新能源汽車鋁合金電機殼的工藝優化

郝長順，程俊明，李勝君，姜 麗，張興君

（1.遼寧沿海精密裝備有限公司，遼寧營口 115009；2.新程（營口）精密設備有限公司，遼寧營口 115009）

全球能源與環境危機促使國際汽車技術更新換代，為我國新能源尤其是電動汽車自主創新帶來了重大戰略機遇[1]。鋁合金電機殼作為新能源汽車的關鍵部件，其結構復雜，性能要求高，筆者單位承接了國內某電機企業新能源汽車鋁合金電機殼的生產訂單。

鋁合金電機殼材質為ZL101A，重24kg，鑄件外側有多處凸臺，上側壁厚27.5mm，下側壁厚32mm，中間側壁內有8.5mm 寬的螺旋水道，如圖1 所示。鑄件內腔、上下端面和凸臺端面都加工，不得有氣孔、縮松、夾渣等缺陷。氣密性要求≥0.6MPa 不漏氣。

圖1 電機殼鑄件

1 原工藝方案

鑄件上下兩側和外側凸臺為厚壁區域，在鑄件凝固過程中會產生熱節，而中間水道處為薄壁區域。鑄件壁厚差較大，很難實現順序凝固，易產生縮孔、縮松等缺陷。原方案針對該鑄件結構特點，采用低壓鑄造，外型和內腔使用金屬型，螺旋水道使用砂芯，內側四個邊冒口，底部設有十字澆道，如圖2 所示。

1.1 原方案模擬

對原方案進行模擬，凝固過程如圖3 所示。22s 時鑄件開始凝固，292s 時鑄件完全凝固。凝固過程中鑄件厚壁區域形成熱節，在圖示A、B、C 部位補縮通道中斷，形成封閉的液態孤立區域。鑄件未實現順序凝固，有形成縮松的傾向。

圖3 原方案凝固過程

1.2 實際生產中的問題

部分鑄件加工后在有凸臺對應的內腔和端面出現縮松缺陷（見圖4、圖5），廢品率較高。且由于內側四個邊冒口收縮受阻，鑄件生產時鐵芯脫模困難，生產效率低。

圖4 內腔缺陷

圖5 端面缺陷

2 方案優化

原鑄件如圖6 所示，壁厚差較大，A、B、C、D、E為五處厚壁區域。其中A 處不利于設置冒口補縮，B、C、D、E 處與冒口組合形成的熱節超過了冒口的補縮能力，沒有建立起熱節與冒口間的溫度梯度，鑄件難以實現順序凝固。而且鑄造合金都有一臨界壁厚，當鑄件壁厚超過臨界壁厚以后，鑄件的強度并不按比例隨壁厚增加而增加，而會顯著降低[2]。故在征得用戶同意的情況下，對鑄件厚壁區域進行結構微調，減重處理以減小鑄件凝固過程中的熱節，優化后鑄件見圖7。

圖6 原鑄件

圖7 優化后鑄件

根據模擬結果，針對B、C 處與橫澆道相交部位補縮通道中斷，將橫澆道向上移動，與B、C 處直接連通，這樣也減小了橫澆道與鑄件上端的距離，縮短了冒口所需要補縮的距離。由于鑄件減重后D、E 處熱節減小，將四個邊冒口更改為帶有拐折的補貼，不僅利于鑄件至上而下的凝固順序，減小了澆注系統體積，縮短凝固時間，也有利于脫模，可大幅度提高工藝出品率和生產效率。優化后澆注系統見圖8。

圖8 優化后澆注系統

2.1 優化方案模擬

對優化后方案進行模擬，凝固過程如圖9 所示。在凝固過程中，鑄件通過補貼、橫澆道與直澆道形成補縮通道，且凝固的擴張角始終向著澆道方向，有效地建立起熱節與冒口間的溫度梯度，實現了順序凝固。

圖9 優化方案凝固過程

2.2 生產驗證

以生產驗證的情況看，鑄件的凝固時間減少，脫模也較原方案容易，經過X 射線探傷無鑄造缺陷。鑄件加工后，加工面組織致密無缺陷，氣密檢測合格。

原方案鑄件帶澆注系統47kg，工藝出品率為51%，生產1 件平均需要20min，優化方案鑄件帶澆注系統35kg，工藝出品率為69%，生產1 件平均需要15min。同樣1t 的鋁合金液，7h 的生產時間，原方案可生產21 件，優化方案可生產28 件。優化方案大幅度提高了工藝出品率和生產效率，降低了生產成本。優化方案生產的鑄件見圖10，加工后成品見圖11。

圖10 優化方案生產的鑄件

圖11 加工后成品

后續采用此方案生產了1000 余件，不合格品不到40 件，鑄件合格率在96%以上。

3 結論

（1）通過優化鑄件結構，減小鑄件凝固過程中的熱節，不僅有利于提高鑄件內部質量，也可使產品用料減少且外形美觀。

（2）通過優化工藝方案，使用補貼代替邊冒口，不僅有利于鑄件實現順序凝固，提高產品質量，也可提高工藝出品率和生產效率，降低成本。