一體化壓鑄技術新能源重型貨車應用方案

王青

摘要：介紹了一體化壓鑄鋁合金技術及其目前在國內外應用的主要情況。對一體化技術在新能源重型貨車的應用前景做了分析，對新能源重型貨車一體化壓鑄零件的單公斤成本進行了測算。并對一體化壓鑄技術在新能源重型貨車應用面臨的挑戰進行了較詳細闡述。

關鍵詞：一體化；壓鑄；輕量化；鋁合金

伴隨著我國新能源汽車行業的迅猛發展，如何提高新能源車的續駛里程，輕量化車身成為汽車行業的一大趨勢。根據有關數據，新能源電動汽車整備質量每減少10kg，續駛里程增加2.5km，且對新能源汽車的整車剛度有約10%提升貢獻。

鋁合金因其密度小，回收率高，近90%的汽車用鋁可以進行循環，且其優良的耐腐蝕性使其成為車身明星材料。鑄鋁占汽車鋁合金材料的70%以上。2019年隨著特斯拉提出的一體化壓鑄概念，引發了國內外汽車行業大型鋁合金壓鑄生產的蓬勃發展。一體化壓鑄技術在新能源車方面有明顯的降重優勢，降低電池成本及日常人力成本，采用一體化技術后，所需的技術工人大幅減少。

汽車輕量化通過材料輕量化、結構輕量化和工藝輕量化三方面綜合應用來實現。一體化壓鑄技術在以上三方面都有所突破，推動了汽車設計和制造的不斷改進。本文通過對一體化技術的介紹和對在新能源重型貨車方面的應用前景分析探討，為未來一體化技術在商用車領域的應用提供參考。

一體化壓鑄技術

一體化壓鑄，將原本設計中需要組裝的多個零部件重新設計成一個零件，通過超大型壓鑄機一次性的壓鑄，直接獲得一個大的鑄件。超高真空壓鑄的主要特點：高壓、高速，金屬液在壓力下充型，并在更高的壓力下結晶凝固（細小致密）。常見的壓力為15～100MPa，充型時間極短，約0.01～0.2s，金屬液充填型腔（噴射狀、卷流）的速度通常在10～50m/s，適合生產批量大的薄壁、復雜零件。一體化壓鑄工藝流程如圖1所示。

一體化壓鑄技術國內外車企應用現狀

1.國外車企

國內外此項技術目前主要應用于乘用車。

1）特斯拉德州奧斯汀工廠在后地板的基礎上，增加前地板（前縱梁）的一體化壓鑄，前后地板的零部件數量從171個減少至2個，焊點數量的減少超過1600個。

2）大眾卡塞爾壓鑄廠鑄造了車身后底板，為未來SSP（可擴展系統平臺）電動裝置平臺的高度創新的平臺部件奠定了基礎。一體化鑄造件取代了大約30個單獨的部件，總共減少了10kg的質量。

3）奔馳發布一體化壓鑄成果，性能提升顯著。奔馳全球首發最新科研成果——VISIONEQXX，其中最大的創新在于車身的后部及前部塔頂應用了仿生工程結構部件，整個車身后部是由一塊獨立完整的鋁合金鑄件形成。

4）2022年，沃爾沃汽車宣布，瑞典Torslanda計劃于2023年開始建行工廠，2025年投產，該工廠將引入大型鋁制車身部件鑄造工藝。

2.國內車企

1）2023年9月，由重慶賽力斯汽車主導設計、文燦集團制造、帥翼馳材料集團供應材料，三方聯合完成了“集成輪罩后地板總成”方案。該方案鑄件質量53.2kg，實現了市面上一體化壓鑄部件中最高的集成度（87合1），應用力勁9000t壓鑄機，平均壁厚3.02mm，實現28%的輕量化效果。

2）極氪009成功打造全球量產最大一體式壓鑄后端鋁車身（長1.4m，寬1.6m），焊接點減少近800個。

3）小鵬G6的“扶搖”架構采用國內目前唯一量產的前后一體式鋁壓鑄車身，集成零件161個，車身結構一次壓鑄成形。

4）2022年6月，長安汽車渝北工廠進行改造招標，新建一體式前艙、后地板車間，新增必要的相關工藝設備，形成一體式前艙、后地板年產28萬套的生產能力。2022年8月，伊之密中標長安車身一體化壓鑄項目；2023年1月，長安超大型一體化壓鑄車身前機艙鑄件成功試制（模具尺寸3300mm×2800mm×2000mm，質量約120t）。

3.壓鑄設備行業

1）廣東鴻圖2021年底試制6800t壓鑄機，采購2套12 000t超大型智能壓鑄單元，后地板和前機艙的樣件都已下線，并且聯合力勁集團研發16 000t超大型壓鑄機。

2）文燦股份8臺大型壓鑄機已完成安裝調試，6000t半片式后地板（蔚來）、7200t后地板（理想）已下線。

3）托普集團7200t一體化超大壓鑄后艙樣件下線（高合），2021年公司向力勁采購21臺套壓鑄單元，包括6臺7200t、10臺4500t和5臺2000t的壓鑄設備。

4）美利信2021年6月向海天金屬購入2臺6600t及2臺8800t大型壓鑄機[1]。蔚來項目，聯合海天研發2萬t壓鑄機，寧波海威6800t已安裝調試2022年12月試制出極氪后地板。

4.壓鑄材料行業

1）上海帥翼馳已購買鎂鋁C611免熱處理合金專利使用權，2016年開始研發和推廣適用于大型一體化壓鑄的免熱處理合金，2019年開始驗證，已實現批量生產，成為國內唯一免熱處理合金供應商。

2）中鋁集團與理想汽車、長安汽車等主機廠合作，已開發具有自主知識產權免熱處理壓鑄鋁合金（ZL2022104185459）并進行應用，完成理想汽車減振塔零件批產試用及某型號后地板樣件。

3）山西瑞格授權了Al-Si-Zn免熱處理合金專利，通過較多的壓鑄客戶資源，逐步滲透進入特斯拉、小米以及長安的一體化壓鑄產品。

4）河北立中投資的山東立中新能源鋰電新材料項目，墨西哥立中年產360萬只輕量化鋁合金車輪項目，免熱處理，高導熱、高導電材料研發中心，已獲得合金專利。

5）廣東華勁正式將一體化汽車結構件免熱處理鋁合金新材料列為重點研發攻關項目，已系統掌握了新材料的關鍵制備技術，并小批量在零件級別本體取樣驗證。

6）2022年，湖北金洋資源股份發布在高強韌免熱處理合金取得突破，稱已完成多批次穩定性驗證，并交付客戶小批量試用[2]。

新能源重型貨車應用前景

1.技術分析

以某新能源重型貨車為例，考慮到零件變形等問題，選用免熱處理材料。材料性能：抗拉強度230～250MPa，斷后6%～10%，結合高壓壓鑄特點，零件選擇白車身件。設備采用力勁集團子公司意大利意德拉公司OL6200CS壓鑄機，壓鑄機尺寸為19.5m×5.9m×5.32m，平臺的有效尺寸長和寬均為2.35m，工作臺空間可以放下長寬高尺寸在2m以內的任何零件，可以提供最大6218t的鎖模力。

2.成本分析

用一體化壓鑄替代原沖焊方案，對其單公斤零件成本進行初步估算見表1。成本分為材料成本和制造成本。

（1）材料成本 根據鋼鋁密度、性能參數，按照降重15%測算。鋼制零件質量為78kg，一體化壓鑄零件總質量為66kg（對稱件）。直接材料價格：分別取鋼、鋁兩種金屬價格現價測算原材料成本。

（2）制造成本 計算壓鑄機、壓鑄模具折舊、電費及人工等。以年產10萬件、10年生命周期計算，一體化生產線投資近2.5億元。模具總投資2000萬元，模具壽命8萬件生命周期折舊。

1）用零件費用除以零件質量計算得到一體化壓鑄零件成本約35元/kg。

2）零件降重15%，減少沖壓模具50套、焊點數量820個、焊接螺母數量120個，提升生產效率80%。

3）一體化壓鑄技術技術壁壘高，前期開發廢品率高（特斯拉前期不低于35%），零件開發與模具廠家進行先期對接。開發應設計和工藝（沖、焊、涂、總及鑄）聯合針對應用零件進行分析。

4）一體化壓鑄島（壓鑄機和模具，周邊需要配套熔煉爐、機邊爐、取件和清理噴霧機器人、切邊設備、機加工機床、檢測設備、冷卻系統、排氣系統等組合在一起的壓鑄生產單元）據投入2億～4億元。

5）開發前期對材料性能，產品結構設計，鋁鋼連接驗證，前期選擇目前成熟的6000～8000t或以下壓機開發零件提高開發成功率。

3.面臨的挑戰

（1）工藝方面 一體化鑄件澆注質量高，充型時間長，對其可制造性（壁厚分析、分型面分析、拔模角度及頂桿位置分析）、模流分析（流動前沿形態、卷氣情況、渣包分布、充型溫度等流動分析和凝固分析）、模溫控制（影響冷隔、縮孔、氣孔及變形等缺陷）、模具密封（高真空壓鑄涉及的主分型面、模芯側面、鑲塊側面、型芯密封、頂針密封及壓室密封）工藝設計要求高。

一體化壓鑄過程中因裹氣、補縮、變形等問題產生的流痕、龜裂紋、冷隔、縮陷、印痕、夾皮剝落、燒蝕、麻點及裂紋等缺陷可導致鑄件因缺陷而報廢；鑄鋼連接所涉及的電阻焊、氣體保護焊等工藝，由于鋼和鋁的導電率、熱傳導等物理特性相差甚遠不適用于鋼件與鋁件的連接。膠粘、熱熔自攻絲鉚接、自沖鉚接及螺栓聯接等工藝是鋼鋁連接的可行工藝[3]。對新的連接工藝研究和一體化壓鑄工藝問題的解決，迫使企業不斷加強研發投入和提升技術人員的工藝水平。

（2）材料方面 壓鑄件需要免熱處理鋁合金材料，因為傳統鋁合金壓鑄件為獲得高延伸率需熱處理，而一體化鑄件尺寸大，若增加熱處理則造成的形變及表面缺陷問題大，廢品高。

免熱處理材料為專利材料，美國鋁業公司、德國萊茵菲爾德對免熱處理鋁材早有研究并擁有成熟的合金牌號；國內企業也在積極研發適用于大型薄壁壓鑄件的免熱處理材料，目前擁有相關專利的既有壓鑄生產商如廣東鴻圖，也有再生鋁生產商如立中集團、瑞格金屬、永茂泰等，高校如上海交大等。免熱處理材料開發和上下游息息相關。

雖然免熱處理合金研發不存在高不可攀的技術門檻，但需要上下游材料企業，壓鑄廠、模具廠、整車廠合作研發。研發壁壘不僅在于合金成分調整、工藝路線調整，關鍵是材料生產商和壓鑄廠，整車廠綁定合作，不斷試錯，生產出符合整車性能要求的材料。

（3）模具及設備方面 模具制作的難點在于模具設計和原材料的選取，型腔精度、熱平衡、密封性要求高，所以提高了模具制作的難度。

根據有關資料顯示，鋁合金模具的使用壽命與其鎖模力有關，6000t以上的超大型壓鑄機模具壽命8萬次左右。未來，12 000t的大型一體化鑄造機，其配套模具使用壽命會更短。而沖壓件的模具壽命內普遍在幾十萬次。

一體化壓鑄1000萬元模具費與其使用壽命次數少的矛盾，對批量車輛成本的控制極為不利。一體化模具單環節的凈利潤最高，技術壁壘最高。壓鑄機需超大噸位，高良率、一致性、穩定性、超大噸位壓鑄機產能短缺，資金壁壘高（鎖模力高于5000t的超大型壓鑄機裸機單價在2500萬元以上）。

結語

特斯拉在一體化壓鑄方面實現了重大突破，據目前公布的“開箱工藝”預計將電動汽車生產成本降低50%，并將工廠空間減少40%，并將開發一款乘用車的周期縮短至2年內，徹底顛覆了電動汽車的設計到制造。

隨著一體化壓鑄技術的不斷突破與應用，一體化壓鑄產品范圍在電池托盤等零件的拓展，鑄件批量噸位的增加，將進一步降低單公斤零件生產成本。在未來政策和雙碳目標推動下，重型貨車新能源車輛對整車輕量化的需求增加，鋁合金應用的進一步增長，一體化壓鑄技術市場前景將更為廣闊。

參考文獻：

[1] 陶永亮，婁夢妮.新能源汽車銷量促進壓鑄產業及一體化壓鑄發展[J].鑄造設備與工藝，2022（2）：52-55.

[2] 陶永亮，張明怡，向科軍，等.一體化壓鑄促進鋁合金材料創新與發展[J].鑄造設備與工藝，2022（4）：67-70

[3] 李福貴，顧成波.壓鑄及多材料連接工藝在新能源汽車車身中的運用研究[J].機械工程師，2021（8）：60-62.