一體化壓鑄技術的關鍵生產要素

2019年7月，特斯拉發布新專利——“汽車車架的多向車身一體成型鑄造機和相關鑄造方法”，提出了一種車架一體鑄造技術和相關的鑄造機器設計。2020年9月22日的特斯拉電池日發布會上，馬斯克稱特斯拉Model Y 將採用一體壓鑄生產車身後底板總成，替代了原本需要70多個零部件經1000多次焊接而成的衝焊工藝，特斯拉官方表示，這種技術將使下車體總成質量降低30%，制造成本下降40%，爲Model Y整車省下20%的成本，並減少30%的工廠佔地面積。同時特斯拉計劃用3個大型壓鑄件拼接成整個下車體總成，替換掉原來的370個零件，最終可以實現汽車整備質量降低10%，續駛裏程增加14%。特斯拉引領了整個行業的追隨與變革，蔚來、小鵬及高合等主機廠及壓鑄相關廠商正在進行從0到1的驗證工作和從1到100的發展工作，沃爾沃、大衆、奔馳及一汽等傳統主機廠也在積極布局。

上述技術即爲“一體化壓鑄技術”，是將原本設計中需要組裝的數十個甚至上百個零件經重新設計、高度集成，利用超大噸位壓鑄機，通過先進壓鑄工藝，一體成形爲一個超大尺寸的鋁制部件，實現原有功能。該技術最突出的特點是超大尺寸的產品，進而引出超大噸位壓鑄機、超大復雜結構模具、極限工藝參數和極高CAE分析要求，同時解決大尺寸薄壁件變形問題的“殺手鐗”——免熱處理鋁合金成爲了一體化壓鑄技術的熱點之一。

本文結合傳統壓鑄技術，就一體化壓鑄技術的生產要素，即“人、機、料、法、環、測”，逐一進行詳細地介紹和分析。

材料性能

一體化壓鑄的零件，通常具有尺寸大、壁厚薄以及結構復雜等特點，這就對鋁合金材料性能提出了更高的要求。綜合考慮使用性能、工藝特點及生產條件等因素，一體化壓鑄鋁合金材料不僅在常規性能上比普通壓鑄要求高，而且還有其獨特的要求。

1.常規性能要求

熱塑性流變性能良好 在過熱度不高於液、固相線溫度附近應具有良好的熱塑性流變性能，以實現復雜型腔的填充，形成良好的鑄造表面，避免縮孔缺陷的產生。

較小的線收縮率 以避免壓鑄過程產生裂紋和變形，使壓鑄件保持較高的尺寸精度。

較小的凝固溫度區間 以便於實現快速同時凝固，減少內部收縮孔洞等缺陷。

較好的鑄件（鑄型）界面性能 與壓鑄模具不發生化學反，親和力小，以減少粘模和相互合金化。

2.獨特性能要求

（1）高強韌性 對於傳統鋁合金而言，熱處理是保障零部件力學性能的必備手段，但實際上，熱處理過程易引起零部件表面缺陷和尺寸變形，這對於大型一體化零部件來說將不可避免地造成廢品率的增加，承擔巨大的成本風險。因此需要特殊的免熱處理鋁合金，在不需要進行熱處理的條件下，保證材料成型後依然具有良好的力學性能。根據材料的強度進行零件的結構設計，並且材料強度越高、減重越明顯。另外對於車身結構件來講，還需兼顧碰撞、疲勞性能要求等，因此一體化壓鑄結構件要求材料在鑄態下具有高的強度和塑性。

（2）優異的鑄造性能 鑄造性能包括很多方面，對於一體化壓鑄結構件來說，材料的充型能力很關鍵。目前最遠的流程可以達到2.7m左右，如果充型能力不足，將導致欠鑄等問題。

（3）連接包容性高 因爲大型的一體化壓鑄車身結構件在零件的不同部位無法做到性能統一，所以在零件的不同部位可能會選擇不同的連接方式。例如：焊接、SPR及膠接等。

不同的連接方式對於材料的性能要求也不一致，例如SPR就需要材料具有較高的韌性，而焊接則要求材料不應存在氣孔等要求。

（4）微量元素、雜質元素的容忍度更高 目前，一體化鑄件的成品率在60%左右（各企業的數據不一致，此數據爲大致的平均水平），這意味着大概有40%的零件需要回爐重新使用，在這個過程中難免會引入一些雜質元素，另外有些元素還會存在燒損。隨着雙碳目標的確定，未來希望再生料能夠融入免熱處理生產的過程中。因此，材料能夠對元素及雜質擁有高的容忍度，才能確保經濟性和鑄件性能。

（5）長效高效的變質劑 因爲免熱處理材料的特性就是取消了熱處理工序。目前常用的AlSi10MnMg材料，通過熱處理來改善零件的力學性能。而免熱處理材料沒有了後續手段，只能通過鑄造過程中形成的組織來實現力學性能。通過控制凝固過程中形成的組織來實現材料的強度和塑性。目前對於免熱處理材料組織的控制，關鍵點在於共晶組織的控制。鋁硅系合金着重控制共晶硅的形貌和尺寸；鋁鎂硅系合金着重控制鎂二硅的形貌和尺寸。目前依靠現有的鑭（La）元素、釓（Gd）元素或者稀土元素作爲變質劑進行組織調控。在實際生產過程中，工藝上需要熔體有很長的時間的保溫，如果變質劑效力下降乃至失效，將對於生產的連續性存在極大的挑戰。

因此，目前免熱處理鋁合金成爲目前一體化壓鑄產品的唯一選擇。各大高校、科研院所、企事業單位紛紛開發對免熱處理材料，呈現百花齊放態勢。目前來看，免熱處理鋁合金可分爲鋁硅系（Al-Si系）和鋁鎂系（Al-Mg系）兩大類，各個牌號在此框架下進行成分調整和工藝路線制定。目前成熟的免熱處理材料往往擁有一個免熱處理合金牌號體系，如美國鋁業、萊茵菲爾德、特斯拉以及上海交大等。

通過梳理各個免熱處理鋁合金材料牌號成分，可以發現一些材料是在已有專利的基礎上進行成分微調、生產工藝調整，成功研發免熱處理鋁合金材料的企業都會盡快申請專利進行保護；整車廠爲避免專利糾紛，會選擇具有專利保護的合金牌號，專利是進行整車前期試驗和認證的門檻。研發和認證壁壘——雖然免熱處理合金研發不存在高不可攀的技術門檻，但需要上遊材料企業、壓鑄廠、模具廠與整車廠合作研發。研發壁壘不僅在於合金成分調整和工藝路線調整，關鍵是材料生產商與壓鑄廠、整車廠綁定合作，不斷試錯，生產出符合整車性能要求的材料。

工藝流程

一體化壓鑄技術改變傳統車身生產流程（先生產結構件後焊接組裝），可大幅減少焊接、塗膠環節，極大簡化了車身整體生產流程。一體化壓鑄件主要包括熔化、壓鑄、打磨、X光及機加工機裝配等工序，其生產工藝流程如圖1所示，與減振塔、縱樑等車身結構件相比，省略了熱處理（矯形）工序，本小節重點介紹壓鑄工序。

一體化壓鑄件包含了整車左右側的後輪罩內板、後縱樑、地板連接板以及樑內加強板等零件，比普通壓鑄件體積更大、形狀更復雜，型面、截面以及料厚的變化都更加劇烈。對壓鑄工藝也提出更高的要求：工藝上的流態、壓射比壓與速度等參數的控制更加嚴格，對設備的精準與閾值、模具的抵抗衝擊變形能力要求更爲苛刻。

一體化壓鑄工藝流程爲：噴塗、合模、澆注、壓射、保壓、開模、取件、完整性檢查、冷卻、切邊以及傳送帶。

壓鑄工藝參數主要包括壓力、速度、時間、溫度以及真空等。鑄造壓力，氣密性產品80MPa，一般產品60MPa，一體化壓鑄產品都在40MPa以下，原因在於壓力太大，鎖模力不足，導致飛料嚴重；壓鑄機空壓射速度一般要求10m/s以上，實際衝頭最高速度爲6～8m/s，內澆口速度爲40～55m/s；充型時間50～80ms；溫度，鋁液溫度爲700～710℃，模具溫度220～280℃，一體化壓鑄對模具熱平衡要求很高；真空度30～50mbar（1bar=105Pa），實際上能低於30mbar。

另外，由於預結晶組織會顯著削弱一體化壓鑄件的機械性能，因此鋁合金澆注過程非常關鍵，一般通過熔杯鋁液溫度、料筒加熱及壓鑄工藝等工藝對預結晶進行管控。

基礎硬件

一體壓鑄結構件尺寸和質量持續提升，壓鑄機噸位突破新高，一體化壓鑄技術採用6000t以上的壓鑄主機，目前已完成安裝調試的壓鑄機噸位有6000t、6100t、6600t、6800t、7200t、8800t、9000t以及12 000t，另外16 000t壓鑄機已經進入制造階段，20 000t壓鑄機進入開發階段。

1. 壓鑄機

壓鑄機是一種在壓力作用下把熔融金屬液壓射到模具中冷卻成型，開模後得到固體金屬鑄件的工業鑄造機械，以標準化機器爲主，通過安裝不同壓鑄模具實現多種零部件產品的生產。根據行業經驗，一般按照壓鑄件的輪廓、尺寸和質量，選擇不同噸位的壓鑄機。根據布勒中國，傳統車身結構件所需壓鑄機噸位長期保持在1600～4400t範圍內，其中前減震塔要求1600～2500t，而前後門框、尾蓋箱、後縱樑、A柱要求4000t，車門要求4400t。隨着一體壓鑄結構件的尺寸和質量不斷提高，對壓鑄機噸位的要求也隨之提高，如圖2所示，中型SUV Model Y的後地板和前艙使用6000t壓鑄機；B級轎跑蔚來ET5的半片式後地板使用6000t壓鑄機；而尺寸更大的電動皮卡Cybertruck的後地板（或前地板）將使用8000～9000t壓鑄機；電池包、A00級下車體等，則需要12000t及以上噸位壓鑄機。

超大型壓鑄機研發和生產存在難度，超大型鑄造機的制造難度主要體現在研發和生產兩個方面。

在研發方面，目前大量應用的汽車鋁壓鑄結構件已具備尺寸大（500～1500mm）、壁薄（2.5mm左右）、結構復雜等特徵，將傳統鋁壓鑄結構件和高度集成化的一體壓鑄結構件作對比，一體壓鑄結構件的形狀更加復雜，壁厚不均，尺寸和質量明顯增大，這對超大型壓鑄機的鎖模力、容模空間尺寸、壓射力、最大空壓射速度、安全性及可靠性的設計能力提出較高要求。之前壓鑄機廠商僅有5000t以下的壓鑄機研發經驗，面對超大型壓鑄機6000t→7000t→8000t→9000t →12 000t→16 000t→20 000t的噸位增長，壓鑄機廠研發曲線非常陡峭。

在生產方面，超大型壓鑄機從研發到交付的時間跨度較長，壓鑄機廠需要持續投入高額資金，這在一定程度上考驗壓鑄機廠的生產能力。國內壓鑄機廠率先布局，力勁集團訂單量遙遙領先。國內壓鑄機廠商在研發進度、交付速度和訂單量上全面領先，代表公司爲力勁股份、伊之密及海天金屬。其中，力勁集團早於2019年11月交付首套6000t大型壓鑄單元，成功成爲特斯拉全球供應商，之後獲得特斯拉30套超大型壓鑄機訂單。在這之後，力勁集團持續獲得國內各壓鑄廠的超大型一體壓鑄訂單，其壓鑄機交付噸位不斷突破新高。國外壓鑄機廠則進度較慢，2022年6月才正式向客戶交付6100t壓鑄機。

2. 壓鑄模具

壓鑄模具也是壓鑄生產的核心設備之一，一體化壓鑄對大型壓鑄模具設計提出更高要求。一體化壓鑄模具尺寸更大，傳統壓鑄模具的產品尺寸在1m以內,一體化壓鑄產品尺寸達到1.6～2m，對應模具的尺寸需要達到3m以上，導致加工難度提升，一體化壓鑄模具的質量達到150t或更大。超真空壓鑄環境，一體化壓鑄對模具的密封性要求高，需要達到的真空環境低於30MPa，由於模具的零部件數量多，對密封圈等要求較高；開發周期長，開發成本更高，超大型壓鑄模具的開發周期在150～180天，傳統壓鑄模具的成本不超過400萬元，超大型壓鑄模具的成本普遍在千萬元以上。模具的定制化程度高，一般都是採用私人訂制的方式接受訂單，需要根據不同車型進行設計，要求模具廠與整車廠、壓鑄廠持續溝通，設計、打樣、改進優化及投入使用的生產周期較長，設計方案復用水平較低，一般第二款模具就需要重新進行開發；材料性能要求高，由於大型壓鑄機的壓射速度更快，導致模具需要承受的壓力更大，其次對材料的回火性能、韌性、熱膨脹系數要求高，以及表面處理等技術都是難點。

配套設備

除了壓鑄機和壓鑄模具，壓鑄生產所涉及的其他設備稱之爲配套設備。主要包括周邊設備、熔化設備、熱處理及後處理等設備，其中後處理又包括機加工、表面處理及裝配等。周邊設備與壓鑄機和壓鑄模具共同組成壓鑄單元，周邊設備包含機邊爐、噴塗系統及噴塗機器人、取件機器人、真空系統、完整性檢查、冷卻水槽、去渣包、切邊機、打碼機、傳送帶、模溫機、冷卻站、熱成像儀及除塵罩等超過二十套設備；熔化設備包括集中熔化爐、轉運包、定量爐、保溫爐以及除氣機等；後處理包括機加工、去毛刺、表面處理以及裝配等設備。以上設備中，一體化壓鑄技術與傳統壓鑄技術所不同的在於機邊爐、噴塗系統、熱成像儀、切邊裝備及機加工設備。

1. 機邊爐機

邊爐分爲兩種方式：定量爐和保溫爐+給湯機，一般兩者旁邊均配備專用集中熔化爐。定量爐的特徵爲大型全密閉定量系統，全密閉流槽採用封閉式設計，使鋁液在給湯過程中不再接觸空氣且給湯時間顯著降低，大型一體化壓鑄件需要配備4～8t定量爐，單泵/雙泵給湯量150/200kg，定量速度10kg/s，定量精度±1%。另外，定量爐又分爲一體式密封氣壓定量保溫爐、分體式敞口氣壓定量保溫爐和分體式敞口真空定量保溫爐三種。相對而言，保溫爐+給湯機在工作效率、能耗、燒損及給湯時間方面存在劣勢，但設備投資較低。目前，兩種機邊爐類型均有應用，如圖3所示。

2. 噴塗系統

大部分採用微噴塗或靜電噴塗技術，採用脈衝噴塗工藝，配備仿形噴頭和多噴塗裝置，如圖4所示。

噴塗是循環時間的消耗大戶，傳統的噴塗方式嚴重影響大型零部件的生產效率。採用動定模各一組或單側雙噴塗的設計，盡量減少安裝和維護區域，避免更多的機械幹涉。技術方案上可選擇微量噴塗或靜電噴塗技術，最大程度地節省循環時間，提高生產效率，但這也對模具熱平衡的控制提出了更高的要求。

3. 熱成像儀

如圖5所示，一體化壓鑄基本均配備模溫實時在線監測系統包括紅外熱成像相機、監控系統、溫度採集分析軟件等，與模溫機、點冷機和噴塗機器人共同調整、控制模具溫度。

在壓鑄生產過程中，模溫實時在線監測系統與壓鑄機控制系統對接，並且還可以與噴塗機器人、模溫機、點冷機等其他周邊設備通信使其完成閉環控制。監測系統能準確、快速地在模具開模完成和噴塗前後兩個階段，對模具表面溫度進行採集、記錄、分析以及與設定數值對比，並完成相應的評估，進而對模溫精準控制，達成穩定模溫的目標，最終實現生產過程穩定與產品品質穩定。

4. 切邊方案

一體化壓鑄一般採用等離子切割+切邊機，小批量階段採用等離子切割，量產階段採用切邊機。壓鑄生產中涉及的切邊方案有切邊機、等離子、激光、高速鋸和人工，如圖6所示。

液壓切邊機的速度相對快一點，但要留有一定的餘量來控制變形，且投資大，更適合大批量生產；等離子切邊，切邊性能與激光類似，甚至稍好，設備總價較低，通用性強、柔性高，各種外形復雜的鑄件都能在同一臺設備上處理，但耗材較貴；激光切邊在歐洲的小批量生產中比較常見，優點是除彎角處外切口比較整齊，通用性強、柔性高，但切割成本較高，且適合10mm以下切割厚度；高速鋸在薄壁件上容易因爲受力造成產品變形；人工切邊，更適合中小型壓鑄廠的傳統小型壓鑄件。

5. 機加工方案

目前有大型五軸加工中心和雙五軸龍門加工中心，機加工方案如圖7所示。

大型一體化壓鑄件加工特徵：大尺寸行程2000mm以上；加工點位較多，但單點的加工量較小；主要爲鑽孔、攻絲等，空間角度孔較多。具體要根據產品特徵、訂單量、投入資金等因素進行選擇。另外，爲提高加工柔性、降低投資成本，採用機器人夾持刀具對一體化壓鑄件進行加工成爲另外一個關注方向，現已有機器人加工車門內板的成熟案例，只是受機器人整體剛度影響，暫未應用到一體化壓鑄產品中。

檢測工序

與其他壓鑄產品相比，一體化壓鑄產品的檢測並無特殊之處，主要包括外觀質量、探傷、輪廓尺寸、力學性能、臺架試驗以及道路測試六種。其中外觀質量是指冷隔、流痕、拉傷及裂紋；探傷主要檢查氣孔、縮孔、夾雜等內部缺陷；力學性能是指本體取樣進行拉伸試驗（抗拉、屈服、延伸率）；輪廓尺寸涉及到檢具、三坐標等；臺架試驗包含不同方向靜強度、實際工況下的耐久性能及碰撞試驗；道路測試主要包括：動力性能測試（測試車輛的加速、爬坡、起步和最高速度等性能指標）、制動性能測試（測試車輛的制動距離、制動力分配和制動穩定性等指標）、操控性能測試（測試車輛的操控性能，如曲線行駛、轉彎和並線等）和可靠性測試（測試車輛在不同路況下的行駛表現和零部件的可靠性）。

作業人員素質

一體化壓鑄技術對研發、技術及現場等相關人員提出的高標準的綜合要求，涉及產品設計、材料開發、工藝模具以及現場管理四大方面。

產品設計需要結構力學、整車結構、機械制圖、Catia、Abqus等方面知識儲備，材料開發需要掌握凝固原理、合金配方、材料力學基礎知識等，工藝模具方面精通流體力學、工藝參數、澆排系統、模具設計、熱力學及表面處理工藝等，現場管理則具備熟悉設備操作、電氣/液壓、自動化編程、精益生產、質量管理及人員培訓等多方面技能。

壓鑄行業從業人員僅有30餘萬，屬於小衆行業，但又是典型的多學科交叉領域，對從業人員的知識儲備、現場實操有着全面的要求，一體化壓鑄技術的產業化將其要求又提升數個數量級。

結 語

一體化壓鑄技術，從本質上講是壓鑄技術配套真空系統，外加超大尺寸產品的特徵，仍然屬於傳統技術的改進與拓展，然而超大尺寸卻使整個產業鏈發生了從量變到質變的過程。

在此之前，壓鑄機最大噸位在4000t級別持續二十餘年，而高度集成化的一體化壓鑄產品不斷觸及噸位天花板，目前已在研發20 000t壓鑄機，隨之而來的是設備加工與控制精度難度的提高；大尺寸產品在壓鑄過程中，充填距離超過2m，澆排系統顯得尤爲重要；100kg以上的澆鑄質量和幾十毫秒的充填時間，大幅度縮小了工藝窗口，對設備性能、模具水平、人員素質均提出高標準的要求；壓鑄鋁合金需要滿足中等強度、高延伸率、免熱處理、良好鑄造性能和低成本的綜合要求。

因此，一體化壓鑄技術的推廣應用，需要汽車、設備、壓鑄、模具、材料及科研等多板塊、全鏈條協同合作，助力於一體化壓鑄的軟着陸。

作者：，於德水（1），何廷餘（2）,劉清（1）李東洋（1），，高傑（3），韓星（4）（1）蘇州亞德林股份有限公司（2）東莞市平澤五金制品有限公司（3）比亞迪股份有限公司（4）山東宏橋輕量化科技有限公司