陶永亮 一体化压铸给大型压铸模具制造带来新机遇
发布时间:2022-09-05 00:17:00 作者:雷火电竞官方下载 来源:雷火平台登录官网

  陶永亮,教授级高级工程师,从事高分子材料应用模塑成型工艺研究。中国模具工业协会技术专家、中国塑料加工工业协会专家委专家、中国塑料机械工业协会专家委专家、重庆市中小企业专家委专家等。曾长期在企业从事模具设计与制造,注塑成型工艺和真空镀铝工艺管理等工作;参与企业各种产品开发工作与各项基础技术管理等工作,为企业技术进步和提高经济效益做出了应有贡献,曾获得各级技术进步奖励等;结合生产现场需要,解决生产上疑难问题;发表技术论文180多篇,涉及模具设计、注塑工艺、真空镀膜、材料应用、智能制造和汽车灯具技术等,被EI、CA等收入,实际应用性强。退休后仍活跃在行业上,密切关注行业发展,加入各级相关行业学(协)会专家委,并积极参与各个专家委的活动,进行对企业、学校和学生(个人)的技术指导、资源引导,职称辅导等工作,继续为行业的科学技术进步发挥积极作用!

  摘要:在“双碳”目标下,新能源汽车已经成为汽车工业重要支撑。2021年我国新能源汽车全年销量超过350万辆,市场占有率提升至13.4%。特斯拉一体压铸效应轰动了汽车制造业,迎来了汽车车身工程工艺的变革,一体化压铸给大型压铸模制造带来新机遇。本文以压铸件在汽车上应用重要性,讲述了特斯拉一体压铸优势、大型压铸机问世和免热处理压铸铝合金研发,重点阐述了大型压铸模具制造厂商案例、辅助设备助力模具加工与成型需要。以新能源汽车发展和一体压铸化效应共同拉动大型压铸模具制造前行,对我国汽车工业发展有着重要的贡献。

  2020年9月22日,习主席在第75届联合国大会一般性辩论会发表重要讲话,向世界承诺中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和(简称“双碳”目标)。实现“双碳”目标是以习同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策,积极应对气候变化,是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择,是构建人类命运共同体的庄严承诺。“双碳”目标的提出,为我国汽车行业发展重新定义了绿色低碳转型的目标路径与可持续发展的使命愿景,当下发展新能源汽车势在必行。据中国汽车工业协会统计分析。2021年汽车产销同比呈现增长,结束了2018年以来连续三年的下降局面。其中新能源汽车成为最大亮点,全年销量超过350万辆,市场占有率提升至13.4%,进一步说明了新能源汽车市场已经从政策驱动转向市场拉动,对高度依赖汽车产业压铸业来说,无疑是一个利好消息 [1] 。2021年初,特斯拉官宣了上海超级工厂在内的四座整车工厂都已安装超大型压铸机,用于生产Model Y一体成型的后底板等 [2] ,消息传出在造车界和压铸界掀起了一股飓风。行业内专业人士、企业家都纷纷感叹,一体压铸成型工艺将是“汽车车身工程的一场革命”与“压铸界前所未有的一场变革”,也迎来了大型压铸模具制造发展的新机遇。

  2.1 压铸件在汽车上应用情况压铸与其他制造工艺相比,压铸成形工艺生产效率高、尺寸精度高、力学性能优良、材料利用率高、批量化生产经济效益较佳。在汽车用铝合金中,压铸铝合金与其他铸造铝合金约占80%,加工铝材(板、带、箔、管等)仅占20%左右,压铸件的用量占铸造产品总用量的70%左右,因此压铸铝合金制品在汽车用铝中约占54%~70%[3]。随着“双碳”目标推进,新能源汽车成为未来汽车发展的方向,近期比亚迪官宣2022年3月起停止燃油汽车的整车生产[4]。汽车行业迭代升级、产量连年攀升,新能源汽车更多的结构部件需要采用压铸成形工艺来进行制造,也为压铸行业及压铸模的发展带来了新的市场和新的机遇。我国压铸模总产量仅次于美国,跃具世界第二位,可见压铸行业生产量之大[5]。

  目前汽车行业铝合金压铸件应用范围按使用功能分类,已用于结构件、受力件、安全件和装饰件等。发电机壳体、变速器壳体、离合器壳体、水泵壳体、变速箱支架转向机壳体等均为铝合金压铸件。还有凸轮箱、发动机气缸体、气缸盖、进气歧管、换挡拔叉、连接支架、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、罩盖壳体类零件、底盘总成、车身等均可以实现压铸成型,具有广泛的应用性 [6][7]。如图1所示。

  2.2 特斯拉一体成型压铸件介绍2019年,特斯拉对Model Y车型生产制造进行改进,引入一台大型压铸机,将Model Y车型大部分框架组装成一个大件 [8]。一体式压铸后地板总成的Model Y所有零件一次压铸成型,零件数量比Model 3减少79个,焊点大约由700-800个减少到50个,应用了新合金材料,一体压铸的地板总成不再热处理,制造时间由传统工艺的1-2小时缩减至3-5分钟,能在厂内直接供货。意味着以冲压、焊装为主导的整车制造模式将被彻底颠覆 [9]。

  有报道特斯拉上海工厂,一体化压铸降低成本约40%;加快生产流程,70+个零件变成一个,1000多个工业机器人降至700;加固车体,减轻重量,有利于续航;提升产品一致性。190秒内完成一个铸件。考虑20%维护时间,90%良品率,大致产量为330件/台/天 [10]。以后用2-3个大型压铸件替换370个零件组成的整个下车体总成,重量进一步降低10%,续航里程可增加14%。普通电动车电池容量80kWh,用一体压铸车身减重并续航里程不变,电池容量减少约10kWh。以目前磷酸铁锂电池pack成本600元/kWh计算,单车成本可降低6000元。按照年产10万台计算,一年可降本6亿元! 全球汽车制造业随之震动 [11]!图2所示Model Y 一体式压铸后地板总成。一体式压铸制造过程极简,一个零件,不需要开发过多的工装设备,制造精度可控,维护成本极低。压铸材料回收容易,回收利用率极高。

  2.3 一体成型压铸带来行业变化一体式压铸给压铸界带来一场变革,包含着压铸机制造、压铸材料和压铸模具制造等变化,给国内超大型压铸模具制造带来了新挑战与新机遇。

  特斯拉上海超级工厂大型压铸机是特斯拉与力劲科技子公司 IDRA 联合研发的 6000T 压铸机 [12]。说明我国超大型压铸机在技术和结构上取得了很大的突破,充分满足汽车领域、大型重型压铸件及多部件的一体化生产工艺,为国内和国际压铸装备领域的可持续发展打下坚实基础。力劲集团9000T巨型智能压铸机 [13]和海天金属8800吨超大型压铸机问世 [14]。伊之密6000~9000等吨位压铸机已完成研发,图3所示首台7000吨超重型压铸机近期已完成装配 [15],国产大吨位压铸装备拥有了更强的国际竞争力。

  免热处理高强高韧压铸铝合金材料的开发应用及迭代升级将进一步拓宽压铸铝合金在新能源汽车行业的应用场景,为一体式压铸提高更好地材料支持。我国科技人员近期研发了针对一体式压铸免热处理压铸铝合金材料,根据汽车上不同部位零部件的要求与压铸成型需求,开发了JDA系列免热处理压铸铝合金材料。JDA1b合金用于一体化超大铸件的免热处理压铸铝合金,经过多轮研发攻关和零件验证,在材料开发、性能优化、制造工艺和系统集成验证等方面实现了100%全流程正向开发,在材料压铸性能、力学性能、制造性能、环境耐久性能等指标上表现优异。此材料流动性高于同级别材料15%以上、强塑积高出30%以上,保证了整车碰撞等性能达到更高维度[16]。国内还有单位在做类似材料的研发,图4所示,华人运通高合汽车与拓普集团合作打造的一体化超大压铸车身后舱正式量产下线,产品是基于去年年底华人运通高合汽车与上海交通大学轻合金国家工程中心全球首发的TechCast™超大铸件用低碳铝合金材料打造而成。TechCast™超大铸件用低碳铝合金材料,是一种免热处理的合金材料[17]。

  工欲善其事,必先利其器。一体式压铸最终绕不开超大型压铸模具的制造,大型压铸模具的作用显而易见。这也是本文的重点描述的环节。

  我国压铸模具发展起步于上世纪80年代初,主要以仪表基架、摩配压铸模具开始。随着中国汽车工业的发展,部分压铸模具公司加大了先进、大型装备及先进检测设备的投入,以生产汽车支架、离合器、油底壳、手动变速器等中型压铸模具为主,带动了压铸模具行业发展,模具制造水平及制造工艺大幅提升。目前,我国压铸件的产量早已居世界第一位,压铸模具开发周期、生产水平都有了显著提升,压铸模在产量和产值已经形成一定的优势,能满足国内大型、精密压铸模具的需要,还能向欧美等传统压铸模具强国出口。目前压铸模具正在经历产业升级,往高端化、大型、精密压铸模具发展 [18]。

  一体式压铸给超大型压铸模具制造带来了新的挑战和新的机遇。超大型压铸模的制造需要大型的加工设备来支撑,一体化模具大、流道设计复杂、壁厚变化较大、产品结构较难,模具对产品压铸成型有着重要影响,这给很多模具公司带来一系列的挑战,也给一些模具公司带来新的机遇。一般在压铸模具公司从事大型模具制造,原有基础比较雄厚,适当增加一些大型模具加工设备,就能完成一体式压铸模具制造的转型,就目前国内仅仅几家公司抢得先机。

  国内首套6800T超大型一体化铝合金压铸结构件模具在鸿图科技成功试制。模具由广州市型腔模具制造有限公司自主研制,模重超过140T。此项目成功试制标志着广型模具成为国内掌握超大型一体化结构件模具研制及调式技术的企业。广型模具将开启新能源汽车一体化前仓总成、中间板、后地板、门板等关键核心轻量化部件模具的研发制造,为我国新能源汽车的发展做出贡献 [19]。广东鸿图的汽车底盘一体化结构件产品,采用自主研发的高强韧免热处理铝合金材料,铸件尺寸大小约1700X1500X700mm,浇注重量约100kg,是目前最大的铝合金高强韧压铸件之一 [20],图5所示。

  近日,文灿集团9000T超大型压铸岛在天津顺利试产,首批9000T大型一体化后底板压铸汽车零部件成功下线T超大型模具,由宁波赛维达机械有限公司提供,如图6所示。据了解,早在2019年赛维达规划并建成超大型压铸模具车间,配备了6米龙门数控,3.5米龙门三坐标、160T+80T行车、800T合模机、恒温五轴加工车间,今年又增加了数台3米五轴龙门数控,80T+50T行车,是至今为止从超大型模架加工、超大型模芯加工、超大型模具合模与检测、全流程厂内实现闭环生产,已具备年产50套6000T模具以上生产能力。目前,赛维达已在研发12000T~20000T一体式车身结构件模具[21]。宁波合力科技也在推进一体式压铸模的制造[22]。

  美利信科技公司去年引进海天一套HDC8800吨超大型压铸机,主要实现包括新能源汽车在内的车身、底盘等大型结构件一体化、集成化压铸成型等。为了与之配套的成立重庆广澄模具有限责任公司 [23]专门为大型压铸模具制造做好准备,广澄模具拥有强大的专业设计和编程团队及高素质、高技能的加工、检测、装配调试团队,车间实现了全流程的信息化生产管理,配备六轴深孔钻床、日本牧野高精度五轴加工中心、卧/立式加工中心、牧野火花机、沙迪克慢走丝设备、合模机等世界一流高精尖设备40余台,具备大型、复杂、高精度压铸模具的生产能力 [24]。近期安装了200吨位的行车,又增添了部分大型模具加工设备,更好地服务于大型压铸模加工。

  当然,也有国外模具公司看上中国压铸模具市场。近日由德国著名模具企业——肖弗勒模具集团(SF Tooling Group GmbH)投资的高端汽车模具加工项目落户浙江嘉兴市海盐县。据悉,肖弗勒模具此次投资的高端汽车模具加工项目,总投资2000万欧元(相当于1.6~1.7亿元RMB),这项目是肖弗勒模具集团在中国投资的第一家工厂,主要生产特斯拉等品牌的汽车零部件模具,包括高压压铸模具的研发、制造及维护保养。预计达产后,年产值达1亿元人民币。肖弗勒模具的汽车客户有通用、奔驰、奥迪、宝马、保时捷等知名品牌 [25]。肖弗勒模具对一体化模具冷却和模具热量平衡有着较丰富的经验。图7所示,肖弗勒模具公司生产现场。

  一体化压铸成型技术应用与推广乃大势所趋。越来越多整车及汽车零部件厂商正在研制一体化压铸零部件,随之而来的超大型压铸机的模具越来越大(重),有些模具重量甚至达到200T。在压铸模具开发和制造过程中,模具研配试验压力机(简称合模机)是必不可少辅助设备,其用于模具的研配和校正。传统的合模机已无法满足一体化超大型压铸模具的配模要求,宁波顺兴开浩公司于2020年着手研发超大型配模设备,图8所示。先后开发出合模力800T、1000T超大型合模机,工作台面为4200mm×3500mm,5000mm×4200mm。应用于6000T、9000T以上超大型压铸机的模具。目前正在进一步研发更大工作台面的合模机 [26]。

  一体化压铸成型及工艺属于加工中难点,超大型汽车压铸结构件流程长且薄壁,所以要求模具温度具备在长流程过程中,根据不同的流态精准控制不同模区的温度,因此对模温控制的幅宽有着已知和未知的需求,对压铸模温平衡提出了要求,模温控制成为刚性需求。奥德公司近二十年与汽车、压铸市场密切联系,根据大型汽车压铸结构件一体化成型温控需求,研发出系统性解决方案,并推出用于匹配“大型汽车压铸结构件一体化压铸”的一系列高温、中温、低温温控产品(200℃水温机、320℃油温机、冷热温控站、多通道模冷机,多通道点冷机、集成控制系统)。设计20℃~320℃的大宽度温区,给模温平衡提供稳定且可控温源输出,同时大幅度温度输出不仅仅可以对模具进行温度平衡控制,还可以延伸至对压室、冲头、分流锥、浇口套等进行温度控制,保证压铸成型需要,已有用于一体化压铸成型的案例,如图9所示[27]。

  在“双碳”目标推进下,一体化压铸技术在效率、安全、降本、减排等方面优势受到了市场强烈的关注。一体化压铸设计与制造是一项全方位集成技术,技术壁垒高,包括软件开发与运用、零部件设计特征、免处理材料开发、压铸成型工艺、压铸单元能力和大型模具结构优异都需要综合考量。大型压铸模具设计与制造有着重要的作用,模具要考虑熔体材料流动性、热平衡与模具寿命、考虑零件成型工艺性与质量保证、还要考虑零件后续加工优化工艺等,是承上启下的一项工作。一体化压铸处于方兴未艾,“一体化压铸成型工艺与装备”列入国家重点研发计划 [28] ,国家层面给予了高度关注与支持。随着汽车行业向智能制造和提高效益方向发展,将极大带动大型压铸模具制造发展,为一体化压铸发展服好务,一同推动了汽车轻量化的进程,促进新能源汽车向着节能、减排方向发展。

  [7]樊振中,袁文全,王端志等.压铸铝合金研究现状与未来发展趋势[J]. 铸造,2020,69(2):159-166.

  [13]兰虎义.特斯拉一体成型铸件亮相轰动铸造界,看我国一体成型技术成长之路[EB/OL].[2021-05-21].