新能源汽車副車架一體化壓鑄技術研發與應用

夏天發表于2024/12/24 9:35:38 副車架一體化壓鑄技術

原標題：新能源汽車底盤副車架一體化壓鑄技術研發與應用

摘要

新能源汽車底盤副車架尺寸大，結構復雜，力學性能要求高，常規一體化壓鑄工藝無法滿足設計要求。采用三級抽真空技術，提高了模具型腔的真空度，真空度達到≤15 kPa；采用集群局部擠壓技術，改善了區域組織結構，有效縮減了縮孔，減少了氣孔。生產實踐證明，兩種技術的應用使壓鑄件的力學性能達到了設計要求，提升了壓鑄件品質，提高了生產效率，產品合格率達到95%以上。

在“雙碳”目標下，新能源汽車已經成為汽車工業的重要支撐。根據統計，2021年我國新能源汽車全年銷量超過350萬輛，市場占有率提升至13.4%；2022年新能源汽車全年銷量達到740萬輛，滲透率提升至30%；2023年新能源汽車銷量達到949.5萬輛。

輕量化是汽車行業發展的大趨勢，降本增效的需求進一步驅動汽車減重。對于新能源汽車，提升續航里程，降低電池成本是發展方向。新能源汽車電池過重、電耗較高，且能量密度低于傳統的燃油汽車，影響續航里程，使得車企對其輕量化的需求更加迫切。因此，車身輕量化成為新能源汽車提升續航里程、提升耐久性和提高節能效率的必然途徑。而一體化壓鑄的應用有助于輕量化的實現。

特斯拉一體化壓鑄效應轟動了汽車制造業，迎來了汽車車身工程工藝的變革，一體化壓鑄促進了鋁合金材料創新與發展。特斯拉Model Y后地板總成采用一體壓鑄后重量降低了30%，制造成本相比原來下降了40%。

但一體化壓鑄技術存在很多方面的技術壁壘和技術瓶頸。一體化壓鑄產品的材料屬性和力學性能比普通壓鑄件要求更高，常規壓鑄工藝無法滿足設計，需要技術積累和技術創新才能保證量產的良品率；一體化壓鑄模具結構復雜、制造費用高、準備周期長。

本項目與寧波瑞立機械有限公司緊密合作，以新能源汽車底盤副車架為載體，對大型零配件一體化壓鑄技術進行改進與創新，并將創新技術推廣應用至其他結構復雜、超大型一體化壓鑄件，提高公司的技術研發能力與市場競爭力。

1 新能源汽車底盤副車架結構

圖1是新能源汽車底盤副車架正反面。副車架的特點是壓鑄件尺寸大，858 mm×507 mm×215 mm，屬于超大型壓鑄件；壁薄，最大壁厚為10 mm；分布很多加工筋，形成了數量可觀的深槽；型腔配合面多，加工精度要求≤±0.03 mm。表1是底盤副車架壓鑄件和模具的主要性能參數和技術指標。

圖1 新能源汽車底盤副車架

表1 底盤副車架性能參數和技術指標

底盤副車架是受力件，力學性能要求相對較高，通常采用低壓鋁合金或鑄鐵，缺點是生產效率不高，合格率偏低，尤其是采用鑄鐵材料副車架，重量太大，與新能源汽車輕量化方向相背離。

經過多次論證與性能對比，最終選取免熱處理的鋁合金HDX。鋁合金高壓鑄造解決了低壓鑄造效率低的問題，同時又克服鑄鐵重量大的缺陷。但是副車架需承受很大的載荷，其抗拉強度、屈服強度、伸長率以及壓鑄件內部質量（氣孔、鎖孔）要求非常高，采用常規的壓鑄工藝無法滿足設計要求。

本項目將采用三級抽真空壓鑄技術和集群局部擠壓技術，改進創新壓鑄工藝，提升壓鑄件品質，提高生產效率，降低產品不合格率。通過該項目研發，提高公司一體化壓鑄技術水準，提升公司一體化壓鑄的技術積累，增強公司核心技術競爭力。

2 三級抽真空壓鑄技術

壓鑄是利用高壓將金屬液高速壓入到模具型腔內，金屬液在壓力作用下冷卻凝固成形的一種工藝方法。由于金屬液以高速噴射狀態充填至模具型腔，型腔中部分氣體無法排除而殘留在鑄件內，可能產生氣孔、縮孔等內部缺陷，影響產品品質和力學性能。為了提高壓鑄件的力學性能，拓展壓鑄制品的應用范圍，從業人員嘗試了多種壓鑄新工藝與新方法，真空壓鑄法是目前眾多工藝方法中的獲得廣泛應用并取得良好效果的一種技術。真空壓鑄法，填充之前利用真空泵等將型腔內的氣體抽出，使金屬液在接近真空的環境下充滿型腔，降低壓鑄件中殘留的氣體，從而改善其力學性能。

2.1 真空系統數學模型

圖2為真空壓鑄抽真空流程示意圖。在任一時刻t，真空壓鑄中真空泵直接對型腔抽真空過程中，型腔真空壓力隨時間的變化規律可以通過公式（1）進行表述：

式中：Vc為壓鑄模具型腔體積；Pc為壓鑄模具型腔實時壓力；Se為真空泵對壓鑄模具型腔的有效抽速。

圖2 真空壓鑄抽真空流程示意圖

利用真空壓鑄法對模具型腔抽真空，為了達到理想的真空度，壓鑄模具會設計相應的全密封結構，包括沖頭、動定模芯、頂針、鑲件、滑塊等所有成形零部件。盡管如此，型腔與周圍環境存在壓力差，導致模具的分型面、頂桿、壓射沖頭等位置都可以成為氣流通道，因此模具型腔的泄漏Q泄必須考慮，則公式（1）修正為：

由于模具型腔的泄漏量與t的變化可以忽略，公式（2）的解為：

公式（3）的解由兩部分組成，第一部分與t有關，反映了真空泵抽出模具型腔的真空度壓力變化，且其下降形式是指數函數；第二部分與t無關，反映了型腔泄漏對于模具真空度的影響。

當時，也就是真空泵對型腔長時間抽取（幾小時或更長時間），則公式（3）第一部分趨于0，型腔壓力由第二部分決定，型腔真空度能達到10-5 MPa數量級。

但是壓鑄過程的抽真空時間通常只有幾秒鐘，而真空泵對壓鑄模具型腔的有效抽速能達到2 000 L/s甚至更高，因此公式（3）第二部分可以忽略，型腔實時壓力度由第一部分決定。一般狀態下，模具型腔真空度可達≤91 kPa。

2.2 三級抽真空技術

新能源汽車底盤副車架壓鑄模具，采用常規抽真空工藝試模，產品合格率維持在70%以下，無法滿足壓鑄件95%以上合格率的要求。壓鑄件的缺陷主要表現為拉傷痕、熱裂紋、氣孔、縮孔等，如圖3所示。

圖3 鑄造缺陷

按照底盤副車架產品工藝要求，壓鑄件表面拉傷痕長度不得大于0.5 mm，加強筋側面拉傷痕長度不得大于0.3 mm，加強筋底部不得有拉傷痕；壓鑄件表面包括加強筋的熱裂紋凸起長度不得大于1.5 mm。

產生這些缺陷的因素還是因為壓鑄過程中的氣體含量偏多，包括壓鑄抽真空未排除而殘留在型腔的氣體以及壓鑄過程中新增氣體，造成模具型腔真空度未達到設計要求。

為此，本項目設計了如圖4所示的三級抽真空方案。模具采用一模兩腔，圖4的料筒最上部矩形孔是鋁液倒料口，下面的圓孔是真空抽氣孔，真空抽氣孔通過管子（圖中未畫出管子）與真空泵相連接。料筒下面是流道，流道通過內澆道與副車架型腔連接，副車架型腔另一側分布溢流槽。每個副車架溢流槽連接2個真空閥和1個排氣塊，真空閥和排氣塊各連接1個過濾嘴，每個過濾嘴利用軟管與真空泵相連接。因為是一模兩腔，本副壓鑄模包括料筒上的抽氣口，總共連接7個真空泵。