導(dǎo)讀

逆變器殼體輪廓尺寸為560 mm×470 mm×110 mm，平均壁厚為3 mm。主要由兩部分組成，一部分是將單片電池直流通過高頻調(diào)制成電轉(zhuǎn)換30~50 kHz、220 V交流電，另一部分是將交流電整流，濾波，調(diào)制成50 Hz、220 V交流電。這兩部分工作時都會釋放大量的熱量。為了確保逆變器工作溫度不超過60 ℃，逆變器殼體上設(shè)計了兩個水冷卻區(qū)域（冷卻水位置1和位置2），冷卻水位置2處需要攪拌磨檫焊實現(xiàn)密封功能。本研究重點闡述逆變器殼體鑄件的模具設(shè)計，并實際生產(chǎn)，旨在為類似產(chǎn)品的生產(chǎn)提供參考。

圖文結(jié)果

圖1為逆變器殼體，材質(zhì)為AlSi9Cu3合金，該合金適合于摩擦焊，抗拉強度達320 MPa，殼體質(zhì)量為7.80 kg，鑄造質(zhì)量為12.95 kg，采用16 000 kN壓鑄機生產(chǎn)。由于鑄件內(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水道和密封部位面積較大，致密性要求較高，采用1模1腔多級順序增速和中等壓力壓鑄工藝生產(chǎn)，同時采用微噴涂技術(shù)，以實現(xiàn)無脫模廢水的綠色壓鑄。

進料系統(tǒng)設(shè)計見圖2和圖3。模具設(shè)計了4個滑塊、普通直冷卻水道、高壓點冷卻裝置，見圖4。CAE模流分析見圖5。模具需要5股主進料口和2股側(cè)面進料口，需要兩條“M”型集中排氣塊。冷料需要3組渣包和2組排氣引流道收集。5股主進料確保鑄件兩大主要水冷卻部位填充順暢，避免在此位置卷氣和多股進料匯合，填充時間須控制在100 ms以內(nèi)。模具內(nèi)澆口位置選擇在鑄件壁厚位置，鋁液在進入內(nèi)澆口之前保持增速狀態(tài)，以減少能量損失。冷料和型腔內(nèi)殘余氣體推移到設(shè)定的渣包和排氣塊位置。

圖1 逆變器殼體

圖2 進料和排氣系統(tǒng)

圖3 冷料收集和排氣系統(tǒng)

圖4 模具與高壓點冷裝置

整個進料系統(tǒng)中，鋁合金液流過每一截面的速度與截面積成反比：

S1v1=S2v2=S3v3

式中，S1為料筒（料柄）截面積；v1為壓射頭二快速度；S2為主流道截面積；v2為鋁合金液流過主流道的速度；S3為內(nèi)澆口截面總面積；v3為鋁合金液流過內(nèi)澆口速度。模具設(shè)計中需要避免進料系統(tǒng)中單個截面變速過大，增速過大會導(dǎo)致快速沖蝕澆口，減速過大會產(chǎn)生局部冷隔或澆不足等缺陷。模具澆口和排氣系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

圖5 充型時間與溫度分析

表1 多級增速進料和排氣系統(tǒng)

為了確保鋁合金液在填充過程中保持增速，根據(jù)實踐驗證，合金液在填充過程中，單級加速比小于4時壓力損失較小。模具料筒截面積、主流道截面積、內(nèi)澆口截面積比經(jīng)過優(yōu)化為9.8:3.17:1。5股主進料口可以滿足鋁合金液快速充填逆變器殼體主體部分和水冷卻位置，但是到達側(cè)壁的阻力較大，經(jīng)過現(xiàn)場測量失溫較大，側(cè)壁處會產(chǎn)生冷隔、花斑等缺陷，因此模具側(cè)面需要增加兩路輔助澆口進料來改變型腔內(nèi)冷料和高溫氣體的流向，減小充填阻力，降低鑄造壓力，避免產(chǎn)生脹模現(xiàn)象。鑄件分型面披鋒控制在0.12 mm以內(nèi)，以消除毛刺。

模具設(shè)計了普通冷卻運水和3組高壓點冷裝置，見表2，實現(xiàn)了模芯、滑塊、內(nèi)澆口等處的溫度基本一致，均保持在180 ℃左右。高壓點冷將鑄件局部壁厚處的熱量通過純水傳導(dǎo)出去，在一個壓鑄循環(huán)周期內(nèi)將模具溫度降到160 ℃左右，實現(xiàn)了模具溫度的動態(tài)平衡，不需要通過噴水來降低模具溫度，縮短了噴霧時間，降低局部粘模現(xiàn)象，改善了因大量噴涂可能產(chǎn)生的氣孔。

表2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

逆變器殼體的平均壁厚為3 mm，將CAE分析數(shù)據(jù)與實際壓鑄參數(shù)對比驗證得出：鑄造壓力為75 MPa，二快速度為4.60 m/s，內(nèi)澆口1處的進料速度為45.08 m/s，鋁液進入內(nèi)澆口1處溫度為630 ℃，增壓壓力為90 MPa。AlSi9Cu3合金液在630 ℃時流動性較好，含氫量低，填充阻力小，鑄件成形效果最佳；“M”型排氣塊的排氣壓力控制在6 MPa，模具型腔內(nèi)冷料和殘余氣體需要在150 ms以內(nèi)推進溢流口和排氣塊。

模具在進料系統(tǒng)、模心、滑塊等進料部位設(shè)計8路普通運水，局部厚壁部位增加了3組高壓點冷卻裝置，確保了模芯近澆口部位和局部高溫區(qū)的熱量能夠快速傳遞到冷卻水中。經(jīng)過測溫儀實際測量，模芯和滑塊部位的溫度控制在180 ℃，排氣部位控制在140 ℃時鑄件品質(zhì)理想，見表3。模具溫度可以實現(xiàn)自動平衡，不需要通過噴涂來冷卻，本模具生產(chǎn)時只需噴霧狀脫模劑即可，無需噴水，壓鑄過程實現(xiàn)了零脫模廢水的清潔生產(chǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍由行業(yè)平均水平的75 s縮短至65 s。模具壽命提高至15萬次以上。

表3 冷卻水溫度設(shè)計

圖6 逆變器殼體CT報告

逆變器殼體模具經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計和多級增速壓鑄工藝優(yōu)化后，已實現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，鑄件內(nèi)部CT切片報告見圖6。逆變器殼體的兩個需要攪拌摩擦焊冷卻水密封區(qū)域不得有大于0.2 mm的氣孔，CT結(jié)果符合要求。模具進料過程確保多級增速，避免了局部增速過快，降低了填充阻力，減緩了模具沖蝕，模具壽命提高到15萬次模以上。普通冷卻水和高壓點冷組合使用，通過模溫自動平衡，實現(xiàn)了無水噴涂，縮短了壓鑄生產(chǎn)節(jié)拍。

《電動汽車逆變器殼體壓鑄模具設(shè)計與實踐》

張必勝1 張玉田1 張正來2 陸如輝3 劉景3

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