一體化壓鑄技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀

摘要：介紹了節(jié)能減排背景下，汽車輕量化的發(fā)展需求，引出一體化壓鑄技術(shù)。深入分析了一體化壓鑄獨(dú)到之處的來源，總結(jié)了其應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)出一體化壓鑄量產(chǎn)應(yīng)用所面臨的難點(diǎn)，最后詳細(xì)論述了如何建立一體化壓鑄的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：輕量化；一體化壓鑄；量產(chǎn)應(yīng)用；競(jìng)爭(zhēng)策略

全球能源危機(jī)和全球變暖問題的加劇，受到了廣泛關(guān)注和各行各業(yè)的劇烈變革，推動(dòng)了節(jié)能減排落實(shí)并持續(xù)推進(jìn)，其中汽車行業(yè)首當(dāng)其沖[1]。汽車輕量化是節(jié)能減排的有效手段之一[2]，據(jù)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)試驗(yàn)表明，對(duì)于傳統(tǒng)汽車，車輛每減重10%，油耗可下降6%～8%，CO2排放可減少約8.5g/km，而對(duì)于新能源汽車來說，減重10%可使其續(xù)駛里程增加5%～8%[3，4]。在“碳達(dá)峰”“碳中和”政策和《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的驅(qū)動(dòng)下，新能源汽車呈現(xiàn)了井噴式的發(fā)展[5]。新能源汽車的快速發(fā)展衍生出眾多創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品，其中一體化壓鑄技術(shù)引領(lǐng)了汽車行業(yè)的一系列變革。

一體化壓鑄技術(shù)，是將原本設(shè)計(jì)中需要組裝的數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)零件，經(jīng)重新設(shè)計(jì)、高度集成，利用超大噸位壓鑄機(jī)，通過先進(jìn)壓鑄工藝，一體成形為一個(gè)超大尺寸的鋁制部件，實(shí)現(xiàn)原有功能的一項(xiàng)技術(shù)[6]。特斯拉稱之為“Giga-casting”，沃爾沃稱之為“Mega-casting”，實(shí)現(xiàn)一體化成形過程所用的加工系統(tǒng)為“Giga-Press”（源于設(shè)備供應(yīng)商意德拉壓鑄機(jī)型號(hào)）。

一體化壓鑄，又分為廣義和狹義兩大類。廣義的一體化壓鑄指替代沖壓-焊接件，將多個(gè)零件變成一個(gè)壓鑄件；狹義的一體化壓鑄主要指壓鑄過程使用6000t及以上的大型壓鑄機(jī)。

技術(shù)起源

與過往相關(guān)技術(shù)相比，一體化壓鑄技術(shù)的獨(dú)到之處主要體現(xiàn)在三方面：超大尺寸的產(chǎn)品、極限壓鑄技術(shù)和免熱處理壓鑄鋁合金。

車用壓鑄產(chǎn)品的發(fā)展如圖1所示。早在20世紀(jì)70年代，鋁合金壓鑄產(chǎn)品已經(jīng)開始批量應(yīng)用在缸體、變速器殼體等動(dòng)力總成部件，且日趨成熟。20世紀(jì)90年代，奧迪等主機(jī)廠成功驗(yàn)證了減振塔、縱梁等車身薄壁結(jié)構(gòu)件的壓鑄成型工藝，為了滿足產(chǎn)品性能要求，采用了高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金和T7熱處理工藝，只是當(dāng)時(shí)并無太多的市場(chǎng)需求，沒有得到行業(yè)的關(guān)注和重視。進(jìn)入21世紀(jì)，在節(jié)能減排政策推動(dòng)和汽車輕量化技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)下，高真空壓鑄技術(shù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)足發(fā)展，車身壓鑄結(jié)構(gòu)件也得到了廣泛應(yīng)用。2019年起，基于“化繁為簡(jiǎn)、降本增效”，以“后底板”為代表產(chǎn)品的一體化壓鑄件由特斯拉實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[7]，并迅速獲得汽車行業(yè)的狂熱追捧[8～10]。

事實(shí)上，在此之前，大尺寸壓鑄結(jié)構(gòu)件有不少開發(fā)案例，如尾門內(nèi)板、前機(jī)艙防火墻、車門框架以及中控支架等（見圖2），只是外形尺寸比目前略小。然而，受成本和市場(chǎng)等因素影響，當(dāng)時(shí)大尺寸壓鑄件并未得到大規(guī)模應(yīng)用。

世界首臺(tái)壓鑄機(jī)于1849年問世，至今已有超過170年的歷史，期間先后出現(xiàn)了真空壓鑄、半固態(tài)壓鑄及充氧壓鑄，實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋系統(tǒng)逐步融入了密封技術(shù)、局部擠壓技術(shù)、模溫控制技術(shù)及微量噴涂技術(shù)，如圖3所示。

在一體化壓鑄技術(shù)之前，最大噸位壓鑄機(jī)為4000t級(jí)，且持續(xù)了近20年，在此期間壓鑄機(jī)噸位發(fā)展停滯的原因是無相應(yīng)的產(chǎn)品需求。目前的一體化壓鑄技術(shù)，最初由福特提出，在福特F150車型上應(yīng)用。如今，特斯拉真正讓一體化壓鑄技術(shù)帶著“顛覆光環(huán)”，走進(jìn)人們視野并實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)應(yīng)用。

鋁合金的發(fā)展史也有百余年（見圖4），在汽車行業(yè)的應(yīng)用也日益廣泛和成熟。據(jù)調(diào)研[11]表明，車用鋁產(chǎn)品的成型工藝分布比例為：77%鑄件、10%型材、10%板材以及3%鍛件。

壓鑄鋁合金的發(fā)展與應(yīng)用，則與產(chǎn)品需求和工況保持同步，一體化壓鑄技術(shù)所涉及的免熱處理合金，其實(shí)德國(guó)萊茵費(fèi)爾登和美國(guó)鋁業(yè)早在二三十年前就已經(jīng)成功開發(fā)，可惜當(dāng)時(shí)應(yīng)用市場(chǎng)非常有限。

一體化壓鑄本質(zhì)上屬于較為古老且成熟的壓力鑄造（簡(jiǎn)稱“壓鑄”），即熔融或半熔融的金屬以高速壓射入金屬鑄型內(nèi)，并在壓力下結(jié)晶的鑄造方法，主要特點(diǎn)是高速、高壓。無論從產(chǎn)品尺寸、設(shè)備噸位方面討論，還是從免熱處理壓鑄鋁合金領(lǐng)域分析，一體化壓鑄并不是創(chuàng)新性或顛覆性的技術(shù)，準(zhǔn)確地說應(yīng)該是車身結(jié)構(gòu)件壓鑄技術(shù)的傳承與拓展。

然而必須正視的是，一體化壓鑄技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有汽車工業(yè)生產(chǎn)組織方式產(chǎn)生了沖擊。從1886年世界上第一輛汽車的誕生，汽車工業(yè)先后經(jīng)歷了數(shù)次變革：福特的流水線方式開創(chuàng)了工業(yè)造車時(shí)代的新方式，豐田的精益求精看板模式讓大量的企業(yè)減少浪費(fèi)，大眾的模塊化造車平臺(tái)則讓造車效率進(jìn)入到新的時(shí)代。新興的一體化壓鑄技術(shù)（見圖5）會(huì)直接影響整車四大件（車身、底盤、動(dòng)力總成及電器元件）和汽車制造四大工藝（沖壓、焊裝、涂裝及整裝），讓造車?yán)砟钸M(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)代。

應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，一體化壓鑄技術(shù)應(yīng)用集中在乘用車白車身的下車體，其中后底板已經(jīng)在多款車型上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，前機(jī)艙和中底板已進(jìn)入準(zhǔn)量產(chǎn)階段，大尺寸電池殼體和非承載式車身車架正處于開發(fā)階段，而處在技術(shù)前沿的一體化下車體（見圖6）、一體化上車體、一體化側(cè)位，甚至一體化壓鑄車身（見圖7），已經(jīng)列入研發(fā)或論證日程。

競(jìng)爭(zhēng)策略

雖然一體化壓鑄技術(shù)吸引了眾多主機(jī)廠、壓鑄廠、設(shè)備商、模具廠、高?？蒲性核约百Y本市場(chǎng)的廣泛關(guān)注與重視，整個(gè)行業(yè)都在大力開發(fā)應(yīng)用一體化壓鑄件，但是一體化壓鑄技術(shù)的推廣落地仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

目前一體化壓鑄推廣應(yīng)用最大的問題有兩方面：

1）受原材料成本和產(chǎn)品合格率兩個(gè)因素影響，成本居高不下。

2）產(chǎn)品不同區(qū)域性能差異太大，壓鑄末端延伸率甚至不到3%。

作為一體化壓鑄技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，汽車廠、壓鑄機(jī)及相關(guān)設(shè)備廠、壓鑄材料研發(fā)商、壓鑄廠、模具廠及科研院所等，要基于清晰的產(chǎn)品定位，充分發(fā)揮鋁合金材料的優(yōu)勢(shì)，明確產(chǎn)品所要求的工藝目標(biāo)，做到全產(chǎn)業(yè)鏈低碳循環(huán)，使一體化壓鑄產(chǎn)品具備良好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，攜手共同迎接上述挑戰(zhàn)。

1.清晰的產(chǎn)品定位

一體化壓鑄產(chǎn)品，要基于消除冗余、簡(jiǎn)化工藝、降低成本的集成原則，以鋁代替中等強(qiáng)度要求的鋼制部件，以達(dá)到低成本、高效率的目的，而對(duì)于B柱、門環(huán)等安全部件，熱成型技術(shù)和高強(qiáng)鋼更具優(yōu)勢(shì)。工藝思路應(yīng)該在初始階段就融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)符合壓鑄工藝特征，也就是沖壓工藝難以實(shí)現(xiàn)、而壓鑄工藝輕松應(yīng)對(duì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，同時(shí)避免空腔結(jié)構(gòu)和容易引起缺陷的大平面和熱節(jié)。

2.準(zhǔn)確的材料認(rèn)知

材料的物理屬性決定了力學(xué)性能范疇，在絕對(duì)力學(xué)性能上，鋁合金要遠(yuǎn)遜于鋼鐵材料，面對(duì)當(dāng)今發(fā)展迅速的高強(qiáng)鋼，鋁合金最大的優(yōu)勢(shì)就是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型性，因此鋁合金的強(qiáng)度劣勢(shì)需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新來彌補(bǔ)。另外，在合金成分設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足流動(dòng)性、粘模性、收縮性等工藝性的性能要求，同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)相關(guān)、碰撞相關(guān)、強(qiáng)度相關(guān)的產(chǎn)品特性的性能要求。

3.明確的工藝目標(biāo)

一體化壓鑄件屬于超大尺寸薄壁件，若進(jìn)行T6熱處理容易導(dǎo)致嚴(yán)重變形，大幅降低產(chǎn)品合格率，為此一體化壓鑄產(chǎn)品幾乎全部選擇免熱處理合金。一方面，免熱處理合金的應(yīng)用的確解決了超大尺寸薄壁件的變形超差問題，但也存在未經(jīng)熱處理的產(chǎn)品處在鑄態(tài)的劣勢(shì)，該劣勢(shì)本質(zhì)上未能充分發(fā)揮材料性能，屬于一種材料浪費(fèi)。

另一方面，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，免熱處理并非無熱處理，開模取件并冷卻可近似固熔，后處理、中轉(zhuǎn)、運(yùn)輸會(huì)發(fā)生自燃時(shí)效，白車身電泳則會(huì)起到一定的人工時(shí)效作用，這都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能、尺寸穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)中要充分考慮這兩點(diǎn)，嚴(yán)格控制含氣量、含渣量、密度等熔體參數(shù)，澆排系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、壓射速度的設(shè)定、真空工藝的調(diào)整都需要經(jīng)過可靠的計(jì)算。

4.優(yōu)質(zhì)的低碳循環(huán)

優(yōu)異的再生循環(huán)特征是“碳達(dá)峰”“碳中和”背景下另一大優(yōu)勢(shì)，水電鋁和再生鋁的應(yīng)用可顯著降低碳排放和綜合成本。近年來，各大車企推出的車型日新月異，零部件也隨之加快更新迭代速度，而壓鑄屬于典型的批量生產(chǎn)工藝，因此在產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)，柔性化、自動(dòng)化和智能化就顯得尤為重要，否則重資產(chǎn)投入會(huì)大幅提高生產(chǎn)成本。

5.全球布局結(jié)合本地服務(wù)

一體化壓鑄件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)距離運(yùn)輸無疑會(huì)顯著增加運(yùn)輸成本、提高質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，所以依據(jù)市場(chǎng)分布，進(jìn)行產(chǎn)能和服務(wù)的布局成為各大公司的關(guān)鍵策略。近幾年，眾多壓鑄廠商加快圍繞東北、華北、華中、華東及華南幾大汽車制造基地的布局，一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)鏈更是在全球進(jìn)行戰(zhàn)略布局，比如投資墨西哥工廠以服務(wù)北美市場(chǎng)，投資東歐、北非工廠以服務(wù)歐洲市場(chǎng)。目前幾大龍頭企業(yè)均在推進(jìn)“全球布局、本地服務(wù)”，以降低成本和碳足跡。

結(jié)語(yǔ)

（1）一體化壓鑄——未來已來、未來可期 特斯拉完成了一體化壓鑄件量產(chǎn)的從0到1，眾多汽車廠商正在進(jìn)行從一到百的壯舉，一體化壓鑄擁有廣闊的市場(chǎng)。

（2）客觀認(rèn)知——?jiǎng)?chuàng)新而非顛覆 無論是產(chǎn)品還是設(shè)備，亦或是材料，從本質(zhì)上分析，一體化壓鑄是在傳統(tǒng)壓鑄基礎(chǔ)上增加了高真空系統(tǒng)和超大尺寸，是改進(jìn)創(chuàng)新，而非顛覆技術(shù)。

（3）直面市場(chǎng)——趨于白熱化，尋求競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) 受益于主機(jī)廠、壓鑄廠、科研院所以及資本市場(chǎng)的推動(dòng)，一體化壓鑄技術(shù)的熱度達(dá)到空前高度，接下來必將是慘烈的競(jìng)爭(zhēng)，各方急需建立合適的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

（4）競(jìng)爭(zhēng)策略 清晰的產(chǎn)品定位、準(zhǔn)確的材料認(rèn)知、明確的工藝目標(biāo)、優(yōu)質(zhì)的低碳循環(huán)、精準(zhǔn)的戰(zhàn)略布局，是建立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要途經(jīng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 伍賽特.汽車節(jié)能減排技術(shù)研究及展望[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2019（7）：29-33.

[2] 謝群，宋禹田.輕量化是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的保證[J].輕合金加工技術(shù)，2013，41（12）：14-16.

[3] 王建萍.世界油耗法規(guī)升級(jí)及汽車行業(yè)的應(yīng)對(duì)策略（上）[J].汽車與配件，2018（27）：34-41.

[4] 李汶哲. 汽車企業(yè)節(jié)能新技術(shù)評(píng)價(jià)及油耗目標(biāo)優(yōu)化方法[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2017.

[5] 劉曉潔，別玉娟，陳自兵.新能源汽車發(fā)展對(duì)制造工藝影響分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（6）：208-209.

[6] 楊英春，韓星，張曉慶，等.輕量化驅(qū)動(dòng)下的一體化壓鑄技術(shù)簡(jiǎn)析[J].鑄造工程，2023，47（4）：11-15.

[7] 特斯拉一體壓鑄工藝[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2021，56（2）：1-3.

[8] 陶永亮，婁夢(mèng)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.

[9] 方宇.特斯拉“鯰魚效應(yīng)”下的造車新銳[J].經(jīng)理人，2021（7）：36-38.

[10] 喬俠，楊磊，劉雙勇.一體化壓鑄技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究[J].汽車工藝師，2023（8）：30-33，52.

[11] 楊洋，趙明宇，王冠宇.鋁合金輕量化在汽車中的應(yīng)用[J].黑龍江科學(xué)，2022，13（16）：42-44.