.jpg) 原標題:鋁合金一體化壓鑄技術(shù)淺析 摘要: 新能源車企為了降本、減重和提高生產(chǎn)效率，新能源車身已開始采用鋁合金一體化壓鑄技術(shù)，特斯拉、蔚來、小鵬等新能源車企已布局一體化壓鑄領(lǐng)域，壓鑄機將取代焊接機器人成為新能源造車的核心裝備。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。一體化壓鑄技術(shù)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)優(yōu)化，鋁合金一體化壓鑄將是新能源車企的標配技術(shù)。 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年、2030年、2035年乘用車新車平均油耗將達到4.6、3.2、2.0 L/100 km，節(jié)能減排標準持續(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。
1.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形鑄造機和相關(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四個不同方向，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）。 圖1 特斯拉一體壓鑄零件 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三個階段，第一階段：Model S/X采用全鋁車身，按傳統(tǒng)的沖壓、焊接工藝進行整車開發(fā)；第二階段：Model Y使用6 000 t壓鑄機生產(chǎn)后地板，將下車體減重10%，制造成本下降40%；第三階段：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4 680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，采用一體成形壓鑄的方式生產(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 t一體式壓鑄設(shè)備，上海布置三臺力勁DCC6000系列一體式壓鑄設(shè)備，得州工廠已經(jīng)布置1臺IDRA 8000 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)作為標準工藝進行布局。 大眾計劃在SSP（Scalable Systems Platform，可擴展系統(tǒng)平臺）平臺開始應用一體壓鑄，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工廠進行現(xiàn)代化改造，其中包括一體化壓鑄技術(shù)。也將在托斯蘭達建立年產(chǎn)能達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VISIONEQXX。車身的后部及前部減震塔頂應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)計可減輕車身15%~20%的重量，VISION EQXX能耗達到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 L，整車抗扭剛度高達34 000 N·m/deg。 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合作開發(fā)的7200 t一體化超大壓鑄后艙成功下線。該部件應用了上海交通大學的合金材料，實現(xiàn)了15%~20%的減重，整個開發(fā)周期縮短了三分之一，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，進軍一體化壓鑄行業(yè)。具體情況見表1。
表1 國內(nèi)一體壓鑄規(guī)模 2.一體化壓鑄技術(shù)壁壘 目前一體化壓鑄技術(shù)壁壘主要體現(xiàn)在四個方面：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。 2.1 大型壓鑄機 大型壓鑄機行業(yè)進入門檻高，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1億元人民幣）。一體化壓鑄要求壓鑄機鎖模力至少大于6000 t（傳統(tǒng)高壓壓鑄的鎖模力通常在5000 t以下）。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92000 kN，兩套Carat 840壓鑄島交付沃爾沃公司托斯蘭達工廠，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，該壓鑄機長19.5 m、寬5.9 m、高5.32 m，大小相當于一塊羽毛球場地，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6218 t的鎖模力。根據(jù)瑞士布勒公司在2011年申請的專利，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6000 t壓鑄機（圖3），目前已開發(fā)出12000 t壓鑄機。海天金屬2021年4月在重慶美利信全球首發(fā)HDC8800 t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7000 t壓鑄機也即將總裝。
圖2 布勒Carat8400壓鑄機
圖3 力勁K6000壓鑄機 2.2 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，在完成壓鑄成形后，鑄件無需熱處理即可獲得理想的力學性能，能避免在熱處理（高溫固溶和時效處理）過程中造成工件變形。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20世紀90年代開發(fā)成功，應用在奧迪A8的全鋁車身上。帥翼馳集團與美國鋁業(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》，該公司開發(fā)的鋁合金材料屈服強度達130 MPa，抗拉強度達到250 MPa，伸長率大于10%，滿足客戶使用需求，立中集團已與文燦達成戰(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成戰(zhàn)略合作，全球首發(fā)Tech CastTM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、硬度等力學性能，同時影響流動性、凝固性等鑄造性能。 SJTU-A-Mg-Si-Mn合金是上海交通大學開發(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、成形方案、工藝參數(shù)及后處理要求更高。一體壓鑄需要大型的模具，模具更復雜，模具設(shè)計比較困難，模具設(shè)計要設(shè)計排氣和集渣系統(tǒng)，需要運用CAE仿真技術(shù)模擬充型過程，排氣不暢會導致零件產(chǎn)生氣孔而廢品。零件壓鑄后冷卻時，尺寸會收縮，需要準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、疏松和裂紋缺陷。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、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1000萬元。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，鑄件尺寸約長1.7 m、寬1.5 m、高0.7 m，澆注重量約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，模具由寧波賽維達提供。目前，賽維達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)四個接觸點：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充填階段，需要反復優(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，除氫時間10~15 min，與AlSi10MnMg相當，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口。特斯拉最早的一體壓鑄合格率65%~72%，毛利率可達到30%，2022年2月鑄件質(zhì)量標準修改后，合格率達到80%以上。 3.結(jié)論 鋁合金一體化壓鑄工藝是汽車結(jié)構(gòu)件制造中重大變革技術(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”目標推進下，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、免熱處理材料開發(fā)、壓鑄成形工藝、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、零件成形工藝性與質(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優(yōu)選的制造工藝。
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