文：柳州赛克科技发展有限公司马保仁、庞世松、刘高领

摘要:电驱系统是新能源汽车的核心部件之一,壳体对电驱系统中起到保护､支撑､冷却及降噪等重要作用,是电驱系统的主体｡本文针对电驱壳体焊接总成压铸缺陷产生机理进行分析,从模具结构､压铸工艺及加工过程进行优化,降低总成失效率与质量损失｡

关键词:电驱系统;电驱壳体;压铸缺陷;优化

引 言

近年来,全球新能源汽车产业呈现爆发式增长态势｡统计数据显示,2024年全球新能源汽车销量达1286.6万辆,同比增长35.5%｡这一发展态势直接推动了电驱动系统技术的迭代升级,其在传动效率优化､系统集成减重等关键技术指标方面取得显著突破｡现有研究表明,多合一集成系统可使电驱系统效率提升至97%以上,同时实现10%的轻量化效果｡然而,高度集成化设计在提升系统性能指标的同时,也导致电驱壳体结构复杂度呈指数级增长,如模块化装配约束增多､可维修性降低及维护成本增加等｡壳体作为电驱系统主承载部件,需要保证在各种复杂工况下,能够吸收传动部件在工作时所产生的作用力和力矩,且不会发生变形位移,保持轴与轴之间的精确相对位置,同时避免内部铸造缺陷造成的工艺及使用过程开裂及渗漏｡为提升某电驱壳体质量可靠性,从模具结构､浇道设计､铝液管控及工艺过程进行梳理和研究｡

1、高压铸造工艺

高压压铸是一种金属快速成形方法,主要用于生产薄壁､复杂形状的铸件｡压铸工艺涉及三大要素:压铸机､压铸合金及压铸模具,这些要素通过压铸充型理论和压铸工艺参数两大纽带连结起来｡压铸过程中金属液的填充形态和铸件致密度､气孔率､力学性能､表面粗糙度等质量因素密切相关,在高压压射填充0.01~0.03s极短时间填充,受到模具结构､填充速度､压射压力､模具温度､内浇口与压铸件断面厚度比值､浇注系统形状等制约,铸件内部缺陷无法固定分布｡

新能源电机壳体比传统变速器壳体结构复杂,减速器腔与电机腔集成一体,壳体轴向长度变长,模具结构更加复杂｡电机壳体压铸模具设计､模具温度控制､压铸工艺及金属液控制等要素要求更加精确,铸件内部质量才能稳定｡

2、集成式电机壳体总成结构及模具介绍

本壳体为150kW二合一电驱,集成电机和减速器一体,电机壳体结构为螺旋水套结构组合式壳体,分体压铸后机加工,热套装配后再整体精加工,电机定子与水套过盈装配｡结构简图见图1｡

产品特点如下:

(1)水冷式电机,水套外圆精加工后加热压装在电机壳体内孔,过盈量0.004-0.079mm,后进行水套内孔精加工,电子定子与水套内孔热套压装,过盈配合量0.297~0.353mm｡

(2)电机和减速器壳体集成设计,有别于传统分体式电机和减速器装配的工艺过程,提升整体精度｡

(3)电驱生产及装配过程涉及壳体水套热压､水套焊接､定子热压等多次会引起内部组织应力变化的工艺,内部缺陷经多次加热承压等交变环境易引起泄漏｡

(4)压铸采用2500T力劲卧式的压铸机,配置抽真空设备｡

(5)集成式电机壳体水道气密性要求:测试气压300kPa,泄漏量≤1mL/min｡

3、电机壳体缺陷表现

某集成式驱动电机壳体在客户端装配后泄漏率5%,且需要连带电机定子报废处理,严重影响生产效率,并造成质量成本大幅增加｡壳体总成在焊接水套之后有100%气密检测,可以有效探测壳体总成在装配之前的气密性,但经过加热压装电机定子及组件装配后,内部应力再次释放,依然会有部分缺陷扩散引起泄漏｡对缺陷统计分析信息如下｡

(1)缺陷位置分布统计:通过X光探伤及吹气,识别各漏点位置及缺陷占比,其中图2所示加强筋区域占比79%,其他位置21%｡

(2)对故障位置进行X光及断面形态确认,缺陷类型分别为内部缩孔､夹渣及分散气孔,如图3所示｡

4、原因分析

根据缺陷形态,从模流分析､人员操作､设备结构及参数､压铸工艺等过程进行风险梳理,如图4所示｡

(1)人员方面调查分析:整个压铸过程均采用机器人上料,过程员工不参与操作,查询设备TPM点检记录及执行跟踪,未发现人员操作不当现象,排除人员因素｡

(2)设备方面调查分析:模流分析显示,加强筋缺陷部位对应模具两股进料填充不同步,造成末端卷气,在压铸过程中气体无法充分排出,造成内部裹气､气缩孔(见图5)｡

另外,浇口设计直接影响铸件的组织结构和机械性能,调查该产品内浇口厚度设计为3.5mm,厚度偏小,铸件凝固过程中补缩不足,也是造成气缩孔产生主要原因,首次模流分析中未详细观察缺陷位置模流填充形态,未能发现仿真缺陷｡

压铸连续确认10模零件飞边状态,飞边最大厚度0.6mm,超出飞边厚度≤0.25mm的标准,有的飞边在出模时不能完全带出,残留在模具型腔｡对模具进行红丹配模检查,模具长时间存在变形现象,合模间隙变大铸造时零件产生飞边｡飞边也是铸型铝渣来源的一个部分｡模具使用磨损是正常现象,通过维护保养进行纠正｡

模具型腔中气体是造成压铸分散性气孔的主要原因,首副模具设计使用普通排气块进行排气,对型腔内气体排溢效果有限,模具真空度在80mbar｡当压铸填充存在紊流时,容易造成分散性气孔｡

铸件内部缺陷分布不均,缺陷位置集中,这与模具设计及压铸工艺密切相关,产品深腔部位对应的模具冷却不足,局部温度高,易产生热结,进而产生内部气缩孔｡对模具水冷系统布置及压铸模温热成像分析,模芯头部位置模温高,证明初次模具冷却系统设计存在冷却效果不足(见图6)｡

(3)原材料方面分析:取机边保温炉上､中､下三层铝液检测铝液含渣量,铝液成分检测合格,铝液含渣量符合标准｡但对铝液至压铸过程进行调查分析,过程无任何铝液过滤装置,存在铝液及器具中杂质进入铸造系统中的风险｡

(4)工艺确认:影响高压铸造质量的压力､温度､速度三大类工艺参数对比,同类产品参数设置值无量级差异,比较行业同类经验数据未发现异常｡现场核实压铸涂料喷涂点位､路线及时间均合理;电子壳体水套热套高频加热温度设置200±10℃,定子热套温度180~200℃,现行工艺对铸造缺陷的产生无影响｡

(5)环境确认:生产现场传统车间,毛坯压铸生产时车间湿度合理,对压铸无影响｡

综上调查分析,集成式电机壳体泄漏的主要原因有模具浇口及冷却设计不合理,造成压铸过程局部回旋裹气及补缩效果不理想｡铝液转运过程无过滤,导致夹渣流入压铸过程,造成内部夹渣缺陷｡压铸毛坯飞边残留模具内腔进入下次压铸｡模具深腔模温高,冷却收缩滤液补充不足导致缩孔｡

5、改进措施及实施

针对产品缺陷及原因分析排查,制定了改进压铸填充､铸型深腔内部模温改善､滤液铝渣异物过滤等措施,详细措施描述如下｡

(1)改进措施1:模具1处浇口尺寸收窄18mm,减慢加强筋处进料速度,使两股进料同步填充,减少滤液干涉回旋裹气｡9处内浇口厚度由3.5mm增加至4mm,加快铝液进腔速度,增加补缩效果｡

(2)改进措施2:模具加强筋增加5处点冷却,模芯头部用3D打印技术设计水道,加强高温区域冷却效果,增加模具冷却效果,降低模温｡

(3)改进措施3:使用主动式液压真空阀,提升模具真空度,减少模具内腔含气量,减少气孔｡使用主动式液压阀后,模具真空度在50mbar以内｡

(4)改进措施4:模具使用红丹重新配模,对模具合模间隙大位置进行配模,按模具间隙≤0.25mm间隙控制,减少压铸飞边,避免压铸是飞边残留卡模,跌落下模压铸滤液中形成滤渣｡

(5)改善措施5:机边保温炉增设铝液过滤装置,减少杂质进入滤液｡

模具结构及模温控制措施增加后,充填模流仿真卷气部位缺陷大幅下降,模温优化措施后,热成像显示模具头部模温约350℃下降到250℃,优化措施效果明显(见图7)｡

除增加以上关键措施外,同时辅助微调压铸工艺参数,优化填充速度和冷却时间,确保铸件内部应力均匀分布｡实施定期的模具维护和检查,确保设备精度,减少缺陷产生｡加强过程监控,实时记录关键工艺数据,及时发现并解决潜在问题｡

通过优化改善,措施实施后跟踪装配30000台,泄漏率0.08%,取得良好的改进效果,但仍无法杜绝电机壳体泄漏问题.对比于传统动力总成变速器壳体,差异在电机壳体与定子有较长过盈配合,且径向过盈量最大达到0.35mm,较大过盈量使铸造缺陷放大,且压铸产品内部铸造缺陷存在随机性,下一步提升可能需要结构改善方面思考｡

6、结 语

本型产品高压铸造集成式电机壳体总成内部夹渣､气缩孔及分散性气孔等缺陷,通过对缺陷位置的模具结构､压铸模温分布及夹渣生产控制等分析,得出产生的原因与模具设计及压铸模温控制､铝渣跌落等紧密相关,在初始设计阶段应结合产品结构考虑模具深腔部位形状､模具冷却工艺及增设铝液过滤装置等,以提升铸件内部质量｡因产品结构限制,本产品铸件内部缺陷尚未完全根除,下一步将联合工程团队研究产品结构优化,持续改善产品泄漏缺陷故障率｡