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在新能源汽车中，整套集成控制器内部承载了车载充电器、电机控制器、降压斩波电源、整车控制器和高压配电盒。车载充电器是新能源汽车充电系统的关键组成部分，要求具备良好的性能。为了满足电力需求，电动汽车车载充电器的电子元器件功率都比较高，而且在运行中会产生很多热量，此时车载充电器壳体的设计及制造工艺变得非常重要。因强电、弱电、冷却、承载、结构等性能指标需求，对壳体压铸件的孔隙率、尺寸精度和组件的密封性、散热性和强度等提出更加苛刻制造要求。铝合金具有轻质且柔软、强度好、耐蚀性能好、加工性能好、易于再生等特点，广泛应用于汽车、航空、机械、通信等领域。车载充电器壳体一般采用铝合金压铸生产，然后进行机械加工，但气孔、缩孔、龟裂等缺陷经常导致铸件合格率较低。
本研究针对新能源汽车车载充电器壳体工艺复杂，强度、气密性要求高等特点，对该壳体进行模具设计、CAE分析及缺陷预测。在Hypermesh软件中建立有限元网格，然后在ProCAST软件中对模型的流动充型、压铸模具热平衡和温度场进行分析，并对生产出的铸件进行X射线探伤观察。
图文结果
车载充电器壳体零件示意图见图1。壳体材质为AlSi9Cu3合金，其化学成分见表1。壳体质量为5.575kg，内部结构复杂，整体厚度较薄，且壁厚差大，最小壁厚为1.5mm，最大壁厚为19mm。铸件的收缩率要求为6%，要求高致密度和低孔隙率。壳体分型面见图2。在压铸模具中，分型面是指模具的两个主要部分之间的接触面或分离面，以保证开模后铸件保持在动模侧面，便于顶出，并应设置在压铸件尺寸轮廓的最大截面上。由于产品结构非常复杂，内部结构不能直接成形，需要采用滑块进行成形。选取图2中的C-C面作为分型面。
(a)壳体三维图
(b)壳体工程图
图1 壳体零件图
表1 AlSi9Cu3合金的化学成分(%)
图2 壳体的分型面
图3 壳体的零件浇注系统
图4为壳体零件冷却系统。不同于常规冷却水道，该壳体零件使用针对某些特定位置设计的高压点冷机构，通过在深腔模具或型芯上钻孔，并在孔中放入水冷管完成冷却工作，见图4c。当深腔模具或型芯被大量的铝液包裹时，极易造成其过热，引起黏模拉伤、热裂纹等，需要通点冷却水进行强制冷却（可插铜管），并保证冷却水冷进热出达到冷却效果。该技术可以控制冷却介质在模具内的停留时间，保证模具表面保持最佳温度状态；该工艺也能保证细小型芯的寿命，使其不易破碎。水冷管的工作原理见图4c。
在UG & NX中完成新能源汽车车载充电器壳体的三维建模。建模完成后，输出igs格式的文件，导入HyperMesh中划分铸件和模具的面网格，输出.out格式的文件导入ProCAST的MeshCAST，生成.vdb格式，对新能源汽车车载充电器壳体进行CAE分析，对面网格检查修复后生成体网格。CAE面网格见图5，铸件和浇注系统采用2mm的网格进行划分，模具采用20mm的网格进行划分，达到控制网格数量并兼顾CAE分析的精确性，压铸件和模具的网格数为578万。在ProCAST中模拟设置，进行仿真计算。
(a)集水块
(b)点冷管
(c)点冷工作原理
(d)整套冷却系统
图4 壳体零件冷却系统
(a)局部铸件面网格
(b)壳体零件有限元网格
图5 CAE面网格划分
表2 压铸工艺参数
表3 接触面传热系数
铸件在充型过程中不同时刻的流场分布情况见图6，铸件充型时间分布见图7。整个填充过程为0.2427s，开始时金属液沿壁进入型腔，流动平稳，各流道金属液流速差距不大。铸件左右两侧的金属液填充充足且均匀，充型过程整体推进，避免了金属液沿壁腔回流形成的“涡流”。金属液最后填充的位置是离浇口距离最远的溢流槽，基本实现了填充顺序。
图6 铸件充型过程流场图
图7 铸件充型时间分布图
在铸件的表面上选取了3个温度分析点，见图8中1~3，并对该铸件进行12次压铸循环，见图9。经过12次压铸，铸件已经达到热平衡状态，选取铸件在4个关键时刻的温度场进行分析，即第12个循环中充型前、充型后、充型保压和喷涂脱模剂时的时刻。可以看出，充型前，铸件的温度趋于平衡，基本处于370℃左右；充型后，铸件的温度逐渐上升并达到峰值；在保压阶段，模具通过向空气散发热量以及模具的冷却系统的工作带走模具内大部分热量；在开模、喷脱模剂和喷气阶段，型腔表面绝大部分热量被散发出去，表面温度迅速下降，大部分的模具型腔表面温度下降到420℃以下，铝液基本实现凝固，铸件在不同阶段的温度场见图10。可以看出冷却系统对降温起到很大作用，可见冷却系统设计合理。
图8 铸件温度分析选点图
图9 温度变化曲线图
图10 铸件在不同阶段的温度场
图11 壳体缩孔缩松缺陷分布预测图
可以看出，铸件的缩孔主要集中在铸件的侧面厚壁处和腔内的复杂特征处。形成这些缩孔的原因主要有排气不良、压铸参数不当造成卷气以及产品壁厚差过大等。改进这些缩孔需要保证模具排气通畅不堵死；调整好压铸参数，充型速度不可过快，防止卷气，并适当降低浇注温度。车载充电器壳体在铸造过程中，随着铝液进入模具中，模具中的气体空间逐渐被铝液填充，见图12，深色部分为是气体，当铝液占据气体的空间后，可以看出，仍有部分气体单独存在，这部分气体主要受铝液的浇注速度、浇道的设计方式等因素影响，这些单独存在的气体在铝液完全填充后有一部分会依然存在，形成气孔缺陷。可以通过提高熔体温度、改善浇注系统、提高压力和速度，或者是采用真空铸造技术来减少此类缺陷。基于车载充电器壳体压铸模具设计，采用优化的压铸工艺参数，对车载充电器壳体进行试样生产，并在产品中选取该壳体上壁厚较大的A~F处对其进行局部X射线探伤。压铸生产零件局部探伤选点见图13。
图12 壳体在浇注中不同时间内部气体分布图
图13 压铸生产零件局部探伤选点图
图14 壳体铸件的 X 射线局部探伤图
结论
（1）对新能源汽车车载充电器壳体进行浇排系统、冷却系统以及模具结构的设计。对此壳体的设备安装座、变压器座、安装孔等复杂凹凸结构进行了合理的设计。
（2）在优化压铸工艺条件下，压铸件充型过程中金属液流动平稳，符合铸件充型次序，选取模具和铸件第12次循环后的温度场进行分析，验证了温度场变化以及冷却系统设计的合理性。
（3）将压铸件X射线探伤检测结果和ProCAST数值模拟结果对比，发现实际检测出的气孔缩孔位置与数值模拟的缺陷区域分布位置基本一致。
本文作者：
吴涵超1,2 刘立君2 贾志欣2 李继强2 潘曙光3
1.浙江理工大学机械工程学院；2.浙大宁波理工学院机电与能源动力学院；3.宁波隆源精密机械有限公司
完
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