עיצוב תבנית יציקה בלחץ נמוך עבור מגש סוללות מסגסוגת אלומיניום של רכב חשמלי

הסוללה היא המרכיב המרכזי של רכב חשמלי, וביצועיה קובעים את המדדים הטכניים כגון חיי סוללה, צריכת אנרגיה וחיי שירות של הרכב החשמלי. מגש הסוללה במודול הסוללה הוא הרכיב העיקרי המבצע את תפקידי הנשיאה, ההגנה והקירור. חבילת הסוללות המודולרית מסודרת במגש הסוללה, מקובעת על שלדת הרכב דרך מגש הסוללה, כפי שמוצג באיור 1. מכיוון שהיא מותקנת בתחתית גוף הרכב וסביבת העבודה קשה, מגש הסוללה צריך להיות בעל תפקיד של מניעת פגיעות אבנים וניקוב כדי למנוע נזק למודול הסוללה. מגש הסוללה הוא חלק מבני בטיחות חשוב של כלי רכב חשמליים. להלן יוצג תהליך העיצוב ועיצוב התבנית של מגשי סוללות מסגסוגת אלומיניום עבור כלי רכב חשמליים.

איור 1 (מגש סוללות מסגסוגת אלומיניום)
1 ניתוח תהליכים ותכנון תבניות
1.1 ניתוח יציקה
מגש הסוללות מסגסוגת אלומיניום לרכבים חשמליים מוצג באיור 2. המידות הכוללות הן 1106 מ"מ × 1029 מ"מ × 136 מ"מ, עובי הדופן הבסיסי הוא 4 מ"מ, איכות היציקה היא כ-15.5 ק"ג, ואיכות היציקה לאחר העיבוד היא כ-12.5 ק"ג. החומר הוא A356-T6, חוזק מתיחה ≥ 290MPa, חוזק כניעה ≥ 225MPa, התארכות ≥ 6%, קשיות ברינל ≥ 75~90HBS, צריך לעמוד בדרישות אטימות אוויר ו-IP67 ו-IP69K.

איור 2 (מגש סוללות מסגסוגת אלומיניום)
1.2 ניתוח תהליכים
יציקת תבנית בלחץ נמוך היא שיטת יציקה מיוחדת המבוססת על יציקת לחץ ויציקת כבידה. יש לה לא רק את היתרונות של שימוש בתבניות מתכת, אלא גם את המאפיינים של מילוי יציב. ליציקת תבנית בלחץ נמוך יש יתרונות של מילוי במהירות נמוכה מלמטה למעלה, מהירות קלה לשליטה, פגיעות והתזות קטנות של אלומיניום נוזלי, פחות סיגי תחמוצת, צפיפות רקמה גבוהה ותכונות מכניות גבוהות. ביציקת תבנית בלחץ נמוך, האלומיניום הנוזלי מתמלא בצורה חלקה, והיציקה מתמצקת ומתגבשת תחת לחץ, וניתן להשיג יציקה בעלת מבנה צפוף גבוה, תכונות מכניות גבוהות ומראה יפהפה, המתאימה ליצירת יציקות גדולות בעלות דופן דקה.
בהתאם לתכונות המכניות הנדרשות מהיציקה, חומר היציקה הוא A356, שיכול לענות על צרכי הלקוחות לאחר טיפול T6, אך נוזליות היציקה של חומר זה דורשת בדרך כלל שליטה סבירה בטמפרטורת התבנית כדי לייצר יציקות גדולות ודקות.
1.3 מערכת מזיגה
לאור המאפיינים של יציקות גדולות ודקות, יש לתכנן מספר שערים. במקביל, על מנת להבטיח מילוי חלק של אלומיניום נוזלי, מוסיפים תעלות מילוי בחלון, אותן יש להסיר לאחר העיבוד. בשלב מוקדם תוכננו שתי סכמות תהליך של מערכת המזיגה, וכל סכמה הושוותה. כפי שמוצג באיור 3, סכמה 1 מסדרת 9 שערים ומוסיפה תעלות הזנה בחלון; סכמה 2 מסדרת 6 שערים הנמזגים מצד היציקה שיש ליצור. ניתוח סימולציית CAE מוצג באיור 4 ובאיור 5. השתמשו בתוצאות הסימולציה כדי לייעל את מבנה התבנית, לנסות להימנע מההשפעה השלילית של תכנון התבנית על איכות היציקות, להפחית את ההסתברות לפגמים ביציקה ולקצר את מחזור הפיתוח של היציקות.

איור 3 (השוואה בין שתי תוכניות תהליך ללחץ נמוך)

איור 4 (השוואת שדה טמפרטורה במהלך המילוי)

איור 5 (השוואה בין פגמי נקבוביות הצטמקות לאחר התמצקות)
תוצאות הסימולציה של שתי הסכמות לעיל מראות כי האלומיניום הנוזלי בחלל נע כלפי מעלה בקירוב במקביל, דבר התואם את תיאוריית המילוי המקביל של האלומיניום הנוזלי בכללותו, וחלקי נקבוביות ההתכווצות המדומה של היציקה נפתרים על ידי חיזוק הקירור ושיטות אחרות.
יתרונות שתי הסכמות: אם לשפוט לפי טמפרטורת האלומיניום הנוזלי במהלך המילוי המדומה, טמפרטורת הקצה הדיסטלי של היציקה שנוצרה על ידי סכמה 1 היא בעלת אחידות גבוהה יותר מזו של סכמה 2, דבר התורם למילוי החלל. היציקה שנוצרה על ידי סכמה 2 אינה מכילה שאריות שער כמו סכמה 1. נקבוביות ההתכווצות טובה יותר מזו של סכמה 1.
חסרונות של שתי הסכמות: מכיוון שהשער מסודר על גבי היציקה שתיוצר בסכמה 1, יהיו שאריות שער על היציקה, אשר יגדלו בכ-0.7 קאליו בהשוואה ליציקה המקורית. מטמפרטורת האלומיניום הנוזלי במילוי המדומה בסכמה 2, טמפרטורת האלומיניום הנוזלי בקצה הדיסטלי כבר נמוכה, והסימולציה נמצאת תחת מצב אידיאלי של טמפרטורת התבנית, כך שייתכן שיכולת הזרימה של האלומיניום הנוזלי לא תהיה מספקת במצב בפועל, ותהיה בעיית קושי ביציקה.
בשילוב עם ניתוח גורמים שונים, נבחרה סכמה 2 כמערכת המזיגה. לאור החסרונות של סכמה 2, מערכת המזיגה ומערכת החימום עברו אופטימיזציה בתכנון התבנית. כפי שמוצג באיור 6, נוסף צינור הצפה, דבר המועיל למילוי אלומיניום נוזלי ומפחית או מונע הופעת פגמים ביציקות יצוקות.

איור 6 (מערכת מזיגה אופטימלית)
1.4 מערכת קירור
יש לקרר או להזין כראוי את החלקים הנושאים מאמץ ואת האזורים בעלי דרישות ביצועים מכניים גבוהות של יציקות כדי למנוע נקבוביות הצטמקות או סדקים תרמיים. עובי הדופן הבסיסי של היציקה הוא 4 מ"מ, וההתמצקות תושפע מפיזור החום של התבנית עצמה. עבור החלקים החשובים שלה, מוקמת מערכת קירור, כפי שמוצג באיור 7. לאחר השלמת המילוי, מעבירים מים לקירור, ויש להתאים את זמן הקירור הספציפי באתר היציקה כדי להבטיח שרצף ההתמצקות ייווצר מקצה השער הרחק לקצה השער, והשער והרזיה מתמצקים בקצה כדי להשיג את אפקט ההזנה. החלק עם עובי דופן עבה יותר מאמץ את השיטה של ​​הוספת קירור מים לתוסף. לשיטה זו יש השפעה טובה יותר בתהליך היציקה בפועל ויכולה למנוע נקבוביות הצטמקות.

איור 7 (מערכת קירור)
1.5 מערכת פליטה
מכיוון שהחלל של יציקת מתכת בלחץ נמוך סגור, אין לו חדירות אוויר טובה כמו תבניות חול, והוא גם לא יוצא דרך צינורות יציקה ביציקת כבידה כללית, הפליטה של ​​חלל היציקה בלחץ נמוך תשפיע על תהליך המילוי של אלומיניום נוזלי ועל איכות היציקות. תבנית היציקה בלחץ נמוך יכולה לצאת דרך פערים, חריצי פליטה ופקקי פליטה במשטח הפרידה, מוט הדחיפה וכו'.
עיצוב גודל הפליטה במערכת הפליטה צריך להיות תורם לפליטה ללא הצפה, מערכת פליטה סבירה יכולה למנוע פגמים ביציקות כגון מילוי לא מספק, משטח רופף וחוזק נמוך. אזור המילוי הסופי של האלומיניום הנוזלי במהלך תהליך היציקה, כגון משענת הצד והעלייה של התבנית העליונה, צריך להיות מצויד בגז פליטה. לאור העובדה שאלומיניום נוזלי זורם בקלות לתוך הפער של פקק הפליטה בתהליך בפועל של יציקת תבנית בלחץ נמוך, מה שמוביל למצב שפקק האוויר נשלף החוצה בעת פתיחת התבנית, אומצו שלוש שיטות לאחר מספר ניסיונות ושיפורים: שיטה 1 משתמשת בפקק אוויר מסונטר ממתכת אבקה, כפי שמוצג באיור 8(א), החיסרון הוא שעלות הייצור גבוהה; שיטה 2 משתמשת בפקק פליטה מסוג תפר עם פער של 0.1 מ"מ, כפי שמוצג באיור 8(ב), החיסרון הוא שתפר הפליטה נחסם בקלות לאחר ריסוס צבע; שיטה 3 משתמשת בפקק פליטה חתוך בחוט, הפער הוא 0.15~0.2 מ"מ, כפי שמוצג באיור 8(ג). החסרונות הם יעילות עיבוד נמוכה ועלות ייצור גבוהה. יש לבחור פקקי פליטה שונים בהתאם לשטח היציקה בפועל. באופן כללי, משתמשים בפקקי אוורור מסונטרים וחתוכים בחוט לחלל היציקה, וסוג תפר משמש לראש ליבת החול.

איור 8 (3 סוגי פקקי פליטה המתאימים ליציקת לחץ נמוך)
1.6 מערכת חימום
יציקת התבנית גדולה בגודלה ועובי הדופן שלה דקה. בניתוח זרימת התבנית, קצב הזרימה של האלומיניום הנוזלי בסוף המילוי אינו מספיק. הסיבה לכך היא שהאלומיניום הנוזלי זרום זמן רב מדי, הטמפרטורה יורדת, והאלומיניום הנוזלי מתמצק מראש ומאבד את יכולת הזרימה שלו, סגירה קרה או יציקה לא מספקת, והעלייה של התבנית העליונה לא תוכל להשיג את אפקט ההזנה. בהתבסס על בעיות אלו, מבלי לשנות את עובי הדופן וצורת היציקה, ניתן להעלות את טמפרטורת האלומיניום הנוזלי ואת טמפרטורת התבנית, לשפר את נזילות האלומיניום הנוזלי ולפתור את בעיית הסגירה הקרה או היציקה הלא מספקת. עם זאת, טמפרטורת אלומיניום נוזלי מוגזמת וטמפרטורת תבנית מוגזמת ייצרו צמתים תרמיים חדשים או נקבוביות הצטמקות, וכתוצאה מכך חורי סיכה מישוריים מוגזמים לאחר עיבוד היציקה. לכן, יש צורך לבחור טמפרטורת אלומיניום נוזלי מתאימה וטמפרטורת תבנית מתאימה. על פי ניסיון, טמפרטורת האלומיניום הנוזלי נשלטת על כ-720℃, וטמפרטורת התבנית נשלטת על 320~350℃.
לאור הנפח הגדול, עובי הדופן הדק והגובה הנמוך של היציקה, מותקנת מערכת חימום בחלק העליון של התבנית. כפי שמוצג באיור 9, כיוון הלהבה פונה לתחתית ולצד התבנית כדי לחמם את המישור התחתון ואת צד היציקה. בהתאם למצב היציקה באתר, יש להתאים את זמן החימום והלהבה, לשלוט בטמפרטורת חלק התבנית העליון בטווח של 320~350 מעלות צלזיוס, להבטיח את נזילות האלומיניום הנוזלי בטווח סביר, ולגרום לאלומיניום הנוזלי למלא את החלל ואת הציר. בשימוש בפועל, מערכת החימום יכולה להבטיח ביעילות את נזילות האלומיניום הנוזלי.

איור 9 (מערכת חימום)
2. מבנה התבנית ועקרון העבודה
בהתאם לתהליך יציקת לחץ נמוך, בשילוב עם מאפייני היציקה ומבנה הציוד, על מנת להבטיח שהיציקה שנוצרה תישאר בתבנית העליונה, מתוכננים על התבנית העליונה מבני משיכת ליבה קדמיים, אחוריים, שמאליים וימניים. לאחר יצירת והתקשות היציקה, תחילה נפתחות התבניות העליונות והתחתונות, ולאחר מכן מושכות את הליבה ב-4 כיוונים, ולבסוף הפלטה העליונה של התבנית העליונה דוחפת החוצה את היציקה שנוצרה. מבנה התבנית מוצג באיור 10.

איור 10 (מבנה התבנית)
נערך על ידי מאי ג'יאנג מ-MAT Aluminum