一體化壓鑄技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用研究

喬俠，楊磊，劉雙勇

中信戴卡股份有限公司 河北秦皇島 066000

特斯拉于2020年率先在其Model Y車型中采用一體化壓鑄后底板，將原本70余個(gè)零部件減少到2個(gè)，一舉拉開(kāi)一體化壓鑄工藝引領(lǐng)汽車輕量化布局的帷幕。2022年，第三代4680電芯采用一體化壓鑄的三合一底盤(pán)電池包，實(shí)現(xiàn)了10%的減重，減少了300余個(gè)零部件。一體化壓鑄技術(shù)極大地減少零件數(shù)量、總成質(zhì)量、制造成本和設(shè)備占地面積，引領(lǐng)了新能源汽車制造技術(shù)的新變革，目前已有蔚來(lái)、小鵬等多家車企加快跟進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。

一體化壓鑄技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.一體化壓鑄技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)汽車全生命周期降本增效

1）一體化壓鑄具有低成本優(yōu)勢(shì)。在產(chǎn)線成本方面，一體化壓鑄能夠減少傳統(tǒng)“沖焊”工藝的使用，減少?zèng)_壓機(jī)、模具、焊接夾具及檢測(cè)機(jī)等設(shè)備的購(gòu)置，節(jié)省產(chǎn)線建設(shè)成本及廠房面積。在材料成本方面，一體化壓鑄能夠減少零部件數(shù)量（見(jiàn)圖1），降低材料用量。此外，一體化壓鑄避免邊角料的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)材料接近100%的利用率。在人力成本方面，一體化壓鑄技術(shù)能夠大量減少焊接點(diǎn)位，從而降低對(duì)焊接技術(shù)工人的需求。根據(jù)測(cè)算，采用一體壓鑄技術(shù)后，所需的技術(shù)工人至少可縮減到原來(lái)的十分之一。

圖1 一體化壓鑄技術(shù)在Model Y后底板上的應(yīng)用

2）一體化壓鑄能夠提高生產(chǎn)效率。一方面，傳統(tǒng)車身生產(chǎn)中，需要進(jìn)行單獨(dú)制造的零部件達(dá)500余種，涉及到?jīng)_壓及焊接等多種工序，一體化壓鑄技術(shù)在有效減少零部件數(shù)量基礎(chǔ)上可以將生產(chǎn)過(guò)程大幅簡(jiǎn)化，從而減少工作量，提升制造效率。另一方面，由于車身零部件數(shù)量大幅減少，車企的車型開(kāi)發(fā)MB（綜合調(diào)試）周期也可以得到超過(guò)50%的縮減。

3）一體化壓鑄能夠有效實(shí)現(xiàn)汽車減重增程。一體化壓鑄的原材料主要為鋁合金，相較于傳統(tǒng)鋼制車身350～450kg，一體化壓鑄鋁合金車身質(zhì)量?jī)H為200～250kg，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)30%的減重。相較于傳統(tǒng)鋁車身也有顯著輕量化效果，特斯拉新一代一體壓鑄底盤(pán)可以減重約10%，相當(dāng)于增加了近15%的總續(xù)駛里程。

4）一體化壓鑄能夠促進(jìn)行業(yè)材料回收利用率。一體化壓鑄技術(shù)可以大幅減少鉚釘、焊料、涂膠等材料的使用，整體材料應(yīng)用復(fù)雜度更低。相應(yīng)地，通過(guò)一體化壓鑄技術(shù)生產(chǎn)的汽車車身材料純度更高，車身可以通過(guò)直接熔化的方式進(jìn)行回收，材料的回收利用率可以從之前的70%提高至95%[1]。

2.一體化壓鑄技術(shù)屬重資產(chǎn)領(lǐng)域，后期維修成本高

1）一體化壓鑄資金占用大。一體化壓鑄屬于重資產(chǎn)領(lǐng)域，具有很高的資金壁壘，大型壓鑄設(shè)備單臺(tái)價(jià)格在數(shù)千萬(wàn)元以上，模具價(jià)格大多在百萬(wàn)元級(jí)別，部分復(fù)雜模具單個(gè)成本可超過(guò)千萬(wàn)元，一條一體壓鑄產(chǎn)線價(jià)值上億元。其中，約40%～60%為材料成本，難以通過(guò)技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)大幅的成本下降。同時(shí)，前期設(shè)備投入后，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、多參數(shù)經(jīng)驗(yàn)積累才能保障產(chǎn)品良品率，特斯拉也是經(jīng)歷了約1年左右的時(shí)間才將后底板的良品率提升至合理水平，在良品率達(dá)不到一定要求時(shí)，盈利空間十分狹小。

2）一體化壓鑄車身后期維修費(fèi)用高。車身采用一體化壓鑄后，零部件數(shù)量大幅下降，大量單獨(dú)、分散的鋁合金零部件實(shí)現(xiàn)高度集成，變?yōu)?或2個(gè)大型鋁合金壓鑄件。因此，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞等事故造成零部件損壞時(shí)，需要對(duì)壓鑄件進(jìn)行整體更換，維修費(fèi)用顯著上升。這一隱性風(fēng)險(xiǎn)將影響消費(fèi)者對(duì)采用一體化壓鑄技術(shù)汽車的購(gòu)買決策，對(duì)一體化壓鑄技術(shù)推廣及發(fā)展造成阻滯。

一體化壓鑄核心技術(shù)環(huán)節(jié)

汽車產(chǎn)業(yè)尤其是新能源汽車的快速發(fā)展對(duì)鋁合金零部件提出了更高的要求，即體積更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，性能更好。一體化車身壓鑄成型需突破設(shè)計(jì)、材料、工藝、模具和裝備等方面的關(guān)鍵技術(shù)，在產(chǎn)業(yè)鏈上對(duì)應(yīng)壓鑄機(jī)噸位的不斷增加，壓鑄模具復(fù)雜程度的上升和一體化壓鑄材料的比強(qiáng)度、耐腐蝕等性能指標(biāo)的日益提升。

1.壓鑄機(jī)技術(shù)趨勢(shì)——更大型、更節(jié)能

一體化壓鑄機(jī)是產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的環(huán)節(jié)之一，該機(jī)器的原理是在壓力的作用下把熔融金屬液（一般為鋁合金）壓射到模具中并冷卻成型，開(kāi)模后即得到固態(tài)汽車零部件。2020年特斯拉在發(fā)布會(huì)上首次提出一體化壓鑄技術(shù)，并投入第一臺(tái)6000t壓鑄機(jī)用于Model Y車型的車身后底板的生產(chǎn)。自此，一體化壓鑄機(jī)迎來(lái)飛速發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)外企業(yè)加速布局和研發(fā)進(jìn)度。2019-2020年一體化壓鑄機(jī)基本處于6000t級(jí)水平，2022年6月，9000t級(jí)壓鑄機(jī)亮相歐洲壓鑄工業(yè)展，而2023年3月廣東鴻圖已成功導(dǎo)入1.2萬(wàn)t壓鑄機(jī)。

從大型化方面看，未來(lái)隨著零部件體積和復(fù)雜度的提升，一體化壓鑄機(jī)的噸位還必將再度增加。如果汽車整車底盤(pán)要實(shí)現(xiàn)一體壓鑄，壓鑄長(zhǎng)度3～4m、寬度1.5m左右的產(chǎn)品，大約需要18 000～20 000t的壓鑄設(shè)備。

大型壓鑄設(shè)備需要解決多工位壓射系統(tǒng)的同步性技術(shù)問(wèn)題。制造大型部件所需要的流道很長(zhǎng)，單個(gè)壓射系統(tǒng)無(wú)法滿足需求，需要多工位的壓射系統(tǒng)才能將流道縮減到1m左右。多工位壓射系統(tǒng)需要做到同步壓射，且需要保障各項(xiàng)參數(shù)做到一致性和可重復(fù)性。

從節(jié)能化方面看，采用先進(jìn)伺服閥能有效降低能耗。壓鑄機(jī)本身是高能耗設(shè)備，但在雙碳背景下，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的綠色、節(jié)能、環(huán)保等要求不斷提高。以力勁壓鑄機(jī)為例，其1000t以上的大型壓鑄設(shè)備，均使用同步伺服技術(shù)進(jìn)行節(jié)能，節(jié)能率大概在40%～60%，具體要根據(jù)工藝和冷卻時(shí)間確定。大型壓鑄設(shè)備需要匹配更大缸徑、更大流量的液壓伺服閥，目前國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)差距較大，主要被派克和穆格兩個(gè)國(guó)外廠商壟斷。

2.壓鑄模具技術(shù)趨勢(shì)——精密化升級(jí)

模具是一體化壓鑄的核心零部件之一，是一體化壓鑄產(chǎn)品精度和強(qiáng)度的重要保障。近年來(lái)，在汽車“新四化”升級(jí)的過(guò)程中，模具的大型化精密化升級(jí)趨勢(shì)也愈發(fā)明顯[2]。根據(jù)功能和組成，一體化壓鑄模具可以分為成型部分、澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)等部分。其中，成型部分是模具的核心，一方面該部分決定了零部件產(chǎn)品的形狀和精密度，另一方面成型部分的設(shè)計(jì)及材料選取是模具制造的難點(diǎn)之一。

一體化壓鑄模具的設(shè)計(jì)需要綜合考量包括熱平衡、漿料流道、脫模及模具壽命等多個(gè)因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品零部件質(zhì)量不合格、壓鑄節(jié)拍慢、欠鑄、成品難以取出等問(wèn)題。而材料選取不當(dāng)同樣可能導(dǎo)致模具壽命和產(chǎn)品良率的下降。

隨著一體化壓鑄零部件體積的增大以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加，模具的熱平衡及流道設(shè)計(jì)的復(fù)雜度也相應(yīng)提升，脫模設(shè)計(jì)需要考慮的因素增加，機(jī)械加工難度上升。在這一趨勢(shì)下，模具將成為產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)之一。

3.壓鑄材料技術(shù)趨勢(shì)——免熱處理鋁合金

免熱處理鋁合金是一體化壓鑄的重要應(yīng)用材料。近年來(lái)，隨著壓鑄機(jī)噸位及壓鑄汽車零部件的體積越來(lái)越大，壓鑄后熱處理過(guò)程導(dǎo)致的零件變形及表面氣泡問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重。免熱處理鋁合金通過(guò)摻入其他金屬合金組分，可在完成壓鑄成型后無(wú)需熱處理直接獲得具有良好強(qiáng)度、塑性、韌性、耐蝕性及疲勞性等一系列綜合性能的鋁合金零部件。免熱處理鋁合金的使用可以有效避免熱處理對(duì)汽車零部件帶來(lái)的尺寸變形及表面缺陷，有效提升產(chǎn)品良品率，起到降低成本的作用。

免熱處理鋁合金分類及對(duì)比。免熱處理鋁合金中主要摻入元素一般包括鎂、硅、鐵、錳、鎳及鍶等。其中鎂元素可以提高其耐腐蝕性，硅元素可以提高熔融液態(tài)鋁的流動(dòng)性，鐵元素可以提高產(chǎn)成零部件的脫模性，金屬錳可以降低其中鐵元素對(duì)物理機(jī)械性能的負(fù)面影響，鎳元素可以提高強(qiáng)度和硬度。而部分特殊的鋁合金中則會(huì)通過(guò)摻入價(jià)格較高的鍶元素來(lái)細(xì)化鋁合金的晶粒，用以改善鋁合金流動(dòng)性并提高產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和硬度。

按照其化學(xué)組成，目前免熱處理鋁合金主要可以分為Al-Si系和Al-Mg系兩類[3]。前者中硅元素含量較高，一般質(zhì)量占比在10%左右，接近Al-Si合金共晶點(diǎn)，能夠保證合金具有良好流動(dòng)性。而后者中鎂元素含量占比較高，一般在5%左右，以市場(chǎng)常見(jiàn)的Magsimal-59材料為例，該類合金通過(guò)對(duì)控制鎂元素和硅元素含量的調(diào)控，將共晶合金比例控制在40%～50%，以獲得良好的鑄造性能。

免熱處理鋁合金的選擇需要綜合考量包括強(qiáng)度、硬度、零件壁厚、耐腐蝕性、延展性、成本及零件是否需要高溫服役等諸多因素。以壓鑄鋁合金的全球龍頭企業(yè)之一——德國(guó)鋁合金生產(chǎn)商萊茵菲爾德（Rheinfelden）為例，該公司開(kāi)發(fā)了十余個(gè)系列、數(shù)十類鑄造用鋁合金，其中應(yīng)用較為廣泛的鋁合金化學(xué)組成及主要特點(diǎn)見(jiàn)表1，各類材料適用的汽車零部件不盡相同，企業(yè)需要根據(jù)實(shí)際情況加以選擇。

表1 萊茵菲爾德（Rheinfelden）鑄造用鋁合金主要特征

一體化壓鑄技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用特征

目前一體化壓鑄主要有兩種產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用模式：一是以特斯拉為代表的自研模式，主機(jī)廠直接采購(gòu)壓鑄機(jī)、材料和模具生產(chǎn)壓鑄件；二是以蔚來(lái)、理想等為代表的采購(gòu)模式，直接采購(gòu)壓鑄件。盡管現(xiàn)階段仍以特斯拉等自研為主，但前文提到一體化壓鑄對(duì)于資金的占用較高，因此預(yù)計(jì)采購(gòu)模式將會(huì)逐漸成為主流。

目前一體化壓鑄技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：

1）壓鑄廠商多采取自研、戰(zhàn)略合作等措施進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈多環(huán)節(jié)布局，保障穩(wěn)定供應(yīng)（見(jiàn)表2）。一體化壓鑄具有較高的行業(yè)壁壘，從技術(shù)層面分析，一體化車身壓鑄成型需突破設(shè)計(jì)、材料、工藝、模具和裝備等方面的關(guān)鍵技術(shù)；從資金投入方面分析，一體化壓鑄屬于重資本行業(yè)，初始投入資金較高，回報(bào)周期長(zhǎng)，要求企業(yè)資金實(shí)力強(qiáng)。對(duì)于多數(shù)壓鑄企業(yè)來(lái)說(shuō)，設(shè)備、材料、模具等全面布局具有一定的難度，因而多采用建立相對(duì)穩(wěn)定的上下游合作關(guān)系是主流選擇。

表2 一體化壓鑄結(jié)構(gòu)件重點(diǎn)企業(yè)布局

2）壓鑄廠商形成與主機(jī)廠的深度“綁定”。多家研究機(jī)構(gòu)報(bào)告顯示，主機(jī)廠目前對(duì)于一體壓鑄這類重資產(chǎn)領(lǐng)域意愿并不高，更多地希望通過(guò)采購(gòu)的方式進(jìn)行切入。但一體化壓鑄件需要跟隨主機(jī)廠車型同步開(kāi)發(fā)，且制模、試模時(shí)間周期較長(zhǎng)，一旦整車廠商與一體化壓鑄件供應(yīng)商建立合作關(guān)系，整車廠商通常不會(huì)輕易更換供應(yīng)商，具有較強(qiáng)的客戶黏性。因此，一體化壓鑄技術(shù)，尤其是模具的落地最終需要用戶企業(yè)的協(xié)調(diào)與互動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)更好地協(xié)同開(kāi)發(fā)。例如，拓普集團(tuán)與華人運(yùn)通及上海交通大學(xué)合作，研發(fā)并應(yīng)用TechCast?高強(qiáng)韌性免熱處理鋁合金材料，該材料流動(dòng)性高于同級(jí)別材料15%以上、強(qiáng)塑積高出30%以上。同時(shí)，基于7200t壓鑄機(jī)開(kāi)發(fā)的一體化超大壓鑄車身后艙于2022年量產(chǎn)下線，該部件用于高合汽車的后續(xù)車型，并實(shí)現(xiàn)15%～20%的減重效果。

3）壓鑄廠商就近主機(jī)廠布局產(chǎn)能。汽車零部件產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中需要配合整車廠實(shí)施“同時(shí)（同步）工程”，滿足整車廠“適時(shí)供貨”的要求，因而，產(chǎn)能規(guī)模是零部件廠商獲取長(zhǎng)期、穩(wěn)定增量訂單的關(guān)鍵制約因素。一體化壓鑄產(chǎn)品、模具等質(zhì)量及體積均較大，運(yùn)輸成本較高，遠(yuǎn)距離產(chǎn)能配套不利于產(chǎn)業(yè)鏈效率的提升。因此，壓鑄廠商更需要結(jié)合適配車輛生產(chǎn)計(jì)劃就近配套足夠的產(chǎn)能，圍繞全國(guó)重點(diǎn)汽車產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)輕量化零部件產(chǎn)能趨勢(shì)也更加明顯。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步及汽車產(chǎn)業(yè)的“新四化”發(fā)展，汽車行業(yè)對(duì)汽車零部件在輕量化、降成本和生產(chǎn)效率提升等方面提出了更高的要求。

在這一背景下，一體化壓鑄及相關(guān)設(shè)備日益受到行業(yè)及市場(chǎng)的關(guān)注。但其在設(shè)備購(gòu)置及后期維修階段存在的缺點(diǎn)會(huì)對(duì)一體化壓鑄的推廣及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用造成一定困難。該產(chǎn)業(yè)鏈主要包含設(shè)備、材料、下游應(yīng)用等環(huán)節(jié)，其中免熱處理鋁合金是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)之一。在采購(gòu)模式將成為未來(lái)主流模式的背景下，壓鑄廠商應(yīng)通過(guò)與上下游企業(yè)建立深度合作的關(guān)系形成產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用新優(yōu)勢(shì)。