【用户案例】铝合金电机壳低压砂型铸造工艺设计

发表于2022/4/2 10:39:21 铝电机壳低压砂型铸造工艺设计

摘要：以一款140kW的铝合金水冷电机壳体做为研究对象，探讨了采用低压砂型工艺的电机壳的典型铸造工艺方案，并采用MAGMA软件进行工艺方案可行性的评估。结果表明，生产的电机壳体完全满足相关技术条件的要求。

近年来，在节能减排和环保的需求下，汽车制造企业的研发重点正在由传统燃料汽车向新能源汽车转移。铝合金电机壳作为新能源汽车的动力总成核心铸件，结构比较复杂，铸造难度大。水冷电机壳体的侧壁环绕冷却水套的密封性是产品的重要技术要求，也是产品最大的铸造难点。同时，电机壳体上、下端面以及侧壁的缩松也是工艺开发中需要避免的铸造缺陷。随着计算机技术在铸造领域的迅速发展，通过铸造过程模拟仿真分析模拟可以预测铸造缺陷，评估工艺可行性。

本文以一款140kW的电机壳为研究对象，研究低压砂型工艺的铝合金电机壳铸造工艺设计，借助MAGMA模拟仿真手段进行铸造工艺的模拟分析，并对优化方案进行铸造过程分析，并进行工艺评估。

1、电机壳技术要求

1.1 产品概述
电机壳体如图1a、b所示，产品的轮廓尺寸为228mm×307mm×296mm，主要壁厚6mm。侧方水套为螺旋结构（图1c），壁厚6.9mm。产品重量为6.8kg。材质为A356.2铝合金，采用T6热处理。铸件底部镶嵌轴承衬套（材质为45钢）。

图1电机壳铸件及水套结构

1.2 技术要求

力学性能一般要求底面和顶面的硬度不低于HBW90，抗拉强度要求随炉试棒或指定的本体取样部位Rm≥275MPa；伸长率≥2%。气密性要求水套在600 kPa下10min无气泡泄漏；铸件表面及加工面不允许有气孔、缩松、冷隔、裂纹、夹渣等铸造缺陷；铸件内部缺陷需控制在ASTME155 III级。

2、电机壳的铸造工艺设计

铸造方案选择：该电机壳采用低压砂型铸造方式。冒口设计：如图2所示，根据产品结构特点，在铸件顶部螺栓孔位置设置多个冒口，冒口有以下三个方面的作用：①可以实现对电机壳顶部法兰面（尤其是法兰面螺栓孔）位置的补缩；②有利于铸件顶部区域的排气和排渣，避免产品顶部出现渣孔或气孔缺陷；③间接提升了型腔中顶部区域金属液的热模数，使铸件和浇注系统在凝固过程形成更合理的顺序凝固，有助于避免电机壳体侧壁螺旋水套周围出现缩松。冒口的直径40~60mm，冒口高度在50~70mm范围内选取。浇道设计：根据产品结构特点，壳体底部浇注系统可以采取直浇道直接进料的方式即可满足产品充型过程的金属液流动平稳性和凝固过程浇口位置对铸件下方区域的补缩。浇道直径设计为60~85mm范围内，冒口和浇道具体的设计数值通过MAGMA铸造模拟软件的虚拟DOE分析来确定。为了实现凝固过程中铸件下方区域的顺序凝固，在镶嵌件（轴承衬套）周围区域添加起模斜度，并将壁厚增加2mm。

图2 电机壳冒口及浇注系统设计

3、工艺模拟仿真分析

3.1 浇冒口系统的 DOE 分析

利用DOE（虚拟正交试验）可以快速将该电机壳冒口直径、冒口高度和浇道直径设为DOE分析的三个变量，共12个浇注系统设计方案（表1）。DOE分析目标为铸件的冒口附近及浇口附近区域（图3）缩孔缩松倾向最低。

通过DOE分析，方案5、6、11和12为四个缩孔缩松倾向最低的最优方案设计，考虑到工艺出品率，确认方案5为最优工艺，（即冒口直径50mm，冒口高度70mm，浇道直径60mm）

表1 冒口及浇注系统设计虚拟正交试验（V-DOE）

图3 MAGMA-DOE分析的评估区域

3.2 选定方案的铸造过程模拟

通过对电机壳选定方案5进行铸造过程的模拟仿真分析，充型过程的金属液流态和温度场分析如图4所示，整个充型过程，金属液流动平稳，未出现紊流和喷溅现象；金属液降温状态也理想，直至充型末尾（图4e-f），金属液温度也在液相线温度以上，出现冷隔或气孔的风险较低。通过充型过程的示踪粒子分析（图5），金属液充型平稳，未出现卷气、打旋的现象。

凝固过程的液相率分析如图6所示。可见，基本实现了理想的顺序凝固方式，铸件终检薄壁处优先凝固，冒口和浇道最后凝固，型腔内未出现孤立液相区。

通过对铸件的Porosity判据和Hot Spot FSTime判据的综合分析（图7），铸件内关键区域无缩孔缩松和热节，仅在铸件底部减重孔附近有轻微缩松。基于以上判据的分析，该工艺设计可以满足产品内部质量的要求。