電動(dòng)汽車鋁合金電池托盤低壓鑄造模設(shè)計(jì)

電池是電動(dòng)汽車的核心部件，其性能決定電動(dòng)汽車的續(xù)航、能耗、使用壽命等技術(shù)指標(biāo)，而電池模塊中電池托盤是起到承載、保護(hù)、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(guò)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(dòng)汽車重要的安全結(jié)構(gòu)件，以下介紹電動(dòng)汽車鋁合金電池托盤的成型工藝和模具設(shè)計(jì)。

圖1 鋁合金電池托盤

1 工藝分析和模具設(shè)計(jì)

1.1 鑄件分析

電動(dòng)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(zhì)量約15.5kg，加工后鑄件質(zhì)量約12.5 kg，材質(zhì)為A356-T6，抗拉強(qiáng)度≥290MPa，屈服強(qiáng)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

1.3 澆注系統(tǒng)

針對(duì)鑄件尺寸大且薄的特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)多個(gè)澆口，同時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了2種工藝方案，并對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示，方案一布置9個(gè)澆口，在窗口處增加補(bǔ)縮通道；方案二布置6個(gè)澆口，從待成型鑄件側(cè)面進(jìn)澆。CAE仿真分析如圖4、圖5所示。利用模擬結(jié)果優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，盡量避免模具設(shè)計(jì)對(duì)鑄件質(zhì)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(kāi)發(fā)周期。

圖3 低壓鑄造2種工藝方案對(duì)比

圖4 充填時(shí)溫度場(chǎng)對(duì)比

圖5 凝固后縮松缺陷對(duì)比

綜上所述2種方案從模擬結(jié)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(guò)加強(qiáng)冷卻等途徑解決。

方案優(yōu)點(diǎn):從模擬充填時(shí)鋁液的溫度看，方案一成型的鑄件遠(yuǎn)端溫度相對(duì)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(méi)有如方案一的澆口殘留，縮松情況優(yōu)于方案一。

結(jié)合各種因素分析，澆注系統(tǒng)選擇方案二，針對(duì)方案二的缺點(diǎn)，在模具設(shè)計(jì)中對(duì)澆注系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)進(jìn)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(xué)性能要求高的區(qū)域需要設(shè)置合理的冷卻或補(bǔ)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(huì)影響凝固，針對(duì)其重要部位，設(shè)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(shí)間需要在澆注現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，保證遠(yuǎn)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(dá)到補(bǔ)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(shí)際澆注過(guò)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(guò)冒口等進(jìn)行排氣，低壓鑄造型腔的排氣會(huì)影響鋁液充填過(guò)程及鑄件成型質(zhì)量。低壓鑄造?？赏ㄟ^(guò)分型面、推桿等處的間隙、排氣槽和排氣塞等實(shí)現(xiàn)排氣。

排氣系統(tǒng)中的排氣尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)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(qiáng)度低等缺陷。在澆注過(guò)程中鋁液最后的充填區(qū)域，如側(cè)面的搭子和上模的冒口，均需設(shè)置排氣。針對(duì)低壓鑄造實(shí)際過(guò)程中鋁液容易流進(jìn)排氣塞縫隙，導(dǎo)致開(kāi)模時(shí)把氣塞拉出的情況，進(jìn)行數(shù)次嘗試和改進(jìn)后采用3種方法：方法一采用粉末冶金燒結(jié)式氣塞，如圖8（a）所示，缺點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是加工效率低，制造成本高。需要根據(jù)鑄件的實(shí)際區(qū)域選擇不同的排氣塞，一般燒結(jié)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(dòng)速度不足，原因是鋁液因流動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)，溫度下降，鋁液提前固化而失去流動(dòng)能力，出現(xiàn)冷隔或澆注不足的現(xiàn)象，上模冒口也會(huì)達(dá)不到補(bǔ)縮的作用基于這些問(wèn)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(dòng)性，解決冷隔或澆注不足的問(wèn)題，但是過(guò)高的鋁液溫度和模溫會(huì)產(chǎn)生新的熱結(jié)或縮松，導(dǎo)致鑄件加工后平面針孔度超標(biāo)，因此需要選擇合適的鋁液溫度和適當(dāng)?shù)哪＞邷囟?。根?jù)經(jīng)驗(yàn)，鋁液溫度控制在720℃左右，模具溫度控制在320~350℃C。

針對(duì)此鑄件體積大、壁厚薄且高度低的特點(diǎn)，在模具上模部分設(shè)置了加熱系統(tǒng)，如圖9所示，火焰方向?qū)χ＞叩酌婧蛡?cè)面，對(duì)鑄件的底平面和側(cè)面進(jìn)行加熱，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)澆注情況，調(diào)整加熱時(shí)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(dòng)性在合理范圍，使鋁液充滿型腔和冒口。在實(shí)際使用過(guò)程中，加熱系統(tǒng)可以有效保證鋁液的流動(dòng)性。

圖9 加熱系統(tǒng)

2 模具結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)低壓鑄造工藝，同時(shí)結(jié)合鑄件特點(diǎn)和設(shè)備結(jié)構(gòu)，為保證成型鑄件留在上模，將前、后、左、右的抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在上模，鑄件成型凝固后，首先上、下開(kāi)模，然后4個(gè)方向抽芯，最后上模頂板推出成型鑄件，模具結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 模具結(jié)構(gòu)