バッテリーは電気自動車のコア部品であり、その性能が電気自動車のバッテリー寿命、エネルギー消費量、耐用年数などの技術指標を決定します。 バッテリーモジュール内のバッテリートレイは、運搬、保護、冷却の機能を果たす主要部品です。 図1に示すように、モジュール式バッテリーパックはバッテリートレイ内に配置され、バッテリートレイを介して車のシャーシに固定されます。 車体の底部に取り付けられ、作業環境が厳しいため、バッテリートレイは、バッテリーモジュールの損傷を防ぐために、石の衝突や穴あけを防ぐ機能を持つ必要があります。 バッテリートレイは、電気自動車の重要な安全構造部品です。 以下では、電気自動車用アルミニウム合金バッテリートレイの成形プロセスと金型設計を紹介します。
図1（アルミニウム合金製バッテリートレイ）
1 プロセス分析と金型設計
1.1 鋳造分析
電気自動車用アルミ合金バッテリートレイは図2に示すとおりです。全体寸法は1106mm×1029mm×136mm、基本肉厚は4mm、鋳造時の重量は約15.5kg、加工後の重量は約12.5kgです。材質はA356-T6、引張強度は290MPa以上、降伏強度は225MPa以上、伸びは6%以上、ブリネル硬度は75～90HBS以上で、気密性およびIP67およびIP69Kの要件を満たす必要があります。
図2（アルミニウム合金製バッテリートレイ）
1.2 プロセス分析
低圧ダイカストは、圧力鋳造と重力鋳造の中間に位置する特殊な鋳造方法です。両方の金型を使用できる利点に加え、安定した充填という特徴も備えています。低圧ダイカストは、下から上への低速充填、速度制御が容易、溶融アルミニウムの衝撃や飛散が少ない、酸化スラグが少ない、組織密度が高く機械的性質が高いなどの利点があります。低圧ダイカストでは、溶融アルミニウムがスムーズに充填され、鋳物は圧力下で凝固・結晶化するため、高密度組織、機械的性質、外観の美しさを兼ね備えた鋳物が得られ、大型薄肉鋳物の成形に適しています。
鋳造品に要求される機械的特性に応じて、鋳造材料はT6処理後に顧客のニーズを満たすことができるA356ですが、この材料の注入流動性は、通常、大型で薄い鋳物を生産するために金型温度を適切に制御する必要があります。
1.3 注入システム
大型で薄い鋳物の特性を考慮して、複数のゲートを設計する必要があります。同時に、溶融アルミニウムのスムーズな充填を確保するために、窓に充填チャネルが追加され、後処理で削除する必要があります。注入システムの2つのプロセススキームが初期段階で設計され、各スキームが比較されました。図3に示すように、スキーム1は9つのゲートを配置し、窓に供給チャネルを追加します。スキーム2は、成形される鋳物の側面から注ぐ6つのゲートを配置します。CAEシミュレーション分析を図4と図5に示します。シミュレーション結果を使用して金型構造を最適化し、金型設計が鋳物の品質に悪影響を及ぼさないようにし、鋳造欠陥の可能性を減らし、鋳物の開発サイクルを短縮します。
図3（低圧における2つのプロセススキームの比較）
図4（充填中の温度場の比較）
図5（凝固後の収縮孔欠陥の比較）
上記 2 つの方式のシミュレーション結果から、キャビティ内の液体アルミニウムがほぼ平行に上方に移動し、液体アルミニウム全体の平行充填の理論と一致していることが示され、鋳造物のシミュレートされた収縮気孔部分は、強化冷却などの方法によって解決されます。
2つの方式の利点：充填シミュレーション中の溶融アルミニウムの温度から判断すると、方式1で形成された鋳物の遠位端の温度は方式2よりも均一性が高く、キャビティへの充填に有利である。方式2で形成された鋳物には、方式1のようなゲート残渣は発生しない。また、引け巣の発生率は方式1よりも良好である。
2 つの方式のデメリット: 方式 1 では、成形する鋳物にゲートを配置するため、鋳物にゲート残渣が発生し、元の鋳物に比べて約 0.7ka 増加します。方式 2 のシミュレーション充填における液体アルミニウムの温度から、液体アルミニウムの末端部の温度はすでに低く、シミュレーションは金型温度の理想的な状態であるため、実際の状態では液体アルミニウムの流動能力が不十分になる可能性があり、鋳造成形が困難になる問題が発生します。
様々な要因の分析に基づき、注湯システムとして方式2が選択されました。方式2の欠点を考慮し、鋳型設計において注湯システムと加熱システムを最適化しました。図6に示すように、オーバーフローライザーが追加されました。これは溶融アルミニウムの充填に有利であり、鋳物の欠陥発生を低減または回避します。
図6（最適化された注入システム）
1.4 冷却システム
鋳物の応力を受ける部分や機械性能要件が高い領域は、ひけ巣や熱割れを回避するために、適切に冷却または給湯する必要があります。鋳物の基本肉厚は4mmで、凝固は鋳型自体の放熱の影響を受けます。その重要な部分には、図7に示すように冷却システムが設置されています。充填が完了したら、水を通して冷却し、注湯場所で特定の冷却時間を調整して、ゲート端からゲート端までの凝固の順序が形成され、ゲートとライザーが最後に凝固して給湯効果が得られるようにする必要があります。肉厚が厚い部品では、インサートに水冷を追加する方法を採用しています。この方法は、実際の鋳造プロセスでより良い効果を発揮し、ひけ巣を回避できます。
図7（冷却システム）
1.5 排気システム
低圧ダイカスト鋳型のキャビティは密閉されているため、砂型のような通気性は良好ではなく、一般的な重力鋳造のように押湯を通して排気されることもありません。そのため、低圧鋳造キャビティからの排気は、溶融アルミニウムの充填プロセスと鋳物の品質に影響を与えます。低圧ダイカスト鋳型は、パーティング面やプッシュロッドなどの隙間、排気溝、排気プラグを通して排気されます。
排気システムの排気口サイズ設計は、溢れることなく排気ができるように設計する必要があります。合理的な排気システムは、鋳物の充填不足、表面の緩み、強度の低下などの欠陥を防ぐことができます。 上型のサイドレストやライザーなど、注湯工程中の溶融アルミニウムの最終充填エリアには、排気ガスを供給する必要があります。 低圧ダイカストの実際の工程では、溶融アルミニウムが排気プラグの隙間に流れ込みやすく、金型を開いたときにエアプラグが引き抜かれる状況が発生することを考慮して、いくつかの試行と改良を経て、3つの方法が採用されています。方法1は、図8（a）に示すように、粉末冶金焼結エアプラグを使用しますが、製造コストが高いという欠点があります。 方法2は、図8（b）に示すように、隙間が0.1 mmのシーム型排気プラグを使用しますが、塗装後に排気シームが詰まりやすいという欠点があります。方法3はワイヤーカット排気プラグを使用し、図8(c)に示すように、隙間は0.15～0.2mmです。欠点は加工効率が低く、製造コストが高いことです。鋳物の実際の面積に応じて、異なる排気プラグを選択する必要があります。一般的に、鋳物のキャビティには焼結式とワイヤーカット式の排気プラグが使用され、砂型中子ヘッドにはシーム式が使用されます。
図8（低圧ダイカストに適した3種類の排気プラグ）
1.6 暖房システム
鋳物のサイズが大きく、肉厚が薄いため、鋳型流動解析において、充填終了時の溶融アルミニウムの流量が不足しています。これは、溶融アルミニウムの流動距離が長すぎて温度が低下し、溶融アルミニウムが先に固化して流動性を失い、冷間収縮または注湯不足が発生し、上型の押湯が供給効果を発揮できないためです。これらの問題に基づいて、鋳物の肉厚と形状を変更せずに、溶融アルミニウムの温度と金型温度を上げ、溶融アルミニウムの流動性を向上させ、冷間収縮または注湯不足の問題を解決します。しかし、溶融アルミニウムの温度と金型温度が高すぎると、新たな熱接合部や収縮巣が発生し、鋳造加工後に平面ピンホールが過剰になります。そのため、適切な溶融アルミニウム温度と金型温度を選択する必要があります。経験上、液体アルミニウムの温度は約720℃に制御され、金型温度は320〜350℃に制御されます。
鋳物の容積が大きく、肉厚が薄く、鋳物の高さが低いことを考慮して、鋳型の上部に加熱システムを設置しました。図9に示すように、炎の方向は鋳型の底面と側面に向けられ、鋳物の底面と側面を加熱します。現場の注湯状況に応じて、加熱時間と炎を調整し、鋳型上部の温度を320～350℃に制御し、溶融アルミニウムの流動性を適切な範囲内に確保し、溶融アルミニウムをキャビティとライザーに充填します。実際の使用において、加熱システムは溶融アルミニウムの流動性を効果的に確保できます。
図9（暖房システム）
2. 金型構造と動作原理
低圧ダイカストプロセスでは、鋳物の特性と設備構造を組み合わせ、成形された鋳物が上型内に留まるように、上型に前後左右の中子引き構造が設計されています。鋳物が成形され固化した後、まず上下の鋳型を開き、中子を4方向に引き抜き、最後に上型の上部プレートが成形された鋳物を押し出します。鋳型構造を図10に示します。
図10（金型構造）
MAT AluminumのMay Jiangによる編集
投稿日時: 2023年5月11日
