汽车驱动电动机端盖中心填充压铸工艺开发实践

勾建勇

江苏嵘泰工业股份有限公司 江苏扬州 225200

1 序言

根据国家“十四五”节能减排计划，2025年要求汽车百公里油耗小于4.5L，为适应这一需求，电动汽车产销量呈爆发式增长。驱动电动机是电动汽车三电系统的核心部件，其电动机壳体采用高压压铸成形，由于具有轻量化、精度高、适合批量生产的优势，所以得到了广泛应用。驱动电动机端盖是驱动电动机壳体的一部分，与电动机主壳体一起形成电动机转子的工作型腔，对转子起着承载与冷却的作用，其尺寸精度要求高，对轴承孔的动态强度及冷却水腔的致密性也有较高的要求。本文针对一款典型的驱动电动机端盖压铸件的模具设计与工艺开发做具体介绍。

2 产品技术要求与压铸难点分析

2.1 产品技术要求

该驱动电动机端盖压铸件产品数学模型和实物外形如图1所示。

图1 产品数学模型与实物外形

产品重量：1.25kg；直径260mm，高度70mm。

材质：DIN EN AC 1706 46000 / AlSi9Cu3(Fe)[1]。

内部气孔要求：X射线检测满足ASTM E505[2]标准II级。

加工面气孔要求：密封面及轴承安装孔位置的气孔直径＜0.4m m，同一加工面允许气孔不超过3个；一般表面气孔直径＜0.8mm，气孔间距＞10mm；直径＜0.2mm的气孔不计。

2.2 压铸难点分析

1）由于产品接线端子装配需要，因此呈辐射状开设了8个条形孔，同时，中央部位有一个大的电动机轴孔，这些空腔使产品壁厚呈不连续状态，不利于金属液充型，需要选用合理的填充模式[3]，以解决金属液流动填充问题。

2）产品周边有8个条形深腔结构，宽度5mm、高度20mm，这8个位置需要与电动机主壳体形成冷却水腔，对电动机转子进行冷却，要求在2b a r（1bar＝105Pa）气压下进行气密检测，泄漏量＜0.6mL/min，该区域的致密性要求高，不能有疏松及表面黏附缺陷。

3 压铸工艺设计与CAE模拟分析及优化

3.1 铸件内部气孔、缩孔缺陷分析

要防止铸件内部的卷入性气孔，合理的金属液填充模式是模具设计的关键，可以有效避免金属液汇流及紊流造成的外来夹杂物及卷气缺陷[4]。

对于产品壁厚集中造成的热节点，采用MAGMA软件进行凝固模拟，分析产品的凝固顺序，找出产生缩松、缩孔的高风险区域，通过模具内部的冷却实现产品的顺序凝固。

3.2 填充模式的选择

该驱动电动机端盖属于圆形回转体结构，考虑模具结构尽量简单的因素，这类铸件一般采用多个扇形浇口，侧面填充。但该电动机端盖存在多处空腔结构，阻断了金属液的流动路径；周边薄的片状模具材料，会导致金属填充过程过热并产生冲蚀。

根据压铸生产经验与产品结构特点，设计一种中心进料的填充模式[5]，从电动机轴孔向周边辐射填充。根据我公司压铸机规格，采用一模两腔压铸方案，通过采用MAGMA模拟软件进行模拟分析，对填充方案进行优化。

（1）填充温度对比分析 采用MAGMA软件对两种填充模式的温度场进行分析，如图2、图3所示。从流态上比较，侧浇口填充在金属液充型过程中，形成多处包裹卷气位置，型腔充满状态最低温度615℃左右，前端与末端温度差约40℃；中心浇口填充模式金属液流动平稳，没有金属液汇集的包裹区域，型腔充满状态最低温度625℃左右，型腔不同区域温差＜20℃。

图3 中心浇口充型温度场模拟

（2）型腔最大气压对比分析 图4所示为两种填充模式的最大气压分析。从模拟结果看，采用侧浇口填充时，型腔内有多处气压高于30bar的高风险区域；而采用中心浇口填充时，产品成形区域最高气压10bar，没有卷气风险。

图4 两种填充模式的型腔最大气压分析

基于以上模拟分析，确定采用中心进料的辐射填充模式进行模具及工艺设计。

3.3 浇排设计

模具浇排设计如图5所示。内浇口布置在电动机主轴孔内，沿圆周辐射状均布，每腔设计2个集中排气口。

图5 浇排设计

3.4 数值模拟分析与优化

（1）填充温度模拟 图6所示为填充温度模拟结果显示，从型腔填充开始到型腔充满，共32ms，在型腔充满状态下，产品最低温度区域为620～630℃，高于金属液相线温度610℃，高于金属固相线温度578℃，高出40～50℃，满足液态金属成形温度条件。

图6 填充温度模拟结果

（2）凝固温度模拟 图7所示为凝固温度模拟结果。从图7可看出，产品凝固顺序较好，流道部分最后凝固，保证了良好的压力补缩条件，但近内浇口的局部圆环位置，比内浇口凝固时间略长，有产生缩松风险，需要重点考虑这个区域的模具冷却设计。

图7 凝固温度结果

（3）缺陷预测模拟 图8所示为缺陷预测分析，当凝固时间84s时，内浇口凝固，此时压铸机的压力补缩被阻断，在内浇口附近存在环形热节点，这个区域有潜在收缩性气孔缺陷，需要设计冷却以控制凝固时间；根据气压分析结果，在充型84s、型腔完全充满状态下，型腔内没有高气压风险区域，因此无形成卷入性气孔的风险。

图8 缺陷预测结果

4 关键工序开发FMEA与预防措施

4.1 熔炼过程

铝合金材料为DIN 1706 ENAC 46000，材料液相线温度610℃，固相线温度580℃。为有效控制铝合金成分与力学性能并减少熔炼过程烧损，选择熔化效率为1.5t/h的中央熔解炉，铝锭与回炉料配比按照（60%～80%)∶（40%～20%），出炉温度（720±10）℃，采用石墨转子与高纯氮气进行转运包内除氢，控制铝合金密度指数＜3%。

为防止因Si元素偏析而导致的测量误差，原材料采购时，降低Si元素含量上限，将标准规定的wSi＝8%～11.0%，调整为内控标准wSi＝8%～10.5%；为防止铝合金黏模倾向及减少铁相对铝合金强度的影响，设定Fe元素下限并降低上限，将标准值wFe＜1.3%，调整为wFe＝0.7%～1.0%。

4.2 压铸过程

（1）锁模力计算 产品主分型面投影面积为1350cm2，产品承受一定动载荷并有气密性要求，选取铸造比压为75MPa，两腔产生在分型面的主胀型力：F主＝10128.75kN；由于没有滑块，分胀型力F分＝0。

锁模力安全系数取K＝1.15，总锁模力需求F锁＝11648kN，结合我公司现有压铸机状态，选用1250t（锁模力12500kN）压铸机，一模两腔压铸，实际锁模安全系数为K＝1.23，锁模力计算参见表1。

表1 压铸机锁模力计算

（2）模具工艺需求与压铸机射出能力的P-Q图校核 模具设计的容杯直径选用110mm，压室充满度43%，内浇口面积为830mm2， 压铸工艺的高速压射速度为4.5m/s，内浇口速度为50m/s，理论填充时间为30ms。采用P-Q图对工艺窗口进行校核，工艺需求与理论工艺窗口吻合较好，理论工艺带可调整范围充足，如图9所示。

图9 P-Q图

5 压铸模具设计

（1）模具的浇排系统 根据CAE分析，选用一模两腔中心进料作为填充方案，采用真空辅助排气，激冷块式真空阀。

（2）模具的温度平衡设计 参照CAE的凝固模拟分析，模具温度平衡设计如图10所示。对近浇口区域的热节点设计图中3号位置的环形冷却，主流道部分采用1号位置的3个冷却通道，中板填充锥管采用2号位置的环形冷却，定模金属填充过程温度低的薄壁区域采用4号位置的油温加热通道，动模型腔采用5号位置的点式冷却，图中红色为油温加热通道，蓝色为水冷通道。

图10 模具温度平衡设计

（3）模具总体结构设计 模具结构包含成形部分的A板、定模板、动模板共3个模板，顶出板用于实现铸件从动模脱模。用真空阀板控制抽真空，方导柱导向，采用快速锁模销将模具与压铸机连接，模具总体设计如图11所示。

图11 模具总体设计

6 试生产验证与检测

6.1 生产条件

压铸机：生产采用TOYO/V5 1250t压铸机，循环节拍70s。

铝合金：铝合金牌号ALSI9Cu3（Fe)，采用集中熔解，机边保温，采用氮气转子除气，控制密度指数＜3%，机边保温炉保温温度（665±10）℃。

主要压铸参数[6]：低速速度0.25m/s，高速速度4.5m/s，高速行程160mm，铸造比压75MPa，增压建压时间25ms。

真空使用：真空启动位置150mm，真空度＜200mbar。

6.2 产品测试

电动机端盖产品实物及内部缺陷无损检测如图12所示。铸件外观成形良好，组织致密，内部X射线检测达到ASTM E505标准II级以上。

图12 铸件实物及X射线检测

6.3 模温状态

生产过程采用热成像仪对模温进行监控，喷雾后模具温度：定模170～235℃，平均温度220℃，动模温度190～278℃，平均温度245℃。模具温度保持良好，温度梯度好，保证了液态金属填充及铸件的顺序凝固。模具实际温度场如图13所示。

图13 模具实际温度场

6.4 批量生产验证

该电动机端盖铸件经过生产验证，按照ASTM E505标准II级与外观缺陷标准要求，压铸过程合格率＞98.5%，加工过程气孔、泄漏等毛坯不良缺陷＜0.5%，产品质量达到项目开发指标。

经批量生产验证，生产过程及产品质量稳定，模具运行可靠，压铸过程综合OEE＞75%。

7 结束语

对于圆形回转类零件，采用中心辐射填充模式更有利于金属液充型；在工艺开发阶段，采用CAE工具进行工艺方案的模拟优化及缺陷预测，对提高工艺开发的成功率非常重要，可有效地避免设计失误，在产品开发初期充分识别压铸件的缺陷并针对可能的风险进行时效模式分析，制定有针对性的解决措施，能够有效避免铸件缺陷的产生。