原標題：電動客車水冷機殼低壓鑄造工藝設計與優化

摘 要：針對電動客車電動機殼體直徑較大、內壁筒狀水套范圍廣和壁厚不均勻等特點，分析了水冷機殼的復雜結構及筒狀砂芯對鋁合金低壓鑄造順序凝固的影響。設計低壓鑄造澆注系統、模具結構和工藝參數。通過AnyCasting軟件模擬鑄件凝固過程，預測壁厚不均勻產生的熱節和砂芯分隔作用形成的孤立液相情況，以及由此引發部分位置容易出現的縮松縮孔等缺陷。探究如何采用鈹銅鑲件、水冷鑲件和氣冷管等優化措施調整凝固速度，提高鑄件內部組織成形致密度及生產質量。

相比一般的小型電動轎車，載客量更多的大型電動客車電動機功率較大，殼體直徑也更大，驅動電機行駛過程中會產生更多的熱量。因此需要在其鋁合金殼體零件內部設計更大范圍的水套結構，形成內壁中空的大面積冷卻水道，通過循環冷卻控制電動機內部溫度，提升電動機的最高轉速和持續工作時間。

1.水冷機殼體結構

圖1為某低壓鑄造生產的電動客車水冷機殼，其外形是直徑為320 mm，高為260 mm的圓筒形狀；鑄件壁厚為4~8 mm，鑄件材質為A356鋁合金。機殼內壁做成了中空圓筒形狀環繞的冷卻水套，冷卻水套分布范圍越大，則能使得到持續冷卻的電動機續航性能越好。但大范圍的冷卻水套砂芯結構，又為鋁合金液體的充型過程和順序凝固增加了困難，為低壓鑄造工藝設計帶來一定的難度。需要合理設計低壓鑄造模具結構和工藝參數，并運用CAE模擬軟件進行充型模擬分析及優化改進工藝，避免低壓鑄造生產中凝固過程產生缺陷，提升低壓鑄造質量水平和生產能力。

圖：水冷機殼殼體和內部水套砂芯圖

2、澆注系統和模具結構設計方案

從圖1可以看出，這種大型砂芯的存在容易增加低壓鑄造充型時的鋁液上升阻力，并阻隔鑄件部分位置壁厚的正常連接，妨礙低壓鑄造順序凝固。為了能在短時間完成鋁合金液體完全注入，澆口設計為4個圓臺分澆口同時注入鋁液。每個澆口最大尺寸為￠90 mm，最小處即進料口直徑為￠60 mm；鋁液在壓力作用下經升液管先進入升液箱，再分開4個澆口均衡進入型腔，見圖2a。

圖2：澆注系統和模具結構設計方案圖

由于水冷機殼零件筒形圓周側面幾何形狀較多，外形結構復雜。因此模具分成左側、右側、前側、后側4個方向形成殼體的外圓周形狀，再加上底模座和上模型芯共有6個開模方向，模具材質為3Cr2W8V耐熱鋼，見圖2b。鋁合金液體經底模的澆注系統進入型腔，底模座上還設計了筒狀砂芯放入時的定位長方孔。合模前筒狀砂芯須按照固定的方向和位置要求在型腔內安裝好。上模由圓筒狀金屬型芯和蓋板組成，金屬型芯形成鑄件內部中空的圓筒形狀。左側、右側、前側和后側模的背面都設計成均勻壁厚的掏空形狀，以增強4個側模的散熱速度并使鑄件周邊均衡冷卻。其中前側模上的小抽芯前段由熱傳導性能較高的鈹銅制成，主要為了加快壁厚較大位置的冷卻速度。同時，由于筒狀砂芯的環形封閉結構會使得充型時砂芯排氣困難，因此還設置多個芯頭延伸排氣。

3、低壓鑄造充型過程工藝設計

電動汽車水冷機殼形狀結構復雜、對內部組織致密度要求很高，因此需要運用智能數字化低壓鑄造設備進行更細致的工藝階段劃分和更準確的參數設置，并用軟件模擬提前預判水冷機殼充型、熱傳導和凝固過程情況，以期獲得更高的產品合格率。

3.1 工藝參數細分設計

一般鋁合金低壓鑄造零件的工藝設計，常按照傳統的充型、增壓、保壓和減壓4個工藝階段設置相應的工藝參數，再通過生產實踐反饋質量問題修正參數。而使用WFXJ4510低壓鑄造機，可以對低壓鑄造全過程進行數字化人機對話的工藝參數設置調整設置。其中增壓時采用了更為精細化數字控制的液面加壓控制跟蹤系統，使得壓力控制過程更為精細，調節范圍更寬，升液充型控制精度更高，見圖3。劃分成升液、充型、結殼增壓、結殼保壓、結晶增壓和減壓6個過程，對各階段進行更細致精準的壓力和增壓速度參數設置，其中升液壓力為21kPa, 充型壓力為26kPa, 結殼增壓壓力為31kPa, 結晶保壓壓力為38kPa, 結殼保壓壓力為38kPa, 保壓時間為536s。

圖3：壓力參數細化分段設置

結晶增壓壓力是針對鑄件質量較大、壁厚差別大的鑄件在鑄件表面完成結殼后，需要在壁厚較大位置持續向未完成結晶的內部區域進行壓力傳遞。其他的工藝參數設置見表1，其中模具和型芯的預熱溫度值已同步反饋至低壓鑄造工控機數字面板上，系統得到各部分模具預熱溫度達到預定值時，才會啟動合模。

表1：水冷機殼低壓鑄造工藝參數設置表

3.2 充型凝固過程CAE模擬分析

對于普通低壓鑄造零件，金屬液自下而上充型，澆注過程充型平穩，容易實現順序凝固。對于壁厚不均勻以及筒狀砂芯在內壁環形均布的電動客車機殼，由于筒狀砂芯會吸收鋁合金液的潛熱及上升動能，砂芯的封閉結構還使凝固時的散熱速度減慢，使正常的熱傳導過程產生混亂，在壁厚較厚的局部區域將蘊積更多熱量產生熱節，增加了鑄件的縮松、縮孔等缺陷發生趨勢。圖4為AnyCasting對鑄件不同充型階段的網格截面分析?？梢钥闯?，機殼鑄件有多個位置壁厚差別大，容易引起凝固時局部生成熱節，導致溫度梯度和凝固順序紊亂，造成凝固時產生縮松趨傾向。

圖4：鑄件壁厚不均勻對順序凝固影響模擬圖

同時，在筒狀砂芯截面寬大之處，筒狀砂芯結構對機殼結構的分離，會減少機殼主體與外圍形狀的壁厚相連，形成孤立液相區域，阻隔了正常的低壓鑄造結晶壓力傳遞。圖5為AnyCasting的凝固過程界面分析?？梢钥闯?，筒狀砂芯的分離作用使A、B、C、D等4處位置存在獨立液相，延滯了此區域的凝固速度。即在機殼主體已經大部分凝固時，孤立液相區還沒有結晶凝固，破壞了低壓鑄造正常的凝固順序，使得在該4處位置的縮松縮孔缺陷趨勢增大。因此有必要在機殼鑄件的筒狀型芯上增加散熱裝置，使封閉的熱量傳導到散熱裝置上，實現順序凝固。

圖5：砂芯分離結構造成的孤立液相模擬圖

3.3 縮松縮孔缺陷的優化改進措施

低壓鑄造鋁合金液凝固時，液態收縮和液、固相線之間的體積收縮是形成縮孔和縮松的主要原因。由于電動客車水冷機殼結構存在壁厚不均勻，以及筒狀砂芯封閉結構形成的鑄件孤立液相區域等問題，因此當補縮通道不暢通被堵塞時，壓力傳遞受阻，則被分割的液體部分體積收縮表現為縮松及縮孔。針對上述問題，采取以下優化措施改善鑄件凝固結晶質量。

首先對4個孤立液相區，以及鑄件的厚度差過大，容易形成熱節區域的位置用傳熱系數高的合金鈹銅進行間接冷卻，將鈹銅鑲件固定在型芯或模具的特定位置處增強冷卻效果，使該區域的冷卻速度盡量與整體同步，保證順序凝固的正常進行，見圖6。

（1）通過循環水冷鑲件進一步提高重點位置局部的冷卻速度  針對前述的獨立液相區域和鑄件厚度較大的位置，在殼體結構條件有足夠位置空間的部位設置循環水冷鑲件，見圖6。由于水冷鑲件在鑄件充型凝固過程中，可以隨時通過循環將熱量帶出，比一般鈹銅鑲件吸收了更多的熱量，對加快冷卻具有更好的效果。

圖6：鈹銅鑲件和水冷鑲件

（2）運用環形氣冷管加快模具型芯冷卻速度  WFXJ4510低壓鑄造機設有10 組互相獨立的模具氣體冷卻回路，構成模具溫度控制系統。此系統由安裝在獨立工控箱的PLC 自動控制，可對每個模具組件設置不同的內部氣冷回路，見圖7。為了使圓筒狀的電動客車水冷機殼鑄件內部熱量盡快導出，在鑄件內部圓筒狀型芯上設置氣管冷卻，使循環水通入型芯內，用3個環形氣冷管將熱量導出，再在外部用冷卻水冷卻氣管，將熱量帶出模具。

圖7：氣冷管示意圖

這些措施雖然增加了模具結構的復雜程度，但能有效降低模具型腔內部重點位置的溫度，保證鑄件順序凝固。通過運用以上工藝優化措施后，再進行模擬，獲得的良好充型模擬效果，見圖8。從圖8a可以看出，鑄件凝固過程熱節形成的趨勢已大為緩和；從圖8b的AnyCasting中溫度和壓力傳感器模擬結果顯示，保壓階段模具和鑄件之間的溫度變化較為平緩，能有效避免鑄件和模具之間溫度差較大而形成縮松等缺陷。

圖8：縮孔及縮松得到改善的模擬圖

此外，還可以通過調整鋁合金合金成分，進行變質和孕育處理，縮小鋁合金的凝固溫度區間等措施以利于順序凝固。

3、結束語

針對直徑為320 mm，高為260 mm的水冷機殼殼體低壓鑄造工藝過程進行了分析，并提出了改進措施。生產出滿足需求的殼體鑄件。

作者：
韓偉 段海峰 童洲
華南理工大學廣州學院機械工程學院

楊安
貴州新藍輝金屬制品有限公司

來自：特種雜志