Акумулятор є основним компонентом електромобіля, а його продуктивність визначає технічні показники, такі як термін служби акумулятора, споживання енергії та термін служби електромобіля. Акумуляторний лоток в акумуляторному модулі є основним компонентом, який виконує функції перенесення, захисту та охолодження. Модульний акумуляторний блок розташований у акумуляторному лотку, закріпленому на шасі автомобіля через акумуляторний лоток, як показано на рисунку 1. Оскільки він встановлений на нижній частині кузова автомобіля, а робоче середовище є суворим, акумуляторний лоток повинен мати функцію запобігання ударам каміння та проколам, щоб запобігти пошкодженню акумуляторного модуля. Акумуляторний лоток є важливою конструктивною частиною безпеки електромобілів. Далі описано процес формування та конструкцію прес-форм алюмінієвих акумуляторних лотків для електромобілів.
Рисунок 1 (Акумуляторний лоток з алюмінієвого сплаву)
1 Аналіз процесу та проектування прес-форм
1.1 Аналіз лиття
Алюмінієвий лоток для акумулятора для електромобілів показано на рисунку 2. Загальні розміри становлять 1106 мм × 1029 мм × 136 мм, основна товщина стінки – 4 мм, якість лиття – близько 15,5 кг, а якість лиття після обробки – близько 12,5 кг. Матеріал – A356-T6, міцність на розрив ≥ 290 МПа, межа текучості ≥ 225 МПа, видовження ≥ 6%, твердість за Брінеллем ≥ 75~90HBS, вимоги до герметичності та IP67 та IP69K.
Рисунок 2 (Акумуляторний лоток з алюмінієвого сплаву)
1.2 Аналіз процесу
Лиття під низьким тиском – це особливий метод лиття, що знаходиться між литтям під тиском та литтям під дією сили тяжіння. Він має не лише переваги використання металевих форм для обох випадків, але й характеристики стабільного заповнення. Лиття під низьким тиском має такі переваги, як низька швидкість заповнення знизу вгору, легке керування швидкістю, малий удар та розбризкування рідкого алюмінію, менше оксидного шлаку, висока щільність тканини та високі механічні властивості. При литті під низьким тиском рідкий алюміній заповнюється плавно, а виливок твердне та кристалізується під тиском, що дозволяє отримати виливок з високою щільною структурою, високими механічними властивостями та гарним зовнішнім виглядом, що підходить для формування великих тонкостінних виливків.
Відповідно до механічних властивостей, необхідних для виливка, ливним матеріалом є A356, який може задовольнити потреби клієнтів після обробки T6, але плинність цього матеріалу під час заливки зазвичай вимагає розумного контролю температури форми для отримання великих і тонких виливків.
1.3 Система заливання
З огляду на характеристики великих і тонких виливків, необхідно спроектувати кілька затворів. Водночас, щоб забезпечити плавне заповнення рідким алюмінієм, у вікні додаються канали заповнення, які необхідно видалити під час постобробки. На ранній стадії було розроблено дві технологічні схеми системи заливки, і кожну зі схем було порівняно. Як показано на рисунку 3, схема 1 розташовує 9 затворів і додає канали подачі у вікні; схема 2 розташовує 6 затворів, що здійснюють заливку з боку виливка, що формується. Аналіз CAE-моделювання показано на рисунках 4 та 5. Використовуйте результати моделювання для оптимізації структури форми, спробуйте уникнути негативного впливу конструкції форми на якість виливків, зменшити ймовірність дефектів виливків та скоротити цикл розробки виливків.
Рисунок 3 (Порівняння двох схем процесу для низького тиску
Рисунок 4 (Порівняння температурного поля під час заповнення)
Рисунок 5 (Порівняння дефектів пористості від усадки після затвердіння)
Результати моделювання двох вищезазначених схем показують, що рідкий алюміній у порожнині рухається вгору приблизно паралельно, що відповідає теорії паралельного заповнення рідким алюмінієм в цілому, а змодельовані частини виливка з пористістю усадки вирішуються шляхом посилення охолодженням та іншими методами.
Переваги двох схем: Судячи з температури рідкого алюмінію під час імітованого заповнення, температура дистального кінця виливка, сформованого за схемою 1, має вищу однорідність, ніж за схемою 2, що сприяє заповненню порожнини. Виливок, сформований за схемою 2, не має залишку від литника, як у схемі 1. Пористість при усадці краща, ніж у схеми 1.
Недоліки двох схем: оскільки за схемою 1 затвор розташований на виливку, що формується, на ньому залишатиметься залишок затвора, який збільшиться приблизно на 0,7 ккал порівняно з початковим виливком. Залежно від температури рідкого алюмінію за схемою 2, що моделюється при заповненні, температура рідкого алюмінію на дистальному кінці вже низька, а моделювання відповідає ідеальному стану температури форми, тому пропускна здатність рідкого алюмінію може бути недостатньою в фактичному стані, що призведе до труднощів при формуванні виливків.
Після аналізу різних факторів, як система заливки була обрана схема 2. З огляду на недоліки схеми 2, система заливки та система нагрівання оптимізовані в конструкції форми. Як показано на рисунку 6, додано переливний стояк, що сприяє заповненню рідким алюмінієм та зменшує або запобігає виникненню дефектів у литих виливках.
Рисунок 6 (Оптимізована система заливання)
1.4 Система охолодження
Деталі, що несуть напруження, та ділянки з високими вимогами до механічних характеристик виливків необхідно належним чином охолоджувати або подавати воду, щоб уникнути усадкової пористості або термічного розтріскування. Основна товщина стінки виливка становить 4 мм, а на затвердіння впливатиме тепловіддача самої форми. Для важливих деталей встановлюється система охолодження, як показано на рисунку 7. Після завершення заповнення пропускають воду для охолодження, а певний час охолодження необхідно регулювати на місці заливання, щоб забезпечити послідовність затвердіння від кінця затвора до кінця затвора, а затвор і стояк затверділи в кінці для досягнення ефекту подачі. Деталь з товстішою стінкою використовує метод додавання водяного охолодження до вставки. Цей метод має кращий ефект у процесі лиття та може уникнути усадкової пористості.
Рисунок 7 (Система охолодження)
1.5 Вихлопна система
Оскільки порожнина металу для лиття під низьким тиском закрита, вона не має гарної повітропроникності, як піщані форми, і не випускає повітря через стояки при загальному гравітаційному литті, випуск повітря з порожнини для лиття під низьким тиском впливатиме на процес заповнення рідким алюмінієм та якість виливків. Випуск повітря з форми для лиття під низьким тиском може відбуватися через зазори, випускні канавки та випускні пробки на поверхні розділу, штовхач тощо.
Розмір вихлопної системи має бути таким, щоб забезпечити вихлоп без переповнення. Розумна вихлопна система може запобігти таким дефектам виливків, як недостатнє заповнення, пухка поверхня та низька міцність. Зона остаточного заповнення рідким алюмінієм під час процесу лиття, така як бічна опора та стояк верхньої форми, повинна бути оснащена вихлопним газом. З огляду на те, що рідкий алюміній легко потрапляє в зазор вихлопної пробки під час фактичного процесу лиття під низьким тиском, що призводить до того, що повітряна пробка витягується під час відкриття форми, після кількох спроб та удосконалень було прийнято три методи: метод 1 використовує спечену повітряну пробку порошкової металургії, як показано на рисунку 8(a), недоліком є висока вартість виробництва; метод 2 використовує вихлопну пробку шовного типу із зазором 0,1 мм, як показано на рисунку 8(b), недоліком є те, що вихлопний шов легко блокується після розпилення фарби; метод 3 використовує вихлопну пробку, обрізану дротом, із зазором 0,15~0,2 мм, як показано на рисунку 8(c). Недоліками є низька ефективність обробки та висока вартість виробництва. Різні випускні заглушки необхідно вибирати залежно від фактичної площі виливка. Як правило, для порожнини виливка використовуються спечені та дротяно-різані вентиляційні заглушки, а шовний тип - для головки піщаного стержня.
Рисунок 8 (3 типи вихлопних заглушок, придатних для лиття під низьким тиском)
1.6 Система опалення
Виливка має великий розмір і тонку стінку. Під час аналізу потоку у формі швидкість потоку рідкого алюмінію в кінці заповнення є недостатньою. Причина полягає в тому, що рідкий алюміній тече занадто довго, температура падає, і рідкий алюміній твердне передчасно та втрачає свою текучість. У разі холодного закриття або недостатнього заливання, стояк верхньої форми не зможе досягти ефекту подачі. Виходячи з цих проблем, без зміни товщини стінки та форми виливки, слід збільшити температуру рідкого алюмінію та температуру форми, покращити текучість рідкого алюмінію та вирішити проблему холодного закриття або недостатнього заливання. Однак, надмірна температура рідкого алюмінію та температура форми призведуть до появи нових термічних спаїв або усадкової пористості, що призведе до надмірних плоских отворів після обробки лиття. Тому необхідно вибрати відповідну температуру рідкого алюмінію та відповідну температуру форми. Згідно з досвідом, температура рідкого алюмінію контролюється на рівні близько 720℃, а температура форми - на рівні 320~350℃.
З огляду на великий об'єм, тонку стінку та малу висоту виливка, у верхній частині форми встановлена система нагрівання. Як показано на рисунку 9, напрямок полум'я спрямований до дна та боків форми для нагрівання нижньої площини та боків виливка. Залежно від ситуації на місці заливки, регулюйте час нагрівання та полум'я, контролюйте температуру верхньої частини форми на рівні 320~350 ℃, забезпечте плинність рідкого алюмінію в розумних межах та заповніть порожнину та стояк рідким алюмінієм. У фактичному використанні система нагрівання може ефективно забезпечити плинність рідкого алюмінію.
Рисунок 9 (Система опалення)
2. Структура та принцип роботи форми
Відповідно до процесу лиття під низьким тиском, у поєднанні з характеристиками виливка та конструкцією обладнання, для забезпечення того, щоб сформований виливок залишався у верхній формі, на верхній формі розроблені передня, задня, ліва та права конструкції для витягування стрижня. Після формування та затвердіння виливка спочатку відкриваються верхня та нижня форми, потім витягується стрижень у 4 напрямках, і, нарешті, верхня плита верхньої форми виштовхує сформований виливок. Конструкція форми показана на рисунку 10.
Рисунок 10 (Структура прес-форми)
Під редакцією Мей Цзян з MAT Aluminum
Час публікації: 11 травня 2023 р.
