汽车轻量化全观 – 3D打印行业资讯网

2023年，中国汽车销量首次突破3000万辆。其中，安徽省汽车产量达到249.1万辆，位居全国第二。中国汽车产量超过9000万辆，占全球的1/3。此外，2023年新能源汽车将继续快速增长，销量达到949.5万辆，占全球新能源汽车的60%，成为最大的汽车出口国。随着世界各国对环保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。在此背景下，我国汽车工业也在不断加快转型升级步伐，积极推进汽车轻量化有色铸造技术的研发和应用。

据了解，轻量化主要分为结构轻量化、材料轻量化和工艺轻量化：结构轻量化是轻量化设计的重要手段。通过创新的结构设计，可以减少零部件数量，优化结构，实现轻量化；此外，铝合金、镁合金、高强钢、碳纤维、工程塑料等材料都起到了轻量化的作用。例如，铝合金在前防撞梁、发动机罩、钢铝混合车身等部件中有着重要的应用。在工艺轻量化方面，目前广泛采用的是激光焊接技术。 、液压成形技术、高强钢热成形技术、一体化压铸等技术。

本次专题报道，我们将重点关注铝合金和镁合金两种轻量化材料的加工应用，以及一体化压铸技术的发展。我们将通过产业链上下游的共享，探索汽车轻量化的趋势。其背后的技术支持预计会给读者带来一些新的思维火花。

汽车轻量化2.0：镁合金替代

镁是地球上最丰富的资源之一。我国镁矿资源占世界70%以上。可以说，镁合金是我国可以100%自给的金属，也是我国最具战略优势的金属材料之一。一位院士曾说过，镁资源“取之不尽，用之不竭”。

镁合金除了资源丰富之外，还具有适合批量生产、耐久性好、尺寸稳定性高、机械性能好、装配更简单、模具寿命更长等诸多优点。最重要的是，镁合金的轻量化优势符合当前节能减碳的大趋势。张兵利 合肥工业大学教授他在演讲中表示，镁合金是比铝合金更轻的材料，轻量化效果更加明显，并且具有良好的成型性和导热性。理论上可以用镁合金代替铝合金。

“镁合金是目前最有效、最环保的轻质材料之一。”潘复生 中国工程院院士、重庆市科协主席、国际镁科学会主席表示。据他介绍，目前已开发出数百种镁合金汽车零部件，并成功应用了数十种镁合金汽车零部件，如汽车中的壳体件、方向盘架、转向柱、仪表等。盘式骨架等。“使用镁合金自行车可以减轻100公斤的重量。”毛明志，Meridian亚太技术中心主任他在讲话报告中指出。

“目前国内汽车平均每辆自行车镁合金消耗量为3-5kg，北美市场平均每辆自行车镁合金消耗量为15kg。根据我国《节能与新能源汽车技术路线图》，我国的2030年每辆自行车镁合金消耗量目标为45公斤。”洪建文 宁波海天智盛金属成型设备有限公司副总经理分享了镁合金在汽车领域应用的现状。

然而，传统的镁合金铸造工艺中，所使用的保护气体会污染大气。有没有更低碳环保的镁合金成型技术？镁合金注射成型工艺是一种低碳、环保、安全可控的工艺，可以大大提高材料利用率。

洪建文介绍，注塑生产的镁合金在智能座舱、三电外壳、车身结构件等领域有很多应用。 “在驾驶台屏幕后面板，特斯拉、宝马、奔驰、奥迪等都指定了注塑工艺生产单屏、双屏、三屏等。国产品牌中，‘威晓丽’其所需的屏幕背板大部分也采用这种工艺。”他说。

随着一体化超大型镁合金铸造技术的重大突破，该技术已成为全球汽车工业的重点发展方向。此外，镁合金表面耐腐蚀技术取得了重大进展，以及其优异的电磁辐射屏蔽和减震性能。除汽车行业外，在航空、高铁、储能材料等领域也有众多应用。 。潘复生院士表示，镁工业不仅要为制造业服务，而且要敢于在某些领域引领制造业的发展。

铝合金铸造的优点和难点

尽管镁合金的应用前景十分广阔，但其产业化进程仍存在诸多瓶颈。例如，镁合金材料价格波动较大、材料类别不够丰富、成型工艺种类不够丰富、镁合金生产安全控制意识缺乏等。这些因素在一定程度上制约了镁合金铸造产业的发展。这条路有待业内人士进一步探索。目前，铝合金的应用在汽车轻量化领域正在发挥着不可或缺的作用。
铝合金是一种轻质材料。主要用于发动机缸体、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，可以通过铸造的方式铸造。 、锻造、挤压等工艺制造复杂形状和高精度的部件。此外，它还具有良好的耐腐蚀性，能在各种环境下长期保持光滑的表面和稳定的性能，并且易于回收利用。目前回收率不低于85%。

张浩 安徽万安汽车零部件有限公司副总经理他表示，汽车轻量化对于减少排放、节能减排具有重要作用。车重每减轻100公斤，整个生命周期最多可减少排放800公斤，可节省汽油3吨。对于电动汽车来说，续航里程可增加25公里。随后，他讲解了“簧下质量”的概念，“1公斤簧下和10公斤簧下”，充分展示了汽车底盘轻量化对于整车轻量化的重要作用。随着各种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。

“与高压铸造相比，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。”张浩分享道，对于底盘结构件来说，空心铸件的轻量化效果比实心铸件大得多。此外，与大型压铸机相比，铝合金低压铸造技术所需的设备和材料成本相对较低，并且经过T6处理的铝合金可以获得更高的强度。 “根据实际产品需要，也可以采用低压进行一体压铸，以降低成本。”他继续分享。

但铝合金低压铸造也存在一些挑战：例如容易出现缩孔、气孔浇注不足等缺陷，这对模具结构和铸造模拟提出了极高的要求。热处理带来零件尺寸变形问题，冷热状态转换会影响零件的生产节奏。通过计算机模拟辅助并结合现场实际情况，可以准确捕捉灌装和冷却过程中的关键参数，提高合格率。通过控制热处理工艺关键参数和合理的工艺设计，可以控制零件变形。

大型集成免热处理压铸铝合金材料的开发和应用对于铝合金材料在汽车领域的进一步应用具有重要的推动作用。立中合金集团首席材料科学家 熊守梅教授分享了清华大学与一汽铸造有限公司联合开发的铸态高真空压铸结构铝合金材料，以及清华-立中系列免热处理压铸铝合金，可满足大型一体化后地板、前舱及电池箱结构件的设计开发需求。

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、平台化。例如，重庆长安的一体化压铸车身，在前舱集成了73个冲压件，在后地板集成了90个冲压件，大大减少了车身零部件数量。与钢结构相比，重量减轻20%，前舱吸能效率提高50%，有效保证构件的安全。

然而，与传统的钢制车身相比，一体式压铸车身在成型工艺、装配方法和连接工艺方面都完全不同。零件的尺寸公差和变形修正方案需要重新探讨。一件式压铸工件成型后很难对其尺寸进行修正。压铸工艺的特点、热收缩变形、工艺流程、铸件外观等都会影响压铸件整体尺寸。

那么，如何提高一体式压铸件的精度呢？重庆长安压铸一体化工艺首席工艺师曾云波据说，产品结构设计和铸造工艺SE分析的质量直接决定整体压铸件的成型质量和尺寸精度。模具结构设计决定工件的成型质量。利用模流分析软件进行应力应变分析，可以提前确定尺寸变形。根据趋势，可以根据模拟结果对模具进行抗变形设计和模具修改。另外，通过模具抗变形设计无法解决的尺寸问题，最终可以通过矫形工艺设计来解决。

“白车身尺寸匹配最重要的是零部件尺寸（pp值）的一致性，特别是对于一体式压铸件。目前要求pp值≥1.33，范围

根据蔚来压铸专家王宇鹏据介绍，蔚来汽车没有自己的压铸车间。而是与上下游企业合作生产压铸件，“让专业的人做专业的事”。但在整个压铸过程中，蔚来将掌控包括材料、铸件、铸件分析、模具设计、模具加工等15个关键技术节点。

“蔚来目前在售的车型大部分采用一体压铸工艺。”王宇鹏分享道，“一体化压铸目前不是能不能从0到1做到的问题，而是能否在产业化过程中做到。更好的问题是质量、成本和生产效率。”

王宇鹏表示，一体化压铸首先要解决的就是质量问题。目前，无论是外观、内饰，还是尺寸、性能、表面质量，一体化压铸整体良率可达90%。然而，传统的质量评估对于车身结构件来说并不那么重要。对于一体化压铸件，更关注的是其机械性能、尺寸稳定性和SPR连接工艺。

“这些问题从上一代技术到现在的一体化压铸都没有得到很好的解决，产业链可能需要调整关注的方向。比如一体化压铸件的质量分析需要深入到压铸件不仅仅是硬件投入的问题，如果压铸厂没有金相实验室，没有专业的金相分析人员，我认为是做不出相关产品的。”王宇鹏真诚地提出。的期望。压铸产业链。

对于压铸件的质量，王玉鹏表示，这不仅仅是一个简单的维护问题，而是与从最初的材料选择到铸件的设计和铸件分析的各个方面都密切相关。 “如果没有质量问题的预测分析和预警，那么模拟分析的作用就相当有限。”

除了质量问题，人们还非常关心一体压铸的成本。 “中国企业的成本改善远远超出了人们三年前的想象。目前集成压铸件的成本下降速度非常快。”据王宇鹏介绍，目前材料占一体化压铸件成本的一半。另一项容易被忽视的成本是排在第二位的模具成本。主要原因是大型零件的模具结构设计、钢材的选用等，目前行业还不够成熟，所以成本比较高。另外，对于目前一体化的压铸行业来说，锁模力数万吨的压铸机消耗的电力很大，固定资产投资也很高。 “这需要压铸厂、技术团队和主机厂充分沟通，进行有针对性的投资，而不是盲目购买高配置设备。”

此外，王宇鹏还提到了交货效率问题，这也是压铸行业的热门话题，与生产节奏密切相关。然而，目前行业中看到的节奏往往是表面节奏——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。铸件的壁厚会传递到模具，模具的热传导效率是真正的循环效率，决定了压铸件与模具分离的速度。

极氪科技采用一体式压铸技术可以追溯到2022年，当时它在极氪009车型上首次亮相，随后被用作极氪后续所有车型的核心技术。为了降低碰撞后的维护成本，姬氪采用四级碰撞分区策略：低速碰撞区域的后防撞梁吸收能量变形后可直接更换；中速碰撞区域的挤压铝安装梁变形吸能后可更换；只有遇到高速碰撞后，才会涉及到一体化压铸件本身的修复；此外，还设有不变形区，确保客舱的完整性和安全性。

“集成压铸件帮助我们在很多方面进行了改进。例如，定点安装有助于改善整车。集中由原来的76个零件变为1个，减少了800个焊点。然而，减重效果并不如预期。显然，重量减轻了16%，随着工艺迭代，未来重量减轻可以达到20%左右。”极氪汽车智能科技压铸专家侯东风共享。

“最重要的成本在材料上，可以通过积极提高再生铝的比例来降低。另外，模具成本也是比较大的一部分，模具寿命的提高、国产模具钢的替代是主要方向另一个因素是设备运维成本的提高。”

侯东风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、优化于一体。中央控制计算机汇总所有核心工艺参数并进行协同计算。该系统结合CAE仿真、机器自学习、图像自识别分析等多项前沿技术，实现质量与参数的关联。 “依靠3D设计和虚拟仿真，我们的L4智能压铸工厂实现了车间布局、动力管线、虚拟建造、数字孪生的透明化，设计合规性达到100%，大大缩短了新产品的生产周期。项目”。

一体化压铸技术结合了模具制造、压铸、热处理等多种技术。该技术面临工艺复杂、热处理困难、模具寿命短等问题。因此，由于一体化压铸的复杂性，制造商不仅需要拥有先进的生产设备和技术，还需要有严格的生产管理和质量控制体系。为了保证生产过程中的每一道工序都能正常进行，需要考虑到材料、模具、温度等多种因素，如何设计高效、准确的制造工艺对于集成模具来说也至关重要。铸造技术。 。

随着我国新能源汽车的市场渗透率越来越高，一体化压铸技术也越来越受到关注。为了满足智能制造过程中高效、安全的换模作业需求，富威机械推出了智能快速换模系统。例如，用于汽车压铸件生产的大型模具换模操作的交换平台系统，是智能快速换模系统中合模系统的自动换模设备。大多数3C产品采用小型模具进行批量生产。换模作业主要采用通用智能快速换模系统进行。

“我司一直关注一体化压铸技术在汽车行业的应用，推出了海峡两岸首个覆盖三大系统的‘智能模具管理系统’，其中包括已量产的‘模具输送系统’ ”、“模具自动存储系统”和“模具维护系统”用于模具自动存储前的维护工作等。这套“智能模具管理系统”可以有效协助金属成型和注塑从业者建立快速、高效、安全的工作环境。 , 简单且通过专业规划，为模具提供系统化的一站式“智能”管理系统。高驰富 富威机械科技（淮安）有限公司总经理介绍了。

他认为，集成压铸技术有着广阔的前景。 “随着制造业的快速发展，对生产效率、成本控制和产品质量的要求日益提高。集成压铸技术作为一种先进的成型工艺，可以满足这些要求，因此未来具有巨大的发展潜力”。

在碳中和、绿色制造、数字化、智能化、电动化的背景下，无论是汽车本身的系统结构还是制造方式都在发生着巨大的变化。智能制造已成为全球工业发展不可逆转的趋势。是企业巩固市场地位、优化市场竞争力的重要指标。高世富表示，集成压铸技术从业者全面推进智能制造，广泛应用物联网、协同系统远程监控系统，打造完整的智能制造体系。 “利用物联网实现可视化管理，企业应尽快落实合理化、标准化，完成自动化生产阶段的目标，为大数据智能生产时代的到来做好准备，以免被淘汰快速的智能化发展趋势。”

来源：Jung-《国际汽车设计与制造》

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