原標題：純電動汽車電機殼體壓鑄模具設計與實踐

摘要：利用3D打印水道和高壓冷卻相結合的模具冷卻系統，實現純電動汽車電機殼體模具均勻冷卻，將傳感器和電磁閥與壓鑄設備控制系統連接，實現模具工作溫度智能控制，解決模具粘鋁問題，提高鑄件內部品質和生產效率。研究結果對類似復雜結構的汽車零部件開發具有參考意義與應用價值。

1、驅動電機殼體鑄件

驅動電機殼體如圖1所示，由四個功能區組成：一是安裝電機內殼、定子和轉子
區；二是安裝輸出軸組件區；三是安裝內部循環水冷卻管道區；四是電機的安裝固
定區。

圖1 電機殼體模型

為了減輕電機重量，提高電動汽車的續航里程，鑄件結構設計采用有限元分析，將電機殼體筒體部分壁厚減薄到4 mm，增加了“H”形加強筋；輸出軸組件安裝區壁厚由15 mm減薄到6 mm，增加異形加強筋，電機殼體鑄件重量由原來的的15 kg減輕到8 kg。鑄件結構優化設計給壓鑄模具冷卻系統設計和壓鑄工藝參數設計帶來了極大難度，本文主要對壓鑄模具冷卻、溫度智能控制系統、壓鑄工藝參數、殼體鑄件質量和生產效率進行研究。

2、壓鑄模具設計

2.1 冷卻系統

圖2是電機殼體實物圖，孔隙率不大于4%，電機殼體的筒體部分體積較大，長度500 mm，壁厚4 mm，鋁液長距離填充型腔必然導致模具溫度急劇上升，圖3所示的模流仿真溫度場中可以看出，殼體內腔深處結構復雜的加強筋位置G區壁厚最厚，溫度最高，必然產生粘鋁、內部疏松、氣孔或縮孔，高壓點冷卻直水道無法加工。將該處設計成鑲件并采用3D打印冷卻水道，直接與模芯的高壓冷卻水管道連接，可以解決G區冷卻問題。如圖4所示，1是模具鑲件部分的局部實現了隨形冷卻水道，為了冷卻水道到模具型腔外表面的距離，圖1異形結構尖角處只能采用直徑為1 mm的3D打印水道，確保圖3高溫區G的水道外壁到模具表面不足8 mm，實現精準隨形冷卻，確保冷卻水道到模具型腔外表面的距離基本相等，解決了復雜模具表面導熱能力不平衡問題；2為高壓進、出水道，一端與高壓冷卻裝置連接，另一端與車間回水管道連接。

圖2 電機殼體實物

圖3 溫度場

圖4 3D打印鑲塊

2.2 合金粉末選擇

選取以鐵、錳、鎳、鉻、鉬、鎢等為主要成分的高純凈度、高流動性、高球形度的合金粉末，采用激光熔融沉積法來制作3D隨形冷卻水道鑲件，經過熱等靜壓、真空淬火、固溶退火、精密加工、表面激光涂層處理，3D打印的鑲件本體力學性能見表1。

表1 材料力學性能

2.3 冷卻水智能控制

由圖3溫度場數據分析得出，鑄件G區的溫度最高，對鑄件質量影響最大，只要控制G區的溫度，整個鑄件內部質量就基本解決，將熱電偶安裝在3D打印鑲件G區的相反面檢測模具溫度效果最佳，如圖5所示，熱電偶在3 ms內將溫度變化產生的熱電勢信息轉換成溫度數字信號，通過熱電偶插頭與圖6所示壓鑄機連接，壓鑄機將接收到的溫度信號放入儲存器中并與模具溫度設定值進行比對，當模具溫度超過設定上限205℃時，如圖7所示，三組并聯的冷卻水控制電磁閥全部打開，模具冷卻水流量增加如圖8所示，模具溫度迅速下降；當模具溫度低于設定下線190 ℃時，三組并聯的電磁閥依次關閉直到模具溫度值上升到設定范圍內后，不再關閉其余電磁閥，實現了模具溫度動態平衡，如圖9所示。

圖5 模溫監控

圖6 壓鑄機

圖7 電磁閥

圖8 模具冷卻裝置

圖9 模具溫度監控系統界面

3、模具應用

經過三次上機批量生產試驗后優化出三組工藝參數進行小批量生產，壓鑄工藝參數見表2。

表2 壓鑄工藝參數

采用3組壓鑄工藝參數各試產1 000件，分別對電機殼體鑄件外部質量、CT掃描進行檢查和生產節拍平均值統計，結論見表3。殼體鑄件的壁厚差異較大，模具不同部位的蓄熱量不同，壁厚越厚蓄熱量就越大，試驗結果顯示鑄件壁厚大于10 mm的部位模具溫度控制在180~195 ℃最為合理，壁厚在4~6 mm之間的部位模具溫度控制在195~205 ℃最為合理；內澆道速度直接影響填充時間、模具壽命、鑄件表面質量，速度過快會過早沖蝕模具表面，鋁液在噴射過程卷氣量較大，同時會造成排氣不暢通，導致鑄件產生氣孔等缺陷；內澆道速度為46 m/s時，外觀質量和內部質量最佳，見圖10。澆口比是控制充填速度和壓力傳遞的關鍵參數，是CAE仿真分析后設計出來的；生產效率第三組工藝參數最佳，但是合格率偏低。綜合生產效率和品質考慮得出，第一組為最佳工藝參數。鑄件內部前十大內部缺陷中最大直徑為1.539 mm，孔隙率為3.5%，遠遠低于VW 50093：2012-075壓鑄件孔隙率5%的標準。

表3 生產統計表

圖10 電機殼體CT報告

4、結論

（1）3D打印增材制造技術可以為壓鑄模具設計制造提供很好的技術支持，實現了模具復雜結構部位的隨形冷卻，徹底解決了壓鑄件粘鋁、拉模、氣孔等缺陷；3D打印水道最小可以做到直徑1 mm，距離模具表面可以做到8 mm以內，對模具實現精準冷卻。

（2）運用熱傳感器、電磁閥、壓鑄機的模具溫度控制系統等控制模具工作溫度，將模具溫度信息與冷卻水流量控制信息直接連接，實現模具溫度智能控制，對類似復雜結構的汽車零部件開發具有參考意義與應用價值。

作者：

張正來 龔華煒 徐慶光
寧波市法萊欣科技有限公司

蔡朝新 馬曉鋒 孫全權
浙江華朔科技股份有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2022年第3期第71卷