原标题：压铸新能源水冷型电机壳性能提升的研究

新能源汽车是全球汽车产业转型升级、绿色发展的主要方向，也是我国汽车产业高质量发展的战略选择。随着新能源汽车产销量逐年攀升，驱动了电驱行业的快速发展，电机壳作为其关键部件，需求量也随之增加。新能源电机壳的发展现状呈现出快速增长和技术创新的特点。在产业链和核心技术方面，新能源电机壳体作为新能源汽车的核心零部件之一，其质量和性能直接影响到整车的动力、爬坡能力和加速性能。

新能源驱动电机的散热冷却方式主要有水冷与油冷，水冷型电机在节能和降本方面更具有优势。新能源水冷型电机壳体具有高效、可靠和稳定的热管理功能。水冷型电机壳采用夹层式结构，夹层内设置有螺旋水道，通过进出水管的连接，实现了高效的水循环冷却，显著提高了电机的散热效果。此外，水冷型电机壳的设计还具有轻量化的特点，采用搅拌摩擦焊接技术，进一步减轻了整车的质量，便于运输和安装。这种设计不仅有助于提高电机的运行效率，还能延长电机的使用寿命。水冷电机壳体通常采用高效的冷却系统和精密的制造工艺，确保在高温环境下仍能保持出色的性能。

水冷型电机壳采用A380压铸铝合金，由外壳体+内壳体两部分压铸件构成，经过立车、T5热处理、热套压装、搅拌摩擦焊、焊后组合加工等一系列工序形成一个密封的水冷腔体电机壳。电机内壳铸件的失效模式很多，包括内部质量不致密失效、裂纹失效、磨损失效、腐蚀失效和变形失效等。这些失效模式是由多种因素共同作用的结果，可能包括材料特性、设计和制造工艺以及使用条件等。本研究中该款水冷型电机内壳最主要的失效模式为铸件内部质量不致密失效。电机内壳铸件内部质量不致密会导致其力学性能下降，容易在使用过程中出现泄漏、裂纹、变形等问题，从而影响产品的使用寿命和安全性。轻微内部质量不致密会导致冷却液渗漏，影响电机效率；严重的内部质量不致密可能导致内壳破裂，影响电机的正常运行。

影响电机内壳铸件内部质量不致密因素包括压铸铝合金成分和熔炼工艺、压铸浇注系统设计和压铸工艺参数、T5热处理工艺、热套压装工艺、搅拌摩擦焊工艺等。本研究在压铸铝合金成分和熔炼工艺以及压铸工艺参数固化情况下，重点对浇注系统、T5热处理工艺、热套压装工艺、搅拌摩擦焊工艺4个模块进行研究，探索对其电机内壳性能的影响。

图文结果

电机内壳呈现圆桶状结构，整个产品均属于试漏密封检测区域，因此对其内部质量致密性要求极高。要保证电机内壳内部质量高致密性，铸件浇注系统设计需十分合理。浇注系统通过合理设计内浇口的位置、形状和尺寸，以及确保金属液流动平稳，可以有效保证压铸件内部致密性。开发前期根据电机内壳结构及性能要求，找出适合进浇的位置，预设4种不同的浇注系统，见图1。方案1采用鹰嘴式单侧进浇，方案2采用平搭式中心进浇，方案3采用平搭式单侧进浇，方案4采用鹰嘴式中心进浇。

通过Magma软件对4种不同浇注方案进行模流分析，见图2。方案1采用鹰嘴式浇口，铝液已填充完型腔时铸件侧壁位置仍有较多气体未排出，存在困气、卷气的风险；方案2采用中心进浇，铝料从内壳中心进入型腔，浇口分布均匀，铝液填充一致性好，流态平顺，无包卷紊流情况，型腔内的气体能够顺利排出，产生气孔的风险性小；方案3采用平搭式浇口，由于内壳型腔较深，填充不顺畅，填充完成后，内壳侧壁含气量较大；方案4采用鹰嘴式浇口，在内壳侧壁上进浇，填充顺畅但存在严重汇流包卷情况，汇流包卷位置温度下降快，存在较大的成形不良和气孔外露风险。因此基于模流结果，最终电机内壳浇注系统选择方案2平搭式中心进浇，浇口布置在电机内壳圆桶底部加工孔孔壁。

图1 4种不同的浇注方案三维图

图2 4种不同浇注系统的模流含气量分析图

确认最佳进料位置设计方案（平搭式中心进浇）后再对其进行排渣位置设计，最终排渣位置设计方案见图3和图4。通过对方案2浇注系统进行材料粒子追踪分析，采用中间直线式进浇，模具腔体内气体能被快速往电机内壳排气端排出，但铸件水尾有部分气体撞击后回流到铸件内部，形成卷气，从而影响铸件内部质量致密性。因此在方案2基础上再进行优化改善，将内浇口设计成与直浇道夹角<90°，以旋转式进浇方式填充模具型腔，模流分析材料粒子追踪见图4。铝液在电机内壳圆桶铸件内部进行螺旋式填充，将模具内气体挤出，未出现明显铝液回流现象，能改善电机内壳铸件内部质量的致密性，提升铸件性能。

图3 中间直线式进浇粒子追踪图
（t=0.313 11 s）

图4 中间旋转式进浇粒子追踪图
（t=0.375 48 s）

电机内壳T5热处理是指铸件在高温压铸成形冷却后进行人工时效处理。这个过程有助于消除铸造过程中产生的内部应力，改善其力学性能。电机内壳材质采用A380压铸铝合金，铸件本体取样力学性能要求：抗拉强度≥256 MPa，伸长率≥1%，屈服强度≥150 MPa。针对该款电机内壳进行自然时效和T5热处理，再对其6种试样条件下同一位置本体取样测力学性能，结果见表1。从表1可知，电机内壳经过T5热处理（210 ℃保温75 min+风冷20 min）后铸件本体取样力学性能可以满足要求。T5热处理通过均匀化内部应力和减少应力集中，有效防止了气孔缺陷的形成，从而提升铸件的性能。

表1 电机壳体本体取样力学性能

热套压装温度设置原则，在保证热套压装过程中不产生剐蹭并确保装配到位的前提下，尽量降低温度，避免对电机壳致密性产生影响。要保证电机内外壳压装时不干涉，电机内外壳定子孔间隙量控制在0.03~-0.07 mm，反推电机外壳定子孔热套膨胀之后需控制孔径为ϕ209.12~ϕ209.24 mm。通过热套温度与电机壳热套孔孔径的试验研究，见图5，其中1号内径为ϕ248.85 mm，2号内径为ϕ208.84 mm，3号内径为ϕ208.85 mm，发现当电机壳热套孔孔径为ϕ209.12~ ϕ209.24 mm区间时，热套加热温度参数窗口为120~140 ℃。热套加热时间与温度的关系见图6，当热套温度在120~140 ℃，得到加热时间参数窗口为15~19 s。

图5 热套加热温度与电机壳热套孔孔径关系图

图6 热套加热温度与加热时间关系图

搅拌摩擦焊过程中，焊接下压量是获得足够摩擦热的关键，同时下压量起到限制塑性流体外溢、保证焊缝成形的作用。转速、进给是影响热输入的主要参数，从而影响接头性能。对于一定形状搅拌焊接头以及焊接区域铸件内部质量好的前提下，影响焊缝内部质量致密性的关键因素是焊接转速、进给速度和下压量。在其他因素不变的情况下，通过针对电机壳搅拌摩擦焊关键工艺参数（转速、进给速度和下压量）进行正交试验研究，确定出最佳工艺参数。三因素水平见表2。

通过DOE试验进行验证，结果见表3。可以看出，转速为750 r/min、进给速度为250 mm/min、下压量为0.3 mm和转速为850 r/min、进给速度为350 mm/min、下压量为0.2 mm两组参数下电机壳内部质量均合格，但后者使搅拌摩擦焊头磨损严重。为保证电机壳铸件内部致密性，最终选择搅拌摩擦焊转速为750 r/min、进给速度为250 mm/min、下压量为0.3 mm。

表2 因素水平表

表3 正交试验结果

结论

（1）某新能源汽车电机内壳采用从内壳底部中心进浇方式，浇口设计成与直浇道夹角小于90°，以旋转式进浇的方式填充模具型腔，可以解决电机内壳圆桶结构填充难问题，从而改善电机内壳铸件内部质量的致密性，提升其铸件性能。

（2）T5热处理（时效温度210 ℃，保温75 min，风冷20 min）通过均匀化内部应力和减少应力集中，有效防止了气孔缺陷的形成，提高了该电机内壳性能。

（3）热套压装工序会扩大铸件缺陷，从而降低铸件内部质量致密性。热套压装工序在120~140 ℃，加热时间为15~19 s时对电机内壳性能影响最小。

（4）基于一定形状搅拌焊头以及焊接区域铸件内部质量好的前提下，影响电机内壳焊接区域内部质量致密性的关键因素是焊接转速、进给速度和下压量。通过DOE试验验证，转速为750 r/min、进给速度为250 mm/min、下压量为0.3 mm时该电机内壳焊接区域内部质量最好，铸件性能理想。

《压铸新能源水冷型电机壳性能提升的研究》

李秋旭1 苏海章2 宋卫嗣1
宗位庆1 曹祝伟1 张围1 徐建1

1 . 广东鸿图南通压铸有限公司；2. 广东鸿图（天津）汽车零部件有限公司

本文转载自：《特种铸造及有色合金》