Die Batterie ist das Herzstück eines Elektrofahrzeugs. Ihre Leistung bestimmt maßgeblich technische Kennzahlen wie Batterielebensdauer, Energieverbrauch und Lebensdauer des Fahrzeugs. Der Batterieträger im Batteriemodul ist die Hauptkomponente und dient als Träger, Schutz und Kühlung. Der modulare Batteriesatz ist im Batterieträger untergebracht und durch diesen am Fahrgestell befestigt (siehe Abbildung 1). Da der Batterieträger an der Unterseite der Karosserie montiert ist und rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, muss er Steinschlag und Durchschläge abwehren, um eine Beschädigung des Batteriemoduls zu verhindern. Der Batterieträger ist ein wichtiges Sicherheitsbauteil von Elektrofahrzeugen. Im Folgenden werden der Formgebungsprozess und das Formendesign von Batterieträgern aus Aluminiumlegierung für Elektrofahrzeuge vorgestellt.
Abbildung 1 (Batteriefach aus Aluminiumlegierung)
1 Prozessanalyse und Werkzeugkonstruktion
1.1 Gussanalyse
Der Batterieträger aus Aluminiumlegierung für Elektrofahrzeuge ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Gesamtabmessungen betragen 1106 mm × 1029 mm × 136 mm, die Grundwandstärke 4 mm, das Gussgewicht ca. 15,5 kg und das Gussgewicht nach der Verarbeitung ca. 12,5 kg. Das Material ist A356-T6, Zugfestigkeit ≥ 290 MPa, Streckgrenze ≥ 225 MPa, Dehnung ≥ 6 %, Brinellhärte ≥ 75–90 HBS. Die Anforderungen an Luftdichtheit und IP67 und IP69K müssen erfüllt werden.
Abbildung 2 (Batteriefach aus Aluminiumlegierung)
1.2 Prozessanalyse
Niederdruck-Kokillenguss 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. Niederdruck-Kokillenguss bietet die Vorteile einer langsamen Füllung von unten nach oben, einer leicht kontrollierbaren Geschwindigkeit, geringeren Stößen und Spritzern von flüssigem Aluminium, geringer Oxidschlacke, einer hohen Gewebedichte und guten mechanischen Eigenschaften. Beim Niederdruck-Kokillenguss 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 den Guss erforderlichen mechanischen Eigenschaften ist das Gussmaterial A356, das nach der T6-Behandlung die Anforderungen der Kunden erfüllen kann. Allerdings erfordert die Fließfähigkeit dieses Materials beim Gießen 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. Gleichzeitig werden, um ein gleichmäßiges Einfüllen des flüssigen Aluminiums zu gewährleisten, am Fenster Füllkanäle hinzugefügt, die durch Nachbearbeitung entfernt werden müssen. In einer frühen Phase wurden zwei Prozessschemata des Gießsystems entwickelt und die Schemata verglichen. Wie in Abbildung 3 dargestellt, sieht Schema 1 9 Anschnitte und Zuführkanäle am Fenster vor; Schema 2 sieht 6 Anschnitte vor, die von der Seite des zu formenden Gussteils gießen. Die CAE-Simulationsanalyse ist in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt. Nutzen 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 weist die Temperatur am distalen Ende des nach Verfahren 1 geformten Gussteils eine höhere Gleichmäßigkeit auf als nach Verfahren 2, was die Füllung der Kavität begünstigt. Das nach Verfahren 2 geformte Gussteil weist im Gegensatz zu Verfahren 1 keine Angussrückstände auf. Die Schwindungsporosität 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 Fließkapazität des flüssigen Aluminiums im tatsächlichen Zustand unzureichend sein kann und das Problem der Schwierigkeiten beim Gießen auftritt.
Nach 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 zur Kühlung Wasser durchgeleitet. Die genaue Abkühlzeit muss an der Gießstelle angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Erstarrungssequenz vom angussabgewandten Ende zum angussseitigen 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 Spalte, 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 geeignetes Abgassystem kann Gussfehler wie unzureichende Füllung, lose Oberfläche und geringe Festigkeit vermeiden. 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 Entlüftungsstopfens fließt, was dazu führen kann, dass der Entlüftungsstopfen beim Öffnen der Form herausgezogen wird, haben sich nach mehreren Versuchen und Verbesserungen drei Methoden durchgesetzt: Methode 1 verwendet einen pulvermetallurgisch gesinterten Entlüftungsstopfen (siehe Abbildung 8 (a)). Der Nachteil sind die hohen Herstellungskosten. Methode 2 verwendet einen Naht-Entlüftungsstopfen mit einem Spalt von 0,1 mm (siehe Abbildung 8 (b)). Der Nachteil ist, dass die Naht nach dem Farbspritzen leicht verstopft. Methode 3 verwendet einen drahtgeschnittenen Entlüftungsstopfen (der Spalt beträgt 0,15–0,2 mm) (siehe Abbildung 8 (c)). Die Nachteile sind die geringe Verarbeitungseffizienz und die hohen Herstellungskosten. Je nach Gussteilfläche müssen unterschiedliche Entlüftungsstopfen ausgewählt werden. Im Allgemeinen werden gesinterte und drahtgeschnittene Entlüftungsstopfen für den Gusshohlraum und Nahtstopfen für den Sandkernkopf verwendet.
Abbildung 8 (3 Arten von Entlüftungsstopfen, die für Niederdruckguss geeignet sind)
1.6 Heizungssystem
Das Gussteil ist groß und hat eine dünne Wandstärke. Die Formflussanalyse zeigt, dass die Fließgeschwindigkeit des flüssigen Aluminiums am Ende des Füllvorgangs unzureichend ist. Dies liegt daran, dass das flüssige Aluminium zu lange zum Fließen braucht, die Temperatur sinkt und vorzeitig erstarrt, wodurch die Fließfähigkeit verloren geht. Bei Kaltverguss oder unzureichendem Gießen kann der Steiger des oberen Gesenks nicht ausreichend speisen. Daher kann die Erhöhung der Temperatur des flüssigen Aluminiums und der Formtemperatur, ohne die Wandstärke und Form des Gussteils zu verändern, die Fließfähigkeit des flüssigen Aluminiums verbessern und das Problem des Kaltvergusses oder unzureichenden Gießens lösen. Eine zu hohe Temperatur des flüssigen Aluminiums und der Formtemperatur führt jedoch zu neuen Wärmebrücken oder Schwindporosität, 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 liegt die Temperatur des flüssigen Aluminiums bei etwa 720 °C und die Formtemperatur bei 320–350 °C.
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. Heizzeit und Flamme werden je nach Gießsituation vor Ort 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 in Hohlraum und Steigrohr gefüllt. 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 Anlagenstruktur vordere, hintere, linke und rechte Kernzugstrukturen an der oberen Form vorgesehen. Nachdem das Gussteil geformt und erstarrt ist, werden zunächst 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
