摘要：以一款140kW的鋁合金水冷電機(jī)殼體做為研究對(duì)象，探討了采用低壓砂型工藝的電機(jī)殼的典型鑄造工藝方案，并采用MAGMA軟件進(jìn)行工藝方案可行性的評(píng)估。結(jié)果表明，生產(chǎn)的電機(jī)殼體完全滿足相關(guān)技術(shù)條件的要求。

近年來(lái)，在節(jié)能減排和環(huán)保的需求下，汽車制造企業(yè)的研發(fā)重點(diǎn)正在由傳統(tǒng)燃料汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)移。鋁合金電機(jī)殼作為新能源汽車的動(dòng)力總成核心鑄件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，鑄造難度大。水冷電機(jī)殼體的側(cè)壁環(huán)繞冷卻水套的密封性是產(chǎn)品的重要技術(shù)要求，也是產(chǎn)品最大的鑄造難點(diǎn)。同時(shí)，電機(jī)殼體上、下端面以及側(cè)壁的縮松也是工藝開(kāi)發(fā)中需要避免的鑄造缺陷。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的迅速發(fā)展，通過(guò)鑄造過(guò)程模擬仿真分析模擬可以預(yù)測(cè)鑄造缺陷，評(píng)估工藝可行性。

本文以一款140kW的電機(jī)殼為研究對(duì)象，研究低壓砂型工藝的鋁合金電機(jī)殼鑄造工藝設(shè)計(jì)，借助MAGMA模擬仿真手段進(jìn)行鑄造工藝的模擬分析，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行鑄造過(guò)程分析，并進(jìn)行工藝評(píng)估。

1、電機(jī)殼技術(shù)要求

1.1 產(chǎn)品概述
電機(jī)殼體如圖1a、b所示，產(chǎn)品的輪廓尺寸為228mm×307mm×296mm，主要壁厚6mm。側(cè)方水套為螺旋結(jié)構(gòu)（圖1c），壁厚6.9mm。產(chǎn)品重量為6.8kg。材質(zhì)為A356.2鋁合金，采用T6熱處理。鑄件底部鑲嵌軸承襯套（材質(zhì)為45鋼）。

圖1電機(jī)殼鑄件及水套結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)要求

力學(xué)性能一般要求底面和頂面的硬度不低于HBW90，抗拉強(qiáng)度要求隨爐試棒或指定的本體取樣部位Rm≥275MPa；伸長(zhǎng)率≥2%。氣密性要求水套在600 kPa下10min無(wú)氣泡泄漏；鑄件表面及加工面不允許有氣孔、縮松、冷隔、裂紋、夾渣等鑄造缺陷；鑄件內(nèi)部缺陷需控制在ASTME155 III級(jí)。

2、電機(jī)殼的鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造方案選擇：該電機(jī)殼采用低壓砂型鑄造方式。冒口設(shè)計(jì)：如圖2所示，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在鑄件頂部螺栓孔位置設(shè)置多個(gè)冒口，冒口有以下三個(gè)方面的作用：①可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)殼頂部法蘭面（尤其是法蘭面螺栓孔）位置的補(bǔ)縮；②有利于鑄件頂部區(qū)域的排氣和排渣，避免產(chǎn)品頂部出現(xiàn)渣孔或氣孔缺陷；③間接提升了型腔中頂部區(qū)域金屬液的熱模數(shù)，使鑄件和澆注系統(tǒng)在凝固過(guò)程形成更合理的順序凝固，有助于避免電機(jī)殼體側(cè)壁螺旋水套周圍出現(xiàn)縮松。冒口的直徑40~60mm，冒口高度在50~70mm范圍內(nèi)選取。澆道設(shè)計(jì)：根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，殼體底部澆注系統(tǒng)可以采取直澆道直接進(jìn)料的方式即可滿足產(chǎn)品充型過(guò)程的金屬液流動(dòng)平穩(wěn)性和凝固過(guò)程澆口位置對(duì)鑄件下方區(qū)域的補(bǔ)縮。澆道直徑設(shè)計(jì)為60~85mm范圍內(nèi)，冒口和澆道具體的設(shè)計(jì)數(shù)值通過(guò)MAGMA鑄造模擬軟件的虛擬DOE分析來(lái)確定。為了實(shí)現(xiàn)凝固過(guò)程中鑄件下方區(qū)域的順序凝固，在鑲嵌件（軸承襯套）周圍區(qū)域添加起模斜度，并將壁厚增加2mm。

圖2  電機(jī)殼冒口及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3、工藝模擬仿真分析

3.1  澆冒口系統(tǒng)的 DOE 分析

利用DOE（虛擬正交試驗(yàn)）可以快速將該電機(jī)殼冒口直徑、冒口高度和澆道直徑設(shè)為DOE分析的三個(gè)變量，共12個(gè)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（表1）。DOE分析目標(biāo)為鑄件的冒口附近及澆口附近區(qū)域（圖3）縮孔縮松傾向最低。

通過(guò)DOE分析，方案5、6、11和12為四個(gè)縮孔縮松傾向最低的最優(yōu)方案設(shè)計(jì)，考慮到工藝出品率，確認(rèn)方案5為最優(yōu)工藝，（即冒口直徑50mm，冒口高度70mm，澆道直徑60mm）

表1 冒口及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)虛擬正交試驗(yàn)（V-DOE）

圖3 MAGMA-DOE分析的評(píng)估區(qū)域

3.2  選定方案的鑄造過(guò)程模擬

通過(guò)對(duì)電機(jī)殼選定方案5進(jìn)行鑄造過(guò)程的模擬仿真分析，充型過(guò)程的金屬液流態(tài)和溫度場(chǎng)分析如圖4所示，整個(gè)充型過(guò)程，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，未出現(xiàn)紊流和噴濺現(xiàn)象；金屬液降溫狀態(tài)也理想，直至充型末尾（圖4e-f），金屬液溫度也在液相線溫度以上，出現(xiàn)冷隔或氣孔的風(fēng)險(xiǎn)較低。通過(guò)充型過(guò)程的示蹤粒子分析（圖5），金屬液充型平穩(wěn)，未出現(xiàn)卷氣、打旋的現(xiàn)象。

凝固過(guò)程的液相率分析如圖6所示。可見(jiàn)，基本實(shí)現(xiàn)了理想的順序凝固方式，鑄件終檢薄壁處優(yōu)先凝固，冒口和澆道最后凝固，型腔內(nèi)未出現(xiàn)孤立液相區(qū)。

通過(guò)對(duì)鑄件的Porosity判據(jù)和Hot Spot FSTime判據(jù)的綜合分析（圖7），鑄件內(nèi)關(guān)鍵區(qū)域無(wú)縮孔縮松和熱節(jié)，僅在鑄件底部減重孔附近有輕微縮松。基于以上判據(jù)的分析，該工藝設(shè)計(jì)可以滿足產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量的要求。

圖4 充型過(guò)程金屬液溫度及流態(tài)模擬

圖5 示蹤粒子模擬結(jié)果

圖6 凝固過(guò)程的凝固液相率

圖7 電機(jī)殼縮松風(fēng)險(xiǎn)分析

4、生產(chǎn)驗(yàn)證

采用上述鑄造方案進(jìn)行了生產(chǎn)試制，外側(cè)輪廓芯采用冷芯盒制芯，成形部位的砂芯采用70~140目數(shù)覆膜砂，澆道及冒口部位采用50~100目數(shù)的覆膜砂；水套芯采用熱芯盒進(jìn)行制芯，使用50~100的寶珠砂，以便于水套內(nèi)腔的清砂，砂包如圖8所示。

圖8 拼組過(guò)程中的砂型及待澆注的砂包

鋁合金液的爐前處理采用常規(guī)的Al-Sr變質(zhì)和Al-Ti-B細(xì)化，采用旋轉(zhuǎn)除氣法進(jìn)行除氣，澆注溫度725℃，升液時(shí)間5s，充型時(shí)間10s，保壓過(guò)程的增壓壓力50mbar，保壓150s后送冷卻線自然冷卻，2h后進(jìn)行打箱。

實(shí)際生產(chǎn)的鑄件如圖9a所示，鑄件檢測(cè)合格，未出現(xiàn)外部或內(nèi)部缺陷，對(duì)圖9a中的關(guān)鍵區(qū)域I和II進(jìn)行X射線探傷檢測(cè)（圖9b、c）所示）合格，產(chǎn)品打壓試漏也合格。

圖9 實(shí)際生產(chǎn)鑄件及檢測(cè)位置的X射線探傷結(jié)果

5、結(jié)論

（1）低壓砂型工藝是生產(chǎn)鋁合金水冷電機(jī)殼體的可行的鑄造方式，只要電機(jī)殼冒口和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，可以生產(chǎn)出合格的電機(jī)殼體。

（2）MAGMA軟件為產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)提供很大便利，利用MAGMASOFT®的DOE分析，可以快速?gòu)谋姸噼T造方案中找到理想的方案；通過(guò)充型過(guò)程和凝固過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)分析，可以對(duì)鑄造工藝的設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)判。

文章作者

金延竹 孫樹臣 崔偉 馮海舟 黃海波 詹健
一汽鑄造有限公司

金延竹
一汽鑄造有限公司
吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，汽車材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

王文權(quán)
邁格碼（蘇州）軟件科技有限公司

文章來(lái)源：《鑄造》2022年第2期