Die Batterie ist das Herzstück eines Elektrofahrzeugs. Ihre Leistung bestimmt die technischen Kennzahlen wie Batterielebensdauer, Energieverbrauch und Lebensdauer des Fahrzeugs. Der Batterieträger im Batteriemodul ist die Hauptkomponente und übernimmt die Funktionen des Tragens, Schützens und Kühlens. Der modulare Batteriesatz ist im Batterieträger untergebracht und durch ihn am Fahrgestell des Fahrzeugs befestigt (siehe Abbildung 1). Da er an der Unterseite der Fahrzeugkarosserie montiert ist und die Einsatzbedingungen rau sind, muss der Batterieträger Steinschlag und Durchschläge abwehren, um eine Beschädigung des Batteriemoduls zu verhindern. Der Batterieträger ist ein wichtiges Sicherheitsbauteil von Elektrofahrzeugen. Im Folgenden werden der Formungsprozess und das Formendesign von Batterieträgern aus Aluminiumlegierung für Elektrofahrzeuge vorgestellt.
Abbildung 1 (Batteriefach aus Aluminiumlegierung)
1 Prozessanalyse und Werkzeugkonstruktion
1.1 Gussanalyse
Abbildung 2 zeigt den Batterieträger aus Aluminiumlegierung für Elektrofahrzeuge. Die Abmessungen betragen 1106 mm × 1029 mm × 136 mm, die Wandstärke beträgt 4 mm, das Gussgewicht beträgt ca. 15,5 kg und das Gewicht nach der Verarbeitung ca. 12,5 kg. Das Material ist A356-T6, Zugfestigkeit ≥ 290 MPa, Streckgrenze ≥ 225 MPa, Dehnung ≥ 6 %, Brinellhärte ≥ 75–90 HBS. Luftdichtheit und IP67- und IP69K-Anforderungen müssen erfüllt werden.
Abbildung 2 (Batteriefach aus Aluminiumlegierung)
1.2 Prozessanalyse
Niederdruckguss ist ein spezielles Gießverfahren zwischen Druckguss und Schwerkraftguss. Es bietet nicht nur die Vorteile der Verwendung von Metallformen für beide Verfahren, sondern auch die Eigenschaften einer stabilen Füllung. Niederdruckguss bietet die Vorteile einer langsamen Füllung von unten nach oben, einer leicht kontrollierbaren Geschwindigkeit, geringer Stöße und Spritzer von flüssigem Aluminium, weniger Oxidschlacke, einer hohen Gewebedichte und guten mechanischen Eigenschaften. Beim Niederdruckguss wird das flüssige Aluminium gleichmäßig eingefüllt, und das Gussstück erstarrt und kristallisiert unter Druck. Dadurch entsteht ein Gussstück mit hoher Strukturdichte, hohen mechanischen Eigenschaften und schönem Aussehen, das sich für die Herstellung großer dünnwandiger Gussteile eignet.
Entsprechend den für das Gussteil erforderlichen mechanischen Eigenschaften ist das Gussmaterial A356, das nach der T6-Behandlung die Anforderungen der Kunden erfüllen kann. Die Fließfähigkeit dieses Materials beim Gießen erfordert jedoch im Allgemeinen eine angemessene Kontrolle der Formtemperatur, um große und dünne Gussteile herzustellen.
1.3 Gießsystem
Angesichts der Eigenschaften großer und dünner Gussteile müssen mehrere Anschnitte konstruiert werden. Um ein gleichmäßiges Einfüllen des flüssigen Aluminiums zu gewährleisten, werden gleichzeitig Füllkanäle am Fenster hinzugefügt, die durch Nachbearbeitung entfernt werden müssen. In der Frühphase wurden zwei Prozessschemata des Gießsystems entworfen und die Schemata verglichen. Wie in Abbildung 3 dargestellt, werden in Schema 1 9 Anschnitte angeordnet und Füllkanäle am Fenster hinzugefügt; in Schema 2 werden 6 Anschnitte angeordnet, die von der Seite des zu formenden Gussteils einfüllen. Die CAE-Simulationsanalyse ist in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt. Verwenden Sie die Simulationsergebnisse, um die Formstruktur zu optimieren, negative Auswirkungen des Formdesigns auf die Gussqualität zu vermeiden, die Wahrscheinlichkeit von Gussfehlern zu verringern und den Entwicklungszyklus der Gussteile zu verkürzen.
Abbildung 3 (Vergleich zweier Prozessschemata für Niederdruck
Abbildung 4 (Temperaturfeldvergleich beim Befüllen)
Abbildung 5 (Vergleich der Schwindungsporositätsdefekte nach der Erstarrung)
Die Simulationsergebnisse der beiden obigen Schemata zeigen, dass sich das flüssige Aluminium in der Kavität ungefähr parallel nach oben bewegt, was mit der Theorie der parallelen Füllung des flüssigen Aluminiums als Ganzes übereinstimmt, und die simulierten Schrumpfungsporositätsteile des Gussstücks werden durch verstärkte Kühlung und andere Methoden gelöst.
Vorteile der beiden Verfahren: Gemessen an der Temperatur des flüssigen Aluminiums während der simulierten Füllung ist die Temperatur am distalen Ende des nach Verfahren 1 geformten Gussteils gleichmäßiger als bei Verfahren 2, was die Füllung der Kavität begünstigt. Das nach Verfahren 2 geformte Gussteil weist im Gegensatz zu Verfahren 1 keine Angussrückstände auf. Die Schrumpfporosität ist besser als bei Verfahren 1.
Nachteile der beiden Schemata: Da der Anguss im Schema 1 auf dem zu formenden Gussteil angeordnet ist, verbleiben Angussrückstände auf dem Gussteil, die im Vergleich zum ursprünglichen Gussteil um etwa 0,7 kJ ansteigen. Ausgehend von der Temperatur des flüssigen Aluminiums in der simulierten Füllung im Schema 2 ist die Temperatur des flüssigen Aluminiums am distalen Ende bereits niedrig, und die Simulation liegt unter dem Idealzustand der Formtemperatur, sodass die Fließfähigkeit des flüssigen Aluminiums im tatsächlichen Zustand unzureichend sein kann und das Problem der Schwierigkeiten beim Gießen auftritt.
In Kombination mit der Analyse verschiedener Faktoren wurde Schema 2 als Gießsystem gewählt. Angesichts der Mängel von Schema 2 wurden das Gießsystem und das Heizsystem im Formdesign optimiert. Wie in Abbildung 6 dargestellt, wurde ein Überlaufsteigrohr hinzugefügt, das das Einfüllen von flüssigem Aluminium begünstigt und das Auftreten von Defekten in Formgussteilen reduziert oder vermeidet.
Abbildung 6 (Optimiertes Gießsystem)
1.4 Kühlsystem
Die spannungsführenden Teile und Bereiche mit hohen mechanischen Anforderungen an Gussteile müssen richtig gekühlt oder gespeist werden, um Schwindungsporosität oder thermische Rissbildung zu vermeiden. Die Grundwandstärke des Gussteils beträgt 4 mm und die Erstarrung wird durch die Wärmeableitung der Form selbst beeinflusst. Für die wichtigen Teile wird ein Kühlsystem eingerichtet, wie in Abbildung 7 dargestellt. Nach Abschluss des Füllvorgangs wird Wasser zur Kühlung durchgeleitet. Die genaue Abkühlzeit muss an der Gießstelle angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Erstarrungssequenz vom angussabgewandten Ende zum angussabgewandten Ende verläuft und Anguss und Steigrohr am Ende erstarren, um den Speisungseffekt zu erzielen. Bei Teilen mit dickerer Wandstärke wird dem Einsatz eine Wasserkühlung hinzugefügt. Diese Methode hat eine bessere Wirkung auf den eigentlichen Gießvorgang und kann Schwindungsporosität vermeiden.
Abbildung 7 (Kühlsystem)
1.5 Abgasanlage
Da der Hohlraum von Niederdruckgussmetall geschlossen ist, ist er nicht so luftdurchlässig wie Sandformen und entlüftet auch nicht über Steigrohre beim Schwerkraftguss. Die Entlüftung des Niederdruckgusshohlraums beeinträchtigt den Füllvorgang des flüssigen Aluminiums und die Qualität der Gussteile. Die Niederdruckgussform kann durch die Lücken, Entlüftungsnuten und Entlüftungsstopfen in der Trennfläche, der Stößelstange usw. entlüftet werden.
Die Größe des Abgassystems muss so bemessen sein, dass die Abgase nicht überlaufen. Ein vernünftiges Abgassystem kann Gussteile vor Defekten wie unzureichender Füllung, loser Oberfläche und geringer Festigkeit schützen. Der letzte Füllbereich des flüssigen Aluminiums während des Gießvorgangs, wie z. B. die Seitenauflage und der Steiger der oberen Form, muss mit Abgasen ausgestattet sein. Da beim Niederdruckguss flüssiges Aluminium leicht in den Spalt des Abgasstopfens fließt, was dazu führen kann, dass der Luftstopfen beim Öffnen der Form herausgezogen wird, haben sich nach mehreren Versuchen und Verbesserungen drei Methoden durchgesetzt: Methode 1 verwendet einen pulvermetallurgisch gesinterten Luftstopfen, wie in Abbildung 8 (a) dargestellt. Der Nachteil besteht in den hohen Herstellungskosten. Methode 2 verwendet einen Naht-Abgasstopfen mit einem Spalt von 0,1 mm, wie in Abbildung 8 (b) dargestellt. Der Nachteil besteht darin, dass die Naht nach dem Farbspritzen leicht verstopft. Methode 3 verwendet einen drahtgeschnittenen Abgasstopfen, der Spalt beträgt 0,15–0,2 mm, wie in Abbildung 8 (c) dargestellt. Die Nachteile sind eine geringe Verarbeitungseffizienz und hohe Herstellungskosten. Je nach tatsächlicher Gussfläche müssen unterschiedliche Entlüftungsstopfen ausgewählt werden. Im Allgemeinen werden gesinterte und drahtgeschnittene Entlüftungsstopfen für den Hohlraum des Gussteils verwendet, und der Nahttyp wird für den Sandkernkopf verwendet.
Abbildung 8 (3 Arten von Entlüftungsstopfen, die für Niederdruckguss geeignet sind)
1.6 Heizsystem
Das Gussteil ist groß und hat eine dünne Wandstärke. Die Formflussanalyse zeigt, dass die Fließgeschwindigkeit des flüssigen Aluminiums am Ende des Füllvorgangs unzureichend ist. Der Grund dafür ist, dass das flüssige Aluminium zu lange zum Fließen braucht, die Temperatur sinkt und vorzeitig erstarrt, wodurch die Fließfähigkeit verloren geht. Es kommt zu Kaltverguss oder unzureichendem Gießen, wodurch der Steiger der oberen Matrize nicht die gewünschte Förderwirkung erzielen kann. Aufgrund dieser Probleme kann man, ohne die Wandstärke und Form des Gussteils zu verändern, die Temperatur des flüssigen Aluminiums und die Formtemperatur erhöhen, um die Fließfähigkeit des flüssigen Aluminiums zu verbessern und das Problem des Kaltvergusses oder unzureichenden Gießens zu lösen. Eine zu hohe Temperatur des flüssigen Aluminiums und der Formtemperatur führt jedoch zu neuen thermischen Verbindungen oder Schrumpfporosität, was nach dem Gießvorgang zu übermäßigen ebenen Nadellöchern führt. Daher ist es notwendig, eine geeignete Temperatur des flüssigen Aluminiums und eine geeignete Formtemperatur zu wählen. Erfahrungsgemäß wird die Temperatur des flüssigen Aluminiums auf etwa 720 °C und die Formtemperatur auf 320–350 °C geregelt.
Aufgrund des großen Volumens, der dünnen Wandstärke und der geringen Höhe des Gussteils wurde im oberen Teil der Form ein Heizsystem installiert. Wie in Abbildung 9 dargestellt, zeigt die Flamme zum Boden und zur Seite der Form, um die Unterseite und die Seite des Gussteils zu erwärmen. Je nach Gießsituation vor Ort werden Heizzeit und Flamme angepasst, die Temperatur des oberen Formteils auf 320–350 °C geregelt, die Fließfähigkeit des flüssigen Aluminiums in einem angemessenen Bereich sichergestellt und das flüssige Aluminium den Hohlraum und das Steigrohr füllen lassen. Im praktischen Einsatz kann das Heizsystem die Fließfähigkeit des flüssigen Aluminiums effektiv sicherstellen.
Abbildung 9 (Heizsystem)
2. Formstruktur und Funktionsprinzip
Um sicherzustellen, dass das geformte Gussteil in der oberen Form verbleibt, werden gemäß dem Niederdruckgussverfahren, den Gusseigenschaften und der Struktur der Anlage, vordere, hintere, linke und rechte Kernzugstrukturen an der oberen Form entworfen. Nachdem das Gussteil geformt und erstarrt ist, werden zuerst die obere und untere Form geöffnet. Anschließend wird der Kern in vier Richtungen gezogen. Schließlich drückt die obere Platte der oberen Form das geformte Gussteil heraus. Die Formstruktur ist in Abbildung 10 dargestellt.
Abbildung 10 (Formstruktur)
Herausgegeben von May Jiang von MAT Aluminum
Veröffentlichungszeit: 11. Mai 2023
