La batteria è il componente principale di un veicolo elettrico e le sue prestazioni determinano indicatori tecnici quali la durata, il consumo energetico e la vita utile del veicolo elettrico. Il vassoio batteria nel modulo batteria è il componente principale che svolge le funzioni di trasporto, protezione e raffreddamento. Il pacco batteria modulare è disposto nel vassoio batteria, fissato al telaio dell'auto tramite il vassoio batteria, come mostrato in Figura 1. Poiché è installato sul fondo della carrozzeria del veicolo e l'ambiente di lavoro è ostile, il vassoio batteria deve avere la funzione di prevenire l'impatto con pietre e forature per evitare danni al modulo batteria. Il vassoio batteria è un importante elemento strutturale di sicurezza dei veicoli elettrici. Di seguito vengono presentati il processo di formatura e la progettazione dello stampo dei vassoi batteria in lega di alluminio per veicoli elettrici.
Figura 1 (Vassoio batteria in lega di alluminio)
1 Analisi del processo e progettazione dello stampo
1.1 Analisi del casting
Il vassoio batteria in lega di alluminio per veicoli elettrici è illustrato in Figura 2. Le dimensioni complessive sono 1106 mm × 1029 mm × 136 mm, lo spessore base della parete è di 4 mm, la qualità della fusione è di circa 15,5 kg e la qualità della fusione dopo la lavorazione è di circa 12,5 kg. Il materiale è A356-T6, resistenza alla trazione ≥ 290 MPa, limite di snervamento ≥ 225 MPa, allungamento ≥ 6%, durezza Brinell ≥ 75~90 HBS, deve soddisfare i requisiti di tenuta all'aria e IP67 e IP69K.
Figura 2 (Vassoio batteria in lega di alluminio)
1.2 Analisi del processo
La pressofusione a bassa pressione è un metodo di fusione speciale a metà strada tra la pressofusione e la fusione per gravità. Oltre a offrire i vantaggi dell'utilizzo di stampi metallici per entrambe le tecniche, offre anche la possibilità di un riempimento stabile. La pressofusione a bassa pressione offre i vantaggi di un riempimento a bassa velocità dal basso verso l'alto, di una velocità facilmente controllabile, di impatti e schizzi ridotti di alluminio liquido, di una minore formazione di scorie di ossido, di un'elevata densità dei tessuti e di elevate proprietà meccaniche. Con la pressofusione a bassa pressione, l'alluminio liquido viene riempito in modo fluido e il getto si solidifica e cristallizza sotto pressione, ottenendo un getto con una struttura ad alta densità, elevate proprietà meccaniche e un aspetto gradevole, ideale per la formazione di getti di grandi dimensioni con pareti sottili.
In base alle proprietà meccaniche richieste dalla fusione, il materiale di fusione è A356, che può soddisfare le esigenze dei clienti dopo il trattamento T6, ma la fluidità di colata di questo materiale richiede generalmente un controllo ragionevole della temperatura dello stampo per produrre fusioni grandi e sottili.
1.3 Sistema di colata
Considerate le caratteristiche dei getti di grandi dimensioni e sottili, è necessario progettare più punti di colata. Allo stesso tempo, per garantire un riempimento uniforme dell'alluminio liquido, vengono aggiunti canali di riempimento in corrispondenza della finestra, che devono essere rimossi durante la post-lavorazione. Nella fase iniziale sono stati progettati due schemi di processo del sistema di colata, e ciascuno di essi è stato confrontato. Come mostrato in Figura 3, lo schema 1 prevede 9 punti di colata e aggiunge canali di alimentazione in corrispondenza della finestra; lo schema 2 prevede 6 punti di colata che colano dal lato del getto da formare. L'analisi della simulazione CAE è mostrata nelle Figure 4 e 5. Utilizzare i risultati della simulazione per ottimizzare la struttura dello stampo, cercare di evitare l'impatto negativo della progettazione dello stampo sulla qualità dei getti, ridurre la probabilità di difetti di colata e abbreviare il ciclo di sviluppo dei getti.
Figura 3 (Confronto di due schemi di processo per bassa pressione)
Figura 4 (Confronto dei campi di temperatura durante il riempimento)
Figura 5 (Confronto dei difetti di porosità da ritiro dopo la solidificazione)
I risultati della simulazione dei due schemi sopra riportati mostrano che l'alluminio liquido nella cavità si muove verso l'alto approssimativamente in parallelo, il che è in linea con la teoria del riempimento parallelo dell'alluminio liquido nel suo complesso, e le parti di porosità da ritiro simulate della fusione vengono risolte rafforzando il raffreddamento e altri metodi.
Vantaggi dei due schemi: a giudicare dalla temperatura dell'alluminio liquido durante il riempimento simulato, la temperatura dell'estremità distale del getto ottenuto con lo schema 1 presenta una maggiore uniformità rispetto a quella dello schema 2, il che favorisce il riempimento della cavità. Il getto ottenuto con lo schema 2 non presenta residui di iniezione come nello schema 1. La porosità da ritiro è migliore rispetto a quella dello schema 1.
Svantaggi dei due schemi: poiché il gate è disposto sul getto da formare nello schema 1, ci sarà un residuo del gate sul getto, che aumenterà di circa 0,7 ka rispetto al getto originale. Dalla temperatura dell'alluminio liquido nel riempimento simulato dello schema 2, la temperatura dell'alluminio liquido all'estremità distale è già bassa e la simulazione è nello stato ideale della temperatura dello stampo, quindi la capacità di flusso dell'alluminio liquido potrebbe essere insufficiente nello stato reale e ci sarà un problema di difficoltà nello stampaggio del getto.
In seguito all'analisi di diversi fattori, è stato scelto lo schema 2 come sistema di colata. Considerati i difetti dello schema 2, il sistema di colata e il sistema di riscaldamento sono stati ottimizzati nella progettazione dello stampo. Come mostrato in Figura 6, è stato aggiunto un montante di troppo pieno, che favorisce il riempimento dell'alluminio liquido e riduce o evita la comparsa di difetti nei getti stampati.
Figura 6 (Sistema di colata ottimizzato)
1.4 Sistema di raffreddamento
Le parti sottoposte a sollecitazioni e le aree con elevati requisiti di prestazioni meccaniche dei getti devono essere adeguatamente raffreddate o alimentate per evitare porosità da ritiro o cricche termiche. Lo spessore base della parete del getto è di 4 mm e la solidificazione sarà influenzata dalla dissipazione del calore dello stampo stesso. Per le sue parti più importanti, viene installato un sistema di raffreddamento, come mostrato in Figura 7. Una volta completato il riempimento, si fa passare acqua per il raffreddamento e il tempo di raffreddamento specifico deve essere regolato nel punto di colata per garantire che la sequenza di solidificazione avvenga dall'estremità del canale di colata verso l'estremità del canale di colata, e che il canale di colata e il montante siano solidificati all'estremità per ottenere l'effetto di alimentazione. Per i pezzi con spessore di parete maggiore si adotta il metodo di aggiunta di acqua di raffreddamento all'inserto. Questo metodo ha un effetto migliore sul processo di fusione vero e proprio e può evitare porosità da ritiro.
Figura 7 (Sistema di raffreddamento)
1.5 Sistema di scarico
Poiché la cavità del metallo per pressofusione a bassa pressione è chiusa, non ha una buona permeabilità all'aria come gli stampi in sabbia, né scarica attraverso i montanti nella fusione a gravità generale, lo scarico della cavità di pressofusione a bassa pressione influirà sul processo di riempimento dell'alluminio liquido e sulla qualità dei getti. Lo stampo per pressofusione a bassa pressione può essere scaricato attraverso fessure, scanalature e tappi di scarico presenti sulla superficie di separazione, sull'asta di spinta, ecc.
Le dimensioni del sistema di scarico devono essere dimensionate in modo da favorire lo scarico senza traboccare; un sistema di scarico adeguato può prevenire difetti nei getti come riempimento insufficiente, superfici allentate e scarsa resistenza. L'area di riempimento finale dell'alluminio liquido durante il processo di colata, come il supporto laterale e il montante dello stampo superiore, deve essere dotata di gas di scarico. Dato che l'alluminio liquido fluisce facilmente nella fessura del tappo di scarico durante il processo di pressofusione a bassa pressione, il che porta alla fuoriuscita del tappo dell'aria all'apertura dello stampo, dopo diversi tentativi e miglioramenti vengono adottati tre metodi: il Metodo 1 utilizza un tappo dell'aria sinterizzato con metallurgia delle polveri, come mostrato in Figura 8(a), con lo svantaggio di un costo di produzione elevato; il Metodo 2 utilizza un tappo di scarico a saldare con una fessura di 0,1 mm, come mostrato in Figura 8(b), con lo svantaggio che la saldatura di scarico si blocca facilmente dopo la verniciatura a spruzzo; Il metodo 3 utilizza un tappo di scarico tagliato a filo, con una distanza di 0,15~0,2 mm, come mostrato in Figura 8(c). Gli svantaggi sono la bassa efficienza di lavorazione e gli elevati costi di produzione. È necessario selezionare diversi tappi di scarico in base all'area effettiva del getto. Generalmente, per la cavità del getto vengono utilizzati tappi di sfiato sinterizzati e tagliati a filo, mentre per la testa dell'anima in sabbia si utilizza il tipo a cordone.
Figura 8 (3 tipi di tappi di scarico adatti alla pressofusione a bassa pressione)
1.6 Sistema di riscaldamento
Il getto è di grandi dimensioni e ha pareti sottili. Nell'analisi del flusso nello stampo, la portata dell'alluminio liquido al termine del riempimento è insufficiente. Il motivo è che l'alluminio liquido impiega troppo tempo per scorrere, la temperatura diminuisce e l'alluminio liquido si solidifica in anticipo perdendo la sua capacità di scorrimento. Si verificano chiusure a freddo o colate insufficienti, e il montante dello stampo superiore non sarà in grado di ottenere l'effetto di alimentazione. Sulla base di questi problemi, senza modificare lo spessore delle pareti e la forma del getto, è possibile aumentare la temperatura dell'alluminio liquido e la temperatura dello stampo, migliorando la fluidità dell'alluminio liquido e risolvendo il problema delle chiusure a freddo o delle colate insufficienti. Tuttavia, temperature eccessive dell'alluminio liquido e della temperatura dello stampo produrranno nuove giunzioni termiche o porosità da ritiro, con conseguente formazione di fori piani eccessivi dopo la fusione. Pertanto, è necessario selezionare una temperatura appropriata per l'alluminio liquido e una temperatura appropriata per lo stampo. Secondo l'esperienza, la temperatura dell'alluminio liquido è controllata a circa 720 °C e la temperatura dello stampo è controllata a 320~350 °C.
Considerato l'ampio volume, lo spessore sottile delle pareti e l'altezza ridotta del getto, è stato installato un sistema di riscaldamento sulla parte superiore dello stampo. Come mostrato in Figura 9, la fiamma è rivolta verso il fondo e i lati dello stampo per riscaldare il piano inferiore e i lati del getto. In base alle condizioni di colata in loco, regolare il tempo di riscaldamento e la fiamma, controllare la temperatura della parte superiore dello stampo a 320~350 °C, garantire la fluidità dell'alluminio liquido entro un intervallo ragionevole e far sì che l'alluminio liquido riempia la cavità e il montante. Nell'uso pratico, il sistema di riscaldamento può garantire efficacemente la fluidità dell'alluminio liquido.
Figura 9 (Impianto di riscaldamento)
2. Struttura dello stampo e principio di funzionamento
In base al processo di pressofusione a bassa pressione, combinato con le caratteristiche del getto e la struttura dell'attrezzatura, per garantire che il getto formato rimanga nello stampo superiore, vengono progettate le strutture di estrazione dell'anima anteriore, posteriore, sinistra e destra sullo stampo superiore. Dopo che il getto è formato e solidificato, gli stampi superiore e inferiore vengono aperti per primi, quindi l'anima viene estratta in 4 direzioni e infine la piastra superiore dello stampo superiore spinge fuori il getto formato. La struttura dello stampo è mostrata in Figura 10.
Figura 10 (Struttura dello stampo)
A cura di May Jiang di MAT Aluminum
Data di pubblicazione: 11 maggio 2023
