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汽车变乐高一体式压铸是汽车制造的终局吗?

发布时间: 2022-09-22 21:33:00 来源:火狐app安卓版 作者:火狐体育进入

  但“铁匠”收入在近两年水涨船高:2020年,一个拥有5年压铸经验的技术人员在珠三角地区的月平均收入约为1万元,如今已涨到了1.5万元,而且供不应求。

  “现在我认为(一体式压铸/高压压铸的普及化会)非常快了。”智能制造与装备研究中心研究员罗岩告诉《电动汽车观察家》:“据我所知,一些传统主机厂今年年底就会发布搭载一体式压铸构件的新车型,基本上其它大部分主机厂的新车型都会在明年发布。”

  一体式压铸、FSD、CTC被投资人看作是特斯拉的三大技术杀手锏,也是马斯克像造乐高一样造汽车设想的基点技术,也是蔚来、小鹏、高合、沃尔沃、大众、奔驰都已开始研发部署的全新制造工艺。

  但也有人不看好。前途汽车创始人陆群近日发布了一张3D打印的一体化车身图片,注文道:“这个比马斯克的‘一次压铸铝车身’NB多了。技术上用不着搞个人崇拜。”

  上汽、比亚迪、广汽等多家企业将一体式压铸作为前沿技术关注,但尚未有明确的投资应用计划。

  本文分为“特斯拉如何重新发明一体式压铸”、“为什么有人做,有人不做”、“一体式压铸目前的核心技术壁垒”三大部分,阅读难度依次提升,祝您阅读愉快。

  因由特斯拉,“一体式压铸”在近两年开始成为公众认知的“热词”。但就像沃尔沃早在2012就已路试过自动驾驶技术一样,一体式压铸在汽车制造中也早有应用。

  发动机、变速箱壳体、底盘的副车架、控制臂、转向节这种尺寸小、结构复杂的零件都是通过铸造(包括低压铸造和高压压铸)工艺来一次性成型制造的。

  甚至压铸铝合金车身零件技术也早已被用于量产车型:2018年上市的凯迪拉克CT6使用较大型的压铸铝合金零件,将车身零件从227件减少为31件,只有车室中央部分采用钢材,车身骨架部件数量减少20%,减重99公斤。

  “特斯拉出来之前,CT6是一体式压铸的标杆,代表了铸铝件在车身应用上的最高水平,而且用得很合理。”一位主机厂研发负责人向《电动汽车观察家》表示。

  美国铝业2008年开发的Mn(锰)Mg(镁)系560免热处理铸造铝合金就已应用于压铸日产GT-R的车门零部件,投影面积0.5平米,壁厚2~3毫米,重量仅5.5公斤,减重35%。

  十三五期间,中国设立了车身零件的压铸铝合金材料开发攻关项目,能够一次性压铸成型投影面积小于0.5平米的零件,并已成功应用在铝合金减震塔上。

  但当一体化压铸的零件从0.5平米的车门、减震塔,升级为1平米以上,50-60公斤重的后车体地板,甚至3平方米的电池壳体时,游戏就完全不同了。

  “它(特斯拉)能想到用6000吨、甚至8000吨(的高压去做一体式压铸工艺),而且做出来了,确实很牛。”上述研发负责人表示:“这在我们传统压铸人眼里,是想都不会去想的事情。做传统车会考虑工艺性能、设备性能。(特斯拉一体式压铸技术所应用的)材料和压铸机,都突破了传统汽车行业的认知。”

  是的,当特斯拉要完成一体化压铸大型车身构件这个“游戏任务”时,需要从头收集材料、机器等关键素材,并大幅升级工艺技能。

  故事开始于2015年,美国铝业发布了专为高压铸造成型薄壁零件开发的EZCast(一种具备高流动性、热稳定性和低缩孔率的铝合金材料)。

  同年,马斯克挖来了查尔斯·柯伊曼——苹果Mac笔记本一体化铝合金机身的研发负责人。

  柯伊曼担任特斯拉和SpaceX的材料技术副总裁,对美国铝业的铝合金材料进行二次开发,使其能够在无需二次热处理的情况下,获得相应更好的强度、韧性等关键性能。

  此前,压铸行业的压铸机最大锁模力只有4400吨。而要使合金溶液在结晶时间之前,充满结构复杂、大于1平米的零部件模具型腔,“区区”4400吨的锁模力可不够。需要6000吨起——压铸机行业内从未有过的“大机器”。

  据传,马斯克找了当时国际上六家主流压铸机制造商,五家或因技术开发成本,或觉得不会赚钱而选择拒绝。唯有来自中国的压铸机巨头——力劲上了特斯拉一体式压铸的“战车”。

  有业内人士向《电动汽车观察家》表示,随着锁模力的大幅增加,压铸机内部的机械、液压和电控系统都需要完全重新开发。力劲在此过程中实现完整的自主知识产权。

  “这么大型的产品就是在踩极限,要把整个工艺参数使用,设定到设备的极限状态下才能把零件做好。”服务过北美新能源车企的广州广型模具有限公司的技术总监梁振进向《电动汽车观察家》表示。

  一个一体式压铸单元(压铸岛)包括压铸机、压铸模具两大核心设备,以及熔炼炉、保温炉、喷涂设备、取件设备、铸件冷却水箱、切边铸件周边清理、气缸内衬输送带、模温机、水温机等外围设备组成,共有20-30个设备。

  作为项目管理的特斯拉,需要在毫无先例可循、无经验可参照的情况下,将新开发的免热铝合金材料、大型零部件模具和这二三十个设备磨合成一套成熟的量产系统。

  工艺空间:工艺参数变动对产品关键质量属性产生影响的大小叫做工艺空间。较大的工艺空间意味着工艺参数变动较大时候,对产品关键质量的影响不大,反之亦然。

  在成熟工艺和设备的组合之下,工艺空间往往较大,各项工艺参数具有较宽的工艺带,整个系统的工艺“容错率”较高。而对一切都是“新的”的特斯拉一体式压铸体系来说,整个工艺系统的容错率变得极低。

  因为对标6000吨以上的设备,对压铸岛内各个设备供应商都是重新设计。整个压铸岛的设备来自十多家供应商,本身就需要对软硬件、工序流程、现场设计进行磨合。

  “工艺上第一次摸索做这么大的零件,而且是与模具、设备、材料、设计四者相互交织影响。要经过很久的尝试,才能抽丝剥茧得识别出到底是哪个环节出现了偏差。所以前期的规划其实是特别重要的。”

  上述业内人士表示,相对传统的压铸车间来说,6000吨这样大型的装备需要太多设备协同,出现问题再到一个个排除,而这一切要在量产时间线内完成,参与各方的压力可想而知。“要没有经验的情况下,硬着头皮做出来。”

  机器方面:2019年,力劲集团发布全球首台锁模力达到6000吨的超大吨位压机,成为目前全球唯一量产落地大型一体化压铸机的企业。目前已有超过10个压铸岛布置在量产端。

  得益于宝贵的量产工程经验,力劲积累了重要的研发、管理和施工人员团队资源,成为一体化压铸工艺的总包单位,可为铸造企业和车企交钥匙服务。

  “玩家”特斯拉则通过对一体化压铸工艺的升级证明了自己作为制造企业的能力。

  “大约五六年前,我们说想成为世界上最好的制造商,这有点违反直觉。(但)实际上(制造)是我们最强大的竞争优势。”7月21日,马斯克在财报沟通会上说道。

  2019和2021年,特斯拉先后申请了一体式压铸大型构件的模具和集成吸能铸件专利。

  2020年9月,马斯克宣布特斯拉Model Y 将采用一体式压铸后地板总成,可将下车体总成重量降低30%,制造成本因此下降40%。

  2021年特斯拉在柏林工厂开放日上展示了特斯拉一体式压铸底盘,计划用2-3个大型压铸件替换由370个零件组成的下车体总成,重量降低10%,续航里程增加14%。

  2022年Q2,马斯克表示特斯拉的得州和柏林工厂每单位产能的车身焊接机器人数量减少70%,一体化压铸的零件更轻、更便宜、NVH性能表现良好。而且未来特斯拉的电动皮卡Cybertruck将带来“另一个级别的简单性和制造改进”。

  特斯拉计划,未来将通过一体式压铸将车身集成为9个部分。而市场给予了一体化压铸千亿级的市场估值。

  小鹏汽车去年申报的武汉产业基地项目中包括一体式压铸工艺车间,又于1月与广东鸿图签约合作12000吨的压铸单元;

  长城精工于1月联合力劲、赛维达、隆达铝业(材料公司:立中集团孙公司)实施车身结构件项目战略合作,签约采购8000吨压铸岛;

  高合汽车2月与拓扑集团(铸造企业)、上海交通大学合作的7200吨一体式压铸后地板正式量产下线。

  “一体式压铸不仅仅是减重,减少零部件数量,更重要的是符合少人化、自动化的未来发展趋势。”长城精工汽车有限公司向《电动汽车观察家》表示。

  “一体式压铸背后的核心是由敏捷化驱动的集成化,只要用户的需求还是日新月异,一体式压铸技术就会不断被应用。”高合汽车也表示。

  《电动汽车观察家》还了解到,多家压铸机供应商的超大型压铸机产能已经排到了明年6、7月份。

  业内之所以快速跟进,是因为完美的一体式压铸是完美的:轻量化、降低生产成本、大幅加快生产节拍、提高产品精度和车身材料回收率,缩短开发周期等等。

  国海证券对传统工艺和一体式压铸工艺生产车身后地板所用的设备、人员、制造等成本进行测算,以年产能50万辆的产线为例,传统冲压焊接工艺总成本约6.3亿元,一体式压铸工艺成本约4.8亿元,仅后地板便可令每辆车平均节省300元。

  罗岩表示:一体式压铸将主要“替代”现在的冲压、焊装两大工序。“(冲压、焊装)车间合并成一个成型车间。一旦下车体由3-4个压铸件来完成的话,焊装车间可能就被完全取代了。”

  “据我们了解,目前规划了一体式压铸产线的主机厂,焊装机器人会减少15%-25%。”

  国信证券研究认为,一体压铸技术将车型开发周期缩短为1/3。传统汽车制造中,针对车身、内外饰、电器等零件,需要经过三轮综合匹配,才能将零件固化稳定在公差要求范围之内,通常需要6个月时间,属于周期长、工作量大、重复性高的工作。

  宁波数益工联科技有限公司总经理何盛华向《电动汽车观察家》表示:“一体化对效率的提升一方面在于生产节拍,一方面在于减少了开发的系统工程。

  原来一个构件由上百个零件组成,来自不同的供应商。改变设计需要庞大的协调工程,而一体式压铸简化了整个过程,将供应链大幅缩短。”

  采用一体式压铸工艺后,特斯拉Model Y后地板零件由70个减少至1(整体式)~2(拼接式)个;得州工厂应用的一体式压铸车身方案,可将前&后地板零部件数量从171个减少至2个,焊接点数量减少超1600个。

  传统工艺下,下车体总成制造将经过冲压、焊接两大车间,总工时超2小时。此前,ModelY后地板的压铸时间约180秒,得州工厂的展示中,车身制造节拍已缩短到45秒一辆。

  国信证券的研究认为,考虑维护整修等因素,上海工厂5台大型压铸设备可满足每年最高60万件车身后地板的产能。7月,特斯拉上海工厂再次停工技改,之后年底将达到110万辆/年的峰值产能(路透社报道),这是单一传统整车厂从未达到过的产能规模。

  “下 一代Model Y 车型的精度,将以微米为单位,而不再是毫米”。马斯克表示。

  车身工件精度的提升不仅有助于更好的实现空气动力学设计,而且在更有效的布置各类自动驾驶传感器,满足其对偏航角、俯仰角、滚转角的安装精度帮助更大。

  相比之下,由于大量零件拼接累积起来的误差,传统车身工艺精度误差会在2毫米之内。

  由于采用一种材料,且高压压铸工艺本身有利于材料回收。国信证券测算。传统制造工艺原材料回收率低于70%,一体式压铸制造工艺的原材料回收率则高达95%以上。

  特斯拉携手压铸行业跑通了一体式压铸0到90%的路。那更为艰难,能够线%现在仍处于各方攻坚的阶段。这也成为一些主流车企仍对一体压铸持观望态度,只将其作为前瞻课题的原因。

  “在轻量化效果不具备明显优势的情况下,(一体式压铸生产也)没有成本上的非常大改善,(现阶段投产)意义不大。我们还是要从质量、成本、技术三个方面去评价”上述研发负责人表示。

  即使是已经开始布局的企业,如长城精工表示:“经过我们测算,目前一体式压铸在成本上并不具备优势。但随着行业技术不断更新发展,未来的制造成本一定是下降的,所以我们认为未来一体式压铸工艺具有巨大的发展空间。”

  完成度90%的一体式压铸技术在在减重效果、投产规模、生产稳定性、整车性能、售后体系等各方面都还显得很不成熟。

  特斯拉打通一体式压铸工艺根本目的是的通过大面积应用铝合金为电动汽车减重。但从实际效果来看,目前处于无效减重的阶段。

  相比同平台的特斯拉Model 3同部位构件分别减重0.5公斤和3.4公斤。相比之下,某自主品牌车型在钢轮罩的前提下,同部位全铝构件是42公斤,甚至比Model Y第一代一体式构件还轻12公斤。

  作为高压压铸的工艺,一体式压铸本意是用非常高的压射速度,使合金溶液能在限定时间内填满模具,制造薄壁工件。但随着模具扩大,远端细小的位置对时间、压力的随之大幅扩大,只好把工件壁厚加厚以降低填充难度,实现工艺。

  例如普通钢板轮罩壁厚只有0.7毫米,但特斯拉Model Y的厚度则达到2.5甚至3毫米。“为考虑工艺性就(设计的)厚一些,因此造成了无效减重。”上述研发负责人表示。

  长城精工也表示,一体式压铸的后地板重量约55-63公斤。“如果单个零件来看对钣金件(目前)没有有很大的重量优势。但是根据国内车企的实操经验来看,由于为采用一体式压铸而进行的车身设计变化确实对整车产生了减重的作用。”

  目前,特斯拉和蔚来都先在后地板位置采用一体式压铸技术。因为后方碰撞主要由后防撞梁和后纵梁来承担,碰撞力传导到后地板时已相对较小,对整车的安全性影响不大。

  “一体化铸造所使用的免热处理铝合金材料从材料特性上不可能与钢板甚至是热成型钢板的机械性能对标。其焊接工艺目前也不如钢板的焊接工艺成熟。”梁振进表示,“因此对整车设计的指标值及安全设计相关的信息需要重新摸索,不能完全对标钢制的车身零件。“

  此前,整体车身还通过零部件之间的拼接获得一定的整体性能。车身连接工艺主要为FDS(单面自攻螺纹连接),与SPR(自冲铆接工艺是一个在铆钉与板料之间形成牢固互锁的冷成型工艺)。

  该工艺对铝合金的塑性变形能力有一定的要求,要求变形后能铆扣,形成螺纹不开裂。而当变形能力变差差后,也将影响连接工艺的性能。

  “材料的塑性变形能力一般采用折弯的方式去评价。传统压铸铝合金T7热处理后的折弯角度一般在60度。但目前市面上的免热处理压铸铝合金还存在一定差距。”上述研发负责人表示。

  因此,计划采用一体式压铸技术的车型需要重新设计,或改变碰撞力的传递路径,使其避开一体式压铸材料,或用高强度钢制造加强件。

  “目前据我们了解,特斯拉前地板因采用一体式压铸技术,车辆的传力设计路径需要重新匹配设计,已与传统钢制/钢铝混合车身的传递路径完全不同了。”罗岩表示。

  而且要布局一体式压铸,就要有特斯拉这种数款车年产2000万辆的雄心壮志。

  “一体式压铸核心门槛在于实现稳定生产。”上述业内人士表示,一次性连续生产5000(10天)-20000(30-40天)件,才是一体式压铸大型构件比较经济的规模。

  上述投资人计算,一个成本为1亿元的压铸岛一年产值约为2亿元,其中材料成本过半,制造费用占比30%以上,再扣除管理费用后,“剩下的不太多,而且资产太重。”

  西部证券的分析认为,以一套6800吨的压铸岛,年产10万件为例设备为例,需保证全天运营以及批量阶段80-85%的良品率,才能实现25-30%的毛利率,从而兼顾运营成本和年产值。

  传统钢制车身冲压件的良品率能够达到99%;4400吨以下的压铸零部件良品率为95%以上;

  《电动汽车观察家》目前了解的情况是,最早跑通一体式压铸技术的特斯拉目前良品率也只达到了90%。

  在一体式压铸目前自身的材料和工艺问题外,人才和售后难题也是全面落地的关键挑战。

  压铸作为小工艺门类,行业内高水平的专业人才稀缺,而企业想要布局一体压铸工艺,则需要一个高水平的工艺团队来保证持续稳帝生产。“特斯拉现在还在招压铸的人。”罗岩表示。

  此外售后也是问题。此前特斯拉Model Y的车主曝光由于后减震包撞坏,维修费用近20万元。而车辆本身才28万元。

  对此业内认为特斯拉自身将通过落地高阶智能驾驶辅助能力减少碰撞发生,以及自身精准的保险体系来摊薄售后成本。

  不过,罗岩告诉《电动汽车观察家》,有主机厂正在探索从材料和零部件设计层面入手,是通过重新设计传力路径,零件不参与或部分参与碰撞;创新压铸铝合金修补技术的开发,来避免/减轻碰撞的售后维修压力。

  “人、机、料、法、环都一定做得非常好才可以。”上述业内人士向表示一体式压铸工艺的良品率从90%再往上,就要靠时间了。

  罗岩持同样的观点:“一体式压铸的难点在于需要材料、工艺、模具、设备的配合。大家都在探索阶段,特斯拉有3到5年的领先优势。”

  汽车工业冲、焊、涂、总四大工艺也是经过近百年的时间才形成了如今完备的工艺技艺、稳定生产流程和高度适配量产需求的良品率。

  从特斯拉发布采用一体化后地板的Model Y至今,一体式压铸工艺才问世不到两年时间,人员、机器、材料、工艺方法、环境系统仍在面向100%成熟的道路上艰难跋涉。

  “理论上,肯定不能直接用特斯拉专利的材料。实际上,特斯拉的材料也不一定适合所有的车企车型。”一位材料领域的专家在2021年年底表示:“目前我们这些主机厂正在测试的材料里面,也有类似于特斯拉材料的成分。我了解到的情况,实际效果并不怎么好。反倒是一些其他类型的材料,现在看起来成功的概率还大一些。”

  热处理是传统压铸件获得/强化性能(强度、塑性、冲击韧性、硬度、疲劳强度等),调整内部晶体均衡度的主要手段。

  压铸件一般会通过T7\T6两种热处理方式。分别具体为T7:固溶处理加稳定化处理,人工矫形的难度会很大;T6 :固溶处理加完全人工时效,该热处理方式后工件变形只能矫平。

  但热处理导致的二次热胀冷缩会带来产品尺寸变形,或并产生气孔。小型零件可以通过整形工装(用模具整形的方式)等方式矫正。

  大型结构件压铸过程中的温度、压力、模流更加难以控制,热处理导致的产品变形问题将更多。通过后期整形的成本极高,且工艺更加复杂,导致难以实现商业化。

  因此,传统压铸所采用的,需要经过热处理才可增强性能的铝合金材料,不符合一体式压铸大型构件的量产需求。

  但免热材料在避免热处理导致的矫形“麻烦”后,也失去了通过热处理获得更强机械性能、调整均衡合金内部结晶组织的机会。

  因此,目前免热材料在材料本身面临两大挑战:如何获得能够与冲压零件相媲美的,更高的机械性;如何降低零件性能对合金内部缺陷/内部组织的敏感性;

  在与材料紧密相关的工艺层面也存在两大问题:如何保证大型零件整体性能的均衡性,避免一处与另一处的强度/韧性等性能表现不一致;如何解决因材料延展性不足,而导致的连接工艺性能变差的问题。

  但目前免热材料性能的提升症结并不在于材料配方,而在行业未能明确到底需要什么样性能的免热材料。

  因为要明确免热材料所需的材料性能,需要从最初的原始设计开始,重新设计和研究计划一体化零件的结构性;之后通过模拟分析判断出每个部位所需的强度高低和碰撞下的延展率需求如何。

  而这只能从主机厂出发。材料专家表示:“目前来看(2021年年底)国内主机厂提出的一些需求是非常粗糙的,都还很不准确。车企对一体式压铸也在尝试,材料厂更是不清楚具体的情况。”

  长城精工表示:“一体式压铸材料在强度、韧性方面与常规产品有所区别,主要是由于产品功能差异导致的。作为车身零部件,主要考虑其对车身强度和刚度的提升,而在韧性方面主要是基于车身吸震性以及连接工艺需求。”

  德国莱茵菲尔登、美国铝业以及中国立中集团、上海交大材料团队拥有免热材料专利。但有专家向《电动汽车观察家》表示,立中集团的免热材料仍主要应用在小型铸造件上,目前一体式压铸主流商用免热材料仍集中在美国铝业的材料基础上。

  罗岩表示,经过二次开发,特斯拉应用在前舱的材料强度比后地板可能提升了50%以上。“正常来说(强度提升后)韧性会略有降低,但据我们目前的了解,它现在前舱的铝合金材料韧性控制得也比较好。”

  2021年10月,蔚来与帅翼驰联合开发一体压铸免热处理强韧化压铸铝合金 材料 EZCAST 系列,将应用于第二代平台车型上。

  2021 年 12 月,华人运通高合汽车与上海交通大学轻合金国家工程中心在新 材料开发、低碳轻合金开发上达成战略合作,双方全球首发 了免热处理的

  TechCast™超大铸造用低碳铝合金。今年2月,铸造企业拓普与华人运通高合联合量产下线%的减重。

  在国内,罗岩表示上海交大、清华、北科大等材料团队的高性能一体式压铸免热铸造铝合金已经通过了实验室的测试,技术成熟度达到5、6级的水平,目前已进入量产测试阶段,积极寻求量产机会。

  而针对免热材料性能不足,对连接工艺(主要是SPR)性能影响的问题,目前一些车企已经开发出在材料低延展率的情况下,保证连接性能的技术。

  “目前的一体压铸用的铝合金材料的开发还处于初始阶段。各主机厂、研发机构、材料供应商、压铸供应商都百家争鸣般的在推广自己的材料,但材料的最终选定还是取决于各主机厂目标零件对材料基础性能、制造性能、成本等的综合考量。”高合汽车:“从长远来看,一体压铸用的铝合金材料必定会形成差异化、系列化的牌号体系,以满足各主机厂、各零件等的个性化需求。”

  梁振进表示,“抓准整车性能对零件的需求是把控开发目标以及合理提升产品合格率的关键。”

  按照流程,当免热合金材料确认之后,就是将合金液体灌入模具内,用压铸机一压了事。但目前的现状是,完美的一体式压铸浇排系统和与之配套的模具也不存在。

  “目前全行业一体化压铸的开发体系并不健全,对基础原理的研究和细化仍待深入探索。”梁振进表示:“现有的开发项目基本还处于仿效的道路上,很多信息可能还不是那么回事。“

  “不是那么回事”的原因在于要布局一体式压铸技术,需要从压铸的底层原理开始重新学习。

  如前文所述,冲压成形的钢制轮毂可做到0.7毫米的厚度,采用一体压铸的特斯拉Model Y的轮毂壁厚2.5-3毫米。壁厚加大消除了铝合金材料带来的重量减轻,导致无效减重。

  其原因,是以目前的压铸岛体系的能力,成型Model Y一体化构件结构,“要保证构件远端的充填以及成型后的机械性能,就需要适当加厚一些区域的产品壁厚。”梁振进表示。

  目前外界以压铸机的锁模力与压铸零件的投影面积,作为什么样的机器能做多大规模工件的量化标准。如6000-7000吨的锁模力可压铸投影面积1平方米的零部件;如包含电池仓在内的纯电皮卡中地板投影面积大于1.5平方米,则需要12000吨的锁模力。

  在实践过程中,梁振进深刻的认识到:投影面积只涉及胀形力:压铸过程中,填充结束并转为增压阶段时,作用于正在凝固的金属上的增压比压,通过金属铸件浇排系统传递型腔壁面,称为胀型力。需要安排模具恰好能够承受该力的工艺参数。

  更重要的是要获得足够快的充填过程。这意味着需要足够快的速度----涉及到设备流量Q,以及对应速度下有足够大的推动力---动态压射力P。

  如果1平方米左右的零件平均壁厚偏薄,或造型通道复杂,以目前6000-7000吨级别压机动态压射力与流量的水平,往往不能完全达到目的。

  “因为设备系统在填充过程中所提供的动力,不足以保证它能克服(复杂腔体中)阻力。”梁振进表示:“诸如充填过程中的零件造型、壁厚的分布状态等因素,浇注系统的造型设计,是衡量零件与设备匹配度更为重要的因素。”

  例如压铸过程中极为关键的工艺参数:填充时间——在这时间内完成合金型腔填充。

  因为合金流动性有一定的时间/温度范围,超过范围后会进入结晶区,一旦结晶开始形成,合金的流动能力会大幅度下降,难以填满型腔,或影响零件表面质量性能。

  对于填充时间已经有成熟的计算公式:NADCA(北美压铸协会)填充时间公式——即是铸造工艺的底层原理之一。

  但公式计算的准确性依赖于对表层要素的准确把握。如合金的固液相线温度、模具的工作温度、产品设计的平均壁厚等。

  表层要素的准确性,又建立在物理性能的把握上。如热交换物理特性,材料流动性、成型过程中产生的织晶结构、合金成型冷却收缩状态及相应的温度区间等

  多层特性和要素情况将形成数学模型,最终通过填充合金公式输出准确的填充时间范围。

  “原理上的东西老美很早就研究出来了,但国内压铸行业在基础原理方面的研究走的比较慢,现在只有30%左右的企业才开始重视起来。”梁振进表示。

  和所有的原理、knowhow的积累过程一样,铸造工艺的底层原理也是建立在大量的试验分析之上。需要众多的实验室探索和时间积累。

  国内压铸企业在原理层面研究较少的原因在于过去“用不上”。此前压铸零件较小,对现有压铸设备来说具有较大的工艺空间——例如压铸机可提供5米/秒-12米/秒的压射速度。零件较小时,设备有足够的能力使得工艺调整得以充分控制产品的充型。

  但当压铸零件从纵梁一级的产品变为后地板这样大小、复杂程度的零件时,工艺空间将瞬间缩小到设备能力的上限区间。

  “因此对基础原理、底层计算/验算的准确性要求就非常高。”梁振进表示:“你先得在底层的计算/验算明白,才能在面层上实现零部件所需的工艺。”

  统在欧、美、日体系中,由压铸厂的铸造工程师设计完成。模具企业只负责设计模具结构,然后管好模具的机械加工。

  但国内客户多要求模具企业参与或具有该能力。原因在于模具企业对各环节接触较多,有较多的经验可以借鉴。

  但随着超高压力、大尺寸零件的一体压铸将工艺空间逼向极限,不光是材料商,工艺上的各个链条环节都将需要从头进行原理层面的学习和突破,尤其是主机厂。

  为此,主机厂的车身设计师需要钢制、钢铝混合、免热铸造铝合金等不同材质、不同部位车身构件的碰撞受力形变、整体溃缩等情况的基础原理、底层know how有非常深入的掌握和理解。甚至还需要一定的压铸等制造工艺的了解和认识。

  所幸,近半年来随着压铸岛设备能力不断加强,一体式压铸的工艺空间开始大了一些。

  去年11月,国内首个自行开发设计的一个两段拼接后整车身项目问世,且已进入第四轮调试,性能已基本达到量产所需。“这个铸件的外观质量和运行稳定性都比国外同类产品要强很多。”上述业内专家表示,目前进入实验阶段的一体化压铸前舱和后舱模具出产的零部件延伸率达到前舱10%和后舱8%。

  “铝合金铸造本身是一个非常复杂的成型过程。目前还很难在零件设计之初准确预测其完成时各个部位的机械性能。当中还有很多工作可以做。”梁振进表示,“这个工作做好后,可以反向推动零件结构设计的准确度,明确各个零件应有的机械性能和各车身部位的侧重点,从而提升零件设计的有效性,确保其经济性。”

  “现在我们很多设计是为了保证一体式压铸工艺达成而安排的冗余。准确度提升了,减轻冗余的水分,才能真正实现减重和节能减排。”

  “这个工作”指的是在一体化压住各环节对试验、实践数据的收集分析,一体式压铸专业团队与仿真数据库的建立。

  例如在浇排系统的设计上,零件尺寸偏大、结构复杂,且铝合金溶液有着敏感的结晶时间段。为确保铝合金能在规定时间内充满型腔,流体在模具中的流动需要非常精确的仿真,以优化进液、排气口在内的流道设计。

  不仅是浇排系统,车身零件设计、铸造工艺过程,都需要这样高度精确的仿真过程。“高压压铸因为其高温、高压、高流速的问题具备以下技术难点和问题,技术壁垒较高。而且,一体压铸构件也常常出现孔隙率缺陷、以及气泡问题等”。

  罗岩表示:“这些对于主机厂和零部件企业来说都是一个全新的摸索阶段。仿真是基于前期大数据积累之后对未来的预测。所以在前期缺乏积累的情况下,预测是都是不准的(造成良品率较低等问题)。”

  “随着主机厂慢慢掌握了数据积累,甚至试模、调整工艺参数、优化流道设计等方面的基础方法后,在全产业链协同之下,成品率就会提高。”

  业内人士表示:虽然现在有压铸机和压铸厂提供团队,但并不意味着主机厂可以完全依赖供应商的交钥匙工程,而是需要自己掌握一体式压铸的KNOW HOW:一方面实现高良品率的稳定生产;另一方面则为后续零件开发积累经验。

  “一体式压铸岛的设备数量和操作复杂度都大幅增加,对于从普通压铸厂中出来的工艺工程师来说很难快速上手。” “这需要主机厂拥有自己的工艺团队,对整个压铸工艺和每种设备特性有很深的了解。如果是一两个人压力就很大。团队大一些,每个人负责几种工艺设备是比较科学的。”

  何盛华表示,“铸造对工艺的参数要求很高,要从90%再往上就无法只靠老师傅的经验了。而要靠工艺质量的大数据分析平台,物联数据采集,甚至很多深度学习算法。”

  目前,数益工联打造的数字化工厂通过适配数字化软件,将压铸岛内所有设备联网,用以采集所有的工艺参数,以及之后产品质量检测的结果数据。由此之后建立工艺质量大数据分析平台的数据模型。

  “随着数据积累,我们就可以看原材料成分,模具温度、熔炼铝水温度,压铸机的工艺参数,喷涂液成分,喷涂路径等,使一体式压铸产品合格率能够更高。”何盛华表示。

  该系统中将包括计划报工管理、模具管理、质量管理、设备管理、异常管理等14个模块35个功能,达成设备物联实时采集、生产报工数据实时获取、库存数据实时透明、质量全追溯等目标,构建过程管控质量标准内置提质,打造工艺可追、质量可溯的数字化、智能化工厂。

  与仍在努力攻坚克难的免热材料、浇流体系、整体工艺相比,压铸机和压铸岛等设备的技术成熟度要相对更高,而且正朝着更“大”的方向进发。

  罗岩告诉《电动汽车观察家》,作为大型压铸机的龙头企业,力劲在一体压铸领域的市场份额已达到50%以上。此前卖给特斯拉的大型压铸机还是三板式,目前其研发的直压式压铸机已进入量产阶段。

  其中,三板式压铸机锁模力只有一个。两板式由于采用伺服电机的行使控制,能够在一个区间内柔性控制锁模力。瑞士布勒长于两板式的压机设计。

  罗岩表示,直压和两板式压机除在装备寿命、稳定性、压铸机尺寸方面的优势外,相比过去最大的好处是产线的柔性更好。

  “压铸工艺涉及到压射速度、充型时间、模具温度等等一系列参数设计,环环相扣,都会直接影响产品质量。

  同吨位的直压式、两板式,与三板式压机的价格差异不大。“直压、两板式,与三版的区别主要在于对压机基础零部件的要求更高,压机结构设计的要求也更高。”

  据了解:布勒、伊之密、海天都已分别拿到了6000吨、8000吨的高压压铸机订单合同,但还尚未交付。力劲则已有10余台一体式压铸岛在终端运行。

  在给交付特斯拉交付的6000吨机器之后,力劲9000吨和12000吨的机器都已拿到了采购合同,进入量产制造的阶段。

  结合其他材料、工艺创新,一体式压铸可能让汽车像乐高一样高度集成、易拼接,使得人类工业难度最高的部门——汽车制造,变得轻而易举。

  然而一项技术,从无到有、从有到优,往往需要漫长的时间和痛苦的磨合过程。对讲究成熟、可靠、完善的汽车制造商来说,布局或不布局一体化压铸,此刻都是一个颇为艰难的选择。