許天宇 于江 魏健 蓋宏鍵 李天奇 蔣連軸

作者簡(jiǎn)介：許天宇（1984—），男，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向?yàn)檐?chē)身工藝、材料、成本、沖壓同步工程等。

參考文獻(xiàn)引用格式：

許天宇， 于江， 魏健， 等. 車(chē)身真空高壓壓鑄技術(shù)研究[J]. 汽車(chē)工藝與材料， 2024（6）： 64-72.

XU T Y， YU J， WEI J， et al. Research on the Vacuum High-Pressure Die-Casting Technologies of Automobile Body[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 64-72.

摘要：鋁合金真空高壓壓鑄技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)逐步得到應(yīng)用，研究分析了真空高壓壓鑄材料、工藝、產(chǎn)品及現(xiàn)階段重點(diǎn)問(wèn)題。概括了熱處理和免熱處理材料的物理特點(diǎn)、化學(xué)成分及機(jī)械性能；介紹了真空高壓壓鑄工藝流程和產(chǎn)線、工藝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)、成形性能；分析了產(chǎn)品性能、厚度、尺寸、連接、維修、模具壽命現(xiàn)階段的主要問(wèn)題；總結(jié)了真空高壓壓鑄技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并展望其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：輕量化 真空高壓壓鑄 材料 工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TG386? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230290

Research on the Vacuum High-Pressure Die-Casting Technologies

of Automobile Body

Xu Tianyu， Yu Jiang， Wei Jian， Gai Hongjian， Li Tianqi， Jiang Lianzhou

（Zhejiang ZEEKR Research and Design Auto Co.， Ltd.， Ningbo 315100）

Abstract： The aluminum alloy vacuum high-pressure die-casting technologies are gradually applied in the automotive industry. This paper studied and analyzed the material， process， product and the key issues at present stage of the vacuum high-pressure die-casting， summarized the physical characteristics， chemical compositions and mechanical properties of heat treatment materials and heat treatment free materials in detail， elaborated the technical process， production line， process design， process parameter and formability properties of vacuum high-pressure die casting， analyzed the main issues at present stage including product performance， thickness， dimensions， connection， repair and die. The paper also summarized the advantages of vacuum high pressure die-casting technologies and forecasted its development prospects.

Key words： Lightweight， Vacuum high-pressure die-casting， Material， Process

1 車(chē)身壓鑄技術(shù)概述

目前，以混合動(dòng)力和純電動(dòng)為代表的新能源汽車(chē)逐漸占據(jù)了中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，因電池及電池包帶來(lái)增重問(wèn)題，輕量化對(duì)于車(chē)身越來(lái)越重要。車(chē)身的輕量化手段主要有高強(qiáng)度和低密度兩條路徑，高強(qiáng)度路徑是應(yīng)用熱成形鋼、高強(qiáng)鋼零件，低密度路徑是應(yīng)用鋁鎂合金等輕金屬零件。鋁、鎂等輕金屬的重要加工方法是壓力鑄造，壓力鑄造指在一定壓力的作用下，將液態(tài)金屬以一定的速度填充模具型腔，在壓力下成形并凝固而獲得輪廓清晰的零件。按壓力和充型速度，車(chē)身件的壓鑄工藝包括低壓壓鑄和高壓壓鑄：低壓壓鑄指金屬溶液在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓附近壓力（0～0.2 MPa）作用下充型，適用于厚壁零件、小型薄壁簡(jiǎn)單零件和有腔體的零件，如后懸架采用低壓沙型鑄造；高壓壓鑄指金屬溶液在遠(yuǎn)高于大氣壓的壓力和高速狀態(tài)下迅速完成模具型腔的填充，避免薄壁零件出現(xiàn)澆不足和冷隔問(wèn)題。高壓鑄造適用于中大型薄壁復(fù)雜零件，是車(chē)身鋁合金壓鑄技術(shù)的主要研究方向。

2010年后，以前艙減震塔為代表的中型鋁合金壓鑄件在汽車(chē)制造業(yè)得到普及，減震塔使用3 500～4 500 t的大型壓鑄機(jī)，并輔助真空系統(tǒng)減少氣孔率和熱處理起泡問(wèn)題，標(biāo)志著真空高壓壓鑄技術(shù)走向成熟。2020年，特斯拉Model Y首發(fā)了中后地板免熱處理鋁合金壓鑄件，集成了70個(gè)以上沖壓件，采用6 600 t的大型壓鑄機(jī)進(jìn)行一體化壓鑄成形。真空高壓壓鑄技術(shù)作為車(chē)身輕量化技術(shù)，正在改變汽車(chē)車(chē)身制造方式。

2 壓鑄材料

鋁合金具備良好的導(dǎo)熱性、抗氧化性，在高、低溫狀態(tài)下能夠保持良好的力學(xué)性能，但鋁合金的體積收縮率大，易在壓鑄成形末端形成縮孔縮松，造成壓鑄件力學(xué)性能下降，同時(shí)，鋁合金容易粘模，因此需要優(yōu)化各合金元素含量，調(diào)配出適合壁厚2.5 mm以上車(chē)身壓鑄件且流動(dòng)性好、易脫模、抗熱裂紋的材料。

2.1 重要參數(shù)

對(duì)液相流動(dòng)充型、后冷卻凝固為固相的壓鑄工藝，重要參數(shù)有液相溫度、固相溫度、結(jié)晶溫度和收縮率。

圖1所示為鋁硅系壓鑄材料的二元相圖。首先，液相線溫度不能太高，熔點(diǎn)低的合金不易吸氣和氧化；材料結(jié)晶溫度很重要，結(jié)晶溫度范圍小的合金都有較好的流動(dòng)性，結(jié)晶范圍大容易產(chǎn)生熱裂紋；液相線溫度決定澆注溫度，澆注溫度一般高于液相線溫度50～100 ℃。目前，高壓壓鑄材料的固相線溫度在560 ℃左右，液相線溫度在610 ℃左右，結(jié)晶溫度范圍在50 ℃左右。

材料的收縮率決定模具腔體中液相到固相的體積變化程度，當(dāng)收縮率太大時(shí)，后凝固的位置會(huì)產(chǎn)生縮松縮孔缺陷，造成零件脫模困難，制約零件拔模角度。這種材料的熱脹冷縮特性也會(huì)造成壓鑄件尺寸偏差，壓鑄模具加工需要做相應(yīng)的型面補(bǔ)償?shù)窒湛s率的影響。材料收縮率與Si元素含量成反比，當(dāng)Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%以上時(shí)，材料的收縮率近似為0%，目前壓鑄材料的收縮率一般在0.5%～0.6%范圍內(nèi)。

2.2 第一代熱處理材料

由德國(guó)萊茵鋁業(yè)開(kāi)發(fā)的AlSi10MnMg鋁鎂硅系合金材料是車(chē)身減震塔等中型真空高壓壓鑄件的主要材料，因其壓鑄后需要結(jié)合T7或者T6熱處理來(lái)提高零件性能，稱(chēng)之為第一代熱處理材料。AlSi10MnMg的主要化學(xué)成分如表1所示。

a.Si元素能提高壓鑄材料的流動(dòng)性、抗腐蝕性，減少熱裂紋發(fā)生，有效保證壓鑄件質(zhì)量；此配方中Si元素含量較高，在10%左右，有較好的脫模性，理論上壓鑄件最小拔模角1°；但結(jié)晶析出的Si形成硬點(diǎn)，影響切削性，因此控制Si含量在共晶點(diǎn)以下。

b.Mg元素屬于合金中的強(qiáng)化元素、結(jié)合不同的熱處理工藝，能增加強(qiáng)韌性、提高抗腐蝕性，但Mg含量的增加會(huì)增加熱裂紋發(fā)生，配方中會(huì)控制Mg含量。

c.Fe能改善粘模問(wèn)題，但Fe含量增加會(huì)影響合金溶液流動(dòng)性，F(xiàn)e與合金元素化學(xué)反應(yīng)生成針狀的FeAl3和AlFeSi、造成塑性下降產(chǎn)生熱裂紋。本配方加入Mn元素，Mn元素能使合金中形成的片狀和針狀Fe化合物變成細(xì)密的晶體組織，采用高M(jìn)n低Fe的配方，可改善粘模和獲得良好的塑性。

d.Cu和Zn元素均作為強(qiáng)化元素，能提高壓鑄件的強(qiáng)度，改善流動(dòng)性，但Cu和Zn元素會(huì)造成塑性、抗腐蝕性下降產(chǎn)生熱裂紋問(wèn)題，這也是AlCu和AlZn系合金不適用于車(chē)身復(fù)雜壓鑄件的原因。此配方中控制微量的Cu和Zn元素。

e.Ti能顯著細(xì)化鋁合金壓鑄件的晶粒組織，提高合金的力學(xué)性能，配方中含有微量的Ti元素。

f.結(jié)晶學(xué)上的Sr能改善金屬化合物相，添加適當(dāng)?shù)腟r元素進(jìn)行變質(zhì)處理，能獲得球狀共晶Si在基體內(nèi)的彌散均勻分布組織，改善壓鑄件的力學(xué)性能。

AlSi10MnMg是一款優(yōu)良的中型壓鑄件材料，AlSi10MnMg減震塔經(jīng)過(guò)T7處理后，屈服強(qiáng)度≥120 MPa、抗拉強(qiáng)度≥180 MPa、斷裂延伸率≥10%，120 MPa的屈服強(qiáng)度滿(mǎn)足零件的力學(xué)性能要求，10%以上的斷裂延伸率條件非常適合自沖鉚接（Self Piercing Riveting，SPR）連接。但對(duì)于大型一體壓鑄件來(lái)說(shuō)，熱處理制度會(huì)造成零件出現(xiàn)較大的尺寸變形，因此，第二代免熱處理材料得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[1-3]。

2.3 第二代免熱處理材料

第二代免熱處理材料分為AlSi系和AlMg系；AlMg系材料雖然能獲得更高的強(qiáng)度、但結(jié)晶溫度區(qū)間大、極易造成熱裂紋問(wèn)題，因此目前車(chē)身壓鑄材料以AlSi系為主。AlSi系分為高Si和低Si材料，代表材料見(jiàn)表2。

Castasil37（AlSi9MnMoZr）由德國(guó)萊茵公司開(kāi)發(fā)，Castasil37中Si的含量與AlSi10MnMg幾乎相同，為高Si材料；合金中增加了Mo和Zr彌散元素、增加零件高溫下的力學(xué)性能；控制Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.06%）改善鑄件的熱穩(wěn)定性，因此壓鑄后的零件幾乎沒(méi)有時(shí)效硬化效應(yīng)。

C611是由美國(guó)鋁業(yè)公司開(kāi)發(fā)、最初應(yīng)用在特斯拉中后地板的免熱處理材料，這種材料Si元素含量4%～7%、屬于低Si材料。對(duì)于免熱處理的材料，Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)8%不能進(jìn)一步改善鑄件的強(qiáng)度、但造成延伸率會(huì)下降，同時(shí)不含Mo和Zr等貴金屬元素、C611這種低Si材料有一定的成本優(yōu)勢(shì)，因此選用低Si材料是更適合的。C611保留一定含量的Mg作為強(qiáng)化元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15%～0.25%）、有一定的熱處理性和烘烤硬化性。Si含量的降低，會(huì)造成材料的流動(dòng)性降低、脫模性下降，造成壓鑄件主型面拔模角下限提高到3°以上、影響了輕量化效果；彭立明等在低Si材料中增加V元素對(duì)共晶Si進(jìn)行細(xì)化，在保證零件力學(xué)性能的情況下、改善了低Si材料的流動(dòng)性[1-2]。

免熱處理材料適合中后地板類(lèi)的大型壓鑄件，理論上壓鑄件的屈服強(qiáng)度≥120 MPa、抗拉強(qiáng)度≥250 MPa、斷裂延伸率≥9.5%，強(qiáng)度優(yōu)于第一代熱處理材料。隨著車(chē)身壓鑄件的不斷大型化，成本上具有優(yōu)勢(shì)的免熱處理、低Si的AlSi系壓鑄材料有更好的發(fā)展前景。

3 真空高壓壓鑄工藝

3.1 工藝流程和產(chǎn)線

真空高壓壓鑄工藝流程和產(chǎn)線布置如圖2和圖3所示。

a.壓鑄島是產(chǎn)線的核心，包含6 600 t或以上的壓鑄機(jī)、壓鑄模具、模具溫控系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)等。生產(chǎn)前需要將壓鑄模溫預(yù)熱到150～230 ℃，模溫影響合金溶液的流動(dòng)性和冷卻速度，是保證壓鑄質(zhì)量的重要管理項(xiàng)；壓鑄模具既是溫度場(chǎng)又是冷卻場(chǎng)，動(dòng)、定模一般設(shè)計(jì)40～50組油水管路調(diào)節(jié)溫度；模溫通過(guò)紅外設(shè)備實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示，通過(guò)模溫機(jī)調(diào)節(jié)控制，一個(gè)壓鑄島會(huì)配備多臺(tái)模溫機(jī)。壓鑄島頂部有2臺(tái)壓鑄涂料噴涂機(jī)器人，每次壓鑄合模前均需要噴涂壓鑄涂料，主要作用是提高鋁合金流動(dòng)性，在模具表面形成一層保護(hù)膜，延長(zhǎng)模具壽命。

b.水冷池的水溫一般為20～30 ℃，壓鑄件出模后在夾具夾持下完成水冷，水冷工序的作用是使壓鑄件從出模溫度300 ℃左右迅速冷卻到室溫，工藝上相當(dāng)于快速退火，能提高壓鑄件機(jī)械性能。

c.等離子切割工序主要用于切掉澆口和渣包等排氣溢流系統(tǒng)；對(duì)于平整的零件，也可以采用修邊模具去澆口和渣包；有些渣包可以考慮壓鑄模具模內(nèi)切斷。

d.整形工序是采用專(zhuān)用壓機(jī)對(duì)壓鑄件的超差或者變形部位進(jìn)行冷整形或者熱整形的工序，盡量不采用整形工序。

e.數(shù)控工序主要是采用5軸數(shù)控機(jī)床加工壓鑄件上的孔和一些精度要求較高的形面（形面公差帶寬小于2 mm，數(shù)控加工速度3～5 s/孔，由于大型壓鑄件設(shè)計(jì)孔數(shù)量多，數(shù)控工序是限制生產(chǎn)節(jié)拍的主要因素。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

壓鑄件的工藝設(shè)計(jì)主要是澆口（包含內(nèi)澆口、內(nèi)澆道和直澆道）、排氣溢流系統(tǒng)（包含排氣、溢流和真空閥）設(shè)計(jì)。目前，澆口分外側(cè)進(jìn)澆和中心進(jìn)澆設(shè)計(jì)：減震塔和縱梁等中小零件均采用外側(cè)進(jìn)澆；對(duì)中后地板一體壓鑄件，因輪罩的存在和零件Z向尺寸大（高度780 mm），澆口設(shè)計(jì)為中心進(jìn)澆。內(nèi)澆口寬度最小420 mm（圖4），澆口到零件末端的距離盡可能均勻，以改善金屬溶液的充型過(guò)程；根據(jù)澆口設(shè)計(jì)方案，輪罩頂部、地板前端和縱梁后端等成形末端均設(shè)計(jì)溢流槽和排氣槽，排出末端的冷金屬溶液混雜著氣體、涂料、廢渣等。

真空系統(tǒng)與總排氣槽連接、借助模具的分型面抽真空密封，包含真空閥、排氣板、真空泵、真空罐和電機(jī)等。當(dāng)?shù)退俸辖鹑芤悍庾?nèi)澆口時(shí)，開(kāi)始抽真空；在壓鑄高速啟動(dòng)前，關(guān)閉真空閥，防止金屬溶液進(jìn)入真空系統(tǒng)，此時(shí)真空系統(tǒng)通過(guò)排氣板持續(xù)工作直至壓鑄結(jié)束。真空環(huán)境能有效減小氣縮孔率，對(duì)壓鑄件質(zhì)量影響很大，對(duì)于大型一體壓鑄件，真空度要求小于0.005 MPa。在真空的環(huán)境下，進(jìn)入模具型腔的合金液體冷卻更快，為了保證合金溶液充型流暢，要求內(nèi)澆口連接區(qū)壁厚足夠大，中后地板內(nèi)澆口四周壁厚要求3.5 mm及以上。

3.3 充型和結(jié)晶過(guò)程

金屬溶液壓鑄充型并完成結(jié)晶的過(guò)程主要分為4個(gè)階段，如圖5所示。

a.低速階段。壓射沖頭以低速前進(jìn)，金屬溶液封住澆口。低速是為了避免金屬溶液從壓室濺出，有利于壓室內(nèi)的氣體排出，減少卷入的氣體量，時(shí)間一般為4～5 s。

b.高速階段。在高速?zèng)_頭作用下，金屬溶液迅速填充模具型腔，時(shí)間一般為100～150 ms。

c.增壓階段。金屬溶液停止流動(dòng)，壓力急劇上升，增壓器開(kāi)始工作，壓力上升到最高值。

d.保壓階段。壓鑄件在最終靜壓力P4的作用下凝固，靜壓力有助于縮小鑄件中的縮孔、氣泡和表面缺陷，改善鑄件質(zhì)量。保壓時(shí)間一般為3～8 s，保壓后壓鑄件留模10～20 s，保證鑄件形成足夠的強(qiáng)度，開(kāi)模頂出不會(huì)變形[4]。

3.4 工藝參數(shù)

中后地板的工藝參數(shù)如表3所示。澆注溫度和內(nèi)澆口填充速度是關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)澆注溫度和內(nèi)澆口填充速度不夠時(shí)、壓鑄件的力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)較大衰減。澆注溫度高會(huì)加快模具磨損，在滿(mǎn)足成形和性能的前提下，鋁液澆注溫度應(yīng)盡可能低。內(nèi)澆口的填充速度與鑄件內(nèi)部質(zhì)量、表面質(zhì)量、性能強(qiáng)相關(guān)，合理范圍為30～60 m/s。中后地板Z向具有高大的輪罩和橫梁，金屬溶液的充型困難，因此，中后地板壓鑄件的鋁液溫度、沖頭速度等工藝參數(shù)應(yīng)設(shè)定更高。工業(yè)化階段，基于前期的模流分析、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，通過(guò)填充試驗(yàn)確定壓鑄件的最佳工藝參數(shù)。

3.5 模流分析

金屬溶液的充型過(guò)程是包含熱力學(xué)、力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)因素的復(fù)雜過(guò)程，大多數(shù)情況下是紊亂的，前端呈現(xiàn)噴射狀?，F(xiàn)階段可借助計(jì)算機(jī)分析成形優(yōu)劣，以及溶液的填充過(guò)程、液相、凝固和氣體殘留等內(nèi)容。

3.5.1 材料運(yùn)動(dòng)追蹤

圖6所示為中后地板一體壓鑄件的充型過(guò)程，要求金屬溶液流動(dòng)順暢、無(wú)紊流和渦流現(xiàn)象，金屬能均勻地掃掠整個(gè)鑄件、推動(dòng)前沿氣體和氧化物等進(jìn)入溢流槽，匯流位置不影響產(chǎn)品使用。內(nèi)澆口流速和充型時(shí)間符合工藝設(shè)定，充型速度慢會(huì)產(chǎn)生冷隔、充型速度過(guò)快易卷氣。

3.5.2 液相和凝固分析

分析金屬充型結(jié)束時(shí)各位置溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)結(jié)束溫度與澆注溫度差超過(guò)30 ℃時(shí)，意味著這些位置冷卻速度過(guò)快，易出現(xiàn)冷隔等問(wèn)題，需要在模具上相應(yīng)設(shè)計(jì)油路加熱或者優(yōu)化澆注排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

分析金屬溶液充型后的凝固速度和凝固順序，首先澆口不能過(guò)早凝固，金屬溶液要在保壓時(shí)間內(nèi)完成凝固，分析最后凝固的厚壁位置、縮孔和空洞風(fēng)險(xiǎn)，需要相應(yīng)在模具上設(shè)計(jì)水路冷卻。

3.5.3 氣體殘余和氣孔分析

高速金屬溶液充型易卷氣，造成氣孔問(wèn)題，氣孔是影響壓鑄件質(zhì)量的重要因素。模流分析通過(guò)宏觀上的氣壓和微觀上的含氣量來(lái)分析氣孔風(fēng)險(xiǎn)，氣壓一般要求小于3 MPa、含氣量要求小于2 μg，如果超出標(biāo)準(zhǔn)值，需要結(jié)合氣孔位置優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)。

現(xiàn)階段的大型壓鑄件模流分析能大概率預(yù)測(cè)金屬溶液的充型過(guò)程和缺陷趨勢(shì)，但分析結(jié)果會(huì)存在一定偏差，同時(shí)無(wú)法分析用戶(hù)更加關(guān)心的產(chǎn)品尺寸變形、厚度變化、強(qiáng)度等，針對(duì)大型壓鑄件的模流分析還需要提升和優(yōu)化[5-6]。

4 現(xiàn)階段痛點(diǎn)解析

4.1 性能問(wèn)題

理論上，免熱處理壓鑄件的屈服強(qiáng)度≥120 MPa、抗拉強(qiáng)度≥250 MPa、斷裂延伸率≥9.5%。對(duì)于前Z向相對(duì)平坦的零件，強(qiáng)度和延伸率符合上述理論值，但對(duì)于中后地板類(lèi)的復(fù)雜壓鑄件，遠(yuǎn)澆口成形末端的性能遠(yuǎn)達(dá)不到理論值。輪罩和前、后遠(yuǎn)澆口端的強(qiáng)度和延伸率實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7和表4所示。

由表4可知，末端強(qiáng)度比理論值衰減10%～20%，而最低延伸率僅3.12%。這種性能的衰減與壓鑄工藝的特點(diǎn)相符合，成形末端的冷金屬溶液混雜著氣體、涂料、廢渣等，冷卻后形成氣孔、縮孔等缺陷，成形末端的鑄件力學(xué)性能和延伸率最差。因此，澆口的設(shè)計(jì)需要結(jié)合零件的力學(xué)性能要求、零件形狀等因素，性能要求高的在近澆口端、性能要求低的位置在遠(yuǎn)澆口端，這也是中后地板零件設(shè)計(jì)為中心進(jìn)澆的原因?，F(xiàn)階段的技術(shù)無(wú)法解決復(fù)雜壓鑄件遠(yuǎn)澆口端性能的衰減問(wèn)題，希望未來(lái)能開(kāi)發(fā)出成熟的、多澆口的壓鑄技術(shù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)盡量平緩、降低Z向高度，輪罩高度H建議小于500 mm；中間橫梁位置拔模角θ建議在15°以上。

4.2 厚度問(wèn)題

車(chē)身一體壓鑄件厚度建議設(shè)計(jì)為2.5～5.0 mm；隨著厚度的增加，壓鑄件的氣縮孔率增大，造成鑄件力學(xué)性能不按線性提高，但厚度太小極易造成冷隔缺陷。統(tǒng)籌性能和工藝因素，壓鑄件的最佳料厚為2.8～4.0 mm的均勻厚度。因熱脹冷縮，理論上壓鑄件壁厚將減薄，但實(shí)際工業(yè)化中，一體壓鑄件壁厚增厚。如圖8所示，中后地板的內(nèi)澆口位置增厚最大1 mm（理論值3.5 mm，實(shí)測(cè)值最大4.5 mm）、非澆口位置增厚最大0.5 mm（理論值3.0 mm，實(shí)測(cè)值最大3.5 mm）。

對(duì)于量產(chǎn)初期的零件，排除模具磨損因素，這種增厚發(fā)生在壓鑄增壓和保壓階段。在增壓階段，高速金屬溶液轉(zhuǎn)為靜止，積累了大量的動(dòng)能，造成鎖模力需求急劇上升，與按零件靜態(tài)投影面積計(jì)算出的鎖模力產(chǎn)生較大偏差。對(duì)于中后地板類(lèi)的一體壓鑄件，6 600 t的壓鑄機(jī)鎖模能力已不滿(mǎn)足需求，可通過(guò)未來(lái)壓鑄設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步提供工程能力更強(qiáng)的壓鑄機(jī)。

這種增厚問(wèn)題嚴(yán)重影響壓鑄件的輕量化效果，目前，厚度公差按（-0.3，0.3） mm或（-0.5，0.5） mm控制。

4.3 尺寸問(wèn)題

理論上，壓鑄工藝能保證的形面尺寸精度（-1.0，1.0），對(duì)產(chǎn)品尺寸精度要求小于（-1.0，1.0）的位置、需要后工序機(jī)加工。中后地板等大型壓鑄件實(shí)際生產(chǎn)中均有較大的尺寸變形，變形量為2～3 mm。

壓鑄件的出模溫度在300 ℃左右，出模后采用室溫水冷工序迅速冷卻，這種水冷相當(dāng)于快速退火，雖然提升了鑄件的性能，但是由于脫離了模具型腔控制造成上述尺寸變形。

表5所示為車(chē)身大型壓鑄件采用水冷的快速冷卻（時(shí)間小于1 min）和采用空氣自然冷卻（時(shí)間為30～60 min）變形情況的對(duì)比，水冷最大變形量3 mm；采用空冷的壓鑄件變形量變?。坏绽渖a(chǎn)效率低并不能替代水冷工序。

對(duì)于尺寸變形問(wèn)題，壓鑄件廠家常用的方案是增加一序熱整形工序，熱整形模具是溫度場(chǎng)，采用感應(yīng)加熱，在半合模狀態(tài)下將壓鑄件溫度加熱到300 ℃左右，然后合模整形，出模后采用風(fēng)扇吹風(fēng)冷卻，提升節(jié)拍。對(duì)于中后地板類(lèi)形狀復(fù)雜且存在負(fù)角的零件，采用后工序?qū)C(jī)整形是復(fù)雜且困難的，壓鑄廠家在壓鑄模具上進(jìn)行形狀補(bǔ)償，但整改效果不明顯。

直接水冷工藝不是最優(yōu)的工藝方式，大型真空高壓壓鑄件應(yīng)該采用模具作為冷卻場(chǎng)，在模具合模的狀態(tài)下對(duì)壓鑄件進(jìn)行快速冷卻，這種方式與熱成形零件的冷卻方式相同，在提升零件性能的同時(shí)保證零件不會(huì)產(chǎn)生變形。

4.4 連接問(wèn)題

鋁合金壓鑄件和鋼板沖壓件主要采用自沖鉚接技術(shù)，少量采用抽芯拉鉚和熱熔自攻絲鉚接。自沖鉚接技術(shù)連接的下層板產(chǎn)生一定的塑性變形，因此，對(duì)采用自沖鉚接技術(shù)連接的材料延伸率下限一般要求8%～10%左右，避免開(kāi)裂問(wèn)題。

中后地板壓鑄件遠(yuǎn)澆口端的延伸率為3%～6%，壓鑄件作為下層板，與780 MPa級(jí)別及以下的高強(qiáng)鋼（延伸率大于14%）連接時(shí)，釘角穿刺位置未出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，剪切和十字拉脫力均符合要求，但下層壓鑄鋁鉚扣變形位置會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂（圖9），需要通過(guò)調(diào)整鉚模和提升壓鑄件延伸率解決，必要時(shí)需要調(diào)整鋼材沖壓件作為鉚模變形位置的下層板。

壓鑄件與USIBOR1500級(jí)別的熱成形件采用自沖鉚接技術(shù)連接時(shí)，釘角處鑄鋁出現(xiàn)開(kāi)裂，如圖10所示。USIBOR1500級(jí)別的熱成形件抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 300 MPa，延伸率僅有5%。壓鑄件與延伸率低、硬度高的熱成形件采用自沖鉚接技術(shù)連接存在困難，建議盡量采用抽芯拉鉚或者熱熔自攻絲鉚接技術(shù)連接。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，采用非常規(guī)規(guī)格的Φ6.5 mm空心自沖鉚釘替代常規(guī)的Φ5.5 mm的實(shí)心自沖鉚釘可解決上述開(kāi)裂問(wèn)題，但需新增自沖鉚送釘系統(tǒng)，需要在連接位置增加結(jié)構(gòu)膠以解決剪切力不足的問(wèn)題。

4.5 維修問(wèn)題

壓鑄鋁強(qiáng)度低，壓鑄鋁上的懸架安裝螺紋等重要安裝點(diǎn)不能反復(fù)拆卸。博爾豪夫提供的解決方案是在壓鑄鋁螺紋孔內(nèi)嵌鋼絲螺紋套（圖11），避免拆卸螺釘破壞壓鑄鋁本體，提升拆卸次數(shù)到10次以上。這種鋼絲螺紋套屬于彈性元件，安裝程序繁瑣：鉆孔、攻絲、旋入螺紋套、去尾柄，存在螺紋套垂直度不良、去尾柄造成螺紋套跳牙等問(wèn)題。特斯拉采用定制的剛性標(biāo)準(zhǔn)件，如圖12所示，這種標(biāo)準(zhǔn)件采用內(nèi)外雙螺紋設(shè)計(jì)，與彈性的鋼絲螺紋套比，成本較高但安裝穩(wěn)定性好。

除了上述安裝點(diǎn)的拆卸問(wèn)題，一體壓鑄件最大的問(wèn)題就是低中速碰撞造成壓鑄件的局部損壞不具備可維修性，需要整體更換車(chē)身。因此，汽車(chē)廠家一般會(huì)將與一體壓鑄件連接的防撞梁及吸能盒總成設(shè)計(jì)為分段的可拆卸結(jié)構(gòu)，以減小低速碰撞的影響。

4.6 生產(chǎn)節(jié)拍

一體壓鑄件壓鑄部分平均生產(chǎn)節(jié)拍為2～3 min/件，轉(zhuǎn)運(yùn)、機(jī)加部分的生產(chǎn)節(jié)拍為6～20 min /件，加工部分對(duì)節(jié)拍的影響更大，而且數(shù)控銑孔的5軸設(shè)備造價(jià)昂貴，目前通過(guò)分序加工或者采用雙主軸設(shè)備來(lái)提升節(jié)拍，單壓鑄島生產(chǎn)線的滿(mǎn)負(fù)荷產(chǎn)能為8～10萬(wàn)臺(tái)/年。

4.7 模具的壽命和生產(chǎn)的廢品率

模具沖蝕是造成模具磨損和停臺(tái)的主要因素。在600 ℃以上高溫、高速的金屬溶液沖蝕和熱冷交替應(yīng)力場(chǎng)的作用下，一體壓鑄模具的使用壽命為6～8萬(wàn)量份。針對(duì)模具壽命問(wèn)題，內(nèi)澆口附近主沖蝕區(qū)模具設(shè)計(jì)分塊結(jié)構(gòu)，便于維修和更換。

一體壓鑄的平均廢品率約為10%，其中一部分廢品來(lái)自停臺(tái)重啟的熱模需求，而大部分廢品來(lái)自劃傷、變形、內(nèi)部缺陷等質(zhì)量問(wèn)題。

4.8 內(nèi)部質(zhì)量缺陷

氣孔、縮孔縮松、冷隔、夾雜是壓鑄件主要內(nèi)部質(zhì)量缺陷，不易觀察和控制，因此一般采用X射線檢查和判斷，按照ASTM E505標(biāo)準(zhǔn)，各缺陷投影如圖13所示。

氣孔、縮孔縮松均屬于微觀內(nèi)部孔洞，常見(jiàn)于厚壁和成形末端；冷隔在鑄件的表面有可視的下陷紋路，常見(jiàn)于澆不足的薄壁位置和匯流區(qū)域。

氣孔呈球形或條狀的黑點(diǎn)，主要由氫在低溫條件下析出造成。氫是唯一能大量溶于鋁合金溶液的氣體，鋁錠的熔化吸入和壓鑄的充型卷氣是合金溶液中氫氣的來(lái)源[7]。

縮孔縮松呈細(xì)絲狀或鋸齒狀的黑色區(qū)域，通常是連續(xù)的，主要是合金溶液凝固的整體收縮得不到補(bǔ)償造成。

冷隔呈寬度不同的黑線或者黑色帶，形狀細(xì)小而狹長(zhǎng)，主要由金屬液充型不順暢和匯流、未完全熔合造成。

夾雜呈現(xiàn)大小形狀不規(guī)則、顏色和亮度不同的點(diǎn)或者孔洞，主要由混入壓鑄件內(nèi)的金屬雜質(zhì)和廢渣造成。

ASTM E505中的缺陷密集分布情況符合非真空壓鑄鑄件缺陷。對(duì)于采用鋁液除氣、定量爐氮?dú)獗Ｗo(hù)、抽真空壓鑄的真空高壓壓鑄工藝，極大減小了氣孔、縮孔縮松的發(fā)生概率，X射線圖像呈孤立分布。

上述內(nèi)部缺陷能顯著降低壓鑄件的力學(xué)性能，但又無(wú)法完全消除，是壓鑄件質(zhì)量管控的重點(diǎn)。缺陷尺寸和間距標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該具體化，更為科學(xué)的方法和標(biāo)準(zhǔn)還在進(jìn)一步探索中。

5 車(chē)身壓鑄技術(shù)前景展望

目前的主流輕量化車(chē)身是鋼鋁混合車(chē)身，特斯拉Model Y采用的前鋼后鋁的車(chē)身設(shè)計(jì)、整個(gè)C環(huán)區(qū)域采用壓鑄鋁（最初是鋁板材）以獲得更好的性能，壓鑄鋁車(chē)身的扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度比鋼車(chē)身提升10%左右，懸架和座椅安裝點(diǎn)剛度提升50%以上。不同材料的中后地板對(duì)比見(jiàn)表6，從鋁板材到壓鑄鋁，特斯拉實(shí)現(xiàn)了零件成本的小幅降低，但犧牲了輕量化指標(biāo)；與傳統(tǒng)的鋼車(chē)身相比有10%的輕量化效果，但零件成本大幅上升。單從輕量化和成本角度考慮，一體壓鑄零件均非最佳設(shè)計(jì)方案，但相較于鋼和鋁板材的方案，一體壓鑄最大的優(yōu)點(diǎn)是集成能力，極大簡(jiǎn)化了主機(jī)廠的車(chē)身工藝，節(jié)省了產(chǎn)線和人工投入。

對(duì)于智能電動(dòng)汽車(chē)，未來(lái)將采用客戶(hù)定制需求的智能制造方式，面臨的主要問(wèn)題就是硬件端的物料和場(chǎng)地基數(shù)過(guò)大、制造工藝復(fù)雜、管理繁瑣，而一體壓鑄技術(shù)恰能解決以上問(wèn)題。

以AlSi10MnMg為代表的熱處理材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全鋁車(chē)身和鋼鋁車(chē)身的中型壓鑄件，如前減震塔、后減震塔、后縱梁、中央通道加強(qiáng)板、A/B/C柱接頭件、前端框架等，結(jié)合T6或者T7的熱處理制度，能獲得強(qiáng)度和塑性韌性俱佳的產(chǎn)品；與鋼制車(chē)身相比，一般能實(shí)現(xiàn)30%左右的輕量化效果，集成10～20個(gè)零件[3，8-11]。

2023款非中國(guó)版特斯拉Model Y的前艙和中后地板均應(yīng)用新一代免熱處理材料的一體壓鑄件（集成70～80個(gè)零件），并且電池包集成前地板的功能，取消了單獨(dú)的前地板，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使前地板模塊一體壓鑄成為可能，一體壓鑄的電池包鎖模力預(yù)估10 000 t以上，超出了目前壓鑄設(shè)備范疇。未來(lái)，隨著壓鑄設(shè)備的進(jìn)步和壓鑄在汽車(chē)工業(yè)中的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)前地板模塊一體壓鑄只是時(shí)間問(wèn)題。當(dāng)然，一體壓鑄不局限于下車(chē)身，特斯拉的構(gòu)想是采用下車(chē)身3個(gè)大型壓鑄件、上車(chē)身5個(gè)以上的大型壓鑄件實(shí)現(xiàn)對(duì)白車(chē)身絕大部分結(jié)構(gòu)件的集成工作，國(guó)內(nèi)院校的譚永曦和肖倫倫研究分析了發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋和車(chē)門(mén)模塊壓鑄件在工藝和性能角度理論上可行[11-13]。

隨著壓鑄材料、設(shè)備、工藝技術(shù)的進(jìn)步和批量應(yīng)用帶來(lái)的成本效應(yīng)，真空高壓壓鑄技術(shù)有望成為未來(lái)智能汽車(chē)車(chē)身的主流制造技術(shù)。

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