各大主机厂跟进一体化压铸，关键技术整理分析

来源： 秦丽蓬 AUTOINFO

　　随着双碳战略的提出及消费者对于新能源汽车续航里程的关注，轻量化成为新能源汽车车身设计、研发和制造的重要技术路径之一。轻量化技术在满足汽车安全性和成本控制的条件下实现汽车减重，并利于成本控制。一体式成型工艺凭借其生产效率高、成本低等优势，为汽车轻量化铝合金等材料的应用提供新模式，颠覆传统汽车制造工艺，将是汽车制造的第三次革命。一体式成型技术为目前行业关注的热点，但仍存在一些技术难点，如投入成本高、可维修性不佳、良品率低等问题。一体式成型技术未来发展趋势如何？3月28日，中国车身技术研究工作组以“一体式成型核心技术及应用”为主题，在苏州相城成功召开中国车身技术研究工作组会议暨一体式成型技术研讨会，来自整车企业、零部件企业、材料企业、高校及研究机构的专家参会，共同研讨汽车一体式成型技术发展趋势。

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一体式成型材料

　　众所周知，传统压铸方式主要利用热处理提升材料强度，但大型零部件热处理困难，超大型零件无法进行热处理，热处理后易导致零件变形、矫型困难、良品率低等问题。为达到压铸工艺需求和免热处理效果，在铝合金材料生产工艺过程中加入一定比例的硅、镁、铜、铁、锰、锌等元素，开发免热处理铝合金材料。免热处理铝合金材料在不热处理时可用于复杂薄壁件生产，热处理后用于高强耐热部件，新型免热处理高强高塑高流动性一体式成型铝合金材料未来发展趋势为实现高强耐热性能，并利于实现全车铝合金件用同系铝合金，利于铝合金材料回收，低碳环保。

　　极氪汽车有限公司车身及内外饰架构开发部长李天奇介绍了极氪汽车基于材料基因工程高通量计算免热处理铝合金材料开发过程。通过高通量第一性原理计算，用理论模拟尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其材料基因和各种物性的数据库，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系，拓宽材料筛选范围，减少尝试次数，能预知材料各项性能，为极氪009的大型一体化后车身量产应用奠定了基础。

图1 极氪汽车免热处理铝合金材料开发

　　蔚来汽车金属车身Ⅱ团队负责人于铁丰介绍了蔚来汽车免热处理铝合金材料开发过程，蔚来采用回型、蛇形测试方式以及在现有后纵梁压铸模上验证免热材料。免热处理材料应用重点之一是需要保证性能达标。所有材料的应用研究均体现在图2中，绿色框是已使用材料而且有研究价值的材料范围，黄色框是验证SPR连接可行的材料范围，星号是重点研究方向。通过开展料片级别实验验证（包括各类连接技术及机械性能等验证）、白车身系统、整车验证，最终实现所有试验工况验证合格后，一体压铸工艺在ET5等蔚来二代车型上量产应用。

图2 蔚来汽车免热处理铝合金材料开发

　　钢铁研究总院有限公司正高级工程师王存宇研究表明，钢铁材料仍是汽车行业主要用材，汽车钢以板带材消耗量最大，钢的全寿命周期CO2排放量远低于镁合金、铝合金、碳纤维等材料，提高高强度钢使用比例、短流程炼钢可以显著降低碳排放，用高强度高塑性钢、热成型（超高强钢）实现零件一体化，可以减少零件数量。钢研总院开发的中锰钢温成形技术，已成功实现一体式侧围（双门环）零件的制造生产。

图3 中锰钢温成形技术实现一体式侧围 (双门环) 零件的制造

　　钢铁研究总院最新开发出可工业化超塑性钢，高温延伸率可大于100%，淬火后强度1200MPa以上，未来可用于车身的整体成形。

图4 超塑性钢气胀成形

2 一体式成型设备

　　压铸机和压铸模具等大型压铸设备单元是一体式成型技术实现的前提。一体式成型结构件内部对含气量要求严苛，必须采用高真空模具，极氪汽车通过三段抽真空结构，9个抽真空通道，确保真空度 <50mbar。

图5 压铸真空度

　　高真空模具设计思路为分型面采用双层密封、对模脚、水管、顶杆、复位杆、料筒、滑块抽芯和油缸接触面等模具型腔与外界相通的部位密封，达到真正的高真空。除此之外铝合金材料模具浇注系统和冷却系统设计也尤为重要。宁波鼎弘模具有限公司副总经理王式雍对结构件模具设计的要点和经验进行总结:

　　△ 结构件为薄壁件，凝固时间短，模具温控系统要求比传统件更加精准，升温和降温效率要求更高；

　　△ 结构件易变形，所以对模具的热平衡要求较高，同时浇口的设计不宜像传统件较厚较大，否则会由于产品与流道的收缩不均引起变形；

　　△ 结构件有抗拉强度，屈服强度及延伸率等力学性能的要求，对夹渣，缩孔，气孔等压铸缺陷敏感，所以对模具真空度的要求更高；

　　△ 渣包及溢流槽对结构件要求位置更为精准，而渣包的体积容量对改善铸件局部缺陷作用不如传统件关键；

　　△ 由于结构件普遍深腔较多，筋条较深，导致模具大部分深筋部位热处理的淬透性不好，所以采用局部镶拼方式，提高模具的淬透性和使用寿命；

　　△ 结构件填充速度高，流道位置做镶拼结构，不与产品成型区域做成整体，便于后续更换和制作。

3 一体式成型工艺

　　一体式成型工艺开发需从产品高度集成设计技术、免热处理材料、高性能可靠的连接技术、超大型设备、完整的质量监控体系等五个维度进行创新技术突破。一体式成型技术具有设计便利性，易于达成设计目标。于铁丰分享蔚来汽车在一体式成型设计过程中的痛点，如零件局部加厚超过6mm，局部面临内部质量变化导致此区域机械性能降低的风险，所以未采取直接加厚的设计方式，而是在开发过程中通过对压铸工艺参数、免热处理材料、真空机参数等进行监测和调研，从更稳定的手段保持铸造质量，保证零件性能。从经济设计分析方面，尽可能把最合适的零件布置在一体压铸区，充分利用一体大铸造高集成度特点，把合适的零件尽可能多的集成到一体压铸区域。

图6 蔚来汽车高度集成的产品设计技术

　　极氪汽车采用独创的四段分区的碰撞策略，低速碰撞区通过后防撞梁及吸能盒变形设计降低基本的维修费用；中速碰撞区通过挤出铝安装梁变形吸能装置，进一步降低中速碰撞的维修费用；高速碰撞区通过压铸铝纵梁局部变形吸能提供有效支撑；超高速碰撞区，一体化压铸铝结构支撑保障乘员舱完整并减少人员伤害，开发的一体式成型车身根据企业内部技术指标开展试验验证并达标。

图7 极氪汽车四段分区碰撞策略

　　对于填充工艺，极氪汽车基于模拟仿真，结合现场调试完成有效校准，确定最佳工艺规范，提升工艺开发效率，为后续其他车型快速导入一体化压铸奠定基础。结合数字化的理念，通过数据回归计算识别出影响零件延伸率的三个主要因素，分别为速度、料饼厚度和充填时间，并纳入后续关键品质管控指标，确保量产产品质量稳定。　　

图8 填充仿真与调试

　　中国汽车技术研究中心有限公司首席专家孟宪明对一体式成型技术研究成果进行分享，详细介绍了不同的技术方案：

　　△ 以提高车身轻量化为目标，利用多零件合并一体式成型的方案，结合高强度中锰钢温成型技术等先进成型工艺，提供节能环保，低碳降本的轻量化车身设计思路及工艺解决方案。

　　△ 以轻量化为目标，基于结构-工艺-性能的一体压铸工艺技术开发，支撑一体压铸部件应用与工艺质量提升。

　　△ 以整车轻量化为目标，基于零部件结构及服役环境，通过高性能纤维复合材料和轻质合金/复合材料总成结构设计、成型工艺开发以及验证评价体系建设，提供零部件以塑强钢、以塑代钢综合汽车轻量化综合解决方案。

图9 高强度中锰钢温成型技术

　　有研工程技术研究院有限公司教授级高工张帆研究表明，一体式成型的技术存在一些关键点和难点，如铝水纯净度、微观组织异常、铸造缺陷等。为生产出高品质铝合金大型薄壁件，突破传统压铸工艺装备上的技术瓶颈和难题，流变压铸成形一体化新技术为大型薄壁铝合金压铸件成型提供新思路。

图10 流变压铸成形工艺路线

　　从传统压铸与流变压铸的产品微观组成比较可以看出，传统压铸局部位置存在一些直径粗大的筋，流变压铸基本上达到近球形可提高产品性能。整体微观组织均匀度得到有效保障，流变技术可减少铸件气孔缺陷，提高铸件的合理性。另一方面，铝合金凝固过程中包含液态收缩、凝固收缩和固态收缩三种收缩状态。流变工艺过程温度低，可大幅减少液态收缩，减少缺陷产生和产品变形，确保产品质量达标。

图11 流变成形优点

4 一体式成型零件品质控制

　　一体式成型工艺缺陷对零件的质量和性能影响严重，在尺寸精度、表面质量、耐久性和可靠性等方面的缺陷会造成零件质量下降。中汽研（天津）汽车工程研究院学科带头人张赛通过研究免热处理铝合金压铸成型缺陷形成的规律与特点，包括不同充型速度、浇注温度、模具温度下的成型件微观组织、气孔、缩孔的影响规律与交互作用，建立工艺参数与质量缺陷及力学特性间的作用机制，从而达到提高压铸件品质的目的。

图12 压铸工艺优化原理

　　目前行业内无一体式成型零件品质控制标准，一旦发生事故无法判断是强度、结构设计还是品质等因素导致，工作组计划后续联合行业专家研究相关标准，填补行业空白，引领技术发展。

图13 蔚来汽车超大型全自动化压铸设备的应用

　　布局一体式成型工艺的主机厂均在研究制定一体式成型零件品质控制企业标准，并通过严格工艺参数实现下线合格率大于90%。

图14 质量测试与评估体系

5 一体式成型技术展望

　　目前，大型一体式成型压铸设备的核心开发技术由极少数企业掌控，装备主导制造的方式无法持久。随着多材料混合车身结构设计模块化、集成化发展，设计主导制造成为趋势。结合一体式成型技术的本质为液体流动、结构连续生长的过程，整车先进设计制造技术全国重点实验室主任、中国车身技术研究工作组常务副主任徐世伟提出制造上结构生长式成型方式。中国制造的3500吨以下压力机有望实现一体式成型生产，从而摆脱对大型装备的依赖。成本方面，一体式成型技术相对比铝冲压车身成本有优势，所以目前，有一定销量的高端品牌、高端车型或车企有溢价能力且有新工厂投入需求的前提下布局一体式成型技术。

图15 技术展望

　　随着一体式成型技术对设计集成效率的提升，需要行业内专家持续对材料、模具、设备、质量控制、效率等基础学科进行广泛的深层次研究，一体式成型成本低于传统钢车身结构，真正实现汽车生产降本增效。

图16 汽车产品车身轻量化趋势

　　展望未来，中国汽车技术研究中心有限公司首席专家孟宪明说：“低碳短流程工艺将是未来车身轻量化的主要工艺方向，一体式模块化多材料混合车身逐渐进入主流整车产品方案，后续基于材料-工艺-结构的设计开发方法，将为新材料的应用提供有力支持。”

　　中国车身技术研究工作组自成立以来，得到了行业的广泛支持和肯定。未来，中国车身技术研究工作组还将继续定期召开交流研讨会，关注行业技术热点，并着力打造汽车白车身数据应用平台，深度挖掘研究课题，切实做到为行业和企业寻症结、办实事、解难题；并通过举办中国车身大会、中国十佳车身评选等活动，助力中国车身技术融合创新及先进车身技术推广应用，以技术创新促进产业发展。