原標題：電機殼后端蓋的壓鑄工藝開發(fā)

電機殼后端蓋作為新能源汽車電力驅(qū)動系統(tǒng)中的重要組成零件，其主要作用是支撐電機轉(zhuǎn)子和固定電機定子，同時防止灰塵、水汽等外部物質(zhì)進入電機內(nèi)部，因此對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度以及氣密性質(zhì)量都有一定的要求。同時產(chǎn)品軸承孔位置采用局部嵌件后成形，模具需要考慮嵌件的定位與壓緊，增加了模具的制作與生產(chǎn)工藝的調(diào)試難度，因此保證模具能夠穩(wěn)定生產(chǎn)，模具的前期設(shè)計和后期的工藝改善十分重要。

對鋁合金電機殼后端蓋的壓鑄工藝進行開發(fā)，前期根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理布置澆道，采用數(shù)值模擬軟件對澆注系統(tǒng)進行填充及凝固分析，實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)鑄件氣孔不易消除。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對不同區(qū)域采取不同的解決措施。針對產(chǎn)品末端無法布置渣包的薄壁位氣孔，采用鑲件排氣及增加壁厚以改善鋁液流動性；針對澆排末端厚壁位密集型氣孔，通過加強冷卻，加快局部凝固及產(chǎn)品表面致密層厚度來改善；針對入料口厚壁氣孔，分析澆排，并局部加強進料等。試生產(chǎn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化方案完成產(chǎn)品的整體氣孔改善，降低了廢品率。

圖文結(jié)果

新能源汽車電機殼端蓋零件見圖1。該零件輪廓尺寸為397.98 mm×91.48 mm×286.46 mm，壓鑄件質(zhì)量為5.71 kg，平均壁厚為8.06 mm，投影面積為74 759 mm2，鑄件材質(zhì)為ADC12鋁合金。該鑄件整體壁厚偏厚，其中最大壁厚為33 mm，最小壁厚為4 mm，壁厚不均。產(chǎn)品軸承室位置局部嵌件，軸承室嵌件材質(zhì)為45號鋼，調(diào)制處理，硬度（HRC）為24~30；要求所有的外形尺寸符合圖紙裝配要求，產(chǎn)品的電機配合面、接線盒蓋板安裝面有密封要求，軸承孔與半軸孔安裝電機轉(zhuǎn)子，加工后外露氣孔有一定要求。另外，各圓角位置不能有明顯的燒傷、扣傷，產(chǎn)品不得有毛刺、飛邊，產(chǎn)品要求氣密性檢驗，具體氣密性要求為：試漏壓力為22 kPa，允許泄漏量<5 mL/min。

圖1 電機殼后端蓋產(chǎn)品示意圖
1.電機軸承孔 2.電機配合密封面
3.半軸孔 4.接線盒蓋板安裝面

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析，選擇合適的動定模分型。另外，產(chǎn)品側(cè)面分兩個方向出模，即模具需要設(shè)計2個抽芯滑塊進行分模，產(chǎn)品動定模分型及滑塊分型，從而保證產(chǎn)品的正常出模生產(chǎn)。圖2為電機殼后端蓋分形設(shè)計。圖3為電機殼后端蓋壁厚分析。根據(jù)產(chǎn)品壁厚，以產(chǎn)品定模側(cè)進行分析，左側(cè)局部小面積壁厚較厚，右半邊整體壁厚較厚（見圖3a），以產(chǎn)品動模側(cè)分析，動模整體為筋條結(jié)構(gòu)，厚壁筋條主要體現(xiàn)在左邊（見圖3b），因此，產(chǎn)品兩側(cè)壁厚極不均勻。為保證壁厚位置有足夠的鋁料填充，需要加強壁厚位置的澆口布局。

圖2 電機殼后端蓋分型設(shè)計

圖3 電機殼后端蓋壁厚分析

澆排的設(shè)計重點在于進澆口的選擇，一般需要根據(jù)鑄件的形狀、結(jié)構(gòu)、精度要求確定澆口的位置和形式。根據(jù)對該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，產(chǎn)品可在滑塊1側(cè)及其對側(cè)進澆，但根據(jù)產(chǎn)品的關(guān)鍵位置，除產(chǎn)品的電機配合面涉及整個產(chǎn)品外圍不受影響，軸承孔與半軸孔在遠離滑塊1側(cè)，接線盒蓋板安裝面在動模側(cè)滑塊背面受滑塊1擋料影響，因此選擇將澆口布置在滑塊1的對立側(cè)，保證進澆位置離軸承孔與半軸孔近，接線盒蓋板安裝面不受滑塊1擋料影響。內(nèi)澆口布局，滑塊1對立側(cè)的加工端面布置4個內(nèi)澆口，兩側(cè)的非加工位置再各布局1個內(nèi)澆口加強兩側(cè)的充型，同時產(chǎn)品靠外側(cè)的圓孔中間設(shè)置搭橋過料，最終澆排系統(tǒng)設(shè)計方案見圖4。

采用Magma模擬分析，模流分析初始條件設(shè)置見表1，并采用p-Q圖校核相關(guān)工藝的合理性，相關(guān)工藝設(shè)置合理見圖5。

圖4 電機殼后端蓋澆排系統(tǒng)

表1 模流模擬設(shè)置參數(shù)

圖5 模流設(shè)置參數(shù)p-Q²圖

采用Magma模擬分析產(chǎn)品整鑄件充型過程，見圖6。可以看出，當鋁液充型2.604 s時，靠近主澆道的2條內(nèi)澆口金屬液率先填充進入型腔（見圖6a）；當充型 2.625 s時，所有內(nèi)澆口開始填充型腔（見圖6b）；當充型2.658 s時，鑄件整體充型完畢（見圖6c）。整個填充過程，經(jīng)過內(nèi)澆口的金屬液充型時間為44 ms，且產(chǎn)品厚壁位置的金屬液率先填充，無填充不足現(xiàn)象，澆排系統(tǒng)滿足產(chǎn)品充型要求。

鑄件整體氣壓分布情況見圖7。氣壓值顯示較高的區(qū)域在澆注系統(tǒng)的渣包以及溢流槽中以及產(chǎn)品部分壁厚大的筋條位置，表明這些位置出現(xiàn)氣孔的可能性較大。產(chǎn)品的凝固過程見圖8。可以看出，產(chǎn)品填充完成后3 s極少數(shù)邊緣凝固（見圖8a）；產(chǎn)品填充完成后12 s絕大多數(shù)已凝固（見圖8b）；凝固慢的位置為產(chǎn)品厚壁處。

在鑄件壁厚區(qū)域設(shè)置冷卻水，確保厚壁區(qū)域冷卻效果，避免此區(qū)域出現(xiàn)縮松及縮孔。產(chǎn)品周邊采用布置直冷運水，其他位置設(shè)計點冷冷卻，同時在?5 mm以上芯針采用點冷針，最終冷卻系統(tǒng)見圖9。

圖6 鑄件填充過程

圖7 電機殼后端蓋殼體型腔氣壓模擬

圖8 產(chǎn)品凝固過程

圖9 模具冷卻系統(tǒng)

根據(jù)模具的設(shè)計匹配，使用16 000 kN意德拉壓鑄機進行生產(chǎn)，沖頭直徑選擇120 mm，壓射有效行程為620 mm，通過內(nèi)澆口的鋁液質(zhì)量為6.15 kg，理論高速位置設(shè)置為380 mm，壓射沖頭高度速度為4 m/s，增壓位置設(shè)置為560 mm，以此作為調(diào)試生產(chǎn)的基礎(chǔ)參數(shù)。機臺周邊配備全自動生產(chǎn)設(shè)備，能有效保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。在實際生產(chǎn)調(diào)試時，適當調(diào)整高速位置驗證產(chǎn)品質(zhì)量，最終采用高速位置為420 mm、高速速度為4.2 m/s、增壓位置為560 mm時，產(chǎn)品質(zhì)量理想，但通過X射線探傷檢測，發(fā)現(xiàn)局部仍存在氣孔不穩(wěn)定的情況。產(chǎn)品的氣孔狀況見圖10。

產(chǎn)品內(nèi)部氣縮孔標準：位置1在澆注的最尾端壁厚小于9.5 mm；位置2~4局部壁厚超過9.5 mm，局部按照鋁合金壁厚與氣孔等級為2級標準；加工后外觀標準：位置1和4，小于?0.25 mm的非連接氣孔無數(shù)量限制，小于?2 mm×2 mm深的非連接孔，每100 mm長度最多2個；位置2和3，小于?0.25 mm的非連接氣孔無數(shù)量限制，小于?1 mm×1 mm深的非連接氣孔，每100 mm長度最多2個。可以看出，加工后外觀標準比內(nèi)部標準更加嚴格，按照此狀態(tài)生產(chǎn)并進行CNC加工檢驗，發(fā)現(xiàn)X光檢測有氣孔的位置均有部分產(chǎn)品氣孔加工外露（見圖11），因此針對產(chǎn)品氣孔需要進一步改善。

圖10 電機殼后端蓋X光檢測結(jié)果

圖11 產(chǎn)品加工氣孔外露結(jié)果

方形孔局部結(jié)構(gòu)見圖12。方框孔在澆排的水尾位置，處于產(chǎn)品的中間，局部方框壁厚為2.8 mm，因周邊無法在方框孔周邊布置渣包，局部的氣體難以排出，同時產(chǎn)品的壁厚相對產(chǎn)品整體偏薄，所以鋁料的局部流動性相對較差，易有冷料堆積。

針對產(chǎn)品的排氣與減少冷料的堆積，分析可知，采用渣包排氣、排渣是最有效的方式。受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，無法直接增加渣包，所以采用多方式綜合解決。圖13為方框孔側(cè)壁氣孔改善措施。措施1是將沿氣孔加工外露的側(cè)壁進行割鑲件處理（見圖13a），利用模具鑲塊的配合分型面進行排氣；措施2是產(chǎn)品局部壁厚加厚至3.8 mm（見圖13b），通過局部加厚加強鋁液填充的流動性，從而改善冷料局部堆積。綜合措施實施后，發(fā)現(xiàn)局部氣孔改善良好，滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。

圖12 方形孔局部結(jié)構(gòu)

圖13 方形孔側(cè)壁氣孔改善措施

加工位置2和3氣孔，在產(chǎn)品的同一面上，見圖14，在產(chǎn)品澆排系統(tǒng)的水尾側(cè)，同時也是壁厚相對較厚的位置。針對產(chǎn)品的厚壁位置，一般局部凝固較慢，當周邊的壁薄位置凝固，就斷開了局部的補縮通道，內(nèi)部容易產(chǎn)生縮松。另外根據(jù)生產(chǎn)顯示內(nèi)部氣孔品質(zhì)符合標準要求，只是加工導致的氣孔外露不符合標準，因此，改善方向主要朝避免外露的方向解決。

針對產(chǎn)品加工面外露且在水尾問題，網(wǎng)紋對浮面的氣孔能夠起到排氣及冷料的效果，改善方法1是在局部端面增加網(wǎng)紋，但改善效果并不明顯，因此需要針對厚壁位置的縮松，采用局部增加擠壓，在產(chǎn)品未完全凝固時，采用擠壓銷針進行補縮。這種方式理論可行，但產(chǎn)品密集型氣孔相對較分散，單個擠壓銷無法覆蓋全局，多個擠壓銷針又不太現(xiàn)實，因此方案不可行；考慮采用降低局部模溫，改善方法2是在外露的端面增加點冷，加強局部冷卻凝固，減輕局部的縮松，同時，降低模具表面溫度，使產(chǎn)品表面擁有更厚的致密層，從而減少加工外露的風險。圖15為電機配合面氣孔改善措施。

加工位置4的氣孔，檢查產(chǎn)品加工余量為0.6~0.8 mm，符合產(chǎn)品的正常加工余量，同時周邊壁厚約為12 mm，氣孔在澆排的入料口位置，不存在末端冷料無法排除問題，孔內(nèi)也布置了運水結(jié)構(gòu)，改善其厚壁位置的冷卻導致的縮松。根據(jù)對產(chǎn)品澆排的進一步分析，該位置雖有一條澆道，但其正對產(chǎn)品減料位，見圖16，阻礙了鋁液對局部的填充，因此局部位置氣孔可能是鋁液填充不足引起。

針對鋁液填充不足，同時減小動模具及改動澆注系統(tǒng)，選擇加強半軸孔位置的進料。方法1為對局部澆道內(nèi)澆口進行加寬，寬度超過對應(yīng)的減料槽，結(jié)果導致產(chǎn)品直沖定模芯針，芯針沖擊受熱后周邊縮孔出現(xiàn)，同時芯針斷針頻繁，模具故障率升高；方法2為直接避開定模芯針與動模抽芯針，在其之間增加一股澆道，同時斷開過料防止鋁液直接沿過料搭橋產(chǎn)生回流包卷，改進措施見圖17。將澆口及搭橋按照方法2改善后，半軸孔的氣孔改善顯著。

圖14 區(qū)域位置及壁厚位置

圖15 電機配合面氣孔改善措施

圖16 半軸孔局部進澆

圖17 內(nèi)部包卷及澆口改變

結(jié)論

通過對鋁合金電機殼后端蓋的壓鑄工藝開發(fā)，根據(jù)產(chǎn)品分型結(jié)構(gòu)以及進澆原則，選擇可行的進澆方案，用數(shù)值模擬分析產(chǎn)品的進澆方案和產(chǎn)品澆排系統(tǒng)合理性，同時在模具上做相關(guān)措施，縮短項目開發(fā)周期。根據(jù)實際生產(chǎn)的過程出現(xiàn)的問題與模擬狀態(tài)進行對比，從而進一步優(yōu)化產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)，改善成形工藝條件，提高鑄件品質(zhì)。

《電機殼后端蓋的壓鑄工藝開發(fā)》

廖建強 管維健 肖厚濤
廣東鴻圖武漢壓鑄有限公司

本文轉(zhuǎn)載自《特種鑄造及有色合金》