中國壓鑄雜志
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八戒中特网一肖中特免费:電動汽車 - 鋁鑄件面臨的挑戰

作者:admin 來源:原創 發表時間:2019-04-23
 
新原油資源的發掘成本和原油開采成本的增加,以及資源持續性稀缺,導致用傳統內燃機的價格上漲。此外,全球二氧化碳排放量的增加和環保意識的提高, 正推動與更嚴格的立法和政府補貼計劃相關聯的政治性能源轉型。電動汽車和隨之而來的汽車電力化正引起人們的注意。國家電動車平臺正推動這條道路前行,并使之具體化。但是,對于何時大部分汽車能使用電力驅動,以及混合動力解決方案,即燃氣與電力驅動的組合,將在市場上占到多大份額,迄今為止仍未達成共識。
 
動力總成系統的電力化將顯著增加用于實現電動汽車的鑄造部件的需求。汽車結構和安裝部件的根本性變化將對鑄造行業產生持久影響:大量傳統動力總成系統的鑄造部件(發動機缸體,氣缸蓋,變速箱外殼等)將根據特定要求而發生變化,而電力驅動系統的全新鑄件的比例將顯著增加。同時,對輕質結構的需求以及由此導致的重量減輕將進一步提高。諸如鋁等有色金屬制成的鑄造部件的重要性。
 
混合動力和全電力驅動市場份額的發展將對鑄件生產產生決定性影響。和帶有純內燃機的驅動裝置一樣,混合驅動裝置需要氣缸蓋,發動機缸體,變速箱外殼以及其它未進一步詳細說明的部件。而電力驅動裝置還需要一些除此之外的額外鑄件,如電機,變頻器,變速箱和電池的外殼。因此,總的來說,鑄造部件的數量正在增加。盡管努力實現動力總成系統的輕質結構,但是可以預見,即使在混合動力驅動裝置中使用更小更輕的內燃機,在不考慮額外的電池重量的情況下, 驅動裝置以及鑄造部件本身的總質量也將增加。只有當純電動汽車獲得大部分的市場份額并且取消了內燃機的鑄造部件時,汽車所需鑄造部件才會出現顯著變化。但即使在這種情況下,下面更詳細說明的一些鑄造部件也將占據大產量份額。但是不確定因素存在于所有市場發展預測中。迄今為止, 電力驅動的個人小汽車所占市場份額已低于先前所做的市場預測。需密切關注進一步的發展情況。
 
在此方面非常重要的是電機外殼和電池外殼。 由于集成了附加功能(如冷卻流道),這些組件非常復雜。 此外,隨著電力化程度增加,預計鑄造部件的尺寸將增大,而且量產規模也將增大。 這尤其對產品開發和生產技術提出了重大挑戰。
 
價值鏈上的新工藝和流程需要滿足新鑄件的要求。首先涉及到的是鑄造過程本身。根據鑄模的復雜程度和相應的產量,按照經濟和技術標準來選擇合適的鑄造工藝。對鑄造部件的要求,特別是在密封性和與碰撞相關的穩定性方面的要求很高。此外,還應考慮鑄造下游加工,連接和組裝步驟。起決定作用的技能是多方面的,需要對整個工藝鏈進行全面考慮。因此,鑄造過程下游的生產步驟將在價值鏈中變得越來越重要。
 
在考慮了潛在鑄造工藝的情況下,下文更詳細地說明了對于電動汽車鋁制部件的要求。
 
摘要:
電動汽車的開發需要大量不同的新組件,由于其復雜性優先考慮將它們作為鑄件進行設計。首先涉及到的是電機外殼,電池外殼和配氣齒輪罩。由于高功率密度以及不斷增加的功能集成情況 - 有時帶有復雜的內部冷卻配置 - 這些組件對生產要求極高,從而具有比傳統電力驅動裝置更接近內燃機的復雜性。
    兩件式的電機外殼可以通過壓鑄工藝進行生產,因此在開發過程中必須特別注意密封表面的質量。作為備選方案,目前也在推動僅通過使用復雜形狀鑲件來實現生產的單件式解決方案。量產可以考慮備選的鑄造工藝。低壓硬模鑄造工藝和CPS型芯包砂芯鑄造工藝之間的選擇取決于產品復雜性和所需產量。由于電機外殼的旋轉對稱性,特別適合采用前者。但是隨著電力驅動裝置集成度的提高,CPS工藝因其多樣化的設計選擇提供了很多有吸引力的可能性。
    鋁鑄件的新應用領域為電池外殼,由于其寬而扁平的幾何形狀,因此能夠進行壓鑄。如果因復雜的冷卻流道用壓鑄工藝加工的復雜性, 普通壓鑄變得不再可行,可以將低壓壓鑄作為首選工藝方案。然后在多個升液管的輔助下無誤地進行型腔填充。
 
 
壓鑄過程中的兩件式電機外殼
目前,電動機在汽車動力總成系統中所占百分比仍然是個位數。到目前為止的制造數量也相應較少。BMW i3 / i8電機外殼的最新設計是為壓鑄生產而設計的。對鑄件的要求非常嚴苛。為了滿足部件強度和耐腐蝕性規范要求,使用具有低鐵和銅含量的鋁硅鑄造合金。外殼的冷卻使用液體介質。因為迄今為止還沒有能夠加工帶倒扣鑲件的大規模量產適用性生產技術,為了實現精心設計圍繞電機的冷卻結構,將外殼設計成兩部分(圖1),以便適合于用壓鑄工藝來進行生產。各種目前已公開的鹽芯加工技術無法滿足待加工電機外殼內部鑲件的極高要求。
 
鑄件的生產需要在配備齊全的鑄造車間進行。為了滿足強度要求,將部件在真空下進行澆鑄,然后進行熱處理。對于鑄造技術的一個特別挑戰是相對于外殼的內殼密封面(圖2)。幾乎無孔隙的表面需要符合極窄的工藝窗口。除了符合這些孔隙率要求外,由于尺寸公差較小,必須特別注意機械加工后的產品處理情況。
 

 
 
單件式電機外殼
除了上面所描述的,并在量產中所建立的電機外殼的兩件式設計,對于未來的電動機也出現了不同的設計方案。最新一代的電力驅動裝置集成度增加這一明顯趨勢,例如電力電子,電動機和變速檔位組合在一體式外殼中,導致產生了在壓鑄過程中無法滿足的一些要求。因此,復雜的產品設計和冷卻結構使得低壓壓鑄和CPS型芯包砂芯鑄造成為進入決選名單的工藝方案。
 

 
根據目前的設計概念開發出了一款電機外殼示范產品,既可以用低壓硬模鑄造工藝,也可以用型芯包覆工藝進行鑄造(圖3)。針對非功能性,鑄造技術方面的挑戰要求,例如骨位結點處不利的材料累積,對基本設計進行了擴展,以便對這兩種工藝的潛力進行全面評估。
示范產品提供了:
> 定子空間
> 電力電子裝置的空間
> 傳動器,特別是傳動法蘭連接
通過最小壁厚(3 mm),精細骨位結構(薄壁加強骨位)和最小化填充骨位確保在較窄的有限安裝空間中實現對輕質結構的要求。鑄造技術方面的亮點是幾乎完全包覆定子座的,形狀復雜的運水套(圖4)。
 

 
低壓鑄造工藝的特點在于其能夠進行針對性控制的模具填充。這使得可以根據待填充的橫截面設定最佳填充速度,從而將氧化物和氣態雜質的形成降低到最小程度。通過使用多個升液管,可以使得分布在鑄件中的壁厚累積實現最優的材料補充,并因此大大抑制與收縮相關的微孔。大量可單獨控制的模具運水循環決定性地支持著給料能力。另外,對鑄件至給料器的溫度梯度取向進行相應的調節。模具運水在模具填充過程中也起著重要作用。特別是只有當模具溫度足夠高時,遠離升液管的薄壁區域才能進行理想填充。在這些技術條件下,鑄件將滿足機械性能方面(抗拉強度,0.2%的屈服強度,......)的高要求。
 
CPS工藝是生產功能性,高負荷鋁發動機缸體的既定工藝,結合了設計自由度,較高生產率和高機械性能。CPS工藝的一大長處是實現復雜的,部分非常精細的通道幾何形狀,一些有意思的結合點擴展了CPS工藝的應用領域。型芯包覆工藝,特別是與“無需模具”的型芯增材制造技術相結合,適合于快速樣板的生產。這樣一來,使得各種不同的設計方案能夠快速有效地轉變為功能樣板。幾乎從第一件產品開始,已經顯示了可能的大規模量產過程的功能特性。按照這一邏輯,位于迪林根的諾瑪科研發鑄造廠用完全打印的組合型芯生產出了電機外殼示范產品的第一個樣板。
 
諾瑪科產品開發中心的緊密整合能夠迅速實現從產品設計到用型芯組合鑄造出第一批快速樣板。真正的挑戰是在CPS過程中用來展現這些新組件的鑄造技術工藝開發。如上所述,迪林根研發工作的起點是示范產品的圖檔模型。在此基礎上,通過填充和凝固模擬進行虛擬工藝開發,獲得了鑄造工藝方案。同時,開發出了相應的型芯組合結構,以鑄造第一批產品。由于這些工作是目前正在進行的大型內部研發項目的一部分,因此特意選擇3D打印作為型芯制造工藝。一方面,能夠利用這種仍然相對較新的生產技術獲得深入的實踐經驗,以估計對于未來應用領域的潛力,另一方面,對于各種不同的設計方案,比如水套幾何形狀,能夠在無需支付額外的模具成本的情況下進行少量加工生產。
 
混合動力變速箱外殼
對于混合動力驅動裝置,內燃機和電機的聯接存在眾多的不同設計方案之間的競爭。電機本身的選擇,不管是異步還是外部激勵的同步電機,都會通過其機構形式和機構長度對外殼集成的選擇產生影響。下圖為一件通過壓鑄工藝生產制造的, 結構復雜的變速器和電動機混合外殼(圖5)。
 
 
電池外殼
電動汽車中鑄件的另一個新的應用領域是電池外殼。這里也存在不同加工工藝之間的競爭??梢韻氳降氖墻腩詠鵒慵?或壓力型材相結合的混合解決方案。由于外殼尺寸不斷增大,產品開發發展為??楦拍?。這使得更難以就所需數量和零件尺寸做出可靠的說明。然而,作為確定的設計特征,應該注意的是,由于在電池高負載情況下劇烈的熱釋放,外殼必須配備有效的冷卻結構。根據混合動力或純電動汽車不同的使用情況,對外殼的要求也會有所不同。在設計這樣的外殼時,必須考慮耐腐蝕性,密封性,EMC(電磁兼容性)和碰撞要求。
 
對于沒有復雜運水的外殼,產量很大時,壓鑄為首選鑄造工藝??捎玫幕ǔ嘰紓ㄗ畬?500噸)目前限制了更大外殼的應用。類似內燃機的??榛拍釷溝霉菇ú煌墓β實燃逗妥饔梅段С晌贍?,為將來的應用提供了具有較高潛力的方法。圖6展示了一個理論上可行的??楦拍?。
 
 

 
另一種選擇是混合解決方案。通過帶有型材的鋁鑄件輔助,還可以實現更大的尺寸。而掌握必要的連接技術是這一方案必不可少的前提條件。
 
如果需要復雜的運水循環,那么壓鑄就不再是首選工藝。而低壓鑄造能夠使用砂芯或通過升液管進行進料,以便能實現最優冷卻。在進料過程中,鑄件與鑲件之間可復制的過渡通道對于有效冷卻作用至關重要。圖7展示了基礎研究中相應的示范產品。但是,完整的模具充填以及升液管的材料選擇并不是需要掌握的唯一挑戰。為此,必須進一步開發模擬工具,以便于將來設計這樣的解決方案。
 

 
當使用砂芯時,必須完全去除砂子,類似于生產氣缸體和氣缸蓋,這是一項相配套的任務。如前所述,對于這些組件,將在不久的將來出現生產工藝方面的激烈競爭,以優化成本和重量。
 
 
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