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【技術電子報】新能源電動機殼體鹽芯水套製造技術

資料來源:壓鑄雜誌


SEBASTIAN FINDEISEN,BRAUN­ SCHWEIG,ROBIN VAN DER AUWERA,MICHAEL HEUSER及FRANZ-JOSEF WÖSTMANN,不萊梅



殼體中帶可見冷卻套的大眾(VW) E-Golf(Golf Vll)同步驅動圖。在2015年度LAA上展出


以鹽芯為介質作為通道,採用低壓鑄造製程製造為一體式電動機冷卻殼體水套提供了非常好的生產方式。目前被用於製造這類殼體產品的生產製程,為目前大需求量電動汽車的大量生產提供了基礎。向電動汽車轉變的趨勢使得電動機殼體在中短期內的需求量變得非常大,這就要求必須使用經濟的製造製程可靠而可複製地製造電動機殼體,以進行大規模生產。這其中面臨的一個特殊挑戰是電動機殼體內部的介質導向冷卻通道的鑄造結構。目前的生產製程會透過不同方法,例如,在壓鑄製程中具有可行性的多殼殼體結構或者用於直接集成重力鑄造製程中冷卻通道的砂芯製程。相對這兩種鑄造製程,鹽芯低壓鑄造製程具有相當大的優勢。



轉變中的交通工具

電動汽車將長久性地改變當今的城市面貌。政府和社會都在努力逐年加大電動汽車領域的建設力度。從德國乃至世界範圍來看,電動汽車的數量都在穩步增長,但在交通工具領域,電動汽車至今仍未佔據太大的比例。


由電動汽車所引發的汽車工業的根本性變革,可能會導致鑄造業產生前所未有的變化。鑄造廠將不得不與其第一大客戶汽車製造商一起,重新適應變化。在目前的鑄件產品組合中,預計將有很大一部分會被淘汰,但它們中只有一部分會被新產品替代。

在這種大環境下,鑄造行業有必要對自己進行重新定位,並重返其作為創新者的領頭角色。然而,與此同時,它又必須脫離老路並選擇新路。3D列印、混合材料、能源效率、新材料和新組件範圍等都不應該被忽視。現在,是時候保住其技術領先地位了。


我們以電動機殼體為例,說明如何才能在創新核心技術和有針對性的技術開發基礎上為鑄造行業開闢新的可能性。



砂芯電動機殼體的製造

大眾汽車公司電動汽車發動機殼體目前的製造製程是傳統的重力鑄造製程。這種製程的一大優勢在於,透過砂芯能夠製出零件中的內部冷卻回路。這意味著重力鑄造是生產這些高度集成組件的最合適並且最經濟的製程。


薄壁砂芯(橫截面為5毫米)對模具製造、砂芯製造製程和鑄造設備提出了最高要求。在射砂製程過程中無法複製出一種更細且壁更薄的結構。此外,砂芯的強度水準也非常低。


近年來,砂芯出現了另一種發展趨勢,即鹽芯。它被優選用於開發一種壓鑄型芯技術。原則上來說,鹽芯與砂芯相比強度增強了10倍。鹽芯憑藉其極為光滑的表面結構而沒有表現出任何典型的粗糙性,因此,特別適合被用於壓鑄製程,因為鹽芯未被滲透。另外,鹽芯也可以用於低壓鑄造製程中,優勢在於,可以將其去除而不會留下任何殘留物,並且不會有砂粒滲透。



用於電動機殼體製造的鹽芯技術

鹽芯是由液態、部分液態或固態材料製成的。借助生成製程從固體粉末狀態加工生產出鹽芯的製程目前尚處於初期階段,而且還需要開展幾年的研發工作。相反,在製造內部冷卻活塞領域,已有多年關於壓制鹽芯相關技術經驗。

到目前為止,受條件限制,只有部分壓鑄鹽芯進入到大規模生產階段。現已有許多差別很大的鑄造鹽芯製程技術開發過程,它們也已經透過了檢測。除了使用熱室壓鑄製程製造鹽芯(如來自塞恩多夫的壓鑄機製造商Frech所提供的製程)之外,來自瑞士烏茲維爾的Bühler股份公司提供的鹽芯也有助於理解壓鑄製程中的鹽芯生產技術。此外,模擬技術也可以預測和驗證壓鑄製程和熱應力,但因此需花費較高的費用。隨著各種不同機構的深入研究,鹽芯製造和加工相關主題變得錯綜複雜。因此,位於不萊梅的弗勞恩霍夫IFAM開發出了一種利用低壓鑄造製程生產高品質鹽芯的新技術,這種技術已達到可批量生產水準。



壓鑄鹽芯在低壓鑄造製程中的優勢

在低壓鑄造過程中需向爐內施加壓力,從而使熔體透過立式升液管進入到模具型腔中。模具填充過程產生的湍流非常小,可對其進行非常精確地控制。透過施加製程壓力,將鹽熔體透過一個加熱的立管引入到熔爐上方的模具中。同時,設置壓力曲線,以使模具能夠盡可能地從下方呈層狀填充。為了抵消鹽固化過程中產生的收縮,在固化過程中需保持製程壓力,並透過澆鑄系統補足製程壓力。這樣會產生具有低孔隙率且砂眼少的鹽芯。除了非常好的表面品質之外,考慮到斷裂強度,高零件品質還特別適合在鋁壓鑄過程中使用鹽芯。相較於低壓壓鑄鹽芯,低壓壓鑄製程還具有其他明顯優勢:

  • 相較於壓鑄裝置,低壓壓鑄機的成本明顯更低

  • 強大的系統技術,無需使用價格昂貴的設備及易損件

  • 密封爐腔可防止出現腐蝕問題

  • 層流模具填充基礎上形成的高品質鹽芯

  • 與壓鑄製程的製程時間具有可比性(鹽芯的固化時間是主要的時間因素)



低壓壓鑄鹽芯的應用示例

大眾汽車股份公司與弗勞恩霍夫IFAM共同合作開發了用於電動機殼體水套的鹽芯(圖1)。



圖1 帶可見內置型芯幾何形狀的電機殼體的CAE模型
圖1 帶可見內置型芯幾何形狀的電動機殼體的CAE模型


模擬軟體對於零件的成功製造至關重要。低壓鑄造鹽芯的鑄造模擬取決於溫度的熱物理特性。這其中包括粘度、液相溫度和固相溫度、熱導率和比熱以及鹽混合物的密度。弗勞恩霍夫IFAM擁有用於執行鑄造鹽芯模具填充和凝固模擬過程的資料庫。結合實踐中的製程專業知識,可對低壓鑄造製程中鹽芯的可製造性做出可靠預測。借助Flow3D(大眾汽車)和MagmaSoft(弗勞恩霍夫IFAM)程式創建了模擬模型,以評估是否可以用熔融鹽完全填充這種型芯。為此,從底部分型並均勻填充型腔,以確定澆鑄位置。澆鑄系統被設計成了盤狀澆口結構。模具填充模擬過程表明,鹽芯從底部到頂部的填充非常均勻(圖2)。通常情況下,在進行鑄件設計時進行固化模擬,以識別鑄件中可能存在的縮孔和氣孔,並在優化迴圈過程中消除或減少它們。

圖2 FLOW-3D鑄造模擬,大眾汽車-從左上到右下
圖2 FLOW-3D鑄造模擬,大眾汽車-從左上到右下


鹽具有非常高的熱膨脹特性,因此,在冷卻時也會表現出非常高的熱變形特性。這種熱變形在受阻時會產生應力,而在超出其強度時會導致型芯產生裂縫。由於鹽易碎,因此,存在固化後鹽芯會斷裂的風險。為了能夠預測這種風險,可使用ABAQUS進行熱機械性能計算,同時,借助這個程式可處理固態靜力學和動力學、導熱、電磁和流體動力學等問題。為此,已將Flow3D的溫度場傳輸到了ABAQUS中,並透過材料特性值對應力進行了預測。


光學測量已被用於檢查鑄造鹽芯的尺寸精度。在這種情況下,可以看出,在對CAD模型和鑄造鹽芯面積進行對比時,型芯表現出了很高的可複製尺寸精度(圖3和圖4)。同時,考慮到固化收縮和翹曲預測因素,型芯的鑄造設計是一個必不可少的方面。


圖3 鑄造鹽芯
圖3 鑄造鹽芯

圖4 將鹽芯的GOM測量值與CAD模型面積進行比較
圖4 將鹽芯的GOM測量值與CAD模型面積進行比較


在重力鑄造製程中用低壓鑄造鹽芯製造殼體

現有重力金屬模已被用於製造可溶鹽芯的殼體原型。由於鹽芯的幾何形狀是基於重力鑄造量產製程中使用的砂芯形成的,因此,砂芯可直接由鹽芯替代並鑄造而成(圖5)。重力鑄造過程中進行鹽芯澆鑄試驗的原因在於,在只有幾個入口的分支冷卻通道中,迄今仍無法解決的鹽的可脫芯性。為了對零件的脫芯進行研究,我們與位於蒙紹的Ecoclean公司共同合作開展了相關試驗。使用配備基於高壓水的不同系統的試驗設備對零件進行脫芯處理。為此,帶澆鑄鹽芯的零件被安裝到了機械臂的執行器上,並在各種程式過程中被移動到了噴水嘴前面。在最多120秒的給定時間內,可將型芯從鑄件上完全無殘留地脫去(圖6)。


圖5 a)鹽芯重力澆電機殼體; b)帶鹽芯的電動機殼體剖面
圖5 a)鹽芯重力澆電動機殼體; b)帶鹽芯的電機殼體剖面


圖6 位於德國蒙紹的Ecoclen公司的說芯製程:a)說芯裝置; b)噴嘴
圖6 位於德國蒙紹的Ecoclen公司的說芯製程:a)說芯裝置; b)噴嘴


結論

與重力鑄造和壓鑄過程生產出來的澆鑄鹽芯直接比較發現,在低壓鑄造過程中生產出來的鹽芯具有明顯優勢。此外,具有高強度的複雜和細長型芯(比砂芯高約10倍)的製造使鹽芯在鋁重力鑄造和低壓鑄造過程中應用成為了可能。較高的強度水準可實現更薄的最小壁厚設計,另外,由於鹽芯表面較厚,因此,對澆鑄鹽芯而言,不存在任何滲透風險。至於在帶冷卻水道電動機殼體的生產過程中,鑄造鹽芯是否會在大規模生產中得到廣泛應用尚且無法確定。目前,除了與回收、系統和工具技術耐用度相關的技術問題之外,對於環境方面的問題也還沒有進行充分調查。此外,人們需要的是經濟上可承受的入門級方案(組件,數量)以及在鑄造業中負責技術開發的合作夥伴。


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