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.中國航發西安航空發動機集團有限公司，陜西西安 710021）

1 引言

據中國汽車工業協會統計分析。2021 年汽車產銷同比呈現增長，結束了2018年以來連續三年的下降局面。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%，進一步說明了新能源汽車市場已經從政策驅動轉向市場拉動，對高度依賴汽車產業壓鑄業來說，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的四座整車工廠都已安裝超大型壓鑄機，用于生產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。行業內專業人士、企業家都紛紛感嘆，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展的新機遇。

2 一體壓鑄化與模具應用概況

2.1 壓鑄件在汽車上應用情況

壓鑄與其它制造工藝相比，壓鑄成形工藝生產效率高、尺寸精度高、力學性能優良、材料利用率高、批量化生產經濟效益較佳。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”目標推進，新能源汽車成為未來汽車發展的方向，近期比亞迪官宣2022年3月起停止燃油汽車的整車生產[4]。汽車行業迭代升級、產量連年攀升，新能源汽車更多的結構部件需要采用壓鑄成形工藝來進行制造，也為壓鑄行業及壓鑄模的發展帶來了新的市場機遇和挑戰。我國壓鑄模總產量僅次于美國，躍具世界第二位，可見壓鑄行業生產量之大[5]。

壓力鑄造簡稱壓鑄，根據壓力高低可分為低壓鑄造與高壓鑄造兩類。目前汽車行業鋁合金壓鑄件應用范圍按使用功能分類，已用于結構件、受力件、安全件和裝飾件等。發電機殼體、變速器殼體、離合器殼體、水泵殼體、變速箱支架轉向機殼體等均為鋁合金壓鑄件。還有凸輪箱、發動機氣缸體、氣缸蓋、進氣歧管、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、車身等均可以實現壓鑄成型，具有廣泛的應用性[6～7]。

2.2 特斯拉一體成型壓鑄件介紹

2019年，特斯拉對Model Y車型生產制造進行改進，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，零件數量比Model 3 減少79 個，焊點大約由700～800 個減少到50 個，應用了新合金材料，一體壓鑄的地板總成不再熱處理，制造時間由傳統工藝的1～2h 縮減至3～5min，能在廠內直接供貨。意味著以沖壓、焊裝為主導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%；加快生產流程，70+個零件變成一個，1,000多個工業機器人降至700；加固車體，減輕重量，有利于續航；提升產品一致性。190s 內完成一個鑄件。考慮20%維護時間，90%良品率，大致產量為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，重量進一步降低10%，續航里程可增加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10萬臺計算，一年可降本6億元。全球汽車制造業隨之震動[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，不需要開發過多的工裝設備，制造精度可控，維護成本極低。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（網圖）

2.3 一體成型壓鑄帶來行業變化

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 聯合研發的6,000t 壓鑄機[12]。說明我國超大型壓鑄機在技術和結構上取得了很大的突破，充分滿足汽車領域、大型重型壓鑄件及多部件的一體化生產工藝，為國內、國際壓鑄裝備領域的可持續發展打下堅實基礎。力勁集團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，首臺7,000t超重型壓鑄機近期已完成裝配[15]，國產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應用及迭代升級將進一步拓寬壓鑄鋁合金在新能源汽車行業的應用場景，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了針對一體式壓鑄免熱處理壓鑄鋁合金材料，根據汽車上不同部位零部件的要求與壓鑄成型需求，開發了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，經過多輪研發攻關和零件驗證，在材料開發、性能優化、制造工藝和系統集成驗證等方面實現了100%全流程正向開發，在材料壓鑄性能、力學性能、制造性能、環境耐久性能等指標上表現優異。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到更高維度[16]，國內還有單位在做類似材料的研發。

（3）超大型壓鑄模制造任重道遠。

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節。

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

一體式壓鑄給超大型壓鑄模制造帶來了新的挑戰和新的機遇。超大型壓鑄模的制造需要大型的加工設備來支撐，一體化模具大、流道設計復雜、壁厚變化加大、產品結構較難，模具對產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，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，原有基礎比較雄厚，適當增加一些大型模具加工設備，就能完成一體式壓鑄模制造的轉型，就目前國內僅僅幾家公司搶得先機。

國內首套6,800t超大型一體化鋁合金壓鑄結構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。此項目成功試制標志著廣型模具成為國內掌握超大型一體化結構件模具研制及調式技術的企業。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、門板等關鍵核心輕量化部件模具的研發制造，為我國新能源汽車的發展做出貢獻[18]。廣東鴻圖的汽車底盤一體化結構件產品，采用自主研發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9,000t 超大型壓鑄島在天津順利試產，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，由寧波賽維達機械有限公司提供，如圖2所示。據了解，早在2019年賽維達規劃并建成超大型壓鑄模車間，配備了6m龍門數控，3.5m龍門三坐標、160t+80t行車、800t合模機、恒溫5 軸加工車間，今年又增加了數臺3m 5 軸龍門數控，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、全流程廠內實現閉環生產，已具備年產50副6,000t模具以上生產能力。目前，賽維達已在研發12,000t～20,000t 一體式車身結構件模具[20]。寧波合力科技也在進行一體式壓鑄模的制造[21]。

圖2 9,000t模具交付現場（網圖）

美利信科技公司去年引進海天一套HDC8800t超大型壓鑄機，主要實現包括新能源汽車在內的車身、底盤等大型結構件一體化、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任公司專門為大型壓鑄模制造做好準備[22]，廣澄模具擁有強大的專業設計和編程團隊及高素質、高技能的加工、檢測、裝配調試團隊，車間實現了全流程的信息化生產管理，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、沙迪克慢走絲設備、合模機等世界一流高精尖設備40余臺，具備大型、復雜、高精度壓鑄模的生產能力[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備，更好地服務于大型壓鑄模加工。

當然，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——肖弗勒模具集團（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在中國投資的第一家工廠，主要生產特斯拉等品牌的汽車零部件模具，包括高壓壓鑄模的研發、制造及維護保養。預計達產后，年產值達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驗。

（4）大型壓鑄模輔助設備推向市場。

一體化壓鑄成型技術應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到200t。在壓鑄模開發和制造過程中，模具研配試驗壓力機（簡稱合模機）是必不可少輔助設備，其用于模具的研配和校正。傳統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 年著手研發超大型配模設備，先后開發出合模力800t、1,000t 超大型合模機，工作臺面為4,200×3,500mm，5,000×4,200mm。應用于6,000t、9,000t以上超大型壓鑄機的模具。目前正在進一步研發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，超大型汽車壓鑄結構件流程長且薄壁，所以要求模具溫度具備在長流程過程中，根據不同的流態精準控制不同模區的溫度，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、壓鑄市場密切聯系，根據大型汽車壓鑄結構件一體化成型溫控需求，研發出系統性解決方案，并推出用于匹配“大型汽車壓鑄結構件一體化壓鑄”的一系列高溫、中溫、低溫溫控產品（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）。設計20℃～320℃的大寬度溫區，給模溫平衡提供穩定且可控溫源輸出，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、澆口套等進行溫度控制，保證壓鑄成型需要[26]。

3 結束語

在“雙碳”目標推進下，一體化壓鑄技術在效率、安全、降本、減排等方面優勢受到了市場強烈的關注熱點。一體化鑄件設計與制造是一項全方位集成技術，零部件設計特征、免處理材料開發、壓鑄成型工藝、壓鑄單元能力和大型模具結構優異都需要綜合考量。大型壓鑄模設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量保證、還要考慮零件后續加工優化工藝等，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”列入國家重點研發計劃[27]。隨著汽車行業向智能制造和提高效益方向發展，將極大帶動大型壓鑄模制造發展，為一體化壓鑄發展服好務，一同推動了汽車輕量化的進程，促進新能源汽車向著節能、減排方向發展。