【铝合金低压铸造】「压铸实践」电动客车水冷机壳低压铸造工艺

导读：针对电动客车电动机壳体直径较大、内壁筒状水套范围广和壁厚不均匀等特点，分析了水冷机壳的复杂结构及筒状砂芯对铝合金低压铸造顺序凝固的影响。设计低压铸造浇注系统、模具结构和工艺参数。通过AnyCasting软件模拟铸件凝固过程，预测壁厚不均匀产生的热节和砂芯分隔作用形成的孤立液相情况，以及由此引发部分位置容易出现的缩松缩孔等缺陷。探究如何采用铍铜镶件、水冷镶件和气冷管等优化措施调整凝固速度，提高铸件内部组织成形致密度及生产质量。

相比一般的小型电动轿车，载客量更多的大型电动客车电动机功率较大，壳体直径也更大，驱动电机行驶过程中会产生更多的热量。因此需要在其铝合金壳体零件内部设计更大范围的水套结构，形成内壁中空的大面积冷却水道，通过循环冷却控制电动机内部温度，提升电动机的最高转速和持续工作时间。

1 水冷机壳体结构

图1为某低压铸造生产的电动客车水冷机壳，其外形是直径为320 mm，高为260 mm的圆筒形状；铸件壁厚为4~8 mm，铸件材质为A356铝合金。机壳内壁做成了中空圆筒形状环绕的冷却水套，冷却水套分布范围越大，则能使得到持续冷却的电动机续航性能越好。但大范围的冷却水套砂芯结构，又为铝合金液体的充型过程和顺序凝固增加了困难，为低压铸造工艺设计带来一定的难度。需要合理设计低压铸造模具结构和工艺参数，并运用CAE模拟软件进行充型模拟分析及优化改进工艺，避免低压铸造生产中凝固过程产生缺陷，提升低压铸造质量水平和生产能力。

(a)电动客车电动机壳壳体（b）壳体内部筒状砂芯

图1 水冷机壳壳体和内部水套砂芯图

2 浇注系统和模具结构设计方案

从图1可以看出，这种大型砂芯的存在容易增加低压铸造充型时的铝液上升阻力，并阻隔铸件部分位置壁厚的正常连接，妨碍低压铸造顺序凝固。为了能在短时间完成铝合金液体完全注入，浇口设计为4个圆台分浇口同时注入铝液。每个浇口最大尺寸为￠90 mm，最小处即进料口直径为￠60 mm；铝液在压力作用下经升液管先进入升液箱，再分开4个浇口均衡进入型腔，见图2a。

（a）浇注系统（b）模具结构设计

图2 浇注系统和模具结构设计方案图

由于水冷机壳零件筒形圆周侧面几何形状较多，外形结构复杂。因此模具分成左侧、右侧、前侧、后侧4个方向形成壳体的外圆周形状，再加上底模座和上模型芯共有6个开模方向，模具材质为3Cr2W8V耐热钢，见图2b。铝合金液体经底模的浇注系统进入型腔，底模座上还设计了筒状砂芯放入时的定位长方孔。合模前筒状砂芯须按照固定的方向和位置要求在型腔内安装好。上模由圆筒状金属型芯和盖板组成，金属型芯形成铸件内部中空的圆筒形状。左侧、右侧、前侧和后侧模的背面都设计成均匀壁厚的掏空形状，以增强4个侧模的散热速度并使铸件周边均衡冷却。其中前侧模上的小抽芯前段由热传导性能较高的铍铜制成，主要为了加快壁厚较大位置的冷却速度。同时，由于筒状砂芯的环形封闭结构会使得充型时砂芯排气困难，因此还设置多个芯头延伸排气。

3 低压铸造充型过程工艺设计

电动汽车水冷机壳形状结构复杂、对内部组织致密度要求很高，因此需要运用智能数字化低压铸造设备进行更细致的工艺阶段划分和更准确的参数设置，并用软件模拟提前预判水冷机壳充型、热传导和凝固过程情况，以期获得更高的产品合格率。

3.1工艺参数细分设计

一般铝合金低压铸造零件的工艺设计，常按照传统的充型、增压、保压和减压4个工艺阶段设置相应的工艺参数，再通过生产实践反馈质量问题修正参数。而使用WFXJ4510低压铸造机，可以对低压铸造全过程进行数字化人机对话的工艺参数设置调整设置。其中增压时采用了更为精细化数字控制的液面加压控制跟踪系统，使得压力控制过程更为精细，调节范围更宽，升液充型控制精度更高，见图3。划分成升液、充型、结壳增压、结壳保压、结晶增压和减压6个过程，对各阶段进行更细致精准的压力和增压速度参数设置，其中升液压力为21kPa, 充型压力为26kPa, 结壳增压压力为31kPa, 结晶保压压力为38kPa, 结壳保压压力为38kPa, 保压时间为536s。

图3 压力参数细化分段设置

结晶增压压力是针对铸件质量较大、壁厚差别大的铸件在铸件表面完成结壳后，需要在壁厚较大位置持续向未完成结晶的内部区域进行压力传递。其他的工艺参数设置见表1，其中模具和型芯的预热温度值已同步反馈至低压铸造工控机数字面板上，系统得到各部分模具预热温度达到预定值时，才会启动合模。

表1 水冷机壳低压铸造工艺参数设置表

3.2充型凝固过程CAE模拟分析

对于普通低压铸造零件，金属液自下而上充型，浇注过程充型平稳，容易实现顺序凝固。对于壁厚不均匀以及筒状砂芯在内壁环形均布的电动客车机壳，由于筒状砂芯会吸收铝合金液的潜热及上升动能，砂芯的封闭结构还使凝固时的散热速度减慢，使正常的热传导过程产生混乱，在壁厚较厚的局部区域将蕴积更多热量产生热节，增加了铸件的缩松、缩孔等缺陷发生趋势。图4为AnyCasting对铸件不同充型阶段的网格截面分析。可以看出，机壳铸件有多个位置壁厚差别大，容易引起凝固时局部生成热节，导致温度梯度和凝固顺序紊乱，造成凝固时产生缩松趋倾向。

图4 铸件壁厚不均匀对顺序凝固影响模拟图

同时，在筒状砂芯截面宽大之处，筒状砂芯结构对机壳结构的分离，会减少机壳主体与外围形状的壁厚相连，形成孤立液相区域，阻隔了正常的低压铸造结晶压力传递。图5为AnyCasting的凝固过程界面分析。可以看出，筒状砂芯的分离作用使A、B、C、D等4处位置存在独立液相，延滞了此区域的凝固速度。即在机壳主体已经大部分凝固时，孤立液相区还没有结晶凝固，破坏了低压铸造正常的凝固顺序，使得在该4处位置的缩松缩孔缺陷趋势增大。因此有必要在机壳铸件的筒状型芯上增加散热装置，使封闭的热量传导到散热装置上，实现顺序凝固。

图5 砂芯分离结构造成的孤立液相模拟图

3.3缩松缩孔缺陷的优化改进措施

低压铸造铝合金液凝固时，液态收缩和液、固相线之间的体积收缩是形成缩孔和缩松的主要原因。由于电动客车水冷机壳结构存在壁厚不均匀，以及筒状砂芯封闭结构形成的铸件孤立液相区域等问题，因此当补缩通道不畅通被堵塞时，压力传递受阻，则被分割的液体部分体积收缩表现为缩松及缩孔。针对上述问题，采取以下优化措施改善铸件凝固结晶质量。

首先对4个孤立液相区，以及铸件的厚度差过大，容易形成热节区域的位置用传热系数高的合金铍铜进行间接冷却，将铍铜镶件固定在型芯或模具的特定位置处增强冷却效果，使该区域的冷却速度尽量与整体同步，保证顺序凝固的正常进行，见图6。

（1）通过循环水冷镶件进一步提高重点位置局部的冷却速度针对前述的独立液相区域和铸件厚度较大的位置，在壳体结构条件有足够位置空间的部位设置循环水冷镶件，见图6。由于水冷镶件在铸件充型凝固过程中，可以随时通过循环将热量带出，比一般铍铜镶件吸收了更多的热量，对加快冷却具有更好的效果。

图6 铍铜镶件和水冷镶件

（2）运用环形气冷管加快模具型芯冷却速度 WFXJ4510低压铸造机设有10 组互相独立的模具气体冷却回路，构成模具温度控制系统。此系统由安装在独立工控箱的PLC 自动控制，可对每个模具组件设置不同的内部气冷回路，见图7。为了使圆筒状的电动客车水冷机壳铸件内部热量尽快导出，在铸件内部圆筒状型芯上设置气管冷却，使循环水通入型芯内，用3个环形气冷管将热量导出，再在外部用冷却水冷却气管，将热量带出模具。

图7气冷管示意图

这些措施虽然增加了模具结构的复杂程度，但能有效降低模具型腔内部重点位置的温度，保证铸件顺序凝固。通过运用以上工艺优化措施后，再进行模拟，获得的良好充型模拟效果，见图8。从图8a可以看出，铸件凝固过程热节形成的趋势已大为缓和；从图8b的AnyCasting中温度和压力传感器模拟结果显示，保压阶段模具和铸件之间的温度变化较为平缓，能有效避免铸件和模具之间温度差较大而形成缩松等缺陷。