廣東鴻圖：大型一體化壓鑄生產單元解決方案

汽車批量化生產以來，汽車白車身生產工藝需經歷衝壓及焊接兩個工藝，而一體化壓鑄則直接由熔化的金屬液澆注、整形和冷卻成形。汽車輕量化是節能減排的關鍵技術手段之一。鋁合金作爲重要的輕量化材料，受到整車制造企業的廣泛關注。目前，汽車輕量化的主要手段是發展一體化壓鑄，可簡單理解爲超大尺寸產品壓鑄成形技術，產品主要包括前艙總成、後地板總成、電池託盤等，具有尺寸大、集成度高及一次成形等特點。另外，一體化壓鑄件毛坯的澆注質量相較於傳統件增大許多。基於此，必須研發更大鎖模力的壓鑄機、產品搬運設備、壓鑄島設備以滿足一體化壓鑄件的成形、產品輸出轉運及產品澆道渣包的去除。澆注質量增加，會導致鋁液倒料時間延長，爲了減小鋁液降溫的影響，必須研發給湯速度更快的設備。因此傳統的壓鑄元素，包括設備、材料、工藝、模具等都需要突破甚至顛覆原來的技術，才能滿足前艙、後地板及電池託盤的生產。一體化壓鑄件的生產，必須解決產品尺寸過大導致的壓鑄機合模力需求大增、鑄件流程過長導致的模具溫度平衡、生產節拍過長、產品變形、保溫爐局限導致的鋁液質量不高以及給湯效率問題。針對這些問題，提出一體化壓鑄單元設備的解決方案，包括壓鑄單元布局、模具的噴塗潤滑、鋁液的供給、模具溫度的平衡控制、壓鑄超高真空控制技術等。本研究介紹了一體化壓鑄件壓鑄單元設備的解決方案，旨在爲一體化壓鑄生產提供參考。

圖文結果

新能源汽車前艙等大型鋁合金壓鑄件生產過程如下：原材料以鋁錠形式由貨車運輸到工廠，經叉車轉運至車間內鋁錠存放區。熔煉爐將原材料熔煉成鋁液後轉至保溫爐，給湯機從保溫爐取料給湯到壓鑄機，壓鑄機壓鑄成形後，由機器人取件，進行產品檢測、水冷、渣包切除、激光打碼、料餅切除，檢測合格後從壓鑄島下線，經去毛刺和X光檢測後，合格件被運往機加工區，不合格件進入廢料區等待切割後回爐使用，設備開機時生產的熱模件和正常生產狀態下等切割的料餅均可經破碎後作爲回爐料使用。

壓鑄單元的配套設備有：噴塗機器人及噴塗系統、取件機器人及取件系統、產品檢測裝置、產品冷卻水槽、去渣包裝置、等離子切割（或者大型壓牀和衝模的衝切方式）、矯形裝置、打碼站、點冷機、真空機、模溫控制系統、模溫數據監測反饋系統和油污收集器等，與壓鑄機組成一個完整的系統。周邊設備的布置形式及數量應根據具體產品的工藝要求而定，生產節拍應與壓鑄機相匹配。爲了獲得最大的空間利用率，最有效率的物流路線，最佳的生產流程以及最短的生產節拍，必須對以上壓鑄單元的所有設備進行合理的布局。以鴻圖120 000 kN壓鑄單元爲例，產品爲前艙、後地板，布局設計方案見圖1。

圖1 廣東鴻圖120 000 kN壓鑄單元

爲生產超大尺寸的一體化壓鑄產品，壓鑄機尺寸需要相應增大，見圖2。主要體現在160 000 kN壓鑄機的合模機構上，其模板長寬達到4 600 mm以上，哥林柱直徑超過ϕ600 mm。爲了保證超大模具在合模狀態下各個接觸面的合模力一致，以及實現快速開合模，採用直壓式的鎖模結構，即鎖模結構由原來的曲肘設計實現合模動作高壓鎖模力要求，變爲直接使用超大的油缸活塞和高壓（21 MPa）油壓來實現合模動作高壓鎖模力要求，即由原來的機械方式變爲液壓方式。該活塞直徑約爲ϕ600 mm，4個活塞各對應一條大槓，大槓上有獨立的凹槽，合模最後階段，通過4個大油缸活塞驅動卡齒卡住大槓的凹槽，並通過穩定的高壓油壓來實現160 000 kN以上的鎖模力。與傳統的機械曲肘鎖模方式相比，直壓式鎖模結構不會出現機械磨損導致的鎖模力不穩定的情況，而且4條大槓獨立控制鎖模力，能夠允許出現4條大槓鎖模力不平衡的情況。此外，直壓式鎖模結構可以快速合模油缸推動中板前進，直到型板緊貼模具後，然後啓用直壓式（超大活塞）油路實現高壓鎖模。

圖2 廣東鴻圖160 000 kN壓鑄機

表1 模溫控制系統的配置

圖3 模溫設備系統布置圖

模溫機工作原理爲將有機熱載體（導熱油）通過熱油循環泵進行液相循環，並通過電加熱升溫至目標溫度後輸送到模具，模具出油口再回到油溫機，形成完整的循環加熱系統。油溫機利用高導熱性的導熱媒介，以及更高的溫差在很短的時間內將模具內溫度提高或者將多餘的熱量送走。在設定好熱平衡溫度後，能自動控制其溫度在極小誤差之內，且能維持定值。利用溫度控制系統調節模具的平衡溫度，從而實現優化循環時間，更好地促進產品定型。水溫機原理是將水通過循環泵進行液相循環，並通過電加熱升溫至目標溫度後輸送到模具。模具出水口再回到水溫機，形成一個完整的循環加熱系統。水溫機利用壓力控制系統，將 100 ℃以上的水保持液態，形成過熱水。水溫機利用過熱水壓力高、流速快的特點及更高的水與模具的傳熱效率，在更短的時間內將模具內溫度提高或者將多餘的熱量帶走。在設定好熱平衡溫度後，能自動控制其溫度在極小誤差之內，並能維持定值。利用溫度控制系統調節模具的平衡溫度，從而實現優化循環時間，更好地促進產品定形。

圖4 模具溫度檢測系統

生產單件一體化壓鑄件成本非常高，對壓鑄生產過程進行管控是其中一種應對措施。模具表面溫度是動態的工藝參數，在每個鑄造周期內都必須保持在最佳且均勻的範圍內，這會影響鑄件品質和模具壽命。前艙、後地板、電池託盤在生產過程中的溫差較大，必須對生產過程中的模具溫度進行監測及記錄並實時反饋異常，以保證產品的品質。紅外熱成像在線監測系統通過高達數十萬個以上的測溫點數據實時形成清晰的熱像圖，可以直觀分析被測物體表面任何點或關注區域（ROI）溫度變化情況，對比工作循環的相同階段前後數據，找到溫度分布正確優化的依據，通過預設溫度閾值實現報警提示，原理見圖4。由於一體化壓鑄件產品尺寸大，進澆口到水尾的渣包口流程長，增壓不能在鋁液凝固前傳達到水尾部位，爲保證產品的內部品質及力學性能，真空工藝的應用十分重要。應對一體化壓鑄件全新設計的真空系統，其靜態真空度可以達到500 Pa，動態真空度達到3 kPa，真空罐採用10 m3，動定模側各採用4個真空閥對型腔進行抽真空，最快關閥時間達30 ms。圖5爲真空系統示意圖，通過管道對料槽、模具動模側、模具定模側進行抽真空，以達到減少充填阻力，降低產品含氣量，提高產品品質的目的。

圖5 超大型壓鑄單元真空系統

圖6 超大型壓鑄單元雙噴塗頭系統

圖7 一體化壓鑄後地板

圖8 3 000 kN壓牀設計圖

圖9 超大型壓鑄單元雙定量爐給湯方案

使用120 000 kN超大型壓鑄機生產，配置雙定量爐給湯方案、雙噴塗系統、模溫控制系統、模溫反饋系統、超高真空系統以及壓鑄島。壓鑄島主要工序流程有取件-檢測-冷卻-折渣包-切邊-打標-輸送等，見圖10。通過以上的一體化壓鑄單元的設備解決方案，使得後地板總成可以順利量產，其節拍爲120 s，鑄造壓力低至約30 kPa，高速速度約爲5.5 m/s，具體壓鑄工藝參數見表2和表3。其節拍主要通過壓鑄單元布局、優化給湯時間、優化噴塗時間以及冷卻時間得以保證，低壓、低速工藝主要通過壓鑄機性能、模具溫度控制、超高真空工藝等來保證。鋁合金壓鑄件由於其工藝特點，在模具中流動形成鋁液溫度損失，導致零件本體近澆口端和末端力學性能均存在差異。隨着一體化壓鑄零件尺寸加大，鋁液流程變長，壓鑄件近端與遠端力學性能差異更明顯。通過一體化壓鑄單元設備生產的後地板總成，其力學性能見表4，滿足汽車使用要求。

圖10 後地板總成生產流程

表2 後地板總成壓鑄工藝參數（1）

表3 後地板總成壓鑄工藝參數（2）

表4 後地板總成力學性能

針對一體化壓鑄件，包括前艙總成、後地板總成、電池託盤等，提出一體化壓鑄單元設備解決方案，解決了一體化壓鑄件生產過程中的產品成形、變形問題。提出了切實可行的模具溫度控制、模具脫模劑噴塗、產品澆口渣包衝切、鋁液供給等方案，可有效提高產品的生產效率，保證產品的質量，提高經濟效益。

本文作者：

曾慶傑 聶俊毅 孫永明 黃壯才陳詩明 萬裏 黃志垣廣東鴻圖科技股份有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴