新能源汽車一體壓鑄的意義及壓鑄質(zhì)量控制方法

文/劉立飛，曹國亮，王兵，許贏，賈永磊，李麗·合眾新能源汽車股份有限公司

本文闡述了一體化壓鑄應(yīng)用的目的及新能汽車發(fā)展一體化壓鑄的意義，一體化壓鑄作為一種新技術(shù)應(yīng)用，在生產(chǎn)制造過程中，各類質(zhì)量缺陷的識別判定和控制，對車身質(zhì)量提升和一體化壓鑄技術(shù)沉淀非常重要。

“雙碳”的實施促使汽車行業(yè)越來越重視節(jié)能環(huán)保，全球各國都認(rèn)可汽車的節(jié)能減排，這也促使汽車制造商不斷加大對輕量化的投入，以滿足消費者的需求。一體化壓鑄技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，對新能源車身結(jié)構(gòu)發(fā)展可謂迫在眉睫，本文簡介一體化壓鑄的意義和一體化壓鑄常見質(zhì)量缺陷類型和控制方法，促進(jìn)一體化壓鑄技術(shù)發(fā)展和質(zhì)量控制提升。

車身一體化的意義

通過汽車一體化壓鑄技術(shù)，可以實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的完美融合，從而大大減少了分體沖壓和壓鑄后焊接等復(fù)雜的制造步驟，極大地提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

與采用焊接沖壓件技術(shù)相比，會大幅降低車身重量。采用一體化壓鑄車身設(shè)計升級，不僅能夠顯著減少沖壓件數(shù)量，還能夠優(yōu)化生產(chǎn)流程，極大地改善了生產(chǎn)的質(zhì)量和性能，從而極大地提高了汽車的整車質(zhì)量。例如，將70 多個沖壓焊接的零部件整合到一個零件，不僅能夠顯著縮短車輛的總長度，還能夠?qū)⑸a(chǎn)的總費用降低40%。某汽車使用了整合的鋁合金制作的副駕駛座，與傳統(tǒng)的焊接工藝制作方法相比，它的重量降低了30%。此外，某汽車的整合式座椅也使得它的重量降低了30%，并且可以提供7L 的儲物容積。

通過一體化壓鑄技術(shù)，可以顯著提高汽車零部件的強度、精度以及一致性，這樣可以避免傳統(tǒng)的沖壓件+焊接的加工過程，可以節(jié)省人力，節(jié)省焊接、噴漆、涂膠等工藝，從而可以顯著降低人工成本、設(shè)備成本。

通過采取一體化壓鑄技術(shù)，1.5 噸乘用車的車身重量將會大幅度減小，這將直接影響到車輛的續(xù)航能力。與傳統(tǒng)汽車相比，采取這種方法能夠節(jié)省15%的車輛重量，并且新能源汽車也能夠節(jié)省10%的能源。

車身一體化壓鑄優(yōu)勢

⑴一體化壓鑄技術(shù)可以降低新能源汽車的成本。通過采用一體化壓鑄技術(shù)，將原本70 多個的汽車零部件整合成2 個或1 個整體，使得原本需要700 ～800 個的焊接點降低至50 個，而且將原本需要2 小時的焊接過程縮短至90s。隨著技術(shù)的進(jìn)步，使得生產(chǎn)零部件的方式發(fā)生變化，從傳統(tǒng)的模具、機(jī)械臂、夾具到更先進(jìn)的自動化技術(shù)可以有效地實現(xiàn)，從而大大的節(jié)約了生產(chǎn)原材料，并且可以有效地提升生產(chǎn)效率。另外，一臺壓鑄機(jī)的投入使得該工廠的占地面積縮小30%，從而使得基礎(chǔ)設(shè)施的投入也有所下降。通過采用先進(jìn)的一體化壓鑄技術(shù)，可以大幅度地降低20%生產(chǎn)制造成本，新能源汽車主動發(fā)展一體化壓鑄這種技術(shù)，可以大大簡化供應(yīng)鏈的流程、大幅降低總的成本。通過采用一體化壓鑄技術(shù)，我們不僅能夠提升硬件的質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，還能夠跟上智能化的最新進(jìn)展，滿足當(dāng)今智能技術(shù)的需求。

⑵一體化壓鑄技術(shù)使得新能源汽車的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。采用一體化壓鑄技術(shù)，將原有的500 多個零部件以及4000 ～6000 個焊接處的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以及繁瑣的三輪調(diào)試，有效地減少了整個生產(chǎn)周期，并且能夠有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量，從而節(jié)省了大量的時間與費用。

一體壓鑄件常見質(zhì)量缺陷

壓鑄件缺陷共分三大類，分別是幾何缺陷、表面缺陷、內(nèi)部缺陷。⑴幾何缺陷。壓鑄件形狀、尺寸與技術(shù)要求與技術(shù)規(guī)范不一致。如尺寸超差、鑄件變形等。⑵表面缺陷。壓鑄件外觀不良，如流痕、冷隔、拉傷、氣泡、欠鑄、錯模、飛邊、有色斑點等。⑶內(nèi)部缺陷。產(chǎn)品內(nèi)部組織、機(jī)械性能不符合要求，如氣孔、縮孔、縮松、凹陷(縮凹）、裂紋等。

引起以上缺陷發(fā)生的因素有四個，分別是壓鑄機(jī)引起、壓鑄模引起、壓鑄件設(shè)計引起、生產(chǎn)過程引起。

⑴壓鑄機(jī)引起。壓鑄機(jī)所提供的能量是否能滿足所需要的壓射條件：壓射力、壓射速度、鎖模力是否足夠。壓鑄工藝參數(shù)選擇與調(diào)控是否合適，包括壓力、速度、時間、沖頭行程等。

⑵壓鑄模引起。模具設(shè)計方面注意模具結(jié)構(gòu)、澆鑄系統(tǒng)尺寸及位置、頂桿及布局、冷卻系統(tǒng)。模具加工需要注意模具表面粗糙度、加工精度、表面硬度。模具使用時，應(yīng)該注意溫度控制、表面清理、保養(yǎng)。

⑶壓鑄件設(shè)計引起。

⑷生產(chǎn)過程引起。

壓鑄件產(chǎn)生缺陷原因及防止方法

⑴氣孔。壓鑄件材料內(nèi)部形狀較為規(guī)則，呈圓形、橢圓形，表面較為光滑(圖1）。

圖1 氣孔

產(chǎn)生原因：由于金屬液的流動方向不當(dāng)，它們在型腔內(nèi)發(fā)生了正面碰撞，從而產(chǎn)生了漩渦，最終形成了卷氣；澆道設(shè)計不合理，澆道后段面積大于前段面積，導(dǎo)致金屬液進(jìn)入后段時填充不足，卷入氣體；壓室充滿度不夠；內(nèi)澆口速度過高產(chǎn)生湍流，型腔內(nèi)有油滲入；排氣不暢；模具型腔位置太深，填充過程中存在窩氣；模具溫度過低或脫模劑噴涂過多，導(dǎo)致金屬液填充時脫模劑還未揮發(fā)完；金屬液精煉不良，含氣量過多；加工余量過大；快壓起始點過早，導(dǎo)致金屬液在壓射過程中形成卷氣。

防止方法：選擇有利于型腔氣體排出的澆口位置，避免金屬液先堵塞排氣系統(tǒng)。避免金屬液正面撞擊型腔及型芯；澆道截面積由料餅至內(nèi)澆口逐步減小，內(nèi)澆口截面積需小于澆道截面積；選擇合適的壓室，保證充滿度在30%以上；為了達(dá)到最佳的成形效果，應(yīng)該適當(dāng)增加內(nèi)澆口的厚度，以減緩充填的速度；定期清理、保養(yǎng)模具，避免頂桿、銷子滲油，減少沖頭潤滑油量及熱模時刷油油量；在最后填充部位開設(shè)溢流槽和排氣道，增加抽真空輔助排氣；深腔處可采用鑲件的方式增加排氣效果；控制模具溫度，在保證脫模順暢的情況下減少噴涂量；保證金屬液質(zhì)量；保證加工無黑皮的情況下使用小的加工余量；選擇合理的快壓起始點，一般快壓起始位置是金屬液沒過內(nèi)澆口位置。

⑵氣泡。在鑄件表面下，由于氣體膨脹而產(chǎn)生的泡，有時會破裂，可能是完全貫通的也可能是不完全貫通的。氣泡缺陷一般在鑄件上出現(xiàn)時會呈氣泡(如圖2 所示）或崩裂的氣泡狀。

圖2 氣泡

產(chǎn)生原因：合金澆注溫度過高；型腔內(nèi)氣體過多，排氣不當(dāng)；壓射參數(shù)不當(dāng)，導(dǎo)致鋁液卷氣；型腔圍堵過高。

防止方法：調(diào)整鋁液溫度在合理范圍內(nèi)；優(yōu)化模具排氣系統(tǒng)；適配合理的壓鑄參數(shù)；調(diào)整模具冷卻系統(tǒng)。

⑶縮孔。當(dāng)壓鑄件經(jīng)歷冷卻時，因為缺乏必要的填料，導(dǎo)致其外觀呈現(xiàn)出各種不同的形態(tài)，其表面也變得更加粗糙，如圖3 所示。

圖3 縮孔

產(chǎn)生原因：合金澆注溫度過高；鑄件結(jié)構(gòu)有局部厚大部位，形成熱節(jié)；鑄造壓力過低；由于內(nèi)澆口較薄，容易過早凝固，這會影響壓力的傳遞和補縮；料餅過薄，起不到補縮作用；模具局部溫度過高。

防止方法：保證填充的情況下采用低的澆注溫度；改進(jìn)結(jié)構(gòu)，盡量保證壁厚均勻，消除熱節(jié)；適當(dāng)增加鑄造壓力；適當(dāng)增加內(nèi)澆口厚度；適當(dāng)增加料餅厚度；增加局部冷卻。

⑷裂紋。鑄件出模時，發(fā)生嚴(yán)重拉傷而開裂；留模時間太短，不能形成一定高溫強度；裂紋兩側(cè)溫度差過大。

防止方法：避免壁厚不均，加設(shè)工藝筋；增大鑄造圓角；調(diào)整抽芯及頂出裝置；提高模具溫度；縮短開模及抽芯時間；嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)，調(diào)整合金成分；重新選擇合金；避免倒拔?，F(xiàn)象或不平整，避免拉傷；適當(dāng)延長留模時間；調(diào)整模具溫度，避免相鄰位置溫度差異過大。

⑸凹陷。在鑄件表面形成的凹陷，這些凹陷處處于自然冷卻的狀態(tài)。檢測產(chǎn)品相應(yīng)部位或用手感覺，存在較大壁厚差，如圖4 所示。

圖4 凹陷

產(chǎn)生原因：鑄件有局部厚大結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生熱節(jié)；模具局部溫度太高；內(nèi)澆口截面積太小，補縮能力差；比壓低；合金實際收縮率大；由于憋氣導(dǎo)致氣體無法排出，被壓縮在型腔與金屬液之間。

防止方法：增設(shè)工藝孔等消除熱節(jié)；增加局部冷卻，優(yōu)先冷卻厚大部位；通過合理調(diào)整澆注系統(tǒng)，適當(dāng)增加內(nèi)部澆口的厚度；增大比壓；適當(dāng)降低澆注溫度、模具溫度；改善模具排氣效果。

⑹流痕。在鑄造過程中首先進(jìn)入型腔的金屬液形成一個極薄而又不完全的金屬層后，被后來的金屬液所填充而留下的痕跡。鑄件表面上呈現(xiàn)與金屬液流動方向相一致，用手觸摸有局部下陷感覺，此缺陷無發(fā)展方向，并且可以通過拋光來修復(fù)，如圖5 所示。

圖5 流痕

產(chǎn)生原因：模具溫度低；內(nèi)澆口截面積太小、澆口位置不合理；壓射比壓太低；填充速度太快；脫模劑用量過多；快壓起始點不合理。

防止方法：提高模具溫度；調(diào)整內(nèi)澆口截面積及澆口位置；提高壓射比壓；盡可能降低壓射速度；合理使用脫模劑；調(diào)整快壓起始點。

⑺冷隔。當(dāng)金屬材料處于高溫時，它們之間的連接處就會產(chǎn)生裂紋，這些裂紋通常呈不規(guī)則的曲線，既包括穿過的裂紋，也包括沒有裂開的裂紋。當(dāng)受到外界的影響時，這些裂紋就會向前擴(kuò)散。如圖6 所示，冷卻后的壓鑄件上常常會出現(xiàn)裂紋，并且還帶有流紋、表面氣泡。

圖6 冷隔

產(chǎn)生原因：溫度低導(dǎo)致金屬液流動性差；金屬液分股填充，熔合不良；充填速度太低；排氣不暢；溢流槽位置與金屬液匯集點不吻合；比壓偏低。

防止方法：提高澆注、模具溫度；盡量避免多股金屬液填充型腔；提高壓射速度；清理排氣通道；在合理位置增設(shè)溢流、排氣系統(tǒng)；適當(dāng)提高比壓。

⑻拉傷、粘模。拉傷是一種常見的鑄造缺陷，它通常發(fā)生在模具制造過程中，由于金屬粘附導(dǎo)致模具傾斜角度過小，從而在鑄件表面形成拉傷(圖7）或裂紋。粘模(圖8）是金屬液與模具產(chǎn)生粘合，粘附導(dǎo)致拉傷，以致鑄件表面缺料。

圖7 拉傷

圖8 粘模

產(chǎn)生原因：由于型芯和型壁的出模斜度過小或出現(xiàn)倒斜度導(dǎo)致；型芯、型壁表面粗糙或有壓傷痕跡；合金粘附模具；鑄件頂出偏斜或型芯軸線偏斜；脫模劑長期噴涂不到；鋁合金含鐵量低于0.6%。

防止方法：修正模具斜度，保證出模斜度；修模消除壓痕、拋光表面；在設(shè)計澆灌體系時，應(yīng)盡量避免金屬流直接沖擊型芯和型壁，并且應(yīng)該合理調(diào)節(jié)填料、澆灌和模具的溫度；檢查頂出機(jī)構(gòu)、更換型芯；脫模劑噴涂要薄而均勻、不能漏噴；適當(dāng)調(diào)整鋁合金中的鐵含量到0.6%～0.8%。

⑼欠鑄。通常表示金屬液沒有被充分地注入模具內(nèi)，導(dǎo)致零件表面缺陷。這種缺陷常常發(fā)生在模具的尾部和較小的內(nèi)腔中，如圖9 所示。

圖9 欠鑄

產(chǎn)生原因：由于金屬液中含空氣量較大，導(dǎo)致了氧化程度加劇，流動性降低；澆注溫度或模具溫度過低；填充速度過低；增壓壓力不足；金屬液用量不足；澆口位置，導(dǎo)流方式，內(nèi)澆口股數(shù)選擇不當(dāng)；內(nèi)澆口截面積太小；深腔處排氣不暢；型腔內(nèi)氣體壓力過高；涂料用量過多。

防止方法：采用正確的熔煉、保溫工藝，嚴(yán)格排氣、除渣；提高澆注溫度或模具溫度；提高壓射速度；提高鑄造壓力；調(diào)整金屬液澆入量；要合理選擇澆口位置和導(dǎo)流方式，針對于大型鑄件需要采用多股內(nèi)澆口有利填充；增大內(nèi)澆口截面積；深腔處采用鑲件加強排氣；減小型腔內(nèi)氣體壓力；合理、適量使用涂料。

⑽飛邊。鑄件上對應(yīng)模具活動部位邊緣出現(xiàn)的金屬薄片(圖10）。

圖10 飛邊

產(chǎn)生原因：壓射前機(jī)器的鎖模力調(diào)整不佳；封鎖元件失效；模具鑲塊或滑塊磨損；分型面上雜物沒清理干凈；模具強度不夠造成變形 。

防止方法：檢查合模力和增壓情況，調(diào)低壓射力或速度以降低沖擊；確保封鎖效果；檢查磨損情況并修復(fù)；認(rèn)真清理分型面上的雜物；修整模具。

⑾錯模。鑄件的某些部分與另一部分在分型面上形成明顯差異，發(fā)生相對位移(圖11）。

圖11 錯模

產(chǎn)生原因：模具鑲塊發(fā)生位移；模具導(dǎo)向或定位元件磨損；模具表面清潔度差導(dǎo)致模具無法合模到位，整體擠偏。

防止方法：調(diào)整鑲塊位置，并加以緊固；及時更換定位或?qū)蛟欢ㄆ跈z查清理模具表面殘留異物。

⑿斑點。鑄件表面上的斑點與基體金屬有明顯的差異，通常是由涂料碳化物或沖頭油所構(gòu)成(圖12）。

圖12 斑點

產(chǎn)生原因：脫模劑中石墨含量過多；脫模劑用量過多，局部堆積；熱模時刷油過多，造成殘留；沖頭油用量過多，帶到型腔造成斑點。

防止方法：更換優(yōu)質(zhì)的脫模劑；嚴(yán)格控制噴涂量，并噴涂均勻；控制熱模油使用量；沖頭潤滑良好的情況下減少沖頭油使用量。

⒀尺寸超差。鑄件尺寸與圖紙不符。

產(chǎn)生原因：模具設(shè)計時收縮未設(shè)置準(zhǔn)確；模具鑲件使用錯誤；留模時間過長或過短導(dǎo)致模具開模時鑄件發(fā)生變形。

防止方法：設(shè)置合理的收縮率；更換鑲件、型芯時使用正確的鑲件、型芯，并設(shè)置防錯裝置；合理控制留模時間。

解決壓鑄缺陷的思路

由于各種缺陷的形成源于多種不同的因素，因此，在實際的生產(chǎn)過程中，應(yīng)該根據(jù)問題的復(fù)雜程度，從簡單到復(fù)雜逐步處理，具體的步驟如下：⑴重新分析設(shè)計分型面、型腔和頂桿，優(yōu)化噴涂技術(shù)，提高鎖模力，并大幅提升澆鑄金屬的數(shù)量。⑵重新設(shè)定生產(chǎn)流程，包括控制壓縮比、擠出速率、成形過程、成形時長、灌漿和模具的溫度。⑶采用優(yōu)質(zhì)的鋁硅合金作為原料，調(diào)整新原料和回爐原料的比例，并對熔煉工藝進(jìn)行改進(jìn)。⑷重新設(shè)計模具，調(diào)整澆注系統(tǒng)，擴(kuò)大內(nèi)部澆口，增加溢流槽和排氣槽。

結(jié)束語

當(dāng)下新能源汽車全球化市場競爭非常激烈，想要進(jìn)一步搶占市場，就要制造技術(shù)領(lǐng)先，制造成本低廉，逐漸布局一體化壓鑄。一體化壓鑄過程工藝控制決定產(chǎn)品質(zhì)量，控制一體化壓鑄質(zhì)量才能更好的促進(jìn)一體化壓鑄工藝的提升。