汽車批量化生產(chǎn)以來，汽車白車身生產(chǎn)工藝需經(jīng)歷沖壓及焊接兩個工藝，而一體化壓鑄則直接由熔化的金屬液澆注、整形和冷卻成形。汽車輕量化是節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。鋁合金作為重要的輕量化材料，受到整車制造企業(yè)的廣泛關(guān)注。目前，汽車輕量化的主要手段是發(fā)展一體化壓鑄，可簡單理解為超大尺寸產(chǎn)品壓鑄成形技術(shù)，產(chǎn)品主要包括前艙總成、后地板總成、電池托盤等，具有尺寸大、集成度高及一次成形等特點。另外，一體化壓鑄件毛坯的澆注質(zhì)量相較于傳統(tǒng)件增大許多。基于此，必須研發(fā)更大鎖模力的壓鑄機、產(chǎn)品搬運設(shè)備、壓鑄島設(shè)備以滿足一體化壓鑄件的成形、產(chǎn)品輸出轉(zhuǎn)運及產(chǎn)品澆道渣包的去除。澆注質(zhì)量增加，會導(dǎo)致鋁液倒料時間延長，為了減小鋁液降溫的影響，必須研發(fā)給湯速度更快的設(shè)備。因此傳統(tǒng)的壓鑄元素，包括設(shè)備、材料、工藝、模具等都需要突破甚至顛覆原來的技術(shù)，才能滿足前艙、后地板及電池托盤的生產(chǎn)。一體化壓鑄件的生產(chǎn)，必須解決產(chǎn)品尺寸過大導(dǎo)致的壓鑄機合模力需求大增、鑄件流程過長導(dǎo)致的模具溫度平衡、生產(chǎn)節(jié)拍過長、產(chǎn)品變形、保溫爐局限導(dǎo)致的鋁液質(zhì)量不高以及給湯效率問題。針對這些問題，提出一體化壓鑄單元設(shè)備的解決方案，包括壓鑄單元布局、模具的噴涂潤滑、鋁液的供給、模具溫度的平衡控制、壓鑄超高真空控制技術(shù)等。本研究介紹了一體化壓鑄件壓鑄單元設(shè)備的解決方案，旨在為一體化壓鑄生產(chǎn)提供參考。

圖文結(jié)果

新能源汽車前艙等大型鋁合金壓鑄件生產(chǎn)過程如下：原材料以鋁錠形式由貨車運輸?shù)焦S，經(jīng)叉車轉(zhuǎn)運至車間內(nèi)鋁錠存放區(qū)。熔煉爐將原材料熔煉成鋁液后轉(zhuǎn)至保溫爐，給湯機從保溫爐取料給湯到壓鑄機，壓鑄機壓鑄成形后，由機器人取件，進行產(chǎn)品檢測、水冷、渣包切除、激光打碼、料餅切除，檢測合格后從壓鑄島下線，經(jīng)去毛刺和X光檢測后，合格件被運往機加工區(qū)，不合格件進入廢料區(qū)等待切割后回爐使用，設(shè)備開機時生產(chǎn)的熱模件和正常生產(chǎn)狀態(tài)下等切割的料餅均可經(jīng)破碎后作為回爐料使用。

壓鑄單元的配套設(shè)備有：噴涂機器人及噴涂系統(tǒng)、取件機器人及取件系統(tǒng)、產(chǎn)品檢測裝置、產(chǎn)品冷卻水槽、去渣包裝置、等離子切割（或者大型壓床和沖模的沖切方式）、矯形裝置、打碼站、點冷機、真空機、模溫控制系統(tǒng)、模溫數(shù)據(jù)監(jiān)測反饋系統(tǒng)和油污收集器等，與壓鑄機組成一個完整的系統(tǒng)。周邊設(shè)備的布置形式及數(shù)量應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品的工藝要求而定，生產(chǎn)節(jié)拍應(yīng)與壓鑄機相匹配。為了獲得最大的空間利用率，最有效率的物流路線，最佳的生產(chǎn)流程以及最短的生產(chǎn)節(jié)拍，必須對以上壓鑄單元的所有設(shè)備進行合理的布局。以鴻圖120 000 kN壓鑄單元為例，產(chǎn)品為前艙、后地板，布局設(shè)計方案見圖1。

圖1 廣東鴻圖120 000 kN壓鑄單元

為生產(chǎn)超大尺寸的一體化壓鑄產(chǎn)品，壓鑄機尺寸需要相應(yīng)增大，見圖2。主要體現(xiàn)在160 000 kN壓鑄機的合模機構(gòu)上，其模板長寬達到4 600 mm以上，哥林柱直徑超過?600 mm。為了保證超大模具在合模狀態(tài)下各個接觸面的合模力一致，以及實現(xiàn)快速開合模，采用直壓式的鎖模結(jié)構(gòu)，即鎖模結(jié)構(gòu)由原來的曲肘設(shè)計實現(xiàn)合模動作高壓鎖模力要求，變?yōu)橹苯邮褂贸蟮挠透谆钊透邏海?1 MPa）油壓來實現(xiàn)合模動作高壓鎖模力要求，即由原來的機械方式變?yōu)橐簤悍绞健Ｔ摶钊睆郊s為?600 mm，4個活塞各對應(yīng)一條大杠，大杠上有獨立的凹槽，合模最后階段，通過4個大油缸活塞驅(qū)動卡齒卡住大杠的凹槽，并通過穩(wěn)定的高壓油壓來實現(xiàn)160 000 kN以上的鎖模力。與傳統(tǒng)的機械曲肘鎖模方式相比，直壓式鎖模結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)機械磨損導(dǎo)致的鎖模力不穩(wěn)定的情況，而且4條大杠獨立控制鎖模力，能夠允許出現(xiàn)4條大杠鎖模力不平衡的情況。此外，直壓式鎖模結(jié)構(gòu)可以快速合模油缸推動中板前進，直到型板緊貼模具后，然后啟用直壓式（超大活塞）油路實現(xiàn)高壓鎖模。

圖2 廣東鴻圖160 000 kN壓鑄機

表1 模溫控制系統(tǒng)的配置

圖3 模溫設(shè)備系統(tǒng)布置圖

模溫機工作原理為將有機熱載體（導(dǎo)熱油）通過熱油循環(huán)泵進行液相循環(huán)，并通過電加熱升溫至目標(biāo)溫度后輸送到模具，模具出油口再回到油溫機，形成完整的循環(huán)加熱系統(tǒng)。油溫機利用高導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱媒介，以及更高的溫差在很短的時間內(nèi)將模具內(nèi)溫度提高或者將多余的熱量送走。在設(shè)定好熱平衡溫度后，能自動控制其溫度在極小誤差之內(nèi)，且能維持定值。利用溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)模具的平衡溫度，從而實現(xiàn)優(yōu)化循環(huán)時間，更好地促進產(chǎn)品定型。水溫機原理是將水通過循環(huán)泵進行液相循環(huán)，并通過電加熱升溫至目標(biāo)溫度后輸送到模具。模具出水口再回到水溫機，形成一個完整的循環(huán)加熱系統(tǒng)。水溫機利用壓力控制系統(tǒng)，將 100 ℃以上的水保持液態(tài)，形成過熱水。水溫機利用過熱水壓力高、流速快的特點及更高的水與模具的傳熱效率，在更短的時間內(nèi)將模具內(nèi)溫度提高或者將多余的熱量帶走。在設(shè)定好熱平衡溫度后，能自動控制其溫度在極小誤差之內(nèi)，并能維持定值。利用溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)模具的平衡溫度，從而實現(xiàn)優(yōu)化循環(huán)時間，更好地促進產(chǎn)品定形。

圖4 模具溫度檢測系統(tǒng)

生產(chǎn)單件一體化壓鑄件成本非常高，對壓鑄生產(chǎn)過程進行管控是其中一種應(yīng)對措施。模具表面溫度是動態(tài)的工藝參數(shù)，在每個鑄造周期內(nèi)都必須保持在最佳且均勻的范圍內(nèi)，這會影響鑄件品質(zhì)和模具壽命。前艙、后地板、電池托盤在生產(chǎn)過程中的溫差較大，必須對生產(chǎn)過程中的模具溫度進行監(jiān)測及記錄并實時反饋異常，以保證產(chǎn)品的品質(zhì)。紅外熱成像在線監(jiān)測系統(tǒng)通過高達數(shù)十萬個以上的測溫點數(shù)據(jù)實時形成清晰的熱像圖，可以直觀分析被測物體表面任何點或關(guān)注區(qū)域（ROI）溫度變化情況，對比工作循環(huán)的相同階段前后數(shù)據(jù)，找到溫度分布正確優(yōu)化的依據(jù)，通過預(yù)設(shè)溫度閾值實現(xiàn)報警提示，原理見圖4。由于一體化壓鑄件產(chǎn)品尺寸大，進澆口到水尾的渣包口流程長，增壓不能在鋁液凝固前傳達到水尾部位，為保證產(chǎn)品的內(nèi)部品質(zhì)及力學(xué)性能，真空工藝的應(yīng)用十分重要。應(yīng)對一體化壓鑄件全新設(shè)計的真空系統(tǒng)，其靜態(tài)真空度可以達到500 Pa，動態(tài)真空度達到3 kPa，真空罐采用10 m3，動定模側(cè)各采用4個真空閥對型腔進行抽真空，最快關(guān)閥時間達30 ms。圖5為真空系統(tǒng)示意圖，通過管道對料槽、模具動模側(cè)、模具定模側(cè)進行抽真空，以達到減少充填阻力，降低產(chǎn)品含氣量，提高產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

圖5 超大型壓鑄單元真空系統(tǒng)

圖6 超大型壓鑄單元雙噴涂頭系統(tǒng)

圖7 一體化壓鑄后地板

圖8 3 000 kN壓床設(shè)計圖

圖9 超大型壓鑄單元雙定量爐給湯方案

使用120 000 kN超大型壓鑄機生產(chǎn)，配置雙定量爐給湯方案、雙噴涂系統(tǒng)、模溫控制系統(tǒng)、模溫反饋系統(tǒng)、超高真空系統(tǒng)以及壓鑄島。壓鑄島主要工序流程有取件-檢測-冷卻-折渣包-切邊-打標(biāo)-輸送等，見圖10。通過以上的一體化壓鑄單元的設(shè)備解決方案，使得后地板總成可以順利量產(chǎn)，其節(jié)拍為120 s，鑄造壓力低至約30 kPa，高速速度約為5.5 m/s，具體壓鑄工藝參數(shù)見表2和表3。其節(jié)拍主要通過壓鑄單元布局、優(yōu)化給湯時間、優(yōu)化噴涂時間以及冷卻時間得以保證，低壓、低速工藝主要通過壓鑄機性能、模具溫度控制、超高真空工藝等來保證。鋁合金壓鑄件由于其工藝特點，在模具中流動形成鋁液溫度損失，導(dǎo)致零件本體近澆口端和末端力學(xué)性能均存在差異。隨著一體化壓鑄零件尺寸加大，鋁液流程變長，壓鑄件近端與遠端力學(xué)性能差異更明顯。通過一體化壓鑄單元設(shè)備生產(chǎn)的后地板總成，其力學(xué)性能見表4，滿足汽車使用要求。

圖10 后地板總成生產(chǎn)流程

表2 后地板總成壓鑄工藝參數(shù)（1）

表3 后地板總成壓鑄工藝參數(shù)（2）

表4 后地板總成力學(xué)性能

針對一體化壓鑄件，包括前艙總成、后地板總成、電池托盤等，提出一體化壓鑄單元設(shè)備解決方案，解決了一體化壓鑄件生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品成形、變形問題。提出了切實可行的模具溫度控制、模具脫模劑噴涂、產(chǎn)品澆口渣包沖切、鋁液供給等方案，可有效提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益。

本文作者：

曾慶杰 聶俊毅 孫永明 黃壯才陳詩明 萬里 黃志垣
廣東鴻圖科技股份有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴