一體化壓鑄技術(shù)新能源重型貨車應(yīng)用方案

王青

摘要：介紹了一體化壓鑄鋁合金技術(shù)及其目前在國內(nèi)外應(yīng)用的主要情況。對一體化技術(shù)在新能源重型貨車的應(yīng)用前景做了分析，對新能源重型貨車一體化壓鑄零件的單公斤成本進(jìn)行了測算。并對一體化壓鑄技術(shù)在新能源重型貨車應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了較詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：一體化；壓鑄；輕量化；鋁合金

伴隨著我國新能源汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，如何提高新能源車的續(xù)駛里程，輕量化車身成為汽車行業(yè)的一大趨勢。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，新能源電動汽車整備質(zhì)量每減少10kg，續(xù)駛里程增加2.5km，且對新能源汽車的整車剛度有約10%提升貢獻(xiàn)。

鋁合金因其密度小，回收率高，近90%的汽車用鋁可以進(jìn)行循環(huán)，且其優(yōu)良的耐腐蝕性使其成為車身明星材料。鑄鋁占汽車鋁合金材料的70%以上。2019年隨著特斯拉提出的一體化壓鑄概念，引發(fā)了國內(nèi)外汽車行業(yè)大型鋁合金壓鑄生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展。一體化壓鑄技術(shù)在新能源車方面有明顯的降重優(yōu)勢，降低電池成本及日常人力成本，采用一體化技術(shù)后，所需的技術(shù)工人大幅減少。

汽車輕量化通過材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化和工藝輕量化三方面綜合應(yīng)用來實現(xiàn)。一體化壓鑄技術(shù)在以上三方面都有所突破，推動了汽車設(shè)計和制造的不斷改進(jìn)。本文通過對一體化技術(shù)的介紹和對在新能源重型貨車方面的應(yīng)用前景分析探討，為未來一體化技術(shù)在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

一體化壓鑄技術(shù)

一體化壓鑄，將原本設(shè)計中需要組裝的多個零部件重新設(shè)計成一個零件，通過超大型壓鑄機(jī)一次性的壓鑄，直接獲得一個大的鑄件。超高真空壓鑄的主要特點：高壓、高速，金屬液在壓力下充型，并在更高的壓力下結(jié)晶凝固（細(xì)小致密）。常見的壓力為15～100MPa，充型時間極短，約0.01～0.2s，金屬液充填型腔（噴射狀、卷流）的速度通常在10～50m/s，適合生產(chǎn)批量大的薄壁、復(fù)雜零件。一體化壓鑄工藝流程如圖1所示。

一體化壓鑄技術(shù)國內(nèi)外車企應(yīng)用現(xiàn)狀

1.國外車企

國內(nèi)外此項技術(shù)目前主要應(yīng)用于乘用車。

1）特斯拉德州奧斯汀工廠在后地板的基礎(chǔ)上，增加前地板（前縱梁）的一體化壓鑄，前后地板的零部件數(shù)量從171個減少至2個，焊點數(shù)量的減少超過1600個。

2）大眾卡塞爾壓鑄廠鑄造了車身后底板，為未來SSP（可擴(kuò)展系統(tǒng)平臺）電動裝置平臺的高度創(chuàng)新的平臺部件奠定了基礎(chǔ)。一體化鑄造件取代了大約30個單獨的部件，總共減少了10kg的質(zhì)量。

3）奔馳發(fā)布一體化壓鑄成果，性能提升顯著。奔馳全球首發(fā)最新科研成果——VISIONEQXX，其中最大的創(chuàng)新在于車身的后部及前部塔頂應(yīng)用了仿生工程結(jié)構(gòu)部件，整個車身后部是由一塊獨立完整的鋁合金鑄件形成。

4）2022年，沃爾沃汽車宣布，瑞典Torslanda計劃于2023年開始建行工廠，2025年投產(chǎn)，該工廠將引入大型鋁制車身部件鑄造工藝。

2.國內(nèi)車企

1）2023年9月，由重慶賽力斯汽車主導(dǎo)設(shè)計、文燦集團(tuán)制造、帥翼馳材料集團(tuán)供應(yīng)材料，三方聯(lián)合完成了“集成輪罩后地板總成”方案。該方案鑄件質(zhì)量53.2kg，實現(xiàn)了市面上一體化壓鑄部件中最高的集成度（87合1），應(yīng)用力勁9000t壓鑄機(jī)，平均壁厚3.02mm，實現(xiàn)28%的輕量化效果。

2）極氪009成功打造全球量產(chǎn)最大一體式壓鑄后端鋁車身（長1.4m，寬1.6m），焊接點減少近800個。

3）小鵬G6的“扶搖”架構(gòu)采用國內(nèi)目前唯一量產(chǎn)的前后一體式鋁壓鑄車身，集成零件161個，車身結(jié)構(gòu)一次壓鑄成形。

4）2022年6月，長安汽車渝北工廠進(jìn)行改造招標(biāo)，新建一體式前艙、后地板車間，新增必要的相關(guān)工藝設(shè)備，形成一體式前艙、后地板年產(chǎn)28萬套的生產(chǎn)能力。2022年8月，伊之密中標(biāo)長安車身一體化壓鑄項目；2023年1月，長安超大型一體化壓鑄車身前機(jī)艙鑄件成功試制（模具尺寸3300mm×2800mm×2000mm，質(zhì)量約120t）。

3.壓鑄設(shè)備行業(yè)

1）廣東鴻圖2021年底試制6800t壓鑄機(jī)，采購2套12 000t超大型智能壓鑄單元，后地板和前機(jī)艙的樣件都已下線，并且聯(lián)合力勁集團(tuán)研發(fā)16 000t超大型壓鑄機(jī)。

2）文燦股份8臺大型壓鑄機(jī)已完成安裝調(diào)試，6000t半片式后地板（蔚來）、7200t后地板（理想）已下線。

3）托普集團(tuán)7200t一體化超大壓鑄后艙樣件下線（高合），2021年公司向力勁采購21臺套壓鑄單元，包括6臺7200t、10臺4500t和5臺2000t的壓鑄設(shè)備。

4）美利信2021年6月向海天金屬購入2臺6600t及2臺8800t大型壓鑄機(jī)[1]。蔚來項目，聯(lián)合海天研發(fā)2萬t壓鑄機(jī)，寧波海威6800t已安裝調(diào)試2022年12月試制出極氪后地板。

4.壓鑄材料行業(yè)

1）上海帥翼馳已購買鎂鋁C611免熱處理合金專利使用權(quán)，2016年開始研發(fā)和推廣適用于大型一體化壓鑄的免熱處理合金，2019年開始驗證，已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，成為國內(nèi)唯一免熱處理合金供應(yīng)商。

2）中鋁集團(tuán)與理想汽車、長安汽車等主機(jī)廠合作，已開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)免熱處理壓鑄鋁合金（ZL2022104185459）并進(jìn)行應(yīng)用，完成理想汽車減振塔零件批產(chǎn)試用及某型號后地板樣件。

3）山西瑞格授權(quán)了Al-Si-Zn免熱處理合金專利，通過較多的壓鑄客戶資源，逐步滲透進(jìn)入特斯拉、小米以及長安的一體化壓鑄產(chǎn)品。

4）河北立中投資的山東立中新能源鋰電新材料項目，墨西哥立中年產(chǎn)360萬只輕量化鋁合金車輪項目，免熱處理，高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電材料研發(fā)中心，已獲得合金專利。

5）廣東華勁正式將一體化汽車結(jié)構(gòu)件免熱處理鋁合金新材料列為重點研發(fā)攻關(guān)項目，已系統(tǒng)掌握了新材料的關(guān)鍵制備技術(shù)，并小批量在零件級別本體取樣驗證。

6）2022年，湖北金洋資源股份發(fā)布在高強(qiáng)韌免熱處理合金取得突破，稱已完成多批次穩(wěn)定性驗證，并交付客戶小批量試用[2]。

新能源重型貨車應(yīng)用前景

1.技術(shù)分析

以某新能源重型貨車為例，考慮到零件變形等問題，選用免熱處理材料。材料性能：抗拉強(qiáng)度230～250MPa，斷后6%～10%，結(jié)合高壓壓鑄特點，零件選擇白車身件。設(shè)備采用力勁集團(tuán)子公司意大利意德拉公司OL6200CS壓鑄機(jī)，壓鑄機(jī)尺寸為19.5m×5.9m×5.32m，平臺的有效尺寸長和寬均為2.35m，工作臺空間可以放下長寬高尺寸在2m以內(nèi)的任何零件，可以提供最大6218t的鎖模力。

2.成本分析

用一體化壓鑄替代原沖焊方案，對其單公斤零件成本進(jìn)行初步估算見表1。成本分為材料成本和制造成本。

（1）材料成本 根據(jù)鋼鋁密度、性能參數(shù)，按照降重15%測算。鋼制零件質(zhì)量為78kg，一體化壓鑄零件總質(zhì)量為66kg（對稱件）。直接材料價格：分別取鋼、鋁兩種金屬價格現(xiàn)價測算原材料成本。

（2）制造成本 計算壓鑄機(jī)、壓鑄模具折舊、電費及人工等。以年產(chǎn)10萬件、10年生命周期計算，一體化生產(chǎn)線投資近2.5億元。模具總投資2000萬元，模具壽命8萬件生命周期折舊。

1）用零件費用除以零件質(zhì)量計算得到一體化壓鑄零件成本約35元/kg。

2）零件降重15%，減少沖壓模具50套、焊點數(shù)量820個、焊接螺母數(shù)量120個，提升生產(chǎn)效率80%。

3）一體化壓鑄技術(shù)技術(shù)壁壘高，前期開發(fā)廢品率高（特斯拉前期不低于35%），零件開發(fā)與模具廠家進(jìn)行先期對接。開發(fā)應(yīng)設(shè)計和工藝（沖、焊、涂、總及鑄）聯(lián)合針對應(yīng)用零件進(jìn)行分析。

4）一體化壓鑄島（壓鑄機(jī)和模具，周邊需要配套熔煉爐、機(jī)邊爐、取件和清理噴霧機(jī)器人、切邊設(shè)備、機(jī)加工機(jī)床、檢測設(shè)備、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等組合在一起的壓鑄生產(chǎn)單元）據(jù)投入2億～4億元。

5）開發(fā)前期對材料性能，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋁鋼連接驗證，前期選擇目前成熟的6000～8000t或以下壓機(jī)開發(fā)零件提高開發(fā)成功率。

3.面臨的挑戰(zhàn)

（1）工藝方面 一體化鑄件澆注質(zhì)量高，充型時間長，對其可制造性（壁厚分析、分型面分析、拔模角度及頂桿位置分析）、模流分析（流動前沿形態(tài)、卷氣情況、渣包分布、充型溫度等流動分析和凝固分析）、模溫控制（影響冷隔、縮孔、氣孔及變形等缺陷）、模具密封（高真空壓鑄涉及的主分型面、模芯側(cè)面、鑲塊側(cè)面、型芯密封、頂針密封及壓室密封）工藝設(shè)計要求高。

一體化壓鑄過程中因裹氣、補(bǔ)縮、變形等問題產(chǎn)生的流痕、龜裂紋、冷隔、縮陷、印痕、夾皮剝落、燒蝕、麻點及裂紋等缺陷可導(dǎo)致鑄件因缺陷而報廢；鑄鋼連接所涉及的電阻焊、氣體保護(hù)焊等工藝，由于鋼和鋁的導(dǎo)電率、熱傳導(dǎo)等物理特性相差甚遠(yuǎn)不適用于鋼件與鋁件的連接。膠粘、熱熔自攻絲鉚接、自沖鉚接及螺栓聯(lián)接等工藝是鋼鋁連接的可行工藝[3]。對新的連接工藝研究和一體化壓鑄工藝問題的解決，迫使企業(yè)不斷加強(qiáng)研發(fā)投入和提升技術(shù)人員的工藝水平。

（2）材料方面 壓鑄件需要免熱處理鋁合金材料，因為傳統(tǒng)鋁合金壓鑄件為獲得高延伸率需熱處理，而一體化鑄件尺寸大，若增加熱處理則造成的形變及表面缺陷問題大，廢品高。

免熱處理材料為專利材料，美國鋁業(yè)公司、德國萊茵菲爾德對免熱處理鋁材早有研究并擁有成熟的合金牌號；國內(nèi)企業(yè)也在積極研發(fā)適用于大型薄壁壓鑄件的免熱處理材料，目前擁有相關(guān)專利的既有壓鑄生產(chǎn)商如廣東鴻圖，也有再生鋁生產(chǎn)商如立中集團(tuán)、瑞格金屬、永茂泰等，高校如上海交大等。免熱處理材料開發(fā)和上下游息息相關(guān)。

雖然免熱處理合金研發(fā)不存在高不可攀的技術(shù)門檻，但需要上下游材料企業(yè)，壓鑄廠、模具廠、整車廠合作研發(fā)。研發(fā)壁壘不僅在于合金成分調(diào)整、工藝路線調(diào)整，關(guān)鍵是材料生產(chǎn)商和壓鑄廠，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。

（3）模具及設(shè)備方面 模具制作的難點在于模具設(shè)計和原材料的選取，型腔精度、熱平衡、密封性要求高，所以提高了模具制作的難度。

根據(jù)有關(guān)資料顯示，鋁合金模具的使用壽命與其鎖模力有關(guān)，6000t以上的超大型壓鑄機(jī)模具壽命8萬次左右。未來，12 000t的大型一體化鑄造機(jī)，其配套模具使用壽命會更短。而沖壓件的模具壽命內(nèi)普遍在幾十萬次。

一體化壓鑄1000萬元模具費與其使用壽命次數(shù)少的矛盾，對批量車輛成本的控制極為不利。一體化模具單環(huán)節(jié)的凈利潤最高，技術(shù)壁壘最高。壓鑄機(jī)需超大噸位，高良率、一致性、穩(wěn)定性、超大噸位壓鑄機(jī)產(chǎn)能短缺，資金壁壘高（鎖模力高于5000t的超大型壓鑄機(jī)裸機(jī)單價在2500萬元以上）。

結(jié)語

特斯拉在一體化壓鑄方面實現(xiàn)了重大突破，據(jù)目前公布的“開箱工藝”預(yù)計將電動汽車生產(chǎn)成本降低50%，并將工廠空間減少40%，并將開發(fā)一款乘用車的周期縮短至2年內(nèi)，徹底顛覆了電動汽車的設(shè)計到制造。

隨著一體化壓鑄技術(shù)的不斷突破與應(yīng)用，一體化壓鑄產(chǎn)品范圍在電池托盤等零件的拓展，鑄件批量噸位的增加，將進(jìn)一步降低單公斤零件生產(chǎn)成本。在未來政策和雙碳目標(biāo)推動下，重型貨車新能源車輛對整車輕量化的需求增加，鋁合金應(yīng)用的進(jìn)一步增長，一體化壓鑄技術(shù)市場前景將更為廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陶永亮，婁夢妮.新能源汽車銷量促進(jìn)壓鑄產(chǎn)業(yè)及一體化壓鑄發(fā)展[J].鑄造設(shè)備與工藝，2022（2）：52-55.

[2] 陶永亮，張明怡，向科軍，等.一體化壓鑄促進(jìn)鋁合金材料創(chuàng)新與發(fā)展[J].鑄造設(shè)備與工藝，2022（4）：67-70

[3] 李福貴，顧成波.壓鑄及多材料連接工藝在新能源汽車車身中的運(yùn)用研究[J].機(jī)械工程師，2021（8）：60-62.