新能源汽车一体压铸的意义及压铸质量控制方法

2024-01-05刘立飞曹国亮王兵许赢贾永磊李丽合众新能源汽车股份有限公司

锻造与冲压 2023年24期

文/刘立飞，曹国亮，王兵，许赢，贾永磊，李丽·合众新能源汽车股份有限公司

本文阐述了一体化压铸应用的目的及新能汽车发展一体化压铸的意义，一体化压铸作为一种新技术应用，在生产制造过程中，各类质量缺陷的识别判定和控制，对车身质量提升和一体化压铸技术沉淀非常重要。

“双碳”的实施促使汽车行业越来越重视节能环保，全球各国都认可汽车的节能减排，这也促使汽车制造商不断加大对轻量化的投入，以满足消费者的需求。一体化压铸技术的研发和应用，对新能源车身结构发展可谓迫在眉睫，本文简介一体化压铸的意义和一体化压铸常见质量缺陷类型和控制方法，促进一体化压铸技术发展和质量控制提升。

车身一体化的意义

通过汽车一体化压铸技术，可以实现车身结构的完美融合，从而大大减少了分体冲压和压铸后焊接等复杂的制造步骤，极大地提高了生产效率和质量。

与采用焊接冲压件技术相比，会大幅降低车身重量。采用一体化压铸车身设计升级，不仅能够显著减少冲压件数量，还能够优化生产流程，极大地改善了生产的质量和性能，从而极大地提高了汽车的整车质量。例如，将70 多个冲压焊接的零部件整合到一个零件，不仅能够显著缩短车辆的总长度，还能够将生产的总费用降低40%。某汽车使用了整合的铝合金制作的副驾驶座，与传统的焊接工艺制作方法相比，它的重量降低了30%。此外，某汽车的整合式座椅也使得它的重量降低了30%，并且可以提供7L 的储物容积。

通过一体化压铸技术，可以显著提高汽车零部件的强度、精度以及一致性，这样可以避免传统的冲压件+焊接的加工过程，可以节省人力，节省焊接、喷漆、涂胶等工艺，从而可以显著降低人工成本、设备成本。

通过采取一体化压铸技术，1.5 吨乘用车的车身重量将会大幅度减小，这将直接影响到车辆的续航能力。与传统汽车相比，采取这种方法能够节省15%的车辆重量，并且新能源汽车也能够节省10%的能源。

车身一体化压铸优势

⑴一体化压铸技术可以降低新能源汽车的成本。通过采用一体化压铸技术，将原本70 多个的汽车零部件整合成2 个或1 个整体，使得原本需要700 ～800 个的焊接点降低至50 个，而且将原本需要2 小时的焊接过程缩短至90s。随着技术的进步，使得生产零部件的方式发生变化，从传统的模具、机械臂、夹具到更先进的自动化技术可以有效地实现，从而大大的节约了生产原材料，并且可以有效地提升生产效率。另外，一台压铸机的投入使得该工厂的占地面积缩小30%，从而使得基础设施的投入也有所下降。通过采用先进的一体化压铸技术，可以大幅度地降低20%生产制造成本，新能源汽车主动发展一体化压铸这种技术，可以大大简化供应链的流程、大幅降低总的成本。通过采用一体化压铸技术，我们不仅能够提升硬件的质量，缩短开发周期，还能够跟上智能化的最新进展，满足当今智能技术的需求。

⑵一体化压铸技术使得新能源汽车的结构更加稳定。采用一体化压铸技术，将原有的500 多个零部件以及4000 ～6000 个焊接处的复杂结构，以及繁琐的三轮调试，有效地减少了整个生产周期，并且能够有效地提高产品的质量，从而节省了大量的时间与费用。

一体压铸件常见质量缺陷

压铸件缺陷共分三大类，分别是几何缺陷、表面缺陷、内部缺陷。⑴几何缺陷。压铸件形状、尺寸与技术要求与技术规范不一致。如尺寸超差、铸件变形等。⑵表面缺陷。压铸件外观不良，如流痕、冷隔、拉伤、气泡、欠铸、错模、飞边、有色斑点等。⑶内部缺陷。产品内部组织、机械性能不符合要求，如气孔、缩孔、缩松、凹陷(缩凹）、裂纹等。

引起以上缺陷发生的因素有四个，分别是压铸机引起、压铸模引起、压铸件设计引起、生产过程引起。

⑴压铸机引起。压铸机所提供的能量是否能满足所需要的压射条件：压射力、压射速度、锁模力是否足够。压铸工艺参数选择与调控是否合适，包括压力、速度、时间、冲头行程等。

⑵压铸模引起。模具设计方面注意模具结构、浇铸系统尺寸及位置、顶杆及布局、冷却系统。模具加工需要注意模具表面粗糙度、加工精度、表面硬度。模具使用时，应该注意温度控制、表面清理、保养。

⑶压铸件设计引起。

⑷生产过程引起。

压铸件产生缺陷原因及防止方法

⑴气孔。压铸件材料内部形状较为规则，呈圆形、椭圆形，表面较为光滑(图1）。

图1 气孔

产生原因：由于金属液的流动方向不当，它们在型腔内发生了正面碰撞，从而产生了漩涡，最终形成了卷气；浇道设计不合理，浇道后段面积大于前段面积，导致金属液进入后段时填充不足，卷入气体；压室充满度不够；内浇口速度过高产生湍流，型腔内有油渗入；排气不畅；模具型腔位置太深，填充过程中存在窝气；模具温度过低或脱模剂喷涂过多，导致金属液填充时脱模剂还未挥发完；金属液精炼不良，含气量过多；加工余量过大；快压起始点过早，导致金属液在压射过程中形成卷气。

防止方法：选择有利于型腔气体排出的浇口位置，避免金属液先堵塞排气系统。避免金属液正面撞击型腔及型芯；浇道截面积由料饼至内浇口逐步减小，内浇口截面积需小于浇道截面积；选择合适的压室，保证充满度在30%以上；为了达到最佳的成形效果，应该适当增加内浇口的厚度，以减缓充填的速度；定期清理、保养模具，避免顶杆、销子渗油，减少冲头润滑油量及热模时刷油油量；在最后填充部位开设溢流槽和排气道，增加抽真空辅助排气；深腔处可采用镶件的方式增加排气效果；控制模具温度，在保证脱模顺畅的情况下减少喷涂量；保证金属液质量；保证加工无黑皮的情况下使用小的加工余量；选择合理的快压起始点，一般快压起始位置是金属液没过内浇口位置。

⑵气泡。在铸件表面下，由于气体膨胀而产生的泡，有时会破裂，可能是完全贯通的也可能是不完全贯通的。气泡缺陷一般在铸件上出现时会呈气泡(如图2 所示）或崩裂的气泡状。

图2 气泡

产生原因：合金浇注温度过高；型腔内气体过多，排气不当；压射参数不当，导致铝液卷气；型腔围堵过高。

防止方法：调整铝液温度在合理范围内；优化模具排气系统；适配合理的压铸参数；调整模具冷却系统。

⑶缩孔。当压铸件经历冷却时，因为缺乏必要的填料，导致其外观呈现出各种不同的形态，其表面也变得更加粗糙，如图3 所示。

图3 缩孔

产生原因：合金浇注温度过高；铸件结构有局部厚大部位，形成热节；铸造压力过低；由于内浇口较薄，容易过早凝固，这会影响压力的传递和补缩；料饼过薄，起不到补缩作用；模具局部温度过高。

防止方法：保证填充的情况下采用低的浇注温度；改进结构，尽量保证壁厚均匀，消除热节；适当增加铸造压力；适当增加内浇口厚度；适当增加料饼厚度；增加局部冷却。

⑷裂纹。铸件出模时，发生严重拉伤而开裂；留模时间太短，不能形成一定高温强度；裂纹两侧温度差过大。

防止方法：避免壁厚不均，加设工艺筋；增大铸造圆角；调整抽芯及顶出装置；提高模具温度；缩短开模及抽芯时间；严格控制有害杂质，调整合金成分；重新选择合金；避免倒拔模现象或不平整，避免拉伤；适当延长留模时间；调整模具温度，避免相邻位置温度差异过大。

⑸凹陷。在铸件表面形成的凹陷，这些凹陷处处于自然冷却的状态。检测产品相应部位或用手感觉，存在较大壁厚差，如图4 所示。

图4 凹陷

产生原因：铸件有局部厚大结构，产生热节；模具局部温度太高；内浇口截面积太小，补缩能力差；比压低；合金实际收缩率大；由于憋气导致气体无法排出，被压缩在型腔与金属液之间。

防止方法：增设工艺孔等消除热节；增加局部冷却，优先冷却厚大部位；通过合理调整浇注系统，适当增加内部浇口的厚度；增大比压；适当降低浇注温度、模具温度；改善模具排气效果。

⑹流痕。在铸造过程中首先进入型腔的金属液形成一个极薄而又不完全的金属层后，被后来的金属液所填充而留下的痕迹。铸件表面上呈现与金属液流动方向相一致，用手触摸有局部下陷感觉，此缺陷无发展方向，并且可以通过抛光来修复，如图5 所示。

图5 流痕

产生原因：模具温度低；内浇口截面积太小、浇口位置不合理；压射比压太低；填充速度太快；脱模剂用量过多；快压起始点不合理。

防止方法：提高模具温度；调整内浇口截面积及浇口位置；提高压射比压；尽可能降低压射速度；合理使用脱模剂；调整快压起始点。

⑺冷隔。当金属材料处于高温时，它们之间的连接处就会产生裂纹，这些裂纹通常呈不规则的曲线，既包括穿过的裂纹，也包括没有裂开的裂纹。当受到外界的影响时，这些裂纹就会向前扩散。如图6 所示，冷却后的压铸件上常常会出现裂纹，并且还带有流纹、表面气泡。

图6 冷隔

产生原因：温度低导致金属液流动性差；金属液分股填充，熔合不良；充填速度太低；排气不畅；溢流槽位置与金属液汇集点不吻合；比压偏低。

防止方法：提高浇注、模具温度；尽量避免多股金属液填充型腔；提高压射速度；清理排气通道；在合理位置增设溢流、排气系统；适当提高比压。

⑻拉伤、粘模。拉伤是一种常见的铸造缺陷，它通常发生在模具制造过程中，由于金属粘附导致模具倾斜角度过小，从而在铸件表面形成拉伤(图7）或裂纹。粘模(图8）是金属液与模具产生粘合，粘附导致拉伤，以致铸件表面缺料。

图7 拉伤

图8 粘模

产生原因：由于型芯和型壁的出模斜度过小或出现倒斜度导致；型芯、型壁表面粗糙或有压伤痕迹；合金粘附模具；铸件顶出偏斜或型芯轴线偏斜；脱模剂长期喷涂不到；铝合金含铁量低于0.6%。

防止方法：修正模具斜度，保证出模斜度；修模消除压痕、抛光表面；在设计浇灌体系时，应尽量避免金属流直接冲击型芯和型壁，并且应该合理调节填料、浇灌和模具的温度；检查顶出机构、更换型芯；脱模剂喷涂要薄而均匀、不能漏喷；适当调整铝合金中的铁含量到0.6%～0.8%。

⑼欠铸。通常表示金属液没有被充分地注入模具内，导致零件表面缺陷。这种缺陷常常发生在模具的尾部和较小的内腔中，如图9 所示。

图9 欠铸

产生原因：由于金属液中含空气量较大，导致了氧化程度加剧，流动性降低；浇注温度或模具温度过低；填充速度过低；增压压力不足；金属液用量不足；浇口位置，导流方式，内浇口股数选择不当；内浇口截面积太小；深腔处排气不畅；型腔内气体压力过高；涂料用量过多。

防止方法：采用正确的熔炼、保温工艺，严格排气、除渣；提高浇注温度或模具温度；提高压射速度；提高铸造压力；调整金属液浇入量；要合理选择浇口位置和导流方式，针对于大型铸件需要采用多股内浇口有利填充；增大内浇口截面积；深腔处采用镶件加强排气；减小型腔内气体压力；合理、适量使用涂料。

⑽飞边。铸件上对应模具活动部位边缘出现的金属薄片(图10）。

图10 飞边

产生原因：压射前机器的锁模力调整不佳；封锁元件失效；模具镶块或滑块磨损；分型面上杂物没清理干净；模具强度不够造成变形。

防止方法：检查合模力和增压情况，调低压射力或速度以降低冲击；确保封锁效果；检查磨损情况并修复；认真清理分型面上的杂物；修整模具。

⑾错模。铸件的某些部分与另一部分在分型面上形成明显差异，发生相对位移(图11）。

图11 错模

产生原因：模具镶块发生位移；模具导向或定位元件磨损；模具表面清洁度差导致模具无法合模到位，整体挤偏。

防止方法：调整镶块位置，并加以紧固；及时更换定位或导向元件；定期检查清理模具表面残留异物。

⑿斑点。铸件表面上的斑点与基体金属有明显的差异，通常是由涂料碳化物或冲头油所构成(图12）。

图12 斑点

产生原因：脱模剂中石墨含量过多；脱模剂用量过多，局部堆积；热模时刷油过多，造成残留；冲头油用量过多，带到型腔造成斑点。

防止方法：更换优质的脱模剂；严格控制喷涂量，并喷涂均匀；控制热模油使用量；冲头润滑良好的情况下减少冲头油使用量。

⒀尺寸超差。铸件尺寸与图纸不符。

产生原因：模具设计时收缩未设置准确；模具镶件使用错误；留模时间过长或过短导致模具开模时铸件发生变形。

防止方法：设置合理的收缩率；更换镶件、型芯时使用正确的镶件、型芯，并设置防错装置；合理控制留模时间。

解决压铸缺陷的思路

由于各种缺陷的形成源于多种不同的因素，因此，在实际的生产过程中，应该根据问题的复杂程度，从简单到复杂逐步处理，具体的步骤如下：⑴重新分析设计分型面、型腔和顶杆，优化喷涂技术，提高锁模力，并大幅提升浇铸金属的数量。⑵重新设定生产流程，包括控制压缩比、挤出速率、成形过程、成形时长、灌浆和模具的温度。⑶采用优质的铝硅合金作为原料，调整新原料和回炉原料的比例，并对熔炼工艺进行改进。⑷重新设计模具，调整浇注系统，扩大内部浇口，增加溢流槽和排气槽。