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(fā)布會上，馬斯克稱特斯拉Model Y 將采用一體壓鑄生產(chǎn)車身后底板總成，替代了原本需要70多個零部件經(jīng)1000多次焊接而成的沖焊工藝，特斯拉官方表示，這種技術將使下車體總成質(zhì)量降低30%，制造成本下降40%，為Model Y整車省下20%的成本，并減少30%的工廠占地面積。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(xiàn)汽車整備質(zhì)量降低10%，續(xù)駛里程增加14%。特斯拉引領了整個行業(yè)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(fā)展工作，沃爾沃、大眾、奔馳及一汽等傳統(tǒng)主機廠也在積極布局。

上述技術即為“一體化壓鑄技術”，是將原本設計中需要組裝的數(shù)十個甚至上百個零件經(jīng)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，一體成形為一個超大尺寸的鋁制部件，實現(xiàn)原有功能。該技術最突出的特點是超大尺寸的產(chǎn)品，進而引出超大噸位壓鑄機、超大復雜結(jié)構模具、極限工藝參數(shù)和極高CAE分析要求，同時解決大尺寸薄壁件變形問題的“殺手锏”——免熱處理鋁合金成為了一體化壓鑄技術的熱點之一。

本文結(jié)合傳統(tǒng)壓鑄技術，就一體化壓鑄技術的生產(chǎn)要素，即“人、機、料、法、環(huán)、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(jié)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(chǎn)條件等因素，一體化壓鑄鋁合金材料不僅在常規(guī)性能上比普通壓鑄要求高，而且還有其獨特的要求。

1.常規(guī)性能要求

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

較小的線收縮率 以避免壓鑄過程產(chǎn)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(qū)間 以便于實現(xiàn)快速同時凝固，減少內(nèi)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(fā)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 對于傳統(tǒng)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，這對于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，保證材料成型后依然具有良好的力學性能。根據(jù)材料的強度進行零件的結(jié)構設計，并且材料強度越高、減重越明顯。另外對于車身結(jié)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(jié)構件要求材料在鑄態(tài)下具有高的強度和塑性。

（2）優(yōu)異的鑄造性能 鑄造性能包括很多方面，對于一體化壓鑄結(jié)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 因為大型的一體化壓鑄車身結(jié)構件在零件的不同部位無法做到性能統(tǒng)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。

不同的連接方式對于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(zhì)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(yè)的數(shù)據(jù)不一致，此數(shù)據(jù)為大致的平均水平），這意味著大概有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(zhì)元素，另外有些元素還會存在燒損。隨著雙碳目標的確定，未來希望再生料能夠融入免熱處理生產(chǎn)的過程中。因此，材料能夠?qū)υ丶半s質(zhì)擁有高的容忍度，才能確保經(jīng)濟性和鑄件性能。

（5）長效高效的變質(zhì)劑 因為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后續(xù)手段，只能通過鑄造過程中形成的組織來實現(xiàn)力學性能。通過控制凝固過程中形成的組織來實現(xiàn)材料的強度和塑性。目前對于免熱處理材料組織的控制，關鍵點在于共晶組織的控制。鋁硅系合金著重控制共晶硅的形貌和尺寸；鋁鎂硅系合金著重控制鎂二硅的形貌和尺寸。目前依靠現(xiàn)有的鑭（La）元素、釓（Gd）元素或者稀土元素作為變質(zhì)劑進行組織調(diào)控。在實際生產(chǎn)過程中，工藝上需要熔體有很長的時間的保溫，如果變質(zhì)劑效力下降乃至失效，將對于生產(chǎn)的連續(xù)性存在極大的挑戰(zhàn)。

因此，目前免熱處理鋁合金成為目前一體化壓鑄產(chǎn)品的唯一選擇。各大高校、科研院所、企事業(yè)單位紛紛開發(fā)對免熱處理材料，呈現(xiàn)百花齊放態(tài)勢。目前來看，免熱處理鋁合金可分為鋁硅系（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(diào)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(yè)、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(fā)現(xiàn)一些材料是在已有專利的基礎上進行成分微調(diào)、生產(chǎn)工藝調(diào)整，成功研發(fā)免熱處理鋁合金材料的企業(yè)都會盡快申請專利進行保護；整車廠為避免專利糾紛，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(fā)和認證壁壘——雖然免熱處理合金研發(fā)不存在高不可攀的技術門檻，但需要上游材料企業(yè)、壓鑄廠、模具廠與整車廠合作研發(fā)。研發(fā)壁壘不僅在于合金成分調(diào)整和工藝路線調(diào)整，關鍵是材料生產(chǎn)商與壓鑄廠、整車廠綁定合作，不斷試錯，生產(chǎn)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(tǒng)車身生產(chǎn)流程（先生產(chǎn)結(jié)構件后焊接組裝），可大幅減少焊接、涂膠環(huán)節(jié)，極大簡化了車身整體生產(chǎn)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(chǎn)工藝流程如圖1所示，與減振塔、縱梁等車身結(jié)構件相比，省略了熱處理（矯形）工序，本小節(jié)重點介紹壓鑄工序。

一體化壓鑄件包含了整車左右側(cè)的后輪罩內(nèi)板、后縱梁、地板連接板以及梁內(nèi)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(tài)、壓射比壓與速度等參數(shù)的控制更加嚴格，對設備的精準與閾值、模具的抵抗沖擊變形能力要求更為苛刻。

一體化壓鑄工藝流程為：噴涂、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(shù)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(chǎn)品80MPa，一般產(chǎn)品60MPa，一體化壓鑄產(chǎn)品都在40MPa以下，原因在于壓力太大，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，實際沖頭最高速度為6～8m/s，內(nèi)澆口速度為40～55m/s；充型時間50～80ms；溫度，鋁液溫度為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），實際上能低于30mbar。

另外，由于預結(jié)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(jié)晶進行管控。

基礎硬件

一體壓鑄結(jié)構件尺寸和質(zhì)量持續(xù)提升，壓鑄機噸位突破新高，一體化壓鑄技術采用6000t以上的壓鑄主機，目前已完成安裝調(diào)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(jīng)進入制造階段，20 000t壓鑄機進入開發(fā)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，開模后得到固體金屬鑄件的工業(yè)鑄造機械，以標準化機器為主，通過安裝不同壓鑄模具實現(xiàn)多種零部件產(chǎn)品的生產(chǎn)。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，一般按照壓鑄件的輪廓、尺寸和質(zhì)量，選擇不同噸位的壓鑄機。根據(jù)布勒中國，傳統(tǒng)車身結(jié)構件所需壓鑄機噸位長期保持在1600～4400t范圍內(nèi)，其中前減震塔要求1600～2500t，而前后門框、尾蓋箱、后縱梁、A柱要求4000t，車門要求4400t。隨著一體壓鑄結(jié)構件的尺寸和質(zhì)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的后地板和前艙使用6000t壓鑄機；B級轎跑蔚來ET5的半片式后地板使用6000t壓鑄機；而尺寸更大的電動皮卡Cybertruck的后地板（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(fā)和生產(chǎn)存在難度，超大型鑄造機的制造難度主要體現(xiàn)在研發(fā)和生產(chǎn)兩個方面。

在研發(fā)方面，目前大量應用的汽車鋁壓鑄結(jié)構件已具備尺寸大（500～1500mm）、壁?。?.5mm左右）、結(jié)構復雜等特征，將傳統(tǒng)鋁壓鑄結(jié)構件和高度集成化的一體壓鑄結(jié)構件作對比，一體壓鑄結(jié)構件的形狀更加復雜，壁厚不均，尺寸和質(zhì)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(fā)經(jīng)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(fā)曲線非常陡峭。

在生產(chǎn)方面，超大型壓鑄機從研發(fā)到交付的時間跨度較長，壓鑄機廠需要持續(xù)投入高額資金，這在一定程度上考驗壓鑄機廠的生產(chǎn)能力。國內(nèi)壓鑄機廠率先布局，力勁集團訂單量遙遙領先。國內(nèi)壓鑄機廠商在研發(fā)進度、交付速度和訂單量上全面領先，代表公司為力勁股份、伊之密及海天金屬。其中，力勁集團早于2019年11月交付首套6000t大型壓鑄單元，成功成為特斯拉全球供應商，之后獲得特斯拉30套超大型壓鑄機訂單。在這之后，力勁集團持續(xù)獲得國內(nèi)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(chǎn)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(tǒng)壓鑄模具的產(chǎn)品尺寸在1m以內(nèi),一體化壓鑄產(chǎn)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(zhì)量達到150t或更大。超真空壓鑄環(huán)境，一體化壓鑄對模具的密封性要求高，需要達到的真空環(huán)境低于30MPa，由于模具的零部件數(shù)量多，對密封圈等要求較高；開發(fā)周期長，開發(fā)成本更高，超大型壓鑄模具的開發(fā)周期在150～180天，傳統(tǒng)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，一般都是采用私人訂制的方式接受訂單，需要根據(jù)不同車型進行設計，要求模具廠與整車廠、壓鑄廠持續(xù)溝通，設計、打樣、改進優(yōu)化及投入使用的生產(chǎn)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(fā)；材料性能要求高，由于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(shù)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(chǎn)所涉及的其他設備稱之為配套設備。主要包括周邊設備、熔化設備、熱處理及后處理等設備，其中后處理又包括機加工、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、噴涂系統(tǒng)及噴涂機器人、取件機器人、真空系統(tǒng)、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(zhuǎn)運包、定量爐、保溫爐以及除氣機等；后處理包括機加工、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(tǒng)壓鑄技術所不同的在于機邊爐、噴涂系統(tǒng)、熱成像儀、切邊裝備及機加工設備。

1. 機邊爐機

邊爐分為兩種方式：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。定量爐的特征為大型全密閉定量系統(tǒng)，全密閉流槽采用封閉式設計，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，定量爐又分為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. 噴涂系統(tǒng)

大部分采用微噴涂或靜電噴涂技術，采用脈沖噴涂工藝，配備仿形噴頭和多噴涂裝置，如圖4所示。

噴涂是循環(huán)時間的消耗大戶，傳統(tǒng)的噴涂方式嚴重影響大型零部件的生產(chǎn)效率。采用動定模各一組或單側(cè)雙噴涂的設計，盡量減少安裝和維護區(qū)域，避免更多的機械干涉。技術方案上可選擇微量噴涂或靜電噴涂技術，最大程度地節(jié)省循環(huán)時間，提高生產(chǎn)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(jiān)測系統(tǒng)包括紅外熱成像相機、監(jiān)控系統(tǒng)、溫度采集分析軟件等，與模溫機、點冷機和噴涂機器人共同調(diào)整、控制模具溫度。

在壓鑄生產(chǎn)過程中，模溫實時在線監(jiān)測系統(tǒng)與壓鑄機控制系統(tǒng)對接，并且還可以與噴涂機器人、模溫機、點冷機等其他周邊設備通信使其完成閉環(huán)控制。監(jiān)測系統(tǒng)能準確、快速地在模具開模完成和噴涂前后兩個階段，對模具表面溫度進行采集、記錄、分析以及與設定數(shù)值對比，并完成相應的評估，進而對模溫精準控制，達成穩(wěn)定模溫的目標，最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程穩(wěn)定與產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。

4. 切邊方案

一體化壓鑄一般采用等離子切割+切邊機，小批量階段采用等離子切割，量產(chǎn)階段采用切邊機。壓鑄生產(chǎn)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，但要留有一定的余量來控制變形，且投資大，更適合大批量生產(chǎn)；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(chǎn)中比較常見，優(yōu)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為受力造成產(chǎn)品變形；人工切邊，更適合中小型壓鑄廠的傳統(tǒng)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征：大尺寸行程2000mm以上；加工點位較多，但單點的加工量較??；主要為鉆孔、攻絲等，空間角度孔較多。具體要根據(jù)產(chǎn)品特征、訂單量、投入資金等因素進行選擇。另外，為提高加工柔性、降低投資成本，采用機器人夾持刀具對一體化壓鑄件進行加工成為另外一個關注方向，現(xiàn)已有機器人加工車門內(nèi)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(chǎn)品中。

檢測工序

與其他壓鑄產(chǎn)品相比，一體化壓鑄產(chǎn)品的檢測并無特殊之處，主要包括外觀質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(wěn)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(zhuǎn)彎和并線等）和可靠性測試（測試車輛在不同路況下的行駛表現(xiàn)和零部件的可靠性）。

作業(yè)人員素質(zhì)

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

產(chǎn)品設計需要結(jié)構力學、整車結(jié)構、機械制圖、Catia、Abqus等方面知識儲備，材料開發(fā)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(shù)、澆排系統(tǒng)、模具設計、熱力學及表面處理工藝等，現(xiàn)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(chǎn)、質(zhì)量管理及人員培訓等多方面技能。

壓鑄行業(yè)從業(yè)人員僅有30余萬，屬于小眾行業(yè)，但又是典型的多學科交叉領域，對從業(yè)人員的知識儲備、現(xiàn)場實操有著全面的要求，一體化壓鑄技術的產(chǎn)業(yè)化將其要求又提升數(shù)個數(shù)量級。

結(jié)   語

一體化壓鑄技術，從本質(zhì)上講是壓鑄技術配套真空系統(tǒng)，外加超大尺寸產(chǎn)品的特征，仍然屬于傳統(tǒng)技術的改進與拓展，然而超大尺寸卻使整個產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)生了從量變到質(zhì)變的過程。

在此之前，壓鑄機最大噸位在4000t級別持續(xù)二十余年，而高度集成化的一體化壓鑄產(chǎn)品不斷觸及噸位天花板，目前已在研發(fā)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(chǎn)品在壓鑄過程中，充填距離超過2m，澆排系統(tǒng)顯得尤為重要；100kg以上的澆鑄質(zhì)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(zhì)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(xié)同合作，助力于一體化壓鑄的軟著陸。

作者：，于德水（1），何廷余（2）,劉清（1）李東洋（1），，高杰（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