電動汽車鋁合金電池托盤低壓鑄造模設計

2024-06-18 10:32:48· 來源：AEE汽車技術平臺

電池是電動汽車的核心部件，其性能決定電動汽車的續(xù)航、能耗、使用壽命等技術指標，而電池模塊中電池托盤是起到承載、保護、散熱功能的主要部件，模塊化的電池包被布置在電池托盤中，通過電池托盤固定在汽車底盤，如圖1所示。由于安裝在車身底部，工作環(huán)境惡劣，電池托盤需要具備防止石擊和穿刺的功能，以防電池模組受到損傷。電池托盤是電動汽車重要的安全結構件，以下介紹電動汽車鋁合金電池托盤的成型工藝和模具設計。

圖1 鋁合金電池托盤

1 工藝分析和模具設計

1.1 鑄件分析

電動汽車鋁合金電池托盤如圖2所示，外形尺寸為1106mm×1029 mm×136mm，基本壁厚為4mm，鑄件質量約15.5kg，加工后鑄件質量約12.5 kg，材質為A356-T6，抗拉強度≥290MPa，屈服強度≥225MPa，延伸率≥6%，布氏硬度≥75~90HBS，需要滿足氣密性及IP67&IP69K要求。

圖2 鋁合金電池托盤

1.2 工藝分析

低壓鑄造是介于壓力鑄造和重力鑄造之間的一種特殊鑄造方法，它不僅具有兩者可采用金屬模的優(yōu)點，還具有充填平穩(wěn)的特點。低壓鑄造具備自下而上低速充填、速度易于控制、沖擊和鋁液飛濺小、氧化渣少組織致密度和力學性能高等優(yōu)點[2]。低壓鑄造在較低的壓力下，鋁液充填平穩(wěn)，鑄件在壓力下凝固結晶，能獲得組織致密、力學性能較高且外形美觀的鑄件，適合大薄壁鑄件成型。

根據(jù)鑄件需要的力學性能，澆注材料選擇A356，此材料T6處理后可以滿足客戶的使用需求，但是該材料的澆注流動性一般需要合理控制模具溫度才能生產(chǎn)鑄造尺寸大且薄的鑄件。

1.3 澆注系統(tǒng)

針對鑄件尺寸大且薄的特點，需要設計多個澆口，同時為了保證鋁液充填流暢，在窗口處增加了充填通道，需要后期加工去除。在前期澆注系統(tǒng)設計時，設計了2種工藝方案，并對每個方案進行了對比，如圖3所示，方案一布置9個澆口，在窗口處增加補縮通道；方案二布置6個澆口，從待成型鑄件側面進澆。CAE仿真分析如圖4、圖5所示。利用模擬結果優(yōu)化模具結構，盡量避免模具設計對鑄件質量產(chǎn)生不利影響，降低鑄件缺陷產(chǎn)生的概率，縮短鑄件開發(fā)周期。

圖3 低壓鑄造2種工藝方案對比

圖4 充填時溫度場對比

圖5 凝固后縮松缺陷對比

綜上所述2種方案從模擬結果看，在型腔中鋁液近似平行地向上推移，符合鋁液整體平行充填的理論，鑄件模擬縮松部位通過加強冷卻等途徑解決。

方案優(yōu)點:從模擬充填時鋁液的溫度看，方案一成型的鑄件遠端溫度相對方案二均勻度高，這有利于型腔的充填;方案二成型的鑄件沒有如方案一的澆口殘留，縮松情況優(yōu)于方案一。

方案缺點:方案一因在待成型鑄件上布置澆口，所以在鑄件上會有澆口殘留，相比原鑄件會增加約0.7kg原料:方案二從模擬充填時鋁液的溫度看，遠端鋁液溫度已經(jīng)偏低，而模擬是在模溫理想狀態(tài)下，所以實際狀態(tài)下鋁液流動能力可能不足，會存在鑄件成型困難的問題。

結合各種因素分析，澆注系統(tǒng)選擇方案二，針對方案二的缺點，在模具設計中對澆注系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，如圖6所示，增加了溢流冒口，有利于鋁液的充填，減少或避免成型鑄件缺陷的產(chǎn)生。

圖6 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)

1.4 冷卻系統(tǒng)

鑄件的受力部位和力學性能要求高的區(qū)域需要設置合理的冷卻或補縮，避免產(chǎn)生縮松或熱裂。鑄件基本壁厚為4mm，靠模具的自身散熱會影響凝固，針對其重要部位，設置了冷卻系統(tǒng)，如圖7所示。在充填完成后，通水冷卻，具體冷卻時間需要在澆注現(xiàn)場進行調整，保證遠離澆口端到澆口端形成先后凝固的順序，澆口和冒口在最后凝固，達到補縮的效果。壁厚較厚部位采用鑲件加水冷的方式，這種方式在實際澆注過程中效果較好，可以避免縮松的產(chǎn)生。

圖7 冷卻系統(tǒng)

1.5 排氣系統(tǒng)

由于低壓鑄造金屬的型腔是封閉的，既不像砂型具有較好的透氣性，也不像一般重力澆注通過冒口等進行排氣，低壓鑄造型腔的排氣會影響鋁液充填過程及鑄件成型質量。低壓鑄造?？赏ㄟ^分型面、推桿等處的間隙、排氣槽和排氣塞等實現(xiàn)排氣。

排氣系統(tǒng)中的排氣尺寸設計應有利于排氣但又不溢料為原則，合理的排氣系統(tǒng)能防止鑄件出現(xiàn)充填不滿、表面疏松、強度低等缺陷。在澆注過程中鋁液最后的充填區(qū)域，如側面的搭子和上模的冒口，均需設置排氣。針對低壓鑄造實際過程中鋁液容易流進排氣塞縫隙，導致開模時把氣塞拉出的情況，進行數(shù)次嘗試和改進后采用3種方法：方法一采用粉末冶金燒結式氣塞，如圖8（a）所示，缺點是制造成本高；方法二采用縫隙0.1 mm的線縫式排氣塞，如圖8（b）所示，缺點是噴涂料后排氣縫容易堵塞；方法三采用線切割式排氣塞，排氣塞縫隙為0.15~0.2 mm，如圖8（c）所示，缺點是加工效率低，制造成本高。需要根據(jù)鑄件的實際區(qū)域選擇不同的排氣塞，一般燒結式和線切割式排氣塞用于鑄件型腔部位，線縫式用于砂芯頭部位。

圖8 3種適合低壓鑄造的排氣塞

1.6 加熱系統(tǒng)

鑄件體積大且壁厚薄，在模流分析中充填的最末端處鋁液流動速度不足，原因是鋁液因流動距離過長，溫度下降，鋁液提前固化而失去流動能力，出現(xiàn)冷隔或澆注不足的現(xiàn)象，上模冒口也會達不到補縮的作用基于這些問題，在不改變鑄件壁厚和形狀的前提下，提高鋁液溫度和模溫，提升鋁液的流動性，解決冷隔或澆注不足的問題，但是過高的鋁液溫度和模溫會產(chǎn)生新的熱結或縮松，導致鑄件加工后平面針孔度超標，因此需要選擇合適的鋁液溫度和適當?shù)哪＞邷囟?。根?jù)經(jīng)驗，鋁液溫度控制在720℃左右，模具溫度控制在320~350℃C。

針對此鑄件體積大、壁厚薄且高度低的特點，在模具上模部分設置了加熱系統(tǒng)，如圖9所示，火焰方向對著模具底面和側面，對鑄件的底平面和側面進行加熱，結合現(xiàn)場澆注情況，調整加熱時間和火焰大小，將上模部分的溫度控制在320~350 ℃，保證鋁液的流動性在合理范圍，使鋁液充滿型腔和冒口。在實際使用過程中，加熱系統(tǒng)可以有效保證鋁液的流動性。