摘要：以一款140kW的鋁合金水冷電機殼體做為研究對象，探討了采用低壓砂型工藝的電機殼的典型鑄造工藝方案，并采用MAGMA軟件進行工藝方案可行性的評估。結果表明，生產的電機殼體完全滿足相關技術條件的要求。

近年來，在節能減排和環保的需求下，汽車制造企業的研發重點正在由傳統燃料汽車向新能源汽車轉移。鋁合金電機殼作為新能源汽車的動力總成核心鑄件，結構比較復雜，鑄造難度大。水冷電機殼體的側壁環繞冷卻水套的密封性是產品的重要技術要求，也是產品最大的鑄造難點。同時，電機殼體上、下端面以及側壁的縮松也是工藝開發中需要避免的鑄造缺陷。隨著計算機技術在鑄造領域的迅速發展，通過鑄造過程模擬仿真分析模擬可以預測鑄造缺陷，評估工藝可行性。

本文以一款140kW的電機殼為研究對象，研究低壓砂型工藝的鋁合金電機殼鑄造工藝設計，借助MAGMA模擬仿真手段進行鑄造工藝的模擬分析，并對優化方案進行鑄造過程分析，并進行工藝評估。

1、電機殼技術要求

1.1 產品概述
電機殼體如圖1a、b所示，產品的輪廓尺寸為228mm×307mm×296mm，主要壁厚6mm。側方水套為螺旋結構（圖1c），壁厚6.9mm。產品重量為6.8kg。材質為A356.2鋁合金，采用T6熱處理。鑄件底部鑲嵌軸承襯套（材質為45鋼）。

圖1電機殼鑄件及水套結構

1.2 技術要求

力學性能一般要求底面和頂面的硬度不低于HBW90，抗拉強度要求隨爐試棒或指定的本體取樣部位Rm≥275MPa；伸長率≥2%。氣密性要求水套在600 kPa下10min無氣泡泄漏；鑄件表面及加工面不允許有氣孔、縮松、冷隔、裂紋、夾渣等鑄造缺陷；鑄件內部缺陷需控制在ASTME155 III級。

2、電機殼的鑄造工藝設計

鑄造方案選擇：該電機殼采用低壓砂型鑄造方式。冒口設計：如圖2所示，根據產品結構特點，在鑄件頂部螺栓孔位置設置多個冒口，冒口有以下三個方面的作用：①可以實現對電機殼頂部法蘭面（尤其是法蘭面螺栓孔）位置的補縮；②有利于鑄件頂部區域的排氣和排渣，避免產品頂部出現渣孔或氣孔缺陷；③間接提升了型腔中頂部區域金屬液的熱模數，使鑄件和澆注系統在凝固過程形成更合理的順序凝固，有助于避免電機殼體側壁螺旋水套周圍出現縮松。冒口的直徑40~60mm，冒口高度在50~70mm范圍內選取。澆道設計：根據產品結構特點，殼體底部澆注系統可以采取直澆道直接進料的方式即可滿足產品充型過程的金屬液流動平穩性和凝固過程澆口位置對鑄件下方區域的補縮。澆道直徑設計為60~85mm范圍內，冒口和澆道具體的設計數值通過MAGMA鑄造模擬軟件的虛擬DOE分析來確定。為了實現凝固過程中鑄件下方區域的順序凝固，在鑲嵌件（軸承襯套）周圍區域添加起模斜度，并將壁厚增加2mm。

圖2  電機殼冒口及澆注系統設計

3、工藝模擬仿真分析

3.1  澆冒口系統的 DOE 分析

利用DOE（虛擬正交試驗）可以快速將該電機殼冒口直徑、冒口高度和澆道直徑設為DOE分析的三個變量，共12個澆注系統設計方案（表1）。DOE分析目標為鑄件的冒口附近及澆口附近區域（圖3）縮孔縮松傾向最低。

通過DOE分析，方案5、6、11和12為四個縮孔縮松傾向最低的最優方案設計，考慮到工藝出品率，確認方案5為最優工藝，（即冒口直徑50mm，冒口高度70mm，澆道直徑60mm）

表1 冒口及澆注系統設計虛擬正交試驗（V-DOE）

圖3 MAGMA-DOE分析的評估區域

3.2  選定方案的鑄造過程模擬

通過對電機殼選定方案5進行鑄造過程的模擬仿真分析，充型過程的金屬液流態和溫度場分析如圖4所示，整個充型過程，金屬液流動平穩，未出現紊流和噴濺現象；金屬液降溫狀態也理想，直至充型末尾（圖4e-f），金屬液溫度也在液相線溫度以上，出現冷隔或氣孔的風險較低。通過充型過程的示蹤粒子分析（圖5），金屬液充型平穩，未出現卷氣、打旋的現象。

凝固過程的液相率分析如圖6所示。可見，基本實現了理想的順序凝固方式，鑄件終檢薄壁處優先凝固，冒口和澆道最后凝固，型腔內未出現孤立液相區。

通過對鑄件的Porosity判據和Hot Spot FSTime判據的綜合分析（圖7），鑄件內關鍵區域無縮孔縮松和熱節，僅在鑄件底部減重孔附近有輕微縮松。基于以上判據的分析，該工藝設計可以滿足產品內部質量的要求。

圖4 充型過程金屬液溫度及流態模擬

圖5 示蹤粒子模擬結果

圖6 凝固過程的凝固液相率

圖7 電機殼縮松風險分析

4、生產驗證

采用上述鑄造方案進行了生產試制，外側輪廓芯采用冷芯盒制芯，成形部位的砂芯采用70~140目數覆膜砂，澆道及冒口部位采用50~100目數的覆膜砂；水套芯采用熱芯盒進行制芯，使用50~100的寶珠砂，以便于水套內腔的清砂，砂包如圖8所示。

圖8 拼組過程中的砂型及待澆注的砂包

鋁合金液的爐前處理采用常規的Al-Sr變質和Al-Ti-B細化，采用旋轉除氣法進行除氣，澆注溫度725℃，升液時間5s，充型時間10s，保壓過程的增壓壓力50mbar，保壓150s后送冷卻線自然冷卻，2h后進行打箱。

實際生產的鑄件如圖9a所示，鑄件檢測合格，未出現外部或內部缺陷，對圖9a中的關鍵區域I和II進行X射線探傷檢測（圖9b、c）所示）合格，產品打壓試漏也合格。

圖9 實際生產鑄件及檢測位置的X射線探傷結果

5、結論

（1）低壓砂型工藝是生產鋁合金水冷電機殼體的可行的鑄造方式，只要電機殼冒口和澆注系統設計合理，可以生產出合格的電機殼體。

（2）MAGMA軟件為產品工藝設計提供很大便利，利用MAGMASOFT®的DOE分析，可以快速從眾多鑄造方案中找到理想的方案；通過充型過程和凝固過程的風險分析，可以對鑄造工藝的設計進行準確評判。

文章作者

金延竹 孫樹臣 崔偉 馮海舟 黃海波 詹健
一汽鑄造有限公司

金延竹
一汽鑄造有限公司
吉林大學材料科學與工程學院，汽車材料教育部重點實驗室

王文權
邁格碼（蘇州）軟件科技有限公司

文章來源：《鑄造》2022年第2期