การออกแบบแม่พิมพ์หล่อแรงดันต่ำสำหรับถาดแบตเตอรี่โลหะผสมอลูมิเนียมของรถยนต์ไฟฟ้า

แบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบหลักของรถยนต์ไฟฟ้า และประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่จะกำหนดตัวบ่งชี้ทางเทคนิค เช่น อายุการใช้งานแบตเตอรี่ การใช้พลังงาน และอายุการใช้งานของรถยนต์ไฟฟ้า ถาดแบตเตอรี่ในโมดูลแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบหลักที่ทำหน้าที่ในการบรรทุก ป้องกัน และระบายความร้อน ชุดแบตเตอรี่แบบแยกส่วนจะจัดเรียงอยู่ในถาดแบตเตอรี่ โดยยึดกับตัวถังรถผ่านถาดแบตเตอรี่ ดังแสดงในรูปที่ 1 เนื่องจากติดตั้งไว้ที่ด้านล่างของตัวรถและสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง ถาดแบตเตอรี่จึงต้องมีหน้าที่ป้องกันการกระแทกและการเจาะหินเพื่อป้องกันไม่ให้โมดูลแบตเตอรี่เสียหาย ถาดแบตเตอรี่เป็นส่วนโครงสร้างความปลอดภัยที่สำคัญของรถยนต์ไฟฟ้า ต่อไปนี้จะแนะนำกระบวนการขึ้นรูปและการออกแบบแม่พิมพ์ของถาดแบตเตอรี่โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า

รูปที่ 1 (ถาดแบตเตอรี่โลหะผสมอลูมิเนียม)
1 การวิเคราะห์กระบวนการและการออกแบบแม่พิมพ์
1.1 การวิเคราะห์การหล่อ
ถาดแบตเตอรี่โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับยานพาหนะไฟฟ้าแสดงอยู่ในรูปที่ 2 ขนาดโดยรวมคือ 1106 มม. × 1029 มม. × 136 มม. ความหนาของผนังพื้นฐานคือ 4 มม. คุณภาพการหล่ออยู่ที่ประมาณ 15.5 กก. และคุณภาพการหล่อหลังจากการประมวลผลอยู่ที่ประมาณ 12.5 กก. วัสดุคือ A356-T6 แรงดึง ≥ 290MPa ความแข็งแรงผลผลิต ≥ 225MPa การยืดตัว ≥ 6% ความแข็ง Brinell ≥ 75~90HBS ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความหนาแน่นของอากาศและ IP67&IP69K

รูปที่ 2 (ถาดแบตเตอรี่โลหะผสมอลูมิเนียม)
1.2 การวิเคราะห์กระบวนการ
การหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำเป็นวิธีการหล่อแบบพิเศษระหว่างการหล่อแบบฉีดแรงดันและการหล่อแบบแรงโน้มถ่วง ไม่เพียงแต่มีข้อดีในการใช้แม่พิมพ์โลหะสำหรับทั้งสองแบบเท่านั้น แต่ยังมีคุณลักษณะของการบรรจุที่เสถียรอีกด้วย การหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำมีข้อดีคือการบรรจุด้วยความเร็วต่ำจากล่างขึ้นบน ควบคุมความเร็วได้ง่าย แรงกระแทกและการกระเซ็นของอะลูมิเนียมเหลวเพียงเล็กน้อย ตะกรันออกไซด์น้อยลง ความหนาแน่นของเนื้อเยื่อสูง และคุณสมบัติเชิงกลสูง ภายใต้การหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำ อะลูมิเนียมเหลวจะถูกเติมอย่างราบรื่น และการหล่อจะแข็งตัวและตกผลึกภายใต้แรงดัน และสามารถได้การหล่อที่มีโครงสร้างหนาแน่นสูง คุณสมบัติเชิงกลสูง และรูปลักษณ์ที่สวยงาม ซึ่งเหมาะสำหรับการขึ้นรูปการหล่อผนังบางขนาดใหญ่
ตามคุณสมบัติเชิงกลที่จำเป็นสำหรับการหล่อ วัสดุหล่อคือ A356 ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของลูกค้าหลังการบำบัด T6 แต่ความลื่นไหลในการเทวัสดุนี้โดยทั่วไปต้องควบคุมอุณหภูมิแม่พิมพ์ให้เหมาะสมเพื่อผลิตชิ้นงานหล่อขนาดใหญ่และบาง
1.3 ระบบการเท
เมื่อพิจารณาจากลักษณะเฉพาะของชิ้นงานหล่อขนาดใหญ่และบาง จำเป็นต้องออกแบบเกตหลายเกต ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้แน่ใจว่าการเติมอลูมิเนียมเหลวจะราบรื่น จึงได้เพิ่มช่องเติมที่หน้าต่าง ซึ่งจำเป็นต้องเอาออกด้วยกระบวนการหลังการผลิต มีการออกแบบโครงร่างกระบวนการสองแบบของระบบการเทในระยะเริ่มต้น และเปรียบเทียบแต่ละโครงร่าง ดังที่แสดงในรูปที่ 3 โครงร่าง 1 จัดเรียงเกต 9 เกตและเพิ่มช่องป้อนที่หน้าต่าง โครงร่าง 2 จัดเรียงเกต 6 เกตที่เทจากด้านข้างของชิ้นงานหล่อที่จะขึ้นรูป การวิเคราะห์การจำลอง CAE แสดงในรูปที่ 4 และรูปที่ 5 ใช้ผลการจำลองเพื่อปรับโครงสร้างแม่พิมพ์ให้เหมาะสม พยายามหลีกเลี่ยงผลกระทบเชิงลบของการออกแบบแม่พิมพ์ต่อคุณภาพของชิ้นงานหล่อ ลดความน่าจะเป็นของข้อบกพร่องในการหล่อ และลดรอบการพัฒนาของชิ้นงานหล่อ

รูปที่ 3 (การเปรียบเทียบรูปแบบกระบวนการสองแบบสำหรับแรงดันต่ำ

รูปที่ 4 (การเปรียบเทียบอุณหภูมิระหว่างการบรรจุ)

รูปที่ 5 (การเปรียบเทียบข้อบกพร่องด้านรูพรุนจากการหดตัวหลังจากการแข็งตัว)
ผลการจำลองของโครงร่างทั้งสองข้างต้นแสดงให้เห็นว่าอลูมิเนียมเหลวในโพรงเคลื่อนตัวขึ้นโดยประมาณแบบขนาน ซึ่งสอดคล้องกับทฤษฎีการเติมแบบขนานของอลูมิเนียมเหลวทั้งหมด และส่วนที่มีรูพรุนหดตัวจำลองของชิ้นงานหล่อจะได้รับการแก้ไขด้วยการเสริมการระบายความร้อนและวิธีการอื่นๆ
ข้อดีของทั้งสองรูปแบบ: เมื่อพิจารณาจากอุณหภูมิของอลูมิเนียมเหลวในระหว่างการเติมแบบจำลอง อุณหภูมิของปลายด้านนอกของชิ้นงานหล่อที่ขึ้นรูปโดยรูปแบบ 1 จะมีความสม่ำเสมอสูงกว่าของรูปแบบ 2 ซึ่งเอื้อต่อการเติมช่องว่าง ชิ้นงานหล่อที่ขึ้นรูปโดยรูปแบบ 2 ไม่มีสารตกค้างที่เกตเหมือนกับรูปแบบ 1 ความพรุนจากการหดตัวจะดีกว่าของรูปแบบ 1
ข้อเสียของทั้งสองรูปแบบ: เนื่องจากเกตถูกจัดเรียงไว้บนชิ้นงานหล่อที่จะขึ้นรูปตามรูปแบบ 1 จึงจะมีเศษเกตอยู่บนชิ้นงานหล่อ ซึ่งจะเพิ่มขึ้นประมาณ 0.7ka เมื่อเทียบกับชิ้นงานหล่อเดิม จากอุณหภูมิของอลูมิเนียมเหลวในการจำลองการบรรจุตามรูปแบบ 2 อุณหภูมิของอลูมิเนียมเหลวที่ปลายด้านไกลนั้นต่ำอยู่แล้ว และการจำลองอยู่ภายใต้สถานะอุดมคติของอุณหภูมิแม่พิมพ์ ดังนั้น ความจุของการไหลของอลูมิเนียมเหลวอาจไม่เพียงพอในสถานะจริง และจะเกิดปัญหาเรื่องความยากในการหล่อขึ้นรูป
เมื่อรวมกับการวิเคราะห์ปัจจัยต่างๆ แล้ว จึงเลือกแบบแผน 2 เป็นระบบการเท เมื่อพิจารณาถึงข้อบกพร่องของแบบแผน 2 ระบบการเทและระบบทำความร้อนจึงได้รับการปรับให้เหมาะสมในการออกแบบแม่พิมพ์ ดังที่แสดงในรูปที่ 6 ได้มีการเพิ่มท่อระบายของเหลว ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการเติมอะลูมิเนียมเหลว และลดหรือหลีกเลี่ยงการเกิดข้อบกพร่องในชิ้นงานหล่อที่ขึ้นรูป

รูปที่ 6 (ระบบการเทที่เหมาะสมที่สุด)
1.4 ระบบระบายความร้อน
ชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงและพื้นที่ที่มีความต้องการประสิทธิภาพเชิงกลสูงของการหล่อจำเป็นต้องได้รับการระบายความร้อนหรือป้อนอย่างเหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงรูพรุนจากการหดตัวหรือการแตกร้าวจากความร้อน ความหนาพื้นฐานของผนังการหล่อคือ 4 มม. และการแข็งตัวจะได้รับผลกระทบจากการกระจายความร้อนของแม่พิมพ์เอง สำหรับชิ้นส่วนที่สำคัญนั้น จะมีการตั้งค่าระบบระบายความร้อนตามที่แสดงในรูปที่ 7 หลังจากการบรรจุเสร็จสิ้น ให้ส่งน้ำเพื่อทำให้เย็นลง และต้องปรับเวลาการระบายความร้อนที่เฉพาะเจาะจงที่จุดเทเพื่อให้แน่ใจว่าลำดับของการแข็งตัวเกิดขึ้นจากปลายเกตไปยังปลายเกต และเกตและไรเซอร์จะแข็งตัวที่ปลายเพื่อให้ได้ผลการป้อน ชิ้นส่วนที่มีความหนาของผนังที่หนากว่านั้นจะใช้กรรมวิธีเติมน้ำหล่อเย็นลงในส่วนแทรก วิธีนี้มีประสิทธิภาพดีกว่าในกระบวนการหล่อจริงและสามารถหลีกเลี่ยงรูพรุนจากการหดตัวได้

รูปที่ 7 (ระบบระบายความร้อน)
1.5 ระบบไอเสีย
เนื่องจากโพรงโลหะหล่อแบบแรงดันต่ำปิดสนิท จึงไม่สามารถระบายอากาศได้ดีเหมือนแม่พิมพ์ทราย และไม่สามารถระบายออกผ่านไรเซอร์ในการหล่อแบบแรงโน้มถ่วงทั่วไปได้ ดังนั้น ไอเสียจากโพรงโลหะหล่อแบบแรงดันต่ำจะส่งผลต่อกระบวนการเติมอะลูมิเนียมเหลวและคุณภาพของชิ้นงานหล่อ แม่พิมพ์หล่อแบบแรงดันต่ำสามารถระบายออกได้ผ่านช่องว่าง ร่องไอเสีย และปลั๊กไอเสียในพื้นผิวการแยก แท่งดัน ฯลฯ
การออกแบบขนาดไอเสียในระบบไอเสียควรเอื้อต่อการระบายออกโดยไม่ล้น ระบบไอเสียที่เหมาะสมสามารถป้องกันไม่ให้ชิ้นงานหล่อมีข้อบกพร่อง เช่น การเติมไม่เพียงพอ พื้นผิวหลวม และความแข็งแรงต่ำ พื้นที่การเติมขั้นสุดท้ายของอลูมิเนียมเหลวในระหว่างกระบวนการเท เช่น ที่พักด้านข้างและส่วนยกของแม่พิมพ์ด้านบน จำเป็นต้องติดตั้งก๊าซไอเสีย เมื่อพิจารณาจากความจริงที่ว่าอลูมิเนียมเหลวไหลเข้าไปในช่องว่างของปลั๊กไอเสียได้อย่างง่ายดายในกระบวนการจริงของการหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำ ซึ่งนำไปสู่สถานการณ์ที่ปลั๊กอากาศถูกดึงออกเมื่อเปิดแม่พิมพ์ จึงมีการนำวิธีการสามวิธีมาใช้หลังจากพยายามและปรับปรุงหลายครั้ง วิธีที่ 1 ใช้ปลั๊กอากาศเผาโลหะผง ตามที่แสดงในรูปที่ 8(a) ข้อเสียคือต้นทุนการผลิตสูง วิธีที่ 2 ใช้ปลั๊กไอเสียแบบตะเข็บที่มีช่องว่าง 0.1 มม. ตามที่แสดงในรูปที่ 8(b) ข้อเสียคือตะเข็บไอเสียถูกปิดกั้นได้ง่ายหลังจากการพ่นสี วิธีที่ 3 ใช้ปลั๊กไอเสียที่ตัดด้วยลวด ช่องว่างอยู่ระหว่าง 0.15~0.2 มม. ดังแสดงในรูปที่ 8(c) ข้อเสียคือประสิทธิภาพการประมวลผลต่ำและต้นทุนการผลิตสูง ต้องเลือกปลั๊กไอเสียที่แตกต่างกันตามพื้นที่จริงของการหล่อ โดยทั่วไป ปลั๊กระบายอากาศแบบเผาผนึกและตัดด้วยลวดจะใช้สำหรับโพรงของการหล่อ และใช้ประเภทตะเข็บสำหรับหัวแกนทราย

รูปที่ 8 (ปลั๊กไอเสีย 3 แบบที่เหมาะกับการหล่อแม่พิมพ์แรงดันต่ำ)
1.6 ระบบทำความร้อน
การหล่อมีขนาดใหญ่และมีความหนาของผนังบาง ในการวิเคราะห์การไหลของแม่พิมพ์ อัตราการไหลของอลูมิเนียมเหลวในตอนท้ายของการบรรจุไม่เพียงพอ เหตุผลก็คืออลูมิเนียมเหลวไหลนานเกินไป อุณหภูมิลดลง และอลูมิเนียมเหลวแข็งตัวล่วงหน้าและสูญเสียความสามารถในการไหล เกิดการปิดเย็นหรือการเทไม่เพียงพอ ไรเซอร์ของแม่พิมพ์ด้านบนจะไม่สามารถบรรลุผลของการป้อนได้ จากปัญหาเหล่านี้ โดยไม่เปลี่ยนความหนาและรูปร่างของผนังการหล่อ เพิ่มอุณหภูมิของอลูมิเนียมเหลวและอุณหภูมิแม่พิมพ์ ปรับปรุงการไหลของอลูมิเนียมเหลว และแก้ปัญหาการปิดเย็นหรือการเทไม่เพียงพอ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิอลูมิเนียมเหลวที่มากเกินไปและอุณหภูมิแม่พิมพ์จะทำให้เกิดรอยต่อความร้อนใหม่หรือรูพรุนหดตัว ส่งผลให้มีรูพรุนระนาบมากเกินไปหลังจากการประมวลผลการหล่อ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเลือกอุณหภูมิอลูมิเนียมเหลวที่เหมาะสมและอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่เหมาะสม ตามประสบการณ์ อุณหภูมิของอลูมิเนียมเหลวจะถูกควบคุมที่ประมาณ 720℃ และอุณหภูมิแม่พิมพ์จะถูกควบคุมที่ 320~350℃
เนื่องจากปริมาตรที่มาก ความหนาของผนังที่บาง และความสูงที่ต่ำของการหล่อ จึงติดตั้งระบบทำความร้อนไว้ที่ส่วนบนของแม่พิมพ์ ดังที่แสดงในรูปที่ 9 ทิศทางของเปลวไฟจะหันไปทางด้านล่างและด้านข้างของแม่พิมพ์เพื่อให้ความร้อนกับระนาบด้านล่างและด้านข้างของการหล่อ ตามสถานการณ์การเทในสถานที่ ให้ปรับเวลาทำความร้อนและเปลวไฟ ควบคุมอุณหภูมิของส่วนแม่พิมพ์ด้านบนที่ 320~350 ℃ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอลูมิเนียมเหลวไหลได้ภายในช่วงที่เหมาะสม และทำให้อลูมิเนียมเหลวเติมเต็มช่องว่างและไรเซอร์ ในการใช้งานจริง ระบบทำความร้อนสามารถรับประกันความลื่นไหลของอลูมิเนียมเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 9 (ระบบทำความร้อน)
2.โครงสร้างแม่พิมพ์และหลักการทำงาน
ตามกระบวนการหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำ รวมกับลักษณะเฉพาะของการหล่อและโครงสร้างของอุปกรณ์ เพื่อให้แน่ใจว่าการหล่อที่ขึ้นรูปแล้วจะคงอยู่ในแม่พิมพ์ด้านบน จึงออกแบบโครงสร้างที่ดึงแกนด้านหน้า ด้านหลัง ด้านซ้าย และด้านขวาบนแม่พิมพ์ด้านบน หลังจากที่การหล่อขึ้นรูปและแข็งตัวแล้ว แม่พิมพ์ด้านบนและด้านล่างจะเปิดออกก่อน จากนั้นดึงแกนใน 4 ทิศทาง และในที่สุดแผ่นด้านบนของแม่พิมพ์ด้านบนจะดันการหล่อที่ขึ้นรูปออก โครงสร้างแม่พิมพ์แสดงไว้ในรูปที่ 10

รูปที่ 10 (โครงสร้างแม่พิมพ์)
เรียบเรียงโดย เมย์ เจียง จาก MAT Aluminum