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。採用三級抽真空技術，提高了模具型腔的真空度，真空度達到≤15 kPa；採用集羣局部擠壓技術，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，新能源汽車已經成爲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，市場佔有率提升至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。對於新能源汽車，提升續航裏程，降低電池成本是發展方向。新能源汽車電池過重、電耗較高，且能量密度低於傳統的燃油汽車，影響續航裏程，使得車企對其輕量化的需求更加迫切。因此，車身輕量化成爲新能源汽車提升續航裏程、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於輕量化的實現。
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後地板總成採用一體壓鑄後重量降低了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爲載體，對大型零配件一體化壓鑄技術進行改進與創新，並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，屬於超大型壓鑄件；壁薄，最大壁厚爲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，通常採用低壓鋁合金或鑄鐵，缺點是生產效率不高，合格率偏低，尤其是採用鑄鐵材料副車架，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，採用常規的壓鑄工藝無法滿足設計要求。
本項目將採用三級抽真空壓鑄技術和集羣局部擠壓技術，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。由於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。爲了提高壓鑄件的力學性能，拓展壓鑄制品的應用範圍，從業人員嘗試了多種壓鑄新工藝與新方法，真空壓鑄法是目前衆多工藝方法中的獲得廣泛應用並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爲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爲壓鑄模具型腔體積；Pc爲壓鑄模具型腔實時壓力；Se爲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，爲了達到理想的真空度，壓鑄模具會設計相應的全密封結構，包括衝頭、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、頂杆、壓射衝頭等位置都可以成爲氣流通道，因此模具型腔的泄漏Q泄必須考慮，則公式（1）修正爲：
由於模具型腔的泄漏量與t的變化可以忽略，公式（2）的解爲：
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，反映了型腔泄漏對於模具真空度的影響。
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）第一部分趨於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鍾，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，採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爲拉傷痕、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於0.5 mm，加強筋側面拉傷痕長度不得大於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於1.5 mm。
產生這些缺陷的因素還是因爲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。
爲此，本項目設計了如圖4所示的三級抽真空方案。模具採用一模兩腔，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。因爲是一模兩腔，本副壓鑄模包括料筒上的抽氣口，總共連接7個真空泵。
圖4 三級抽真空方案
三級抽真空分爲以下四個階段：
第一階段（圖5）：鋁液倒料結束，壓鑄機衝頭低速通過矩形倒料口，此時倒料口被封住，7個真空泵開始抽真空。
圖5 三級抽真空第一階段
第二階段（圖6）：壓鑄機衝頭低速通過料筒抽氣口，此時與料筒抽氣口連接的真空泵關閉，與4個真空閥和2個排氣塊連接的真空泵繼續抽氣。
圖6 三級抽真空第二階段
第三階段（圖7）：壓鑄機衝頭低速轉爲高速，此時與4個真空閥連接的真空泵關閉停止抽真空，而與2個排氣塊連接的真空泵繼續抽真空。
圖7 三級抽真空第三階段
第四階段（圖8）：壓鑄機衝頭結束高速運行，與2個排氣塊連接的真空泵關閉停止抽真空。三級抽真空結束，接着進行增壓、保壓、冷卻，然後開模、衝頭跟蹤、取件、噴塗、吹氣。一個循環結束。
圖8 三級抽真空
第四階段經過測試，三級抽真空時模具型腔真空度能達到≤15 kPa。
3 集羣局部擠壓技術
新能源汽車底盤副車架檢驗非常嚴格，除了多項力學性能測試和X光探傷之外，還有一項非常重要的檢驗，就是對於圖9所示位置進行斷面切割並拋光，以判斷內部組織是否合格。
圖9 樣件斷面位置
圖9所示的樣件斷面切割位置，多數結構壁厚較厚，極易產生氣孔、縮孔、內部組織不致密等缺陷，即使採用三級抽真空技術也難以避免。
爲了解決這個問題，本項目採用集羣局部擠壓技術。局部擠壓的基本原理是在對應位置增加擠壓銷，通過油缸推動擠壓銷對鑄件縮孔部位加壓，強制補縮，從而獲得高品質壓鑄件。
圖10是局部擠壓示意圖。與副車架壓鑄件連接的是擠壓套，擠壓套內部有擠壓銷，擠壓銷由液壓油缸驅動，擠壓套通過壓板固定在模板上。擠壓套內部的擠壓銷通過連接頭與液壓油缸的活塞杆相連接，活塞杆另一端與液壓油缸連接，活塞杆與液壓油缸中間設置了隔熱板。
圖10 局部擠壓示意圖
每個底盤副車架有8個位置設計了局部擠壓裝置，這些擠壓裝置並不是同時啓動同時停止，而是根據每個位置與內澆道距離、壁厚以及CAE模擬結果查看鋁液的凝固時間確定擠壓裝置啓動時間。圖11是凝固時間分別爲8.318 s和13.139 s的凝固分析結果。
圖11 凝固分析
圖12是局部擠壓具體位置，表2是每個位置裝置啓動時間列表。當擠壓裝置啓動時，液壓油缸推動活塞杆，活塞杆在連接頭內部滑動，同時推動連接頭內部的擠壓銷，擠壓銷在擠壓套內部運動，以達到增壓目的。
圖12 擠壓位置表2 擠壓啓動時間
4 試驗測試結果
新能源汽車底盤副車架壓鑄工藝採用了三級抽真空和集羣局部擠壓等多項一體化壓鑄新技術，根據產品設計要求對鑄件進行洛氏硬度、抗拉強度、屈服強度、斷後伸長率、彎曲試驗和內部品質X光探傷等多種試驗測試。表3顯示了抽樣壓鑄件力學性能測試結果。表3 力學性能測試結果X光探傷主要是檢驗內部組織有無鑄孔和夾渣。一般平板部位（最大5 mm），缺陷部位面積最大不得超過0.8 m㎡；凸臺、厚壁部位、加強筋底部和加強筋側面，缺陷部位面積最大不得超過7 m㎡。圖13是重要位置X光探傷圖，結果顯示壓鑄件品質合格。
圖13 X光探傷結果
5 結論
（1）三級抽真空技術有效解決了壓鑄過程中真空度偏高的問題，真空度能達到≤15 kPa。
（2）集羣局部擠壓技術利用液壓油缸驅動擠壓銷，實現了壁厚區域鋁液擠壓的效果，改善了區域組織結構，有效縮減了縮孔，減少了氣孔。
（3）新能源汽車底盤副車架一體化壓鑄應用三級抽真空技術和集羣局部擠壓技術，提升了壓鑄件品質，提高了生產效率，降低了產品不合格率，產品合格率達到95%以上。
本文作者：
夏天寧波職業技術學院吳時雨寧波瑞立機械有限公司
本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴
