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(qū)域多，鑄造工藝要求高。采用成熟方案和經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)流道布局。結(jié)合壓鑄工藝參數(shù)，基于多次迭代進(jìn)行模流分析，借助抽真空方案，達(dá)到最佳填充效果，鑄件氣孔率從3%~5%降至0.5%，抗拉強(qiáng)度提升15%~20%。采用模具加熱冷卻結(jié)構(gòu)布置方案，借助CAE仿真溫度分布，集成水溫機(jī)、油溫機(jī)和點(diǎn)冷機(jī)交互控制，利用紅外線成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，最大程度實(shí)現(xiàn)模具熱平衡。根據(jù)X射線探傷和多組鑄件測試結(jié)果顯示，產(chǎn)品內(nèi)部缺陷檢測合格率達(dá)到98%。

新能源汽車電池蓋是動(dòng)力電池包（尤其是方形或軟包電池模組）的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件之一，主要用于保護(hù)電池模組、密封內(nèi)部環(huán)境和協(xié)同安全設(shè)計(jì)，并直接影響電池包的可靠性、壽命和安全性，是融合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封、熱管理和安全冗余于一體的核心部件。其設(shè)計(jì)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(jìn)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(shù)。超大型壓鑄模具有很多技術(shù)難點(diǎn)，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(shù)和真空壓鑄技術(shù)等。模溫智能控制技術(shù)核心是多區(qū)域獨(dú)立控溫，實(shí)時(shí)感知，閉環(huán)調(diào)節(jié)，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(shù)通過強(qiáng)密封、快抽氣和精準(zhǔn)時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)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(yè)技術(shù)大學(xué)緊密合作，以某新勢力品牌動(dòng)力電池包的電池蓋為研究對象，設(shè)計(jì)超大型一體化壓鑄模具，重點(diǎn)考慮填充和熱平衡兩大因素，為類似超大型壓鑄模具開發(fā)提供借鑒。

01 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝要求

圖1是某款國產(chǎn)新能源汽車動(dòng)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(zhì)量約為14.8 kg，屬于超大型壓鑄件。

圖1 電池蓋

產(chǎn)品材料為鋁合金，牌號為AlSi10MnMg，特點(diǎn)是合金熔體粘度低，流動(dòng)性好，收縮率約為1.0%~1.2%，不易產(chǎn)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(huán)境；硬度適中，切削阻力小，適合機(jī)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(xué)性能和成本優(yōu)勢使其成為汽車輕量化的首選材料，廣泛應(yīng)用于新能源汽車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。

根據(jù)圖1所示的電池蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、外形尺寸以及壁厚可知，產(chǎn)品存在強(qiáng)度不足、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，因此在電池蓋全區(qū)域設(shè)計(jì)了縱橫交錯(cuò)的加強(qiáng)筋，而加強(qiáng)筋的存在與電池蓋主體結(jié)構(gòu)形成了很多個(gè)深腔區(qū)域（圖2），最大的深度達(dá)到了約60 mm。這些區(qū)域的存在提高了產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)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(chǎn)品所有區(qū)域很難達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的鑄造工藝要求，所以劃分了重點(diǎn)區(qū)域，這些區(qū)域的工藝要求相對較高。如圖3所示的藍(lán)色和綠色區(qū)域設(shè)計(jì)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(xiàn)象。這些平面上分布很多小孔和不規(guī)則孔，這些孔的存在使得金屬鋁液的流動(dòng)處于非常復(fù)雜和不規(guī)則的流動(dòng)狀態(tài)，將導(dǎo)致這些平面在鑄造過程中很難完整成形。因此模具設(shè)計(jì)的時(shí)候，藍(lán)色和綠色平面的孔進(jìn)行封閉，鑄件成形之后進(jìn)行機(jī)加工。此外，電池蓋不同位置分布數(shù)量不等的螺紋孔，螺紋孔的功能是裝配連接，強(qiáng)度必須滿足一定要求，機(jī)加工前3牙不得有氣孔。

圖3 重點(diǎn)區(qū)域

02 產(chǎn)品填充

圖4 流道布局

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工藝要求，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定了如圖4所示的最優(yōu)流道布局，設(shè)計(jì)原則如下。

1）優(yōu)先填充產(chǎn)品“高工藝要求”區(qū)域結(jié)構(gòu)；

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

（3）保證金屬液平穩(wěn)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(fēng)險(xiǎn)；

（4）澆口尺寸合理配置，防止進(jìn)料填充速度過大或者過小；

（5）澆口位置設(shè)置兼顧遠(yuǎn)端充填效果，防止局部過熱或充型不足；

（6）澆口后續(xù)容易去除。

其中直澆道（沖頭）直徑，橫澆道截面形狀和尺寸，內(nèi)澆口截面積、厚度和寬度，溢流槽的尺寸均可參考成熟的計(jì)算公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

此外，一體化壓鑄模尤其是超大型壓鑄模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，流道尺寸控制有一個(gè)非常重要的經(jīng)驗(yàn)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(nèi)澆口截面積。沖頭直徑與內(nèi)澆口截面積的相互關(guān)系要遵循式（1）。

式中：V1為沖頭速度，V2為內(nèi)澆口金屬熔體速度。

圖5 流道尺寸控制

澆道布局設(shè)計(jì)完畢之后，結(jié)合壓鑄工藝參數(shù)，利用MAGAMSOFT軟件進(jìn)行填充過程模擬分析，多次迭代優(yōu)化以求最佳填充效果。主要壓鑄工藝參數(shù)如表1所示。

表1 主要壓鑄工藝參數(shù)

圖6是填充過程溫度分布圖。根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)的存在會(huì)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(jié)果可知，填充全過程未出現(xiàn)淺藍(lán)色區(qū)域，大部分區(qū)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(chǎn)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(shí)金屬液卷入的空氣以及脫模劑的揮發(fā)導(dǎo)致真實(shí)的氣壓可能會(huì)稍微高一點(diǎn)。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(wěn)定維持在<5×10¯³ MPa。

圖7 氣壓場

圖8是模具設(shè)計(jì)的抽真空方案，電池蓋左右兩側(cè)各一個(gè)真空閥，料筒抽氣口也布置一個(gè)真空閥（圖中未顯示）。每個(gè)真空閥連接排氣塊、驅(qū)動(dòng)油缸和過濾嘴，形成一套完整的抽真空系統(tǒng)。模具動(dòng)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(shí)，外部真空系統(tǒng)（低壓環(huán)境）啟動(dòng)，形成壓力差，推動(dòng)型腔內(nèi)氣體向閥門流動(dòng)，同時(shí)多閥協(xié)同與毫秒級響應(yīng)，使得復(fù)雜型腔實(shí)現(xiàn)90%以上真空度。根據(jù)測試，鑄件內(nèi)部氣孔率從3%~5%降至0.5%，抗拉強(qiáng)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(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，目前配備力勁IMPRESS系列2500T、3000T和4500T三臺(tái)壓鑄機(jī)。壓鑄機(jī)選型由鎖模力決定，鎖模力可通過公式（2）計(jì)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(tǒng)面積，通常按照產(chǎn)品投影面積的1.3倍，m²；K為安全系統(tǒng)，1.1~1.3，超大型選擇1.3。

利用軟件測算出產(chǎn)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(jī)。

03 熱平衡

壓鑄件成形階段，壓鑄模具內(nèi)所建立的溫度場分布是否穩(wěn)定與均衡，對壓鑄件的內(nèi)外質(zhì)量、生產(chǎn)效率和模具使用壽命都有重要的影響，直接關(guān)系生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)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(shù)等措施實(shí)現(xiàn)模具熱平衡。

電池蓋這種超大型一體化壓鑄件，形狀復(fù)雜，表面積巨大，成形流程很長，模具各個(gè)部位的溫度極不平衡和均勻。靠近澆口和流道附近區(qū)域溫度過高，鑄件易產(chǎn)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(jìn)入金屬溶液流動(dòng)較慢，鑄件易產(chǎn)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(jù)上述原則，設(shè)計(jì)了如圖9所示的模具加熱冷卻結(jié)構(gòu)，包括定模水路和動(dòng)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(qū)域需要降溫，采用冷卻水控制；遠(yuǎn)離流道區(qū)域處于模具遠(yuǎn)端則需要通過模溫機(jī)進(jìn)行加熱升溫。

圖9中的定模水路藍(lán)色水管就是冷卻水路，為達(dá)到最佳冷卻效果，料筒周圍采用了多層環(huán)繞型冷卻水路，動(dòng)模水路中靠近流道區(qū)域也采用對應(yīng)的冷卻水路。冷卻水路分別與定模水管快換總成和動(dòng)模水管快換總成連接，定模水管快換總成和動(dòng)模水管快換總成分別與對應(yīng)的水溫機(jī)相連。

圖9 模具加熱冷卻結(jié)構(gòu)布置

模具其他需要升溫的區(qū)域設(shè)置了定模油溫管和動(dòng)模油溫管，油溫管分別與定模油溫快換總成和動(dòng)模油溫快換總成連接，定模油溫快換總成和動(dòng)模油溫快換總成連接分別與對應(yīng)的模溫機(jī)相連。

此外，電池蓋分布著數(shù)量眾多的如圖2所示的深腔區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部的溫度很難控制，為此在定模水路和動(dòng)模水路設(shè)計(jì)了大量的點(diǎn)冷水路。CAE分析證明，點(diǎn)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(jī)、油溫機(jī)、點(diǎn)冷機(jī)交互控制。在系統(tǒng)參數(shù)上采用高速低壓模式，根據(jù)溫度壓力傳感器控制集成水溫機(jī)、模溫機(jī)和點(diǎn)冷機(jī)，對料餅和流道位置采用水溫機(jī)控溫105 ℃，通過水的大比熱容在70 ms內(nèi)進(jìn)行降溫。隨著產(chǎn)品壓鑄動(dòng)態(tài)中流長比的增加產(chǎn)生溫降，通過油溫機(jī)從100 ℃到300 ℃的調(diào)溫能力進(jìn)行溫度補(bǔ)償。利用高壓點(diǎn)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(dòng)態(tài)補(bǔ)縮。這些參數(shù)控制通過集成系統(tǒng)自動(dòng)控制，利用熱成像監(jiān)控模溫的受控狀態(tài)，采用視覺成像儀和3D數(shù)模集成對比，確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)一致性。圖11是通過紅外熱成像拍攝的模具生產(chǎn)時(shí)的實(shí)時(shí)溫度分布。

圖11 熱成像溫度分布

從圖11實(shí)時(shí)溫度分布可知，通過冷卻水降溫和模溫機(jī)升溫，鑄件附近溫度基本介于140~190 ℃之間，對應(yīng)顏色基本為紅色和黃色，無極端低溫藍(lán)色區(qū)域。這種溫度的分布符合設(shè)計(jì)預(yù)期，產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷的概率降至很低的水平。

04 模具結(jié)構(gòu)

新能源汽車電池蓋壓鑄模具結(jié)構(gòu)如圖12所示。主要結(jié)構(gòu)包括主滑塊1和2，主滑塊同側(cè)各附帶3個(gè)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(yùn)動(dòng)。產(chǎn)品兩側(cè)各有一個(gè)完全對稱的側(cè)滑塊5和6，每個(gè)側(cè)滑塊與一個(gè)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(gè)獨(dú)立的小孔滑塊7、9和10。主滑塊1和2、側(cè)滑塊3和4固定于動(dòng)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(qū)動(dòng)。

圖12 模具結(jié)構(gòu)

如前所述，電池蓋長寬尺寸達(dá)到1 337 mm×415 mm，動(dòng)模芯尺寸達(dá)1 800 mm×730 mm，這種大尺寸的模芯質(zhì)量精度很難控制，因此將動(dòng)模芯設(shè)計(jì)為分體式結(jié)構(gòu)。由于左側(cè)動(dòng)模芯與右側(cè)動(dòng)模芯僅通過螺釘與動(dòng)模板固定，在壓鑄過程時(shí)，兩側(cè)模芯有可能受力發(fā)生分離，因此模芯交界處設(shè)計(jì)了一個(gè)連接桿，其作用是緊固拉緊兩側(cè)模芯。定模芯也采用類似設(shè)計(jì)。

圖13 動(dòng)模芯結(jié)構(gòu)

05 產(chǎn)品檢驗(yàn)

壓鑄件產(chǎn)品檢驗(yàn)是確保產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求和使用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要涵蓋外觀質(zhì)量、尺寸精度、內(nèi)部缺陷、力學(xué)性能及表面處理質(zhì)量。

外觀質(zhì)量檢驗(yàn)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(yàn)是指機(jī)加工后對關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測量，確保在圖紙規(guī)定的公差范圍內(nèi)；內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)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(nèi)部是否存在氣孔、縮松、夾雜和裂紋等缺陷；力學(xué)性能及表面處理質(zhì)量是在內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)合格之后的各種測試。

圖14是壓鑄成型后電池蓋產(chǎn)品實(shí)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行X射線探傷檢驗(yàn)結(jié)果。多組測試結(jié)果顯示，鑄件內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)合格率接近98%，壓鑄產(chǎn)品合格率高于95%。

圖14 電池蓋產(chǎn)品

圖15 不同部位X射線探傷檢驗(yàn)結(jié)果

06 結(jié)論

（1）新能源汽車電池蓋壓鑄模具的流道布局，結(jié)合壓鑄工藝參數(shù)，利用CAE分析多次迭代，結(jié)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(jié)構(gòu)布置方案，通過CAE仿真軟件分析，采用水溫機(jī)、油溫機(jī)和點(diǎn)冷機(jī)交互控制，利用紅外線成像技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，最大程度實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品的研發(fā)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(yè)技術(shù)大學(xué)

本文轉(zhuǎn)載自鑄造雜志