摘要

為了降本、輕量化、提高生產(chǎn)效率，新能源車企爭先開始布局一體化壓鑄領(lǐng)域。一體壓鑄技術(shù)使汽車車身制造工藝以鈑金沖壓后采用機器人焊接發(fā)生重大變革，壓鑄機將取代焊接機器人成為新能源領(lǐng)域造車核心裝備。在“雙碳”目標推進下，一體化壓鑄技術(shù)在效率、安全、降本、減排等方面優(yōu)勢明顯。

1、引言

2020年中國汽車《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線2.0》發(fā)布，2025/2030/2035年乘用車新車平均油耗需要達到4.6、3.2、2.0L/100km,節(jié)能減排標準持續(xù)升級。在政策和市場的雙重助推下，國內(nèi)新能源車滲透率快速提升，從2020年1月的2.7%提升到2021年的20%，隨著新能能源車份額不斷擴大，相關(guān)問題也逐漸突出。2021年2月，中國汽車流通協(xié)會發(fā)布文章《如何破解新能源車里程焦慮》，提及對新能源車主用車體驗的面訪調(diào)研結(jié)果，用戶購買新能源車最關(guān)心的問題是“電池續(xù)航能力”占比達31.8%，里程焦慮成為消費者購買新能源車最核心的關(guān)注問題。新能源車相對燃油車雖然少了發(fā)動機和變速箱，但是增加了三電（電機、電池、電控）系統(tǒng)，電池動力系統(tǒng)能量密度低于燃油車，因此新能源車的質(zhì)量高于燃油車，而新能源對于續(xù)航里程的述求，增加了整車輕量化的需求。根據(jù)“布勒中國”的數(shù)據(jù)，汽車重量每減輕10%，最多可節(jié)油5-10%，整備質(zhì)量每減少100kg,百公里油耗可以降低0.3-0.6L，減少CO2排放8.5g/km,。2019（第十三屆）汽車輕量化大會中有數(shù)據(jù)顯示，純電動汽車整車重量每降低10%，平均續(xù)航里程將增加5~8%。因此輕量化成為節(jié)能減排領(lǐng)域的重點發(fā)展技術(shù)。同時在不同的輕量化材料中，對比多種金屬合金和碳纖維，鋁合金的性能、密度以及價格具備優(yōu)勢，是最具有性價比的輕量化材料。

2、鋁合金一體化壓鑄現(xiàn)狀

2019年7月，特斯拉發(fā)布新專利“汽車車架的多向車身一體成型鑄造機和相關(guān)鑄造方法” [1]。此方法（圖1），將一套固定的模具放置在中心，四套可以移動的模具放置在四個不同方向。可移動的模具通過液壓設(shè)備分別與中心固定好的模具貼合，他們共同形成了一個封閉的空腔。熔融狀態(tài)的鋁合金分別從四個移動模具上的澆筑口壓入模具空腔，鋁合金在空腔內(nèi)流動、匯合，最終形成了大型的一體式壓鑄結(jié)構(gòu)零件（圖2）。

圖1：特斯拉一體化壓鑄

圖2：特斯拉一體壓鑄零件

根據(jù)特斯拉公布的車身一體鑄造技術(shù)[2]，未來汽車的覆蓋件沖壓生產(chǎn)的方式不會改變之外，其余車身、電池盒、車門骨架、后蓋、前后副車架等結(jié)構(gòu)件的沖壓和焊接環(huán)節(jié)均可以采用真空壓鑄工藝生產(chǎn)，A/B柱、車頂和座椅骨架能否采用鋁壓鑄工藝代替鋼材沖壓焊接，目前還在探討當中。前地板、后地板和電池托盤會在2022年實現(xiàn)一體壓鑄。根據(jù)特斯拉電池日公布的信息[3]，其制造技術(shù)創(chuàng)新主要集中在前、后地板和電池包，前、后地板均應(yīng)用一體真空壓鑄技術(shù)，采用一個整體的大型鑄件替代數(shù)十個沖壓零件焊接在一起的總成；電池包中的電芯采用了大圓柱無極耳設(shè)計，能夠與電池殼緊密貼合，和結(jié)構(gòu)件一樣實現(xiàn)承重功能。特斯拉于2021年在Model Y車型的后地板上量產(chǎn)一體壓鑄技術(shù)，完成前地板一體壓鑄件試制，兩者均采用7000T級壓鑄機生產(chǎn)（圖3）；若后期考慮采用一體壓鑄工藝生產(chǎn)電池托盤，則需要用到1.2萬噸級別的壓鑄機。2022年1月，力勁科技已與廣東鴻圖簽署1.2萬噸級壓鑄機購買合同，2022年三季度可交付，屆時行業(yè)有望實現(xiàn)采用一體壓鑄技術(shù)生產(chǎn)一體壓鑄電池托盤。特斯拉是汽車大型部件一體化壓鑄的創(chuàng)始者，在一體化壓鑄上的布局可分為三個階段，第一階段：Model S/X采用全鋁車身，但任按傳統(tǒng)的沖壓-焊接工藝路線進行整車開發(fā)。第二階段：Model Y使用6000T壓鑄機生產(chǎn)后地板，將下車體減重10%，制造成本下降40%[4]。第三階段：一體化壓鑄下車體，前、后車身一體化（圖4）（零件數(shù)量由171減少至2個，焊點數(shù)量減少超1600個）和4680 CTC（將電池包集成到車體，并直接與座椅連接），車輛減重10%，續(xù)航里程增加14%，零件減少370個，成本下降7%，單位投資下降8%，目前已在德州奧斯汀工廠量產(chǎn)。

圖3：特斯拉上海一體化壓鑄設(shè)備5

圖4：一體化壓鑄底盤（前車身+底盤+后座）

3、頭部企業(yè)已開始布局一體化壓鑄

2020年，特斯拉開始與壓鑄設(shè)備商意大利意德拉合作，使用6000T級壓鑄單元Giga Press，采用一體成型壓鑄的方式生產(chǎn)Model Y后地板總成。Model Y后地板通過一體壓鑄技術(shù)，將原先通過沖壓等工藝生產(chǎn)的80個零件集成為1個鑄造零件，制造成本降低40%。同時，特斯拉公布了下一代白車身設(shè)計方案，整車地板總成將由2~3個大型壓鑄件組裝而成，電池包采用了structural pack的設(shè)計理念，使得整個白車身具有更高的強度和剛度[5]。根據(jù)目前特斯拉的布局，加州弗里蒙特工廠布置2臺意大利意德拉IDRA6000噸一體式壓鑄設(shè)備，上海布置三臺力勁DCC6000系列一體式壓鑄設(shè)備，得州工廠已經(jīng)布置1臺IDRA 8000噸級壓鑄設(shè)備，柏林工廠規(guī)劃產(chǎn)能50萬輛，將布置8臺一體式壓鑄設(shè)備。四座工廠，14臺一體式壓鑄設(shè)備，特斯拉已經(jīng)將一體式壓鑄技術(shù)作為標準工藝進行布局。

2021年5月17日，德國壓鑄專家阿克塞爾·圖爾克（Axel Turck）在推特分享了一體壓鑄前機艙試制零件（圖5），提到特斯拉Model Y車型未來將應(yīng)用一體鑄造技術(shù)生產(chǎn)更多的零件。10月，特斯拉于柏林工廠開放日上對公眾展示了一體壓鑄機模具、一體壓鑄Model Y前機艙，結(jié)構(gòu)電池包等核心技術(shù)方案，表明柏林工廠生產(chǎn)車型將全面使用“一體壓鑄”工藝。在2020年四季度業(yè)績電話會議上，馬斯克表示新一代皮卡 Cyber truck 的后地板將也會應(yīng)用一體化壓鑄技術(shù)，且將使用8000T壓鑄機進行生產(chǎn)。

圖5：特斯拉一體化前車身

大眾計劃在SSP平臺開始應(yīng)用一體壓鑄，根據(jù)online EV報道，2022年5月，大眾汽車一體式鋁壓鑄后車身樣件在卡塞爾工廠下線，該樣件采用4400T壓鑄機生產(chǎn)，集成了約30多個零件，減重約10kg。大眾現(xiàn)有的大部分電動車型均是基于MEB平臺打造，而新一代電動汽車平臺SSP無論從軟件還是硬件架構(gòu)上都將提供更好的可拓展性，Trinity車型則是基于SSP平臺打造的首批車型之一。

根據(jù)auto-evolution消息，沃爾沃宣布投資200億瑞典克朗對旗下托斯蘭達工廠進行現(xiàn)代化改造，其中包括一體化壓鑄技術(shù)。也將在托斯蘭達建立年產(chǎn)能達5.5萬噸鑄鋁廠，最終計劃在所有旗下工廠引入一體壓鑄技術(shù)，預計在2025年實現(xiàn)一體壓鑄汽車量產(chǎn)。

2022年1月，奔馳發(fā)布全新概念車VISION EQXX。車身的后部及前部減震塔頂應(yīng)用了和特斯拉同樣的仿生工程結(jié)構(gòu)部件，整個車身由3塊組成：前后分別有一塊一體壓鑄鑄件，中間有一套結(jié)構(gòu)電池組。這樣的設(shè)計可減輕車身15-20%的重量，VISION EQXX能耗達到10kw·h/百公里以下，實際用電里程超過1000KM。

國內(nèi)新勢力中，2021年10月，蔚來宣布成功開發(fā)了可用于制造大型壓鑄件的免熱處理材料，將會應(yīng)用在蔚來第二代平臺車型上。新材料避免了傳統(tǒng)壓鑄件在熱處理過程中引起的尺寸變形及表面缺陷。2021年12月，蔚來在ET5發(fā)布會上正式宣布將開始采用一體鑄造工藝，ET5將使用超高強度鋼鋁混合車身，使車身后地板重量降低30%，后備箱空間增加7L，整車抗扭剛度高達34000N·m/deg。

在2021年業(yè)績發(fā)布會上，小鵬宣布將于2023年發(fā)布兩個新平臺及其首款車型，并將使用超大一體化壓鑄新工藝。2021年10月，小鵬已正式申報“小鵬汽車武漢產(chǎn)業(yè)基地項目”規(guī)劃方案，預計2022年10月投產(chǎn)，其中包括一體化壓鑄工藝車間。小鵬汽車武漢工廠還將引進一套以上超大型壓鑄島及自動化生產(chǎn)線。

高合汽車在一體鑄造材料、制造端領(lǐng)先。2021年12月，高合汽車與上海交通大學輕合金國家工程中心展開戰(zhàn)略合作，共同研發(fā)TechCast超大鑄件用低碳鋁合金材料JDA1b， 該材料流動性高于同級別材料15%以上、強度和塑性高出30%以上，保證了整車碰撞性能。2月25日，高合汽車與拓普集團合作開發(fā)的7200T一體化超大壓鑄后艙成功下線。該部件應(yīng)用了上海交大的合金材料，實現(xiàn)了15%~20%的減重，整個開發(fā)周期縮短了1/3。該壓鑄機是汽車零部件領(lǐng)域已知最大的一體化鋁合金壓鑄件，國內(nèi)多家供應(yīng)商加快引入大型壓鑄設(shè)備和免熱處理材料研制的步伐，進軍一體化壓鑄行業(yè)。具體情況見下表1：

表1：國內(nèi)一體化壓鑄機分布

4、一體化壓鑄的優(yōu)勢集中在降本、輕量

化、提高生產(chǎn)效率，有望顛覆沖壓焊

接工藝

一體壓鑄為真空壓鑄工藝加入高真空控制系統(tǒng)，需要高精度傳感器控制。工藝流程為合模、倒料、真空開啟、型腔抽真空排氣、壓射、開模、取件、噴涂、再次合模等。在壓鑄過程中，由高精度真空傳感器控制真空罐、熔杯排氣閥和型腔排氣閥，并通過參數(shù)設(shè)定來觸發(fā)四個接觸點：即熔杯真空開始、熔杯真空結(jié)束、型腔真空開始和型腔真空結(jié)束。一體壓鑄簡化了車身制造工藝流程，一體壓鑄工藝將取代傳統(tǒng)車身鋼板沖壓和焊接過程，特斯拉稱其新一代全壓鑄底盤可減少370個零件，車門和前后兩蓋也可用壓鑄工藝，零件數(shù)量銳減，車身制造流程大幅簡化。同時，整車廠內(nèi)原先復雜的機器人白車身焊接線也被大幅簡化，僅需要將若干車身壓鑄組件和外覆蓋件組裝焊接即可。國內(nèi)主流車身焊接工廠往往配備 200-300 名生產(chǎn)線工人，采用一體化壓鑄技術(shù)后，所需的員工有望縮減至原來的十分之一。

通過車身重量減輕可減少電池裝機量。特斯拉新一代一體壓鑄底盤有望降低10%車重，對應(yīng)續(xù)航里程增加14%。以普通電動車電池容量80kwh為例，若采用一體壓鑄車身減重并保持續(xù)航里程不變，則電池容量可減少約10kwh。按照磷酸鐵鋰電池pack成本800元/kwh計算，則可降低成本8000元。

涂膠是傳統(tǒng)車企焊接白車身重要工藝，因點焊使鋼板間存在縫隙，傳統(tǒng)白車身涂膠主要起到密封防水、增加車身強度、降低鈑金件間的摩擦和震動的作用。改為一體壓鑄車體后，零件面積大幅增加，不再需要涂膠環(huán)節(jié)，減少了涂膠工藝的成本。

生產(chǎn)效率大幅提升、供應(yīng)鏈管理周期將被壓縮到極致。Model Y 將79個零部壓縮成2個零件，零件大幅減少，焊接點由原來的700-800個減少到50個，制造時間可從原先的 1-2小時縮減至3-5分鐘。一體化后MB匹配中車身所需要的周期將會縮短至 1~2 輪，有望節(jié)省 3~4個月整車開發(fā)時間。

壓鑄廢品、澆冒口等材料回收利用率超90%。傳統(tǒng)沖壓-焊接工藝通常板材利用率僅為60%~70%，沖壓剩余邊料只得按廢舊金屬出售。而改為一體壓鑄后，材料可反復熔煉，因此廢品、壓鑄澆冒口、邊料等可返回爐利用，降低了生產(chǎn)成本。

相較于300多臺機器人組成的白車身焊接線，一體壓鑄工藝采用的壓鑄島占地面積更小。特斯拉采用壓鑄工藝的新工廠占地面積節(jié)省35%。因生產(chǎn)流程簡化，沖壓零件拼裝后再焊接環(huán)節(jié)取消，相關(guān)物流、倉儲場地不再需要，更進一步降低全產(chǎn)業(yè)鏈的用地面積。

5、一體化壓鑄相關(guān)資源

壓鑄車身結(jié)構(gòu)件行業(yè)多由喬治費歇爾、麥格納等外資主導，國內(nèi)文燦、鴻圖等也有配套。從全球來看，高壓鑄造行業(yè)規(guī)模較大的供應(yīng)商有瑞士喬治費歇爾（Georg Fischer）、加拿大卡斯馬（Cosma，麥格納旗下車身事業(yè)部）、德國德志（DGS）、日本利優(yōu)比等。在壓鑄車身結(jié)構(gòu)件上，喬治費歇爾、卡斯馬和德志等企業(yè)具有先發(fā)優(yōu)勢，如喬治費歇爾在鋁車身結(jié)構(gòu)件真空壓鑄工藝上有20年歷史。麥格納深耕鋁壓鑄多年，鋁壓鑄相關(guān)技術(shù)領(lǐng)先，2022年4月憑借Aural 5R鋁合金（即鋁壓鑄合金）入圍素有汽車界奧斯卡獎之稱的PACE Pilot創(chuàng)新前瞻獎決賽。國內(nèi)主要有文燦股份、廣東鴻圖和拓普集團等。

文燦股份7臺中大型壓鑄單元已全部到位并完成安裝調(diào)試，1臺9000T壓鑄機已在天津工廠完成安裝，處于產(chǎn)品試制階段；2022年5月已有1臺 9000T壓鑄機在南通工廠完成安裝調(diào)試，6月試模。子公司文燦模具積累了大量車身結(jié)構(gòu)件的項目經(jīng)驗，掌握真空高壓壓鑄模具，能夠滿足鋁合金車身結(jié)構(gòu)件對于壁厚的要求。子公司雄邦壓鑄（南通）擁有配套奔馳、特斯拉、蔚來、小鵬、廣汽 AION等客戶的豐富經(jīng)驗，在車身結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)技術(shù)上領(lǐng)先國內(nèi)同行。2021年11月18日，南通雄邦工廠6000T超大型壓鑄島成功試模，采用一體化壓鑄成型的汽車零部件成功下線；2022年4月，天津雄邦壓鑄工廠9000T超大型一體化鋁合金后地板產(chǎn)品試制成功。已為蔚來三款量產(chǎn)車型供應(yīng)車身鋁合金結(jié)構(gòu)件。截至目前，還與5-6家國內(nèi)外客戶進行大型一體化車身結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的研發(fā)，預計在2023年-2025年開始量產(chǎn)。

廣東鴻圖于2022年1月成功試制6800T新能源汽車超大型一體化鋁合金后地板壓鑄件。同時，廣東鴻圖與力勁集團、廣州市型腔模具制造有限公司及廣東鴻勁金屬鋁業(yè)有限公司共同就12000T超級智能壓鑄單元開發(fā)項目開展合作，目前12000T設(shè)備正處于設(shè)計開發(fā)階段，預計將于2022年8月投入使用并進行動力電池托盤產(chǎn)品試制。此外，在免熱處理材料研發(fā)方面也已取得一定的成效，目前免熱處理鋁合金材料已獲得國家授權(quán)發(fā)明專利，性能和成本處于領(lǐng)先水平，并已應(yīng)用于一體化產(chǎn)品開發(fā)試制。

2022年2月25日，拓普集團與高合汽車合作的7200T一體化超大壓鑄后艙量產(chǎn)下線，實現(xiàn)了15%-20%的減重效果，拓普集團成為了國內(nèi)首個量產(chǎn)超大型一體化鋁合金結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)的汽車零部件供應(yīng)商。此外，在材料方面，拓普集團與華人運通及上海交通大學合作，全球首家成功應(yīng)用了其聯(lián)合發(fā)布的TechCast高強韌性免熱處理鋁合金材料，該材料流動性高于同級別材料15%以上、強塑積高出30%以上，保證了整車碰撞等性能達到更高維度。

試驗，均通過了耐久試驗，目前該車型已成功上市發(fā)布。

6、一體化壓鑄技術(shù)壁壘主要體現(xiàn)在四個

方面：大型壓鑄機，免熱處理材料配

方、模具設(shè)計、壓鑄工藝

6.1 大型壓鑄機

大型壓鑄機行業(yè)進入門檻高，對理論、經(jīng)驗及制造工藝有很高的要求。同時，大型壓鑄機的設(shè)計-試驗-設(shè)計周期非常長，前期投入大，造價高。一體化壓鑄要求壓鑄機鎖模力至少大于6000噸。2021年10月，瑞士布勒公司推出Carat840/920超大型兩模板壓鑄機（圖6），鎖模力高達92,000kN，兩套Carat 840壓鑄島交付沃爾沃公司托斯蘭達工廠，實現(xiàn)一體化壓鑄。意大利意德拉IDRA公司（力勁子公司）開發(fā)的OL6200CS壓鑄機，尺寸19.5m*5.9m*5.32m，大小相當于一塊羽毛球場地，平臺的有效尺寸2350m*2350mm，工作臺空間可以放下長寬高尺寸在2米以內(nèi)的任何零件,可以提供最大6218噸的鎖模力（傳統(tǒng)高壓壓鑄的鎖模力通常在5000噸以下）。根據(jù)IDRA在2011年申請專利，其能夠?qū)㈣T造半模之間形成空腔，向空腔中注入帶有保護的熔融金屬，經(jīng)由抽真空裝置在模腔中產(chǎn)生負壓，能夠有效消除鑄造湍流產(chǎn)生的氣孔，有助于增強壓鑄材料的內(nèi)部致密性和提升生產(chǎn)效率。國內(nèi)壓鑄機廠力勁在全球壓鑄機市場的占有率超過40%，率先開發(fā)出6000噸壓鑄機（圖7），目前已開發(fā)出12000噸壓鑄機。海天金屬2021年4月在重慶美利信全球首發(fā)HDC8800噸壓鑄機，可實現(xiàn)包括新能源汽車在內(nèi)的車身、底盤等大型結(jié)構(gòu)件一體化。伊之密公司7000T壓鑄機即將總裝。

圖6: 布勒Carat8400壓鑄機

圖7：力勁K6000壓鑄機

6.2 免熱處理高壓鑄造材料

免熱處理合金是指通過特殊的合金配方，在完成壓鑄成型后無需熱處理即可獲得理想的機械性能，能避免在熱處理（高溫固溶+時效處理）過程中造成的工件變形，截至2021年，國內(nèi)外企業(yè)包括美國美鋁、德國萊茵、特斯拉、上海交大、蔚來汽車、立中集團等都在開發(fā)推廣免熱處理材料，免熱處理材料讓一體壓鑄成為可能。
美國鋁業(yè)公司產(chǎn)品為EZCAST系列C611免熱處理AI-Si系壓鑄鋁合金，由美國鋁業(yè)在上世紀90年代開發(fā)成功，應(yīng)用在奧迪A8的全鋁車身上。帥翼馳集團與美國鋁業(yè)簽訂獨家代理協(xié)議，代理美鋁高強韌免熱處理鑄造鋁合金。此外，德國萊茵金屬公司也開發(fā)出Al-Si系和Al-Mg系免熱處理高強韌合金，如Castasil-37壓鑄鋁合金；加拿大鋁業(yè)公司則開發(fā)有Aural-2和Aural-3等壓鑄鋁合金材料。立中集團研發(fā)的LDHM-02免熱處理合金材料已獲得相關(guān)專利，并形成批量供貨，實現(xiàn)了大尺寸、薄壁、結(jié)構(gòu)復雜和熱處理易變形的汽車結(jié)構(gòu)件“以鋁代鋼”材料替代。根據(jù)立中集團子公司申請中的最新相關(guān)專利《一種高強韌免熱處理鋁合金材料及制備方法》，公司該開發(fā)的鋁合金材料屈服強度達130Mpa，抗拉強度達到250Mpa，伸長率大于10%，滿足客戶使用需求，立中集團已與文燦達成戰(zhàn)略合作。2021年12月，上海交大輕合金中心與華人運通高合汽車達成戰(zhàn)略合作[6]，全球首發(fā)Tech Cast TM超大鑄件用低碳鋁合金，將在高合汽車后續(xù)車型上大批量采用。

免熱處理合金材料成分、工藝復雜，具備較高的技術(shù)壁壘，其中合金材料成分設(shè)計是免熱處理合金開發(fā)的核心技術(shù)壁壘。常用壓鑄鋁合金為Al-Si系、Al-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg系，主要成分配比（表2）影響合金強度、硬度等力學性能，同時影響流動性、凝固性等鑄造性能。2020年4月，特斯拉在最新專利中聲稱已發(fā)明新型鋁合金材料，具有高屈服強度、高導電性以及好的鑄造性能，采用含鎳4%-6%免熱處理鋁合金，屈服強度至少為90Mpa,導電率至少為48%的IACS.表2：免熱處理合金成分配比

表2列舉了一些用于非熱處理壓鑄結(jié)構(gòu)件的合金名稱及其化學成分。從 Si含量來看可以分為高硅含量和低硅含量兩大類，此類合金仍具備高強韌性壓鑄合金的共性特征，即低Fe，高Mn，添加Sr對共晶硅進行變質(zhì)處理等。
Castasil 37（AlSi9MnMoZr）是萊茵菲爾德開發(fā)的一款非熱處理壓鑄合金。該合金不含Mg，因此不具備時效硬化效應(yīng)，同時增加了Mo和Zr來進行彌散強化。該合金的力學性能和不同Mg含量的影響如表3所示。然而基于萊茵菲

爾德公司的研究，提高Mg元素的含量會影響鑄件鑄態(tài)下力學性能的熱穩(wěn)定性，表現(xiàn)為在一定溫度環(huán)境下服役過程中屈服強度會逐漸增加，因此Castasil 37將Mg元素含量上限定義為0.06%。

Aural 6是麥格納開發(fā)的一款非熱處理壓鑄合金。該合金的化學成分與上述Castasil37十分相似，不添加Mo和Zr，含有少量的Mg來獲得一定的強化效果。
C611是美鋁公司開發(fā)的一款非熱處理壓鑄合金。Si含量較低，含有一定的Mg，鑄件可進行T5熱處理或者進行T85（涂裝烘烤處理）可以進一步提升屈服強度，如表4中所示。

Aural 5是麥格納公司開發(fā)的一款非熱處理壓鑄合金。該合金與C611基本一致，相比Aural2，該合金取消固溶、整形、時效過程，可以實現(xiàn)制造成本的降低。該合金在鑄造后和涂裝烘烤前具有良好的塑性與時效穩(wěn)定性，可以滿足車身結(jié)構(gòu)件的連接要求。同時該合金與C611類似，涂裝烘烤后強度會進一步提升，此外還可以滿足 205℃下1h的短周期熱穩(wěn)定性以及150℃下1000h的長周期熱穩(wěn)定性要求。
馬斯克在2015年挖走了蘋果鋁合金材料專家——查爾斯·柯伊曼，開發(fā)出了新的免熱處理鋁合金配方，解決了免熱處理的難題。研究發(fā)現(xiàn)，在壓鑄條件下，Si含量在6%以上時，繼續(xù)增加Si含量并不會明顯改善流動性，反而會引起共晶硅相增加從而影響合金的韌性，該合金控制Si含量同時滿足流動性和韌性的要求。通常情況下，添加Cu元素可以提升強度，但是降低塑韌性，該合金通過控制Cu/Mg比例以利于析出AlCuMgSi相取代Mg2Si和Al2Cu相來實現(xiàn)強度提升的同時不會引起塑韌性的明顯下降。此外，該合金中添加了Sr進行變質(zhì)處理，添加V元素析出球狀的AlFeSi(Mn+V)相，減少了片狀的富鐵相，均有利于材料韌性的提升，同時也能夠容忍更高的Fe雜質(zhì)含量。
SJTU-Al-Mg-Si-Mn合金是上海交通大學開發(fā)的一種非熱處理壓鑄合金，其目的是在保持材料良好韌性的前提下提升屈服強度。對于Al-Mg-Si-Mn合金，隨著Mg含量的增加，材料的屈服強度增加，延伸率下降明顯。因此該合金在增加Mg、Si元素的含量并調(diào)控相對比例的同時，添加Ti、Zr、V合金改善組織，并引入Re/Ca 復合變質(zhì)對共晶硅進行細化，獲得屈服強度＞180MPa，延伸率＞10%的力學性能。類似地，SJTU-Al-Mg-Cu-Mn合金引入Cu元素進行強化，同時引入Y、Er、Ce 稀土元素來細化 Al2CuMg相，獲得屈服強度＞180MPa，抗拉強度＞320MPa，延伸率＞8%的高強高韌的綜合力學性能[7]。目前的Al-Si系和Al-Mg系合金普遍具備中等的強度與韌性，隨著鋁合金壓鑄結(jié)構(gòu)件的集成化與輕量化需求的不斷提升，新型壓鑄合金的開發(fā)應(yīng)朝著提升屈服強度或韌性，同時具有良好的鑄造流動性的方向發(fā)展。

6.3 壓鑄模具

一體化壓鑄對模具強度及韌性要求更高，要求具有抗沖擊韌性和回火穩(wěn)定性、良好的導熱和抗疲勞性、熱膨脹系數(shù)小、抗高溫氧化性。壓鑄需要高速充型與高速凝固，在溫度、真空度、成型方案、工藝參數(shù)及后處理要求更高，一體化模具更復雜。一體壓鑄需要大型的模具，模具設(shè)計比較困難。模具設(shè)計要設(shè)計排氣結(jié)構(gòu)排氣、集渣，需要仿真技術(shù)模擬充型過程（圖8），排氣不好會導致廢品而沒法使用。完成壓射后，零件的冷卻會帶來尺寸收縮，需要準確仿真鑄件的冷卻過程，在最后冷卻部位設(shè)置補縮冒口，同時避免出現(xiàn)熱孤島，否則會在零件冷卻收縮過程中產(chǎn)生縮松孔和裂紋缺陷。模具設(shè)計廠家必須具備壓鑄充型模擬分析能力。這種大型的模具國內(nèi)只有幾家能做，比如廣州型腔、寧波臻至、飛旺、北侖賽維達、象山合力，北侖臻致等。一般單件的生產(chǎn)節(jié)拍可以控制在100-120s，每天兩班倒11+11h，一臺壓鑄機年產(chǎn)能大概15萬套，一套模具每年可以支撐6-8萬套產(chǎn)能，每套模具單價接近1,000萬元。

圖8：高壓鑄造充填/冷卻分析

國內(nèi)首套6800T超大型一體化鋁合金壓鑄模具在鴻圖科技成功試制。模具由廣州市型腔模具制造有限公司自主研制，模重超過140T[19]。廣東鴻圖的汽車底盤一體化結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，采用自主研發(fā)的高強韌免熱處理鋁合金材料，鑄件尺寸大小約1700×1500×700mm，澆注重量約100kg，是目前最大的鋁合金高強韌壓鑄件之一。文燦集團首批9000T大型一體化后底板壓鑄汽車零部件在天津成功下線，模具由寧波賽維達機械有限公司提供。目前，賽維達已在研發(fā)12000T~20000T一體式車身結(jié)構(gòu)件模具，寧波合力科技也在推進一體式壓鑄模的制造。

6.4 壓鑄工藝

一體壓鑄大型結(jié)構(gòu)件是一種薄壁工藝，工藝過程易變形，壓鑄工藝也是具備know-how的。壓力鑄造的高速充型易導致壓室或型腔中的氣體無法完全排出，氣體卷入金屬液，會以氣孔的形式存在于鑄件中，無法焊接，降低力學性能。壓鑄工藝對生產(chǎn)合格件十分重要，正確的壓射模式、壓鑄參數(shù)有利于減少鑄件的缺陷，壓鑄中的氣體大多數(shù)來自金屬液在壓室中的預充填階段，需要反復優(yōu)化慢壓射參數(shù)，避免金屬液在壓鑄過程中卷入氣體。對于合金融化和處理，融化過程中需要采用高純電解金屬配料以避免金屬雜質(zhì)污染；熔煉時為防止金屬液氧化及偏析，需要快速熔化，熔化后需要對鋁液除氫、除渣凈化處理，除氣時間10～15 min，與AlSi10MnMg相當，保溫時間不宜過長以避免變質(zhì)劑Sr燒損，熔化溫度730℃±10℃，不得超過780℃。澆注方式一般采用底注避免鑄件夾雜缺陷，脫模劑的噴涂時間、噴涂角度和范圍、噴涂量、吹氣角度及脫模劑的選型（發(fā)氣量小、揮發(fā)性好）均需要驗證，合模前在型腔中不可有殘留水分。壓鑄溫度：700～710℃，比AlSi10MnMg約高20℃;需要采用專用模溫機控制模具溫度，模具溫度一般控制在120～180℃(根據(jù)實際情況設(shè)定);壓鑄過程中要及時啟動真空系統(tǒng)，沖頭封住澆料口后立即開始快速抽真空，壓室充滿前必須達到真空度要求，盡量延長抽真空時間，真空閥盡可能延遲閉合，抽真空過程對一體化壓鑄零件質(zhì)量至關(guān)重要，真空閥基本依賴進口。特斯拉最早的一體壓鑄合格率65~72%，毛利率可達到30%。2022年2月品質(zhì)標準修改后，合格率達到80%以上。

7、結(jié)束語

一體壓鑄工藝是汽車制造中顛覆性的技術(shù)，壓鑄機有望成為汽車制造領(lǐng)域的核心裝備。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(shù)使汽車車身制造工藝發(fā)生重大變革，壓鑄機將取代焊接機器人成為新能源領(lǐng)域造車核心裝備。在“雙碳”目標推進下，一體化壓鑄技術(shù)在效率、安全、降本、減排等方面優(yōu)勢明顯。一體化壓鑄設(shè)計與制造是一項全方位集成技術(shù)，技術(shù)壁壘高，包括軟件開發(fā)與運用、零部件設(shè)計特征、免處理材料開發(fā)、壓鑄成型工藝、壓鑄單元能力和大型模具結(jié)構(gòu)都需要綜合考量。大型壓鑄模具設(shè)計與制造要考慮熔體材料流動性、熱平衡與模具壽命、零件成型工藝性與質(zhì)量保證，還要考慮零件后續(xù)加工工藝優(yōu)化等。“一體化壓鑄成型工藝與裝備”已列入國家重點研發(fā)計劃。隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，將極大帶動一體化壓鑄制造發(fā)展，一體化壓鑄將成為新能源車企標配的制造工藝。

8、參考文獻

[1] Tesla 生產(chǎn)制造重大改進!采用一體成型壓鑄[EB/OL].[2019-08-03].

[2] 一體壓鑄技術(shù):特斯拉的制造革命[EB/OL].[2021-06-03]. 

[3] 一體壓鑄技術(shù):特斯拉(TSLA.US)的制造革命[EB/OL].[2021-06-06].

[4] 特斯拉上海的超級壓鑄機[EB/OL].[2021-06-01].

[5] 蘭虎義.特斯拉一體成型鑄件亮相轟動鑄造界,看我國一體成型技術(shù)成長之路[EB/OL].[2021-05-21].

[6] 華人運通:一代材料 一代車身[EB/OL].[2022-04-25].

[7] 段宏強，韓志勇，王斌《汽車工藝與材料》、汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

注：文章中引用數(shù)據(jù)和圖片來源網(wǎng)絡(luò)