原標題：壓鑄新能源水冷型電機殼性能提升的研究

新能源汽車是全球汽車產業轉型升級、綠色發展的主要方向，也是我國汽車產業高質量發展的戰略選擇。隨著新能源汽車產銷量逐年攀升，驅動了電驅行業的快速發展，電機殼作為其關鍵部件，需求量也隨之增加。新能源電機殼的發展現狀呈現出快速增長和技術創新的特點。在產業鏈和核心技術方面，新能源電機殼體作為新能源汽車的核心零部件之一，其質量和性能直接影響到整車的動力、爬坡能力和加速性能。

新能源驅動電機的散熱冷卻方式主要有水冷與油冷，水冷型電機在節能和降本方面更具有優勢。新能源水冷型電機殼體具有高效、可靠和穩定的熱管理功能。水冷型電機殼采用夾層式結構，夾層內設置有螺旋水道，通過進出水管的連接，實現了高效的水循環冷卻，顯著提高了電機的散熱效果。此外，水冷型電機殼的設計還具有輕量化的特點，采用攪拌摩擦焊接技術，進一步減輕了整車的質量，便于運輸和安裝。這種設計不僅有助于提高電機的運行效率，還能延長電機的使用壽命。水冷電機殼體通常采用高效的冷卻系統和精密的制造工藝，確保在高溫環境下仍能保持出色的性能。

水冷型電機殼采用A380壓鑄鋁合金，由外殼體+內殼體兩部分壓鑄件構成，經過立車、T5熱處理、熱套壓裝、攪拌摩擦焊、焊后組合加工等一系列工序形成一個密封的水冷腔體電機殼。電機內殼鑄件的失效模式很多，包括內部質量不致密失效、裂紋失效、磨損失效、腐蝕失效和變形失效等。這些失效模式是由多種因素共同作用的結果，可能包括材料特性、設計和制造工藝以及使用條件等。本研究中該款水冷型電機內殼最主要的失效模式為鑄件內部質量不致密失效。電機內殼鑄件內部質量不致密會導致其力學性能下降，容易在使用過程中出現泄漏、裂紋、變形等問題，從而影響產品的使用壽命和安全性。輕微內部質量不致密會導致冷卻液滲漏，影響電機效率；嚴重的內部質量不致密可能導致內殼破裂，影響電機的正常運行。

影響電機內殼鑄件內部質量不致密因素包括壓鑄鋁合金成分和熔煉工藝、壓鑄澆注系統設計和壓鑄工藝參數、T5熱處理工藝、熱套壓裝工藝、攪拌摩擦焊工藝等。本研究在壓鑄鋁合金成分和熔煉工藝以及壓鑄工藝參數固化情況下，重點對澆注系統、T5熱處理工藝、熱套壓裝工藝、攪拌摩擦焊工藝4個模塊進行研究，探索對其電機內殼性能的影響。

圖文結果

電機內殼呈現圓桶狀結構，整個產品均屬于試漏密封檢測區域，因此對其內部質量致密性要求極高。要保證電機內殼內部質量高致密性，鑄件澆注系統設計需十分合理。澆注系統通過合理設計內澆口的位置、形狀和尺寸，以及確保金屬液流動平穩，可以有效保證壓鑄件內部致密性。開發前期根據電機內殼結構及性能要求，找出適合進澆的位置，預設4種不同的澆注系統，見圖1。方案1采用鷹嘴式單側進澆，方案2采用平搭式中心進澆，方案3采用平搭式單側進澆，方案4采用鷹嘴式中心進澆。

通過Magma軟件對4種不同澆注方案進行模流分析，見圖2。方案1采用鷹嘴式澆口，鋁液已填充完型腔時鑄件側壁位置仍有較多氣體未排出，存在困氣、卷氣的風險；方案2采用中心進澆，鋁料從內殼中心進入型腔，澆口分布均勻，鋁液填充一致性好，流態平順，無包卷紊流情況，型腔內的氣體能夠順利排出，產生氣孔的風險性小；方案3采用平搭式澆口，由于內殼型腔較深，填充不順暢，填充完成后，內殼側壁含氣量較大；方案4采用鷹嘴式澆口，在內殼側壁上進澆，填充順暢但存在嚴重匯流包卷情況，匯流包卷位置溫度下降快，存在較大的成形不良和氣孔外露風險。因此基于模流結果，最終電機內殼澆注系統選擇方案2平搭式中心進澆，澆口布置在電機內殼圓桶底部加工孔孔壁。

圖1 4種不同的澆注方案三維圖

圖2 4種不同澆注系統的模流含氣量分析圖

確認最佳進料位置設計方案（平搭式中心進澆）后再對其進行排渣位置設計，最終排渣位置設計方案見圖3和圖4。通過對方案2澆注系統進行材料粒子追蹤分析，采用中間直線式進澆，模具腔體內氣體能被快速往電機內殼排氣端排出，但鑄件水尾有部分氣體撞擊后回流到鑄件內部，形成卷氣，從而影響鑄件內部質量致密性。因此在方案2基礎上再進行優化改善，將內澆口設計成與直澆道夾角<90°，以旋轉式進澆方式填充模具型腔，模流分析材料粒子追蹤見圖4。鋁液在電機內殼圓桶鑄件內部進行螺旋式填充，將模具內氣體擠出，未出現明顯鋁液回流現象，能改善電機內殼鑄件內部質量的致密性，提升鑄件性能。

圖3 中間直線式進澆粒子追蹤圖
（t=0.313 11 s）

圖4 中間旋轉式進澆粒子追蹤圖
（t=0.375 48 s）

電機內殼T5熱處理是指鑄件在高溫壓鑄成形冷卻后進行人工時效處理。這個過程有助于消除鑄造過程中產生的內部應力，改善其力學性能。電機內殼材質采用A380壓鑄鋁合金，鑄件本體取樣力學性能要求：抗拉強度≥256 MPa，伸長率≥1%，屈服強度≥150 MPa。針對該款電機內殼進行自然時效和T5熱處理，再對其6種試樣條件下同一位置本體取樣測力學性能，結果見表1。從表1可知，電機內殼經過T5熱處理（210 ℃保溫75 min+風冷20 min）后鑄件本體取樣力學性能可以滿足要求。T5熱處理通過均勻化內部應力和減少應力集中，有效防止了氣孔缺陷的形成，從而提升鑄件的性能。

表1 電機殼體本體取樣力學性能

熱套壓裝溫度設置原則，在保證熱套壓裝過程中不產生剮蹭并確保裝配到位的前提下，盡量降低溫度，避免對電機殼致密性產生影響。要保證電機內外殼壓裝時不干涉，電機內外殼定子孔間隙量控制在0.03~-0.07 mm，反推電機外殼定子孔熱套膨脹之后需控制孔徑為?209.12~?209.24 mm。通過熱套溫度與電機殼熱套孔孔徑的試驗研究，見圖5，其中1號內徑為?248.85 mm，2號內徑為?208.84 mm，3號內徑為?208.85 mm，發現當電機殼熱套孔孔徑為?209.12~ ?209.24 mm區間時，熱套加熱溫度參數窗口為120~140 ℃。熱套加熱時間與溫度的關系見圖6，當熱套溫度在120~140 ℃，得到加熱時間參數窗口為15~19 s。

圖5 熱套加熱溫度與電機殼熱套孔孔徑關系圖

圖6 熱套加熱溫度與加熱時間關系圖

攪拌摩擦焊過程中，焊接下壓量是獲得足夠摩擦熱的關鍵，同時下壓量起到限制塑性流體外溢、保證焊縫成形的作用。轉速、進給是影響熱輸入的主要參數，從而影響接頭性能。對于一定形狀攪拌焊接頭以及焊接區域鑄件內部質量好的前提下，影響焊縫內部質量致密性的關鍵因素是焊接轉速、進給速度和下壓量。在其他因素不變的情況下，通過針對電機殼攪拌摩擦焊關鍵工藝參數（轉速、進給速度和下壓量）進行正交試驗研究，確定出最佳工藝參數。三因素水平見表2。

通過DOE試驗進行驗證，結果見表3。可以看出，轉速為750 r/min、進給速度為250 mm/min、下壓量為0.3 mm和轉速為850 r/min、進給速度為350 mm/min、下壓量為0.2 mm兩組參數下電機殼內部質量均合格，但后者使攪拌摩擦焊頭磨損嚴重。為保證電機殼鑄件內部致密性，最終選擇攪拌摩擦焊轉速為750 r/min、進給速度為250 mm/min、下壓量為0.3 mm。

表2 因素水平表

表3 正交試驗結果

結論

（1）某新能源汽車電機內殼采用從內殼底部中心進澆方式，澆口設計成與直澆道夾角小于90°，以旋轉式進澆的方式填充模具型腔，可以解決電機內殼圓桶結構填充難問題，從而改善電機內殼鑄件內部質量的致密性，提升其鑄件性能。

（2）T5熱處理（時效溫度210 ℃，保溫75 min，風冷20 min）通過均勻化內部應力和減少應力集中，有效防止了氣孔缺陷的形成，提高了該電機內殼性能。

（3）熱套壓裝工序會擴大鑄件缺陷，從而降低鑄件內部質量致密性。熱套壓裝工序在120~140 ℃，加熱時間為15~19 s時對電機內殼性能影響最小。

（4）基于一定形狀攪拌焊頭以及焊接區域鑄件內部質量好的前提下，影響電機內殼焊接區域內部質量致密性的關鍵因素是焊接轉速、進給速度和下壓量。通過DOE試驗驗證，轉速為750 r/min、進給速度為250 mm/min、下壓量為0.3 mm時該電機內殼焊接區域內部質量最好，鑄件性能理想。

《壓鑄新能源水冷型電機殼性能提升的研究》

李秋旭1 蘇海章2 宋衛嗣1
宗位慶1 曹祝偉1 張圍1 徐建1

1 . 廣東鴻圖南通壓鑄有限公司；2. 廣東鴻圖（天津）汽車零部件有限公司

本文轉載自：《特種鑄造及有色合金》