La batterie est le composant principal d'un véhicule électrique. Ses performances déterminent des indicateurs techniques tels que son autonomie, sa consommation d'énergie et sa durée de vie. Le bac à batterie du module de batterie est le composant principal assurant les fonctions de transport, de protection et de refroidissement. Le bloc-batterie modulaire est disposé dans le bac à batterie et fixé au châssis du véhicule, comme illustré à la figure 1. Installé sous la carrosserie et soumis à des conditions de travail difficiles, le bac à batterie doit protéger le module des impacts de pierres et des perforations afin de le protéger des dommages. Le bac à batterie est un élément structurel essentiel pour la sécurité des véhicules électriques. Ce qui suit présente le procédé de formage et la conception des moules des bacs à batterie en alliage d'aluminium pour véhicules électriques.
Figure 1 (bac à batterie en alliage d'aluminium)
1 Analyse de processus et conception de moules
1.1 Analyse de la coulée
Le support de batterie en alliage d'aluminium pour véhicules électriques est illustré à la figure 2. Ses dimensions hors tout sont de 1 106 mm × 1 029 mm × 136 mm, son épaisseur de paroi de base est de 4 mm, sa qualité de moulage est d'environ 15,5 kg et sa qualité de moulage après usinage est d'environ 12,5 kg. Le matériau utilisé est l'A356-T6, avec une résistance à la traction ≥ 290 MPa, une limite d'élasticité ≥ 225 MPa, un allongement ≥ 6 %, une dureté Brinell ≥ 75~90 HBS et doit répondre aux exigences d'étanchéité à l'air et aux normes IP67 et IP69K.
Figure 2 (bac à batterie en alliage d'aluminium)
1.2 Analyse des processus
Le moulage sous pression basse pression est une méthode de moulage intermédiaire entre le moulage sous pression et le moulage par gravité. Il présente non seulement l'avantage d'utiliser des moules métalliques pour les deux procédés, mais aussi un remplissage stable. Le moulage sous pression basse pression offre les avantages suivants : un remplissage à faible vitesse de bas en haut, une vitesse facile à contrôler, des impacts et projections d'aluminium liquide réduits, une faible production de scories d'oxyde, une densité de tissu élevée et des propriétés mécaniques élevées. Le moulage sous pression basse pression permet un remplissage fluide de l'aluminium liquide, une solidification et une cristallisation sous pression, ainsi qu'une pièce présentant une structure dense, des propriétés mécaniques élevées et un bel aspect, idéale pour la fabrication de grandes pièces à parois minces.
Selon les propriétés mécaniques requises par la coulée, le matériau de coulée est l'A356, qui peut répondre aux besoins des clients après le traitement T6, mais la fluidité de coulée de ce matériau nécessite généralement un contrôle raisonnable de la température du moule pour produire des pièces moulées grandes et minces.
1.3 Système de versement
Compte tenu des caractéristiques des pièces moulées de grandes dimensions et de faible épaisseur, plusieurs points d'injection doivent être conçus. Parallèlement, afin d'assurer un remplissage fluide de l'aluminium liquide, des canaux de remplissage sont ajoutés au niveau de la fenêtre, lesquels doivent être supprimés en post-traitement. Deux schémas de procédé du système de coulée ont été conçus dès le début, et chaque schéma a été comparé. Comme illustré à la figure 3, le schéma 1 dispose de 9 points d'injection et ajoute des canaux d'alimentation au niveau de la fenêtre ; le schéma 2 dispose de 6 points d'injection pour le coulage latéral de la pièce à former. L'analyse de simulation IAO est présentée aux figures 4 et 5. Les résultats de la simulation permettent d'optimiser la structure du moule, d'éviter l'impact négatif de la conception du moule sur la qualité des pièces moulées, de réduire la probabilité de défauts de coulée et de raccourcir le cycle de développement des pièces moulées.
Figure 3 (Comparaison de deux schémas de procédé pour basse pression)
Figure 4 (Comparaison du champ de température pendant le remplissage)
Figure 5 (Comparaison des défauts de porosité de retrait après solidification)
Les résultats de simulation des deux schémas ci-dessus montrent que l'aluminium liquide dans la cavité se déplace vers le haut à peu près parallèlement, ce qui est conforme à la théorie du remplissage parallèle de l'aluminium liquide dans son ensemble, et les parties de porosité de retrait simulées de la pièce moulée sont résolues en renforçant le refroidissement et d'autres méthodes.
Avantages des deux schémas : D'après la température de l'aluminium liquide lors du remplissage simulé, la température de l'extrémité distale de la pièce moulée selon le schéma 1 présente une meilleure uniformité que celle du schéma 2, ce qui favorise le remplissage de la cavité. La pièce moulée selon le schéma 2 ne présente pas de résidus de grille comme dans le schéma 1. La porosité de retrait est meilleure que celle du schéma 1.
Inconvénients des deux schémas : Étant donné que la porte est disposée sur la pièce moulée à former dans le schéma 1, il y aura un résidu de porte sur la pièce moulée, qui augmentera d'environ 0,7 ka par rapport à la pièce moulée d'origine. À partir de la température de l'aluminium liquide dans le remplissage simulé du schéma 2, la température de l'aluminium liquide à l'extrémité distale est déjà basse, et la simulation est dans l'état idéal de la température du moule, de sorte que la capacité d'écoulement de l'aluminium liquide peut être insuffisante dans l'état réel, et il y aura un problème de difficulté dans le moulage par coulée.
Après analyse de divers facteurs, le schéma 2 a été retenu comme système de coulée. Compte tenu de ses inconvénients, le système de coulée et le système de chauffage ont été optimisés lors de la conception du moule. Comme le montre la figure 6, l'ajout d'une colonne montante de trop-plein facilite le remplissage de l'aluminium liquide et réduit, voire évite, l'apparition de défauts dans les pièces moulées.
Figure 6 (Système de coulée optimisé)
1.4 Système de refroidissement
Les pièces soumises à des contraintes et les zones soumises à des exigences de performances mécaniques élevées des pièces moulées doivent être correctement refroidies ou alimentées afin d'éviter les porosités de retrait ou les fissures thermiques. L'épaisseur de paroi de base de la pièce moulée est de 4 mm, et la solidification sera affectée par la dissipation thermique du moule lui-même. Pour les pièces importantes, un système de refroidissement est installé, comme illustré à la figure 7. Une fois le remplissage terminé, l'eau est injectée pour refroidir. Le temps de refroidissement spécifique doit être ajusté sur le site de coulée afin de garantir une séquence de solidification de l'extrémité de la coulée à l'extrémité de la coulée, et la coulée et la masselotte sont solidifiées à la fin pour obtenir l'effet d'alimentation. Pour les pièces à paroi plus épaisse, l'ajout d'eau de refroidissement à l'insert est utilisé. Cette méthode est plus efficace lors du processus de coulée et permet d'éviter les porosités de retrait.
Figure 7 (Système de refroidissement)
1.5 Système d'échappement
La cavité du métal moulé sous pression étant fermée, elle n'offre pas une bonne perméabilité à l'air comme les moules en sable, et l'échappement ne se fait pas par les colonnes montantes de la coulée par gravité. L'échappement de la cavité de coulée sous pression affecte le remplissage de l'aluminium liquide et la qualité des pièces. L'échappement du moule de coulée sous pression peut se faire par les interstices, les rainures d'échappement et les bouchons d'échappement situés sur la surface de joint, la tige de poussée, etc.
La taille de l'échappement du système d'échappement doit permettre un échappement sans débordement. Un système d'échappement adapté peut prévenir les défauts des pièces moulées tels qu'un remplissage insuffisant, une surface lâche et une faible résistance. La zone de remplissage final de l'aluminium liquide pendant le processus de coulée, comme le support latéral et la colonne montante du moule supérieur, doit être équipée d'un système d'échappement. Étant donné que l'aluminium liquide s'écoule facilement dans l'espace du bouchon d'échappement lors du processus de coulée sous pression basse pression, ce qui entraîne l'extraction du bouchon d'air à l'ouverture du moule, trois méthodes ont été adoptées après plusieurs essais et améliorations : la méthode 1 utilise un bouchon d'air fritté par métallurgie des poudres, comme illustré à la figure 8(a), mais son coût de fabrication est élevé ; la méthode 2 utilise un bouchon d'échappement à joint avec un espace de 0,1 mm, comme illustré à la figure 8(b), mais son inconvénient est que le joint d'échappement se bouche facilement après la pulvérisation de peinture ; La méthode 3 utilise un bouchon d'échappement découpé au fil, avec un espace de 0,15 à 0,2 mm, comme illustré à la figure 8(c). Les inconvénients sont une faible efficacité de traitement et un coût de fabrication élevé. Différents bouchons d'échappement doivent être sélectionnés en fonction de la surface de la pièce moulée. Généralement, les bouchons d'échappement frittés et découpés au fil sont utilisés pour la cavité de la pièce moulée, et le type à joint est utilisé pour la tête du noyau en sable.
Figure 8 (3 types de bouchons d'échappement adaptés au moulage sous pression basse pression)
1.6 Système de chauffage
La pièce moulée est de grande taille et ses parois sont fines. L'analyse de l'écoulement du moule révèle un débit insuffisant de l'aluminium liquide à la fin du remplissage. En effet, l'aluminium liquide met trop de temps à s'écouler, la température chute, se solidifie prématurément et perd sa fluidité. Un colmatage à froid ou une coulée insuffisante se produit, et la masselotte de la matrice supérieure ne permet pas l'alimentation. Face à ces problèmes, sans modifier l'épaisseur de paroi ni la forme de la pièce, il est conseillé d'augmenter la température de l'aluminium liquide et celle du moule afin d'améliorer sa fluidité et de résoudre le problème de colmatage à froid ou de coulée insuffisante. Cependant, une température excessive de l'aluminium liquide et du moule peut entraîner la formation de nouvelles jonctions thermiques ou de porosités de retrait, entraînant la formation de piqûres planes excessives après la coulée. Il est donc nécessaire de choisir une température appropriée pour l'aluminium liquide et le moule. L'expérience montre que la température de l'aluminium liquide est contrôlée à environ 720 °C et celle du moule entre 320 et 350 °C.
Compte tenu du volume important, de la faible épaisseur des parois et de la faible hauteur de la pièce, un système de chauffage est installé sur la partie supérieure du moule. Comme illustré à la figure 9, la flamme est dirigée vers le fond et les côtés du moule afin de chauffer le fond et les côtés de la pièce. En fonction des conditions de coulée sur site, ajustez le temps de chauffage et la flamme, maintenez la température de la partie supérieure du moule à 320-350 °C, assurez la fluidité de l'aluminium liquide dans une plage raisonnable et remplissez la cavité et la colonne montante. En pratique, le système de chauffage assure efficacement la fluidité de l'aluminium liquide.
Figure 9 (Système de chauffage)
2. Structure du moule et principe de fonctionnement
Conformément au procédé de coulée sous pression basse pression, aux caractéristiques de la pièce et à la structure de l'équipement, afin de garantir le maintien de la pièce formée dans le moule supérieur, des structures de tirage du noyau avant, arrière, gauche et droite sont conçues sur ce dernier. Une fois la pièce formée et solidifiée, les moules supérieur et inférieur sont ouverts, puis le noyau est tiré dans quatre directions. Enfin, la plaque supérieure du moule supérieur expulse la pièce formée. La structure du moule est illustrée à la figure 10.
Figure 10 (Structure du moule)
Édité par May Jiang de MAT Aluminum
Date de publication : 11 mai 2023
