一體化壓鑄技術的發展歷程及應用現狀

2024-12-31 00:00:00何廷余于德水李東洋劉清高杰韓星

汽車工藝師 2024年7期

摘要：介紹了節能減排背景下，汽車輕量化的發展需求，引出一體化壓鑄技術。深入分析了一體化壓鑄獨到之處的來源，總結了其應用現狀，總結出一體化壓鑄量產應用所面臨的難點，最后詳細論述了如何建立一體化壓鑄的競爭優勢，提升產品的競爭力。

關鍵詞：輕量化；一體化壓鑄；量產應用；競爭策略

全球能源危機和全球變暖問題的加劇，受到了廣泛關注和各行各業的劇烈變革，推動了節能減排落實并持續推進，其中汽車行業首當其沖[1]。汽車輕量化是節能減排的有效手段之一[2]，據國際研究機構試驗表明，對于傳統汽車，車輛每減重10%，油耗可下降6%～8%，CO2排放可減少約8.5g/km，而對于新能源汽車來說，減重10%可使其續駛里程增加5%～8%[3，4]。在“碳達峰”“碳中和”政策和《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的驅動下，新能源汽車呈現了井噴式的發展[5]。新能源汽車的快速發展衍生出眾多創新技術和產品，其中一體化壓鑄技術引領了汽車行業的一系列變革。

一體化壓鑄技術，是將原本設計中需要組裝的數十個甚至上百個零件，經重新設計、高度集成，利用超大噸位壓鑄機，通過先進壓鑄工藝，一體成形為一個超大尺寸的鋁制部件，實現原有功能的一項技術[6]。特斯拉稱之為“Giga-casting”，沃爾沃稱之為“Mega-casting”，實現一體化成形過程所用的加工系統為“Giga-Press”（源于設備供應商意德拉壓鑄機型號）。

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，將多個零件變成一個壓鑄件；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。

技術起源

與過往相關技術相比，一體化壓鑄技術的獨到之處主要體現在三方面：超大尺寸的產品、極限壓鑄技術和免熱處理壓鑄鋁合金。

車用壓鑄產品的發展如圖1所示。早在20世紀70年代，鋁合金壓鑄產品已經開始批量應用在缸體、變速器殼體等動力總成部件，且日趨成熟。20世紀90年代，奧迪等主機廠成功驗證了減振塔、縱梁等車身薄壁結構件的壓鑄成型工藝，為了滿足產品性能要求，采用了高強韌壓鑄鋁合金和T7熱處理工藝，只是當時并無太多的市場需求，沒有得到行業的關注和重視。進入21世紀，在節能減排政策推動和汽車輕量化技術發展驅動下，高真空壓鑄技術實現了長足發展，車身壓鑄結構件也得到了廣泛應用。2019年起，基于“化繁為簡、降本增效”，以“后底板”為代表產品的一體化壓鑄件由特斯拉實現量產[7]，并迅速獲得汽車行業的狂熱追捧[8～10]。

事實上，在此之前，大尺寸壓鑄結構件有不少開發案例，如尾門內板、前機艙防火墻、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，受成本和市場等因素影響，當時大尺寸壓鑄件并未得到大規模應用。

世界首臺壓鑄機于1849年問世，至今已有超過170年的歷史，期間先后出現了真空壓鑄、半固態壓鑄及充氧壓鑄，實時監控反饋系統逐步融入了密封技術、局部擠壓技術、模溫控制技術及微量噴涂技術，如圖3所示。

在一體化壓鑄技術之前，最大噸位壓鑄機為4000t級，且持續了近20年，在此期間壓鑄機噸位發展停滯的原因是無相應的產品需求。目前的一體化壓鑄技術，最初由福特提出，在福特F150車型上應用。如今，特斯拉真正讓一體化壓鑄技術帶著“顛覆光環”，走進人們視野并實現了大批量生產應用。

鋁合金的發展史也有百余年（見圖4），在汽車行業的應用也日益廣泛和成熟。據調研[11]表明，車用鋁產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。

壓鑄鋁合金的發展與應用，則與產品需求和工況保持同步，一體化壓鑄技術所涉及的免熱處理合金，其實德國萊茵費爾登和美國鋁業早在二三十年前就已經成功開發，可惜當時應用市場非常有限。

一體化壓鑄本質上屬于較為古老且成熟的壓力鑄造（簡稱“壓鑄”），即熔融或半熔融的金屬以高速壓射入金屬鑄型內，并在壓力下結晶的鑄造方法，主要特點是高速、高壓。無論從產品尺寸、設備噸位方面討論，還是從免熱處理壓鑄鋁合金領域分析，一體化壓鑄并不是創新性或顛覆性的技術，準確地說應該是車身結構件壓鑄技術的傳承與拓展。

然而必須正視的是，一體化壓鑄技術的蓬勃發展，對現有汽車工業生產組織方式產生了沖擊。從1886年世界上第一輛汽車的誕生，汽車工業先后經歷了數次變革：福特的流水線方式開創了工業造車時代的新方式，豐田的精益求精看板模式讓大量的企業減少浪費，大眾的模塊化造車平臺則讓造車效率進入到新的時代。新興的一體化壓鑄技術（見圖5）會直接影響整車四大件（車身、底盤、動力總成及電器元件）和汽車制造四大工藝（沖壓、焊裝、涂裝及整裝），讓造車理念進入到一個新的時代。

應用現狀

目前，一體化壓鑄技術應用集中在乘用車白車身的下車體，其中后底板已經在多款車型上實現量產，前機艙和中底板已進入準量產階段，大尺寸電池殼體和非承載式車身車架正處于開發階段，而處在技術前沿的一體化下車體（見圖6）、一體化上車體、一體化側位，甚至一體化壓鑄車身（見圖7），已經列入研發或論證日程。

競爭策略

雖然一體化壓鑄技術吸引了眾多主機廠、壓鑄廠、設備商、模具廠、高校科研院所以及資本市場的廣泛關注與重視，整個行業都在大力開發應用一體化壓鑄件，但是一體化壓鑄技術的推廣落地仍然面臨巨大挑戰。

目前一體化壓鑄推廣應用最大的問題有兩方面：

1）受原材料成本和產品合格率兩個因素影響，成本居高不下。

2）產品不同區域性能差異太大，壓鑄末端延伸率甚至不到3%。

作為一體化壓鑄技術產業的重要組成部分，汽車廠、壓鑄機及相關設備廠、壓鑄材料研發商、壓鑄廠、模具廠及科研院所等，要基于清晰的產品定位，充分發揮鋁合金材料的優勢，明確產品所要求的工藝目標，做到全產業鏈低碳循環，使一體化壓鑄產品具備良好的競爭優勢，攜手共同迎接上述挑戰。

1.清晰的產品定位

一體化壓鑄產品，要基于消除冗余、簡化工藝、降低成本的集成原則，以鋁代替中等強度要求的鋼制部件，以達到低成本、高效率的目的，而對于B柱、門環等安全部件，熱成型技術和高強鋼更具優勢。工藝思路應該在初始階段就融入產品設計工作中，使產品結構符合壓鑄工藝特征，也就是沖壓工藝難以實現、而壓鑄工藝輕松應對的產品結構，同時避免空腔結構和容易引起缺陷的大平面和熱節。

2.準確的材料認知

材料的物理屬性決定了力學性能范疇，在絕對力學性能上，鋁合金要遠遜于鋼鐵材料，面對當今發展迅速的高強鋼，鋁合金最大的優勢就是復雜結構的成型性，因此鋁合金的強度劣勢需要在產品設計中通過結構創新來彌補。另外，在合金成分設計時，要滿足流動性、粘模性、收縮性等工藝性的性能要求，同時兼顧結構相關、碰撞相關、強度相關的產品特性的性能要求。

3.明確的工藝目標

一體化壓鑄件屬于超大尺寸薄壁件，若進行T6熱處理容易導致嚴重變形，大幅降低產品合格率，為此一體化壓鑄產品幾乎全部選擇免熱處理合金。一方面，免熱處理合金的應用的確解決了超大尺寸薄壁件的變形超差問題，但也存在未經熱處理的產品處在鑄態的劣勢，該劣勢本質上未能充分發揮材料性能，屬于一種材料浪費。

另一方面，在實際生產過程中，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、運輸會發生自燃時效，白車身電泳則會起到一定的人工時效作用，這都會對產品的性能、尺寸穩定性產生影響。在產品和工藝設計中要充分考慮這兩點，嚴格控制含氣量、含渣量、密度等熔體參數，澆排系統的設計、壓射速度的設定、真空工藝的調整都需要經過可靠的計算。

4.優質的低碳循環

優異的再生循環特征是“碳達峰”“碳中和”背景下另一大優勢，水電鋁和再生鋁的應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工藝，因此在產線設計時，柔性化、自動化和智能化就顯得尤為重要，否則重資產投入會大幅提高生產成本。

5.全球布局結合本地服務

一體化壓鑄件尺寸大、結構復雜，長距離運輸無疑會顯著增加運輸成本、提高質量風險，所以依據市場分布，進行產能和服務的布局成為各大公司的關鍵策略。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，一體化壓鑄產業鏈更是在全球進行戰略布局，比如投資墨西哥工廠以服務北美市場，投資東歐、北非工廠以服務歐洲市場。目前幾大龍頭企業均在推進“全球布局、本地服務”，以降低成本和碳足跡。

結語

（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的從0到1，眾多汽車廠商正在進行從一到百的壯舉，一體化壓鑄擁有廣闊的市場。

（2）客觀認知——創新而非顛覆無論是產品還是設備，亦或是材料，從本質上分析，一體化壓鑄是在傳統壓鑄基礎上增加了高真空系統和超大尺寸，是改進創新，而非顛覆技術。

（3）直面市場——趨于白熱化，尋求競爭優勢受益于主機廠、壓鑄廠、科研院所以及資本市場的推動，一體化壓鑄技術的熱度達到空前高度，接下來必將是慘烈的競爭，各方急需建立合適的競爭優勢。

（4）競爭策略清晰的產品定位、準確的材料認知、明確的工藝目標、優質的低碳循環、精準的戰略布局，是建立競爭優勢的重要途經。

參考文獻

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

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

[3] 王建萍.世界油耗法規升級及汽車行業的應對策略（上）[J].汽車與配件，2018（27）：34-41.

[4] 李汶哲. 汽車企業節能新技術評價及油耗目標優化方法[D].長沙：湖南大學，2017.

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

[6] 楊英春，韓星，張曉慶，等.輕量化驅動下的一體化壓鑄技術簡析[J].鑄造工程，2023，47（4）：11-15.