배터리는 전기 자동차의 핵심 부품이며, 배터리의 성능은 배터리 수명, 에너지 소비량, 그리고 전기 자동차의 사용 수명과 같은 기술 지표를 결정합니다. 배터리 모듈의 배터리 트레이는 운반, 보호, 냉각 기능을 수행하는 주요 부품입니다. 모듈형 배터리 팩은 그림 1과 같이 배터리 트레이에 배치되어 배터리 트레이를 통해 차량 섀시에 고정됩니다. 배터리 트레이는 차체 하부에 설치되고 작업 환경이 열악하기 때문에, 배터리 모듈의 손상을 방지하기 위해 돌 충격 및 펑크 방지 기능을 갖춰야 합니다. 배터리 트레이는 전기 자동차의 중요한 안전 구조 부품입니다. 아래에서는 전기 자동차용 알루미늄 합금 배터리 트레이의 성형 공정 및 금형 설계를 소개합니다.
그림 1(알루미늄 합금 배터리 트레이)
1 공정 분석 및 금형 설계
1.1 주조 분석
전기 자동차용 알루미늄 합금 배터리 트레이는 그림 2에 나와 있습니다. 전체 크기는 1106mm×1029mm×136mm이며, 기본 두께는 4mm입니다. 주조 품질은 약 15.5kg이고, 가공 후 주조 품질은 약 12.5kg입니다. 재질은 A356-T6이며, 인장 강도 ≥ 290MPa, 항복 강도 ≥ 225MPa, 연신율 ≥ 6%, 브리넬 경도 ≥ 75~90HBS입니다. 기밀성 및 IP67&IP69K 요구 사항을 충족해야 합니다.
그림 2(알루미늄 합금 배터리 트레이)
1.2 프로세스 분석
저압 다이캐스팅은 압력 주조와 중력 주조의 중간 단계인 특수 주조법으로, 금속 금형을 사용하여 주조할 수 있다는 장점 외에도 안정적인 충진 특성을 가지고 있습니다. 저압 다이캐스팅은 아래에서 위로 저속으로 충진하고, 속도 조절이 용이하며, 액체 알루미늄의 충격과 비산이 적고, 산화 슬래그가 적으며, 조직 밀도가 높고 기계적 성질이 우수하다는 장점이 있습니다. 저압 다이캐스팅에서는 액체 알루미늄이 원활하게 충진되고, 주물이 가압 하에서 응고 및 결정화되어 치밀한 조직, 높은 기계적 성질, 미려한 외관을 가진 주물을 얻을 수 있어 대형 박육 주물 성형에 적합합니다.
주조물에 필요한 기계적 성질에 따라 주조재는 A356을 사용하는데, T6처리 후 고객의 요구를 충족시킬 수 있습니다. 하지만 이 재료의 주입 유동성은 일반적으로 크고 얇은 주조물을 생산하기 위해 금형 온도를 합리적으로 제어해야 합니다.
1.3 주입 시스템
크고 얇은 주물의 특성을 고려하여 여러 개의 게이트를 설계해야 합니다. 동시에, 액상 알루미늄의 원활한 주입을 보장하기 위해 창에 주입 채널을 추가해야 하며, 이는 후처리를 통해 제거해야 합니다. 주입 시스템의 두 가지 공정 계획을 초기에 설계하고 각 계획을 비교했습니다. 그림 3과 같이, 계획 1은 9개의 게이트를 배치하고 창에 공급 채널을 추가하며, 계획 2는 성형될 주물 측면에서 주입하는 6개의 게이트를 배치합니다. CAE 시뮬레이션 분석은 그림 4와 그림 5에 나와 있습니다. 시뮬레이션 결과를 활용하여 금형 구조를 최적화하고, 금형 설계가 주물 품질에 미치는 부정적인 영향을 방지하며, 주조 결함 발생 가능성을 줄이고, 주물 개발 주기를 단축할 수 있습니다.
그림 3(저압용 두 가지 공정방식 비교)
그림 4(충전 중 온도장 비교)
그림 5 (응고 후 수축기공 결함 비교)
위 두 가지 방안의 시뮬레이션 결과는 캐비티 내의 액상 알루미늄이 대략 평행하게 위쪽으로 이동하는 것을 보여주는데, 이는 액상 알루미늄 전체를 평행하게 채운다는 이론과 일치하며, 주조물의 수축 기공 부분을 시뮬레이션하여 해결하는 방안은 강화 냉각 등의 방법을 통해 해결된다.
두 가지 방법의 장점: 시뮬레이션 충진 중 액상 알루미늄의 온도를 분석한 결과, 방법 1로 성형된 주물의 원위부 온도는 방법 2보다 균일도가 높아 공동 충진에 유리합니다. 방법 2로 성형된 주물은 방법 1과 같은 게이트 잔류물이 없으며, 수축 기공률도 방법 1보다 우수합니다.
두 가지 방안의 단점: 방안 1에서 게이트가 성형될 주물에 배치되기 때문에 주물에 게이트 잔류물이 생기고, 이는 원래 주물과 비교하여 약 0.7ka 증가합니다. 방안 2에서 시뮬레이션된 충전의 액상 알루미늄 온도에서, 원위단의 액상 알루미늄 온도는 이미 낮고, 시뮬레이션은 금형 온도의 이상적인 상태에 있으므로, 실제 상태에서는 액상 알루미늄의 유동 용량이 부족할 수 있으며, 주물 성형에 어려움이 있는 문제가 있을 것입니다.
다양한 요인 분석을 통해, 주입 시스템으로 스킴 2를 선택했습니다. 스킴 2의 단점을 고려하여, 주형 설계 시 주입 시스템과 가열 시스템을 최적화했습니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이, 오버플로우 라이저를 추가하여 액상 알루미늄의 충진에 유리하고 성형된 주물의 결함 발생을 줄이거나 방지합니다.
그림 6(최적화된 주입 시스템)
1.4 냉각 시스템
주조물의 응력을 받는 부분과 높은 기계적 성능이 요구되는 영역은 수축 기공이나 열 균열을 방지하기 위해 적절하게 냉각되거나 공급되어야 합니다.주물의 기본 벽 두께는 4mm이며 응고는 금형 자체의 열 발산에 영향을 받습니다.중요한 부분에는 그림 7과 같이 냉각 시스템이 설정됩니다.충전이 완료된 후 물을 통과시켜 냉각하고, 주입 부위에서 특정 냉각 시간을 조정하여 응고 순서가 게이트 끝에서 멀어지는 쪽에서 게이트 끝까지 형성되고 게이트와 라이저가 끝에서 응고되어 공급 효과를 얻도록 해야 합니다.두꺼운 벽 두께를 가진 부분은 인서트에 물 냉각을 추가하는 방법을 채택합니다.이 방법은 실제 주조 공정에서 더 나은 효과를 가지며 수축 기공을 피할 수 있습니다.
그림 7(냉각 시스템)
1.5 배기 시스템
저압 다이캐스팅 금속의 캐비티는 폐쇄되어 있어 모래 주형처럼 공기 투과성이 좋지 않고, 일반 중력 주조에서 라이저를 통해 배기되지도 않습니다. 따라서 저압 주조 캐비티의 배기는 액상 알루미늄의 충진 과정과 주물의 품질에 영향을 미칩니다. 저압 다이캐스팅 주형은 이형면, 푸시로드 등의 틈새, 배기 홈, 배기 플러그를 통해 배기될 수 있습니다.
배기 시스템의 배기 크기 설계는 넘치지 않고 배기하는 데 도움이 되어야 하며, 합리적인 배기 시스템은 충전 부족, 표면이 헐거워짐, 강도 저하와 같은 결함으로부터 주조물을 보호할 수 있습니다.주조 공정 중 액상 알루미늄의 최종 충전 영역, 예를 들어 측면 받침대 및 상부 금형의 라이저에는 배기 가스가 장착되어야 합니다.저압 다이캐스팅의 실제 공정에서 액상 알루미늄이 배기 플러그의 틈새로 쉽게 흘러 들어가 금형을 열 때 공기 플러그가 빠지는 상황이 발생하기 때문에 여러 시도와 개선 끝에 세 가지 방법을 채택했습니다.방법 1은 그림 8(a)에 표시된 것처럼 분말 야금 소결 공기 플러그를 사용하는데, 제조 비용이 높다는 단점이 있습니다.방법 2는 그림 8(b)에 표시된 것처럼 0.1mm의 틈새가 있는 이음매형 배기 플러그를 사용하는데, 페인트를 분사한 후 배기 이음매가 쉽게 막히는 단점이 있습니다. 방법 3은 와이어 컷 배기 플러그를 사용하며, 그림 8(c)와 같이 간극은 0.15~0.2mm입니다. 단점은 가공 효율이 낮고 제조 비용이 높다는 것입니다. 주물의 실제 면적에 따라 다양한 배기 플러그를 선택해야 합니다. 일반적으로 주물 캐비티에는 소결 및 와이어 컷 배기 플러그를 사용하고, 샌드 코어 헤드에는 심(seam) 타입 배기 플러그를 사용합니다.
그림 8 (저압 다이캐스팅에 적합한 3가지 유형의 배기 플러그)
1.6 난방 시스템
주조품의 크기는 크고 두께는 얇습니다. 금형 유동 분석에서 충전 종료 시 액상 알루미늄의 유량이 부족합니다. 이는 액상 알루미늄의 유동 시간이 너무 길어 온도가 떨어지고, 액상 알루미늄이 미리 응고되어 유동 능력을 잃어, 콜드 셧(cold shut) 또는 불충분한 주입이 발생하여 상형 라이저(riser)가 공급 효과를 얻지 못하기 때문입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 주조품의 두께와 형상을 변경하지 않고 액상 알루미늄의 온도와 금형 온도를 높여 액상 알루미늄의 유동성을 향상시키고 콜드 셧 또는 불충분한 주입 문제를 해결해야 합니다. 그러나 액상 알루미늄 온도와 금형 온도가 너무 높으면 새로운 열 접합부 또는 수축 기공이 발생하여 주조 가공 후 과도한 평면 핀홀이 발생합니다. 따라서 적절한 액상 알루미늄 온도와 금형 온도를 선택하는 것이 중요합니다. 경험상 액상 알루미늄 온도는 약 720℃, 금형 온도는 320~350℃로 제어합니다.
주물의 부피가 크고 두께가 얇으며 높이가 낮기 때문에 금형 상부에 가열 시스템을 설치합니다. 그림 9와 같이 화염 방향이 금형 바닥과 측면을 향하도록 하여 주물의 바닥면과 측면을 가열합니다. 현장 주입 상황에 따라 가열 시간과 화염을 조절하고, 상부 금형 온도를 320~350℃로 조절하여 액상 알루미늄의 유동성을 적정 범위 내로 유지하며, 액상 알루미늄이 캐비티와 라이저를 채우도록 합니다. 실제 사용 시, 가열 시스템은 액상 알루미늄의 유동성을 효과적으로 확보할 수 있습니다.
그림 9(난방 시스템)
2. 금형 구조 및 작동 원리
저압 다이캐스팅 공정은 주조물의 특성과 장비 구조를 고려하여, 성형된 주물이 상형에 안정적으로 유지되도록 상형에 전면, 후면, 좌측, 우측 코어 풀링 구조를 설계합니다. 주물이 성형 및 응고된 후, 상형과 하형을 먼저 열고 코어를 4방향으로 당긴 후, 마지막으로 상형 상판이 성형된 주물을 밀어냅니다. 이 주형 구조는 그림 10과 같습니다.
그림 10(금형 구조)
MAT Aluminum의 May Jiang이 편집함
게시 시간: 2023년 5월 11일
