顛覆傳統(tǒng)汽車制造模式的變革發(fā)展

李培杰 謝禹睿

“相較于傳統(tǒng)燃油汽車，電動等驅(qū)動方式面臨著出力小、儲能不足等問題，需要更輕的車身質(zhì)量，更小的阻力來實(shí)現(xiàn)長時間續(xù)航。為了解決這些問題，低密度、高比強(qiáng)度的鎂、鋁合金材料在新能源汽車中得到了廣泛使用，特別是高度集成零部件生產(chǎn)裝備的出現(xiàn)，可大大降低生產(chǎn)制造成本、提升性能。

日前，北美一新能源汽車廠公布了最新汽車及生產(chǎn)組裝方案，通過一體化壓鑄實(shí)現(xiàn)數(shù)十個零件一體成型，這一方案大大減少了后期的裝備工序，這一工藝得益于大型壓鑄設(shè)備的研發(fā)，這一設(shè)備及壓鑄工藝的推出，對整車廠來說可實(shí)現(xiàn)顛覆性的生產(chǎn)制造變革。

2019年，力勁集團(tuán)推出了自主研發(fā)的目前全球最大鎖模力為60000kN（千牛）的超大型壓鑄機(jī)，用于汽車大型結(jié)構(gòu)件的一體化成型，這對于輕合金的成型和汽車產(chǎn)業(yè)的制造具有里程碑式的意義，完全有可能顛覆傳統(tǒng)汽車制造模式，對未來的汽車產(chǎn)業(yè)變革帶來深遠(yuǎn)的影響。

壓鑄在汽車制造中的應(yīng)用

在汽車制造中，為了減少汽車整體質(zhì)量，降低能耗，常使用密度低、比強(qiáng)度高的鋁、鎂合金作為汽車零件與殼體。早在20世紀(jì)二三十年代的德國，就有使用鎂合金作為汽車零件的實(shí)例;20世紀(jì)80年代，隨著高強(qiáng)度鎂、鋁合金材料的發(fā)展，鑄造鎂、鋁合金件逐漸作為汽車的主要結(jié)構(gòu)件正式進(jìn)入汽車行業(yè)，而壓鑄正是此類零件的主要生產(chǎn)方式。

最初，由于壓鑄工藝限制，只能生產(chǎn)中小型外殼類零部件如汽車輪轂、汽缸蓋、發(fā)動機(jī)、變速箱的殼體、支架等，不能起到明顯的減重作用。隨著壓鑄機(jī)鎖模力、模板尺寸、壓射能力等多方面的發(fā)展，現(xiàn)在車門、發(fā)動機(jī)前蓋、底盤等大型零件也可由壓鑄生產(chǎn)、組裝而成?？偟膩碚f，鎂、鋁合金材料及配套壓鑄技術(shù)的引入大幅降低了車體質(zhì)量，降低整車能耗。

近年來，隨著壓鑄相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展與工業(yè)數(shù)字化、智能化的進(jìn)程不斷加快，大型、智能化壓鑄單元的研發(fā)與使用進(jìn)一步提升了鑄件質(zhì)量與生產(chǎn)效率，從而促進(jìn)了汽車制造業(yè)的發(fā)展。而隨著壓鑄技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于高效、智能壓鑄單元的高端壓鑄產(chǎn)品設(shè)計(jì)也隨之誕生，高端產(chǎn)品帶來更高的需求，也在刺激著壓鑄技術(shù)的發(fā)展，使得壓鑄行業(yè)不斷螺旋上升。

鋁、鎂合金壓鑄件在汽車制造業(yè)的優(yōu)勢

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，國內(nèi)汽車銷量直線上升，很大程度上推動了國內(nèi)壓鑄件產(chǎn)業(yè)，尤其是鋁合金壓鑄件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;鋁、鎂合金質(zhì)量輕，強(qiáng)度較高，具有良好的鑄造性能、減震性能、導(dǎo)熱性和電磁屏蔽性能，在汽車、電子、航空航天工業(yè)以及日常生活領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

而由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化的呼聲越來越高，汽車行業(yè)內(nèi)部的優(yōu)化升級也在逐漸落實(shí)，逐步用鋁鑄件代替灰鐵鑄件，刺激了對鋁合金壓鑄件的需求量不斷高漲，加速了鋁壓鑄件市場的發(fā)展。

助力汽車輕量化 共創(chuàng)美好未來

發(fā)展輕量化技術(shù)對于我國新能源汽車的節(jié)能減排和提升競爭力具有重大意義。鋁、鎂合金壓鑄件可以在保證汽車強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升;汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%;車身輕量化后駕駛安全性能也大大提升。

鑄造鋁合金在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場。以汽車制造發(fā)達(dá)的日本為例，鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件，主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞、進(jìn)氣歧管、搖臂、發(fā)動機(jī)懸置支架、空壓機(jī)連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。

鑄造鎂合金在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用

鎂的密度約為鋁的2/3，在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強(qiáng)、切削性能好、金屬模鑄造性能好，非常適合制造汽車零件。鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用，生產(chǎn)效率比鋁高30%～50%，主要應(yīng)用在車輪輪輞、離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機(jī)懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。

與傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架相比，鎂制件降重65%;與傳統(tǒng)的鋼制轉(zhuǎn)向輪芯相比，鎂制件降重45%;與全鋁氣缸蓋相比，鎂制件降重30%;與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結(jié)構(gòu)制動踏板支架相比，整體的鎂鑄件降重40%，同時剛性也得到改善。

一體化成型技術(shù)壓鑄設(shè)備? ? ? ? ? 突破與創(chuàng)新

一體化成型技術(shù)，顧名思義，就是將原本設(shè)計(jì)中需要組裝的多個獨(dú)立的零件經(jīng)重新設(shè)計(jì)，使用生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行一次成型，直接獲得完整的零部件，實(shí)現(xiàn)原有功能。通過使用該技術(shù)，一方面節(jié)省了產(chǎn)品中的零件數(shù)量，從而減少了生產(chǎn)過程中所需要的生產(chǎn)線數(shù)量，節(jié)約設(shè)備成本，并減少了組裝過程的工序，節(jié)省人力，縮短生產(chǎn)周期，提升了生產(chǎn)效率。另一方面，渾然一體的零件，本身也不再需要考慮安裝帶來的強(qiáng)度下降及緊固件強(qiáng)度不足帶來的失穩(wěn)等問題。最后，在設(shè)計(jì)上可以不再考慮安裝孔、安裝位置等要素，從而使用更佳的工程學(xué)結(jié)構(gòu)，以提升抗壓、抗沖擊、散熱等整體性能。

總的來說，通過合理地進(jìn)行一體化成型工藝，能夠大大降低制造成本，減少生產(chǎn)時間、運(yùn)營成本、生產(chǎn)成本、工廠占地面積、工廠運(yùn)營成本、工具成本，以及設(shè)備數(shù)量等，助力鑄造企業(yè)獲得更高的生產(chǎn)效率和更有保障的產(chǎn)品。推動一體化成型技術(shù)在汽車制造業(yè)的應(yīng)用，對于汽車制造業(yè)，尤其是新能源汽車方面的進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要。然而，一體化成型技術(shù)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)起來需要極強(qiáng)的技術(shù)支撐。

一體化成型技術(shù)的核心與難點(diǎn)

要實(shí)現(xiàn)一體化成型，其核心主要分為兩點(diǎn)：一體化設(shè)計(jì)與一體化制造。其中，一體化設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在如何將需要進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的零部件組合在一起，且能夠通過指定的加工工藝進(jìn)行生產(chǎn)。在壓鑄領(lǐng)域主要表現(xiàn)為模具的設(shè)計(jì)，包括模具結(jié)構(gòu)、型芯、冷鐵的配置，頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。

一體化制造，則主要表現(xiàn)在加工設(shè)備上。由于零件一體化后尺寸增大，結(jié)構(gòu)增加，對于加工設(shè)備的性能需求也有了大幅提升。在壓鑄領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在壓鑄機(jī)及配套設(shè)備構(gòu)成的壓鑄單元的性能，包括鎖模力、模板尺寸、壓射量、壓射壓力與速度等。對于一體化設(shè)計(jì)后的大型零件的運(yùn)輸、檢視、廢件回收等也在需要考慮的范疇。以上兩點(diǎn)中，設(shè)計(jì)方面的要求是軟性要求，需要的是經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算和實(shí)驗(yàn)。制造方面的要求是硬性要求，沒有對應(yīng)的機(jī)器，就難以生產(chǎn)合格的產(chǎn)品。實(shí)際上，在壓鑄領(lǐng)域，一體化成型技術(shù)也早有應(yīng)用，但主要體現(xiàn)在小型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，如閥門、緊固件等零件，或是手電、機(jī)箱等中小型設(shè)備的外殼、支撐件。由于尺寸較小，結(jié)構(gòu)較簡單，強(qiáng)度要求低，對壓鑄機(jī)性能等沒有太高的需求。

然而，若是想要將一體化技術(shù)應(yīng)用到汽車制造領(lǐng)域，對壓鑄機(jī)的性能要求就變得至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的汽車零部件生產(chǎn)中，壓鑄就已經(jīng)被應(yīng)用在如發(fā)動機(jī)、變速箱、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等精密零件的生產(chǎn)中。在新能源汽車等領(lǐng)域，為了降低整車質(zhì)量，車身結(jié)構(gòu)件如車身橫梁、骨架等大型零件也通過壓鑄生產(chǎn)后組裝成型。如果要在這些方面使用一體化成型技術(shù)，就需要將原本尺寸就較大的零件整合成更大的零件，還需要保證一體化零件的強(qiáng)度，極大幅度地提升了對壓鑄機(jī)鎖模力、模板尺寸、壓射量等方面的要求。另外，發(fā)動機(jī)、變速箱等高精密零件的一體化成型，勢必涉及大型、復(fù)雜薄壁零件的生產(chǎn)，對壓射壓力與速度的上限及控制也有較高的要求。傳統(tǒng)的壓鑄單元難以滿足這種高端需求，一體化技術(shù)在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也就舉步維艱。

總而言之，壓鑄機(jī)技術(shù)制約著一體化技術(shù)在汽車制造等大型壓鑄件領(lǐng)域的應(yīng)用。如果要實(shí)現(xiàn)一體化成型技術(shù)，以上種種需求，都指向超大型壓鑄單元這一目標(biāo)。然而在國際方面，超大型壓鑄單元依然稀缺，難以滿足一體化汽車結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)指標(biāo)。因此，加快研究開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的成套裝備與技術(shù)，對提高我國設(shè)計(jì)、制造裝備智能化集成能力，提升我國裝備制造業(yè)整體實(shí)力也具有重大意義。

一體化成型技術(shù)的創(chuàng)新突破

力勁集團(tuán)成功推出并應(yīng)用的6000噸壓鑄單元，打破了目前超大壓鑄件生產(chǎn)裝備稀缺的這一困境，對于超大型壓鑄單元，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的難度，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造、控制等多個方面，經(jīng)過研發(fā)團(tuán)隊(duì)長期奮戰(zhàn)，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)攻關(guān)，在以下幾個方向有著顯著的突破。

反復(fù)模擬：從設(shè)計(jì)端開始的壓鑄技術(shù)突破

力勁大型壓鑄單元的首要突破是設(shè)計(jì)部分，由于超大型壓鑄單元鮮有先例可循，設(shè)計(jì)過程中，一方面，需要從零開始進(jìn)行尺寸的設(shè)定、材料的選擇等設(shè)計(jì)，并進(jìn)行一系列受力分析、運(yùn)動軌跡分析等預(yù)分析，以保證產(chǎn)品的合理性和可用性。經(jīng)過大量的數(shù)值模擬，才能最終敲定產(chǎn)品的種種數(shù)值。另一方面，還需要考慮為產(chǎn)品增加新的功能，以適配新時代的壓鑄生產(chǎn)需要。例如通過增加大量的檢測手段與控制手段，才能實(shí)現(xiàn)高效、精確、智能的壓射控制。

除了基于壓鑄機(jī)本身的改進(jìn)之外，區(qū)別于傳統(tǒng)壓鑄機(jī)的創(chuàng)新突破也不可或缺，預(yù)判這種超大型壓鑄機(jī)在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題，從而摸索研究，保障設(shè)備的全面運(yùn)行，也生成了很多新的專利技術(shù)。力勁6000噸這一壓鑄設(shè)備的成功應(yīng)用，突破了以往壓鑄單元設(shè)計(jì)的桎梏，為國內(nèi)、國際壓鑄裝備領(lǐng)域開創(chuàng)先河，為壓鑄裝備可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

大型壓鑄設(shè)備生產(chǎn)與加工環(huán)節(jié)的技術(shù)壁壘

在經(jīng)過前段設(shè)計(jì)，確定產(chǎn)品的可行性后，如何實(shí)現(xiàn)超大型設(shè)備的制造同樣是力勁集團(tuán)面臨的一項(xiàng)巨大問題。我們知道，對于壓鑄單元，其中一個核心組件在于頭板、中板、底板的三板式結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動三塊板件的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)合模、鎖模、開模等流程，在超大型壓鑄單元中，為了實(shí)現(xiàn)大型鑄件的生產(chǎn)，其單塊板件的長、寬接近4米，質(zhì)量高達(dá)60噸，板件之間用于定位、導(dǎo)向的哥林柱，單根長度也達(dá)到了10米左右，都接近整個壓鑄單元所能承受的極限值。而在使用過程中，沉重的板件要在哥林柱上反復(fù)移動，對零件的尺寸精度、定位精度、力學(xué)性能等都是巨大的考驗(yàn)，在國內(nèi)很難找到配套的加工設(shè)備。

為了解決上述問題，力勁設(shè)立于遼寧阜新的鑄造工廠對現(xiàn)有部分設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，最終生產(chǎn)出適配于超大型零件的鑄造模具、車床、磨床、熱處理設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)了超大型壓鑄單元零部件的生產(chǎn)及組裝;還進(jìn)一步對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，機(jī)架首次采用高精度線性導(dǎo)軌作為中尾板支撐滑動，線軌精度高、摩擦阻力低、不易磨損，很好地解決了因?qū)к壞p而導(dǎo)至模板平行度變化的問題，壓鑄機(jī)合模機(jī)構(gòu)的精度長時間不需要調(diào)整，可減少停機(jī)時間，提高機(jī)臺開臺率。

智能控制：力勁壓鑄裝備的“智慧大腦”

在裝備生產(chǎn)之外，超大型壓鑄裝備還需要考慮的一點(diǎn)就是自動控制，以實(shí)現(xiàn)各類零部件的壓鑄成型自動化、智能化生產(chǎn)。對于一些復(fù)雜、薄壁零部件，需要極高的壓射速度和較低的建壓時間;對于大型零件，在保證壓射速度之外，還需要考慮模具的溫度控制、壓射量等多方面因素?？偟膩碚f，為了防止各類缺陷，保證零件性能，壓鑄單元的壓射控制至關(guān)重要。對此，力勁針對大型結(jié)構(gòu)件研發(fā)了高性能射料系統(tǒng)，借鑒意大利先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，采用一體式油路板、無外部控制油路技術(shù)，具備10段以上速度;位置控制，系統(tǒng)自動檢測偏差并實(shí)時修正，可實(shí)現(xiàn)均加速壓射，可進(jìn)行末端剎車控制;增壓控制，采用壓力實(shí)時閉環(huán)控制，具備6段以上增壓時間及壓力設(shè)定，可依據(jù)產(chǎn)品補(bǔ)縮要求進(jìn)行分段增壓。最大空壓射速度可超過10m/s，最短建壓時間小于30ms;壓射加速度超過50g，適合大型薄壁結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)工藝需求。

總的來說，力勁超大型壓鑄單元經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)、驗(yàn)證，在提升鑄件性能、降低生產(chǎn)成本、降低生產(chǎn)周期、提升生產(chǎn)效率等方面有較好效果，對于汽車輕量化的推動意義重大，為中國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，加速突破新能源汽車市場化障礙，加快推進(jìn)“電動化、智能化、共享化”融合發(fā)展等做出貢獻(xiàn)。

汽車領(lǐng)域發(fā)展的原動力

近年來，隨著壓鑄相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展與工業(yè)數(shù)字化、智能化的進(jìn)程不斷加快，大型、智能化壓鑄單元的研發(fā)與使用進(jìn)一步提升了鑄件質(zhì)量與生產(chǎn)效率，從而促進(jìn)了汽車制造業(yè)的發(fā)展。而隨著壓鑄技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于高效、智能壓鑄單元的高端壓鑄產(chǎn)品設(shè)計(jì)也隨之誕生。高端產(chǎn)品帶來更高的需求，也在刺激著壓鑄技術(shù)的發(fā)展，使得壓鑄行業(yè)不斷螺旋上升。

一體化成型技術(shù)已經(jīng)成為推動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動力。隨著力勁DCC5000、5500、6000噸超大型壓鑄單元的成功研制，后橋橫梁、縱梁等中心支架的一體化生產(chǎn)，壓鑄產(chǎn)品的最大鑄造面積、可壓鑄產(chǎn)品尺寸已經(jīng)被提升到了一個新的高度，極大地拓展了壓鑄產(chǎn)品設(shè)計(jì)范疇。未來勢必能夠?qū)崿F(xiàn)車體、發(fā)動機(jī)、電池箱等大型零部件的一體化，這也將極大推動汽車輕量化發(fā)展，同時提升車身整體強(qiáng)度，且能更便捷地實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)與外形設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)難度，大幅縮短整車的設(shè)計(jì)周期與生產(chǎn)周期，使汽車產(chǎn)業(yè)的效益更上一個臺階。全面構(gòu)建產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展新生態(tài)，推動汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、綠色、可持續(xù)發(fā)展?？梢宰C實(shí)的是，超大型壓鑄單元切實(shí)能夠讓一體化成型技術(shù)等超大型鑄件成型技術(shù)綻放光彩，壓鑄技術(shù)也因此邁上新的臺階。

隨著新能源汽車市場多維度競爭的增加，汽車的輕量化以及成本控制已成為必然，汽車制造環(huán)節(jié)的優(yōu)化也對大型的壓鑄設(shè)備有所需求，國產(chǎn)裝備制造能力的體現(xiàn)也在于此。未來，市場對于這種超大型壓鑄裝備的需求，鎖模力將不止于6萬千牛，8萬千牛-10萬千牛鎖模力的大型智能壓鑄裝備一體化成型技術(shù)攻關(guān)也需要企業(yè)、學(xué)校的多方合作研發(fā)，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將為各類大型、重型零件的一體化生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而顛覆傳統(tǒng)汽車甚至其他產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造模式。