摘要

新能源汽車電池蓋作為超大型一體化壓鑄件，尺寸大，壁薄，深腔區域多，鑄造工藝要求高。采用成熟方案和經驗公式設計流道布局。結合壓鑄工藝參數，基于多次迭代進行模流分析，借助抽真空方案，達到最佳填充效果，鑄件氣孔率從3%~5%降至0.5%，抗拉強度提升15%~20%。采用模具加熱冷卻結構布置方案，借助CAE仿真溫度分布，集成水溫機、油溫機和點冷機交互控制，利用紅外線成像技術實時監控，最大程度實現模具熱平衡。根據X射線探傷和多組鑄件測試結果顯示，產品內部缺陷檢測合格率達到98%。

新能源汽車電池蓋是動力電池包（尤其是方形或軟包電池模組）的關鍵結構部件之一，主要用于保護電池模組、密封內部環境和協同安全設計，并直接影響電池包的可靠性、壽命和安全性，是融合結構強度、密封、熱管理和安全冗余于一體的核心部件。其設計直接影響電池包的壽命、安全性和成本，未來隨著材料與工藝進步，將更趨輕量化、智能化和高集成化。

新能源汽車電池蓋尺寸大，通常屬于超大型壓鑄件，其一體化壓鑄工藝需要超大型壓鑄模具技術。超大型壓鑄模具有很多技術難點，包括整體剛度與抗變形、模具材料與壽命、成型工藝與缺陷控制等。目前普遍采用的解決方案有模溫智能控制技術和真空壓鑄技術等。模溫智能控制技術核心是多區域獨立控溫，實時感知，閉環調節，解決超大模具溫差大、熱不平衡、鑄件缺陷多和模具壽命短的問題。真空壓鑄技術通過強密封、快抽氣和精準時序控制實現超大型模具型腔高真空，從源頭減少氣孔缺陷，提升一體化壓鑄件性能與良品率。

浙江華朔科技股份有限公司與寧波職業技術大學緊密合作，以某新勢力品牌動力電池包的電池蓋為研究對象，設計超大型一體化壓鑄模具，重點考慮填充和熱平衡兩大因素，為類似超大型壓鑄模具開發提供借鑒。

01 結構特點及工藝要求

圖1是某款國產新能源汽車動力電池包的電池蓋。電池蓋尺寸約為1 337 mm×415 mm×246 mm，平均壁厚約為8 mm，體積為5 483 825 mm3，質量約為14.8 kg，屬于超大型壓鑄件。

圖1 電池蓋

產品材料為鋁合金，牌號為AlSi10MnMg，特點是合金熔體粘度低，流動性好，收縮率約為1.0%~1.2%，不易產生鑄造裂紋，適配高壓壓鑄（HPDC）工藝；耐腐蝕性能佳，適用于大氣、淡水或輕度腐蝕環境；硬度適中，切削阻力小，適合機加工修正尺寸；材料成本低，相比鍛造鋁合金（如6061）或高性能鑄造合金（如AlSi12Cu），成本降低20%~30%。AlSi10MnMg的高壓壓鑄特性、良好的綜合力學性能和成本優勢使其成為汽車輕量化的首選材料，廣泛應用于新能源汽車的關鍵結構件。

根據圖1所示的電池蓋的結構特點、外形尺寸以及壁厚可知，產品存在強度不足、穩定性差的缺點，因此在電池蓋全區域設計了縱橫交錯的加強筋，而加強筋的存在與電池蓋主體結構形成了很多個深腔區域（圖2），最大的深度達到了約60 mm。這些區域的存在提高了產品在生產過程中出現鑄造缺陷的概率。

圖2 深腔

由于電池蓋屬于超大型壓鑄件，產品所有區域很難達到統一標準的鑄造工藝要求，所以劃分了重點區域，這些區域的工藝要求相對較高。如圖3所示的藍色和綠色區域設計為裝配和定位功能，工藝要求平面度不得大于0.2 mm，表面粗糙度要求小于30 μm，不得有任何氣孔縮孔現象。這些平面上分布很多小孔和不規則孔，這些孔的存在使得金屬鋁液的流動處于非常復雜和不規則的流動狀態，將導致這些平面在鑄造過程中很難完整成形。因此模具設計的時候，藍色和綠色平面的孔進行封閉，鑄件成形之后進行機加工。此外，電池蓋不同位置分布數量不等的螺紋孔，螺紋孔的功能是裝配連接，強度必須滿足一定要求，機加工前3牙不得有氣孔。

圖3 重點區域

02 產品填充

圖4 流道布局

根據產品結構特點以及工藝要求，結合經驗確定了如圖4所示的最優流道布局，設計原則如下。

1）優先填充產品“高工藝要求”區域結構；

（2）澆口位置盡量設置在產品厚壁區，利于壓力傳遞和補縮，避免薄壁處因快速冷卻導致澆不足或冷隔缺陷；

（3）保證金屬液平穩填充模具型腔，避免填充過程中的分流、紊流和卷氣，從而降低氣縮孔風險；

（4）澆口尺寸合理配置，防止進料填充速度過大或者過小；

（5）澆口位置設置兼顧遠端充填效果，防止局部過熱或充型不足；

（6）澆口后續容易去除。

其中直澆道（沖頭）直徑，橫澆道截面形狀和尺寸，內澆口截面積、厚度和寬度，溢流槽的尺寸均可參考成熟的計算公式和經驗數據。

此外，一體化壓鑄模尤其是超大型壓鑄模澆注系統設計中，流道尺寸控制有一個非常重要的經驗公式值得推廣與借鑒，如圖5所示。圖中S表示沖頭直徑，S1~S10表示各級橫澆道的截面積，S11~S14表示各內澆口截面積。沖頭直徑與內澆口截面積的相互關系要遵循式（1）。

式中：V1為沖頭速度，V2為內澆口金屬熔體速度。

圖5 流道尺寸控制

澆道布局設計完畢之后，結合壓鑄工藝參數，利用MAGAMSOFT軟件進行填充過程模擬分析，多次迭代優化以求最佳填充效果。主要壓鑄工藝參數如表1所示。

表1 主要壓鑄工藝參數

圖6是填充過程溫度分布圖。根據壓鑄工藝要求，填充過程的溫度不得低于材料液相線溫度。查詢熱物性手冊和壓鑄標準可知，鋁合金AlSi10MnMg的液相線溫度介于575~587 ℃，合金元素含量的不同和材料雜質的存在會使液相線溫度升高5~10℃，因此電池蓋液相線溫度約為595 ℃。由圖6的分析結果可知，填充全過程未出現淺藍色區域，大部分區域溫度介于660~680 ℃之間。

圖6 溫度場

圖7是填充過程氣壓分布圖。理論上鑄件氣壓不得高于0.3 MPa，高于0.3 MPa產生鑄造缺陷的概率大幅度增加。圖7顯示氣壓介于28×10¯³ MPa和45×10¯³ MPa之間，填充時金屬液卷入的空氣以及脫模劑的揮發導致真實的氣壓可能會稍微高一點。對于超大型一體化壓鑄件，這種氣壓良品率還是偏低。目前有效的解決方法是真空壓鑄，型腔真空度穩定維持在<5×10¯³ MPa。

圖7 氣壓場

圖8是模具設計的抽真空方案，電池蓋左右兩側各一個真空閥，料筒抽氣口也布置一個真空閥（圖中未顯示）。每個真空閥連接排氣塊、驅動油缸和過濾嘴，形成一套完整的抽真空系統。模具動定模、銷子、頂桿和料筒等采用密封措施，保證模具型腔密封性能。抽真空時，外部真空系統（低壓環境）啟動，形成壓力差，推動型腔內氣體向閥門流動，同時多閥協同與毫秒級響應，使得復雜型腔實現90%以上真空度。根據測試，鑄件內部氣孔率從3%~5%降至0.5%，抗拉強度提升15%~20%。

圖8 抽真空方案

超大型壓鑄模具需要匹配大型壓鑄機進行生產，目前配備力勁IMPRESS系列2500T、3000T和4500T三臺壓鑄機。壓鑄機選型由鎖模力決定，鎖模力可通過公式（2）計算。

式中：F為鎖模力，N；P為鑄造壓力，MPa；A為鑄件在分型面上的投影面積，包括型腔和澆排系統面積，通常按照產品投影面積的1.3倍，m²；K為安全系統，1.1~1.3，超大型選擇1.3。

利用軟件測算出產品在分型面上投影面積約為0.29 m²，則A取值0.377 m²，鑄造壓力為70×106 MPa，代入公式（2）可得鎖模力為34.3×106 N，即3 450 t。因此電池蓋壓鑄模具必須選擇力勁4500T壓鑄機。

03 熱平衡

壓鑄件成形階段，壓鑄模具內所建立的溫度場分布是否穩定與均衡，對壓鑄件的內外質量、生產效率和模具使用壽命都有重要的影響，直接關系生產成本和經濟效益。

目前解決一體化壓鑄模溫控制的方法，除借助CAE仿真軟件分析溫度分布外，還需要模溫控制島和紅外線成像技術等措施實現模具熱平衡。

電池蓋這種超大型一體化壓鑄件，形狀復雜，表面積巨大，成形流程很長，模具各個部位的溫度極不平衡和均勻。靠近澆口和流道附近區域溫度過高，鑄件易產生氣泡、收縮、拉傷和粘模等缺陷，急需降溫散熱；靠近模具末端，模溫相對較低，進入金屬溶液流動較慢，鑄件易產生澆不足、冷隔、氣孔、流紋和破裂等缺陷，需要對模具加熱升溫。

根據上述原則，設計了如圖9所示的模具加熱冷卻結構，包括定模水路和動模水路。為了維持模具整體熱平衡，料筒四周以及流道澆口附近區域需要降溫，采用冷卻水控制；遠離流道區域處于模具遠端則需要通過模溫機進行加熱升溫。

圖9中的定模水路藍色水管就是冷卻水路，為達到最佳冷卻效果，料筒周圍采用了多層環繞型冷卻水路，動模水路中靠近流道區域也采用對應的冷卻水路。冷卻水路分別與定模水管快換總成和動模水管快換總成連接，定模水管快換總成和動模水管快換總成分別與對應的水溫機相連。

圖9 模具加熱冷卻結構布置

模具其他需要升溫的區域設置了定模油溫管和動模油溫管，油溫管分別與定模油溫快換總成和動模油溫快換總成連接，定模油溫快換總成和動模油溫快換總成連接分別與對應的模溫機相連。

此外，電池蓋分布著數量眾多的如圖2所示的深腔區域，區域內部的溫度很難控制，為此在定模水路和動模水路設計了大量的點冷水路。CAE分析證明，點冷水路冷卻效果明顯，如圖10對比所示。

圖10 模芯截面溫度分布模擬對比

新能源汽車電池蓋超大型壓鑄模具硬件上采用模溫控制島，水溫機、油溫機、點冷機交互控制。在系統參數上采用高速低壓模式，根據溫度壓力傳感器控制集成水溫機、模溫機和點冷機，對料餅和流道位置采用水溫機控溫105 ℃，通過水的大比熱容在70 ms內進行降溫。隨著產品壓鑄動態中流長比的增加產生溫降，通過油溫機從100 ℃到300 ℃的調溫能力進行溫度補償。利用高壓點冷的降溫能力，將局部厚大部位提升冷速以確保鋁液填充中動態補縮。這些參數控制通過集成系統自動控制，利用熱成像監控模溫的受控狀態，采用視覺成像儀和3D數模集成對比，確保產品結構和設計一致性。圖11是通過紅外熱成像拍攝的模具生產時的實時溫度分布。

圖11 熱成像溫度分布

從圖11實時溫度分布可知，通過冷卻水降溫和模溫機升溫，鑄件附近溫度基本介于140~190 ℃之間，對應顏色基本為紅色和黃色，無極端低溫藍色區域。這種溫度的分布符合設計預期，產品產生缺陷的概率降至很低的水平。

04 模具結構

新能源汽車電池蓋壓鑄模具結構如圖12所示。主要結構包括主滑塊1和2，主滑塊同側各附帶3個用于圓孔抽芯的小滑塊，小滑塊固定于主滑塊，與主滑塊同步運動。產品兩側各有一個完全對稱的側滑塊5和6，每個側滑塊與一個真空閥相鄰，真空閥與溢流槽相連，填充過程通過真空閥對型腔抽真空。主滑塊相反方向布置了3個獨立的小孔滑塊7、9和10。主滑塊1和2、側滑塊3和4固定于動模板，小孔滑塊7、9和10固定于定模板，所有滑塊均采用油缸驅動。

圖12 模具結構

如前所述，電池蓋長寬尺寸達到1 337 mm×415 mm，動模芯尺寸達1 800 mm×730 mm，這種大尺寸的模芯質量精度很難控制，因此將動模芯設計為分體式結構。由于左側動模芯與右側動模芯僅通過螺釘與動模板固定，在壓鑄過程時，兩側模芯有可能受力發生分離，因此模芯交界處設計了一個連接桿，其作用是緊固拉緊兩側模芯。定模芯也采用類似設計。

圖13 動模芯結構

05 產品檢驗

壓鑄件產品檢驗是確保產品質量符合設計要求和使用標準的關鍵環節，主要涵蓋外觀質量、尺寸精度、內部缺陷、力學性能及表面處理質量。

外觀質量檢驗是指目視或借助放大鏡檢查鑄件表面是否存在氣孔、縮孔、裂紋；尺寸精度檢驗是指機加工后對關鍵尺寸進行測量，確保在圖紙規定的公差范圍內；內部缺陷檢驗是指采用X射線探傷、超聲波探傷和滲透檢測等方法，檢查鑄件內部是否存在氣孔、縮松、夾雜和裂紋等缺陷；力學性能及表面處理質量是在內部缺陷檢驗合格之后的各種測試。

圖14是壓鑄成型后電池蓋產品實物，圖15是新能源汽車電池蓋壓鑄件采用ASTM E505參考射線圖譜標準進行X射線探傷檢驗結果。多組測試結果顯示，鑄件內部缺陷檢驗合格率接近98%，壓鑄產品合格率高于95%。

圖14 電池蓋產品

圖15 不同部位X射線探傷檢驗結果

06 結論

（1）新能源汽車電池蓋壓鑄模具的流道布局，結合壓鑄工藝參數，利用CAE分析多次迭代，結合溫度分布、氣壓分布和抽真空方案，獲得了最佳的填充效果。

（2）模具加熱冷卻結構布置方案，通過CAE仿真軟件分析，采用水溫機、油溫機和點冷機交互控制，利用紅外線成像技術實時監控，最大程度實現模具熱平衡。

（3）該鑄件的填充和熱平衡方案可為其他超大型一體化壓鑄產品的研發提參考與借鑒。

作者

崔杰1，鄧楊全1，王峰1，王曉威1，夏天2

1. 浙江華朔科技股份有限公司

2. 寧波職業技術大學

本文轉載自鑄造雜志