂工藝方案，具有適應(yīng)性廣，無(wú)人操作，噴涂均勻等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)壓鑄模具噴涂工藝依然依靠人工經(jīng)驗(yàn)，手工操作，噴涂厚度不均，質(zhì)量管控不足，嚴(yán)重影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率，不能滿足大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋁合金壓鑄生產(chǎn)需求。國(guó)內(nèi)高端壓鑄配套噴涂工藝和自動(dòng)化設(shè)備與國(guó)外差距較大，嚴(yán)重影響批量生產(chǎn)效率與鑄件品質(zhì)。

針對(duì)復(fù)雜工況下鋁合金薄壁高剛度金屬件真空壓鑄工藝，需要開(kāi)展深入研究，存在的主要技術(shù)難題主要包括：復(fù)雜模具多曲率混疊導(dǎo)致連續(xù)軌跡優(yōu)化困難，復(fù)雜工況干擾機(jī)器人驅(qū)動(dòng)柔性噴涂軌跡控制，高效大批量生產(chǎn)運(yùn)維保障等，需要重點(diǎn)開(kāi)展微量噴涂壓力、流量和成分對(duì)大尺寸零件真空壓鑄成形綜合性能影響，視覺(jué)賦能模具溫度在線檢測(cè)和工藝參數(shù)邊緣計(jì)算方法，高溫環(huán)境串聯(lián)機(jī)器人柔性噴涂精度保持性，高可靠性高頻次噴嘴參數(shù)優(yōu)化方法等關(guān)鍵共性技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)柔性噴涂工藝參數(shù)和邊緣計(jì)算協(xié)同優(yōu)化，積極探索開(kāi)發(fā)適用于大型鋁合金薄壁高剛度金屬件壓鑄工藝的成套智能高效精密柔性噴涂裝備。

2.1 微量噴涂對(duì)一體化大尺寸零件壓鑄成形綜合性能的影響

根據(jù)一體化大尺寸零件壓鑄成形工藝特點(diǎn)，需要分別從噴射的壓力、流量和脫模劑成分等方面展開(kāi)研究。

脫模劑噴涂可以用圓形液滴湍流射流和霧化表征，如圖2 所示，經(jīng)霧化處理的脫模劑液滴尺寸在射流徑向方向的大小以及液滴的速度，將直接影響模具表面的冷卻強(qiáng)度。研究模具表面的脫模劑液滴噴涂速度、液滴尺寸大小對(duì)形成噴涂薄膜的影響，闡述脫模劑噴涂的流體力學(xué)和熱交換過(guò)程。適時(shí)調(diào)控噴涂模具關(guān)鍵點(diǎn)噴涂壓力，以優(yōu)化噴涂過(guò)程。

圖2 脫模劑在模具投影腔中的噴涂狀態(tài)

噴涂距離是指從噴嘴到模具投影腔表面的距離，噴涂距離對(duì)模具表面均勻涂覆的影響是重要因素，噴涂距離將直接影響湍流射流和霧化表征、流體力學(xué)和熱交換過(guò)程

2.2 模溫在線檢測(cè)和工藝參數(shù)邊緣計(jì)算方法

由于現(xiàn)有紅外測(cè)溫探測(cè)裝置的分辨率限制，在使用多個(gè)探測(cè)裝置進(jìn)行在線檢測(cè)時(shí)所獲得圖像需要拼接處理。探測(cè)器在接收紅外圖像的過(guò)程中會(huì)存在短暫的停滯，產(chǎn)生脈沖噪聲。因此，在進(jìn)行特征提取之前需要對(duì)模具表面的紅外測(cè)溫圖像進(jìn)行預(yù)處理，改善獲取圖像的質(zhì)量，從而避免噪聲帶來(lái)的影響。可以分別采用均值濾波、高斯平滑濾波、中值濾波、自適應(yīng)中值濾波等多種濾波方法對(duì)模具測(cè)溫圖像進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。部分處理后的圖像如圖3 所示。

圖3 經(jīng)濾波處理的模具紅外圖像

2.3 柔性微量噴涂噴嘴關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法

2.3.1 高可靠性噴涂噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴涂噴嘴一般為閥島結(jié)構(gòu)，根據(jù)模具的曲面特征布局噴嘴數(shù)量和位置。噴嘴包括閥盒、閥芯、驅(qū)動(dòng)電路等。如圖4 所示，要求結(jié)構(gòu)合理，性能和性價(jià)比高，具有超高頻（頻率1000Hz 以上）、低成本、長(zhǎng)壽命、啟動(dòng)電路簡(jiǎn)潔可靠等特點(diǎn)。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，建立噴嘴的三維數(shù)字樣機(jī)，基于流固混合有限元技術(shù)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真，開(kāi)展多模態(tài)分析，研究共振特性，同時(shí)進(jìn)行疲勞壽命分析。

圖4 噴嘴閥島結(jié)構(gòu)

2.3.2 高頻噴嘴運(yùn)動(dòng)特性分析

為了滿足噴涂過(guò)程對(duì)液滴流量、響應(yīng)時(shí)間、散熱的要求，對(duì)高頻噴嘴開(kāi)展動(dòng)力學(xué)特性分析。采用流體仿真分析理論及技術(shù)，研究高頻噴嘴的流量特性、電磁閥芯的時(shí)間響應(yīng)特性、散熱特性等。

2.3.3 高頻噴嘴電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路控制噴嘴的通斷，調(diào)節(jié)噴嘴噴射壓力，滿足不同復(fù)雜曲率模具表面噴涂要求。優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)備，有效降低功耗和避免電磁閥過(guò)載，提高噴嘴的穩(wěn)定性，使電磁閥的效能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

2.3.4 高性能噴涂噴嘴參數(shù)匹配及優(yōu)化

根據(jù)不同種類模具噴劑需求，以可靠性高、頻次高、響應(yīng)快、功耗低以及壽命長(zhǎng)為目標(biāo)開(kāi)展噴嘴參數(shù)匹配及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了滿足微量噴涂系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)需求，其噴嘴部分多采用如圖4 所示的閥島結(jié)構(gòu)。依據(jù)紅外所檢測(cè)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)噴嘴噴涂延時(shí)參數(shù)，噴嘴到模具溫度控制關(guān)鍵點(diǎn)表面距離和停滯時(shí)間要精準(zhǔn)控制，及時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)的電磁閥動(dòng)作時(shí)間和閥門維持時(shí)間等參數(shù)，以使閥門工作保持最佳狀態(tài)。另外，系統(tǒng)中需要對(duì)噴涂噴嘴電磁閥進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)，避免閥門長(zhǎng)時(shí)間通電，造成閥芯燒毀等現(xiàn)象，選擇高頻智動(dòng)電磁閥，配比超小噴嘴直徑及間距，配合調(diào)整閥驅(qū)動(dòng)電路，確保噴涂效果。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著新能源汽車輕量化技術(shù)發(fā)展，大尺寸一體化鋁合金制件需求將會(huì)持續(xù)增加，柔性噴涂智能裝備會(huì)越來(lái)越受到市場(chǎng)青睞，需要重點(diǎn)關(guān)注微量噴涂對(duì)一體化大尺寸零件壓鑄成形綜合性能的影響、模溫在線檢測(cè)和工藝參數(shù)邊緣計(jì)算方法、柔性微量噴涂噴嘴關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方法等關(guān)鍵技術(shù)和方法，逐步提升微量噴涂質(zhì)量，突破批量化復(fù)雜曲面模具柔性噴涂技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定、智能柔性微量噴涂設(shè)備。