李先洲

摘要：闡述了新能源車企應(yīng)用鋁合金一體化壓鑄技術(shù)的現(xiàn)狀以及主流新能源車企一體化壓鑄的規(guī)劃，分析出一體化壓鑄技術(shù)在生產(chǎn)效率、降本、減重等方面優(yōu)勢明顯，壓鑄機將取代焊接機器人成為新能源造車的核心裝備，研究了一體化壓鑄技術(shù)的核心在于大型壓鑄機的性能、免熱處理材料配方、壓鑄模設(shè)計和壓鑄工藝參數(shù)，研究顯示鋁合金一體化壓鑄將會取代車身采用鋼板沖壓后焊接的制造技術(shù)，未采用一體壓鑄的新能源車企應(yīng)該提前謀劃和布局一體化壓鑄技術(shù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金?一體化壓鑄?降本?新能源汽車

中圖分類號：U466 ????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ???DOI：. 10.19710/J.cnki.1003–8817.20220184

Integrated Die Casting Technology of Aluminum Alloy

Li Xianzhou

（GAC Passenger Car Co.， Ltd.， Guangzhou 511434）

Abstract： This paper elaborated?the current situation of the application of aluminum alloy integrated die casting technology in new energy vehicle enterprises and the planning of integrated die casting in mainstream new energy vehicle enterprises， it is concluded?that the integrated die casting technology has obvious advantages in production efficiency， cost reduction， weight reduction and other aspects， and die casting machine will replace the welding robot as the core equipment of new energy vehicle manufacturing. It also indicates that the core of the integrated die casting technology is the performance of large die casting machine， the formula of heat-free material， die casting die design and die casting process parameters. The research shows that aluminum alloy integrated die casting will replace the manufacturing technology of body stamping and welding， the paper recommends that?new energy vehicle enterprises that do not use?integrated die casting should plan the integrated die casting technology in advance.

Key?words：?Aluminum alloy， Integrated die casting technology，?Cost reduction， New energy vehicle

1?前言

2020年中國汽車《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》發(fā)布，2025、2030、2035年乘用車新車平均油耗需要達(dá)到4.6、3.2、2.0?L/100?km，節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)升級。根據(jù)“布勒中國”的數(shù)據(jù)，汽車質(zhì)量每減輕10%，最多可節(jié)油5～10%，整車質(zhì)量每減少100?kg，?百公里油耗可以降低0.3～0.6 L，減少CO₂排放8.5?g/km，純電動汽車整車質(zhì)量每降低10%，平均續(xù)航里程將增加5%～8%。因此汽車輕量化成為節(jié)能減排領(lǐng)域的重點發(fā)展技術(shù)，新能源車實現(xiàn)輕量化的主要技術(shù)途徑為車身鋁合金一體化壓鑄。

2?鋁合金一體化壓鑄現(xiàn)狀

2019年7月，特斯拉發(fā)布新專利“汽車車架的多向車身一體成型鑄造機和相關(guān)鑄造方法”。該方法將一套固定的模具放置在中心，四套可以移動的模具放置在4個不同方向，可移動的模具通過液壓設(shè)備分別與中心固定好的模具貼合，共同形成一個封閉的空腔，鋁合金金屬液分別從四個移動模具上的澆注口壓入模具空腔，鋁合金在空腔內(nèi)流動、凝固，最終形成大型的一體式壓鑄結(jié)構(gòu)零件（圖1）。

特斯拉是汽車大型部件鋁合金一體化壓鑄的創(chuàng)始者，在一體化壓鑄上的布局可分為3個階段，第1階段：Model S/X采用全鋁車身，但任按傳統(tǒng)的沖壓、焊接工藝進(jìn)行整車開發(fā)。第2階段：Model Y使用6000噸壓鑄機生產(chǎn)后地板，將下車體減重10%，制造成本下降40%。第3階段：一體化壓鑄下車體，前、后車身一體化（零件數(shù)量由171減少至2個，焊點數(shù)量減少超1?600個）和4680電芯CTC（將電池包集成到車體，直接與座椅連接），車輛減重10%，續(xù)航里程增加14%，零件減少370個，成本下降7%，單位投資下降8%，目前已在德州奧斯汀工廠量產(chǎn)。

2020年，特斯拉開始與意大利壓鑄設(shè)備商意德拉合作，使用6 000 t級壓鑄單元Giga Press，采用一體成型壓鑄的方式生產(chǎn)Model Y后地板總成。根據(jù)特斯拉的布局，加州弗里蒙特工廠布置2臺意大利意德拉IDRA6000噸一體式壓鑄設(shè)備，上海布置3臺力勁DCC6000系列一體式壓鑄設(shè)備，得州工廠已經(jīng)布置1臺IDRA 8 000 t級壓鑄設(shè)備，柏林工廠規(guī)劃產(chǎn)能50萬輛，將布置8臺一體式壓鑄設(shè)備。四座工廠，14臺一體式壓鑄設(shè)備，特斯拉已經(jīng)將一體式壓鑄技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行布局。

大眾計劃在可擴展系統(tǒng)平臺（Scalable Systems Platform，SSP）開始應(yīng)用一體壓鑄，根據(jù)Online EV報道，2022年5月，大眾汽車一體式鋁壓鑄后車身樣件在卡塞爾工廠下線，該樣件采用4?400 t壓鑄機生產(chǎn)，集成了約30多個零件，減重約10 kg。Trinity車型則是基于SSP平臺打造的首批車型之一。

根據(jù)Auto-Evolution消息，沃爾沃宣布投資200億瑞典克朗對旗下托斯蘭達(dá)工廠進(jìn)行現(xiàn)代化改造，其中包括一體化壓鑄技術(shù)。也將在托斯蘭達(dá)建立年產(chǎn)能達(dá)5.5萬噸鑄鋁廠，最終計劃在所有旗下工廠引入一體壓鑄技術(shù)，預(yù)計在2025年實現(xiàn)一體壓鑄汽車量產(chǎn)。

2022年1月，奔馳發(fā)布全新概念車VISION EQXX。車身的后部及前部減震塔頂應(yīng)用了和特斯拉同樣的仿生工程結(jié)構(gòu)部件，整個車身由3塊組成：前后分別有一塊一體壓鑄鑄件，中間有一套結(jié)構(gòu)電池組。這樣的設(shè)計可降低車身15%～20%的質(zhì)量，VISION EQXX能耗達(dá)到10 kw·h/100?km以下，實際用電里程超過1 000 km。

國內(nèi)新勢力中，2021年12月，蔚來在ET5發(fā)布會上宣布將開始采用一體鑄造工藝，ET5使用超高強度鋼鋁混合車身，使車身后地板重量降低30%，后備箱空間增加7升，整車抗扭剛度高達(dá)34 000N·m/（°）。

在2021年業(yè)績發(fā)布會上，小鵬汽車宣布將于2023年發(fā)布兩個新平臺及其首款車型，并使用超大一體化壓鑄新工藝。小鵬汽車武漢產(chǎn)業(yè)基地項目預(yù)計2022年10月投產(chǎn)，其中包括一體化壓鑄工藝車間。小鵬汽車武漢工廠還將引進(jìn)一套以上超大型壓鑄島及自動化生產(chǎn)線。

2022年2月25日，高合汽車與拓普集團(tuán)合作開發(fā)的7200噸一體化超大壓鑄后艙成功下線。該部件應(yīng)用了上海交大的合金材料，實現(xiàn)質(zhì)量降低15%～20%，整個開發(fā)周期縮短了1/3，該壓鑄機是汽車零部件領(lǐng)域已知最大的一體化鋁合金壓鑄件。國內(nèi)多家供應(yīng)商加快引入大型壓鑄設(shè)備和免熱處理材料研制的步伐，進(jìn)軍一體化壓鑄行業(yè)，如表1所示。

3 一體化壓鑄技術(shù)壁壘

目前一體化壓鑄技術(shù)壁壘主要體現(xiàn)在4個方面：大型壓鑄機，免熱處理鋁合金材料配方、壓鑄模具設(shè)計、真空壓鑄工藝

3.1大型壓鑄機

大型壓鑄機行業(yè)進(jìn)入門檻高，對理論、經(jīng)驗及制造工藝有很高的要求，同時，大型壓鑄機的開發(fā)周期非常長，前期投入大，造價高（1臺壓鑄機平均需要1億人民幣）。一體化壓鑄要求壓鑄機鎖模力至少大于6?000 t（傳統(tǒng)高壓壓鑄的鎖模力通常低于5?000?t）。2021年10月，瑞士布勒公司推出Carat840/920超大型兩模板壓鑄機（圖2），鎖模力高達(dá)92 000 kN，2套Carat 840壓鑄島交付沃爾沃公司托斯蘭達(dá)工廠，實現(xiàn)一體化壓鑄。意大利意德拉IDRA公司（力勁子公司）開發(fā)的OL6200CS壓鑄機，該壓鑄機尺寸為19.5?m×5.9?m×5.32?m，大小相當(dāng)于一塊羽毛球場地，平臺的有效尺寸長和寬2.35?m，工作臺空間可以放下長寬高尺寸在2 m以內(nèi)的任何零件，可以提供最大6 218 t的鎖模力。根據(jù)瑞士布勒公司在2011年申請專利，其能夠?qū)㈣T造模具之間形成空腔，向空腔中注入鋁液，經(jīng)抽真空在模腔中產(chǎn)生負(fù)壓，能夠有效消除鑄造紊流產(chǎn)生的氣孔，有助于提高壓鑄零件的內(nèi)部致密性。國內(nèi)壓鑄機廠力勁在全球壓鑄機市場的占有率超過40%，率先開發(fā)出6 000 t壓鑄機（圖3），目前已開發(fā)出12 000 t壓鑄機。海天金屬2021年4月在重慶美利信全球首發(fā)HDC8800噸壓鑄機，可實現(xiàn)包括新能源汽車在內(nèi)的車身、底盤等大型結(jié)構(gòu)件一體化。伊之密公司7 000 t壓鑄機也即將總裝。

3.2免熱處理高壓鑄造合金

免熱處理合金是指通過特殊的合金配方，在完成壓鑄成型后鑄件無需熱處理即可獲得理想的機械性能，能避免在熱處理（高溫固溶和時效處理）過程中造成的工件變形，截至2021年，國內(nèi)外企業(yè)包括美國美鋁、德國萊茵、特斯拉、上海交大、蔚來汽車、立中集團(tuán)等都在開發(fā)推廣免熱處理材料，免熱處理材料讓一體壓鑄成為可能。

美國鋁業(yè)公司產(chǎn)品為EZCAST系列C611免熱處理AI-Si系壓鑄鋁合金，由美國鋁業(yè)在上世紀(jì)90年代開發(fā)成功，應(yīng)用在奧迪A8的全鋁車身上。帥翼馳集團(tuán)與美國鋁業(yè)簽訂獨家代理協(xié)議，代理美鋁高強韌免熱處理鑄造鋁合金。此外，德國萊茵金屬公司也開發(fā)出Al-Si系和Al-Mg系免熱處理高強韌合金，如Castasil-37壓鑄鋁合金；加拿大鋁業(yè)公司則開發(fā)有Aural-2和Aural-3等壓鑄鋁合金材料。立中集團(tuán)研發(fā)的LDHM-02免熱處理合金材料已獲得相關(guān)專利，并形成批量供貨。根據(jù)立中集團(tuán)子公司申請中的最新相關(guān)專利《一種高強韌免熱處理鋁合金材料及制備方法》，公司該開發(fā)的鋁合金材料屈服強度達(dá)130 MPa，抗拉強度達(dá)到250 MPa，伸長率大于10%，滿足客戶使用需求，立中集團(tuán)已與文燦達(dá)成戰(zhàn)略合作。2021年12月，上海交大輕合金中心與華人運通高合汽車達(dá)成戰(zhàn)略合作，全球首發(fā)Tech Cast TM超大鑄件用低碳鋁合金，將在高合汽車后續(xù)車型上大批量采用。

免熱處理合金材料成分、工藝復(fù)雜，具備較高的技術(shù)壁壘，其中合金材料成分設(shè)計是免熱處理合金開發(fā)的核心技術(shù)壁壘。常用壓鑄鋁合金為?Al-Si系、Al-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg系，主要成分配比影響合金強度、硬度等力學(xué)性能，同時影響流動性、凝固性等鑄造性能^[1]。

SJTU-A-Mg-Si-Mn合金是上海交通大學(xué)開發(fā)的一種免熱處理壓鑄合金，其目的是在保持材料良好韌性的前提下提升屈服強度。目前的Al-Si系和Al-Mg系合金普遍具備中等的強度與韌性，隨著鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件的集成化與輕量化需求的不斷提升，新型壓鑄合金的開發(fā)應(yīng)朝著提升屈服強度或韌性，同時具有良好的鑄造流動性的方向發(fā)展。

2.3壓鑄模具

一體化壓鑄對模具強度及韌性要求更高，要求具有抗沖擊韌性和回火穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱和抗疲勞性、熱膨脹系數(shù)小、抗高溫氧化性。壓鑄需要高速充型與高速凝固，在壓鑄模溫度、真空度、成型方案、工藝參數(shù)及后處理要求更高。一體壓鑄需要大型的模具，模具更復(fù)雜，模具設(shè)計比較困難，模具設(shè)計要設(shè)計排氣系統(tǒng)排氣和集渣，需要運用CAE仿真技術(shù)模擬充型過程，排氣不暢會導(dǎo)致零件產(chǎn)生氣孔廢品。零件壓鑄后冷卻時，尺寸會收縮，需要準(zhǔn)確仿真鑄件的冷卻過程，在最后冷卻部位設(shè)置補縮冒口，同時避免出現(xiàn)熱孤島，否則零件在冷卻收縮過程中會產(chǎn)生縮孔、縮松和裂紋缺陷。模具設(shè)計廠家必須具備壓鑄充型模擬分析能力，一體化壓鑄模具國內(nèi)只有幾家能做，比如廣州型腔、寧波臻至、飛旺、北侖賽維達(dá)、象山合力，北侖臻致等。一套模具每年可以支撐6～8萬套產(chǎn)能，每套模具單價接近1 000萬元。國內(nèi)首套6 800?t超大型一體化鋁合金壓鑄模具在鴻圖科技成功試制。模具由廣州型腔模具自主研制，模重超過140 t。廣東鴻圖的汽車底盤一體化結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，采用自主研發(fā)的高強韌免熱處理鋁合金材料，鑄件尺寸約為1.7 m×1.5 m×0.7 m，澆注質(zhì)量約100 kg，是目前最大的鋁合金高強度兼顧韌性壓鑄件之一。文燦集團(tuán)首批9 000?t大型一體化后底板壓鑄汽車零部件在天津成功下線，模具由寧波賽維達(dá)提供。目前，賽維達(dá)和合力科技已在研發(fā)12 000～20 000?t一體式車身結(jié)構(gòu)件模具。

2.4壓鑄工藝

一體化壓鑄實為真空壓鑄工藝加入高真空控制系統(tǒng)，需要高精度傳感器控制抽真空過程。工藝流程為合模、澆注、真空開啟、型腔抽真空排氣、壓射、開模、取件、噴涂、再次合模等。在壓鑄過程中，由高精度真空傳感器控制真空罐、澆注排氣閥和型腔排氣閥，并通過參數(shù)設(shè)定來觸發(fā)4個接觸點：澆注真空開始、澆注真空結(jié)束、型腔真空開始和型腔真空結(jié)束。壓鑄的高速充型易導(dǎo)致壓室或型腔中的氣體無法完全排出，氣體卷入金屬液會以氣孔的形式存在于鑄件中，無法焊接，降低力學(xué)性能，所以一體壓鑄必須配置型腔抽真空系統(tǒng)。壓鑄工藝對生產(chǎn)合格件十分重要，對不同的零件結(jié)構(gòu)，壓鑄工藝參數(shù)需要長時間調(diào)試和摸索，正確的壓射模式、壓鑄參數(shù)有利于減少鑄件的缺陷，壓鑄中的氣體大多數(shù)來自金屬液在壓室中的預(yù)充填階段，需要反復(fù)優(yōu)化慢壓射參數(shù)，避免金屬液在壓鑄過程中卷入氣體。對于合金熔煉和除氫處理，熔化過程中需要采用高純電解金屬配料以避免金屬雜質(zhì)污染；熔煉時為防止金屬液氧化及偏析，需要快速熔化，熔化后需要對鋁液除氫、除渣凈化處理，一般通氮氣或氬氣除氫^[2]，除氫時間10～15 min，與AlSi10MnMg相當(dāng)，保溫時間不宜過長以避免變質(zhì)劑Sr燒損，熔化溫度（730±10） ℃，不得超過780 ℃。澆注方式一般采用底注避免鑄件夾雜缺陷，脫模劑的噴涂時間、噴涂角度和范圍、噴涂量、吹氣角度及脫模劑的選型（發(fā)氣量小、揮發(fā)性好）均需要驗證，合模前在型腔中不可有殘留水分。壓鑄溫度700～710 ℃，比AlSi10MnMg約高20 ℃。模具需要采用專用模溫機控制模具溫度，模具溫度一般控制在120～180 ℃。壓鑄過程中要及時啟動抽真空系統(tǒng)，沖頭封住澆注口后立即開始快速抽真空，壓室充滿前必須達(dá)到真空度要求，盡量延長抽真空時間，真空閥盡可能延遲閉合，抽真空過程對一體化壓鑄零件質(zhì)量至關(guān)重要，抽真空閥基本依賴進(jìn)口。特斯拉最早的一體壓鑄合格率65%～72%，毛利率可達(dá)到30%，2022年2月鑄件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修改后，合格率達(dá)到80%以上。

3 結(jié)束語

鋁合金一體化壓鑄工藝是汽車制造中顛覆性的技術(shù)，過去50年間，汽車車身制造工藝始終以鈑金沖壓后采用機器人焊接為主，一體壓鑄技術(shù)使汽車車身制造工藝發(fā)生重大變革，壓鑄機將取代焊接機器人成為新能源領(lǐng)域造車的核心裝備。在“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)下，一體化壓鑄技術(shù)在生產(chǎn)效率、降本、輕量化等方面優(yōu)勢明顯。鋁合金一體化壓鑄設(shè)計與制造是一項全方位集成技術(shù)，技術(shù)壁壘高，包括軟件開發(fā)與運用、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、免處理材料開發(fā)、壓鑄成型工藝、壓鑄單元能力和大型模具設(shè)計都需要技術(shù)創(chuàng)新。尤其是模具設(shè)計與制造除了要考慮鑄造材料的流動性、熱平衡、模具壽命、零件成型工藝性與質(zhì)量保證，還要考慮零件后續(xù)加工工藝優(yōu)化等。“一體化壓鑄成型工藝與裝備”已列入國家重點研發(fā)計劃。隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，將極大帶動鋁合金一體化壓鑄技術(shù)的發(fā)展，鋁合金一體化壓鑄將成為新能源車企標(biāo)配的制造工藝。

參考文獻(xiàn)：

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[2]康運江，?付爽寧.?壓鑄鋁合金液一體化制備工藝及裝備研究[J].?冶金設(shè)備，?2016（5）：?33-35.