Pin là thành phần cốt lõi của xe điện, và hiệu suất của nó quyết định các chỉ số kỹ thuật như tuổi thọ pin, mức tiêu thụ năng lượng và tuổi thọ của xe điện. Khay pin trong mô-đun pin là thành phần chính thực hiện các chức năng mang, bảo vệ và làm mát. Cụm pin mô-đun được bố trí trong khay pin, cố định trên khung xe thông qua khay pin, như thể hiện trong Hình 1. Vì được lắp đặt ở phía dưới thân xe và môi trường làm việc khắc nghiệt, khay pin cần có chức năng ngăn ngừa va đập và đâm thủng của đá để tránh hư hỏng mô-đun pin. Khay pin là một bộ phận kết cấu an toàn quan trọng của xe điện. Sau đây giới thiệu quy trình tạo hình và thiết kế khuôn của khay pin hợp kim nhôm cho xe điện.
Hình 1 (Khay đựng pin bằng hợp kim nhôm)
1 Phân tích quy trình và thiết kế khuôn mẫu
1.1 Phân tích đúc
Khay pin hợp kim nhôm cho xe điện được thể hiện trong Hình 2. Kích thước tổng thể là 1106mm x 1029mm x 136mm, độ dày thành cơ bản là 4mm, chất lượng đúc khoảng 15,5kg, chất lượng đúc sau khi gia công khoảng 12,5kg. Vật liệu là A356-T6, độ bền kéo ≥ 290MPa, giới hạn chảy ≥ 225MPa, độ giãn dài ≥ 6%, độ cứng Brinell ≥ 75~90HBS, cần đáp ứng các yêu cầu về độ kín khí và IP67&IP69K.
Hình 2 (Khay đựng pin bằng hợp kim nhôm)
1.2 Phân tích quy trình
Đúc áp lực thấp là phương pháp đúc đặc biệt giữa đúc áp lực và đúc trọng lực. Phương pháp này không chỉ có ưu điểm là sử dụng khuôn kim loại cho cả hai phương pháp mà còn có đặc tính điền đầy ổn định. Đúc áp lực thấp có ưu điểm là điền đầy từ dưới lên trên với tốc độ thấp, dễ kiểm soát tốc độ, va đập và bắn tung tóe nhôm lỏng, ít xỉ oxit, mật độ mô cao và tính chất cơ học cao. Trong quá trình đúc áp lực thấp, nhôm lỏng được điền đầy trơn tru, vật đúc đông đặc và kết tinh dưới áp suất, tạo ra vật đúc có cấu trúc đặc chắc, tính chất cơ học cao và hình thức đẹp, thích hợp để tạo hình các vật đúc thành mỏng kích thước lớn.
Theo tính chất cơ học yêu cầu của vật đúc, vật liệu đúc là A356, có thể đáp ứng nhu cầu của khách hàng sau khi xử lý T6, nhưng tính lưu động rót của vật liệu này thường đòi hỏi phải kiểm soát hợp lý nhiệt độ khuôn để sản xuất ra các sản phẩm đúc lớn và mỏng.
1.3 Hệ thống rót
Xét đến đặc điểm của vật đúc lớn và mỏng, cần thiết kế nhiều cửa rót. Đồng thời, để đảm bảo quá trình rót nhôm lỏng diễn ra trơn tru, người ta thêm các kênh rót tại cửa sổ, các kênh này cần được loại bỏ bằng cách xử lý sau. Hai sơ đồ quy trình của hệ thống rót đã được thiết kế ở giai đoạn đầu và so sánh từng sơ đồ. Như thể hiện trong Hình 3, sơ đồ 1 bố trí 9 cửa rót và thêm các kênh cấp liệu tại cửa sổ; sơ đồ 2 bố trí 6 cửa rót từ phía vật đúc cần tạo hình. Phân tích mô phỏng CAE được thể hiện trong Hình 4 và Hình 5. Sử dụng kết quả mô phỏng để tối ưu hóa cấu trúc khuôn, cố gắng tránh tác động bất lợi của thiết kế khuôn đến chất lượng vật đúc, giảm khả năng xảy ra lỗi đúc và rút ngắn chu kỳ phát triển của vật đúc.
Hình 3 (So sánh hai sơ đồ quy trình cho áp suất thấp
Hình 4 (So sánh trường nhiệt độ trong quá trình nạp)
Hình 5 (So sánh các khuyết tật về độ xốp co ngót sau khi đông đặc)
Kết quả mô phỏng của hai sơ đồ trên cho thấy nhôm lỏng trong khoang di chuyển lên trên gần như song song, phù hợp với lý thuyết điền đầy song song toàn bộ nhôm lỏng, và các bộ phận xốp co ngót mô phỏng của vật đúc được giải quyết bằng phương pháp làm nguội tăng cường và các phương pháp khác.
Ưu điểm của hai phương án: Xét về nhiệt độ của nhôm lỏng trong quá trình điền đầy mô phỏng, nhiệt độ đầu xa của vật đúc được tạo thành theo phương án 1 có độ đồng đều cao hơn so với phương án 2, thuận lợi cho việc điền đầy khoang. Vật đúc được tạo thành theo phương án 2 không có cặn cổng như phương án 1. Độ xốp co ngót tốt hơn phương án 1.
Nhược điểm của hai phương án: Do cổng được bố trí trên vật đúc để tạo hình trong phương án 1 nên sẽ có cặn cổng trên vật đúc, tăng khoảng 0,7ka so với vật đúc ban đầu. Từ nhiệt độ của nhôm lỏng trong quá trình mô phỏng điền đầy của phương án 2, nhiệt độ của nhôm lỏng ở đầu xa đã thấp và mô phỏng ở trạng thái lý tưởng của nhiệt độ khuôn, do đó khả năng chảy của nhôm lỏng có thể không đủ ở trạng thái thực tế và sẽ có vấn đề khó khăn trong quá trình đúc khuôn.
Kết hợp với việc phân tích các yếu tố khác nhau, phương án 2 đã được chọn làm hệ thống rót. Do những hạn chế của phương án 2, hệ thống rót và hệ thống gia nhiệt được tối ưu hóa trong thiết kế khuôn. Như thể hiện trong Hình 6, ống đứng tràn được bổ sung, có lợi cho việc rót nhôm lỏng và giảm hoặc tránh xảy ra khuyết tật trong quá trình đúc.
Hình 6 (Hệ thống rót tối ưu)
1.4 Hệ thống làm mát
Các bộ phận và khu vực chịu ứng suất có yêu cầu hiệu suất cơ học cao của vật đúc cần được làm mát hoặc cấp liệu đúng cách để tránh rỗ co ngót hoặc nứt nhiệt. Độ dày thành cơ bản của vật đúc là 4mm và quá trình đông đặc sẽ bị ảnh hưởng bởi sự tản nhiệt của chính khuôn. Đối với các bộ phận quan trọng của nó, một hệ thống làm mát được thiết lập, như thể hiện trong Hình 7. Sau khi hoàn tất việc đổ đầy, hãy cho nước đi qua để làm mát và thời gian làm mát cụ thể cần được điều chỉnh tại vị trí đổ để đảm bảo rằng trình tự đông đặc được hình thành từ đầu cổng đến đầu cổng, và cổng và ống đứng được đông đặc ở cuối để đạt được hiệu ứng cấp liệu. Bộ phận có độ dày thành dày hơn áp dụng phương pháp thêm nước làm mát vào miếng chèn. Phương pháp này có hiệu quả tốt hơn trong quá trình đúc thực tế và có thể tránh rỗ co ngót.
Hình 7 (Hệ thống làm mát)
1.5 Hệ thống xả
Do khoang đúc áp suất thấp được đóng kín, nên nó không có khả năng thoáng khí tốt như khuôn cát, và cũng không thoát khí qua ống đứng trong quá trình đúc trọng lực nói chung, khí thoát ra từ khoang đúc áp suất thấp sẽ ảnh hưởng đến quá trình nạp nhôm lỏng và chất lượng vật đúc. Khuôn đúc áp suất thấp có thể thoát khí qua các khe hở, rãnh thoát khí và nút thoát khí ở bề mặt phân khuôn, thanh đẩy, v.v.
Thiết kế kích thước ống xả trong hệ thống ống xả phải thuận lợi cho việc xả mà không bị tràn, một hệ thống ống xả hợp lý có thể ngăn ngừa các khuyết tật của vật đúc như không đủ độ đầy, bề mặt lỏng lẻo và độ bền thấp. Khu vực đổ đầy cuối cùng của nhôm lỏng trong quá trình rót, chẳng hạn như phần tựa bên và ống đứng của khuôn trên, cần được trang bị khí thải. Xét đến thực tế là nhôm lỏng dễ chảy vào khe hở của nút xả trong quá trình đúc áp suất thấp thực tế, dẫn đến tình trạng nút xả khí bị kéo ra khi khuôn mở, ba phương pháp được áp dụng sau nhiều lần thử nghiệm và cải tiến: Phương pháp 1 sử dụng nút xả khí thiêu kết luyện kim bột, như thể hiện trong Hình 8(a), nhược điểm là chi phí sản xuất cao; Phương pháp 2 sử dụng nút xả kiểu đường may có khe hở 0,1 mm, như thể hiện trong Hình 8(b), nhược điểm là đường may khí thải dễ bị tắc sau khi phun sơn; Phương pháp 3 sử dụng nút xả cắt dây, khe hở là 0,15~0,2 mm, như thể hiện trong Hình 8(c). Nhược điểm là hiệu suất gia công thấp và chi phí sản xuất cao. Cần lựa chọn các loại nút xả khác nhau tùy theo diện tích thực tế của vật đúc. Thông thường, nút xả thiêu kết và nút xả cắt dây được sử dụng cho khoang đúc, còn đầu lõi cát được sử dụng loại mối nối.
Hình 8 (3 loại nút xả phù hợp cho đúc khuôn áp suất thấp)
1.6 Hệ thống sưởi ấm
Đúc có kích thước lớn và độ dày thành mỏng. Trong phân tích dòng chảy khuôn, lưu lượng của nhôm lỏng ở cuối quá trình điền đầy không đủ. Nguyên nhân là nhôm lỏng quá dài để chảy, nhiệt độ giảm, nhôm lỏng đông đặc trước và mất khả năng chảy, xảy ra hiện tượng đóng nguội hoặc rót không đủ, ống đứng của khuôn trên sẽ không thể đạt được hiệu quả cấp liệu. Dựa trên những vấn đề này, nếu không thay đổi độ dày thành và hình dạng của vật đúc, hãy tăng nhiệt độ của nhôm lỏng và nhiệt độ khuôn, cải thiện tính lưu động của nhôm lỏng và giải quyết vấn đề đóng nguội hoặc rót không đủ. Tuy nhiên, nhiệt độ nhôm lỏng và nhiệt độ khuôn quá cao sẽ tạo ra các mối nối nhiệt mới hoặc độ xốp co ngót, dẫn đến lỗ kim phẳng quá mức sau khi gia công đúc. Do đó, cần phải chọn nhiệt độ nhôm lỏng và nhiệt độ khuôn phù hợp. Theo kinh nghiệm, nhiệt độ của nhôm lỏng được kiểm soát ở khoảng 720℃ và nhiệt độ khuôn được kiểm soát ở khoảng 320~350℃.
Do khối lượng lớn, độ dày thành mỏng và chiều cao thấp của vật đúc, hệ thống gia nhiệt được lắp đặt ở phần trên của khuôn. Như thể hiện trong Hình 9, hướng ngọn lửa hướng về phía đáy và thành khuôn để làm nóng mặt đáy và thành khuôn. Tùy thuộc vào tình hình rót tại chỗ, điều chỉnh thời gian gia nhiệt và ngọn lửa, kiểm soát nhiệt độ phần khuôn trên ở mức 320-350℃, đảm bảo độ chảy của nhôm lỏng trong phạm vi hợp lý và làm cho nhôm lỏng lấp đầy khoang và ống đứng. Trong quá trình sử dụng thực tế, hệ thống gia nhiệt có thể đảm bảo hiệu quả độ chảy của nhôm lỏng.
Hình 9 (Hệ thống sưởi ấm)
2. Cấu trúc khuôn và nguyên lý hoạt động
Theo quy trình đúc áp lực thấp, kết hợp với đặc tính đúc và cấu trúc thiết bị, để đảm bảo vật đúc thành phẩm nằm trong khuôn trên, khuôn trên được thiết kế các cấu trúc kéo lõi trước, sau, trái và phải. Sau khi vật đúc được tạo hình và đông đặc, khuôn trên và khuôn dưới được mở trước, sau đó kéo lõi theo 4 hướng, cuối cùng tấm trên của khuôn trên đẩy vật đúc thành phẩm ra ngoài. Cấu trúc khuôn được thể hiện trong Hình 10.
Hình 10 (Cấu trúc khuôn)
Biên tập bởi May Jiang từ MAT Aluminum
Thời gian đăng: 11-05-2023
