鋁合金一體化壓鑄工藝是汽車結構件制造中重大變革技術，過去50年間，汽車車身制造工藝始終以鈑金沖壓后采用機器人焊接為主，一體壓鑄技術使汽車車身制造工藝發生重大變革，壓鑄機將取代焊接機器人成為新能源領域造車的核心裝備。
目前一體化壓鑄技術壁壘主要體現在四個方面：大型壓鑄機，免熱處理鋁合金材料配方、壓鑄模具設計、真空壓鑄工藝。
1. 大型壓鑄機
大型壓(ya)鑄(zhu)(zhu)(zhu)機(ji)(ji)行業(ye)進入門(men)檻(jian)高(gao)(gao)(gao)(gao)，對理論、經(jing)驗及(ji)制造(zao)工藝有(you)很高(gao)(gao)(gao)(gao)的要(yao)求(qiu)(qiu)，同時，大型壓(ya)鑄(zhu)(zhu)(zhu)機(ji)(ji)的開(kai)發周期(qi)非常(chang)長，前期(qi)投入大，造(zao)價(jia)高(gao)(gao)(gao)(gao)（1臺壓(ya)鑄(zhu)(zhu)(zhu)機(ji)(ji)平均需要(yao)1億元人民幣(bi)）。一體化壓(ya)鑄(zhu)(zhu)(zhu)要(yao)求(qiu)(qiu)壓(ya)鑄(zhu)(zhu)(zhu)機(ji)(ji)鎖(suo)(suo)模力(li)至少大于6000 t（傳統高(gao)(gao)(gao)(gao)壓(ya)壓(ya)鑄(zhu)(zhu)(zhu)的鎖(suo)(suo)模力(li)通(tong)常(chang)在5000 t以(yi)下(xia)）。
2021年(nian)10月，瑞(rui)士布勒公(gong)(gong)司(si)推出Carat840/920超大(da)(da)型兩(liang)模板壓(ya)鑄(zhu)機（圖2），鎖(suo)模力(li)高(gao)(gao)達92000 kN，兩(liang)套Carat 840壓(ya)鑄(zhu)島交付(fu)沃(wo)爾(er)沃(wo)公(gong)(gong)司(si)托斯(si)蘭達工(gong)廠(chang)，實現一(yi)體(ti)化壓(ya)鑄(zhu)。意大(da)(da)利意德拉(la)IDRA公(gong)(gong)司(si)（力(li)勁子(zi)公(gong)(gong)司(si)）開(kai)發的(de)OL6200CS壓(ya)鑄(zhu)機，該壓(ya)鑄(zhu)機長(chang)19.5 m、寬(kuan)(kuan)(kuan)5.9 m、高(gao)(gao)5.32 m，大(da)(da)小相當于一(yi)塊羽毛球場地，平臺(tai)的(de)有效尺寸長(chang)和寬(kuan)(kuan)(kuan)2.35 m，工(gong)作臺(tai)空間(jian)可以(yi)(yi)放下長(chang)寬(kuan)(kuan)(kuan)高(gao)(gao)尺寸在2 m以(yi)(yi)內的(de)任何零件，可以(yi)(yi)提供(gong)最大(da)(da)6218 t的(de)鎖(suo)模力(li)。
根據(ju)瑞士布勒公司(si)在2011年申(shen)請的專(zhuan)利，其能夠(gou)將鑄(zhu)造(zao)模具之間形成空腔，向(xiang)空腔中(zhong)注入(ru)鋁液，經(jing)抽真(zhen)空在模腔中(zhong)產(chan)生(sheng)負壓，能夠(gou)有效消除鑄(zhu)造(zao)紊流產(chan)生(sheng)的氣(qi)孔，有助于提高壓鑄(zhu)零(ling)件的內部致密性(xing)。
2. 免熱處理高壓鑄造合金
免熱處(chu)(chu)理(li)合金是指通過(guo)特(te)殊的(de)合金配方，在(zai)完成(cheng)壓鑄成(cheng)形后，鑄件無(wu)需(xu)熱處(chu)(chu)理(li)即(ji)可獲得理(li)想的(de)力學性能，能避免在(zai)熱處(chu)(chu)理(li)（高溫(wen)固溶和(he)時(shi)效(xiao)處(chu)(chu)理(li)）過(guo)程(cheng)中造成(cheng)工件變形。截至2021年(nian)，國內外(wai)企(qi)業包括美國美鋁、德國萊茵、特(te)斯拉(la)、上海交大、蔚來汽車、立中集(ji)團(tuan)等都在(zai)開發推(tui)廣免熱處(chu)(chu)理(li)材料(liao)，免熱處(chu)(chu)理(li)材料(liao)讓(rang)一(yi)體(ti)壓鑄成(cheng)為(wei)可能。
美國(guo)鋁業(ye)(ye)(ye)公司產品為(wei)EZCAST系(xi)列(lie)C611免熱處(chu)理AI-Si系(xi)壓鑄鋁合金，由(you)美國(guo)鋁業(ye)(ye)(ye)在(zai)20世(shi)紀90年(nian)代(dai)開(kai)發成功，應用在(zai)奧迪A8的全鋁車身(shen)上。帥翼馳集團與美國(guo)鋁業(ye)(ye)(ye)簽訂獨(du)家(jia)代(dai)理協議，代(dai)理美鋁高強韌(ren)免熱處(chu)理鑄造鋁合金。
此(ci)外，德國萊茵金(jin)屬(shu)公司也開發(fa)(fa)出Al-Si系和(he)Al-Mg系免熱處理(li)高(gao)強韌合金(jin)，如Castasil-37壓(ya)鑄(zhu)鋁合金(jin)；加拿大(da)鋁業公司則開發(fa)(fa)有Aural-2和(he)Aural-3等壓(ya)鑄(zhu)鋁合金(jin)材料。立(li)中集團研發(fa)(fa)的LDHM-02免熱處理(li)合金(jin)材料已獲得相關(guan)專(zhuan)利，并(bing)形(xing)成批量供貨。
根(gen)據立中(zhong)集團子公(gong)(gong)司申(shen)請(qing)中(zhong)的最新相關(guan)專利《一種(zhong)高強(qiang)韌(ren)免熱處(chu)理鋁(lv)合金(jin)材料(liao)及制備方法》，該公(gong)(gong)司開(kai)發的鋁(lv)合金(jin)材料(liao)屈服強(qiang)度達130 MPa，抗拉強(qiang)度達到250 MPa，伸(shen)長率大(da)于10%，滿足客戶使用需求，立中(zhong)集團已與文燦達成戰略合作。
2021年(nian)12月，上(shang)(shang)海交(jiao)大(da)輕合(he)(he)金中(zhong)心(xin)與華(hua)人運通高(gao)合(he)(he)汽(qi)車達(da)成(cheng)戰(zhan)略合(he)(he)作(zuo)，全球(qiu)首發Tech CastTM超大(da)鑄件用(yong)(yong)低碳(tan)鋁合(he)(he)金，將在高(gao)合(he)(he)汽(qi)車后續車型上(shang)(shang)大(da)批量采用(yong)(yong)。
免熱處理合金(jin)材料成分(fen)、工藝(yi)復雜，具(ju)備較高的(de)技術壁壘，其(qi)中合金(jin)材料成分(fen)設計是免熱處理合金(jin)開發的(de)核心技術壁壘。常用壓鑄鋁合金(jin)為(wei) Al-Si系(xi)、Al-Mg系(xi)、Al-Si-Cu系(xi)、Al-Si-Mg系(xi)，主要成分(fen)配(pei)比影(ying)響(xiang)合金(jin)強度、硬度等力(li)學性能(neng)，同時影(ying)響(xiang)流動性、凝固性等鑄造性能(neng)。
SJTU-A-Mg-Si-Mn合金是(shi)上海(hai)交通大(da)學開發(fa)的一(yi)種免熱處理壓鑄(zhu)合金，其(qi)目的是(shi)在保(bao)持材料良(liang)好(hao)韌性的前提(ti)(ti)下(xia)提(ti)(ti)升(sheng)屈服強(qiang)度。目前的Al-Si系和Al-Mg系合金普遍具備中等的強(qiang)度與韌性，隨著鋁合金壓鑄(zhu)結構件(jian)的集成化與輕量化需求的不斷提(ti)(ti)升(sheng)，新型壓鑄(zhu)合金的開發(fa)應朝(chao)著提(ti)(ti)升(sheng)屈服強(qiang)度或韌性，同時具有良(liang)好(hao)的鑄(zhu)造(zao)流(liu)動(dong)性的方向發(fa)展。
3. 壓鑄模具
一(yi)體化壓鑄(zhu)對模具(ju)強度(du)及(ji)韌性要(yao)求更高(gao)，要(yao)求具(ju)有抗沖擊韌性和(he)(he)回火穩定性、良好的(de)導熱和(he)(he)抗疲勞性、熱膨脹(zhang)系(xi)數(shu)小、抗高(gao)溫(wen)氧化性。壓鑄(zhu)需要(yao)高(gao)速(su)充(chong)型(xing)與高(gao)速(su)凝固，在壓鑄(zhu)模溫(wen)度(du)、真空度(du)、成(cheng)形方案(an)、工藝參數(shu)及(ji)后處理要(yao)求更高(gao)。一(yi)體壓鑄(zhu)需要(yao)大型(xing)的(de)模具(ju)，模具(ju)更復(fu)雜(za)，模具(ju)設計(ji)比較困難，模具(ju)設計(ji)要(yao)設計(ji)排氣(qi)和(he)(he)集渣(zha)系(xi)統，需要(yao)運用CAE仿真技(ji)術模擬(ni)充(chong)型(xing)過程，排氣(qi)不暢會導致零件產生(sheng)氣(qi)孔而廢(fei)品。
零件壓鑄后冷卻(que)時(shi)，尺寸會收(shou)縮，需(xu)要準確仿真(zhen)鑄件的(de)冷卻(que)過程(cheng)，在最后冷卻(que)部位設置(zhi)補(bu)縮冒(mao)口，同時(shi)避免出現(xian)熱孤(gu)島，否則零件在冷卻(que)收(shou)縮過程(cheng)中會產生縮孔、疏松和(he)裂紋缺陷。模(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)設計廠家(jia)(jia)必須具(ju)(ju)(ju)(ju)備壓鑄充型模(mo)擬分(fen)析能(neng)力，一體化壓鑄模(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)國內只(zhi)有(you)幾家(jia)(jia)能(neng)做，比如廣州(zhou)型腔、寧(ning)波臻至、深圳品(pin)成金屬、北侖賽維達、象山合力等。一套(tao)模(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)每(mei)年可以(yi)支撐6~8萬套(tao)產能(neng)，每(mei)套(tao)模(mo)具(ju)(ju)(ju)(ju)單(dan)價接近(jin)1000萬元。
深圳品成金屬擁有卓越的技術實力和專業的制造團隊，配套的6600T模具生產線可以滿足各類大型、復雜壓鑄件的生產需求，曾生產過最大壓鑄模具尺寸是4200*3500*1500mm。
4. 壓鑄工藝
一體(ti)化壓鑄實為真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)壓鑄工藝加(jia)入高真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)控制系(xi)統(tong)，需要高精度(du)傳感(gan)器(qi)(qi)控制抽真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)過(guo)程(cheng)。工藝流程(cheng)為合(he)模(mo)、澆(jiao)注(zhu)、真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)開(kai)(kai)(kai)啟、型腔(qiang)抽真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)排(pai)氣(qi)、壓射、開(kai)(kai)(kai)模(mo)、取件、噴(pen)涂(tu)、再次合(he)模(mo)等(deng)。在壓鑄過(guo)程(cheng)中(zhong)，由高精度(du)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)傳感(gan)器(qi)(qi)控制真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)罐、澆(jiao)注(zhu)排(pai)氣(qi)閥和型腔(qiang)排(pai)氣(qi)閥，并通過(guo)參數設定來觸發四個接觸點(dian)：澆(jiao)注(zhu)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)開(kai)(kai)(kai)始、澆(jiao)注(zhu)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)結束、型腔(qiang)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)開(kai)(kai)(kai)始和型腔(qiang)真(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)空(kong)(kong)結束。
壓(ya)鑄的(de)(de)(de)高速充型易(yi)導致(zhi)壓(ya)室或型腔(qiang)中(zhong)的(de)(de)(de)氣體(ti)無法完全排出，氣體(ti)卷入金(jin)屬液(ye)會以氣孔的(de)(de)(de)形式存在(zai)于鑄件(jian)中(zhong)，無法焊接，降低力學性(xing)能，所以一體(ti)壓(ya)鑄必須配置(zhi)型腔(qiang)抽真空系統(tong)。壓(ya)鑄工(gong)(gong)藝對生產合格件(jian)十(shi)分重要(yao)，對不(bu)同的(de)(de)(de)零(ling)件(jian)結構(gou)，壓(ya)鑄工(gong)(gong)藝參數(shu)需要(yao)長時(shi)間調試和摸(mo)索(suo)，正確的(de)(de)(de)壓(ya)射模式、壓(ya)鑄參數(shu)有(you)利于減少鑄件(jian)的(de)(de)(de)缺(que)陷，壓(ya)鑄中(zhong)的(de)(de)(de)氣體(ti)大多數(shu)來自金(jin)屬液(ye)在(zai)壓(ya)室中(zhong)的(de)(de)(de)預充填(tian)階段，需要(yao)反復優化慢(man)壓(ya)射參數(shu)，避免金(jin)屬液(ye)在(zai)壓(ya)鑄過程中(zhong)卷入氣體(ti)。
對于合(he)金(jin)熔(rong)(rong)煉和(he)(he)除(chu)氫(qing)處理，熔(rong)(rong)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)需要采用(yong)高純電(dian)解金(jin)屬配料以(yi)避免金(jin)屬雜(za)質污(wu)染(ran)；熔(rong)(rong)煉時(shi)為防(fang)止(zhi)金(jin)屬液氧化(hua)及偏(pian)析(xi)，需要快速熔(rong)(rong)化(hua)，熔(rong)(rong)化(hua)后需要對鋁(lv)液除(chu)氫(qing)、除(chu)渣凈(jing)化(hua)處理，一般通氮氣(qi)或氬氣(qi)除(chu)氫(qing)，除(chu)氫(qing)時(shi)間(jian)(jian)10~15 min，與AlSi10MnMg相當(dang)，保溫時(shi)間(jian)(jian)不宜過(guo)長，以(yi)避免變質劑(ji)Sr燒損，熔(rong)(rong)化(hua)溫度(du)(du)（730±10） ℃，不得超過(guo)780 ℃。澆注方式一般采用(yong)底注，避免鑄件夾雜(za)缺陷，脫模(mo)劑(ji)的(de)噴(pen)涂(tu)時(shi)間(jian)(jian)、噴(pen)涂(tu)角(jiao)度(du)(du)和(he)(he)范圍、噴(pen)涂(tu)量、吹氣(qi)角(jiao)度(du)(du)及脫模(mo)劑(ji)的(de)選(xuan)型(xing)（發(fa)氣(qi)量小、揮發(fa)性好）均需要驗證，合(he)模(mo)前在(zai)型(xing)腔中(zhong)不可有(you)殘(can)留水分。壓鑄溫度(du)(du)700~710 ℃，比AlSi10MnMg約高20 ℃。
模(mo)具需要(yao)采(cai)用專(zhuan)用模(mo)溫(wen)機控制模(mo)具溫(wen)度(du)，模(mo)具溫(wen)度(du)一(yi)般(ban)控制在120~180 ℃。壓(ya)鑄(zhu)過(guo)程中要(yao)及時(shi)啟(qi)動抽(chou)真(zhen)空(kong)(kong)(kong)系統，沖(chong)頭封住澆注口后立即開始(shi)快速抽(chou)真(zhen)空(kong)(kong)(kong)，壓(ya)室充滿前(qian)必(bi)須達(da)(da)到(dao)真(zhen)空(kong)(kong)(kong)度(du)要(yao)求，盡(jin)量延長抽(chou)真(zhen)空(kong)(kong)(kong)時(shi)間，真(zhen)空(kong)(kong)(kong)閥(fa)(fa)盡(jin)可能延遲(chi)閉合，抽(chou)真(zhen)空(kong)(kong)(kong)過(guo)程對一(yi)體化壓(ya)鑄(zhu)零件(jian)(jian)質(zhi)量至關重要(yao)，抽(chou)真(zhen)空(kong)(kong)(kong)閥(fa)(fa)基本依賴進口。特斯拉最早的一(yi)體壓(ya)鑄(zhu)合格率65%~72%，毛利率可達(da)(da)到(dao)30%，2022年2月鑄(zhu)件(jian)(jian)質(zhi)量標準修改后，合格率達(da)(da)到(dao)80%以上。
在“雙碳”目(mu)標推進下，一(yi)體(ti)化(hua)壓(ya)鑄(zhu)技術(shu)(shu)在生產效率、降本、輕量(liang)化(hua)等(deng)方面優勢(shi)明顯。鋁合(he)金一(yi)體(ti)化(hua)壓(ya)鑄(zhu)設(she)(she)計與(yu)制造(zao)是(shi)一(yi)項全方位集成(cheng)技術(shu)(shu)，技術(shu)(shu)壁壘(lei)高(gao)，包括軟件(jian)開發與(yu)運用、零部件(jian)結構設(she)(she)計、免熱處理材料開發、壓(ya)鑄(zhu)成(cheng)形工藝、壓(ya)鑄(zhu)單元能(neng)力和大型模(mo)具設(she)(she)計都需(xu)要(yao)技術(shu)(shu)創(chuang)新。
尤(you)其(qi)是模具(ju)(ju)設計與制(zhi)造(zao)除(chu)了要(yao)考慮(lv)鑄造(zao)材料的(de)流動性(xing)、熱平衡(heng)、模具(ju)(ju)壽命、零件成(cheng)形工(gong)(gong)藝(yi)性(xing)與質(zhi)量(liang)保證，還要(yao)考慮(lv)零件后續加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)優(you)化等。“一(yi)體(ti)化壓(ya)(ya)鑄成(cheng)型工(gong)(gong)藝(yi)與裝備”已列入國家重點研(yan)發計劃。隨(sui)著新(xin)能(neng)源汽車行業的(de)不斷發展，將(jiang)極(ji)大帶動鋁(lv)合金(jin)一(yi)體(ti)化壓(ya)(ya)鑄技術的(de)發展，鋁(lv)合金(jin)一(yi)體(ti)化壓(ya)(ya)鑄將(jiang)成(cheng)為新(xin)能(neng)源車企優(you)選的(de)制(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝(yi)。
來源：搜狐網(wang)、《鑄造》雜志(zhi)
