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鋁合金一體化壓鑄技術(shù)淺析

鑄造雜志 發(fā)表于2023/6/20 10:19:22 鋁合金一體化壓鑄工藝

原標(biāo)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(jī)將取代焊接機(jī)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(shì)明顯。一體化壓鑄技術(shù)核心在于大型壓鑄機(jī)的性能、免熱處理材料配方、壓鑄模設(shè)計(jì)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(biāo)配技術(shù)。

2020年中國(guó)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(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(jí)。根據(jù)“布勒中國(guó)”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(dòng)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(diǎn)發(fā)展技術(shù),新能源車實(shí)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(jī)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(dòng)的模具放置在四個(gè)不同方向,可移動(dòng)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(gè)封閉的空腔,鋁合金液分別從四個(gè)移動(dòng)模具上的澆注口壓入模具空腔,鋁合金在空腔內(nèi)流動(dòng)、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(gè)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(jìn)行整車開發(fā);第二階段:Model Y使用6 000 t壓鑄機(jī)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(gè),焊點(diǎn)數(shù)量減少超1 600個(gè))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(gè),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(jí)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(tái)意大利意德拉IDRA6000 t一體式壓鑄設(shè)備,上海布置三臺(tái)力勁DCC6000系列一體式壓鑄設(shè)備,得州工廠已經(jīng)布置1臺(tái)IDRA 8000 t級(jí)壓鑄設(shè)備,柏林工廠規(guī)劃產(chǎn)能50萬輛,將布置8臺(tái)一體式壓鑄設(shè)備。四座工廠,14臺(tái)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(jì)劃在SSP(Scalable Systems Platform,可擴(kuò)展系統(tǒng)平臺(tái))平臺(tái)開始應(yīng)用一體壓鑄,根據(jù)Online EV報(bào)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(jī)生產(chǎn),集成了約30多個(gè)零件,減重約10 kg。Trinity車型則是基于SSP平臺(tái)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(duì)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(jì)劃在所有旗下工廠引入一體壓鑄技術(shù),預(yù)計(jì)在2025年實(shí)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(yīng)用了和特斯拉同樣的仿生工程結(jié)構(gòu)部件,整個(gè)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(jì)可減輕車身15%~20%的重量,VISION EQXX能耗達(dá)到10 kW·h/100 km以下,實(shí)際用電里程超過1 000 km。

國(guó)內(nèi)新勢(shì)力中,2021年12月,蔚來在ET5發(fā)布會(huì)上宣布將開始采用一體鑄造工藝,ET5使用超高強(qiáng)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(dá)34 000 N·m/deg。

在2021年業(yè)績(jī)發(fā)布會(huì)上,小鵬汽車宣布將于2023年發(fā)布兩個(gè)新平臺(tái)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(xiàng)目預(yù)計(jì)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(dòng)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 t一體化超大壓鑄后艙成功下線。該部件應(yīng)用了上海交通大學(xué)的合金材料,實(shí)現(xiàn)了15%~20%的減重,整個(gè)開發(fā)周期縮短了三分之一,該壓鑄機(jī)是汽車零部件領(lǐng)域已知最大的一體化鋁合金壓鑄件。國(guó)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)。具體情況見表1。

表1 國(guó)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(gè)方面:大型壓鑄機(jī),免熱處理鋁合金材料配方、壓鑄模具設(shè)計(jì)、真空壓鑄工藝。

2.1 大型壓鑄機(jī)

大型壓鑄機(jī)行業(yè)進(jìn)入門檻高,對(duì)理論、經(jīng)驗(yàn)及制造工藝有很高的要求,同時(shí),大型壓鑄機(jī)的開發(fā)周期非常長(zhǎng),前期投入大,造價(jià)高(1臺(tái)壓鑄機(jī)平均需要1億元人民幣)。一體化壓鑄要求壓鑄機(jī)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(jī)(圖2),鎖模力高達(dá)92000 kN,兩套Carat 840壓鑄島交付沃爾沃公司托斯蘭達(dá)工廠,實(shí)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(jī),該壓鑄機(jī)長(zhǎng)19.5 m、寬5.9 m、高5.32 m,大小相當(dāng)于一塊羽毛球場(chǎng)地,平臺(tái)的有效尺寸長(zhǎng)和寬2.35 m,工作臺(tái)空間可以放下長(zhǎng)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(qǐng)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(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(guó)內(nèi)壓鑄機(jī)廠力勁在全球壓鑄機(jī)市場(chǎng)的占有率超過40%,率先開發(fā)出6000 t壓鑄機(jī)(圖3),目前已開發(fā)出12000 t壓鑄機(jī)。海天金屬2021年4月在重慶美利信全球首發(fā)HDC8800 t壓鑄機(jī),可實(shí)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(jī)也即將總裝。

圖2 布勒Carat8400壓鑄機(jī)

圖3 力勁K6000壓鑄機(jī)

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(xué)性能,能避免在熱處理(高溫固溶和時(shí)效處理)過程中造成工件變形。截至2021年,國(guó)內(nèi)外企業(yè)包括美國(guó)美鋁、德國(guó)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(guó)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(guó)鋁業(yè)在20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(guó)鋁業(yè)簽訂獨(dú)家代理協(xié)議,代理美鋁高強(qiáng)韌免熱處理鑄造鋁合金。此外,德國(guó)萊茵金屬公司也開發(fā)出Al-Si系和Al-Mg系免熱處理高強(qiáng)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(qǐng)中的最新相關(guān)專利《一種高強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)130 MPa,抗拉強(qiáng)度達(dá)到250 MPa,伸長(zhǎng)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(yùn)通高合汽車達(dá)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(fù)雜,具備較高的技術(shù)壁壘,其中合金材料成分設(shè)計(jì)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(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能,同時(shí)影響流動(dòng)性、凝固性等鑄造性能。

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(qiáng)度。目前的Al-Si系和Al-Mg系合金普遍具備中等的強(qiáng)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(qiáng)度或韌性,同時(shí)具有良好的鑄造流動(dòng)性的方向發(fā)展。

2.3 壓鑄模具

一體化壓鑄對(duì)模具強(qiáng)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(fù)雜,模具設(shè)計(jì)比較困難,模具設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)排氣和集渣系統(tǒng),需要運(yùn)用CAE仿真技術(shù)模擬充型過程,排氣不暢會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生氣孔而廢品。零件壓鑄后冷卻時(shí),尺寸會(huì)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(bǔ)縮冒口,同時(shí)避免出現(xiàn)熱孤島,否則零件在冷卻收縮過程中會(huì)產(chǎn)生縮孔、疏松和裂紋缺陷。模具設(shè)計(jì)廠家必須具備壓鑄充型模擬分析能力,一體化壓鑄模具國(guó)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(jià)接近1000萬元。國(guó)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(qiáng)韌免熱處理鋁合金材料,鑄件尺寸約長(zhǎng)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(qiáng)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(shí)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(gè)接觸點(diǎn):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(huì)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(duì)生產(chǎn)合格件十分重要,對(duì)不同的零件結(jié)構(gòu),壓鑄工藝參數(shù)需要長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(shí)為防止金屬液氧化及偏析,需要快速熔化,熔化后需要對(duì)鋁液除氫、除渣凈化處理,一般通氮?dú)饣驓鍤獬龤?,除氫時(shí)間10~15 min,與AlSi10MnMg相當(dāng),保溫時(shí)間不宜過長(zhǎng),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(shí)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(yàn)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(jī)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(shí)啟動(dòng)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(zhǎng)抽真空時(shí)間,真空閥盡可能延遲閉合,抽真空過程對(duì)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)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(jī)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(jī)將取代焊接機(jī)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(shì)明顯。鋁合金一體化壓鑄設(shè)計(jì)與制造是一項(xiàng)全方位集成技術(shù),技術(shù)壁壘高,包括軟件開發(fā)與運(yùn)用、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jì)都需要技術(shù)創(chuàng)新。尤其是模具設(shè)計(jì)與制造除了要考慮鑄造材料的流動(dòng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,將極大帶動(dòng)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。

作者
李先洲
廣汽乘用車有限公司

本文來自:《鑄造雜志》

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