原標(biāo)題：電動(dòng)客車水冷機(jī)殼低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

摘 要：針對電動(dòng)客車電動(dòng)機(jī)殼體直徑較大、內(nèi)壁筒狀水套范圍廣和壁厚不均勻等特點(diǎn)，分析了水冷機(jī)殼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及筒狀砂芯對鋁合金低壓鑄造順序凝固的影響。設(shè)計(jì)低壓鑄造澆注系統(tǒng)、模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。通過AnyCasting軟件模擬鑄件凝固過程，預(yù)測壁厚不均勻產(chǎn)生的熱節(jié)和砂芯分隔作用形成的孤立液相情況，以及由此引發(fā)部分位置容易出現(xiàn)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(yōu)化措施調(diào)整凝固速度，提高鑄件內(nèi)部組織成形致密度及生產(chǎn)質(zhì)量。

相比一般的小型電動(dòng)轎車，載客量更多的大型電動(dòng)客車電動(dòng)機(jī)功率較大，殼體直徑也更大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)行駛過程中會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。因此需要在其鋁合金殼體零件內(nèi)部設(shè)計(jì)更大范圍的水套結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)壁中空的大面積冷卻水道，通過循環(huán)冷卻控制電動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度，提升電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和持續(xù)工作時(shí)間。

1.水冷機(jī)殼體結(jié)構(gòu)

圖1為某低壓鑄造生產(chǎn)的電動(dòng)客車水冷機(jī)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(zhì)為A356鋁合金。機(jī)殼內(nèi)壁做成了中空圓筒形狀環(huán)繞的冷卻水套，冷卻水套分布范圍越大，則能使得到持續(xù)冷卻的電動(dòng)機(jī)續(xù)航性能越好。但大范圍的冷卻水套砂芯結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)帶來一定的難度。需要合理設(shè)計(jì)低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，并運(yùn)用CAE模擬軟件進(jìn)行充型模擬分析及優(yōu)化改進(jìn)工藝，避免低壓鑄造生產(chǎn)中凝固過程產(chǎn)生缺陷，提升低壓鑄造質(zhì)量水平和生產(chǎn)能力。

圖：水冷機(jī)殼殼體和內(nèi)部水套砂芯圖

2、澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)間完成鋁合金液體完全注入，澆口設(shè)計(jì)為4個(gè)圓臺分澆口同時(shí)注入鋁液。每個(gè)澆口最大尺寸為￠90 mm，最小處即進(jìn)料口直徑為￠60 mm；鋁液在壓力作用下經(jīng)升液管先進(jìn)入升液箱，再分開4個(gè)澆口均衡進(jìn)入型腔，見圖2a。

圖2：澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖

由于水冷機(jī)殼零件筒形圓周側(cè)面幾何形狀較多，外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此模具分成左側(cè)、右側(cè)、前側(cè)、后側(cè)4個(gè)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(gè)開模方向，模具材質(zhì)為3Cr2W8V耐熱鋼，見圖2b。鋁合金液體經(jīng)底模的澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔，底模座上還設(shè)計(jì)了筒狀砂芯放入時(shí)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(nèi)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(nèi)部中空的圓筒形狀。左側(cè)、右側(cè)、前側(cè)和后側(cè)模的背面都設(shè)計(jì)成均勻壁厚的掏空形狀，以增強(qiáng)4個(gè)側(cè)模的散熱速度并使鑄件周邊均衡冷卻。其中前側(cè)模上的小抽芯前段由熱傳導(dǎo)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(shí)，由于筒狀砂芯的環(huán)形封閉結(jié)構(gòu)會(huì)使得充型時(shí)砂芯排氣困難，因此還設(shè)置多個(gè)芯頭延伸排氣。

3、低壓鑄造充型過程工藝設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車水冷機(jī)殼形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對內(nèi)部組織致密度要求很高，因此需要運(yùn)用智能數(shù)字化低壓鑄造設(shè)備進(jìn)行更細(xì)致的工藝階段劃分和更準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置，并用軟件模擬提前預(yù)判水冷機(jī)殼充型、熱傳導(dǎo)和凝固過程情況，以期獲得更高的產(chǎn)品合格率。

3.1 工藝參數(shù)細(xì)分設(shè)計(jì)

一般鋁合金低壓鑄造零件的工藝設(shè)計(jì)，常按照傳統(tǒng)的充型、增壓、保壓和減壓4個(gè)工藝階段設(shè)置相應(yīng)的工藝參數(shù)，再通過生產(chǎn)實(shí)踐反饋質(zhì)量問題修正參數(shù)。而使用WFXJ4510低壓鑄造機(jī)，可以對低壓鑄造全過程進(jìn)行數(shù)字化人機(jī)對話的工藝參數(shù)設(shè)置調(diào)整設(shè)置。其中增壓時(shí)采用了更為精細(xì)化數(shù)字控制的液面加壓控制跟蹤系統(tǒng)，使得壓力控制過程更為精細(xì)，調(diào)節(jié)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(jié)殼增壓、結(jié)殼保壓、結(jié)晶增壓和減壓6個(gè)過程，對各階段進(jìn)行更細(xì)致精準(zhǔn)的壓力和增壓速度參數(shù)設(shè)置，其中升液壓力為21kPa, 充型壓力為26kPa, 結(jié)殼增壓壓力為31kPa, 結(jié)晶保壓壓力為38kPa, 結(jié)殼保壓壓力為38kPa, 保壓時(shí)間為536s。

圖3：壓力參數(shù)細(xì)化分段設(shè)置

結(jié)晶增壓壓力是針對鑄件質(zhì)量較大、壁厚差別大的鑄件在鑄件表面完成結(jié)殼后，需要在壁厚較大位置持續(xù)向未完成結(jié)晶的內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行壓力傳遞。其他的工藝參數(shù)設(shè)置見表1，其中模具和型芯的預(yù)熱溫度值已同步反饋至低壓鑄造工控機(jī)數(shù)字面板上，系統(tǒng)得到各部分模具預(yù)熱溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)合模。

表1：水冷機(jī)殼低壓鑄造工藝參數(shù)設(shè)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(wěn)，容易實(shí)現(xiàn)順序凝固。對于壁厚不均勻以及筒狀砂芯在內(nèi)壁環(huán)形均布的電動(dòng)客車機(jī)殼，由于筒狀砂芯會(huì)吸收鋁合金液的潛熱及上升動(dòng)能，砂芯的封閉結(jié)構(gòu)還使凝固時(shí)的散熱速度減慢，使正常的熱傳導(dǎo)過程產(chǎn)生混亂，在壁厚較厚的局部區(qū)域?qū)⑻N(yùn)積更多熱量產(chǎn)生熱節(jié)，增加了鑄件的縮松、縮孔等缺陷發(fā)生趨勢。圖4為AnyCasting對鑄件不同充型階段的網(wǎng)格截面分析。可以看出，機(jī)殼鑄件有多個(gè)位置壁厚差別大，容易引起凝固時(shí)局部生成熱節(jié)，導(dǎo)致溫度梯度和凝固順序紊亂，造成凝固時(shí)產(chǎn)生縮松趨傾向。

圖4：鑄件壁厚不均勻?qū)樞蚰逃绊懩M圖

同時(shí)，在筒狀砂芯截面寬大之處，筒狀砂芯結(jié)構(gòu)對機(jī)殼結(jié)構(gòu)的分離，會(huì)減少機(jī)殼主體與外圍形狀的壁厚相連，形成孤立液相區(qū)域，阻隔了正常的低壓鑄造結(jié)晶壓力傳遞。圖5為AnyCasting的凝固過程界面分析。可以看出，筒狀砂芯的分離作用使A、B、C、D等4處位置存在獨(dú)立液相，延滯了此區(qū)域的凝固速度。即在機(jī)殼主體已經(jīng)大部分凝固時(shí)，孤立液相區(qū)還沒有結(jié)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(jī)殼鑄件的筒狀型芯上增加散熱裝置，使封閉的熱量傳導(dǎo)到散熱裝置上，實(shí)現(xiàn)順序凝固。

圖5：砂芯分離結(jié)構(gòu)造成的孤立液相模擬圖

3.3 縮松縮孔缺陷的優(yōu)化改進(jìn)措施

低壓鑄造鋁合金液凝固時(shí)，液態(tài)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(dòng)客車水冷機(jī)殼結(jié)構(gòu)存在壁厚不均勻，以及筒狀砂芯封閉結(jié)構(gòu)形成的鑄件孤立液相區(qū)域等問題，因此當(dāng)補(bǔ)縮通道不暢通被堵塞時(shí)，壓力傳遞受阻，則被分割的液體部分體積收縮表現(xiàn)為縮松及縮孔。針對上述問題，采取以下優(yōu)化措施改善鑄件凝固結(jié)晶質(zhì)量。

首先對4個(gè)孤立液相區(qū)，以及鑄件的厚度差過大，容易形成熱節(jié)區(qū)域的位置用傳熱系數(shù)高的合金鈹銅進(jìn)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(qiáng)冷卻效果，使該區(qū)域的冷卻速度盡量與整體同步，保證順序凝固的正常進(jìn)行，見圖6。

（1）通過循環(huán)水冷鑲件進(jìn)一步提高重點(diǎn)位置局部的冷卻速度  針對前述的獨(dú)立液相區(qū)域和鑄件厚度較大的位置，在殼體結(jié)構(gòu)條件有足夠位置空間的部位設(shè)置循環(huán)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(shí)通過循環(huán)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(yùn)用環(huán)形氣冷管加快模具型芯冷卻速度  WFXJ4510低壓鑄造機(jī)設(shè)有10 組互相獨(dú)立的模具氣體冷卻回路，構(gòu)成模具溫度控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)由安裝在獨(dú)立工控箱的PLC 自動(dòng)控制，可對每個(gè)模具組件設(shè)置不同的內(nèi)部氣冷回路，見圖7。為了使圓筒狀的電動(dòng)客車水冷機(jī)殼鑄件內(nèi)部熱量盡快導(dǎo)出，在鑄件內(nèi)部圓筒狀型芯上設(shè)置氣管冷卻，使循環(huán)水通入型芯內(nèi)，用3個(gè)環(huán)形氣冷管將熱量導(dǎo)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，但能有效降低模具型腔內(nèi)部重點(diǎn)位置的溫度，保證鑄件順序凝固。通過運(yùn)用以上工藝優(yōu)化措施后，再進(jìn)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(jié)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(jié)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(diào)整鋁合金合金成分，進(jìn)行變質(zhì)和孕育處理，縮小鋁合金的凝固溫度區(qū)間等措施以利于順序凝固。

3、結(jié)束語

針對直徑為320 mm，高為260 mm的水冷機(jī)殼殼體低壓鑄造工藝過程進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。生產(chǎn)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(xué)廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

楊安
貴州新藍(lán)輝金屬制品有限公司

來自：特種雜志