在一体化压铸工艺研究发展下，对一体化压铸质量保证技术研究也不断发展。材料、工艺和设计等方面的技术研究推进一体化压铸加快发展。本文从一体化压铸需求的新型铝合金材料、工艺参数控制、结构设计等，提出了三个方面研究进展，可以为一体化压铸技术研究提供参考。
01 一体化压铸成型技术的产业化现状及发展趋势
近20家主机厂采用，一体化压铸大热
随着汽车轻量化发展，车身一体化成型将引领车身制造全新革命。特斯拉作为一体化压铸行业技术引领者，其压铸生产主要是Model Y 后车身一体化压铸件。相较于传统汽车零部件压铸，主要区别是使用大吨位压铸机，将原来几十个零部件整合为同一个铝合金材料的大型件压铸。未来随着压铸工艺的发展，其他车身结构件也将逐渐采用一体化压铸生产。
1）高压压铸工艺优化
目前一体化压铸技术主要来源于高压压铸技术，在高压压铸的基础上采用真空辅助，以解决高压压铸中由于高速高压引起的卷气和大孔隙等问题。随着一体化压铸的不断实践，对于压铸工艺的完善优化也在不断地进行，压铸过程中工艺、热力学参数和动力学参数等的设置可以直接影响压铸成型结果，合理地设置这些参数能够实现优化压铸结果，有效控制压铸件成型质量。
2）高性能铝合金材料探索
目前免热处理铝合金材料研发在国内外掀起热潮，其压铸后不需热处理即可满足车身性能。鉴于对铝合金材料性能方面的要求，各厂商也正研发具有更高性能的铝合金材料。
3）压铸件结构设计及优化
压铸件结构设计主要针对新能源汽车关键零部件，如一体化汽车减震塔零件优化设计。压铸件的结构设计和压铸方案的设计能够影响压铸件的成型质量，而一体化压铸对于压铸件的质量要求较高。特斯拉开发的汽车后车身一体化底板压铸结构件包含了整车左右侧的后轮罩内板、后纵梁、底板连接板、梁内加强板等零件，通过压铸件结构优化设计及压铸方案的设计实现对压铸件质量的控制势在必行。
02 新能源汽车一体化压铸成型技术研究进展
1）免热处理铝合金材料研究现状
与其他金属相比，铝合金作为轻质合金满足了汽车轻量化的需求，密度较低，强度较高。作为压铸材料，铝合金线收缩小，填充性能好，在恶劣环境下工作，其力学性能依然能够满足多方面需求。铝合金具有良好导热性、导电性和切削性，因此对新型高性能铝合金材料的研究一直是一体化压铸研究中的重点。
传统的铝合金压铸生产中，无法保证铝合金压铸件的机械性能，为保障压铸后汽车零部件的机械性能，一般会对零部件进行热处理以满足性能需求。然而，经过热处理工艺的汽车零部件，容易发生尺寸变形及表面缺陷。
一体化压铸件一般由十几个到数十个零部件集成为一两个大型零部件，其投影面积较大，成形后热处理同样也会存在尺寸变形及表面缺陷问题。虽然通过矫正工艺可以改善一定尺寸精度，但容易导致废品率增加，成本急剧上升。因此，免热处理铝合金材料成为一体化压铸的重要技术壁垒。
一体化压铸的零部件主要使用铝合金材料，因此对铝合金材料成型性能、机械性能等要求较高，具有更高性能的铝合金材料的探索不断持续发展。国际上，特斯拉、美国美铝、德国莱茵菲尔德等均有免热处理铝合金开发计划，国内立中集团、帅翼驰集团、华人运通与上海交大等均积极研发高性能免热处理铝合金材料。
2）一体化压铸工艺优化
一体化压铸技术来源于高压压铸，高压铸造因效率高、零件壁厚小等特点，在汽车车身中的运用较多。然而，高压压铸过程中充型速度较高，经常会引起压室及型腔内存在的气体未能完全排出到外部环境中，金属液中会掺杂进气体，造成内部气孔或铸件缺陷，使得铸件质量下降，其力学性能也一定程度降低。为减少铸件中气孔等缺陷形成，真空度、柱塞速度、合金浇注温度、模具温度等真空辅助高压压铸的工艺参数实时调节是一体化压铸中关键技术。
随着绝对压力的降低，平均孔隙率和孔径降低，拉伸强度和伸长率显著提高。压铸件机械性能可通过提高真空度来进一步提高。压铸金属孔隙形成的动力学分析及绝对压力对孔隙率的影响，传统HPDC 压铸中速喷射下气体的截留引起了气体孔隙率的产生，孔隙率会降低铸件质量。真空压铸会在一定程度上阻碍分离流的产生，使得在铸造过程中难以产生涡流。由于流场的作用，只能在很小的范围内流动并且不能扩散出去的气体将会减少。凝固前金属液中掺杂的空气量降低，铸件的孔隙率也会同样降低。在不同真空度下HPDC 工艺生产的AlSi12Fe 合金压铸件，结果表明，随着真空度增加，AlSi12Fe 铸件中的残余气体含量降低，在真空度增加的情况下，铸件孔隙率有了明显的降低，而屈服强度也有了明显的增大。表明在高真空度下增加真空度对极限抗拉强度没有显著影响。
真空辅助对高压压铸铸件质量的影响，压铸机模腔内负（相对）压值的变化对压力铸件表面质量的影响。选择的参数为注入第二阶段的柱塞速度、合金的浇注温度、模具温度等。通过比较随机选择的铸件进行表面粗糙度测量，评估铸件的质量。结果表明，正确选择压力压铸机的工作参数、金属和模具的适当温度，以及模具中附加的负压可以实现高质量的铸件。
真空系统对ADC-12 铝合金材料产品缺陷和微结构影响。观察孔隙率、捕获气压、热点水平、维氏硬度水平等参数，开展XRD 分析和光学显微镜（LOM）显微结构分析。真空系统在孔隙率和产品产率方面优于溢出系统，受到真空度和热点水平的影响。具有真空系统的产品的硬度水平优于溢出系统，位错密度增加，晶格应变增加，产品的晶体尺寸水平减小。真空辅助HPDC提高了合金拉伸性能的可重复性。经过数据和偏差分析验证，真空辅助HPDC 在浇注状态下显著降低了合金延展性的不稳定波动，同时提高了铸造合金的极限抗拉强度和延展性。延展性和拉伸性能重复性的显著提高源于真空辅助HPDC 处理合金中孔隙率体积分数和孔隙率尺寸的降低。缺陷尺寸的减小可以改善应力分布，延缓铸件的裂纹萌生。因此真空辅助HPDC 加工压铸合金拉伸强度和延展性得到了增强。
采用常压排气和真空辅助高压压铸工艺生产了AlSi9Cu3（Fe）铝合金铸件。在压铸流程中，分三级设置柱塞速度。研究了绝对空腔气压对铸件孔隙率和力学性能的影响，并与传统的HPDC 铸造方法进行了比较。结果表明，铸件的孔隙率和孔径可以显著降低，力学性能得到显著改善。真空辅助压铸工艺减少了模腔内夹带空气和其他气体的量，提高了压铸件的拉伸强度和伸长率。真空辅助高压压铸AlSi9Cu3（Fe）铝合金压铸件疲劳寿命，与传统的HPDC 铸造相比，在给定的负载水平下，真空辅助高压压铸增加了断裂的循环次数，显著降低了孔隙率尺寸和体积，减少了氧化物薄片出现，从而提高循环疲劳实验次数，改善铸件应力分布，同时延长疲劳寿命。
压铸工艺参数的设置会对压铸成品产生一定影响，合理地设置压铸工艺参数，能够改善压铸件质量。
模具温度、铸造温度和动态（压力、速度和真空施加）注射参数对样品力学性能和孔隙率的影响。结果表明，孔隙率因模具温度的提高及真空环境的引入而降低。提高模具温度并对模具型腔施加真空有助于增强机械性能。与提高模具温度相比，提高铸造温度对机械性能的影响要小。增加注射速度会导致孔隙率增加和液态金属表面的湍流，而增加压力会降低孔隙率百分比。与非真空条件相比，因为它会减少空气混合到液态金属中，压力铸造中的真空应用可以提供更好的压铸结果。
注射参数和真空度对合金强度和孔隙率的影响，通过调整优化浇注温度、铸造压力、速度和模腔内的真空度等参数，分析铝合金的机械和冶金性能的变化。结果表明，模腔内的真空度改善了机械性能，例如拉伸强度、屈服强度和硬度，有助于形成细晶粒结构。铝合金的机械性能随着注射压力增加而增加。无真空的压力喷射和低浇注温度会形成较大孔隙和较高孔隙率，导致屈服强度、抗拉强度以及硬度值的降低。
不同加工参数对高压压铸工艺界面传热行为的影响。金属-模具界面传热行为对最终产品微观结构及其力学性能起重要作用，需要获得可靠的HPDC 界面传热实验值，而界面传热行为可以通过界面传热系数来表征。该研究通过汽车压铸件慢速度、高速度、浇注温度和初始温度等加工参数的设置，检测金属-模具界面的温度，以反比法测定界面传热系数。结果表明真空辅助可以显著提高铸件IHTC 值，降低铸件粒径。
3）压铸零件结构设计优化
为减小压铸件的缺陷，提高压铸件的表面质量及力学性能，对压铸零件进行结构优化设计是关键技术之一。需要深入探究压铸件各部分结构设计对压铸结果的影响及作用机理。
通过CAE 仿真，优化汽车油底壳零件浇口和流道，开展填充流道系统分析，找出浇口大小和位置。通过对浇口和流道系统的修改以及溢流的配置，显著减少了由空气滞留引起的内部孔隙率。通过凝固分析，预测了凝固收缩引起的内部孔隙率。合理地设置内浇口尺寸能够有效改善压铸件的填充效果，提高压铸件的整体质量。
有限元模拟对金属板的AlSi13Fe 铝合金压铸工艺进行了研究和分析。采用填料分析方法确定了浇口尺寸、流道和溢流系统，减少了铸造材料消耗和模具磨损。从结果中可以看出增加流道及溢流槽的数量，可以有效提高铸件充填度，减小铸件孔隙率和永久变形，确保铸件质量。
关于铝合金蜘蛛臂部件制造的模具设计和浇注系统的仿真和试验研究。改进浇注系统，对模具型腔进行了优化，调节溢出和模具压力，压铸过程中使熔融金属平稳流动，提高可铸造性并减小孔隙率。汽车离合器壳体部件高压压铸情况，重点对浇注系统进行优化设计，分析了熔体填充模具时流动行为，通过改进浇注系统，铸造缺陷得到显著改善，而浇口变化对铸件表面硬度不存在较大影响。
利用浇口几何形状提高铝合金压铸件机械和结构性能的可能性。在五组不同高度的内浇口情况下生产了五套压铸件，并对每组铸件进行机械性能的检查。结果表明，内浇口高度是影响压铸件定性性能的基本结构因素之一，决定了模腔填充速度和模腔填充方式，对表面硬度不存在较大的影响，但是会影响铸件孔隙率。
通过四腔体薄电子元件外壳的浇注系统设计，研究了浇注系统结构对该电子元件压铸成型后铸件质量的影响，提出外壳型腔最优设计。结果表明，溢流槽末端排气孔数量的增加有效降低了铸件孔隙率，屈服强度及拉伸强度也因此增加。
上述研究表明，通过压铸件浇注系统、排溢系统和压铸件模具型腔等结构设计影响压铸件成型质量，在理清结构变化与压铸件性能变化的对应关系后，可以通过优化结构以实现对铸件质量的调控。以上研究结果同样可适用于一体化压铸技术，为一体化压铸件的结构设计及优化提供思路。
一体化压铸模具制造工艺
压铸模为压铸的主要要素，压铸模的设计与制造为压铸技术开发主要内容，设计的正确、合理和可靠决定了压铸件的生产效率、品质、工作稳定性等。轿车底盘/车身的关键部件轻量化为现代汽车轻量化技术开发重点，因为轿车底盘/车身部件为事关行车安全、大型复杂的结构受力件，所以要使用铝合金压铸方法和真空压铸技术。目前我国对高真空压铸技术的开发报道比较少，所以可以借鉴的经验有限。以此，本文对汽车压铸模具制造进行分析，以期能够实现后地板批量生产，满足实际需求。
2、后地板结构的特点
后地板的结构如图1所示。后地板为结构复杂的超大型薄壁车身零件，该零件集成了2个纵梁、3个横梁、2个轮罩、轮罩带悬挂支撑点以及地板区。此零件使用高压铸造工艺生产，应用免热处理铝合金。产品外形1630mm*1522.5mm*612.4mm，质量约为65kg，壁厚6mm-2.5mm。一般的性能要求抗拉强度240MPa，屈服强度120MPa，延伸率10%。
3、压铸模具的材料和处理
3.1 高淬透性模具材料
在选择压铸模具材料的过程中，要充分考虑热疲劳、金属液冲蚀、磨损等导致的破裂、黏着、变形等。因为汽车大型压铸模具件比较大，壁厚超过600mm，传统H13模具钢淬透性无法使特大型压铸模具需求得到满足。对此，可以使用新型高淬透性热作为模具钢，也就是HHD钢。
HHD钢碳化物析出的倾向小，冷却度为0.53℃/s时才能够将碳化物析出，并且碳化物在基体中分布。此钢试样冷却90s的时候析出碳化物，冷却到1000s的时候将贝氏体析出，所以在冷却的过程中，H13钢为了避免析出碳化物，要从1040℃冷却到540℃的速度在5.5℃/s以下。但在H13钢冷却过程中，出现的粗大贝氏体和碳化物会使塑韧性得到降低，使模具早期开裂风险得到增加。
HHD钢力学性能详见表1，HHD钢的高温强度和硬度比较高。同时，在压力加工的过程中会出现热磨损效应，从而使热作模具失效，影响到模具的寿命。但在相似室温下，HHD钢热磨损的失重低，抗高温磨损性良好。
3.2 压铸工艺
压铸工艺为压铸生产过程中主要要素组合的综合过程，如果选择压铸参数不合理，就会导致压铸充填存在气孔、不充分、粘模、花斑等缺陷。
（1）压射比压。压射比压与增压比压高度会对熔融合金充填速度、压铸件致密程度、流动性等造成影响，不同压射比压所导致熔融合金针对模腔表面具有不同的冲刷程度，影响到压铸模具的使用寿命。压射比压过高会冲刷压铸模具，使粘模可能性增加，使模具寿命降低。所以，要求保证压铸件质量与使用需求，要选择比较低的压射比压与增压比压。
（2）充填速度。充填速度高低会影响到压铸件内部，在压铸模具的外观质量方面，如果过小会导致铸件轮廊不清，过大会导致铸件粘型，或者增加铸件内部气孔率。以此，设置充填速度为40-60m/s，薄壁部位为80-100m/s。
（3）模具温度。因为铝合金的散热比较快，所以要实现模具的预热、冷却和加热等处理，保证模具温度稳定性，使压铸成型与表面质量得到提高。一般，镁合金压铸过程中的模具温度为180-250℃。
（4）浇注温度。如果浇注温度过高，就会使合金收缩变大，导致铸件出现裂纹、脆性、晶粒粗大；如果过低就会出现浇不足、流纹、冷隔等缺陷。为了使压铸成型质量得到提高，一般浇注温度要充分考虑充填速度、压射压力、模具温度等。本文浇铸温度设置为660-690℃。
（5）保压时间。保压作用的重点就是将压力传递在没有凝固金属中，从而在高压下结晶，使压铸件的组织致密。其时间长短和铸件材质、产品平均厚度具有密切关系，超大型铝合金铸件充填时间一般控制在70-120ms，设置保压时间一般为15-20s。
（6）真空压铸。此方面是指在压铸时将腔内气体抽出，从而降低压铸件内气体和溶解气体，提高铸件的质量。在铝合金中，如果没有真空压铸，铝合金会夹杂一定的氧化铝。铝合金集体组织是由铝枝晶和共晶形成的微观组织，由于氧化铝的热膨胀和热性收缩与周边组织差异较大，后续凝固过程中氧化铝周边会形成缩孔。
4、压铸模具的表面强化处理
常规总体淬火已经难以使压铸模具基本强韧性需求和高表面耐磨性需求得到满足，而表面强化处理能够使压铸模具表面耐磨性得到提高，并且保证其强韧性，避免熔融金属浸蚀，能够对压铸模具综合性能进行改善，节约合金元素，使成本得到降低，将材料潜力充分发挥出来，更好地使用新材料。通过生产实践表示，表面强化处理能够使压铸模具质量得到提高，并且使模具使用寿命延长。
4.1 渗碳
渗碳被广泛应用到机械工业中，属于化学热处理方法，能够使中低高碳低合金模具钢与中高碳高合金模具钢加热为900-930℃，从而在模具表面层渗透碳原子，然后利用淬火低温回火，使磨具表层和心部的成分、组织、性能不同。渗碳包括固体、液体与气体等方式，先渗碳后经过1150℃淬火，50℃回火2次，使表面硬度为58-61HRC，能提高使用寿命。
4.2 渗氮
使氮在钢表面中渗透的过程为钢氮化，氮化能够提高模具零件比渗碳还要高的表面硬度、耐磨性能、疲劳性能、耐蚀性能。由于氮化温度比较低，氮化之后的模具零件并不会发生过大的变形。渗氮方法包括液体、固体与气体等，能够使渗氮时间缩短，得到高质量渗氮层。需要先通过1080℃加热淬火，600-620℃2次回火之后，通过450-530℃离子渗氮，保温6-9个小时，渗氮层深度为0.2-0.3mm，使模具使用寿命得到提高。
4.3 氮碳共渗
氮碳共渗指的是含有活性氮原子、碳原子的介质摄入碳和氮，并且以氮为主低温氮碳共渗工艺，共渗时间比渗氮时间要短。在压铸模氮碳共渗之后，能够使热疲劳性能得到提高。压铸模通过1030℃淬火和600℃回火，之后通过580℃*4.5h气体氮碳共渗热处理之后，基体的硬度为46-48HRC，提高了模具的抗疲劳性、耐磨性、耐蚀性。
4.4 密封效果测试
表2为模具密封测试结果，在抽真空时间为1.5s的时候，平均真空度为93kPa，最高为99.5kPa，表示模具密封结构效果良好，能够满足高真空压铸需求的真实度。
因为免热处理铝合金铸造性能问题，在进行试模的过程中铸件尖角存在裂纹，但在使用加大圆角和模温控制之后尖角裂纹消失。另外，使用相同的措施还能够解决冷却水泄露、力学性能不稳定、冷隔等缺陷。
总之，在双碳目标发展的背景下，一体化压铸技术在减排、降本、安全和效率方面都备受市场的重视。一体化铸件设计与制造为全方位集成技术，要充分考虑免处理材料开发、零部件设计特征、压铸单元能力等。大型压铸模设计和制造具有重要作用，在设计与制造中，模具要考虑熔体材料热平衡、流动性、模具寿命等，并且考虑后续加工的优化工艺。在汽车行业朝着智能制造方向发展的过程中，应促进大型压铸模具制造发展，使新能源汽车朝着节能减排的方向发展。
来源：AEE汽车技术平台
