由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)一司指導(dǎo)，中國汽車工程學(xué)會(huì)牽頭組織編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》對(duì)不同類型汽車未來的輕量化系數(shù)做出指示。對(duì)于燃油車而言，到2025年輕量化系數(shù)需降低10%，到2030年需降低18%，到2035年需降低25%。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，三個(gè)節(jié)點(diǎn)的輕量化系數(shù)降低幅度分別增加至15%、25%和35%。
圖1 《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》輕量化總體目標(biāo)
ntent="t">汽車輕量化實(shí)現(xiàn)路徑
The Path for Automobile Lightweightening在材料方面，可使用比強(qiáng)度更高的輕質(zhì)材料進(jìn)行替代，如高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和碳纖維等，不同材料的關(guān)鍵參數(shù)如下。表1 不同輕量化材料的相關(guān)參數(shù)對(duì)比材料確定后，需匹配相應(yīng)的成型工藝進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。汽車輕量化常用的先進(jìn)成型工藝主要有激光拼焊、不等厚軋制、內(nèi)高壓成型、熱沖壓成型、輥壓成型和高壓鑄造等。材料和工藝決定了零部件的性能基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需滿足整車由上及下分解的性能指標(biāo)，而對(duì)于超額的性能冗余，應(yīng)采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式予以去除。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要通過尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化幾種方式開展。
圖3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要開展方式在材料、工藝、結(jié)構(gòu)三個(gè)輕量化方向中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化不論選取何種材料均需要開展，它體現(xiàn)的是企業(yè)的設(shè)計(jì)水平；工藝優(yōu)化是隨著材料選擇的不同而變化的，它體現(xiàn)的是企業(yè)的制造水平；而材料選擇是另外兩個(gè)方向的工作基礎(chǔ)，因此各大車企都將輕量化重點(diǎn)工作放在輕質(zhì)材料的開發(fā)應(yīng)用上。Alu Casting Benefits Automobile Lightweightening鋁是地球上最豐富的金屬元素，占地殼總量的7.5%。純鋁的延展性好但強(qiáng)度低，一般僅用于常溫下的低應(yīng)力結(jié)構(gòu)。為了改善純鋁的性能，人們?cè)诩冧X中添加各種金屬元素制成不同品類的鋁合金。
根據(jù)合金添加量的不同，鋁合金可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。如下二元相圖所示，當(dāng)橫坐標(biāo)合金量超過D點(diǎn)時(shí)，在液相線溫度以下，不論溫度如何變化，材料始終存在α和β兩相，該類組織變形阻力大，鑄造后不適于變形加工，因此該區(qū)間合金只被稱為鑄造鋁合金；反之，當(dāng)合金含量低于D點(diǎn)時(shí)，合金加熱至固溶線FD以上，可形成單相α固溶體，該類組織塑性好，適于變形加工，故該區(qū)間的合金稱為形變鋁合金。在形變鋁合金中，當(dāng)合金含量低于F點(diǎn)時(shí)，無論溫度如何變化，始終只有α相一種組織，其性能不能通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，被稱為熱處理不可強(qiáng)化鋁合金；而在F點(diǎn)和D點(diǎn)之間的合金，β相會(huì)隨著溫度的上升和下降固溶或者析出，從而改變材料的性能，因此其被稱為熱處理可強(qiáng)化鋁合金。按照添加元素的不同，鋁合金通常被分為不同系列合金。汽車領(lǐng)域使用較多的是鑄造鋁合金中的Al-Si系、Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg系以及形變鋁合金中的5000系、6000系和7000系合金。
按加工工藝的不同，汽車常用的鋁合金則可分為軋制鋁合金、擠壓鋁合金、鑄造鋁合金以及鍛造鋁合金。軋制鋁合金用于汽車的外覆蓋件，如四門兩蓋和翼子板等（下圖綠色件）；擠壓鋁合金一般用于強(qiáng)度要求較高的部位，如前后防撞梁、左右門檻梁等（下圖橙色件）；鑄造鋁合金一般用于減重需求較大和處于震動(dòng)傳動(dòng)路徑的部位，如減震塔、副車架、輪轂、三電殼體等（下圖紫色件）；而鍛造鋁合金可視為鑄造鋁合金的升級(jí)，它是在鑄造鋁合金的基礎(chǔ)上，給予材料外部鍛壓，使得材料更加致密，性能更優(yōu)，重量更輕。當(dāng)然，鍛造鋁合金的成本也顯著高于鑄造鋁合金，因此其一般只用于性能車型的輪輞、轉(zhuǎn)向節(jié)、懸架擺臂等影響操控品質(zhì)的簧下部位，常規(guī)車型或常規(guī)部位一般僅采用鑄造鋁合金。在以上四種不同工藝鋁合金中，鑄造鋁合金用量占據(jù)主導(dǎo)地位，占比約80%（高壓鑄造55%+普通鑄造25%）。普通鑄造基本可理解為重力鑄造，由于其主要依靠液體的自重成型，因此產(chǎn)品表面質(zhì)量不佳，組織致密度低，強(qiáng)度稍差；壓力鑄造可分為低壓鑄造和高壓鑄造，兩者的主要差別在于壓力的不同，低壓鑄造的壓力大約在kPa級(jí)別，而高壓鑄造的壓力一般是MPa級(jí)別，因此高壓鑄造的工藝復(fù)雜度、產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率等均優(yōu)于低壓鑄造。目前業(yè)內(nèi)常說的“壓鑄”一般指“高壓鑄造”。
在壓鑄過程中，熔融金屬在沖頭的作用下高壓、高速地充填模具型腔，并在模具冷卻系統(tǒng)的作用下快速凝固，形成最終的鑄件。壓鑄過程所需裝備主要包括壓鑄島、壓鑄機(jī)、模具三大部分。
壓鑄島是壓鑄機(jī)運(yùn)行、鋁合金漿料澆注、機(jī)器人取件、成品檢測等步驟的場所。壓鑄機(jī)是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵設(shè)備，主要完成鎖模-開模-壓射漿料進(jìn)模具-保壓成型-開模這些過程。壓鑄機(jī)的壓力越大，鑄件的結(jié)晶體越細(xì)致，縮孔氣泡等缺陷越少，鑄件的性能越佳。不同尺寸零部件所需的壓鑄機(jī)噸位等級(jí)不同，壓鑄件尺寸越大，所需的壓機(jī)噸位也越高。表3 汽車零部件尺寸或重量與壓機(jī)噸位的關(guān)系模具是強(qiáng)迫金屬大批量快速成型的工具，被稱為“工業(yè)之母”，主要包含成型系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、模架系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等部分。模具水平對(duì)鑄件產(chǎn)品影響巨大，業(yè)內(nèi)素有“七分模具，二分設(shè)備，一分工藝”的說法。模具制造的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面，一是設(shè)計(jì)，需綜合考慮熱平衡、進(jìn)料方向、排氣和脫模等問題；二是模具材料的選取，模具直接與高溫金屬接觸，并反復(fù)經(jīng)受激冷激熱，模具材料需具備較高的熱穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度、耐磨性、韌性、導(dǎo)熱性等。
ntent="t">成本驅(qū)動(dòng)一體化壓鑄技術(shù)爆發(fā)
Cost Drives the Blooming of GIGA Casting
傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)過程，由沖壓-焊接-涂裝-總裝四大工藝組成，其中前三者都是為生產(chǎn)白車身量身定制的，白車身的工藝瓶頸決定了整車的生產(chǎn)節(jié)拍，這個(gè)規(guī)律幾十年來從未打破。
表4 傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)工藝與一體化壓鑄生產(chǎn)工藝2020年9月，特斯拉在“電池日”宣布，Model Y將采用一體化壓鑄后地板總成。該總成采用一體化壓鑄工藝取代原來的鈑金沖壓+焊接工藝，使零部件數(shù)量從70個(gè)變成了1個(gè)，制造時(shí)間從1~2h壓縮到3~5min，并且重量降低了30%，剛度提高了20%，成本也改善了40%。一體化壓鑄的巨大優(yōu)勢，揭開了汽車生產(chǎn)方式變革的序幕。
下表詳細(xì)總結(jié)了后地板采用傳統(tǒng)沖壓拼焊工藝和一體化壓鑄工藝生產(chǎn)所需的人員及設(shè)備方面的差異。
表5 后地板傳統(tǒng)工藝和一體化壓鑄工藝的差別對(duì)比一體化壓鑄本質(zhì)上仍然是高壓鑄造，它繼承了高壓鑄造表面質(zhì)量好、精度高的優(yōu)點(diǎn)，基本上不需要后續(xù)的機(jī)械加工，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，獲得較高的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。但一體化壓鑄的技術(shù)含量又顯著高于常規(guī)的高壓鑄造，主要體現(xiàn)在“一體化”這個(gè)點(diǎn)，也就是多個(gè)零部件集成的設(shè)計(jì)思路上。一方面，一體化要求維持原有的性能不弱化，這就要求設(shè)計(jì)方對(duì)該部分零件的Know-How了然于胸；另一方面，即使設(shè)計(jì)仿真能滿足性能要求，超大型零部件的分模量產(chǎn)也是一大難事。一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)鏈，主要由上游的材料商、壓機(jī)商、模具商，中游的壓鑄件供應(yīng)商，和下游的主機(jī)廠構(gòu)成。該技術(shù)的核心壁壘主要體現(xiàn)在中上游的設(shè)備（壓機(jī)、模具）、材料和工藝三個(gè)方面。圖9 一體壓鑄制造鏈?zhǔn)疽鈭D （圖片來自網(wǎng)絡(luò)）材料商主要供應(yīng)免熱處理鋁合金，這種鋁合金通過調(diào)整元素成分，可在不進(jìn)行熱處理的情況下達(dá)到普通鋁合金熱處理后的性能水平，從而一方面避免熱處理過程中大型鑄件釋放應(yīng)力造成的形變，保證產(chǎn)品良率；另一方面精簡工藝流程（節(jié)省了熱處理+整形兩個(gè)工藝），提升生產(chǎn)節(jié)拍，降低生產(chǎn)成本。當(dāng)前已成功開發(fā)免熱處理鋁合金的主體主要有美國鋁業(yè)（帥翼持代理）、德國萊茵菲爾德公司、特斯拉、上海交大、廣東鴻圖、立中集團(tuán)等。壓機(jī)商主要供應(yīng)大型壓鑄機(jī)，由于一體化壓鑄的特點(diǎn)就是大型化，其所需的壓鑄機(jī)噸位顯著高于普通壓鑄機(jī)，一般要達(dá)到6000t以上。隨著未來一體化壓鑄件的集成度提高，零部件尺寸增大，壓鑄機(jī)噸位的要求將提升到9000t甚至12000t以上。當(dāng)前頭部壓鑄機(jī)供應(yīng)商主要有瑞士布勒、意大利意德拉、力勁科技、伊之密、海天金屬等。模具商主要供應(yīng)生產(chǎn)壓鑄件的模具，由于一體化壓鑄零部件尺寸更大，模具不僅要承受更高的壓力，還需要保證更高的真空度以便金屬液快速填充成型。此外，模具的熱平衡系統(tǒng)、脫模方案等的設(shè)計(jì)難度也會(huì)隨著零部件尺寸增大而上升。當(dāng)前頭部模具廠商主要有賽維達(dá)、廣州型腔、文燦雄邦等。中游的壓鑄件供應(yīng)商主要利用上游提供的材料、壓機(jī)、模具等進(jìn)行零部件生產(chǎn)，并供應(yīng)給下游客戶。它不僅要協(xié)調(diào)上游的生產(chǎn)關(guān)系，還需要深入了解下游客戶的需求。一般而言，優(yōu)秀的壓鑄件供應(yīng)商，會(huì)介入主機(jī)廠的研發(fā)體系，時(shí)時(shí)響應(yīng)并提供能解決客戶需求的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)前壓鑄件供應(yīng)商有文燦股份、廣東鴻圖、愛柯迪、寧波拓普、美利信、旭升股份、多利科技、博俊股份、合肥常青、蕪湖瑞鵠、燕龍科技等。下游的主機(jī)廠主要是使用壓鑄件的整車企業(yè)，他們把需求提給中游的零部件供應(yīng)商，并在研發(fā)過程中不斷溝通設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。當(dāng)然，由于一體化壓鑄對(duì)傳統(tǒng)沖壓和焊接工藝的顛覆，不少主機(jī)廠也將一體化壓鑄工藝納入自身的生產(chǎn)流程，兼具起零部件供應(yīng)商的角色，比如特斯拉、小鵬、蔚來、小米等新勢力車企，一汽、東風(fēng)、長安、廣汽等傳統(tǒng)車企都自建了一體化車身壓鑄部件生產(chǎn)線。
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