La batería es el componente principal de un vehículo eléctrico, y su rendimiento determina indicadores técnicos como la duración de la batería, el consumo de energía y la vida útil del vehículo. La bandeja de la batería en el módulo de la batería es el componente principal que realiza las funciones de transporte, protección y refrigeración. El paquete de baterías modular está dispuesto en la bandeja de la batería, fijada al chasis del vehículo a través de ella, como se muestra en la Figura 1. Dado que está instalada en la parte inferior de la carrocería del vehículo y el entorno de trabajo es severo, la bandeja de la batería debe tener la función de prevenir el impacto de piedras y perforaciones para evitar que el módulo de la batería se dañe. La bandeja de la batería es un componente estructural de seguridad importante de los vehículos eléctricos. A continuación, se presenta el proceso de conformado y el diseño del molde de bandejas de batería de aleación de aluminio para vehículos eléctricos.
Figura 1 (Bandeja de batería de aleación de aluminio)
1 Análisis de procesos y diseño de moldes
1.1 Análisis de casting
La bandeja de batería de aleación de aluminio para vehículos eléctricos se muestra en la Figura 2. Sus dimensiones totales son 1106 mm × 1029 mm × 136 mm, el espesor de pared es de 4 mm, la calidad de la fundición es de aproximadamente 15,5 kg y la calidad de la fundición después del procesamiento es de aproximadamente 12,5 kg. El material es A356-T6, con resistencia a la tracción ≥ 290 MPa, límite elástico ≥ 225 MPa, elongación ≥ 6 %, dureza Brinell ≥ 75~90 HBS, y cumple con los requisitos de hermeticidad e IP67 e IP69K.
Figura 2 (Bandeja de batería de aleación de aluminio)
1.2 Análisis de procesos
La fundición a baja presión es un método de fundición especial, intermedio entre la fundición a presión y la fundición por gravedad. Ofrece las ventajas de utilizar moldes metálicos para ambos métodos, además de un llenado estable. La fundición a baja presión se caracteriza por un llenado a baja velocidad de abajo a arriba, un fácil control de la velocidad, mínimo impacto y salpicaduras de aluminio líquido, menor cantidad de escoria de óxido, alta densidad de tejido y excelentes propiedades mecánicas. En la fundición a baja presión, el aluminio líquido se llena suavemente y la pieza fundida se solidifica y cristaliza bajo presión, obteniendo una pieza fundida con una estructura de alta densidad, altas propiedades mecánicas y una apariencia atractiva, ideal para la formación de piezas fundidas grandes de paredes delgadas.
De acuerdo con las propiedades mecánicas requeridas por la fundición, el material de fundición es A356, que puede satisfacer las necesidades de los clientes después del tratamiento T6, pero la fluidez de vertido de este material generalmente requiere un control razonable de la temperatura del molde para producir piezas fundidas grandes y delgadas.
1.3 Sistema de vertido
Debido a las características de las piezas fundidas grandes y delgadas, es necesario diseñar múltiples compuertas. Para asegurar un llenado fluido de aluminio líquido, se añaden canales de llenado en la ventana, que deben eliminarse durante el posprocesamiento. Se diseñaron dos esquemas de proceso del sistema de vertido en la etapa inicial y se compararon. Como se muestra en la Figura 3, el esquema 1 dispone de 9 compuertas y añade canales de alimentación en la ventana; el esquema 2 dispone de 6 compuertas que vierten desde el lateral de la pieza fundida a conformar. El análisis de simulación CAE se muestra en las Figuras 4 y 5. Utilice los resultados de la simulación para optimizar la estructura del molde, evitar el impacto negativo del diseño del molde en la calidad de las piezas fundidas, reducir la probabilidad de defectos y acortar el ciclo de desarrollo de las piezas fundidas.
Figura 3 (Comparación de dos esquemas de proceso para baja presión)
Figura 4 (Comparación del campo de temperatura durante el llenado)
Figura 5 (Comparación de los defectos de porosidad por contracción después de la solidificación)
Los resultados de la simulación de los dos esquemas anteriores muestran que el aluminio líquido en la cavidad se mueve hacia arriba aproximadamente en paralelo, lo que está en línea con la teoría del llenado paralelo del aluminio líquido en su conjunto, y las partes de porosidad de contracción simuladas de la fundición se resuelven mediante enfriamiento de fortalecimiento y otros métodos.
Ventajas de ambos esquemas: A juzgar por la temperatura del aluminio líquido durante el llenado simulado, la temperatura del extremo distal de la pieza fundida formada con el esquema 1 presenta mayor uniformidad que la del esquema 2, lo que favorece el llenado de la cavidad. La pieza fundida formada con el esquema 2 no presenta el residuo de compuerta del esquema 1. La porosidad por contracción es mejor que la del esquema 1.
Desventajas de los dos esquemas: Debido a que la compuerta está dispuesta en la fundición que se formará en el esquema 1, habrá un residuo de compuerta en la fundición, que aumentará aproximadamente 0,7ka en comparación con la fundición original. a partir de la temperatura del aluminio líquido en el llenado simulado del esquema 2, la temperatura del aluminio líquido en el extremo distal ya es baja, y la simulación está bajo el estado ideal de la temperatura del molde, por lo que la capacidad de flujo del aluminio líquido puede ser insuficiente en el estado real, y habrá un problema de dificultad en el moldeo por fundición.
Tras el análisis de diversos factores, se seleccionó el esquema 2 como sistema de vertido. Considerando las deficiencias del esquema 2, se optimizaron el sistema de vertido y el sistema de calentamiento en el diseño del molde. Como se muestra en la Figura 6, se añadió un tubo de rebose, lo cual favorece el llenado de aluminio líquido y reduce o evita la aparición de defectos en las piezas fundidas.
Figura 6 (Sistema de vertido optimizado)
1.4 Sistema de refrigeración
Las piezas de fundición que soportan tensiones y las áreas con altos requisitos de rendimiento mecánico deben enfriarse o alimentarse adecuadamente para evitar la porosidad por contracción o el agrietamiento térmico. El espesor básico de la pared de la pieza fundida es de 4 mm, y la solidificación se verá afectada por la disipación de calor del propio molde. Para sus piezas importantes, se instala un sistema de enfriamiento, como se muestra en la Figura 7. Una vez completado el llenado, se pasa agua para enfriar, y el tiempo de enfriamiento específico debe ajustarse en el sitio de vertido para asegurar que la secuencia de solidificación se forme desde el extremo opuesto a la compuerta hasta el extremo de la compuerta, y que la compuerta y el tubo ascendente se solidifiquen al final para lograr el efecto de alimentación. Las piezas con paredes más gruesas adoptan el método de agregar refrigeración por agua al inserto. Este método tiene un mejor efecto en el proceso de fundición real y puede evitar la porosidad por contracción.
Figura 7 (Sistema de refrigeración)
1.5 Sistema de escape
Dado que la cavidad del metal de fundición a baja presión es cerrada, no presenta una buena permeabilidad al aire como la de los moldes de arena, ni se produce escape a través de mazarotas en la fundición por gravedad general. El escape de la cavidad de fundición a baja presión afectará el proceso de llenado de aluminio líquido y la calidad de las piezas fundidas. El molde de fundición a baja presión puede experimentar escape a través de los huecos, ranuras y tapones de escape en la superficie de separación, la varilla de empuje, etc.
El diseño del tamaño del escape en el sistema de escape debe ser propicio para un escape sin desbordamiento, un sistema de escape razonable puede prevenir defectos en las piezas fundidas como llenado insuficiente, superficie suelta y baja resistencia. El área de llenado final del aluminio líquido durante el proceso de vertido, como el soporte lateral y el elevador del molde superior, debe estar equipada con gas de escape. En vista del hecho de que el aluminio líquido fluye fácilmente hacia el espacio del tapón de escape en el proceso real de fundición a presión a baja presión, lo que lleva a la situación de que el tapón de aire se extrae cuando se abre el molde, se adoptan tres métodos después de varios intentos y mejoras: El método 1 utiliza un tapón de aire sinterizado por metalurgia de polvos, como se muestra en la Figura 8 (a), la desventaja es que el costo de fabricación es alto; El método 2 utiliza un tapón de escape tipo costura con un espacio de 0,1 mm, como se muestra en la Figura 8 (b), la desventaja es que la costura de escape se bloquea fácilmente después de pulverizar pintura; El método 3 utiliza un tapón de escape cortado con alambre, con una separación de 0,15 a 0,2 mm, como se muestra en la Figura 8(c). Sus desventajas son la baja eficiencia de procesamiento y el alto costo de fabricación. Se deben seleccionar diferentes tapones de escape según el área real de la pieza fundida. Generalmente, los tapones de ventilación sinterizados y cortados con alambre se utilizan para la cavidad de la pieza fundida, y los de tipo costura para el cabezal del núcleo de arena.
Figura 8 (3 tipos de tapones de escape adecuados para fundición a presión a baja presión)
1.6 Sistema de calefacción
La pieza fundida es de gran tamaño y de paredes delgadas. En el análisis de flujo del molde, el caudal del aluminio líquido al final del llenado es insuficiente. Esto se debe a que el aluminio líquido tarda demasiado en fluir, la temperatura baja y se solidifica prematuramente, perdiendo su fluidez. Se produce un cierre en frío o un vertido insuficiente, impidiendo que la mazarota del molde superior logre el efecto de alimentación. Ante estos problemas, sin modificar el espesor ni la forma de la pieza fundida, se debe aumentar la temperatura del aluminio líquido y la del molde para mejorar su fluidez y resolver el problema del cierre en frío o el vertido insuficiente. Sin embargo, una temperatura excesiva del aluminio líquido y del molde producirá nuevas uniones térmicas o porosidad por contracción, lo que resultará en una cantidad excesiva de poros planos tras el proceso de fundición. Por lo tanto, es necesario seleccionar una temperatura adecuada para el aluminio líquido y el molde. Según la experiencia, la temperatura del aluminio líquido se controla en torno a 720 ℃ y la del molde, entre 320 y 350 ℃.
Debido al gran volumen, el fino espesor de pared y la baja altura de la pieza fundida, se instala un sistema de calentamiento en la parte superior del molde. Como se muestra en la Figura 9, la llama se dirige hacia el fondo y los laterales del molde para calentar la base y los laterales de la pieza. Según las condiciones de vertido en obra, se ajusta el tiempo de calentamiento y la llama, se controla la temperatura de la parte superior del molde a 320-350 °C, se asegura la fluidez del aluminio líquido dentro de un rango razonable y se permite que llene la cavidad y el tubo ascendente. En condiciones reales, el sistema de calentamiento puede garantizar eficazmente la fluidez del aluminio líquido.
Figura 9 (Sistema de calefacción)
2. Estructura del molde y principio de funcionamiento
De acuerdo con el proceso de fundición a baja presión, en combinación con las características de la pieza y la estructura del equipo, para garantizar que la pieza formada permanezca en el molde superior, se diseñan en este las estructuras de extracción de machos frontal, posterior, izquierdo y derecho. Una vez formada y solidificada la pieza, se abren primero los moldes superior e inferior, se extrae el macho en cuatro direcciones y, finalmente, la placa superior del molde superior expulsa la pieza formada. La estructura del molde se muestra en la Figura 10.
Figura 10 (Estructura del molde)
Editado por May Jiang de MAT Aluminum
Hora de publicación: 11 de mayo de 2023
