原標(biāo)題：壓鑄新能源水冷型電機殼性能提升的研究

新能源汽車是全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展的主要方向，也是我國汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。隨著新能源汽車產(chǎn)銷量逐年攀升，驅(qū)動了電驅(qū)行業(yè)的快速發(fā)展，電機殼作為其關(guān)鍵部件，需求量也隨之增加。新能源電機殼的發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)出快速增長和技術(shù)創(chuàng)新的特點。在產(chǎn)業(yè)鏈和核心技術(shù)方面，新能源電機殼體作為新能源汽車的核心零部件之一，其質(zhì)量和性能直接影響到整車的動力、爬坡能力和加速性能。

新能源驅(qū)動電機的散熱冷卻方式主要有水冷與油冷，水冷型電機在節(jié)能和降本方面更具有優(yōu)勢。新能源水冷型電機殼體具有高效、可靠和穩(wěn)定的熱管理功能。水冷型電機殼采用夾層式結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)設(shè)置有螺旋水道，通過進(jìn)出水管的連接，實現(xiàn)了高效的水循環(huán)冷卻，顯著提高了電機的散熱效果。此外，水冷型電機殼的設(shè)計還具有輕量化的特點，采用攪拌摩擦焊接技術(shù)，進(jìn)一步減輕了整車的質(zhì)量，便于運輸和安裝。這種設(shè)計不僅有助于提高電機的運行效率，還能延長電機的使用壽命。水冷電機殼體通常采用高效的冷卻系統(tǒng)和精密的制造工藝，確保在高溫環(huán)境下仍能保持出色的性能。

水冷型電機殼采用A380壓鑄鋁合金，由外殼體+內(nèi)殼體兩部分壓鑄件構(gòu)成，經(jīng)過立車、T5熱處理、熱套壓裝、攪拌摩擦焊、焊后組合加工等一系列工序形成一個密封的水冷腔體電機殼。電機內(nèi)殼鑄件的失效模式很多，包括內(nèi)部質(zhì)量不致密失效、裂紋失效、磨損失效、腐蝕失效和變形失效等。這些失效模式是由多種因素共同作用的結(jié)果，可能包括材料特性、設(shè)計和制造工藝以及使用條件等。本研究中該款水冷型電機內(nèi)殼最主要的失效模式為鑄件內(nèi)部質(zhì)量不致密失效。電機內(nèi)殼鑄件內(nèi)部質(zhì)量不致密會導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，容易在使用過程中出現(xiàn)泄漏、裂紋、變形等問題，從而影響產(chǎn)品的使用壽命和安全性。輕微內(nèi)部質(zhì)量不致密會導(dǎo)致冷卻液滲漏，影響電機效率；嚴(yán)重的內(nèi)部質(zhì)量不致密可能導(dǎo)致內(nèi)殼破裂，影響電機的正常運行。

影響電機內(nèi)殼鑄件內(nèi)部質(zhì)量不致密因素包括壓鑄鋁合金成分和熔煉工藝、壓鑄澆注系統(tǒng)設(shè)計和壓鑄工藝參數(shù)、T5熱處理工藝、熱套壓裝工藝、攪拌摩擦焊工藝等。本研究在壓鑄鋁合金成分和熔煉工藝以及壓鑄工藝參數(shù)固化情況下，重點對澆注系統(tǒng)、T5熱處理工藝、熱套壓裝工藝、攪拌摩擦焊工藝4個模塊進(jìn)行研究，探索對其電機內(nèi)殼性能的影響。

圖文結(jié)果

電機內(nèi)殼呈現(xiàn)圓桶狀結(jié)構(gòu)，整個產(chǎn)品均屬于試漏密封檢測區(qū)域，因此對其內(nèi)部質(zhì)量致密性要求極高。要保證電機內(nèi)殼內(nèi)部質(zhì)量高致密性，鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計需十分合理。澆注系統(tǒng)通過合理設(shè)計內(nèi)澆口的位置、形狀和尺寸，以及確保金屬液流動平穩(wěn)，可以有效保證壓鑄件內(nèi)部致密性。開發(fā)前期根據(jù)電機內(nèi)殼結(jié)構(gòu)及性能要求，找出適合進(jìn)澆的位置，預(yù)設(shè)4種不同的澆注系統(tǒng)，見圖1。方案1采用鷹嘴式單側(cè)進(jìn)澆，方案2采用平搭式中心進(jìn)澆，方案3采用平搭式單側(cè)進(jìn)澆，方案4采用鷹嘴式中心進(jìn)澆。

通過Magma軟件對4種不同澆注方案進(jìn)行模流分析，見圖2。方案1采用鷹嘴式澆口，鋁液已填充完型腔時鑄件側(cè)壁位置仍有較多氣體未排出，存在困氣、卷氣的風(fēng)險；方案2采用中心進(jìn)澆，鋁料從內(nèi)殼中心進(jìn)入型腔，澆口分布均勻，鋁液填充一致性好，流態(tài)平順，無包卷紊流情況，型腔內(nèi)的氣體能夠順利排出，產(chǎn)生氣孔的風(fēng)險性小；方案3采用平搭式澆口，由于內(nèi)殼型腔較深，填充不順暢，填充完成后，內(nèi)殼側(cè)壁含氣量較大；方案4采用鷹嘴式澆口，在內(nèi)殼側(cè)壁上進(jìn)澆，填充順暢但存在嚴(yán)重匯流包卷情況，匯流包卷位置溫度下降快，存在較大的成形不良和氣孔外露風(fēng)險。因此基于模流結(jié)果，最終電機內(nèi)殼澆注系統(tǒng)選擇方案2平搭式中心進(jìn)澆，澆口布置在電機內(nèi)殼圓桶底部加工孔孔壁。

圖1 4種不同的澆注方案三維圖

圖2 4種不同澆注系統(tǒng)的模流含氣量分析圖

確認(rèn)最佳進(jìn)料位置設(shè)計方案（平搭式中心進(jìn)澆）后再對其進(jìn)行排渣位置設(shè)計，最終排渣位置設(shè)計方案見圖3和圖4。通過對方案2澆注系統(tǒng)進(jìn)行材料粒子追蹤分析，采用中間直線式進(jìn)澆，模具腔體內(nèi)氣體能被快速往電機內(nèi)殼排氣端排出，但鑄件水尾有部分氣體撞擊后回流到鑄件內(nèi)部，形成卷氣，從而影響鑄件內(nèi)部質(zhì)量致密性。因此在方案2基礎(chǔ)上再進(jìn)行優(yōu)化改善，將內(nèi)澆口設(shè)計成與直澆道夾角<90°，以旋轉(zhuǎn)式進(jìn)澆方式填充模具型腔，模流分析材料粒子追蹤見圖4。鋁液在電機內(nèi)殼圓桶鑄件內(nèi)部進(jìn)行螺旋式填充，將模具內(nèi)氣體擠出，未出現(xiàn)明顯鋁液回流現(xiàn)象，能改善電機內(nèi)殼鑄件內(nèi)部質(zhì)量的致密性，提升鑄件性能。

圖3 中間直線式進(jìn)澆粒子追蹤圖
（t=0.313 11 s）

圖4 中間旋轉(zhuǎn)式進(jìn)澆粒子追蹤圖
（t=0.375 48 s）

電機內(nèi)殼T5熱處理是指鑄件在高溫壓鑄成形冷卻后進(jìn)行人工時效處理。這個過程有助于消除鑄造過程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，改善其力學(xué)性能。電機內(nèi)殼材質(zhì)采用A380壓鑄鋁合金，鑄件本體取樣力學(xué)性能要求：抗拉強度≥256 MPa，伸長率≥1%，屈服強度≥150 MPa。針對該款電機內(nèi)殼進(jìn)行自然時效和T5熱處理，再對其6種試樣條件下同一位置本體取樣測力學(xué)性能，結(jié)果見表1。從表1可知，電機內(nèi)殼經(jīng)過T5熱處理（210 ℃保溫75 min+風(fēng)冷20 min）后鑄件本體取樣力學(xué)性能可以滿足要求。T5熱處理通過均勻化內(nèi)部應(yīng)力和減少應(yīng)力集中，有效防止了氣孔缺陷的形成，從而提升鑄件的性能。

表1 電機殼體本體取樣力學(xué)性能

熱套壓裝溫度設(shè)置原則，在保證熱套壓裝過程中不產(chǎn)生剮蹭并確保裝配到位的前提下，盡量降低溫度，避免對電機殼致密性產(chǎn)生影響。要保證電機內(nèi)外殼壓裝時不干涉，電機內(nèi)外殼定子孔間隙量控制在0.03~-0.07 mm，反推電機外殼定子孔熱套膨脹之后需控制孔徑為?209.12~?209.24 mm。通過熱套溫度與電機殼熱套孔孔徑的試驗研究，見圖5，其中1號內(nèi)徑為?248.85 mm，2號內(nèi)徑為?208.84 mm，3號內(nèi)徑為?208.85 mm，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電機殼熱套孔孔徑為?209.12~ ?209.24 mm區(qū)間時，熱套加熱溫度參數(shù)窗口為120~140 ℃。熱套加熱時間與溫度的關(guān)系見圖6，當(dāng)熱套溫度在120~140 ℃，得到加熱時間參數(shù)窗口為15~19 s。

圖5 熱套加熱溫度與電機殼熱套孔孔徑關(guān)系圖

圖6 熱套加熱溫度與加熱時間關(guān)系圖

攪拌摩擦焊過程中，焊接下壓量是獲得足夠摩擦熱的關(guān)鍵，同時下壓量起到限制塑性流體外溢、保證焊縫成形的作用。轉(zhuǎn)速、進(jìn)給是影響熱輸入的主要參數(shù)，從而影響接頭性能。對于一定形狀攪拌焊接頭以及焊接區(qū)域鑄件內(nèi)部質(zhì)量好的前提下，影響焊縫內(nèi)部質(zhì)量致密性的關(guān)鍵因素是焊接轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和下壓量。在其他因素不變的情況下，通過針對電機殼攪拌摩擦焊關(guān)鍵工藝參數(shù)（轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和下壓量）進(jìn)行正交試驗研究，確定出最佳工藝參數(shù)。三因素水平見表2。

通過DOE試驗進(jìn)行驗證，結(jié)果見表3。可以看出，轉(zhuǎn)速為750 r/min、進(jìn)給速度為250 mm/min、下壓量為0.3 mm和轉(zhuǎn)速為850 r/min、進(jìn)給速度為350 mm/min、下壓量為0.2 mm兩組參數(shù)下電機殼內(nèi)部質(zhì)量均合格，但后者使攪拌摩擦焊頭磨損嚴(yán)重。為保證電機殼鑄件內(nèi)部致密性，最終選擇攪拌摩擦焊轉(zhuǎn)速為750 r/min、進(jìn)給速度為250 mm/min、下壓量為0.3 mm。

表2 因素水平表

表3 正交試驗結(jié)果

結(jié)論

（1）某新能源汽車電機內(nèi)殼采用從內(nèi)殼底部中心進(jìn)澆方式，澆口設(shè)計成與直澆道夾角小于90°，以旋轉(zhuǎn)式進(jìn)澆的方式填充模具型腔，可以解決電機內(nèi)殼圓桶結(jié)構(gòu)填充難問題，從而改善電機內(nèi)殼鑄件內(nèi)部質(zhì)量的致密性，提升其鑄件性能。

（2）T5熱處理（時效溫度210 ℃，保溫75 min，風(fēng)冷20 min）通過均勻化內(nèi)部應(yīng)力和減少應(yīng)力集中，有效防止了氣孔缺陷的形成，提高了該電機內(nèi)殼性能。

（3）熱套壓裝工序會擴(kuò)大鑄件缺陷，從而降低鑄件內(nèi)部質(zhì)量致密性。熱套壓裝工序在120~140 ℃，加熱時間為15~19 s時對電機內(nèi)殼性能影響最小。

（4）基于一定形狀攪拌焊頭以及焊接區(qū)域鑄件內(nèi)部質(zhì)量好的前提下，影響電機內(nèi)殼焊接區(qū)域內(nèi)部質(zhì)量致密性的關(guān)鍵因素是焊接轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和下壓量。通過DOE試驗驗證，轉(zhuǎn)速為750 r/min、進(jìn)給速度為250 mm/min、下壓量為0.3 mm時該電機內(nèi)殼焊接區(qū)域內(nèi)部質(zhì)量最好，鑄件性能理想。

《壓鑄新能源水冷型電機殼性能提升的研究》

李秋旭1 蘇海章2 宋衛(wèi)嗣1
宗位慶1 曹祝偉1 張圍1 徐建1

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