CN113547098A - 铝合金新能源汽车电池壳多升液管及其低压铸造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管及其低压铸造方法。该铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法包括：铝液熔炼步骤、铸造工艺设计步骤以及低压铸造浇注步骤。本申请通过多点进料的工艺设计，合理设置低压铸造时的工艺参数，能够有效的消除缩孔、缩松以提高组织致密度，避免工艺设计不足导致的铸件的凝固得不到充分补缩，易出现缩孔、缩松缺陷，以及避免工艺参数设计不足导致的生产周期过长、生产率下降、使升液管上部“冻住”，导致生产停滞等问题。

Description

铝合金新能源汽车电池壳多升液管及其低压铸造方法

技术领域

本发明涉及轻量化新能源汽车技术领域，尤其涉及一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管及其低压铸造方法。

背景技术

目前，随着新能源汽车的不断发展，对车辆的轻量化需求日益强烈。新能源汽车的电池包壳体作为动力电池的承载和防护机构，在电池包系统中占有重要位置，而且其整备质量偏大，具有较大的轻量化空间，同时对于电池包能量密度的要求逐步提高，使得电池包壳体的轻量化发展迫在眉睫。电池包壳体的属于汽车的底盘的一部分。

传统电池包壳体一般采用低碳钢钣金和焊接工艺加工而成，成本较低但箱体质量较大，严重影响电池包系统能量密度的提高和新能源汽车轻量化的进程，不符合发展趋势。铝型材壳体虽然能满足轻量化要求，但是需要焊接、铆接等连接技术支撑，同时产品的连接点强度远低于本体强度，产品一致性差。

目前针对电池包壳体轻量化的主要手段为轻量化材料应用和轻量化结构设计。电池包壳体轻量化材料应用主要包括铝合金材料、高强钢材料和复合材料的应用等，目前铝合金替代传统低碳钢在电池包壳体上得到了大范围的应用，铝合金壳体成为电池包壳体发展的一个重要方向。铝合金电池包箱体主要有铝型材壳体和铸铝壳体两种形式，其中铸造壳体具有产品整体结构简单，产品一致性好等特点，随着低压铸造技术的突破，应用范围也在扩大。

新能源汽车电池包壳体，根据不同车型进行设计，其产品投影面积大（2100×1460×120mm），同时为了轻量化需求，产品设计壁厚已经达到3.5mm，铸造过程中充型难度大。同时由于产品的结构复杂，内部缺陷需要进行，X射线检测，要求缩松、缩孔缺陷小于3级（ASTME115标准），变形控制在2mm以内。

发明内容

发明的目的在于，提供一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管及其低压铸造方法，用于解决采用铝合金铸造新能源汽车电池壳单升液管时无法有效的消除缩孔、缩松等缺陷，以提高组织致密度，避免保压时间不足导致的铸件的凝固得不到充分补缩，易出现缩孔、缩松缺陷，严重时铸件尚未完全凝固的技术问题，以及避免保压时间过长导致的生产周期过长、生产率下降，严重时会使升液管上部“冻住” ，导致生产停滞的技术问题。

为了实现上述目的，本发明其中一实施例中提供一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，包括步骤：铝液熔炼步骤，将铝合金高温熔化成铝液；铸造工艺设计步骤，按照新能源汽车电池壳结构形状设置铸造模具，所述铸造模具采用多浇口进料的方式；以及低压铸造浇注步骤，将所述铝液浇注到所述铸造模具中，经升液、充型、增压补缩、保压凝固、泄压、冷却过程形成最终产品，铸件成型并从模具中取出，形成铝合金新能源汽车电池壳；其中，所述低压铸造包括升液阶段、充型过度阶段、充型阶段、增压补缩阶段、保压凝固阶段；所述升液阶段的充型压力为0-170mbar，充型时长为10s；所述充型过度阶段的充型压力为170-210mbar，充型时长为8s；所述充型阶段的充型压力为210-260mbar，充型时长为7s；所述增压补缩阶段的充型压力为260-500mbar，充型时长为5s；所述保压凝固阶段的充型压力为500-500mbar，充型时长为290s。

进一步地，在所述铝液熔炼步骤中，所述铝液的组分按质量百分比包括：Si ：6.5～7.5%；Fe：≤0.15%；Mg：0.4-0.5%；Sr：0.015-0.02%；Ti：0.15-0.2%；余量：Al及其他杂质。

进一步地，在所述设置铸造工艺设计步骤中，铝合金新能源汽车电池壳呈水平放置，采用类似开放式浇注系统的方法，用多个浇口进料；所述浇口间隔设置，根据铸造产品的结构及铝液流长进行排布；浇口部位模具上采用过度镶件和保温套的形式，以使浇道能够在下部有良好的保温性能延迟凝固，过度镶件处温度略低于保温套处，从而形成浇口颈，铝液凝固后可固液状态分离。

进一步地，在所述低压铸造步骤中，所述铝液的浇注温度范围为720-740℃。

进一步地，在所述低压铸造步骤中，从所述充型过度阶段开始进行冷却风冷却铸造模具，所述冷却风保持100s-140s，空气压力控制在0.4-0.5MPa。

进一步地，所述冷却风保持120s。

进一步地，在所述低压铸造步骤之后还包括：铸造精整修复步骤，对铸造形成的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行精整修复；外形校正步骤，对铸造形成的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行外形校正；以及检测步骤，对精整修复和外形校正后的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行检测。

进一步地，在所述低压铸造步骤中，所述充型压力满足

；其中P为充型压力，u为阻力系数，

为金属液密度，g为重力加速度，h为液面上升高度。

进一步地，在所述低压铸造步骤中，还包含低压铸造时的充型速度；所述充型速度满足

；其中V为充型速度，Re为雷诺系数，v为金属液在升液管中的流动速度，R为型腔水力学半径。

为了实现上述目的，本发明其中一实施例中还提供一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管，其采用前文所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法进行制作。

本发明的有益效果在于，提供一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，通过合理设置铸造时的充型压力和充型速度以及时长，能够有效的消除缩孔、缩松以提高组织致密度，避免保压时间不足导致的铸件的凝固得不到充分补缩，易出现缩孔、缩松缺陷，以及避免保压时间过长导致的生产周期过长、生产率下降、使升液管上部“冻住”，导致生产停滞的技术问题。

与传统单生液管低压铸造工艺相比，多升液管低压铸造工艺具有如下优点：

一、铝合金新能源汽车电池壳可铸造产品的最小壁厚极降至3mm，通过多升液管有效弥补单生液管时，铝液流长不足的缺陷，可在设备满足的范围内任意设置；

二、铝合金新能源汽车电池壳的生产效率得到有效提升，相比单生液管工艺，可提升20-30%；

三、铝合金新能源汽车电池壳的工艺出品率得到有效提升，相比单生液管工艺，可提升30-50%；

四、铝合金新能源汽车电池壳的合格率得到有效提升，相比单生液管工艺，可提升10-20%。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，呈现本申请的技术方案及其它有益效果。

图1为本申请实施例提供的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法的流程图。

图2为本申请实施例提供的铸造模具的俯视图。

图3为本申请实施例提供的铸造模具的截面结构示意图。

图4为本申请实施例提供的所述低压铸造的各个阶段充型压力曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

具体的，请参阅图1，本申请实施例提供一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，包括步骤S1-S6。

S1、铝液熔炼步骤，将铝合金高温融化成铝液，并通过成分控制、铝液精炼等工艺确保铝液质量，进行成分调整、精炼、细化晶粒等过程形成合格铝液待用；所述铝液的组分按质量百分比包括：Si ：6.5～7.5%；Fe：≤0.15%；Mg：0.4-0.5%；Sr：0.015-0.02%；Ti：0.15-0.2%；余量：Al及其他杂质。由于电池包材料无需热处理，适当提高Mg含量可提高材料硬度，严格控制Fe含量可以减少材料脆性，通过Sr变质，Ti细化晶粒可以提高材料强度。

S2、设置铸造工艺设计步骤，按照新能源汽车电池壳结构形状设置铸造模具，铸造模具采用多浇口进料的方式。铝合金新能源汽车电池壳呈水平放置，采用类似开放式浇注系统的方法，用多个浇口进料；所述浇口间隔设置，根据铸造产品的结构及铝液流长进行排布；浇口部位模具上采用过度镶件和保温套的形式，以使浇道能够在下部有良好的保温性能延迟凝固，过度镶件处温度略低于保温套处，从而形成浇口颈，铝液凝固后可固液状态分离。请参阅图2、图3，所述铸造模具将预制作的铝合金新能源汽车电池壳多升液管的腔体1呈水平放置，所述铸造模具具有多个浇口2连通至该腔体1，所述浇口2间隔设置，在所述铸造模的侧部设有与所述浇口2对应的冷却点3，所述冷却点3的数量小于或等于所述浇口2的数量。本实施例中，所述浇口2的数量为16个，所述冷却点3的数量为10个。在靠近侧边支架的位置设置浇口2，有利于热节位置补缩，沿浇口2设置浇道延伸段，有利于增加铝液流长，保证充型。通过镶块缝隙、顶杆缝隙、排气塞等机构设计排气机构，有利于薄壁加强筋末端充型，保证铸件的完整性。

S3、低压铸造浇注步骤，将所述铝液浇注到所述铸造模具中，经升液、充型、增压补缩、保压凝固、泄压、冷却过程形成最终产品；所述铝液的浇注温度范围为720-740℃。其中，如图4所示，所述低压铸造包括升液阶段、充型过度阶段、充型阶段、增压补缩阶段及保压凝固阶段；所述升液阶段的充型压力为0-170mbar，充型时长为10s；所述充型过度阶段的充型压力为170-210mbar，充型时长为8s；所述充型阶段的充型压力为210-260mbar，充型时长为7s；所述增压补缩阶段的充型压力为260-500mbar，充型时长为5s；所述保压凝固阶段的充型压力为500-500mbar，充型时长为290s。

根据铝合金新能源汽车电池壳多升液管产品的结构特征，升液阶段为升液，主要保证铝液快速平稳上升，保持各个升液管内铝业处于同一水平面；充型过度阶段为铝液进入型腔并平铺展开，由于该产品的壁厚只有3.5mm，充型速度的控制非常关键，既要考虑铝液温度保证其流动性，又要考虑充型速度处于紊流临界线以下，通过演算和多次实验，确定充型速率为5mbar/s；充型阶段为充型，主要保证产品的纵向充型，确定充型速度为7mar/s，增压补缩阶段为增压，主要作用是保证产品的末端补缩，考虑到增大补缩压力，合模线飞边增大的因素，增压压力设为充型压力的2倍，保压凝固阶段为保压冷却。

在所述低压铸造步骤中，从所述充型过度阶段开始进行冷却水冷却铸造模具，所述冷却水保持100s-140s，优选120s，空气压力控制在0.4-0.5MPa。

其中，在所述低压铸造步骤中，所述充型压力满足

；其中P为充型压力，u为阻力系数，

为金属液密度，g为重力加速度，h为液面上升高度。

液态金属在一定压力下结晶，使铸件在凝固过程中，坩埚内的液态金属在压力作用下经升液管、浇注系统源源不断的铸件进行补缩，可有效的消除缩孔、缩松，提高组织致密度。

结晶压力越高，对提高铸件的致密度是有利的，但由于铸型及设备条件等限制因素的限制，结晶压力也不能太高。对于有砂芯的铸件需在增压之前考虑结壳时间，一般为5-15s，当铸件表层形成具有一定厚度的 “壳”后，再继续增压，可以避免液态金属渗入砂芯中，减少机械粘砂的机率。

通过经验及实验确定：对于有砂芯的产品，增压增压压力一般比充型压力大100-200mbar；对于无砂芯的产品，增压增压压力一般比充型压力大300-400mbar，如果条件允许可以适当增大。

保压时间是在保持恒定的增压压力作用下铸件凝固阶段所需的时间，保压时间不足，铸件的凝固得不到充分补缩，易出现缩孔、缩松缺陷，严重时铸件尚未完全凝固。若保压时间过长，轻则使生产周期过长、生产率下降，严重时会使升液管上部“冻住” ，导致生产停滞。

在所述低压铸造步骤中还包含低压铸造时的充型速度；所述充型速度满足

；其中V为充型速度，Re为雷诺系数，v为金属液在升液管中的流动速度，R为型腔水力学半径。充型速度过大将使充型过程变得不平稳，加剧紊流，甚至引起金属液的飞溅，这也会产生气包、氧化夹杂，并且有可能出现由于憋气而产生欠铸、轮廓不清的缺陷。另一方面，金属液在型腔中的平均流速不能小于该铸造条件下某一最小允许上升速度Vmin，满足这一条件才可以保证铸型的充填性，而不至于形成欠铸、冷隔及其他类似缺陷。

在充型速度参数确定时，分析产品结构，确定分段位置→测量产品高度，计算加压压力→根据产品结构及经验给出升液速度→现场验证调整。电池包属于薄壁平板铸件，在所述升液阶段铝液进入升液口，并充型至铸件突出区域下方区域；在所述充型过度阶段和充型阶段以极慢的速度（不断流为准）进行充型至结束。充型速度一般为：5~20mbar/s，根据铝液温度、模温、铸件结构等综合考虑。

其中在脱模并静置冷却至室温时，为控制零件变形采用以下两个措施：均匀布局模具顶杆，保证铸件顶出时受力平衡；产品出模后，铸件放置在镂空支架上，保证平板面支撑，直至产品冷却至室温。

S4、铸造精整修复步骤，对铸造形成的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行精整修复。主要是去除所述浇口及所述冷却点位置多余的结构。

S5、外形校正步骤，对铸造形成的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行外形校正。

S6、检测步骤，对精整修复和外形校正后的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行检测。

本发明其中一实施例中还提供一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管，其采用前文所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法进行制作。

本发明的有益效果在于，提供一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管及其低压铸造方法，通过合理设置铸造时的充型压力和充型速度以及时长，能够有效的消除缩孔、缩松以提高组织致密度，避免保压时间不足导致的铸件的凝固得不到充分补缩，易出现缩孔、缩松缺陷，以及避免保压时间过长导致的生产周期过长、生产率下降、使升液管上部“冻住”，导致生产停滞的技术问题。

而且，电池包壳体通过一体化铸造成型，使铝合金型材焊接电池包壳体的零件数量由20-30个减少到1个，工序得到简化，产品整体性能得以提升；铸造工艺采用多升液管设计，使薄壁、大面积平板铸件的成型状态得以保证；通过多点进料，冷却工艺调整模具温度，实现铸件横向同时凝固，纵向顺序凝固。

以上对本申请实施例所提供的一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，包括步骤：

铝液熔炼步骤，将铝合金熔化成铝液；

铸造工艺设计步骤，按照新能源汽车电池壳结构形状设置铸造模具，所述铸造模具采用多浇口进料的方式；以及

低压铸造浇注步骤，将所述铝液浇注到所述铸造模具中，经升液、充型、增压补缩、保压凝固、泄压、冷却过程形成最终产品；

其中，所述低压铸造包括升液阶段、充型过度阶段、充型阶段、增压补缩阶段及保压凝固阶段；

所述升液阶段的充型压力为0-170mbar，充型时长为10s；

所述充型过度阶段的充型压力为170-210mbar，充型时长为8s；

所述充型阶段的充型压力为210-260mbar，充型时长为7s；

所述增压补缩阶段的充型压力为260-500mbar，充型时长为5s；

所述保压凝固阶段的充型压力为500-500mbar，充型时长为290s。

2.根据权利要求1所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，在所述铝液熔炼步骤中，所述铝液的组分按质量百分比包括：

Si ：6.5～7.5%；

Fe：≤0.15%；

Mg：0.4-0.5%；

Sr：0.015-0.02%；

Ti：0.15-0.2%；

余量：Al及其他杂质。

3.根据权利要求1所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，在所述设置铸造工艺设计步骤中，铝合金新能源汽车电池壳呈水平放置，采用类似开放式浇注系统的方法，用多个浇口进料；所述浇口间隔设置，根据铸造产品的结构及铝液流长进行排布；浇口部位模具上采用过度镶件和保温套的形式，以使浇道能够在下部有良好的保温性能延迟凝固，过度镶件处温度略低于保温套处，从而形成浇口颈，铝液凝固后可固液状态分离。

4.根据权利要求1所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，在所述低压铸造步骤中，所述铝液的浇注温度范围为720-740℃。

5.根据权利要求1所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，在所述低压铸造步骤中，从所述充型过度阶段开始进行冷却风冷却铸造模具，所述冷却风保持100s-140s，空气压力控制在0.4-0.5MPa。

6.根据权利要求5所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，所述冷却风保持120s。

7.根据权利要求1所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，在所述低压铸造步骤之后还包括：

铸造精整修复步骤，对铸造形成的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行精整修复；

外形校正步骤，对铸造形成的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行外形校正；以及

检测步骤，对精整修复和外形校正后的所述铝合金新能源汽车电池壳多升液管进行检测。

8.根据权利要求1所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，在所述低压铸造步骤中，所述充型压力满足

；其中P为充型压力，u为阻力系数，

为金属液密度，g为重力加速度，h为液面上升高度。

9.根据权利要求1所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法，其特征在于，在所述低压铸造步骤中，还包含低压铸造时的充型速度；所述充型速度满足

；其中V为充型速度，Re为雷诺系数，v为金属液在升液管中的流动速度，R为型腔水力学半径。

10.一种铝合金新能源汽车电池壳多升液管，其特征在于，采用权利要求1所述的铝合金新能源汽车电池壳多升液管低压铸造方法进行制作。

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