鋁合金一體化大型壓鑄結構件應用與挑戰(zhàn)

【歡迎引用】 張成. 鋁合金一體化大型壓鑄結構件應用與挑戰(zhàn)[J]. 汽車文摘， 2024（X）： （XX-XX）.

【Cite this paper】 ZHANG C. Challenges of Aluminum Alloy Large Integrated Die-casting Structures Application [J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（X）： 1-11.

【摘要】新能源汽車一體化壓鑄技術引領了造車工藝的革新。為了滿足新能源汽車對整車輕量化及成本控制的雙重需求，闡述了鋁合金材料在汽車輕量化進程中的關鍵作用，分析了鋁合金一體化壓鑄工藝的原理、優(yōu)劣勢及其國內(nèi)外應用現(xiàn)狀，探討了一體化壓鑄技術在材料開發(fā)和工藝技術方面所面臨的挑戰(zhàn)，并針對一體化壓鑄技術發(fā)展與應用提出可行性建議，旨在推動鋁合金材料在汽車制造中的廣泛應用，為汽車行業(yè)的輕量化、節(jié)能化和環(huán)保化提供有力參考。

關鍵詞：汽車輕量化；鋁合金；一體化壓鑄；新能源汽車；成本控制

中圖分類號：U463.82 ? 文獻標志碼：A ? DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230316

Challenges of Aluminum Alloy Large Integrated Die-casting Structures Application

Zhang Cheng

（EDAG Engineering and Design （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201106）

【Abstract】 The integrated die-casting technology for new energy vehicles has led the innovation in vehicle manufacturing processes. To address the dual objectives of vehicle lightweighting and cost control in new energy vehicles， the crucial role of aluminum alloy materials in the process of automobile lightweighting is elaborated. It dissects the principles， benefits， and drawbacks of the integrated die-casting process， alongside its current adoption in both domestic and international contexts. The paper also delves into the technological challenges in material development and process innovation within integrated die-casting. Additionally， feasible suggestions for the development and application of integrated die-casting technology are put forward， aiming to promote the widespread application of aluminum alloy materials in automobile manufacturing and provide powerful references for the lightweight， energy-saving， and environmentally friendly development of the autombile industry.

Key words： Automobile lightweighting， Aluminum alloy， Integrated die-casting technology， New energy vehicle， Cost control

0 引言

隨著汽車保有量持續(xù)增加，能源安全和環(huán)境挑戰(zhàn)日益嚴峻。為達成“碳達峰、碳中和”的雙碳目標，我國新能源汽車進入了快速發(fā)展階段。2015年—2023年，新能源汽車占乘用車市場份額呈現(xiàn)逐年遞增趨勢，2023年已達到31.6%[1]。

為了實現(xiàn)節(jié)能降耗目標，輕量化策略仍是最直接且最有效的路徑。根據(jù)2020年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖 2.0》[2]，我國計劃在2035將純電動乘用車輕量化系數(shù)降低35%。汽車輕量化可以提升操控性、改善NVH性能、提高可靠性、增加續(xù)駛里程并提高能源利用率。自2019年起，隨著新能源補貼逐漸減少，電動汽車行業(yè)面臨轉型升級的新局面。汽車制造商亟需尋求高性能、精益化、低成本的輕量化方案，以緩解成本壓力，提高市場競爭力。

鋁合金在汽車系統(tǒng)中的應用主要集中應用在車身結構件及外覆蓋件上。然而，目前車身骨架及外覆蓋件的制造多依賴冷沖壓成型工藝，這種工藝的材料利用率相對較低，且成型難度較大。鋁合金加工技術和成本問題限制了其在汽車制造中的廣泛應用。相比鋁合金沖壓工藝，鋁合金一體化大型壓鑄工藝有望在整車輕量化方面進一步突破，同時增加零件集成性，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率。本文對當前鋁合金一體化壓鑄技術在汽車行業(yè)的應用狀況進行了深入分析，并針對性地提出了應用建議及未來發(fā)展趨勢展望，以期進一步推動鋁合金材料在汽車制造中的廣泛應用，為汽車行業(yè)的輕量化、節(jié)能化和環(huán)?；峁﹨⒖?。

1 鋁合金材料在汽車輕量化中的應用

汽車輕量化通常有3種路徑，即材料輕量化、制造工藝提升以及結構設計優(yōu)化，如圖1所示。綜合分析美國、歐洲、日本、中國的汽車輕量化路線，材料驅動的輕量化效果最為明顯。表1對比了4種汽車常用輕量化材料性能數(shù)據(jù)與成本，無論是在應用技術、安全性還是在循環(huán)再生利用方面，鋁合金相較于鋼、鎂合金和碳纖維復合材料具有明顯優(yōu)勢。與鋼制零件相比，采用鋁合金制備的零件可以實現(xiàn)減輕質(zhì)量30%～40%。鋁合金因其低密度和成本效益，具有較高性價比。

在汽車的發(fā)展歷程中，鋁合金材料主要應用在中高端車型上。然而，隨著新能源汽車的普及和輕量化趨勢的推進，鋁合金在國內(nèi)外汽車市場中的應用范圍逐漸擴大，一些低端車型也開始采用鋁合金材料。表2展示了目前乘用車的平均最大可用鋁量和價值量評估[3]?？梢钥闯觯擞密囌嚳梢詫崿F(xiàn)362 kg的最大單車用鋁量。從整車應用角度來看，鑄造鋁合金在汽車用鋁總量中的占比約為77%。而一體化壓鑄技術的出現(xiàn)，有望進一步推動鑄造鋁合金在整車上的應用。

2 鋁合金一體化壓鑄技術的應用

2.1 一體化壓鑄技術原理

鋁合金一體化壓鑄技術基本原理是在高溫高壓（溫度670～730 ℃，壓力80 ～200 MPa）條件下，通過壓射桿運動將熔融狀態(tài)的鋁合金迅速注入模具型腔。在熔融鋁合金填充模具型腔之前，真空控制系統(tǒng)開始工作，抽取型腔內(nèi)的空氣，從而在模具型腔中形成真空狀態(tài)，并維持此狀態(tài)直到填充過程結束。模具封閉后，保持一定壓力，熔融鋁合金在壓力下凝固形成鑄件。一體化壓鑄工藝采用大型壓鑄機，將多個單獨、分散的零件高度集成，通過一次壓鑄形成若干個大型壓鑄件，有效替代了傳統(tǒng)的多零件先沖壓后焊接或鉚接的組合方式，主要應用于尺寸較大、結構力學性能要求高的車身結構件以及電池包殼體等部件的制造。

2.2 一體化壓鑄技術的優(yōu)勢

一體化壓鑄技術可以將復雜的結構件集成一體，有效提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)線、材料、人力投入。通過調(diào)整尺寸、壁厚等參數(shù)實現(xiàn)整車減重。相比傳統(tǒng)鋼制零件沖壓拼焊工藝，車輛質(zhì)量可減輕20%～30%。表3以特斯拉Model Y車型鋁合金一體化壓鑄后地板為例，對比了一體化壓鑄工藝與傳統(tǒng)沖壓拼焊工藝在零件數(shù)量、生產(chǎn)效率、材料回收利用等方面的差異。

采用一體化壓鑄后地板總成，相比原來的沖壓件拼裝可以減少69個部件，零部件數(shù)量的減少，降低了庫存和管理的復雜性。焊點數(shù)量由700～800個減少到50個，并且一體化壓鑄后地板總成不需要進行熱處理，整個制造時間由傳統(tǒng)工藝的60～120 min縮減至3～5 min。制造過程中焊接工序和時間的縮短，使整體制造成本下降了40%。人工數(shù)量相比傳統(tǒng)沖焊工藝減少了90%，生產(chǎn)效率極大提高。該工藝將多個零件合并成一個整體，減少了不必要的裁剪和切割，充分利用材料，減少廢料產(chǎn)生，材料回收利用率可以達到95%以上。

集成化制造技術的應用實現(xiàn)了多個零部件的一次性成型，有效改善了通過傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)工藝制造鋁合金結構件存在的諸多問題，如鋁合金沖壓回彈精度控制問題和焊接工序過多導致的總成尺寸精度問題，其減少了人為干預，確保了設計、材料特性和零件質(zhì)量的一致性。Model Y產(chǎn)品不斷迭代，其前艙也被集成為一個大型鑄件。通過應用2個大型壓鑄件替代370個零件，下車體總成的質(zhì)量減輕了10%，續(xù)駛里程增加了14%。通過采用更加輕量化的材料、結構并進行工藝改進，該車型成功實現(xiàn)了整車輕量化目標。此外，由于生產(chǎn)線設備投入減少，加熱和冷卻循環(huán)系統(tǒng)以及機器人轉換系統(tǒng)的需求也隨之降低，提高了能源利用率。

2.3 一體化壓鑄技術應用現(xiàn)狀

2020年，特斯拉與意大利壓鑄設備供應商意德拉合作，采用6 000 t級壓鑄單位，利用一體成型技術生產(chǎn)Model Y后地板。在此基礎上，特斯拉進一步鞏固其生產(chǎn)線的現(xiàn)代化布局，在加州弗里蒙特工廠、中國上海工廠、德克薩斯州工廠和德國柏林工廠購置了14臺一體化壓鑄設備。這一舉措表明特斯拉正將其一體化壓鑄技術作為標準工藝進行戰(zhàn)略布局，加速推動工藝革新。隨著特斯拉的引領，國內(nèi)各大主機廠也緊隨其后，紛紛布局一體化壓鑄技術。一汽、蔚來、小鵬、高合、理想、小米、長城、長安、江淮等車企均加入了這一行列。部分車企已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，圖2列出了已經(jīng)量產(chǎn)發(fā)布的幾個一體化壓鑄結構件，產(chǎn)品噸位都在6 000 t級以上。

3 一體化壓鑄技術面臨的挑戰(zhàn)

3.1 鋁合金材料性能限制

AlSi10MnMg合金是車身制造壓鑄技術中最常用的材料之一。然而，未經(jīng)處理的鑄造態(tài)AlSi10MnMg合金不能滿足車身結構件強度和韌性要求，需要將AlSi10MnMg合金進行熱處理以提升其性能。通過T6或T7熱處理工藝，可以有效增強合金的強度和延展性，確保壓鑄后的零件具有適當?shù)那姸?、抗拉強度和延伸率。對于韌性要求較高的零件，屈服強度通常在120～150 MPa之間，抗拉強度需大于180 MPa，延伸率需要達到10%以上。對于強度要求較高的零件，屈服強度通常在150～180 MPa之間，抗拉強度需大于215 MPa，延伸率需要達到7%以上。這樣的性能配置可以確保零件展現(xiàn)出良好的塑性和韌性，防止零件在重載情況下發(fā)生形變或斷裂。

另一方面壓鑄零件焊接性能較差，主要表現(xiàn)為高氣孔含量及內(nèi)部氫殘留問題。這些氣孔主要存在于熔體或枝晶間，在焊接過程中導致熔池氣體含量增加，從而引起焊縫出現(xiàn)氣孔，影響焊接質(zhì)量。熔焊高溫還可能導致焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生表面鼓泡和晶間氣孔。由于壓鑄鋁合金線膨脹系數(shù)較大，并且鑄造零件形狀復雜、結構應力大，焊接時易形成結晶裂紋和液化裂紋，尤其在脆性溫度區(qū)間內(nèi)，過大的內(nèi)應力可能導致熱裂紋的產(chǎn)生[5-6]。

針對上述問題，在車身制造中，鋁合金壓鑄件通常采用鉚釘工藝進行連接，避免使用弧焊或點焊。自沖鉚接工藝要求壓鑄鋁合金材料的斷后延展性大于10%，確保在鉚接過程中材料能展現(xiàn)出良好的延展性和可塑性。

3.2 一體化壓鑄技術壁壘

一體化壓鑄結構件設計目前仍處于發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)鏈上下游仍處于探索階段。一體化壓鑄技術壁壘主要體現(xiàn)在5個方面，包括大型壓鑄島的開發(fā)、免熱處理合金的開發(fā)、大型模具結構的設計、鑄造工藝控制、虛擬仿真驗證。這些特殊要求對一體化壓鑄技術的未來發(fā)展至關重要。

3.2.1 大型壓鑄島的開發(fā)

一體化壓鑄鋁合金結構件通常是指利用鎖模力6 000 t以上壓鑄機生產(chǎn)的鑄造件，而傳統(tǒng)的高壓壓鑄鋁合金結構件鎖模力一般不超過4 500 t。隨著壓鑄機鎖模力的增加，其對機械理論、制造經(jīng)驗以及工藝控制的門檻限制也更高。目前國內(nèi)的壓鑄機制造商主要以力勁科技、海天金屬和伊之密為主，國外主要以瑞士布勒為主。

大型壓鑄機開發(fā)周期長、造價高、投入大，設備供應商通常會與客戶緊密合作，開展定制化設備開發(fā)和制造服務。2022年，力勁科技發(fā)布了12 000 t的大型壓鑄單位，隨后又開發(fā)了16 000 t的大型智能壓鑄單位，并在2023年成功交付客戶[7]。目前全球噸位數(shù)最大的壓鑄單元（見圖3），采用了更先進的鑄造工藝和更強的模板結構，擁有全新鎖模結構和更智能的控制系統(tǒng)，配備先進的打料系統(tǒng)、高效的快速換模系統(tǒng)。該設備成功研發(fā)，為實現(xiàn)結構尺寸更大、技術更復雜的車身一體化零件開發(fā)提供了更大可能性。

3.2.2 免熱處理材料的開發(fā)

一體化壓鑄結構件因其尺寸較大，對材料和工藝的要求較高，為了滿足這些要求，需要使用具有特定性能的壓鑄鋁合金材料[8-9]。

（1）鑄造態(tài)下的強韌性。鋁合金材料在鑄造狀態(tài)下應具備足夠的強度和韌性，以確保結構件的穩(wěn)定性和耐用性。

（2）界面性能良好。鋁合金材料應與模具之間具有較小的化學反應和親和力，以減少粘膜和相互合金化的可能性，這有助于保持模具的壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量。

（3）鑄造性能良好。由于一體化壓鑄結構件澆道近端到遠端的距離較長，因此需保證鋁合金材料具有良好的流動性，確保流體能夠完整填充整個模具。

（4）線收縮率低。較小的線收縮率可以避免在鑄造過程中產(chǎn)生裂紋和變形，有助于保持壓鑄零件的尺寸精度和穩(wěn)定性。

（5）連接包容性較高。由于鋁合金鑄造零件的延展性較低，尤其是遠端，延伸率可能只能達到6%。因此，需改善組織，增加對冷連接、熱連接的包容性，以實現(xiàn)更好的連接效果。

（6）微量元素、雜質(zhì)元素容忍度較高。鋁合金材料應具備更高的微量元素、雜質(zhì)元素容忍度，以適應再生鋁的使用。再生鋁是一種環(huán)保、經(jīng)濟的選擇，能夠有效降低零件成本。

（7）變質(zhì)劑更高效。由于一體化大鑄件不經(jīng)過熱處理過程，需要在鑄造態(tài)就能夠滿足車身結構件的性能需求。需使用更高效的變質(zhì)劑來改善熔體組織，提升材料基礎性能。

為了滿足一體化壓鑄結構件的市場需求，國內(nèi)外眾多企業(yè)開發(fā)了多種專用合金并投入應用，例如美國鋁業(yè)EZCAST系列C611免熱處理Al-Si系壓鑄合金、上海交通大學開發(fā)的SJTU-AlMgSiMn合金。此外，一汽集團、蔚來汽車、極氪汽車、北京車和家等企業(yè)也自研了免熱處理合金，并完成了相應專利申請。表4列出了部分專利信息，展示了免熱處理合金的研發(fā)進展。目前，這些相關產(chǎn)品有些已經(jīng)進入批量生產(chǎn)階段，有望進一步推動一體化壓鑄結構件的發(fā)展和應用。

3.2.3 大型模具的結構設計

一體化壓鑄技術要求高速充型與快速凝固，對壓鑄模具的溫度、真空度、成形方案、工藝參數(shù)及后處理提出了更高的要求。在模具設計方面，一體化壓鑄模具通常質(zhì)量在100～200 t之間。模具設計與制造存在一定的技術壁壘，如制造周期長、難度大、壓鑄過程中模具損耗較大。因此，大型壓鑄模具的設計是實現(xiàn)一體化壓鑄的關鍵技術。為了滿足上述要求，模具設計廠家必須具備強大的壓鑄過程模擬分析能力，涵蓋零部件設計和模具設計。選用的模具材料必須具備較高的熱疲勞抗力、導熱性及良好的耐磨性、耐蝕性和高溫力學性能[10-11]。目前僅有少數(shù)企業(yè)完成關鍵的大型壓鑄模具（≥6 000 t壓鑄機）制造，例如廣州市型腔模具制造有限公司、寧波賽維達機械有限公司和美利信科技公司[12]。

一體化模具向更大尺寸發(fā)展，流道設計更加復雜、壁厚變化較大、加工難度增加，對澆注、溢流、排氣、冷卻系統(tǒng)設計提出了更高的要求。設計高度依賴先發(fā)經(jīng)驗和大量試驗，需要運用計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真技術模擬充型過程[13]，主要包括壓鑄工藝性分析、模具澆排設計、模具冷卻設計、模具熱平衡分析、壓射工藝分析。

每套壓鑄模具成本1 000萬元左右，可以支持8萬套產(chǎn)品產(chǎn)能。模具新開和日常維護帶來了較大的成本壓力。各汽車制造企業(yè)和模具廠商正在開發(fā)分體式模具設計，例如一汽集團開發(fā)的超大型模具分體技術，采用13個模塊，累計總質(zhì)量190 t，其分體式的設計可以顯著降低維護成本和開發(fā)周期。

3.2.4 鑄造工藝控制

一體化壓鑄零件在量產(chǎn)過程中面臨良品率較低的問題。壓鑄工藝對零件合格率具有重要作用，正確的壓射模式和壓鑄參數(shù)有助于提高良品率。

首先，一體化壓鑄工藝需要配備高真空控制系統(tǒng)，真空度控制在35 mbar以下，利用高精度傳感器來精確控制抽真空過程，避免氣體卷入金屬液中，提高鑄件的焊接性能及力學性能，避免出現(xiàn)帶有氣孔的缺陷部件。

其次，設備精度和工藝控制的精度對零件質(zhì)量和良品率具有顯著影響。提高設備精度可以確保模具的精度和穩(wěn)定性，設備精度不足可能會導致模具的精度下降，影響零件的尺寸和形狀精度。優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，如注射速度、注射壓力和模具溫度等，可以控制熔融金屬的流動和冷卻過程，減少缺陷零件的產(chǎn)生。工藝控制精度不夠會導致熔融金屬流動不均勻，產(chǎn)生氣孔、縮孔等缺陷，影響零件的強度和性能。因此，提高設備精度和工藝控制精度是提高良品率的關鍵。

最后，加強對生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理。及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，對出現(xiàn)的問題進行深入的分析和研究，找出問題的根本原因，并采取有效的措施進行改進。

3.2.5 虛擬仿真驗證

一體化壓鑄件具有尺寸較大、壁厚薄且分布不均勻、形狀復雜的特點，在零件結構設計、模具設計、工藝控制等方面高度依賴經(jīng)驗、仿真及試驗。虛擬仿真手段在充型、卷氣、凝固等分析中具有重要意義。

然而，目前一體化大型壓鑄件的開發(fā)尚處于初級階段，國內(nèi)外對大鑄件應用實例較少，計算機模擬缺乏充足的試驗數(shù)據(jù)支撐。相關量產(chǎn)數(shù)據(jù)掌握在少數(shù)經(jīng)驗豐富的壓鑄零件供應商手中，而上下游企業(yè)之間尚未形成有效的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通機制，缺乏長期的失效分析數(shù)據(jù)支持。主流的分析軟件如Magma、Flow-3D、Anycasting仍由外企控制。國內(nèi)相關仿真分析軟件處于快速發(fā)展階段，其中智鑄CAE是一款本地化部署的高性能壓鑄仿真軟件，具有操作簡單、功能豐富、后處理功能強大等特點，可以為用戶提供深入、多樣的專業(yè)分析能力[14]。

為了提高一體化壓鑄件的良品率和生產(chǎn)效率，需要加強虛擬仿真分析的應用，積累試驗數(shù)據(jù)，提高模具設計和工藝控制的水平。同時，還應加強車身梁結構力學、流體力學的計算與設計架構重建工作，以適應不同工藝差異的需求。

4 應用建議

鋁合金一體化壓鑄技術是實現(xiàn)汽車輕量化的重要技術。然而，其技術變革周期較長，涉及到多種因素，如自身規(guī)劃、供應商能力、設備及模具關鍵技術攻克等。因此，在考慮采用該技術時，必須進行全面的利弊評估，確保技術應用能夠達到預期效果。本文提出3點對一體化壓鑄技術發(fā)展與應用的建議。

（1）為了解決一體化壓鑄零件的高前期投入問題，應提高零件的平臺化利用。一體化壓鑄零件的設備、模具開發(fā)等前期投入較大，如果零件重復利用率低，將難以分攤前期投入，導致零部件成本較高。提高零件的平臺化利用，可以降低成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

（2）企業(yè)在決定是否自建壓鑄島還是委外加工時，需要權衡自身資源和需求。一臺大型壓鑄機設備前期投入接近1億元，配套的模具開發(fā)成本接近1 000萬元。若企業(yè)具備足夠的資金和技術實力，自建壓鑄島可以更好地控制生產(chǎn)過程和成本。若企業(yè)需要快速響應市場需求，降低前期投入風險，委托外部大型壓鑄零件供應商更加合適。

（3）鑒于一體化壓鑄技術目前仍處于發(fā)展初期階段，設備、模具、工藝分析等核心技術主要掌握在少數(shù)企業(yè)手中。相關企業(yè)需要提前布局核心技術的開發(fā)，掌握關鍵技術，以保持競爭優(yōu)勢。

參 考 文 獻

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（責任編輯 梵玲）

【作者簡介】

張成（1988—），男，碩士，愛達克車輛設計（上海）有限公司，工程師，研究方向為車身及電池包殼體輕量化技術解決方案。

E-mail：hitzhangcheng@126.com