การออกแบบแม่พิมพ์หล่อแบบแรงดันต่ำสำหรับถาดแบตเตอรี่โลหะผสมอลูมิเนียมของรถยนต์ไฟฟ้า

แบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบหลักของรถยนต์ไฟฟ้า และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เป็นตัวกำหนดตัวชี้วัดทางเทคนิคต่างๆ เช่น อายุการใช้งานแบตเตอรี่ การใช้พลังงาน และอายุการใช้งานของรถยนต์ไฟฟ้า ถาดแบตเตอรี่ในโมดูลแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบหลักที่ทำหน้าที่ขนส่ง ป้องกัน และระบายความร้อน ชุดแบตเตอรี่แบบแยกส่วนถูกจัดเรียงไว้ในถาดแบตเตอรี่ โดยยึดเข้ากับตัวถังรถผ่านถาดแบตเตอรี่ ดังแสดงในรูปที่ 1 เนื่องจากติดตั้งที่ด้านล่างของตัวถังรถและสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง ถาดแบตเตอรี่จึงจำเป็นต้องทำหน้าที่ป้องกันการกระแทกและการเจาะทะลุจากหิน เพื่อป้องกันไม่ให้โมดูลแบตเตอรี่เสียหาย ถาดแบตเตอรี่เป็นส่วนโครงสร้างด้านความปลอดภัยที่สำคัญของรถยนต์ไฟฟ้า ต่อไปนี้จะแนะนำกระบวนการขึ้นรูปและการออกแบบแม่พิมพ์ของถาดแบตเตอรี่อะลูมิเนียมอัลลอยด์สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

รูปที่ 1 (ถาดแบตเตอรี่โลหะผสมอลูมิเนียม)
1 การวิเคราะห์กระบวนการและการออกแบบแม่พิมพ์
1.1 การวิเคราะห์การหล่อ
รูปที่ 2 แสดงถาดแบตเตอรี่อะลูมิเนียมอัลลอยด์สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า ขนาดโดยรวม 1106 มม. × 1029 มม. × 136 มม. ความหนาของผนังพื้นฐาน 4 มม. คุณภาพการหล่อประมาณ 15.5 กก. และคุณภาพการหล่อหลังการแปรรูปประมาณ 12.5 กก. วัสดุคือ A356-T6 ความต้านทานแรงดึง ≥ 290MPa ความแข็งแรงคราก ≥ 225MPa การยืดตัว ≥ 6% ความแข็ง Brinell ≥ 75~90HBS ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความหนาแน่นของอากาศและมาตรฐาน IP67&IP69K

รูปที่ 2 (ถาดแบตเตอรี่โลหะผสมอลูมิเนียม)
1.2 การวิเคราะห์กระบวนการ
การหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำเป็นวิธีการหล่อแบบพิเศษที่อยู่ระหว่างการหล่อแบบใช้แรงดันและการหล่อแบบใช้แรงโน้มถ่วง ไม่เพียงแต่มีข้อดีในการใช้แม่พิมพ์โลหะสำหรับทั้งสองแบบเท่านั้น แต่ยังมีคุณสมบัติในการบรรจุที่เสถียรอีกด้วย การหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำมีข้อดีคือสามารถบรรจุได้ตั้งแต่ล่างขึ้นบนด้วยความเร็วต่ำ ควบคุมความเร็วได้ง่าย แรงกระแทกและการกระเด็นของอะลูมิเนียมเหลวต่ำ ตะกรันออกไซด์น้อย ความหนาแน่นของเนื้อเยื่อสูง และคุณสมบัติเชิงกลสูง การหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำทำให้อะลูมิเนียมเหลวถูกบรรจุได้อย่างราบรื่น และชิ้นงานจะแข็งตัวและตกผลึกภายใต้แรงดัน ทำให้ได้ชิ้นงานหล่อที่มีโครงสร้างหนาแน่นสูง คุณสมบัติเชิงกลสูง และรูปลักษณ์ที่สวยงาม ซึ่งเหมาะสำหรับการขึ้นรูปชิ้นงานหล่อผนังบางขนาดใหญ่
ตามคุณสมบัติเชิงกลที่จำเป็นสำหรับการหล่อ วัสดุหล่อคือ A356 ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของลูกค้าหลังจากการบำบัด T6 แต่โดยทั่วไปแล้วความลื่นไหลในการเทวัสดุนี้ต้องควบคุมอุณหภูมิแม่พิมพ์อย่างเหมาะสมเพื่อผลิตชิ้นงานหล่อขนาดใหญ่และบาง
1.3 ระบบการเท
เนื่องจากลักษณะของชิ้นงานหล่อขนาดใหญ่และบาง จึงจำเป็นต้องออกแบบเกตหลายเกต ขณะเดียวกัน เพื่อให้มั่นใจว่าการเติมอะลูมิเนียมเหลวจะเป็นไปอย่างราบรื่น จึงได้เพิ่มช่องเติมที่ช่องหน้าต่าง ซึ่งจำเป็นต้องนำออกโดยกระบวนการหลังการหล่อ ในขั้นตอนแรกได้ออกแบบระบบการเทสองแบบ และเปรียบเทียบแต่ละแบบ ดังแสดงในรูปที่ 3 รูปที่ 1 จัดเรียงเกต 9 เกตและเพิ่มช่องป้อนที่ช่องหน้าต่าง รูปที่ 2 จัดเรียงเกต 6 เกตที่เทจากด้านข้างของชิ้นงานหล่อที่จะขึ้นรูป การวิเคราะห์การจำลองด้วย CAE แสดงในรูปที่ 4 และรูปที่ 5 นำผลการจำลองมาใช้เพื่อปรับโครงสร้างแม่พิมพ์ให้เหมาะสมที่สุด พยายามหลีกเลี่ยงผลกระทบเชิงลบของการออกแบบแม่พิมพ์ต่อคุณภาพของชิ้นงานหล่อ ลดโอกาสการเกิดข้อบกพร่องของชิ้นงานหล่อ และลดระยะเวลาในการพัฒนาชิ้นงานหล่อ

รูปที่ 3 (การเปรียบเทียบรูปแบบกระบวนการสองแบบสำหรับแรงดันต่ำ

รูปที่ 4 (การเปรียบเทียบอุณหภูมิระหว่างการบรรจุ)

รูปที่ 5 (การเปรียบเทียบข้อบกพร่องด้านรูพรุนจากการหดตัวหลังจากการแข็งตัว)
ผลการจำลองของโครงร่างทั้งสองข้างต้นแสดงให้เห็นว่าอะลูมิเนียมเหลวในโพรงจะเคลื่อนตัวขึ้นโดยประมาณแบบขนาน ซึ่งสอดคล้องกับทฤษฎีการเติมแบบขนานของอะลูมิเนียมเหลวทั้งหมด และส่วนที่มีรูพรุนหดตัวจำลองของชิ้นงานหล่อจะได้รับการแก้ไขโดยการเสริมการระบายความร้อนและวิธีการอื่นๆ
ข้อดีของทั้งสองแบบ: เมื่อพิจารณาจากอุณหภูมิของอะลูมิเนียมเหลวในระหว่างการเติมแบบจำลอง อุณหภูมิของปลายด้านนอกของชิ้นงานหล่อที่ขึ้นรูปตามแบบที่ 1 มีความสม่ำเสมอสูงกว่าแบบที่ 2 ซึ่งเอื้อต่อการเติมโพรง ชิ้นงานหล่อที่ขึ้นรูปตามแบบที่ 2 ไม่มีคราบตกค้างที่เกตเหมือนแบบที่ 1 และความพรุนจากการหดตัวดีกว่าแบบที่ 1
ข้อเสียของทั้งสองรูปแบบ: เนื่องจากเกตถูกจัดวางบนชิ้นงานหล่อที่จะขึ้นรูปตามรูปแบบที่ 1 จึงจะมีเศษเกตบนชิ้นงานหล่อ ซึ่งจะเพิ่มขึ้นประมาณ 0.7ka เมื่อเทียบกับชิ้นงานหล่อเดิม จากอุณหภูมิของอะลูมิเนียมเหลวในการจำลองการบรรจุตามรูปแบบที่ 2 อุณหภูมิของอะลูมิเนียมเหลวที่ปลายด้านไกลจะต่ำอยู่แล้ว และการจำลองอยู่ภายใต้สถานะที่เหมาะสมของอุณหภูมิแม่พิมพ์ ดังนั้น ความจุการไหลของอะลูมิเนียมเหลวอาจไม่เพียงพอในสถานะจริง และจะเกิดปัญหาความยากในการขึ้นรูปชิ้นงานหล่อ
เมื่อพิจารณาจากการวิเคราะห์ปัจจัยต่างๆ แล้ว จึงเลือกแบบที่ 2 เป็นระบบเท เนื่องจากข้อบกพร่องของแบบที่ 2 ระบบเทและระบบทำความร้อนจึงได้รับการปรับให้เหมาะสมในการออกแบบแม่พิมพ์ ดังแสดงในรูปที่ 6 ได้มีการเพิ่มท่อระบายของเหลว ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการบรรจุอะลูมิเนียมเหลว และลดหรือหลีกเลี่ยงการเกิดข้อบกพร่องในชิ้นงานหล่อขึ้นรูป

รูปที่ 6 (ระบบการเทที่ได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพ)
1.4 ระบบระบายความร้อน
ชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงเค้นและพื้นที่ที่ต้องการประสิทธิภาพเชิงกลสูงของชิ้นงานหล่อจำเป็นต้องได้รับการหล่อเย็นหรือป้อนวัสดุอย่างเหมาะสมเพื่อป้องกันการหดตัวของรูพรุนหรือการแตกร้าวจากความร้อน ความหนาของผนังชิ้นงานหล่อพื้นฐานอยู่ที่ 4 มม. และการแข็งตัวจะได้รับผลกระทบจากการระบายความร้อนของแม่พิมพ์เอง สำหรับชิ้นส่วนสำคัญ จะมีการติดตั้งระบบหล่อเย็นดังแสดงในรูปที่ 7 หลังจากเติมวัสดุเสร็จแล้ว ให้ส่งน้ำหล่อเย็น และต้องปรับเวลาการหล่อเย็นเฉพาะ ณ จุดเทวัสดุ เพื่อให้แน่ใจว่าลำดับการแข็งตัวเกิดขึ้นจากปลายเกตไปยังปลายเกต และเกตและไรเซอร์จะแข็งตัวที่ปลายเกตเพื่อให้ได้ผลการป้อนวัสดุ ชิ้นส่วนที่มีความหนาของผนังหนากว่าจะใช้วิธีการเติมน้ำหล่อเย็นลงในส่วนแทรก วิธีนี้มีประสิทธิภาพดีกว่าในกระบวนการหล่อจริงและสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาการหดตัวของรูพรุนได้

รูปที่ 7 (ระบบระบายความร้อน)
1.5 ระบบไอเสีย
เนื่องจากโพรงโลหะหล่อแบบแรงดันต่ำปิดสนิท จึงทำให้อากาศถ่ายเทได้ไม่ดีเท่าแม่พิมพ์ทราย และโดยทั่วไปแล้วการหล่อด้วยแรงโน้มถ่วงจะไม่ระบายออกทางไรเซอร์ การระบายออกของโพรงโลหะหล่อแบบแรงดันต่ำจะส่งผลต่อกระบวนการเติมอะลูมิเนียมเหลวและคุณภาพของชิ้นงานหล่อ แม่พิมพ์หล่อแบบแรงดันต่ำสามารถระบายออกได้ทางช่องว่าง ร่องระบายออก และปลั๊กระบายออกบนพื้นผิวที่ตัดออก ก้านดัน ฯลฯ
การออกแบบขนาดไอเสียในระบบไอเสียควรเอื้อต่อการระบายออกโดยไม่ล้น ระบบไอเสียที่เหมาะสมสามารถป้องกันชิ้นงานหล่อจากข้อบกพร่องต่างๆ เช่น การบรรจุไม่เพียงพอ พื้นผิวหลวม และความแข็งแรงต่ำ พื้นที่เติมสุดท้ายของอะลูมิเนียมเหลวระหว่างกระบวนการเท เช่น ที่พักด้านข้างและส่วนยกของแม่พิมพ์ส่วนบน จำเป็นต้องติดตั้งก๊าซไอเสีย เนื่องจากอะลูมิเนียมเหลวไหลเข้าไปในช่องว่างของจุกไอเสียได้ง่ายในกระบวนการหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำ ซึ่งทำให้จุกอากาศถูกดึงออกเมื่อเปิดแม่พิมพ์ จึงมีการนำวิธีการสามวิธีมาใช้หลังจากการทดลองและปรับปรุงหลายครั้ง: วิธีที่ 1 ใช้จุกอากาศเผาผนึกโลหะผง ดังแสดงในรูปที่ 8(a) ข้อเสียคือต้นทุนการผลิตสูง วิธีที่ 2 ใช้จุกไอเสียแบบตะเข็บที่มีช่องว่าง 0.1 มม. ดังแสดงในรูปที่ 8(b) ข้อเสียคือตะเข็บไอเสียอุดตันได้ง่ายหลังจากการพ่นสี วิธีที่ 3 ใช้ปลั๊กไอเสียแบบตัดลวด ช่องว่างระหว่าง 0.15-0.2 มม. ดังแสดงในรูปที่ 8(c) ข้อเสียคือประสิทธิภาพในการประมวลผลต่ำและต้นทุนการผลิตสูง จำเป็นต้องเลือกปลั๊กไอเสียที่แตกต่างกันตามพื้นที่จริงของชิ้นงานหล่อ โดยทั่วไปแล้ว ปลั๊กไอเสียแบบเผาผนึกและตัดลวดจะใช้สำหรับโพรงของชิ้นงานหล่อ และใช้แบบตะเข็บสำหรับหัวแกนทราย

รูปที่ 8 (ปลั๊กไอเสีย 3 ประเภทที่เหมาะกับการหล่อแบบแรงดันต่ำ)
1.6 ระบบทำความร้อน
งานหล่อมีขนาดใหญ่และมีความหนาของผนังบาง ในการวิเคราะห์การไหลของแม่พิมพ์ อัตราการไหลของอะลูมิเนียมเหลวที่ปลายกระบวนการเติมไม่เพียงพอ สาเหตุคืออะลูมิเนียมเหลวไหลนานเกินไป อุณหภูมิลดลง และอะลูมิเนียมเหลวแข็งตัวล่วงหน้าและสูญเสียความสามารถในการไหล เกิดภาวะปิดเย็นหรือการเทไม่เพียงพอ ไรเซอร์ของแม่พิมพ์ส่วนบนจะไม่สามารถป้อนอลูมิเนียมเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากปัญหาเหล่านี้ โดยไม่เปลี่ยนแปลงความหนาและรูปร่างของผนังงานหล่อ การเพิ่มอุณหภูมิของอะลูมิเนียมเหลวและอุณหภูมิแม่พิมพ์ ปรับปรุงความลื่นไหลของอะลูมิเนียมเหลว และแก้ปัญหาการปิดเย็นหรือการเทไม่เพียงพอ อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิอะลูมิเนียมเหลวและอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่มากเกินไปจะทำให้เกิดรอยต่อทางความร้อนใหม่หรือรูพรุนจากการหดตัว ส่งผลให้เกิดรูพรุนแบบระนาบมากเกินไปหลังการหล่อ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเลือกอุณหภูมิอะลูมิเนียมเหลวและอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่เหมาะสม จากประสบการณ์ อุณหภูมิของอะลูมิเนียมเหลวถูกควบคุมไว้ที่ประมาณ 720°C และอุณหภูมิแม่พิมพ์ถูกควบคุมไว้ที่ 320-350°C
เนื่องจากชิ้นงานหล่อมีปริมาตรมาก ความหนาของผนังบาง และความสูงต่ำ จึงติดตั้งระบบทำความร้อนไว้ที่ส่วนบนของแม่พิมพ์ ดังแสดงในรูปที่ 9 ทิศทางของเปลวไฟจะหันไปทางด้านล่างและด้านข้างของแม่พิมพ์เพื่อให้ความร้อนแก่พื้นผิวด้านล่างและด้านข้างของชิ้นงานหล่อ ให้ปรับเวลาและเปลวไฟให้เหมาะสมตามสถานการณ์การเท ณ สถานที่ ควบคุมอุณหภูมิของส่วนบนของแม่พิมพ์ให้อยู่ที่ 320-350 องศาเซลเซียส เพื่อให้แน่ใจว่าอะลูมิเนียมเหลวไหลอยู่ในช่วงที่เหมาะสม และอะลูมิเนียมเหลวจะไหลเข้าไปในโพรงและส่วนต่อ ในการใช้งานจริง ระบบทำความร้อนสามารถรับประกันความเหลวไหลของอะลูมิเนียมเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 9 (ระบบทำความร้อน)
2. โครงสร้างแม่พิมพ์และหลักการทำงาน
ในกระบวนการหล่อแบบฉีดแรงดันต่ำ ประกอบกับคุณลักษณะเฉพาะของชิ้นงานและโครงสร้างของอุปกรณ์ เพื่อให้มั่นใจว่าชิ้นงานที่ขึ้นรูปแล้วจะคงอยู่ในแม่พิมพ์ด้านบน จึงได้ออกแบบโครงสร้างดึงแกนด้านหน้า ด้านหลัง ด้านซ้าย และด้านขวาบนแม่พิมพ์ด้านบน หลังจากขึ้นรูปและแข็งตัวแล้ว แม่พิมพ์ด้านบนและด้านล่างจะถูกเปิดออกก่อน จากนั้นจึงดึงแกนใน 4 ทิศทาง และสุดท้ายแผ่นด้านบนของแม่พิมพ์ด้านบนจะดันชิ้นงานที่ขึ้นรูปแล้วออกมา โครงสร้างของแม่พิมพ์แสดงในรูปที่ 10

รูปที่ 10 (โครงสร้างแม่พิมพ์)
แก้ไขโดย May Jiang จาก MAT Aluminum