Bateria este componenta principală a unui vehicul electric, iar performanța sa determină indicatori tehnici precum durata de viață a bateriei, consumul de energie și durata de viață a vehiculului electric. Tava bateriei din modulul bateriei este componenta principală care îndeplinește funcțiile de transport, protecție și răcire. Pachetul modular de baterii este aranjat în tava bateriei, fixat pe șasiul mașinii prin intermediul tăvii bateriei, așa cum se arată în Figura 1. Deoarece este instalat pe partea inferioară a caroseriei vehiculului și mediul de lucru este dur, tava bateriei trebuie să aibă funcția de a preveni impactul cu pietre și perforarea pentru a preveni deteriorarea modulului bateriei. Tava bateriei este o parte structurală importantă a siguranței vehiculelor electrice. În continuare se prezintă procesul de formare și proiectarea matriței tăvilor bateriei din aliaj de aluminiu pentru vehiculele electrice.
Figura 1 (Tavă baterie din aliaj de aluminiu)
1 Analiza procesului și proiectarea matriței
1.1 Analiza turnării
Tava de baterie din aliaj de aluminiu pentru vehicule electrice este prezentată în Figura 2. Dimensiunile totale sunt 1106 mm × 1029 mm × 136 mm, grosimea peretelui de bază este de 4 mm, calitatea turnării este de aproximativ 15,5 kg, iar calitatea turnării după prelucrare este de aproximativ 12,5 kg. Materialul este A356-T6, rezistență la tracțiune ≥ 290 MPa, limită de curgere ≥ 225 MPa, alungire ≥ 6%, duritate Brinell ≥ 75 ~ 90 HBS, trebuie să îndeplinească cerințele de etanșeitate la aer și IP67 și IP69K.
Figura 2 (Tavă baterie din aliaj de aluminiu)
1.2 Analiza procesului
Turnarea sub presiune joasă este o metodă specială de turnare, situată între turnarea sub presiune și turnarea gravitațională. Nu numai că are avantajul utilizării matrițelor metalice pentru ambele metode, dar are și caracteristicile unei umpleri stabile. Turnarea sub presiune joasă are avantajele umplerii cu viteză redusă de jos în sus, a vitezei ușor de controlat, a impactului și stropirii reduse cu aluminiu lichid, a zgurii mai puține de oxid, a densității mari a țesuturilor și a proprietăților mecanice ridicate. În cadrul turnării sub presiune joasă, aluminiul lichid este umplut uniform, iar materialul turnat se solidifică și cristalizează sub presiune, obținându-se astfel o turnare cu o structură densă ridicată, proprietăți mecanice ridicate și un aspect frumos, potrivită pentru formarea de piese turnate mari cu pereți subțiri.
Conform proprietăților mecanice necesare pentru turnare, materialul de turnare este A356, care poate satisface nevoile clienților după tratamentul T6, dar fluiditatea de turnare a acestui material necesită, în general, un control rezonabil al temperaturii matriței pentru a produce piese turnate mari și subțiri.
1.3 Sistem de turnare
Având în vedere caracteristicile pieselor turnate mari și subțiri, este necesară proiectarea mai multor porți. În același timp, pentru a asigura umplerea lină a aluminiului lichid, se adaugă canale de umplere la fereastră, care trebuie eliminate prin post-procesare. Două scheme de proces ale sistemului de turnare au fost proiectate în stadiul incipient, iar fiecare schemă a fost comparată. După cum se arată în Figura 3, schema 1 prevede 9 porți și adaugă canale de alimentare la fereastră; schema 2 prevede 6 porți pentru turnarea din partea piesei turnate care urmează să fie formată. Analiza simulării CAE este prezentată în Figura 4 și Figura 5. Utilizați rezultatele simulării pentru a optimiza structura matriței, încercați să evitați impactul negativ al proiectării matriței asupra calității pieselor turnate, reduceți probabilitatea defectelor de turnare și scurtați ciclul de dezvoltare al pieselor turnate.
Figura 3 (Comparație a două scheme de proces pentru presiune joasă)
Figura 4 (Comparație a câmpului de temperatură în timpul umplerii)
Figura 5 (Comparație a defectelor de porozitate prin contracție după solidificare)
Rezultatele simulării celor două scheme de mai sus arată că aluminiul lichid din cavitate se mișcă în sus aproximativ în paralel, ceea ce este în concordanță cu teoria umplerii paralele a aluminiului lichid în ansamblu, iar părțile simulate de porozitate prin contracție ale piesei turnate sunt rezolvate prin răcire întărită și alte metode.
Avantajele celor două scheme: Judecând după temperatura aluminiului lichid în timpul umplerii simulate, temperatura capătului distal al piesei turnate formate prin schema 1 are o uniformitate mai mare decât cea a schemei 2, ceea ce favorizează umplerea cavității. Piesa turnată formată prin schema 2 nu are reziduuri de tip „gate” precum schema 1. Porozitatea prin contracție este mai bună decât cea a schemei 1.
Dezavantajele celor două scheme: Deoarece grila de admisie este amplasată pe piesa turnată care urmează să fie formată în schema 1, va exista un reziduu de grilă pe piesa turnată, care va crește cu aproximativ 0,7 ka față de piesa turnată originală. Din temperatura aluminiului lichid în umplerea simulată din schema 2, temperatura aluminiului lichid la capătul distal este deja scăzută, iar simularea este sub starea ideală a temperaturii matriței, astfel încât capacitatea de curgere a aluminiului lichid poate fi insuficientă în starea reală, și va exista o problemă de dificultăți la turnarea prin turnare.
Combinată cu analiza diferiților factori, a fost aleasă schema 2 ca sistem de turnare. Având în vedere deficiențele schemei 2, sistemul de turnare și sistemul de încălzire sunt optimizate în proiectarea matriței. După cum se arată în Figura 6, se adaugă o coloană de preaplin, care este benefică pentru umplerea cu aluminiu lichid și reduce sau evită apariția defectelor la piesele turnate.
Figura 6 (Sistem de turnare optimizat)
1.4 Sistem de răcire
Părțile supuse solicitărilor și zonele cu cerințe ridicate de performanță mecanică ale pieselor turnate trebuie răcite sau alimentate corespunzător pentru a evita porozitatea prin contracție sau fisurarea termică. Grosimea peretelui de bază al piesei turnate este de 4 mm, iar solidificarea va fi afectată de disiparea căldurii în sine. Pentru părțile sale importante, este configurat un sistem de răcire, așa cum se arată în Figura 7. După finalizarea umplerii, se trece apă pentru răcire, iar timpul specific de răcire trebuie ajustat la locul de turnare pentru a se asigura că secvența de solidificare se formează de la capătul porții la capătul porții, iar porția și coloana verticală sunt solidificate la sfârșit pentru a obține efectul de alimentare. Piesa cu o grosime a peretelui mai mare adoptă metoda de adăugare a răcirii cu apă la inserție. Această metodă are un efect mai bun în procesul de turnare propriu-zis și poate evita porozitatea prin contracție.
Figura 7 (Sistem de răcire)
1.5 Sistem de evacuare
Deoarece cavitatea metalului turnat sub presiune joasă este închisă, aceasta nu are o permeabilitate bună la aer precum matrițele de nisip și nici nu se evacuează prin coloanele verticale din turnarea gravitațională generală. Evacuarea din cavitatea de turnare sub presiune joasă va afecta procesul de umplere a aluminiului lichid și calitatea pieselor turnate. Matrița de turnare sub presiune joasă poate fi evacuată prin goluri, caneluri de evacuare și dopuri de evacuare din suprafața de separare, tija de împingere etc.
Dimensionarea sistemului de evacuare ar trebui să permită o evacuare fără revărsare. Un sistem de evacuare rezonabil poate preveni defectele pieselor turnate, cum ar fi umplerea insuficientă, suprafața liberă și rezistența scăzută. Zona finală de umplere cu aluminiu lichid în timpul procesului de turnare, cum ar fi suportul lateral și coloana verticală a matriței superioare, trebuie să fie echipată cu gaze de eșapament. Având în vedere faptul că aluminiul lichid curge ușor în spațiul dopului de evacuare în procesul propriu-zis de turnare sub presiune joasă, ceea ce duce la situația în care dopul de aer este scos atunci când matrița este deschisă, sunt adoptate trei metode după mai multe încercări și îmbunătățiri: Metoda 1 utilizează un dop de aer sinterizat din metalurgie a pulberilor, așa cum se arată în Figura 8(a), dezavantajul fiind costul de fabricație ridicat; Metoda 2 utilizează un dop de evacuare de tip cusătură cu un spațiu de 0,1 mm, așa cum se arată în Figura 8(b), dezavantajul fiind că cusătura de evacuare se blochează ușor după pulverizarea vopselei; Metoda 3 utilizează un dop de evacuare tăiat cu sârmă, spațiul fiind de 0,15~0,2 mm, așa cum se arată în Figura 8(c). Dezavantajele sunt eficiența scăzută a procesării și costul ridicat de fabricație. În funcție de suprafața reală a piesei turnate, trebuie selectate diferite dopuri de evacuare. În general, pentru cavitatea piesei turnate se utilizează dopuri de ventilație sinterizate și tăiate cu sârmă, iar pentru capul cu miez de nisip se utilizează tipul de cusătură.
Figura 8 (3 tipuri de dopuri de evacuare potrivite pentru turnarea sub presiune joasă)
1.6 Sistem de încălzire
Turnarea are dimensiuni mari și grosimea peretelui este subțire. În analiza curgerii în matriță, debitul aluminiului lichid la sfârșitul umplerii este insuficient. Motivul este că aluminiul lichid curge prea mult, temperatura scade, iar aluminiul lichid se solidifică în avans și își pierde capacitatea de curgere, se produce închidere la rece sau turnare insuficientă, iar coloana verticală a matriței superioare nu va putea obține efectul de alimentare. Pe baza acestor probleme, fără a modifica grosimea peretelui și forma turnării, se poate crește temperatura aluminiului lichid și temperatura matriței, se poate îmbunătăți fluiditatea aluminiului lichid și se poate rezolva problema închiderii la rece sau a turnării insuficiente. Cu toate acestea, temperatura excesivă a aluminiului lichid și temperatura matriței vor produce noi joncțiuni termice sau porozitate prin contracție, rezultând găuri plane excesive după prelucrarea turnării. Prin urmare, este necesar să se selecteze o temperatură adecvată a aluminiului lichid și o temperatură adecvată a matriței. Conform experienței, temperatura aluminiului lichid este controlată la aproximativ 720 ℃, iar temperatura matriței este controlată la 320 ~ 350 ℃.
Având în vedere volumul mare, grosimea subțire a peretelui și înălțimea redusă a piesei turnate, un sistem de încălzire este instalat pe partea superioară a matriței. După cum se arată în Figura 9, direcția flăcării este orientată spre fundul și lateralul matriței pentru a încălzi planul inferior și lateralul piesei turnate. În funcție de situația de turnare la fața locului, se ajustează timpul de încălzire și flacăra, se controlează temperatura părții superioare a matriței la 320~350 ℃, se asigură fluiditatea aluminiului lichid într-un interval rezonabil și se face ca aluminiul lichid să umple cavitatea și coloana verticală. În utilizarea reală, sistemul de încălzire poate asigura eficient fluiditatea aluminiului lichid.
Figura 9 (Sistem de încălzire)
2. Structura și principiul de funcționare al matriței
Conform procesului de turnare sub presiune joasă, combinat cu caracteristicile piesei turnate și structura echipamentului, pentru a se asigura că piesa turnată formată rămâne în cofrajul superior, structurile de tragere a miezului sunt proiectate pe cofrajul superior, față, spate, stânga și dreapta. După ce piesa turnată este formată și solidificată, cofrajele superioară și inferioară sunt deschise mai întâi, apoi miezul este tras în 4 direcții, iar în final placa superioară a cofrajului superior împinge piesa turnată în afară. Structura cofrajului este prezentată în Figura 10.
Figura 10 (Structura matriței)
Editat de May Jiang de la MAT Aluminum
Data publicării: 11 mai 2023
