Чому високотоннажний алюмінієвий литтєвий прес є обов’язковим для корпусів акумуляторів електромобілів?

Масштабна проблема, яка змінила галузь

Корпуси акумуляторів електромобілів — це не малі деталі. Типовий корпус акумуляторного блоку електромобіля має довжину й ширину, що перевищують один метр, і складну внутрішню ребристу структуру, кріпильні елементи та канали охолодження. Відливка такої геометрії за один цикл вимагає машини, яка здатна робити більше, ніж просто закривати форму з достатньою силою. Для цього потрібна затискна потужність у тисячах тонн, системи лиття, здатні заповнити масивні порожнини до того, як алюміній почне кристалізуватися, а також система термокерування, що забезпечує стабільність усього процесу.

Перехід на алюмінієві литтєві машини високої потужності для виготовлення корпусів акумуляторів електромобілів — це не модна тенденція. Це безпосередня відповідь на фізичні вимоги самієї деталі. Будь-яка машина потужністю менше приблизно 2500 тонн просто не зможе утримувати форму такого розміру у закритому стані під тиском лиття, необхідним для її заповнення.

Що насправді означає «висока потужність» у цьому контексті

У світі алюмінієвого лиття під тиском висока потужність починається приблизно з 2000 тонн і зростає далі. Верстати, що використовуються для виготовлення корпусів акумуляторів електромобілів (EV), зазвичай мають потужність у діапазоні від 2500 до 6000 тонн, а деякі з найбільших інтегрованих литтєвих виробництв досягають 10 000 тонн і більше.

Потужність у тоннах вказує на силу замикання — тобто величину тиску, який верстат створює, щоб утримувати дві половини форми щільно закритими під час впорскування. Алюміній впорскується під тиском 100–200 МПа . Цей тиск діє на поверхні форми й намагається розімкнути їх. Якщо сила замикання недостатня, форма трохи розмикається, що призводить до утворення заусіниць, похибок у розмірах, а в тяжких випадках — до повного виходу деталі з ладу.

Для корпуса акумулятора, проекційна площа якого може становити 1,5 квадратних метрів або більше, загальна сила, що намагається розімкнути форму під час впорскування, є надзвичайно великою. Верстат потужністю 2500 тонн забезпечує силу замикання 25 000 кН цього достатньо, щоб утримувати форму такого розміру у закритому стані, але лише впритул. Щойно корпуси стають більшими й інтегрованішими, необхідна сила замикання форми також зростає.

Чому корпуси акумуляторів вимагають більшого навантаження, ніж інші автомобільні литі деталі

Автомобільні литі деталі, такі як блоки циліндрів і картери коробок передач, протягом багатьох років виготовляються на прес-машинах потужністю 1500 т і 2000 т. Корпуси акумуляторів — інша справа. Вони більші, тонші й мають складнішу внутрішню геометрію. Товщина стінок типового корпусу акумулятора EV зазвичай становить 2,0 мм або менше. це значно тонше, ніж у блока циліндрів, де товщина стінок може становити 3 мм або більше.

Тонкі стінки означають, що алюміній охолоджується швидше. Швидше охолодження означає, що процес впорскування має бути завершеним швидше, перш ніж метал затвердіє в литниковій системі або в найвіддаленішій частині порожнини. Щоб швидко заповнити велику порожнину з тонкими стінками, потрібні висока швидкість і високий тиск впорскування. Обидва ці параметри вимагають високої сили замикання форми, щоб утримувати її у закритому стані.

Тенденція до інтеграції загострює проблему. Виробники рухаються у напрямку лиття окремих деталей, що об’єднують десятки окремих штампів та екструзій у один компонент. Єдиний корпус батареї може замінити 50 або більше окремих деталей, усуваючи операції зварювання, кріплення та збирання. Однак ця єдина деталь є більшою та складнішою, ніж будь-яка з окремих деталей, які вона замінює, що означає, що для неї потрібне ще більше зусилля затискання та ще точніше керування процесом лиття під тиском.

Проблема пористості, яку можна вирішити лише за допомогою високотоннажного обладнання

Пористість є ворогом будь-якого лиття під тиском, але особливо шкідлива для корпусів батарей. Пористість створює слабкі місця, які можуть підірвати структурну цілісність під час зіткнення. Вона також створює шляхи проникнення вологи та забруднювачів до акумуляторних елементів.

Високотоннажні машини вирішують проблему пористості двома способами. По-перше, більша сила замикання форми забезпечує щільніше утримання форми у закритому стані, запобігаючи проникненню повітря в порожнину під час впорскування. По-друге, системи впорскування на високотоннажних машинах розроблені так, щоб досягати більшої швидкості заповнення, що скорочує час, протягом якого можливе захоплення повітря.

Машина потужністю 4000 тонн заповнює форму для корпусу акумулятора на кілька мілісекунд швидше, ніж машина потужністю 2500 тонн, просто тому, що її гідравлічна система більшого розміру, а акумулятор впорскування — потужніший. Ця різниця у часі заповнення безпосередньо призводить до зниження пористості та покращення механічних властивостей.

Один із провідних виробників електромобілів повідомив, що перехід від машини потужністю 2500 тонн до машини потужністю 4400 тонн у програмі виготовлення корпусів акумуляторів зменшив брак через пористість на 40 % та покращив межу міцності на розтяг відлитих деталей на 12 %. Збільшення тоннажу забезпечило не лише надійне утримання форми у закритому стані, а й дозволило швидше та точніше заповнити форму, отримавши більш щільну й міцну деталь.

Проблема теплового управління

Корпуси акумуляторів — це не лише конструктивні оболонки. Вони також є компонентами системи теплового управління. У багатьох конструкціях передбачено інтегровані каналі для охолодження, які циркулюють рідиною для регулювання температури акумулятора. Ці канали відливають у деталі, що означає, що форма має складні серцевини та ковзні елементи, які повинні бути повністю заповнені.

Для заповнення таких каналів без пористості чи неповного заповнення потрібен точний контроль температури металу, швидкості заповнення та тиску. Прес-формувальні машини великої потужності, як правило, оснащені більш досконалими системами керування вливанням — багатоступеневими профілями заповнення, моніторингом тиску в реальному часі та сервокерованими циліндрами впорскування, які можуть адаптуватися в режимі реального часу.

Теплова ємність великого литейного формувального інструменту для акумуляторних батарей є значною. Сама форма може важити 20 тонн або більше. Щоб нагріти таку кількість сталі до робочої температури й підтримувати її на цьому рівні, потрібен прес із потужними системами нагріву та охолодження. Преси великої потужності проектуються саме для такого теплового навантаження, на відміну від менших пресів.

Коли велика потужність не є рішенням

Велика потужність — не універсальне рішення. Для менших відливок — наприклад, масою менше 5 кг і площею проекції менше 0,5 м² — прес потужністю 2500 тонн є надмірним. Вартість обладнання, енергоспоживання та необхідна площа виробничого приміщення роблять його непрактичним для деталей, які не потребують такої потужності.

Існує також крива навчання. Експлуатація преса потужністю 4000 тонн відрізняється від експлуатації преса потужністю 1500 тонн. Параметри введення розплаву є більш чутливими, тепловий контроль — складнішим, а вимоги щодо безпеки — суворішими. Не кожне литейне виробництво готове до такого переходу.

Але для корпусів акумуляторів електромобілів (EV) справді немає альтернативи. Ця деталь надто велика, надто тонка й надто складна, щоб відливати її на менш потужному обладнанні й одночасно відповідати вимогам до якості та експлуатаційних характеристик, які встановлює автомобільна промисловість.

Головний висновок щодо використання високотоннажних прес-машин для виробництва корпусів акумуляторів електромобілів

Необхідність застосування високотоннажних алюмінієвих машин для лиття під тиском у разі виготовлення корпусів акумуляторів електромобілів зумовлена фізичними законами. Деталь має великі розміри, стінки — тонкі, заповнення форми має бути швидким, а форма повинна залишатися закритою. Жодна машина з зусиллям замикання меншим за 2500 тонн не може одночасно задовольняти всі ці вимоги.

Виробники, такі як Zhenli, визнали цей тренд і пропонують холоднокамерні машини з зусиллям замикання від 1000 до 4500 тонн, щоб задовольнити потреби у виробництві компонентів для електромобілів технології швидко розвиваються, а вимоги до тоннажу постійно зростають у міру збільшення розмірів корпусів та їх більшої інтеграції. Для будь-якого підприємства, що входить у ланцюг поставок електромобілів (EV), питання не в тому, чи варто інвестувати в обладнання з високим тоннажем. Питання полягає в тому, наскільки швидко це потрібно зробити.