Почему высокотоннажный алюминиевый литьевой пресс необходим для корпусов аккумуляторов электромобилей?

Масштабная проблема, изменившая отрасль

Корпуса аккумуляторных батарей электромобилей — это не мелкие детали. Типичный корпус аккумуляторного блока электромобиля имеет длину и ширину более одного метра, а также сложное внутреннее ребристое строение, крепёжные точки и каналы охлаждения. Литьё такой геометрии за один цикл требует оборудования, способного делать больше, чем просто закрывать форму с достаточным усилием. Для этого необходима зажимная мощность, измеряемая тысячами тонн, системы литья под давлением, способные заполнить массивные полости до начала затвердевания алюминия, а также система терморегулирования, обеспечивающая стабильность всего процесса.

Переход на высокотоннажные машины для литья под давлением алюминиевых корпусов аккумуляторных батарей электромобилей — это не модное увлечение. Это прямой ответ на физические требования, предъявляемые самой деталью. Любое оборудование мощностью менее примерно 2500 тонн просто не в состоянии удерживать форму таких размеров в закрытом состоянии при давлении литья, необходимом для её заполнения.

Что на самом деле означает «высокотоннажное» в данном контексте

В мире литья под давлением алюминия высокая мощность начинается примерно с 2000 тонн и возрастает от этого значения. Станки, используемые для производства корпусов аккумуляторных батарей электромобилей (EV), обычно имеют мощность в диапазоне от 2500 до 6000 тонн, а некоторые из крупнейших интегрированных литейных производств достигают 10 000 тонн и более.

Значение мощности указывает на силу зажима — то есть величину давления, которое станок прикладывает для удержания двух половин пресс-формы в закрытом состоянии во время впрыска. Алюминий впрыскивается при давлении от 100 до 200 МПа . Это давление действует на поверхности пресс-формы, стремясь раздвинуть их. Если сила зажима недостаточна, половины пресс-формы слегка расходятся, что приводит к образованию заусенцев, погрешностям размеров, а в тяжёлых случаях — к полному отказу детали.

Для корпуса аккумуляторной батареи, проекционная площадь которого может составлять 1,5 м² и более, общая сила, стремящаяся раскрыть пресс-форму во время впрыска, чрезвычайно велика. Станок мощностью 2500 тонн обеспечивает силу зажима 25 000 кН этого достаточно, чтобы удерживать форму такого размера в закрытом состоянии, но едва ли.

Почему для корпусов аккумуляторов требуются более мощные пресс-формы по сравнению с другими автомобильными отливками

Автомобильные отливки, такие как блоки цилиндров и картеры коробок передач, уже много лет изготавливаются на машинах грузоподъёмностью 1500 и 2000 тонн. Корпуса аккумуляторов отличаются от них. Они крупнее, тоньше и имеют более сложную внутреннюю геометрию. Толщина стенок типичного корпуса аккумулятора электромобиля зачастую составляет 2,0 мм или менее. это значительно меньше, чем у блока цилиндров, толщина стенок которого может составлять 3 мм и более.

Тонкие стенки означают, что алюминий остывает быстрее. Более быстрое охлаждение требует завершения процесса литья под давлением в более короткие сроки — до того, как металл затвердеет в литниковой системе или в дальнем конце полости. Для быстрого заполнения большой полости с тонкими стенками требуются высокая скорость и высокое давление литья. Оба этих параметра требуют высокого усилия зажима для удержания формы в закрытом состоянии.

Тенденция к интеграции усугубляет проблему. Производители переходят на отливки единой детали, объединяющие десятки отдельных штамповок и профилей в один компонент. Единый корпус батареи может заменить 50 и более отдельных деталей, исключив операции сварки, крепления и сборки. Однако эта единая деталь крупнее и сложнее любой из заменяемых ею отдельных деталей, что требует ещё большего усилия зажима и ещё более точного контроля литья под давлением.

Проблема пористости, которую можно решить только с помощью высокотоннажного оборудования

Пористость — главный враг любого литья под давлением, однако она особенно губительна для корпусов батарей. Пористость создаёт слабые места, которые могут нарушить структурную целостность при аварии. Кроме того, поры образуют пути проникновения влаги и загрязняющих веществ к элементам батареи.

Машины с высоким тоннажем решают проблему пористости двумя способами. Во-первых, более высокое усилие зажима обеспечивает более плотное прилегание формы, предотвращая поступление воздуха в полость во время впрыска. Во-вторых, системы впрыска на машинах с высоким тоннажем спроектированы так, чтобы обеспечивать более высокие скорости заполнения, что сокращает время, доступное для захвата воздуха.

Машина мощностью 4000 тонн заполняет форму для корпуса аккумулятора на миллисекунды быстрее, чем машина мощностью 2500 тонн, просто потому что её гидравлическая система крупнее, а аккумулятор впрыска — мощнее. Эта разница во времени заполнения напрямую снижает пористость и улучшает механические свойства.

Крупный производитель электромобилей сообщил, что переход от машины мощностью 2500 тонн к машине мощностью 4400 тонн в программе изготовления корпусов аккумуляторов снизил брак, обусловленный пористостью, на 40 % и повысил предел прочности при растяжении отливки на 12 %. Более высокий тоннаж не просто обеспечивал надёжное удержание формы в закрытом состоянии — он позволял осуществлять более быстрое и контролируемое заполнение, в результате чего получалась более плотная и прочная деталь.

Проблема теплового управления

Корпуса аккумуляторов — это не просто конструкционные оболочки. Они также являются компонентами системы теплового управления. Во многих конструкциях предусмотрены интегрированные каналы охлаждения, по которым циркулирует теплоноситель для регулирования температуры аккумулятора. Эти каналы отливаются вместе с деталью, что означает, что литейная форма оснащена сложными стержнями и сдвижными частями, которые необходимо полностью заполнить.

Для полного заполнения таких каналов без пористости или неполного заполнения требуется точный контроль температуры металла, скорости заливки и давления. Пресс-формы высокой грузоподъёмности, как правило, оснащаются более совершенными системами управления инжекцией: многоступенчатыми профилями заливки, мониторингом давления в реальном времени и сервоконтролируемыми плунжерными цилиндрами, способными оперативно корректировать параметры процесса.

Тепловая масса большой литейной формы для аккумуляторных блоков значительна. Сама форма может весить 20 тонн и более. Для нагрева такого количества стали до рабочей температуры и поддержания этой температуры требуется оборудование с мощными системами нагрева и охлаждения. Пресс-формы высокой грузоподъёмности спроектированы таким образом, чтобы выдерживать подобные тепловые нагрузки, чего нельзя сказать о пресс-формах меньшей грузоподъёмности.

Когда высокая грузоподъёмность не является решением

Высокая грузоподъёмность — не универсальное решение. Для небольших отливок — например, массой менее 5 кг и площадью проекции менее 0,5 м² — пресс-форма грузоподъёмностью 2500 тонн избыточна. Стоимость оборудования, энергопотребление и требуемая производственная площадь делают её экономически нецелесообразной для деталей, не нуждающихся в такой мощности.

Существует также кривая обучения. Управление пресс-формой грузоподъёмностью 4000 тонн отличается от управления пресс-формой грузоподъёмностью 1500 тонн. Параметры литья под давлением становятся более чувствительными, управление тепловыми режимами усложняется, а требования к технике безопасности повышаются. Не каждое литейное производство готово к такому переходу.

Однако для корпусов аккумуляторов электромобилей альтернативы действительно нет. Деталь слишком велика, слишком тонка и слишком сложна, чтобы её можно было лить на более мелком оборудовании и при этом соответствовать требованиям автомобильной промышленности к качеству и эксплуатационным характеристикам.

Итоговый вывод по высокотоннажным машинам для корпусов аккумуляторов электромобилей

Необходимость использования высокотоннажных алюминиевых литьевых машин для корпусов аккумуляторов электромобилей обусловлена физическими законами. Деталь крупногабаритная, стенки тонкие, заполнение формы должно происходить быстро, а форма должна оставаться закрытой. Машины с усилием зажима менее 2500 тонн не способны одновременно удовлетворять всем этим требованиям.

Такие производители, как Zhenli, осознали этот тренд и предлагают машины холодного камерного литья с усилием зажима от 1000 до 4500 тонн для удовлетворения потребностей в производстве компонентов электромобилей технологии стремительно развиваются, а требования к тоннажу постоянно растут по мере увеличения размеров и степени интеграции корпусов. Для любого предприятия, вступающего в цепочку поставок электромобилей (EV), вопрос не в том, следует ли инвестировать в пресс-формы высокого тоннажа, а в том, насколько скоро это необходимо сделать.