汽车轻量化面面观

2023年，中国汽车销量首次超过3000万辆，其中，安徽省的汽车产量达249.1万辆，位居全国第二。全球超9000万辆的汽车产量，中国占据了其中的1/3。此外，2023年，新能源汽车持续快速增长，销量达949.5万辆，占全球新能源汽车的60%，同时成为第一汽车出口大国。随着全球对环境保护和能源效率的日益重视，汽车轻量化已成为汽车行业发展的重要趋势。在这样的大背景下，中国汽车产业也在不断加快转型升级的步伐，积极推动汽车轻量化有色铸造技术的研发与应用。

据了解，轻量化主要分为结构轻量化、材料轻量化以及工艺轻量化：结构轻量化是轻量化设计的一个重要手段，通过创新的结构设计，可以减少零部件的数量，优化结构，从而实现轻量化；此外，铝合金、镁合金、高强度钢、碳纤维、工程塑料等材料都有轻量化的作用，例如铝合金在前碰撞横梁、发动机舱盖、钢铝混合车身等零部件中有重要应用；在工艺轻量化方面，目前广泛应用的有激光焊接技术、液压成形技术、高强度钢热成型技术、一体化压铸等技术。

本期特别报道，我们将聚焦在铝合金、镁合金这两种轻量化材料的加工、应用，以及一体化压铸技术的发展，试图通过产业链上下游的分享，来探寻汽车轻量化这一趋势背后的技术支持，以期能够带给读者一些新的思维火花。

汽车轻量化2.0：镁合金替代

镁是地球上储量最丰富的资源之一，我国镁矿资源占全球的70%以上，可以说，镁合金是中国能够100%自给的金属，也是我国最具战略优势的金属材料之一，多位院士曾表示镁资源“取之不尽、用之不竭”。

除了资源丰富，镁合金还具有适合大批量生产、耐久性好、尺寸稳定性高、力学性能好以及装配更简单、模具寿命更长等诸多优势，最重要的是，镁合金的轻量化优势契合了当下节能减碳的大趋势。合肥工业大学教授张炳力在演讲中表示，镁合金是比铝合金更轻的材料，轻量化效果更明显，并且具有良好的成型性能和导热性能，理论上用铝合金的地方都可以用镁合金代替。

“镁合金是目前最有效也是最环保的轻量化材料之一。”中国工程院院士、重庆市科协主席、国际镁学主席潘复生表示道。据他介绍，目前已有数百种镁合金汽车零部件被开发出来，其中有几十种汽车镁合金部件已经得到成功应用，例如汽车中的壳体类零部件、方向盘骨架、转向柱、仪表盘骨架等。“使用镁合金单车可减轻100公斤的重量。”镁瑞丁亚太技术中心主任毛明智在其演讲报告中指出。

“目前国产汽车单车平均镁合金用量在3-5kg，北美市场单车平均镁合金用量在15kg，根据中国《节能与新能源汽车技术路线图》，我国2030年的目标单车镁合金用量为45kg。”宁波海天智胜金属成型设备有限公司副总经理洪剑文分享了镁合金在汽车领域应用的现状。

然而，在传统的镁合金铸造工艺中，所用到的保护气体对大气是有污染的，有没有一种更低碳环保的镁合金成型技术呢？镁合金注射成型工艺不乏为一项更低碳环保、安全可控的工艺，并且能大幅提升材料利用率。

据洪剑文介绍，注射成型工艺生产的镁合金在智能驾舱、三电类壳体、车身结构件领域有诸多应用。“在驾驶台屏幕背板中，特斯拉、宝马、奔驰、奥迪等指定采用注射成型工艺生产单屏、双屏、三联屏等，国产品牌中的‘蔚小理’，其大部分外观件要求的屏幕背板也都采用了该工艺。”他介绍道。

随着一体化超大镁合金铸造技术取得重大突破，该技术成为全球汽车工业的重点发展方向。加上镁合金表面耐腐蚀技术拥有重大进展，以及其本身具有的良好的屏蔽电磁辐射的性能、减震性能等，除了在汽车行业，其在航空、高铁、储能材料等领域也有着诸多应用。潘复生院士表示，镁产业不仅要服务制造业，在某些领域要敢于引领制造业的发展。

铝合金铸造的优势与难点

虽然镁合金的应用前景非常有潜力，但目前在产业化的过程中仍有诸多瓶颈。例如，镁合金材料价格波动大，材料品类不够丰富，以及成型工艺的品类不够丰富、对于镁合金生产的安全管控还缺乏认知，这些因素都在一定程度上制约了镁合金铸造的产业化发展之路，需要业内人士进一步探索。在当下，铝合金的应用在汽车轻量化领域正发挥着不可或缺的作用。
铝合金是一种轻质化的材料，主要应用于发动机气缸体、气缸盖、进气歧管、活塞、变速箱壳体、轮毂等，具有较高的强度和刚性，易于加工，可通过铸造、锻造、挤压等工艺制造出复杂的形状和高精度的部件。此外，其还具有良好的抗腐蚀性能，可在各种环境下长期保持表面光洁和性能稳定，并且易于回收，目前回收率不低于85%。

安徽万安汽车零部件有限公司副总经理张昊表示，汽车的轻量化对于减排、节能有着重要作用，汽车每降低自重100kg，全生命周期内减排可达800kg，可节省汽油3吨，对于电动车来说续航里程可增加25km。随后，他又解释了“簧下质量”的概念，“簧下1斤，簧上10斤”，充分表明了汽车底盘的轻量化对于整车轻量化的重要作用。随着各类铝合金工艺的创新和不断优化，推动了汽车底盘轻量化的快速发展。

“相对于高压铸造而言，低压铸造可以实现零件的空心结构，封闭截面是最优的结构形式。”张昊分享道，对于底盘结构件而言，空心铸件的轻量化效果远大于实心铸件。此外，相比大型压铸机，铝合金低压铸造技术所需的设备和材料成本相对较低，经过T6处理的铝合金能实现较高的强度。“一体化压铸也可以根据实际的产品需求用低压去做，降低成本。”他继续分享道。

但低压铸造铝合金也存在一些挑战：例如，易出现缩孔、气孔浇不足等缺陷，对模具结构及铸造仿真提出了极高的要求。热处理带来零件尺寸变形的问题，以及冷热态转换会影响零件生产节拍。通过计算机仿真辅助，结合现场实际，可以准确捕捉充型及冷却过程中的关键参数，提高合格率。通过对热处理过程关键参数的控制以及合理的工艺设计，可以控制零件变形。

大型一体化免热处理压铸铝合金材料的开发和应用在推动铝合金材料在汽车领域的进一步应用有着重要的作用。立中合金集团首席材料科学家熊守美教授分享了清华大学和一汽铸造有限公司联合开发的铸态高真空压铸结构件铝合金材料，以及清华-立中系列的免热处理压铸铝合金，可以满足大型一体化后地板、前机舱以及电池壳体的结构件的设计与开发需求。

一体化压铸带来的启示

一体化压铸可以很好地实现车身的集成化、轻量化以及平台化，例如，重庆长安的一体化压铸车身前机舱集成了73个冲压件，后地板集成了90个冲压件，极大减少车身制造工序，并且与钢制结构相比减少了20%的重量，前舱吸收效率提升50%，有效保障成员安全。

然而，对比传统钢制车身，一体压铸车身在成型工艺、装配方式及连接工艺方面完全不同，零件的尺寸公差和变形矫正方案需要重新摸索，一体压铸工件成型后尺寸很难矫正。压铸工艺的特性、热收缩变形、工艺流程、铸件外观等会影响一体压铸件尺寸。

那么，要如何提升一体压铸件的精度呢？重庆长安一体化压铸工艺总工艺师曾云波表示，产品结构设计和铸造工艺SE分析质量直接决定了一体化压铸件的成型质量和尺寸精度，模具结构设计决定了工件的成型质量，采用模流分析软件进行应力应变分析，可以提前判断尺寸变形趋势，针对模拟结果可以在模具上进行反变形设计和修模。此外，无法通过模具反变形设计达成的尺寸问题最后可以通过矫形工艺设计解决。

“白车身尺寸匹配最重要的是零部件尺寸的一致性（pp值），尤其是一体化压铸件，目前要求pp值≥1.33，极差＜1.0mm。”曾云波分享道，“总的来说，采用一体化压铸以后，我们白车身零件数量大幅降低了，减少了很多复杂的连接工艺和工序，有利于白车身精度的提升和稳定。值得一提的是，我们的一体压铸首批样车白车身全尺寸精度平均在84%，传统钢车身一般在60%；经过3个月的匹配提升后，白车身精度达到平均95%，而钢制车身这一阶段普遍需要6个月。”

据蔚来汽车压铸专家王禹彭介绍，蔚来汽车并没有自建的压铸车间，更多的是协同上下游来做压铸件，“让专业的人做专业的事”。不过，在整个压铸环节，蔚来汽车会在材料、铸件、铸造分析、模具设计、模具加工等15个关键的技术节点去做管控。

“蔚来汽车目前上市的绝大部分车型都使用了一体化压铸。”王禹彭分享道，“一体化压铸目前不是从0到1或者可不可以做的问题，而是其工业化的过程能不能做得更好的问题，是品质、成本和生产效率的问题。”

王禹彭表示，一体化压铸首先要解决的是质量问题，目前一体化压铸件无论是在外观还是内部，以及尺寸、性能、表面质量方面整体的良品率能达到90%。然而，传统的质量评估对于车身结构件没有那么重要，对于一体化压铸件来说，更多的关注点在于其机械性能、尺寸稳定性以及SPR连接工艺方面。

“这些问题从上一代的技术到现在的一体化压铸，其实都没有很好地解决，产业链可能需要调整关注的方向，例如，对于一体化压铸件的质量分析需要进入到微观金相品质分析的程度。压铸并不仅仅是一个硬件投资的问题，如果一个压铸厂没有一个金相实验室或者专业的金相分析人员，我不认其能够做好相关的产品。”王禹彭诚恳地提出了他对于压铸产业链的期待。

对于压铸件的质量，王禹彭表示，这不仅仅是一个简单的维护的问题，从最开始的材料选择，到铸件的设计以及铸造分析等各个环节都与之密切相关。“如果没有预测性的分析，提前预警质量问题，那么模拟分析起到的作用也是相当有限的。”

除了质量问题，人们对于一体化压铸的成本问题也非常关注。“中国企业在成本的改善远超三年前人们的想象，目前一体化压铸件的成本下降非常快。”据王禹彭介绍，目前在一体化压铸件中，材料占成本的一半。另外一个容易被忽视的成本是模具的成本，排在第二位，主要原因在于大部件的模具结构设计、钢材的选择等，目前的行业成熟度还不够，因此成本也比较高。此外，目前对于一体化压铸行业来说，动辄几千上万吨锁模力的压铸机，耗电量本身就很大，固定资产的投入也是非常高的。“这需要压铸厂、技术团队和主机厂充分沟通交流，去有针对性地进行投资，而不是盲目购置高配置的设备。”

此外，王禹彭还提到了一个交付效率的问题，这也是压铸行业关注的一大热点话题，与生产节拍息息相关。然而，目前行业中看到的节拍往往是表层的节拍——机械的生产速度和效率，然而，压铸件的核心是热循环的设计，铸件的壁厚会传导给模具，模具的热传导效率才是真正的节拍效率，决定了压铸件和模具分离的速度。

极氪采用一体化压铸的时间要追溯到2022年，在极氪009车型首发，随后作为极氪的核心技术用于后续全系车型。为了降低碰撞后的维修成本，极氪采用四段式碰撞分区策略：低速碰撞区后防撞梁吸能变形后可以直接更换；中速碰撞区挤出铝安装梁变形吸能后可以进行更换；遇到高速碰撞以后才会涉及到一体化压铸零件本身的维修；此外，还有一个不变形区来保障乘员舱完整和安全。

“一体化压铸零件帮助我们在很多方面有了改善，比如定点安装帮助整车提升，集中度方面从原来的76个零件变成了一个，减少了800个焊点，不过减重方面没有预期的那么明显，减重了16%，随着工艺迭代未来减重能达到20%左右。”极氪汽车智能科技的压铸专家候东锋分享道。

“成本最主要的还是在材料方面，可以通过积极增加回收铝的应用比例来降低成本。此外，模具费用也是比较大的一块，模具寿命的提升以及模具钢的国产替代是降本的一大方向。还有一块就是设备运营维护的费用，提升自动化和智能化的水平是关键的一环。”

候东锋重点分享了极氪智能压铸工艺系统：该系统集智能生产、监控、反馈、检测、优化为一体，中控机汇总全部核心工艺参数，协同计算。该系统结合了CAE仿真、机器自学习、图像自识别分析等多种前沿技术，实现质量与参数的关联。“依托3D设计、虚拟仿真，我们的L4级智慧压铸工厂实现了车间布局、动力管线的透明化，进行虚拟建造，实现数字孪生，设计符合性达100%，大幅缩了短新项目的投产周期。”

一体化压铸技术结合了模具制造、压铸和热处理等多种技术，该技术面临着工艺复杂、热处理难度大、模具寿命短等难题。因此，由于一体化压铸的复杂性，不仅要求生产厂商有先进的生产设备和技术，也需要其有严谨的生产管理和质量控制体系。为了确保生产过程中每一道工艺都能正常进行，需要考虑到各种因素，如材料、模具、温度等，如何设计出高效、精确的制造工艺流程对一体化压铸技术来说也是至关重要的。

随着中国新能源汽车的市场渗透率越来越高，一体化压铸技术也受到了越来越多的关注。富伟机械为了满足智动化制程中高效率且安全的换模作业需求，导入智动化快速换模系统。如应用于生产汽车压铸件大型模具换模作业的交换台盘系统，就是属于智动化快速换模系统中的夹持系统自动化换模设备，而3C产品等则大都使用小型模具来量产，主要以通用型的智动化快速换模系统进行换模作业。

“我们公司一直关注一体化压铸技术在汽车行业的应用，并且推出两岸首创涵盖三大系统的「智能模具管理系统」，包括已量产的「模具输送系统」、「模具自动仓储系统」及可运用于模具自动存入前进行维修保养作业的「模具维修系统」等。该「智能模具管理系统」可有效协助金属成型与射出成型等从业者透过专业规划，建立一套针对模具快速高效、安全、轻松、有系统的一条龙「智动化」管理系统。”富伟机械科技（淮安）有限公司总经理高识福介绍道。

在他看来，一体化压铸技术具有广阔的前景。“随着制造业的快速发展，对生产效率、成本控制以及产品质量的要求日益提高。一体化压铸技术作为一种先进的成型工艺，能够满足这些要求，因此在未来有着巨大的发展潜力。”

在碳中和、绿色制造、数字化、智能化、电气化的大背景下，无论是汽车本身的系统结构，还是其制造方式，正在迎来巨变，智能制造已成全球产业发展不可逆之势，更是企业巩固市场地位、优化市场竞争力的重要指标。高识福表示，一体化压铸技术从业者已全面推动智能制造，广泛应用物联网（IoT）及协力体系远程监控系统，打造出完整智能制造体系。“运用IoT实现可视化管理，企业应尽快将合理化与标准化进行到位，完成自动化生产阶段目标，为大数据智能化生产时代的到来做好准备，才不会被快速智慧化发展趋势淘汰。”

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

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