水冷机壳低压铸造的质量追踪和技术管理研究_杨安.pdf

水冷机壳低压铸造的质量追踪和技术管理研究杨安1，陈晓斌2，颜建2，黄泽平2（1.贵州蓝辉新材料有限公司，贵州遵义563000；2.广州城市理工学院机械工程学院，广东广州510800）摘要：针对新能源汽车水冷机壳螺旋水套砂芯体积占比大和壁厚不均匀等造成的低压铸造质量问题，分析水冷机壳铝合金低压铸造缺陷产生的原因，改进螺旋砂芯制备成型的芯盒模具结构，通过有限元分析设计砂芯均衡加热固化工艺，增强砂芯的强度并提高生产效率。通过现代二维码信息技术，在螺旋砂芯制作阶段设定唯一条码，以条码信息数据对螺旋砂芯制造生产过程进行记录和追踪。将螺旋砂芯成型的性能参数与低压铸造时的充型压力、铝液温度和增压速度等工艺参数之间形成对应记录的数据库，以便对螺旋砂芯引起的质量问题进行跟踪优化，提升水冷机壳铝合金低压铸造质量技术管理水平。关键词：水冷机壳螺旋砂芯条码信息缺陷预测质量跟踪中图分类号：TG244文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0065-04引言新能源汽车电动机结构具有高速化、小型化和紧凑化的特点，其中电动机的铝合金机壳是动力组件的重要承载零件，一般采用低压铸造方式进行成型生产。机壳内部由螺旋状均匀环绕的冷却水道在壳体内部进行循环冷却，行驶时电动机壳能不断获得循环冷却液的散热，从而保证电动汽车动力持续输出和一定的续航能力。如图 1 所示，这种冷却水道的形成过程是在低压铸造合模前将螺旋砂芯先装置在模腔中，铝合金液体在压力作用下经升液管进入型腔后凝固，形成机壳内部的薄壁中空结构1。但螺旋砂芯在高温铝合金液体压力冲击充型过程中容易发生局部损坏和断裂等情况，造成冷却水道成型缺陷等质量问题。由于合模后的凝固成型是全封闭过程，模腔内螺旋砂芯的变化无法直接观察，螺旋砂芯损坏而造成的铸件缺陷问题不容易追踪和控制。同时，螺旋砂芯的存在也使低压铸造充型、增压、保压和泄压等过程更加复杂，对模具温度控制、压力控制和缺陷预防等提出更高的要求2。贵州蓝辉新材料有限公司与广州城市理工学院机械工程学院于 2019 年开始合作，对新能源汽车水冷机壳低压铸造技术进行了一系列研究和质量管理改进，取得了阶段性的研究成果。1水冷机壳低压铸造工艺流程和砂芯质量问题分析螺旋砂芯成型后经过多个工序后再放入模腔，放入模腔后的变化无法监测，直到低压铸造完成后并经过机加工之后的试水压环节才能确定，因此需要运用智能信息技术才能解决螺旋砂芯质量跟踪问题。同时水冷机壳结构复杂紧凑、壁厚不均匀，使低压铸造凝固结晶过程更加复杂，需要运用 CAE 模拟软件进行充型模拟分析并改进优化工艺。1.1水冷机壳低压铸造工艺流程砂芯制备是水冷机壳低压铸造的首要工序，如图2 所示，在铝合金机壳低压铸造的工艺过程中，前期辅助工序是砂芯准备、合金熔化和模具准备等。其中收稿日期：2022-05-10第一作者简介：杨安（1979），男，贵州正安人，总工程师，主要研究方向为铝合金铸造产品开发、模具设计及项目管理。通讯作者：陈晓斌（1983），男，实验师，主要研究方向为自动化技术、装备及机器人。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.0251-1水冷机壳零件1-2水冷机壳低压铸造模具图 1水冷机壳零件和低压铸造模具图 2水冷机壳低压铸造流程芯头安装定位孔机壳壳体冷却水道左侧模具金属型芯右侧模具螺旋砂芯芯盒模其准备、射砂、加热固化螺旋砂芯涂覆、烘干成型砂芯装入模腔砂芯和工艺信息关联录入数据库启动清理模腔准备（涂料、预热）型芯，左、右模具预热至 350合模升液充型保压减压开模取出铸件金属液准备（熔炼、除气）升液管准备（加热、涂料等）充型压力准备中控台控制各阶段工艺参数循环结束反馈模腔清理专题综述机械管理开发第 38 卷螺旋砂芯的制备是保证低压铸造内部冷却水道成型的首要环节，需要分析研究螺旋砂芯芯盒结构、砂芯加热固化和每块芯盒加热温度如何均衡等，采用规范的作业指导书进行质量控制，才能达到提升和稳定水冷机壳低压铸造质量的目的3。水冷机壳的低压铸造成型经过升液、充型、增压、保压和泄压等复杂过程，需要运用智能数字化设备进行精确的压力控制和模具温度控制；并通过 CAE 有限元模拟仿真技术优化水冷机壳低压铸造工艺参数，提高铝合金壳体内部结晶凝固致密度，推动水冷机壳低压铸造工艺技术提升。1.2水冷机壳低压铸造螺旋砂芯质量问题分析由于水冷机壳低压铸造过程中螺旋砂芯要经受710 以上高温的铝液热冲击，因此必须保证砂芯具有足够的热强度性能，才能保证机壳内部的循环冷却水道形状完整。如图 3 所示，以前的旧工艺是将整圈螺旋砂芯分解成两个 180的半圈螺旋分别射砂成型，再用手工操作绑紧固定装配成整圆砂芯。这种方法不仅效率低、工序复杂，而且手工绑紧装配降低了砂芯的强度、精度及生产效率。同时，砂芯成型后需要经过拼装、涂覆和烘干等多个工序后再放入模腔，其间螺旋砂芯发生的局部损坏和变化难以追踪，需要运用智能信息技术手段才能追踪每个工序的工艺数据。并制定射芯机相关作业指导文件，严格控制射芯成型和加热固化作业操作规范，确保砂芯在合理的温度范围内均衡固化，提高砂芯成型的强度和质量。2芯盒结构技术改进基于改变以前分开两个半圈分别射砂成型，再用手工装配组合成整圈砂芯的方法，设计开发出一次性射芯成型的螺旋砂芯芯盒模具，提高砂芯的生产效率和尺寸精度。并运用 ANSYS 有限元分析加热管的加热效果，控制每一块芯盒模具内表面的加热温度基本平衡，保证型腔内的树脂砂能同时得到加热均衡固化4。2.1砂芯成型模具结构设计改进研发了四个方向开模的水平分型射芯机以及配套的一次性成型砂芯模具，创新设计螺旋砂芯热芯盒模具结构和相应模具结构及电加热方案。如图 4 所示，将热芯盒模具拆分成下模、左右侧模和圆桶抽芯四个部分，四个部分组合成 360整圈螺旋，射芯后通过油缸驱动左右侧模和圆桶抽芯抽出；这种结构既能保证砂芯的整圈螺旋一次完整成型，省去了人工操作将两个半圆射芯装配的工序，减少了手工操作的砂芯尺寸精度误差。同时，运用智能 CAE 软件对芯盒的每个模具体加热管分布方案进行有限元分析，比较每块芯盒模具体的内表面温度基本均衡达到预热温度所需的时间，优化芯盒模具结构设计和加热管数量分布方案。如图5 所示，其中左侧芯盒模具加热方案为 4 个加热管均布在等距圆弧线上，运用 ANSYS 有限元分析对左侧芯盒模具进行加热到 210时的有限元分析。经过分析选择最优加热方案，实现对树脂砂全面均衡的加热固化5。并精确控制热芯盒砂芯的成型温度，使 4 个模具体均同步加热升温至砂芯固化温度设定值时再启动射砂，改变了依靠经验判断预热时间以及射芯时机、固化时间等方法，提高砂芯热固化的质量和强度。3.2砂芯成型过程的质量跟踪及追溯为实现水冷机壳低压铸造生产过程控制及质量追溯，形成闭环质量追踪系统，配置扫码硬件设备及相应软件，实现螺旋砂芯制备工艺信息的实时现场采集和准确追溯。如下页图 6 所示，砂芯的质量追踪由条码生成、螺旋砂芯过程记录控制和螺旋砂芯质量追溯三个部分组成。首先对每件螺旋砂芯表面的激光标刻符进行识别，将砂芯唯一条码打印并粘贴在螺旋砂芯芯头表面6。其次对螺旋砂芯制备和使用过程进行数据记录，接收从扫码枪、烘干机、射芯机等设备采集到的螺旋砂芯相关工艺数据，并与水冷机壳低压铸造图 3旧的半圈成型砂芯制备方法4-1结构4-2实物图 4创新设计的整圈成型螺旋砂芯模具图 5螺旋砂芯模具加热方案有限元分析验证机壳壳体冷却水道手工组合螺旋砂芯左侧模螺旋砂芯右侧模下模体圆桶抽芯SIN=203.491SMX=245.7244003603202802402001601206040012525037550062575087501 000时间/s温度/662023 年第 2 期时采用的工艺参数汇总配对，再上传至质量追踪系统数据库。当最后的质量环节检测到机壳内部水道出现质量缺陷时，如铸件有缺料、冷隔、水道不通等，则启动螺旋砂芯追溯，根据产品唯一条码索引，追溯螺旋砂芯生产全过程和相应的低压铸造工艺参数进行分析，追踪找到缺陷原因并反馈至质量追踪系统数据管理人员进行改进。3结晶凝固质量控制螺旋砂芯使低压铸造时铝合金液体的充型过程和顺序凝固结晶增加了许多干扰因素，同时水冷机壳内部结构壁厚不均匀，容易导致水冷机壳多处卷气、缩松和缩孔等缺陷。需要运用智能 CAE 智能模拟软件进行充型过程的数值模拟分析，预测铸件卷气、热节和孤立液相的发生情况，并合理制定相应的模具温度控制、增压速度和冷却工艺措施进行质量改进与预防。3.1低压铸造的缺陷分析及预防水冷机壳铸造充型时铝合金液体温度达到 710 以上，其间铝液与金属模具、螺旋砂芯三者之间将发生大量的热交换及其他化学反应。其中砂芯与铝液之间的反应将可能生产卷气和气孔缺陷，铸件壁厚不均匀则会使凝固结晶过程产生缩孔和缩松等缺陷。因此，如图 7 所示，运用 AnyCasting 软件模拟金属液体与螺旋状砂芯、金属模具之间大面积接触进行热交换的过程，预测发生气孔和缩松的位置和时间。同时为了缩小热交换时的温度梯度，合模前将圆柱金属型芯，左、右模和下模都同时预热到 350 温度7。再对水冷机壳铸件内部容易出现孤立液相的位置增加镶件和冷却散热等装置，降低铝液与金属模具、砂芯之间的温度梯度，保证低压铸造顺序凝固按照预设的工艺方案正常进行，预防铸件凝固过程的缩孔等缺陷发生。通过生产实践验证方案可行性，得到生产反馈信息后又再一次运用 AnyCasting模拟验证，从而得出合理的工艺方案。3.2用智能数字化技术进行压力精准控制引进了浙江万丰科技开发股份有限公司研制的新型 WFXJ4510 低压铸造设备，实现低压铸造数字化精确压力控制。如图 8 所示，工控机系统采用灵敏的压力传感器和软件式对话模式，在计算机屏幕上同时显示充型过程的压力曲线和增压速度，采用数字化伺服控制升液速度和加压，使增压平缓、升液平稳，有利于模腔内气体排出和低压铸造顺序凝固的实现8。同时系统还具有数据保存功能，能够存取、调整和管理铸造参数，保温炉内的压力可以根据产品质量数据库保存的曲线重复再现。针对不同的铝合金液面加压工艺规范，产生对应于不同螺旋砂芯和机壳模具结构的加压曲线数据库，将低压铸造凝固成型阶段工艺参数录入，并形成与螺旋砂芯一一对应的数据系统，实现螺旋砂芯与凝固成型工艺参数之间的闭环追踪监控和质量反馈体系。4结语在水冷机壳低压铸造的质量追踪和技术改进研究中，主要侧重于研究铝合金低压铸造的螺旋砂芯成型质量提升和跟踪，并将铝合金液面加压工艺规范与螺旋砂芯的加压曲线关联记录，形成从砂芯制备到凝固成型关键工艺参数设定的质量数据管理流程。以及运用 CAE 有限元技术分析铝合金在模腔内部的凝固过程，预测铸件可能产生缺陷的大小、位置，实现螺旋砂芯性能参数与低压铸造机壳最终的成型质量数据关联追踪，实现水冷机壳低压铸造的质量追踪控制和重点工序的工艺参数规范管理。同时，水冷机壳低压铸造质量还与铝合金熔炼、砂芯材质和涂料应用等许多因素相关。图 6螺旋砂芯质量追踪工作流程图 7水冷机壳低压铸造充型模拟图 8低压铸造数字化精确压力控制螺旋砂芯工业相机标签打印机产品二维码字符识别字符识别与条码生成同批次产品流向打印条码产品唯一条码砂芯采集单元 1砂芯采集单元 2砂芯采集单元 3粘贴条码的砂芯射芯机+质检点砂芯涂覆+质检点压铸机+质检点数据上传数据上传数据分析生产过程信息管理数据库实时监视与控制质量原因分析统计铸件气孔缺陷铸件未充满砂芯质量缺陷改进工艺铸件偏心铸件形状不佳铸件裂纹铸件水道阻塞机壳质量缺陷产品唯一条码螺旋砂芯生产过程控制记录铸件质量追溯产品生产全过程跟踪产品生产全过程追溯生产全过程质量信息8.06867.97347.00026.20315.31794.43273.56762.66241.77220.89200.006920018016014012010080604020010