Η μπαταρία είναι το βασικό εξάρτημα ενός ηλεκτρικού οχήματος και η απόδοσή της καθορίζει τεχνικούς δείκτες όπως η διάρκεια ζωής της μπαταρίας, η κατανάλωση ενέργειας και η διάρκεια ζωής του ηλεκτρικού οχήματος. Η θήκη μπαταρίας στη μονάδα μπαταρίας είναι το κύριο εξάρτημα που εκτελεί τις λειτουργίες μεταφοράς, προστασίας και ψύξης. Η αρθρωτή συστοιχία μπαταριών είναι τοποθετημένη στη θήκη μπαταρίας, στερεωμένη στο πλαίσιο του αυτοκινήτου μέσω της θήκης μπαταρίας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Δεδομένου ότι είναι εγκατεστημένη στο κάτω μέρος του αμαξώματος του οχήματος και το εργασιακό περιβάλλον είναι σκληρό, η θήκη μπαταρίας πρέπει να έχει τη λειτουργία της αποτροπής πρόσκρουσης από πέτρα και τρυπήματος, ώστε να αποτραπεί η ζημιά στη μονάδα μπαταρίας. Η θήκη μπαταρίας είναι ένα σημαντικό δομικό στοιχείο ασφαλείας των ηλεκτρικών οχημάτων. Τα παρακάτω παρουσιάζουν τη διαδικασία διαμόρφωσης και το σχεδιασμό καλουπιού των θηκών μπαταριών από κράμα αλουμινίου για ηλεκτρικά οχήματα.
Σχήμα 1 (Δίσκος μπαταρίας από κράμα αλουμινίου)
1 Ανάλυση διεργασίας και σχεδιασμός καλουπιού
1.1 Ανάλυση χύτευσης
Η θήκη μπαταρίας από κράμα αλουμινίου για ηλεκτρικά οχήματα φαίνεται στο Σχήμα 2. Οι συνολικές διαστάσεις είναι 1106mm×1029mm×136mm, το βασικό πάχος τοιχώματος είναι 4mm, η ποιότητα χύτευσης είναι περίπου 15,5kg και η ποιότητα χύτευσης μετά την επεξεργασία είναι περίπου 12,5kg. Το υλικό είναι A356-T6, αντοχή σε εφελκυσμό ≥ 290MPa, όριο διαρροής ≥ 225MPa, επιμήκυνση ≥ 6%, σκληρότητα Brinell ≥ 75~90HBS, πρέπει να πληροί τις απαιτήσεις αεροστεγανότητας και IP67&IP69K.
Σχήμα 2 (Δίσκος μπαταρίας από κράμα αλουμινίου)
1.2 Ανάλυση διεργασιών
Η χύτευση υπό πίεση χαμηλής πίεσης είναι μια ειδική μέθοδος χύτευσης μεταξύ χύτευσης υπό πίεση και χύτευσης με βαρύτητα. Δεν έχει μόνο τα πλεονεκτήματα της χρήσης μεταλλικών καλουπιών και για τις δύο, αλλά έχει επίσης τα χαρακτηριστικά της σταθερής πλήρωσης. Η χύτευση υπό πίεση χαμηλής πίεσης έχει τα πλεονεκτήματα της πλήρωσης χαμηλής ταχύτητας από κάτω προς τα πάνω, της εύκολης ρύθμισης της ταχύτητας, της μικρής κρούσης και του πιτσιλίσματος υγρού αλουμινίου, της λιγότερης σκωρίας οξειδίου, της υψηλής πυκνότητας ιστού και των υψηλών μηχανικών ιδιοτήτων. Υπό χύτευση υπό πίεση χαμηλής πίεσης, το υγρό αλουμίνιο γεμίζεται ομαλά και το χυτό στερεοποιείται και κρυσταλλώνεται υπό πίεση, επιτυγχάνοντας χύτευση με υψηλή πυκνή δομή, υψηλές μηχανικές ιδιότητες και όμορφη εμφάνιση, η οποία είναι κατάλληλη για τη διαμόρφωση μεγάλων χυτών με λεπτά τοιχώματα.
Σύμφωνα με τις μηχανικές ιδιότητες που απαιτούνται από τη χύτευση, το υλικό χύτευσης είναι A356, το οποίο μπορεί να καλύψει τις ανάγκες των πελατών μετά την επεξεργασία T6, αλλά η ρευστότητα χύτευσης αυτού του υλικού απαιτεί γενικά λογικό έλεγχο της θερμοκρασίας του καλουπιού για την παραγωγή μεγάλων και λεπτών χυτών.
1.3 Σύστημα έκχυσης
Λόγω των χαρακτηριστικών των μεγάλων και λεπτών χυτών, πρέπει να σχεδιαστούν πολλαπλές πύλες. Ταυτόχρονα, για να διασφαλιστεί η ομαλή πλήρωση του υγρού αλουμινίου, προστίθενται κανάλια πλήρωσης στο παράθυρο, τα οποία πρέπει να αφαιρεθούν με μετεπεξεργασία. Δύο σχήματα διεργασίας του συστήματος έκχυσης σχεδιάστηκαν στο αρχικό στάδιο και κάθε σχήμα συγκρίθηκε. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, το σχήμα 1 διατάσσει 9 πύλες και προσθέτει κανάλια τροφοδοσίας στο παράθυρο. Το σχήμα 2 διατάσσει 6 πύλες που εκχύνουν από την πλευρά του χυτού που πρόκειται να διαμορφωθεί. Η ανάλυση προσομοίωσης CAE φαίνεται στο Σχήμα 4 και στο Σχήμα 5. Χρησιμοποιήστε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για να βελτιστοποιήσετε τη δομή του καλουπιού, προσπαθήστε να αποφύγετε τις αρνητικές επιπτώσεις του σχεδιασμού του καλουπιού στην ποιότητα των χυτών, να μειώσετε την πιθανότητα ελαττωμάτων χύτευσης και να συντομεύσετε τον κύκλο ανάπτυξης των χυτών.
Σχήμα 3 (Σύγκριση δύο διεργασιακών σχημάτων για χαμηλή πίεση)
Σχήμα 4 (Σύγκριση πεδίου θερμοκρασίας κατά την πλήρωση)
Σχήμα 5 (Σύγκριση ελαττωμάτων πορώδους συρρίκνωσης μετά τη στερεοποίηση)
Τα αποτελέσματα προσομοίωσης των δύο παραπάνω σχημάτων δείχνουν ότι το υγρό αλουμίνιο στην κοιλότητα κινείται προς τα πάνω περίπου παράλληλα, κάτι που συμφωνεί με τη θεωρία της παράλληλης πλήρωσης του υγρού αλουμινίου στο σύνολό του, και τα προσομοιωμένα τμήματα συρρίκνωσης του χυτού υλικού επιλύονται με ενίσχυση της ψύξης και άλλες μεθόδους.
Πλεονεκτήματα των δύο σχημάτων: Κρίνοντας από τη θερμοκρασία του υγρού αλουμινίου κατά την προσομοιωμένη πλήρωση, η θερμοκρασία του περιφερικού άκρου του χυτού που σχηματίζεται από το σχήμα 1 έχει μεγαλύτερη ομοιομορφία από αυτή του σχήματος 2, γεγονός που ευνοεί την πλήρωση της κοιλότητας. Το χυτό που σχηματίζεται από το σχήμα 2 δεν έχει το υπόλειμμα πύλης όπως το σχήμα 1. Η πορώδης συρρίκνωση είναι καλύτερη από αυτή του σχήματος 1.
Μειονεκτήματα των δύο σχημάτων: Επειδή η πύλη είναι τοποθετημένη στο χυτό που πρόκειται να διαμορφωθεί στο σχήμα 1, θα υπάρχει ένα υπόλειμμα πύλης στο χυτό, το οποίο θα αυξηθεί περίπου κατά 0,7ka σε σύγκριση με το αρχικό χυτό. Από τη θερμοκρασία του υγρού αλουμινίου στο προσομοιωμένο γέμισμα του σχήματος 2, η θερμοκρασία του υγρού αλουμινίου στο άκρο είναι ήδη χαμηλή και η προσομοίωση βρίσκεται στην ιδανική κατάσταση της θερμοκρασίας του καλουπιού, επομένως η ικανότητα ροής του υγρού αλουμινίου μπορεί να είναι ανεπαρκής στην πραγματική κατάσταση και θα υπάρξει πρόβλημα δυσκολίας στη χύτευση.
Σε συνδυασμό με την ανάλυση διαφόρων παραγόντων, επιλέχθηκε το σχήμα 2 ως σύστημα έκχυσης. Λόγω των μειονεκτημάτων του σχήματος 2, το σύστημα έκχυσης και το σύστημα θέρμανσης βελτιστοποιούνται στο σχεδιασμό του καλουπιού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6, προστίθεται ο ανυψωτήρας υπερχείλισης, ο οποίος είναι ευεργετικός για την πλήρωση υγρού αλουμινίου και μειώνει ή αποφεύγει την εμφάνιση ελαττωμάτων στα χυτευμένα προϊόντα.
Σχήμα 6 (Βελτιστοποιημένο σύστημα έκχυσης)
1.4 Σύστημα ψύξης
Τα μέρη και οι περιοχές των χυτών που φέρουν καταπονήσεις και με υψηλές μηχανικές απαιτήσεις απόδοσης πρέπει να ψύχονται ή να τροφοδοτούνται σωστά για να αποφευχθεί η πορώδης συρρίκνωση ή η θερμική ρηγμάτωση. Το βασικό πάχος τοιχώματος του χυτού είναι 4 mm και η στερεοποίηση θα επηρεαστεί από την απαγωγή θερμότητας του ίδιου του καλουπιού. Για τα σημαντικά μέρη του, έχει ρυθμιστεί ένα σύστημα ψύξης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Αφού ολοκληρωθεί η πλήρωση, διοχετεύεται νερό για ψύξη και ο συγκεκριμένος χρόνος ψύξης πρέπει να ρυθμιστεί στο σημείο έκχυσης για να διασφαλιστεί ότι η ακολουθία στερεοποίησης σχηματίζεται από το άκρο της πύλης προς το άκρο της πύλης και η πύλη και ο ανυψωτήρας στερεοποιούνται στο άκρο για να επιτευχθεί το αποτέλεσμα τροφοδοσίας. Το μέρος με παχύτερο πάχος τοιχώματος υιοθετεί τη μέθοδο προσθήκης ψύξης νερού στο ένθετο. Αυτή η μέθοδος έχει καλύτερο αποτέλεσμα στην πραγματική διαδικασία χύτευσης και μπορεί να αποφύγει το πορώδες της συρρίκνωσης.
Σχήμα 7 (Σύστημα ψύξης)
1.5 Σύστημα εξάτμισης
Δεδομένου ότι η κοιλότητα του μετάλλου χύτευσης με χαμηλή πίεση είναι κλειστή, δεν έχει καλή διαπερατότητα αέρα όπως τα καλούπια άμμου, ούτε εξέρχεται μέσω των ανυψωτικών στη γενική χύτευση με βαρύτητα, η εξάτμιση της κοιλότητας χύτευσης χαμηλής πίεσης θα επηρεάσει τη διαδικασία πλήρωσης του υγρού αλουμινίου και την ποιότητα των χυτών. Το καλούπι χύτευσης χαμηλής πίεσης μπορεί να εξέλθει μέσω των κενών, των αυλακώσεων εξάτμισης και των βυσμάτων εξάτμισης στην επιφάνεια διαχωρισμού, της ράβδου ώθησης κ.λπ.
Ο σχεδιασμός του μεγέθους της εξάτμισης στο σύστημα εξάτμισης θα πρέπει να ευνοεί την εξάτμιση χωρίς υπερχείλιση. Ένα λογικό σύστημα εξάτμισης μπορεί να αποτρέψει τα χυτά από ελαττώματα όπως ανεπαρκή πλήρωση, χαλαρή επιφάνεια και χαμηλή αντοχή. Η τελική περιοχή πλήρωσης του υγρού αλουμινίου κατά τη διαδικασία έκχυσης, όπως το πλευρικό στήριγμα και ο ανυψωτήρας του άνω καλουπιού, πρέπει να είναι εξοπλισμένη με καυσαέρια. Δεδομένου ότι το υγρό αλουμίνιο ρέει εύκολα στο κενό του πώματος εξάτμισης κατά την πραγματική διαδικασία χύτευσης χαμηλής πίεσης, γεγονός που οδηγεί στην κατάσταση όπου το πώμα αέρα τραβιέται έξω όταν ανοίγει το καλούπι, υιοθετούνται τρεις μέθοδοι μετά από αρκετές προσπάθειες και βελτιώσεις: Η Μέθοδος 1 χρησιμοποιεί πώμα αέρα από πυροσυσσωματωμένη μεταλλουργία σκόνης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8(α), το μειονέκτημα είναι ότι το κόστος κατασκευής είναι υψηλό. Η Μέθοδος 2 χρησιμοποιεί πώμα εξάτμισης τύπου ραφής με κενό 0,1 mm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8(β), το μειονέκτημα είναι ότι η ραφή εξάτμισης φράζεται εύκολα μετά τον ψεκασμό χρώματος. Η Μέθοδος 3 χρησιμοποιεί πώμα εξάτμισης κομμένο με σύρμα, το κενό είναι 0,15~0,2 mm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8(γ). Τα μειονεκτήματα είναι η χαμηλή απόδοση επεξεργασίας και το υψηλό κόστος κατασκευής. Πρέπει να επιλέγονται διαφορετικά βύσματα εξαγωγής ανάλογα με την πραγματική επιφάνεια του χυτού. Γενικά, τα βύσματα εξαερισμού με πυροσυσσωματώματα και τα βύσματα εξαερισμού με σύρμα χρησιμοποιούνται για την κοιλότητα του χυτού, ενώ ο τύπος ραφής χρησιμοποιείται για την κεφαλή του πυρήνα άμμου.
Σχήμα 8 (3 τύποι βυσμάτων εξαγωγής κατάλληλα για χύτευση υπό πίεση)
1.6 Σύστημα θέρμανσης
Το χυτό υλικό έχει μεγάλο μέγεθος και λεπτό πάχος τοιχώματος. Στην ανάλυση ροής καλουπιού, η ταχύτητα ροής του υγρού αλουμινίου στο άκρο της γέμισης είναι ανεπαρκής. Ο λόγος είναι ότι το υγρό αλουμίνιο είναι πολύ μακρύ για να ρέει, η θερμοκρασία πέφτει και το υγρό αλουμίνιο στερεοποιείται εκ των προτέρων και χάνει την ικανότητά του ροής, συμβαίνει ψυχρό κλείσιμο ή ανεπαρκής έκχυση, ο ανυψωτήρας της άνω μήτρας δεν θα είναι σε θέση να επιτύχει το αποτέλεσμα της τροφοδοσίας. Με βάση αυτά τα προβλήματα, χωρίς να αλλάξει το πάχος και το σχήμα του χυτού υλικού, αυξήστε τη θερμοκρασία του υγρού αλουμινίου και τη θερμοκρασία του καλουπιού, βελτιώστε τη ρευστότητα του υγρού αλουμινίου και λύστε το πρόβλημα του ψυχρού κλεισίματος ή της ανεπαρκούς έκχυσης. Ωστόσο, η υπερβολική θερμοκρασία του υγρού αλουμινίου και η θερμοκρασία του καλουπιού θα παράγουν νέες θερμικές συνδέσεις ή πορώδες συρρίκνωσης, με αποτέλεσμα υπερβολικές επίπεδες οπές μετά την επεξεργασία χύτευσης. Επομένως, είναι απαραίτητο να επιλέξετε μια κατάλληλη θερμοκρασία υγρού αλουμινίου και μια κατάλληλη θερμοκρασία καλουπιού. Σύμφωνα με την εμπειρία, η θερμοκρασία του υγρού αλουμινίου ελέγχεται στους περίπου 720℃ και η θερμοκρασία του καλουπιού ελέγχεται στους 320~350℃.
Λόγω του μεγάλου όγκου, του λεπτού πάχους τοιχώματος και του χαμηλού ύψους του χυτού υλικού, εγκαθίσταται ένα σύστημα θέρμανσης στο πάνω μέρος του καλουπιού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 9, η κατεύθυνση της φλόγας είναι στραμμένη προς τον πυθμένα και την πλευρά του καλουπιού για να θερμάνει το κάτω επίπεδο και την πλευρά του χυτού υλικού. Ανάλογα με την κατάσταση χύτευσης επί τόπου, ρυθμίστε τον χρόνο θέρμανσης και τη φλόγα, ελέγξτε τη θερμοκρασία του άνω μέρους του καλουπιού στους 320~350 ℃, διασφαλίστε τη ρευστότητα του υγρού αλουμινίου εντός ενός εύλογου εύρους και κάντε το υγρό αλουμίνιο να γεμίσει την κοιλότητα και τον ανυψωτήρα. Στην πραγματική χρήση, το σύστημα θέρμανσης μπορεί να διασφαλίσει αποτελεσματικά τη ρευστότητα του υγρού αλουμινίου.
Σχήμα 9 (Σύστημα θέρμανσης)
2. Δομή καλουπιού και αρχή λειτουργίας
Σύμφωνα με τη διαδικασία χύτευσης υπό χαμηλή πίεση, σε συνδυασμό με τα χαρακτηριστικά της χύτευσης και τη δομή του εξοπλισμού, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η διαμορφωμένη χύτευση παραμένει στο άνω καλούπι, οι μπροστινές, πίσω, αριστερές και δεξιές δομές έλξης πυρήνα σχεδιάζονται στο άνω καλούπι. Αφού διαμορφωθεί και στερεοποιηθεί η χύτευση, ανοίγουν πρώτα τα άνω και κάτω καλούπια, στη συνέχεια τραβιέται ο πυρήνας προς 4 κατευθύνσεις και τέλος η άνω πλάκα της άνω χύτευσης ωθεί προς τα έξω τη διαμορφωμένη χύτευση. Η δομή του καλουπιού φαίνεται στο Σχήμα 10.
Σχήμα 10 (Δομή καλουπιού)
Επιμέλεια: May Jiang από το MAT Aluminum
Ώρα δημοσίευσης: 11 Μαΐου 2023
