一體化壓鑄給大型壓鑄模制造帶來新機遇

陶永亮，歐陽婷，張 宏，婁夢妮，張明怡

（1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712；2.深圳市奧德機械有限公司，廣東深圳 518105；3.重慶捷爾博模具科有限公司，重慶 408400；4.重慶勝云模具制造有限公司，重慶 402260；5.中國航發(fā)西安航空發(fā)動機集團(tuán)有限公司，陜西西安 710021）

1 引言

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析。2021 年汽車產(chǎn)銷同比呈現(xiàn)增長，結(jié)束了2018年以來連續(xù)三年的下降局面。其中新能源汽車成為最大亮點，全年銷量超過350萬輛，市場占有率提升至13.4%，進(jìn)一步說明了新能源汽車市場已經(jīng)從政策驅(qū)動轉(zhuǎn)向市場拉動，對高度依賴汽車產(chǎn)業(yè)壓鑄業(yè)來說，無疑是一個利好消息[1]。2021年初，特斯拉官宣了上海超級工廠在內(nèi)的四座整車工廠都已安裝超大型壓鑄機，用于生產(chǎn)Model Y一體成型的后底板等[2]，消息傳出在造車界和壓鑄界掀起了一股颶風(fēng)。行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士、企業(yè)家都紛紛感嘆，一體壓鑄成型工藝將是“汽車車身工程的一場革命”與“壓鑄界前所未有的一場變革”，也迎來了大型壓鑄模制造發(fā)展的新機遇。

2 一體壓鑄化與模具應(yīng)用概況

2.1 壓鑄件在汽車上應(yīng)用情況

壓鑄與其它制造工藝相比，壓鑄成形工藝生產(chǎn)效率高、尺寸精度高、力學(xué)性能優(yōu)良、材料利用率高、批量化生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益較佳。在汽車用鋁合金中，壓鑄鋁合金與其他鑄造鋁合金約占80%，加工鋁材（板、帶、箔、管、等）僅占20%左右，壓鑄件的用量占鑄造產(chǎn)品總用量的70%左右，因此壓鑄鋁合金制品在汽車用鋁中約占54%～70%[3]。隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，新能源汽車成為未來汽車發(fā)展的方向，近期比亞迪官宣2022年3月起停止燃油汽車的整車生產(chǎn)[4]。汽車行業(yè)迭代升級、產(chǎn)量連年攀升，新能源汽車更多的結(jié)構(gòu)部件需要采用壓鑄成形工藝來進(jìn)行制造，也為壓鑄行業(yè)及壓鑄模的發(fā)展帶來了新的市場機遇和挑戰(zhàn)。我國壓鑄?？偖a(chǎn)量僅次于美國，躍具世界第二位，可見壓鑄行業(yè)生產(chǎn)量之大[5]。

壓力鑄造簡稱壓鑄，根據(jù)壓力高低可分為低壓鑄造與高壓鑄造兩類。目前汽車行業(yè)鋁合金壓鑄件應(yīng)用范圍按使用功能分類，已用于結(jié)構(gòu)件、受力件、安全件和裝飾件等。發(fā)電機殼體、變速器殼體、離合器殼體、水泵殼體、變速箱支架轉(zhuǎn)向機殼體等均為鋁合金壓鑄件。還有凸輪箱、發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋、進(jìn)氣歧管、換擋拔叉、連接支架、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、罩蓋殼體類零件、底盤總成、車身等均可以實現(xiàn)壓鑄成型，具有廣泛的應(yīng)用性[6～7]。

2.2 特斯拉一體成型壓鑄件介紹

2019年，特斯拉對Model Y車型生產(chǎn)制造進(jìn)行改進(jìn)，引入一臺大型壓鑄機，將Model Y 車型大部分框架組裝成一個大件[8]。一體式壓鑄后地板總成的Model Y 所有零件一次壓鑄成型，零件數(shù)量比Model 3 減少79 個，焊點大約由700～800 個減少到50 個，應(yīng)用了新合金材料，一體壓鑄的地板總成不再熱處理，制造時間由傳統(tǒng)工藝的1～2h 縮減至3～5min，能在廠內(nèi)直接供貨。意味著以沖壓、焊裝為主導(dǎo)的整車制造模式將被徹底顛覆[9]。

有報道特斯拉上海工廠，一體化壓鑄降低成本約40%；加快生產(chǎn)流程，70+個零件變成一個，1,000多個工業(yè)機器人降至700；加固車體，減輕重量，有利于續(xù)航；提升產(chǎn)品一致性。190s 內(nèi)完成一個鑄件?？紤]20%維護(hù)時間，90%良品率，大致產(chǎn)量為330 件/臺/天[10]。以后用2～3個大型壓鑄件替換370個零件組成的整個下車體總成，重量進(jìn)一步降低10%，續(xù)航里程可增加14%。普通電動車電池容量80kWh，用一體壓鑄車身減重并續(xù)航里程不變，電池容量減少約10kWh。以目前磷酸鐵鋰電池pack成本600元/kWh計算，單車成本可降低6,000元。按照年產(chǎn)10萬臺計算，一年可降本6億元。全球汽車制造業(yè)隨之震動[11]。圖1所示為Model Y一體式壓鑄后地板總成，一體式壓鑄制造過程極簡，一個零件，不需要開發(fā)過多的工裝設(shè)備，制造精度可控，維護(hù)成本極低。壓鑄材料回收容易，材料的回收利用率極高。

圖1 特斯拉Model Y 一體式壓鑄后地板總成（網(wǎng)圖）

2.3 一體成型壓鑄帶來行業(yè)變化

一體式壓鑄給壓鑄界帶來一場變革，包含著壓鑄機制造、壓鑄材料和壓鑄模制造變化，給超大型壓鑄模制造帶來了新機遇。

（1）超大型壓鑄單元問世。

特斯拉上海超級工廠大型壓鑄機是特斯拉與力勁科技子公司IDRA 聯(lián)合研發(fā)的6,000t 壓鑄機[12]。說明我國超大型壓鑄機在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上取得了很大的突破，充分滿足汽車領(lǐng)域、大型重型壓鑄件及多部件的一體化生產(chǎn)工藝，為國內(nèi)、國際壓鑄裝備領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。力勁集團(tuán)9,000t 巨型智能壓鑄機[13]，海天金屬8,800t超大型壓鑄機問世[14]，伊之密6,000～9,000t等噸位壓鑄機已完成研發(fā)，首臺7,000t超重型壓鑄機近期已完成裝配[15]，國產(chǎn)大噸位壓鑄裝備擁有了更強的國際競爭力。

（2）免熱處理壓鑄鋁合金研究取得成果。

免熱處理高強高韌壓鑄鋁合金材料的開發(fā)應(yīng)用及迭代升級將進(jìn)一步拓寬壓鑄鋁合金在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用場景，為一體式壓鑄提高更好地材料支持。我國科技人員近期研發(fā)了針對一體式壓鑄免熱處理壓鑄鋁合金材料，根據(jù)汽車上不同部位零部件的要求與壓鑄成型需求，開發(fā)了JDA系列免熱處理壓鑄鋁合金材料。JDA1b 合金用于一體化超大鑄件的免熱處理壓鑄鋁合金，經(jīng)過多輪研發(fā)攻關(guān)和零件驗證，在材料開發(fā)、性能優(yōu)化、制造工藝和系統(tǒng)集成驗證等方面實現(xiàn)了100%全流程正向開發(fā)，在材料壓鑄性能、力學(xué)性能、制造性能、環(huán)境耐久性能等指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異。此材料流動性高于同級別材料15%以上、強塑積高出30%以上，保證了整車碰撞等性能達(dá)到更高維度[16]，國內(nèi)還有單位在做類似材料的研發(fā)。

（3）超大型壓鑄模制造任重道遠(yuǎn)。

工欲善其事，必先利其器。一體式壓鑄最終繞不開超大型壓鑄模的制造，大型壓鑄模的作用顯而易見。這也是本文的重點描述的環(huán)節(jié)。

我國壓鑄模發(fā)展起步于20世紀(jì)80年代初，主要以摩配壓鑄模開始。隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，部分壓鑄模公司加大了先進(jìn)、大型裝備及先進(jìn)檢測設(shè)備的投入，以生產(chǎn)汽車支架、離合器、油底殼、手動變速器等中型壓鑄模為主，帶動了壓鑄模行業(yè)發(fā)展，模具制造水平及制造工藝大幅提升。目前，我國壓鑄件的產(chǎn)量早已居世界第一位，壓鑄模開發(fā)周期、生產(chǎn)水平都有了顯著提升，壓鑄模在產(chǎn)量和產(chǎn)值已經(jīng)形成一定的優(yōu)勢，能滿足國內(nèi)大型、精密壓鑄模的需要，還能向歐美等傳統(tǒng)壓鑄模強國出口。目前壓鑄模正在經(jīng)歷產(chǎn)業(yè)升級，往高端化、大型、精密壓鑄模發(fā)展[17]。

一體式壓鑄給超大型壓鑄模制造帶來了新的挑戰(zhàn)和新的機遇。超大型壓鑄模的制造需要大型的加工設(shè)備來支撐，一體化模具大、流道設(shè)計復(fù)雜、壁厚變化加大、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較難，模具對產(chǎn)品壓鑄成型有重要影響，這給很多模具公司帶來一系列的挑戰(zhàn)，也給一些模具公司帶來新的機遇。一般在壓鑄模公司從事大型模具制造，原有基礎(chǔ)比較雄厚，適當(dāng)增加一些大型模具加工設(shè)備，就能完成一體式壓鑄模制造的轉(zhuǎn)型，就目前國內(nèi)僅僅幾家公司搶得先機。

國內(nèi)首套6,800t超大型一體化鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件模具在鴻圖科技成功試制。模具由廣州市型腔模具制造有限公司自主研制，模重超過140t。此項目成功試制標(biāo)志著廣型模具成為國內(nèi)掌握超大型一體化結(jié)構(gòu)件模具研制及調(diào)式技術(shù)的企業(yè)。廣型模具將開啟新能源汽車一體化前倉總成、中間板、后地板、門板等關(guān)鍵核心輕量化部件模具的研發(fā)制造，為我國新能源汽車的發(fā)展做出貢獻(xiàn)[18]。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)的高強韌免熱處理鋁合金材料，鑄件尺寸大小約1,700×1,500×700mm，澆注重量約100kg，是目前最大的鋁合金高強韌壓鑄件之一[19]。

近日，文燦集團(tuán)9,000t 超大型壓鑄島在天津順利試產(chǎn)，首批9,000t大型一體化后底板壓鑄汽車零部件成功下線。這壓鑄島配套的9,000t超大型模具，由寧波賽維達(dá)機械有限公司提供，如圖2所示。據(jù)了解，早在2019年賽維達(dá)規(guī)劃并建成超大型壓鑄模車間，配備了6m龍門數(shù)控，3.5m龍門三坐標(biāo)、160t+80t行車、800t合模機、恒溫5 軸加工車間，今年又增加了數(shù)臺3m 5 軸龍門數(shù)控，80t+50t 行車，是至今為止從超大型模架加工、超大型模芯加工、超大型模具合模與檢測、全流程廠內(nèi)實現(xiàn)閉環(huán)生產(chǎn)，已具備年產(chǎn)50副6,000t模具以上生產(chǎn)能力。目前，賽維達(dá)已在研發(fā)12,000t～20,000t 一體式車身結(jié)構(gòu)件模具[20]。寧波合力科技也在進(jìn)行一體式壓鑄模的制造[21]。

圖2 9,000t模具交付現(xiàn)場（網(wǎng)圖）

美利信科技公司去年引進(jìn)海天一套HDC8800t超大型壓鑄機，主要實現(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、集成化壓鑄成型等。為了與之配套的成立重慶廣澄模具有限責(zé)任公司專門為大型壓鑄模制造做好準(zhǔn)備[22]，廣澄模具擁有強大的專業(yè)設(shè)計和編程團(tuán)隊及高素質(zhì)、高技能的加工、檢測、裝配調(diào)試團(tuán)隊，車間實現(xiàn)了全流程的信息化生產(chǎn)管理，配備六軸深孔鉆床、日本牧野高精度五軸加工中心、臥/立式加工中心、牧野火花機、沙迪克慢走絲設(shè)備、合模機等世界一流高精尖設(shè)備40余臺，具備大型、復(fù)雜、高精度壓鑄模的生產(chǎn)能力[23]。今年安裝了200噸位的行車，又增添了部分大型模具加工設(shè)備，更好地服務(wù)于大型壓鑄模加工。

當(dāng)然，也有國外模具公司看上中國壓鑄模市場。近日由德國著名模具企業(yè)——肖弗勒模具集團(tuán)（SF Tooling Group GmbH）投資的高端汽車模具加工項目落戶浙江嘉興市海鹽縣。據(jù)悉，肖弗勒模具此次投資的高端汽車模具加工項目，總投資2,000萬歐元，這項目是肖弗勒模具集團(tuán)在中國投資的第一家工廠，主要生產(chǎn)特斯拉等品牌的汽車零部件模具，包括高壓壓鑄模的研發(fā)、制造及維護(hù)保養(yǎng)。預(yù)計達(dá)產(chǎn)后，年產(chǎn)值達(dá)1億元人民幣。肖弗勒模具的汽車客戶有通用、奔馳、奧迪、寶馬、保時捷等知名品牌[24]。肖弗勒模具對一體化模具冷卻和模具熱量平衡有著較豐富的經(jīng)驗。

（4）大型壓鑄模輔助設(shè)備推向市場。

一體化壓鑄成型技術(shù)應(yīng)用與推廣乃大勢所趨。越來越多整車及汽車零部件廠商正在研制一體化壓鑄零部件，隨之而來的超大型壓鑄機的模具越來越大（重），有些模具重量甚至達(dá)到200t。在壓鑄模開發(fā)和制造過程中，模具研配試驗壓力機（簡稱合模機）是必不可少輔助設(shè)備，其用于模具的研配和校正。傳統(tǒng)的合模機已無法滿足一體化超大型壓鑄模的配模要求，寧波順興開浩公司于2020 年著手研發(fā)超大型配模設(shè)備，先后開發(fā)出合模力800t、1,000t 超大型合模機，工作臺面為4,200×3,500mm，5,000×4,200mm。應(yīng)用于6,000t、9,000t以上超大型壓鑄機的模具。目前正在進(jìn)一步研發(fā)更大工作臺面的合模機[25]。

一體化壓鑄成型及工藝屬于加工中難點，超大型汽車壓鑄結(jié)構(gòu)件流程長且薄壁，所以要求模具溫度具備在長流程過程中，根據(jù)不同的流態(tài)精準(zhǔn)控制不同模區(qū)的溫度，因此對模溫控制的幅寬有著已知和未知的需求，對壓鑄模溫平衡提出了要求，模溫控制成為剛性需求。奧德公司近二十年與汽車、壓鑄市場密切聯(lián)系，根據(jù)大型汽車壓鑄結(jié)構(gòu)件一體化成型溫控需求，研發(fā)出系統(tǒng)性解決方案，并推出用于匹配“大型汽車壓鑄結(jié)構(gòu)件一體化壓鑄”的一系列高溫、中溫、低溫溫控產(chǎn)品（200℃水溫機、320℃油溫機、冷熱溫控站、多通道模冷機，多通道點冷機、集成控制系統(tǒng)）。設(shè)計20℃～320℃的大寬度溫區(qū)，給模溫平衡提供穩(wěn)定且可控溫源輸出，同時大幅度溫度輸出不僅僅可以對模具進(jìn)行溫度平衡控制，還可以延伸至對壓室、沖頭、分流錐、澆口套等進(jìn)行溫度控制，保證壓鑄成型需要[26]。

3 結(jié)束語

在“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)下，一體化壓鑄技術(shù)在效率、安全、降本、減排等方面優(yōu)勢受到了市場強烈的關(guān)注熱點。一體化鑄件設(shè)計與制造是一項全方位集成技術(shù)，零部件設(shè)計特征、免處理材料開發(fā)、壓鑄成型工藝、壓鑄單元能力和大型模具結(jié)構(gòu)優(yōu)異都需要綜合考量。大型壓鑄模設(shè)計與制造有著重要的作用，模具要考慮熔體材料流動性、熱平衡與模具壽命、考慮零件成型工藝性與質(zhì)量保證、還要考慮零件后續(xù)加工優(yōu)化工藝等，是承上啟下的一項工作。一體化壓鑄處于方興未艾，“一體化壓鑄成型工藝與裝備”列入國家重點研發(fā)計劃[27]。隨著汽車行業(yè)向智能制造和提高效益方向發(fā)展，將極大帶動大型壓鑄模制造發(fā)展，為一體化壓鑄發(fā)展服好務(wù)，一同推動了汽車輕量化的進(jìn)程，促進(jìn)新能源汽車向著節(jié)能、減排方向發(fā)展。