新能源汽车铝合金电机壳的工艺优化

崔思岚

摘 要：针对外部多个凸起、内部多个螺旋通道的新能源汽车用铝合金电机外壳铸造存在壁厚差大、难以连续固化、局部存在缩松等问题。通过对连铸工艺的仿真，得出了连铸后的补缩通道出现了断裂，没有在热接头到冒口之间建立温度阶梯，出现了缩松现象的结论。在得到了客户的认可后，对铸造结构进行了改进，减少了在凝固时产生的热节点，同时对采用“补气”替代“边冒”的技术方案进行了改进。在此基础上，通过计算机仿真，得到了最优的工艺参数，并完成了连续凝固。经实践检验，不仅解决了缩松问题，还使制程合格率、生产率、成本等方面有了较大的提高。

关键词：铝合金电机壳 工艺优化 新能源汽车

1 引言

在全球能源和环境危机的推动下，世界各国的汽车技术不断升级，这给我们的新能源特别是电动汽车的自主创新提供了重要的战略机会。新能源汽车用铝合金电气外壳是一种具有高强度、低成本等特点的新型汽车用铝合金电气外壳。而铝合金因其众多的优势，在工业中被广泛的使用，它不仅拥有优良的拉伸强度、塑性和韧性，而且还具备很高的经济性和很好的切削加工性能，可以用于制造形状复杂的机械部件。

2 铝合金电机壳的特点与新能源汽车工业的应用优势

2.1 铝合金电机壳的特点

铝电机壳具有两个比较显著的特性：铝电机壳的加工技术要求高，机壳与端盖的同心程度不高；
底板，电磁立波减振效果不佳。由于上述两个特性，使得铝合金电动机的噪音很大，为高品质的产品的制作和制作带来了技术上的困难。这两个优点中，最重要的是铝合金电机机壳和端盖的同心度差，导致铝合金电机壳电机转子产生机械不平衡，在电机运行过程中引起较大的噪声[1]。这一问题必须从铝合金外壳的制造过程来解决。

2.2 铝合金在新能源汽车工业的应用优势

在整车中，总质量超过30%的车辆，因此，降低车辆的自重显得尤为重要。采用铝合金制造的轿车，既减轻了轿车的重量，又不减少了轿车的承载能力。铝合金的致密、机械强度高、易压缩、易弯曲、导热性好，且其表面的氧化薄膜耐腐蚀，因此被认为是新能源汽车的第一选择。铝合金的减震效果比钢铁要好很多，在碰撞中占据了绝对的上风。由于其熔点较低，可在较高温度下重新熔炼，且回收率可达到80%以上，因而易于回收。另外，车辆使用的铝合金有60%都是可回收的，因为它们的特性很容易在高温下被重新熔炼，因此每一吨的铝合金，消耗的能量都会减少90%，消耗的能量也会大大降低[2]。采用铝合金构造的车体，焊接点较少，装车简便，而且不需要进行生锈。

3 高性能压铸合金技术

开发出具有高强韧性能的新一代压铸铝合金，需要在两个方向上进行：一是在已有的普通铝合金的基础上，通过添加合金元素，对其进行结构优化；
二是开发了一种新的铸造用铝合金系统。而一般情况下，新的压铸铝合金必须满足以下要求：①生产2-v4mm组合构造的压铸零件；
②浇注时，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到300 MPa、150 MPa和15%；
③抗腐蚀性能良好；
④可以通过高温喷射技术实现对铝合金的有效增强，并用于工业化生产；
⑤可采用热处理、强化等工艺。⑥环境友好，可回收利用。高强韧的压铸铝合金有 Silafont—36，Magsimal—59，Aural—2，ADC-3，这几种材料由国外开发，其共同特点是含铁量均比普通的压铸铝合金低；
同时，对杂质元素如 Zn和 Ti的含量也进行了严格的控制。主要研究内容有：超轻高强镁合金；
抗高温蠕变镁合金；
当前，国内针对Mg-Li体系的研究主要集中在Mg-Li体系，Li能在一定程度上提高材料的韧性，但不利于材料的力学性能。抗高温蠕变的镁合金主要是通过添加合金元素来进行的，它的效果主要有三个方面：一是通过添加合金元素，使其在基体中生成高熔点的核质点，使其在基体中不均匀成核，达到细化晶粒的目的。二是对晶界进行强化、固化，促使其滑移；
三是强化固溶作用，即在钇及其他元素的固-液界面处，形成强烈的溶质过冷层，抑制初生相的长大，达到细化晶体的目的。而耐腐蚀的压铸镁合金，主要是通过添加一些金属，把它们与机械性能和耐高温蠕变性相结合，从而开发出耐腐蚀性能好、热稳定性好的压铸镁合金；
在镁合金表面进行包覆层、强化、抗氧化、抗介质腐蚀等后期处理。

4 铝合金在新能源汽车工业上面临的问题

4.1 加工性能需改善

因为铝合金的机械性能好，不会轻易的变弯，也不会轻易的承受压力，并且它的稳定性很好，不会轻易的变形，并且它的成形性很低，也不会轻易的变化，因此，在加工上会有一些难度。

4.2 材料成本高

鋁合金因其自身的特性，在新能源汽车中得到了大量的使用，但在使用的过程中，其价格也随之上升。一辆用铝合金制成的汽车，其价格是用钢材制成的3.5倍，这意味着它的造价要比用钢材制成的汽车高出一大截[3]。举个例子，用一种铝合金的原料来制造一吨的汽车覆盖件，一吨的价格是三万八千元，而用相同的钢材来制造一吨的覆盖件，只需要八千元。

5 铝合金壳体压铸工艺分析

5.1 铝合金壳体压铸工艺的控制方法

首先，就是对整个浇注体系进行了改进，改进后的浇注体系分为横浇道与内浇道两部分，由于四个横浇道的金属液在同一时刻注入，但抵达内浇口的时间不同，导致出现混凝现象，因此，改进后的浇注体系，使其横浇道的数量增加到了567毫米，而横浇道的长度增加到了70毫米，横浇道的数量增加到了70毫米。采用流量计法，计算出了内浇口区的面积，结果表明，内浇口区的厚度增加了90.8mm2，厚度增加了3 mm，达到了对内浇口区的控制与降低的目的[4]。其次，为了避免出现“冒烟”现象，对原排水槽、溢流槽进行了改进，将溢流槽从2.0毫米增加到1.5毫米。此外，增设一套冷却系统，即合理的模温循环，并针对铸造的特点，增设一条6 mm的冷却通道，采取部分封闭的方式，并在浇口处设置一圈水套，以缓解浇口处温度过高的问题，并采取焊接的方式。模拟研究发现，在不改变原有结构的条件下，钢液流动更加合理，卷气现象显著减轻，排出效率显著提高，同时降低了钢液流动中的温度梯度，显著降低了钢液在典型截面上的缩孔缩松率。

5.2 基本技术要求

5.2.1 铸件结构

铸造的特殊外形尺寸是1387×90×296毫米，靠近内腔有两个厚度较大的构造，特殊外形尺寸是130×90×42毫米。更重要的是，在铸件上表面，开口较多，机匣内腔中还有一些纵横隔筋，铸件的纵横筋和隔板交错的地方还有许多热节，上端面也有很厚大的热节点，当然，其他地方的壁厚大小也有显著的差别，要真正做到铸件同时固化，或者是按一定的顺序固化。

5.2.2 技术要求

其在航空发动机的使用中，重点是在航空发动机的辅助零件方面，其工作条件相对严苛，受力情况较为复杂，且航空零件的精度要求很高，绝对不允许出现气孔、缩松等缺陷。通常情况下，最常用的是ZL114A合金，它是一种高强度的铝合金，具有良好的可切削性，而且它的晶化温度范围很大，可以将工作温度提高到90℃以上，而且它的熔化能力很强，不容易产生热裂纹[5]。但是，为了防止在结构复杂的机盒类铸件中出现疏松、欠铸等问题，在加工过程中，可以适当地添加冷铁和冒口，进行淬冷和补缩，从而构建出一个稳定的连续固化条件，从而保证铸件能够得到精确的组织，从而更好地展现出材料本身的强度。

5.3 工艺方案设计

5.3.1 工艺方法

当前，世界各国在进行大尺寸铸件的生产过程中，为了确保熔体中的金属液体能够被很好地填充，并且在某种意义上产生了一个适当的温度梯度。相关人员也要根据实际生产需要，尽量降低由于自重而产生的钢液飞溅。但在充型过程中，因混凝流动，使气相二次氧化，形成了空洞缺陷。

5.3.2 浇注系统

一般情况下，模具的外形大多是长条形，工作人员可以根据模具的结构特点，采用槽形浇铸，同时还可以设计内浇道和横浇道，将内浇道连接到升液管端口，这样，铁水就可以由横浇道流入模具腔室，并通过内浇道来实现模具腔室的填充。在定位上，因为铸造的位置的差异，对铸件的冶金质量和铸造工艺也有很大的影响，所以，相关的工作人员可以根据特定的水平和垂直浇注的位置进行判断，为今后的工作提供了有利的条件[6]。例如，垂直浇注的优势在于：首先，可以在铸件两侧采用一条直缝浇注系统，使得熔池内的温度分布更加均衡，能够确保液态铝的流注，并且能够排除掉一部分的杂质和气体。第二种方式是在模具中使用淬火砂石和冷铁，以实现对铸造过程中的局部冷却速度的控制，以得到更加准确的铸造组织。第三，可以帮助制造出完全型心，保证了铸造过程中所需的高精度。

5.3.3 参数选择

在具体的选择过程中，应考虑到升液速率、充型速率以及外壳的压力等因素。首先在提升速度上，着重研究提升装置中金属液的提升速度，使其在提升过程中既能实现抽提，又能避免金属液冒口，方便卸载。其次，在浇注速度的确定方面，主要反映了浇注过程中金属液体的上升速率。采用传统的无约束铸造工艺，无法对铸造过程进行有效的控制，无法防止铸造过程中出现的氧化、夹渣等问题。

6 复杂铝合金铸件铸造工艺优化效果

6.1 改进后的工艺方案

导致机匣浇注松弛缺陷的根本原因在于，与其相关的构件周围已经完全固化，但真实的间隙补缩范围很小，而且裂缝之间的间隔过大，导致补缩源无法实现补缩，在浇注过程中，固态机匣已经形成并发生了线性收缩，当收缩受到阻碍时，又会产生新的应力。在铸造过程中，由于受到的总的压力或者变形的现象超过了其所能承受的范围，因此，在铸造过程中，也可能发生热裂[7]。针对复杂铝合金铸件纵向筋板厚相差较大，浇注时极易出现过热的问题，提出了通过合理的技术路线，加快熔体凝固速率，实现工艺路线的最优。

6.2 试验结果

按照改进后的技术规程，对连铸过程中存在的问题进行了分析，认为主要是由于连铸过程中出现了裂纹后无相应的补缩源，且部分大厚度部位出现了“热节点”等。由于墙体构造、厚度等因素限制，局部部位的墙体厚度相对较小，局部部位的墙体厚度过大，导致竖向钢筋发生冷凝，且收缩不充分，尤其是横向与纵向交接部位，由于浇筑顺序紊乱，最终导致竖向钢筋缩松。

7 铝合金在新能源汽车工业的发展趋势

7.1 新的设计方法

新能源汽车用铝材料的开发主要有两个方向：一是提高铝材料的成形技术，二是提高铝材料的熔炼、铸造、热处理等。为推动铝合金薄板的成型与制造，提升其在车辆上的可靠性与实用性提供理论依据。另一方面，是对新产品的研究与开发，目前正在对多种铝合金产品与铝合金材料进行研究与开发。在这过程中，对铝合金部件的设计方法、结构算法、焊接工艺等进行了研究与开发，从而使铝合金材料的各项性能得到了提升，并使其在新能源汽车上的应用得到了推广。采用全无框式车体取代传统的钢架车体，并构建完整的铝合金车体数据库，对我国汽车产业的发展起到了推动作用。

7.2 新型铝合金开发

随着铝材的使用和发展，铝材的优点日益突出。在今后，将会制造出具有更强的抗腐蚀、抗疲劳以及更低的制造成本的新的铝合金材料。对转向器和各类零件进行研究，并对其进行耐腐蚀能力和承压能力都有很大的提升。为适应新能源汽车本身重量轻、实用性强等特点，需进行锻造及高强度铝合金板的制备。

7.3 新的连接技术

随着新能源汽车的发展，铝合金的应用越来越广泛，而铝合金的焊接技术也将对其应用产生重要的影响。目前，大多数的轿车的车身都使用了焊接工艺，但由于铝合金的可焊性低于钢铁，所以在铝合金上的焊接工艺要比钢铁要难得多，而在其覆盖件上的铝合金则是使用了焊接工艺，这大大提高了工艺的难度。因此，如何提高铝合金板材在汽车上的可焊性能，以及如何改善其焊接质量，就成为了一个亟待解决的问题。目前，国内外已有不少国家开发出了用于铝合金的点焊工艺，使其在新能源汽车中的使用得到了极大的改善。

8 结语

综上所述，由于铝合金壳体的压铸工序比较长，而且整個工序比较难以控制，所以为了减少铸件的质量问题，需要对压铸工艺进行深入的研究，并对压铸方案和工艺参数进行优化，从而对目前的生产状况进行改进，从而提升铝合金壳体铸件的合格率，从而为其它大型壳体的批量、高质量生产积累经验，打下良好的基础。在中国新能源汽车产业的快速发展过程中，大量使用了铝合金材料。本文从铝合金材料的优势、研发、生产工艺等方面进行了详细的分析。要想将铝合金材料大批量应用到汽车工业上，要对其使用成本进行充分的考虑。由于铝合金壳体的压铸工序比较长，而且整个工序比较难以控制，所以为了减少铸件的质量问题，需要对压铸工艺进行深入的研究，并对压铸方案和工艺参数进行优化，从而对目前的生产状况进行改进，从而提升铝合金壳体铸件的合格率，从而为其它大型壳体的批量、高质量生产积累经验，打下良好的基础。

参考文献：

[1]陈鹏飞，米国发，王有超，王凯，周志杰.铝合金壳体压铸工艺设计及优化[J].特种铸造及有色合金，2019，39（01）：49-52.

[2]裴红蕾.铝合金汽车方向机壳体压铸工艺优化[J].热加工工艺，2018，47（11）：79-83.

[3]熊博文，万红.铝合金节温器壳体压铸工艺数值模拟与优化[J].特种铸造及有色合金，2017，37（08）：869-872.

[4]李龙，夏承东，宋友宝，周德敬.铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望[J].轻合金加工技术，2017，45（09）：18-25+33.

[5]林明松.新能源汽车铝合金材料工艺及应用一一评一线技术专家倾力编写的《新能源汽车铝合金材料工艺及应用》[J].铸造，202170（12）：1491.

[6]孙伟，王玲.铝合金锻造技术在汽车工业中的应用[J].锻造与冲压，2021（15）：20-24.

[7]蒋玉秀，王丽君.汽车工业中的铝合金及其焊接技术[J].电焊机，2012，42（04）：109-112.

猜你喜欢工艺优化新能源汽车索氏抽提法提取酸枣仁油的研究吉林农业·下半月(2016年11期)2017-01-09深圳港铜鼓航道常年维护疏浚工程的安全措施水运管理(2016年11期)2017-01-07航空发动机精密轴承座加工技术应用中国新技术新产品(2016年23期)2016-12-26比亚迪新能源汽车的市场竞争环境及战略分析中国市场(2016年32期)2016-12-06阿奇霉素分散片的制备及质量研究科学与财富(2016年26期)2016-12-01浅谈新能源汽车的概况和发展科学与财富(2016年15期)2016-11-24关于新能源汽车发展的若干思考大经贸(2016年9期)2016-11-16基于新能源汽车产业发展对汽车专业人才培养的思考中小企业管理与科技·上旬刊(2016年10期)2016-11-15基于DELMIA的汽车装配工艺仿真与优化科学与财富(2016年28期)2016-10-14