新能源汽車大型壓鑄件尺寸精度研究
2025-6-26 來源：重慶賽力斯新能源汽車設(shè)計(jì)院有限公司 作者： 林真廷 葉小軍
【摘要】: 賽力斯汽車推出具有地面最強(qiáng)悍性能的 SUV 問界 M9，其車身結(jié)構(gòu)采用了先進(jìn)的一體化壓鑄全鋁底盤，有效減輕了簧下質(zhì)量，進(jìn)而提升了操控性能，然而壓鑄件尺寸精度如何控制成為行業(yè)最大的難題。提出了一種在生產(chǎn)過程中針對(duì)壓鑄工藝過程、免熱處理材料、校型工裝設(shè)備、過程管控及壓機(jī)參數(shù)調(diào)試等方面優(yōu)化的控制策略，這一策略不僅有助于提升新能源汽車的制造水平，同時(shí)也為壓鑄行業(yè)的發(fā)展提供了有益的參考和借鑒。
【關(guān)鍵詞】: 一體式壓鑄工藝 ; 鋁合金后車體 ;免熱處理材料 ; 尺寸精度
隨著 “雙碳” 目標(biāo)的實(shí)施，全球汽車行業(yè)對(duì)節(jié)能環(huán)保的重視程度日益提升。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，各國(guó)紛紛認(rèn)可并支持新能源汽車的發(fā)展。在這一背景下，新能源車企為滿足消費(fèi)者對(duì)輕量化、高效能的需求，不斷加大研發(fā)和生產(chǎn)投入。一體化壓鑄技術(shù)，以其在生產(chǎn)效率、成本降低和減重方面的顯著優(yōu)勢(shì)，正成為新能源車身結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。特斯拉、蔚來、小鵬等領(lǐng)先新能源車企已積極布局一體化壓鑄領(lǐng)域，預(yù)示著壓鑄機(jī)將逐步取代焊接機(jī)器人，成為新能源汽車制造的核心裝備。該技術(shù)的核心在于大型壓鑄機(jī)的卓越性能、創(chuàng)新的免熱處理材料配方、精密的壓鑄模設(shè)計(jì)以及優(yōu)化的壓鑄工藝參數(shù)。特別是鋁合金一體化壓鑄技術(shù)，其輕量化和高效生產(chǎn)的特性使其成為新能源車企的標(biāo)配技術(shù)。本文旨在深入探討一體化壓鑄技術(shù)在新能源汽車制造中的后車體尺寸精度控制運(yùn)用。
壓鑄工藝介紹
1.壓鑄定義
壓鑄 ( High Pressure Die Casting ，HPDC)，是高壓鑄造的簡(jiǎn)稱，是指將熔融的液態(tài)金屬或半固態(tài)金屬以較大的壓力（20~120MPa）和速度（20~100m/s ）壓入模具型腔，并使之在較高的外部壓力作用下凝固的成型工藝。在壓鑄過程中，金屬液能夠快速的充滿模具型腔，在外部壓力作用下，不僅能夠保持金屬液與模具型腔尺寸和形狀的一致性，而且在模具型腔的強(qiáng)冷作用下，外部壓力使得金屬液與模具緊貼，從而使鑄件 - 模具作為整體具有優(yōu)異的散熱性，使金屬液在極短的時(shí)間內(nèi)完成凝固，獲得晶粒細(xì)小、組織均勻的鑄件。
一體化壓鑄，是指將傳統(tǒng)的多個(gè)單獨(dú)、分散的小件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)高度集成，在利用大型壓鑄機(jī)進(jìn)行一次成型，省略焊接的過程直接得到一個(gè)完整的大型件的新型壓鑄工藝。壓鑄島如圖 1 所示。
圖 1 壓鑄島
2.傳統(tǒng)壓鑄與一體壓鑄的區(qū)別
（1）材料選擇 傳統(tǒng)壓鑄工藝所使用的的鋁合金發(fā)展起步較早，材料的工藝特性相對(duì)成熟可控。傳統(tǒng)鑄造結(jié)構(gòu)件因其尺寸較小，在鑄造成型后還可進(jìn)行 T6、T7 熱處理，以提高零件的力學(xué)性能及耐腐蝕性。常用 ADC12、ADC14、A360、A380、ENAC-43400、ENAC-4600 及 SF36（AlSi10MnMg）。
一體化壓鑄件由于尺寸較大，形狀復(fù)雜，熱處理帶來的熱脹冷縮可能會(huì)引起零件的尺寸變化和表面裂紋等缺陷。因此需選用免熱處理的鋁合金材料。材料同時(shí)還需具有高強(qiáng)韌性、高流動(dòng)性、高的連接包容性等性能特點(diǎn)。常用 C611、560 合金、A152。
（2）模具 傳統(tǒng)壓鑄由于傳統(tǒng)鑄件尺寸較小，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，模具設(shè)計(jì)中的分模方案，澆注系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)，頂出系統(tǒng)，模溫系統(tǒng)的設(shè)置較為簡(jiǎn)單。且在模具設(shè)計(jì)前期計(jì)算冗余度設(shè)定較高，模具后期進(jìn)行試模調(diào)整也更加方便。
一體化壓鑄模具結(jié)構(gòu)尺寸更大，結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。這對(duì)模具設(shè)計(jì)中的澆鑄系統(tǒng)，模溫系統(tǒng)，頂出系統(tǒng)以及真空度的設(shè)置有更高的要求。在前期設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行充分的模擬分析，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以減輕模具后續(xù)調(diào)整難度。在模具材料選取和機(jī)械加工工程中，也要充分考慮模具的壽命和可靠性。
（3）設(shè)備 傳統(tǒng)壓鑄工藝由于零件尺寸較小，開模方向的投影面積較小，鑄造過程中所需的鎖模力不大。對(duì)壓鑄機(jī)的性能要求不會(huì)太高，所需噸位一般不超過 4500t，壓鑄島配套設(shè)備尺寸、數(shù)量都較小。
一體化壓鑄件整合集成了多個(gè)小件，所以其重量和開模方向的投影面積相比于傳統(tǒng)壓鑄零件增大不少，對(duì)壓鑄機(jī)的鎖模力噸位也提出了更高的要求。目前市面上用于一體化壓鑄成型的壓鑄機(jī)噸位一般不會(huì)低于 6000t，周邊設(shè)備尺寸、數(shù)量也相應(yīng)增加。
（4）工藝 傳統(tǒng)壓鑄工藝人們主要依靠經(jīng)驗(yàn)來做出判斷和決策，過往的壓鑄從業(yè)人員將其經(jīng)驗(yàn)匯總成經(jīng)驗(yàn)公式或者是經(jīng)驗(yàn)圖表，供行業(yè)
參考。
一體化壓鑄可以參考的類似產(chǎn)品較少，且許多工藝參數(shù)都突破了傳統(tǒng)壓鑄的工藝參數(shù)上限，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式是否有效還需進(jìn)一步驗(yàn)證。為保證鑄件的成型質(zhì)量，對(duì)壓鑄合金的純凈度，噴涂材料的低發(fā)氣性，沖型前型腔真空度都有更高的工藝要求。
（5）用途 傳統(tǒng)壓鑄汽車領(lǐng)域主要適用于電動(dòng)機(jī)外殼、變速器外殼、電控外殼殼體類零件。一體壓鑄主要應(yīng)用于扭力梁、前艙總成、后地板及側(cè)圍 CD 柱內(nèi)板等車身輕量化部件。
3.一體壓鑄后車體制造工藝
（1）制造工藝 一體壓鑄后車體生產(chǎn)過程是一個(gè)精密而復(fù)雜的工藝流程，它涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，從毛坯壓鑄開始，一直到裝配標(biāo)件并檢測(cè)合格交付產(chǎn)品。壓鑄工藝是一體壓鑄后車體生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它涉及將熔融的金屬注入模具中，通過高壓和冷卻使其凝固成所需形狀。在壓鑄前，要準(zhǔn)備好模具，模具的精度和質(zhì)量直接影響到最終產(chǎn)品的品質(zhì)。模具的制造需要依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖樣，經(jīng)過精密加工而成。
毛胚壓鑄首先需要調(diào)整壓鑄機(jī)的參數(shù)，如壓力、速度、溫度等，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。接著，壓鑄機(jī)通過高壓將熔融的金屬以壓入模具中，并使其充滿模具的每一個(gè)角落。這個(gè)過程需要嚴(yán)格控制時(shí)間和壓力，以確保金屬能夠充分凝固并達(dá)到所需的密度和強(qiáng)度。如圖 2 所示。
圖 2 毛胚壓鑄
毛胚鑄件表面可能還附有一些多余的金屬或毛刺，需要進(jìn)行切水口和打磨等處理。接下來是毛坯校型，通過對(duì)鑄件進(jìn)行精確的測(cè)量和調(diào)整，使其符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的尺寸和形狀要求。如圖3所示。
圖 3 毛坯校型 圖 4 藍(lán)光掃描
最后，通過藍(lán)光掃描技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地獲取產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。這種檢查方式不僅提高了檢測(cè)效率，更能發(fā)現(xiàn)肉眼難以察覺的微小缺陷，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。如圖 4 所示。
總的來說，一體壓鑄后車體生產(chǎn)過程中的壓鑄工藝是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過程，它涉及多個(gè)環(huán)節(jié)和步驟，需要嚴(yán)格控制每一個(gè)細(xì)節(jié)，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能達(dá)到要求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和工藝的不斷優(yōu)化，一體壓鑄技術(shù)將在汽車制造等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。
尺寸精度控制方案
1.材料選擇
為減少大型鑄件熱處理后的變形，當(dāng)前主要方法是研發(fā)免熱處理材料。在汽車結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域，研究集中于 Al-Si 系和 Al-Mg 系鋁合金。這些材料通過添加化學(xué)元素和優(yōu)化壓鑄條件，形成細(xì)小晶粒，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)材料相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。主流材料包括 C611（美國(guó)鋁業(yè)公司）和 SF36（德國(guó)萊恩金屬），它們已廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)，如蔚來 CD 柱和奧迪 A8 車身。這些材料在特定工藝下具有出色的延伸率，適用于多種車身部件。C611 和 SF36 化學(xué)成分以及力學(xué)性能見表 1、表 2。
表 1 壓鑄鋁合金各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) （單位 ：%）
表 2 壓鑄鋁合金拉伸力學(xué)性能要求
2.校型工裝設(shè)備
（1）定位基準(zhǔn) 校型工裝定位選擇如圖5所示，A1~A4作為基準(zhǔn)目標(biāo)，限制Z向移動(dòng)以及繞Y軸、X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三個(gè)自由度 ; 選擇 B 孔作為主定位孔，限制 X 向以及 Y 向移動(dòng)的兩個(gè)自由度 ; 選擇 C 孔作為次定位孔，限制繞 Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖 5 一體式后車體 GD&T 圖樣
（2）校形工裝 切邊整形模指利用沖模修邊工序件的多余邊緣廢料，使其具有一定高度、直徑和形狀的沖壓模具。切邊模主要用于修整拉申的邊緣，讓端面平整美觀，確保零件的一致性便于下一步裝配。如圖 6 所示。
圖 6 壓鑄模具
通過 RPS 點(diǎn)將零件定位在校形檢具上，針對(duì)需要控制的形狀、尺寸及位置進(jìn)行校形，使零件滿足尺寸精度要求。
3.過程管控
（1）藍(lán)光掃描 分別對(duì)毛坯校型、機(jī)加（面、孔）及成品校型后進(jìn)行掃描測(cè)量，并針對(duì)掃描的結(jié)果進(jìn)行反饋，以便提前識(shí)別問題點(diǎn)提前規(guī)避尺寸缺陷。
圖 7 成品校形掃描結(jié)果
如圖 7 所示，可以看出綠色部分 ±0.5mm為合格區(qū)域，紅色及藍(lán)色分別為 ±2mm 偏差區(qū)域，根據(jù)圖示可以看出兩邊輪罩區(qū)域及前部與門檻梁搭接區(qū)域存在嚴(yán)重超差情況。
（2）成品檢具測(cè)量 成品檢具作為零件合格交付前的最后一道檢測(cè)關(guān)卡，在尺寸精度把控方面起到至關(guān)重要的作用。為減少工作量提高工作效率，針對(duì)不同零件可以進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)位選取制作為如圖 8 所示測(cè)量記錄表進(jìn)行百分之百監(jiān)控測(cè)量。
圖 8 關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)檢測(cè)工藝卡
4.壓機(jī)參數(shù)調(diào)試
1）壓力 : 壓射比壓常規(guī)設(shè)置為 30~90MPa，增壓比壓一般設(shè)置在 50~300MPa。
2）速度 : 低階段速度為 0.1~0.5m/s; 高速階段速度為 3~6m/s; 內(nèi)澆口速度為30~60m/s。
3）時(shí)間 : 充填時(shí)間由壓鑄件體積、平均厚度，填充速度決定，薄壁件一般不超過 0.1s; 持壓時(shí)間薄壁件 1~2s，厚壁件 3~5s; 留模時(shí)間主要由產(chǎn)品尺寸結(jié)構(gòu)和工藝溫度決定。
4）溫度 : 澆注溫度通常由定量爐內(nèi)金屬液溫度表示，一般為 700~740℃ ; 預(yù)熱模具溫度一般為150~180℃，連續(xù)工作溫度一般為180~220℃。
改進(jìn)前后對(duì)比分析
通過材料選擇、校型工裝設(shè)備、過程管控及壓機(jī)參數(shù)調(diào)試四個(gè)方面，壓鑄件整體尺寸精度質(zhì)量均有較高提升，結(jié)合改進(jìn)前后一體式后車體進(jìn)行抽樣測(cè)量并做分析，得出以下結(jié)論。
選取測(cè)量點(diǎn) 6~14 號(hào)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab 通過雙樣本對(duì)比分析，具體見表 3~ 表 5。
表 3 描述統(tǒng)計(jì)量
表 4 差值的估計(jì)值
表 5 檢驗(yàn)值
方法 :μ1 為整改前的總體均值 ;μ2 為整改后的總體均值 ; 差值 μ1 － μ2 已針對(duì)此分析假定了
等方差。
原假設(shè) :H0=μ1 － μ2=0
備擇假設(shè) :H1=μ1 － μ2 ＞ 0
由分析結(jié)果可知差值下限為 0.153 ＞假設(shè)差值 0，同時(shí) P 值為 0.032 ＜ 0.05，充分證明原假設(shè)被拒絕，備擇假設(shè)成立，整改后改善明顯。充分證明選擇最優(yōu)的材料，通過校型工裝百分之百校正，通過過程管控及壓機(jī)參數(shù)調(diào)試，最終能明顯提高壓鑄件尺寸精度。
結(jié)語(yǔ)
中小型一體壓鑄結(jié)構(gòu)件在車上的應(yīng)用方面已經(jīng)成熟，大型一體壓鑄后車體工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任然是技術(shù)難點(diǎn)，需要車身設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)人員緊密協(xié)作共同開發(fā)。從制造工藝角度看，目前壓鑄機(jī)和模具等主要工藝裝備已具備配套條件，可支撐投影面積 20000cm2鑄件的開發(fā)，C611 和 SF36的免熱處理材料已在部分鑄件上生產(chǎn)試用，具備配套條件。壓鑄件尺寸精度也可通過工裝定位、面熱處理材料、校型工裝、壓機(jī)參數(shù)調(diào)試及過程管控確保外觀尺寸一致性。
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