從制造角度看一體壓鑄熱成形

汽車輕量化是解決能耗和環(huán)保問題的必然選擇之一，世界主流汽車廠的輕量化選擇，為鋁合金壓鑄技術(shù)在汽車車身結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了契機(jī)。2020 年以來某美資新能源車企采用一體壓鑄的創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了后車身70 余個(gè)零件的集成壓鑄，大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，迅速形成行業(yè)關(guān)注熱點(diǎn)。業(yè)內(nèi)對(duì)此激烈討論，認(rèn)同的觀點(diǎn)認(rèn)為該技術(shù)是創(chuàng)新技術(shù)、簡(jiǎn)化了工藝、實(shí)現(xiàn)了降重、提高了效率，反對(duì)觀點(diǎn)認(rèn)為該技術(shù)實(shí)際上并不能降低生產(chǎn)成本且鋁合金原材料電解鋁的生產(chǎn)能耗非常高，從全生命周期看為高耗能技術(shù)。本文暫且擱置爭(zhēng)議，從制造的角度做粗淺分析，評(píng)估車身一體壓鑄技術(shù)的可行性。期望能給領(lǐng)導(dǎo)專家們?nèi)嬲莆沾藷狳c(diǎn)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，提供一點(diǎn)有益幫助。

壓鑄技術(shù)的升級(jí)迭代

圖1 所示的一體壓鑄技術(shù)的發(fā)展歷程，共經(jīng)歷了4 次迭代升級(jí)，第1 代為單件壓鑄(已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的典型零件有縱梁、減振塔、縱梁前段連接件等)，第2 代為后車身的單邊小集成方案，第3 代為雙邊后車身集成壓鑄、雙邊前發(fā)艙集成壓鑄，第4 代為后車身和中段車身大集成一體壓鑄，其中1 代、2 代已投產(chǎn)，3 代處于量產(chǎn)品質(zhì)提升階段，4 代處于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。推測(cè)行業(yè)長期發(fā)展目標(biāo)應(yīng)為實(shí)現(xiàn)下車身整體一體壓鑄。

仿真的參數(shù)帶寬為800 kHz， FFT點(diǎn)數(shù)為4 096點(diǎn)，所加時(shí)延為[0 0.2 0.6 1.0 1.5 2.0]，最大多普勒頻移為4 Hz，萊斯因子等于5的萊斯信道。

鋁合金壓鑄技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕量化，需要輕量化材料、輕量化集成設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)材料與設(shè)計(jì)的制造工藝三者相結(jié)合。其中材料是基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)、工藝是保障。下面以雙邊集成后車身為目標(biāo)零件，從材料、結(jié)構(gòu)和工藝角度分析其可行性。

從各方信息來看，想要較為經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)一體壓鑄車身件，必須應(yīng)用免熱處理的高韌性鋁合金材料，鑄態(tài)機(jī)械性能參數(shù)需求為抗拉強(qiáng)度不小于300MPa，屈服強(qiáng)度不小于150MPa，延伸率不小于10%。推廣比較廣泛的商用材料有Mag59、C611、JDA 三種，其中Mag59 為萊茵鋁業(yè)公司開發(fā)，C611 為美鋁公司開發(fā)，JDA 為上海交通大學(xué)自主開發(fā)。三種材料的性能參數(shù)見表1，從表中可見Mag59 的性能難以滿足要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，提高強(qiáng)度和韌性；C611 和JDA 的性能都能滿足要求，C611 伸長率更優(yōu)，塑性延伸和抗拉強(qiáng)度二者相當(dāng)。

工藝結(jié)構(gòu)

工藝方面，薄壁結(jié)構(gòu)件充型過程以壓射填充為主，期望獲得高的澆注速度和大的澆注流量。因鑄件尺寸大且壁薄的特點(diǎn)，增壓壓力難以傳遞，因此通常不要求使用增壓工藝，鎖模力的計(jì)算也與傳統(tǒng)鑄件不同，脹型力偏小。結(jié)合各方信息，實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件壓鑄需要保證的主要工藝參數(shù)見表2。

由圖3 可見，鋼混車身結(jié)構(gòu)充型過程非?；靵y，末端橫梁先于輪包填充，明顯不符合順序平穩(wěn)填充的要求。經(jīng)過分析討論認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)上述要求，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有合適的分型拔模結(jié)構(gòu)、加大的圓角、加大的立面斜度、結(jié)合澆注系統(tǒng)方案設(shè)置導(dǎo)流筋和緩流結(jié)構(gòu)、合理設(shè)置頂出柱臺(tái)，設(shè)置合適的加工裝夾定位結(jié)構(gòu)等。

2002年，國務(wù)院辦公廳出臺(tái)《關(guān)于促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)發(fā)展的意見》，提出要加大投入力度，落實(shí)稅收支持政策，給予相關(guān)金融支持。

結(jié)構(gòu)方面，連接區(qū)域?yàn)槠胶膺B接工藝和連接強(qiáng)度，厚度一般在2.5 ～3.0mm，并分布加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)；進(jìn)料部位為保證澆鑄流量，壁厚可適當(dāng)加厚至3.2 ～3.5mm。其他區(qū)域零件厚度一般設(shè)計(jì)為2.0～2.5mm，并設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)提高其強(qiáng)度。除保證常規(guī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，更為重要和困難的工作是使結(jié)構(gòu)符合壓鑄工藝的特性，實(shí)現(xiàn)順序平穩(wěn)填充、平穩(wěn)頂出和均勻凝固，便于壓鑄生產(chǎn)。某一體后車身壓鑄充型過程如圖2 所示，鑄件充型過程平穩(wěn)，符合順序填充的要求，結(jié)構(gòu)工藝性良好。為了摸索后車身件的充型流態(tài)特性，筆者及同事日前在本廠某款鋼混車身的基礎(chǔ)上，把后車身做集成建模并進(jìn)行了壓鑄充型模流分析，充型流態(tài)如圖3 所示。

直到2015年5月，安娜·斯托克教授在加拿大著名智庫霍爾研究院發(fā)表研究報(bào)告：“如何應(yīng)對(duì)加拿大日益下降的數(shù)學(xué)成績(jī)＂，產(chǎn)生了轟動(dòng)效應(yīng)；公眾方才了解并關(guān)注加拿大的數(shù)學(xué)教育危機(jī).[6]

要實(shí)現(xiàn)以上工藝參數(shù)，需要一些具體的措施，比如在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留較長的內(nèi)澆口位置、真空系統(tǒng)設(shè)置大的真空罐和模具端壓力分配器、詳細(xì)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模具和料筒的多回路真空及密封結(jié)構(gòu)、足夠流量和冷卻加熱能力的模溫?zé)崞胶庋b置、微量噴涂裝置、大壓射流量的壓鑄機(jī)等等，在此不一一贅述。

國內(nèi)設(shè)備工裝方面，壓鑄機(jī)4500 噸及以下已成熟，6000 噸在應(yīng)用初期，9000 噸及以上還不具備應(yīng)用條件，壓鑄模國內(nèi)已具備設(shè)計(jì)制造能力。國內(nèi)小型創(chuàng)新型企業(yè)在真空、熱平衡、噴涂等細(xì)分領(lǐng)域快速發(fā)展，主要應(yīng)用在中小型壓鑄件中，目前還缺乏大型結(jié)構(gòu)件實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)1 ～2 年內(nèi)可具備配套能力。

結(jié)束語

壓鑄結(jié)構(gòu)件在車身的應(yīng)用方面，減振塔和縱梁等中小型單件的應(yīng)用已經(jīng)成熟，目前正處于下車身大型一體壓鑄件的應(yīng)用初期階段，其中最先進(jìn)行的是一體后車身。從制造工藝角度看，目前壓鑄機(jī)和模具等主要工藝裝備已具備配套條件，可支撐投影面積20000平方厘米鑄件的開發(fā)，C611 和JDA 的免熱處理材料已在部分鑄件上生產(chǎn)試用，具備配套條件。大型車身結(jié)構(gòu)件適應(yīng)壓鑄工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是技術(shù)難點(diǎn)，需要車身設(shè)計(jì)和壓鑄技術(shù)人員緊密協(xié)作，協(xié)同開發(fā)。