引言
近年來，隨著雙碳戰(zhàn)略提出以及化石能源價(jià)格不斷攀升，環(huán)境保護(hù)要求不斷提高，世界各國紛紛表達(dá)了對全球環(huán)境惡化和氣候變暖的嚴(yán)重關(guān)切，并形成了環(huán)境保護(hù)共識。由此各國相繼出臺(tái)了一系列節(jié)能減排政策，法國宣布2040年全面禁售汽油車和柴油車；汽車工業(yè)強(qiáng)國德國2030年起新車只能為零排放汽車，禁止銷售汽油車和柴油車；挪威擬從2025年禁售燃油汽車，電動(dòng)汽車已占24%；荷蘭最早宣布2025年禁售汽油車和柴油車；中國則對燃油汽車CO2排放進(jìn)行了嚴(yán)格限制，并將“碳達(dá)峰、碳中和”上升為國家戰(zhàn)略目標(biāo)。雙碳戰(zhàn)略嚴(yán)格實(shí)行直接促使汽車主機(jī)廠必須在汽車生產(chǎn)制造上加快創(chuàng)新，而汽車節(jié)能減排突破關(guān)鍵點(diǎn)主要在于新能源和輕量化兩個(gè)方面。從發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)與動(dòng)力電池的過程實(shí)現(xiàn)了能源的清潔轉(zhuǎn)換但由于動(dòng)力電池自身重量與續(xù)航里程的限制，目前新能源汽車在整車重量方面相比于傳統(tǒng)汽車并未取得明顯進(jìn)步。在當(dāng)前動(dòng)力電池技術(shù)在較短時(shí)間內(nèi)無法取得重大突破時(shí)，汽車工程技術(shù)人員將目光轉(zhuǎn)向了車身結(jié)構(gòu)方面，由此一體化壓鑄鋁制車身技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。
1.1 一體化壓鑄技術(shù)介紹
一體化壓鑄是將白車身中多個(gè)單獨(dú)、分散零件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)經(jīng)過重新設(shè)計(jì)高度集成再使用一體化壓鑄工藝變成只使用一個(gè)零件的新型制造技術(shù)。大型壓鑄機(jī)進(jìn)行一體化壓鑄一次成型，省略由多個(gè)部件焊接的過程從而直接壓鑄得到一個(gè)完整車身部件。一體化壓鑄工藝與傳統(tǒng)鈑金焊接結(jié)構(gòu)工藝對比，省了許多組件間的沖壓、焊接過程，如圖1所示。目前，一體化壓鑄技術(shù)作為一種改變沖、焊、涂裝汽車生產(chǎn)制造工藝的新技術(shù)，被廣大新能源汽車主機(jī)廠商所熱捧，其標(biāo)志就是特斯拉ModelY量產(chǎn)成為汽車業(yè)界公認(rèn)的一項(xiàng)變革。汽車白車身制造工藝經(jīng)歷了人工焊接到流水線機(jī)器人焊接。如今，特斯拉所做正是將流水線機(jī)器人汽車白車身制造工藝改革為一體化壓鑄車身，如圖2所示。
1.2 一體化壓鑄技術(shù)優(yōu)勢分析
新能源汽車的關(guān)鍵指標(biāo)是續(xù)航，在鋰電池能量密度提升出現(xiàn)瓶頸時(shí)，采用一體化壓鑄技術(shù)降低汽車重量，提升車輛輕量化水平是增加續(xù)航的關(guān)鍵一招。不僅如此，引入一體化壓鑄技術(shù)還能帶來生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)精度、安全性能提升、續(xù)航里程5個(gè)方面的優(yōu)勢。
1.2.1生產(chǎn)成本優(yōu)勢
與傳統(tǒng)沖壓焊接工藝相比，一體化壓鑄生產(chǎn)成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)在生產(chǎn)設(shè)備投入少、材料回收率高、工人數(shù)量少三個(gè)方面。
生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)勢：隨著一體化壓鑄技術(shù)的應(yīng)用，新能源汽車生產(chǎn)工藝更為簡單。簡化的供應(yīng)鏈體系使得制造工藝簡單，傳統(tǒng)沖壓焊接供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)全部取消，在傳統(tǒng)“沖壓焊接”工藝下，至少需要數(shù)十套沖壓機(jī)、模具、焊接夾具、檢測機(jī)等設(shè)備做支持，一條生產(chǎn)線規(guī)模大，成本高。相比之下一體化壓鑄一次壓鑄成型，削減了大量焊接輔助設(shè)備、機(jī)器人等生產(chǎn)設(shè)備，白車身的生產(chǎn)僅通過3-5臺(tái)大型壓鑄機(jī)，少量輔機(jī)及模具實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)線建設(shè)成本大幅下降。此外，同等產(chǎn)能下，一體化壓鑄設(shè)備占地面積小生產(chǎn)出的部件不需要運(yùn)輸可廠內(nèi)直接供貨，一體化壓鑄產(chǎn)線更節(jié)省廠房面積。
材料成本優(yōu)勢：一體化壓鑄技術(shù)原材料易回收，一體化壓鑄全鋁車身材料利用率和材料回收利用率可達(dá)95%以上。一體化壓鑄在沖壓過程中僅使用單一鋁合金，由于壓鑄時(shí)注入的液態(tài)金屬一比一等同于鑄件用料，因此在原材料受擠壓成型后產(chǎn)生的邊角余料成分簡單可直接回收重制，材料回收利用率更高。
人力成本：對比傳統(tǒng)沖壓焊接工藝，在一體化壓鑄技術(shù)下，車身焊接點(diǎn)大量減少，從而減少了大量的焊接技術(shù)工人需求。目前國內(nèi)主流焊裝工廠通常配備200-300個(gè)工人，采用一體壓鑄技術(shù)后，所需的技術(shù)工人至少可縮減到原來的十分之一。
1.2.2生產(chǎn)效率優(yōu)勢
一體化壓鑄大量減少焊點(diǎn)、熱處理與涂膠的工作量，對比傳統(tǒng)車身制造，需要進(jìn)行單獨(dú)制造的零部件達(dá)500余種，涉及的沖壓及焊接工序繁多，而一體化壓鑄技術(shù)將其大幅簡化，工作量大幅下降。以特斯拉為例，Model3采用傳統(tǒng)沖壓焊接工藝與一體化壓鑄工藝ModelY進(jìn)行對比，如表1所示。采用一體壓鑄技術(shù)后，ModelY將原方案的70個(gè)沖壓焊接零件集成為1-2個(gè)鑄件，零件數(shù)量比Model 3減少79個(gè)，焊點(diǎn)大約由700~800個(gè)減少到50個(gè)。減少了焊點(diǎn)數(shù)量同時(shí)就降低了由于焊接導(dǎo)致的熱處理工作量與涂膠工藝，同時(shí)大大縮短車型開發(fā)周期。
1.2.3 生產(chǎn)精度優(yōu)勢
采用一體化壓鑄技術(shù)避免了點(diǎn)焊鋼板間存在的誤差，由于焊點(diǎn)的減少不會(huì)出現(xiàn)誤差疊加，一體化壓鑄技術(shù)使得影響車身制造精度的因素減少車身制造精度更可控。在新能源汽車普遍配備的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，優(yōu)秀的車身制造精度也將為激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、高清攝像頭等高精度測量傳感器探測感知路況，提供精確測量保障，更利于自動(dòng)駕駛技術(shù)研發(fā)與實(shí)現(xiàn)。
1.2.4 安全性能優(yōu)勢
一體化壓鑄技術(shù)解決鋁合金焊接點(diǎn)強(qiáng)度難題，一方面提升結(jié)構(gòu)整體性，增強(qiáng)車身強(qiáng)度；另一方面一體化壓鑄技術(shù)以壓鑄成型替代了焊接工藝有助于汽車車身輕量化的實(shí)現(xiàn)，對汽車各項(xiàng)性能指標(biāo)均有改善。環(huán)保指標(biāo)方面，新能源汽車每減重10%，電動(dòng)汽車（含插電混動(dòng)）可以分別減少6.3%和9.5%的電能消耗；續(xù)航里程方面，新能源車重降低10%，續(xù)航里程可增加14%；動(dòng)力性方面，新能源車重減少10%，0-100km加速性能提升8%；安全性方面，車身輕量化可以使整車中心下降，提升了汽車駕駛穩(wěn)定性，車輛運(yùn)行更加安全穩(wěn)定；制動(dòng)距離方面，新能源車重減少10%，制動(dòng)距離縮短2-7米。
1.2.5 續(xù)航里程優(yōu)勢
新能源汽車采用一體化壓鑄技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)趨勢，因其在減重、續(xù)航方面帶來的巨大成效，許多車企相繼宣布將引入一體化壓鑄技術(shù)。數(shù)據(jù)顯示，燃油車重量降低10%，油耗就能降低6%-8%。而假設(shè)新能源汽車重量下降100KG，不僅電池成本和損耗可降低20%，而且續(xù)航還能大幅提升10%-11%[4]。新能源汽車由于動(dòng)力電池、電機(jī)和電控三大件，使得新能源汽車重量增加了200kg到300kg[5]。單就三電系統(tǒng)，就占到新能源整車重量的30%-40%。動(dòng)力電池系統(tǒng)就占到新能源整車重量的20%，另外動(dòng)力電池殼體就占到動(dòng)力電池成本的10%-20%。因此采用一體化壓鑄技術(shù)能大幅度降低電池殼體和車身重量，從而提升新能源汽車?yán)m(xù)航。
1.3 一體化壓鑄劣勢分析
一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)必然伴隨著設(shè)備成本高投入、材料成本高、后期維護(hù)高成本的問題。一是，一體化壓鑄設(shè)備投入成本高：一臺(tái)重型壓鑄機(jī)的采購價(jià)往往要上億，而傳統(tǒng)沖壓機(jī)僅需千萬元；傳統(tǒng)沖壓模具的壽命可達(dá)50萬次，而壓鑄件模具僅8萬多次。二是，材料成本高：應(yīng)用一體化壓鑄技術(shù)使得新能源汽車廠商放棄現(xiàn)今較為成熟便宜鋼材車身部件而投入到更為昂貴的鋁制車身，對于眾多國產(chǎn)品牌新能源汽車無疑將增加其單車制造成本。三是，消費(fèi)者后期維護(hù)成本高：由于采用一體化壓鑄鋁制車身，后期的維修保養(yǎng)成本極高，鋁制車身可修復(fù)性極差且目前售后服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)不具備鋁制車身修復(fù)能力，損壞后只能整體或局部更換，所以一旦發(fā)生碰撞維修費(fèi)用非常高，甚至出現(xiàn)碰撞后直接報(bào)廢的情況無疑加重了消費(fèi)者車險(xiǎn)購置費(fèi)用。四是，材料工藝要求高：大型一體化鑄件在鑄造過程中產(chǎn)生的熱處理問題變形問題將提升整形難度以及報(bào)廢率[6]，一體化壓鑄機(jī)冷卻水的布局、周邊機(jī)的設(shè)置、采用的壓力參數(shù)等都需要長時(shí)間項(xiàng)目生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累，因此如果要保證較高的產(chǎn)品良率，需要較高時(shí)間成本積累壓鑄參數(shù)經(jīng)驗(yàn)。
2、一體化壓鑄技術(shù)在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
百年來，汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展一直圍繞著節(jié)能減排，從鋁車身、碳纖維車身等部件的輕量化應(yīng)用到大排量自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)減少變?yōu)樾∨帕繙u輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推廣，汽車行業(yè)一直在做減法，直到將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器改為由電動(dòng)機(jī)替代，由此汽車行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展使命交由新能源汽車完成。
2.1 新能源汽車一體化壓鑄發(fā)展現(xiàn)狀
據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)消息，2021年，我國汽車產(chǎn)銷分別完成2608.2萬輛和2627.5萬輛，產(chǎn)量同比增長3.4%，銷量同比增長3.8%，其中新能源汽車產(chǎn)銷分別完成354.5萬輛和352.1萬輛，同比增長均為1.6倍，市場占有率增長至13.4%。產(chǎn)銷量的數(shù)據(jù)充分顯示了中國新能源汽車市場已經(jīng)走出了靠政策驅(qū)動(dòng)的窘境，并呈現(xiàn)出百花齊放、百家爭鳴的格局，傳統(tǒng)車企與造車新勢力紛紛拿出自家“科技與狠活”，例如傳統(tǒng)車企深耕于已有的技術(shù)積淀專注于插電混動(dòng)技術(shù)兼顧節(jié)能與綠色，造車新勢力則專注于高級自動(dòng)駕駛科技讓駕駛者體驗(yàn)科技帶來的改變。而中國《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021－2035年)》明確指出，未來政府要從基礎(chǔ)設(shè)施和制度設(shè)計(jì)等多方面對新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)行支持，加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程，按照目前新能源汽車產(chǎn)銷發(fā)展形式，2025年我國新能源汽車年銷量將達(dá)到643萬輛，年復(fù)合增速將達(dá)到36%左右，而且其中新車占比應(yīng)達(dá)到20%左右?？梢哉f，在中國新能源汽車已經(jīng)被消費(fèi)者所認(rèn)可，隨著中國新能源汽車產(chǎn)銷量的逐步增大，帶動(dòng)汽車一體化壓鑄需求大增已是大勢所趨。當(dāng)前隨著特斯拉等頭部新能源車企帶來的一體化壓鑄示范效應(yīng)，相信中國新能源汽車一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)將很快迎來快速發(fā)展期，如圖3所示。
隨著越來越多大型壓鑄設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)與新能源汽車企業(yè)合作，以自建生產(chǎn)、外包生產(chǎn)等方式進(jìn)入大型一體化壓鑄領(lǐng)域，大型壓鑄設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)乘上新能源汽車一體化壓鑄東風(fēng)獲得快速發(fā)展的前景可觀，如表2所示為一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)鏈組成。2021年中國一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模已達(dá)4.2億，一體化壓鑄產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景可觀未來具有巨大增長潛力且當(dāng)前還處于發(fā)展成長期，從產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成的上、中、下游來看主要存在的技術(shù)短板集中于免熱處理鋁合金、大噸位壓鑄機(jī)、壓鑄模具以及工藝。相信在廣東鴻圖、伊之密等大型壓鑄企業(yè)的努力下克服當(dāng)前的技術(shù)短板已不是問題。
2.2 我國一體化壓鑄技術(shù)積淀
雖然我國幅員遼闊，但各地經(jīng)濟(jì)、環(huán)境發(fā)展水平等不一，宏觀上形成了廣闊的新能源汽車市場，但絕大多數(shù)市場充斥著低端廉價(jià)的油車改電車的新能源車型，基于純電動(dòng)汽車開發(fā)的新車型目前大多集中于造車新勢力，因此相較于傳統(tǒng)車企造車新勢力更傾向于應(yīng)用一體化壓鑄技術(shù)來開發(fā)新能源汽車。但對汽車行業(yè)而言一體化壓鑄、輕量化車身零部件并不是新鮮事物，在特斯拉應(yīng)用于大型車體高壓一體化壓鑄前，中國乘用車輕量化目標(biāo)從未停止，如圖4所示：中國燃油乘用車預(yù)計(jì)在2035年減重25%，純電動(dòng)汽車將在2035年減重35%。傳統(tǒng)燃油汽車已經(jīng)在汽車發(fā)電機(jī)殼體、變速器殼體、離合器殼體、水泵殼體、變速箱支架轉(zhuǎn)向機(jī)殼體，還有凸輪箱、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸蓋、進(jìn)氣歧管、換擋拔叉、連接支架、傳動(dòng)器殼體、離合器殼體、車輪、制動(dòng)器零件、罩蓋殼體類零件、底盤總成、車身等汽車零部件中進(jìn)行了廣泛的一體化壓鑄技術(shù)應(yīng)用，有著豐富的一體化壓鑄技術(shù)積累。
2.3 一體化壓鑄技術(shù)發(fā)展政策支持
一項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展必然離不開政策支持，中國新能源汽車發(fā)展進(jìn)程先由政策驅(qū)動(dòng)后轉(zhuǎn)為市場拉動(dòng)，雖然目前新能源汽車在消費(fèi)端補(bǔ)貼有退坡，但生產(chǎn)端的政策支持依然存在，因此一體化壓鑄技術(shù)受新能源汽車政策持續(xù)影響將迎來快速發(fā)展的上升期。例如：“一體化承載式車身壓鑄成形工藝與裝備”作為“高性能制造技術(shù)與重大裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)入選國家科技管理信息系統(tǒng)公共服務(wù)平臺(tái)公布的44個(gè)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)，該重點(diǎn)專項(xiàng)主要攻克一體化壓鑄技術(shù)的4大關(guān)鍵技術(shù)：一是，新型免熱處理高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金材料性能研究、二是，多材料一體化車身多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究、三是，超大型復(fù)雜薄壁壓鑄件模具和工藝、四是，大型車身一體化壓鑄件與環(huán)境件連接，并加快在新能源乘用車下車體應(yīng)用超大型智能壓鑄成套裝備實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)件及其壓鑄成形工藝。于此同時(shí)在消費(fèi)端，已有沿海發(fā)達(dá)城市表示對2022年下半年個(gè)人消費(fèi)者購買的純電車型若符合“產(chǎn)品制造具備前后一體式鑄鋁車身成型工藝（要求自建壓鑄能力≥7000T壓鑄設(shè)備）”及其他相關(guān)指標(biāo)的，開展購車補(bǔ)貼。
3、新能源汽車一體化壓鑄技術(shù)發(fā)展建議
一體化壓鑄技術(shù)為新能源汽車的發(fā)展帶來新的商機(jī)，但新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的一些問題與挑戰(zhàn)，并不會(huì)因?yàn)橐惑w化壓鑄技術(shù)的引入而得到徹底解決。
3.1 提升一體化壓鑄機(jī)成熟度與合格率
一體化壓鑄部件集成度越高所需壓鑄設(shè)備越大、功能種類越多，而超大型壓鑄機(jī)的研發(fā)應(yīng)用還處于起步階段離成熟可靠還有較長一段時(shí)間。例如為了滿足大型一體化鑄件的成形要求，大型壓鑄機(jī)壓射系統(tǒng)的活動(dòng)部件質(zhì)量顯著增大，而大質(zhì)量壓射單元既要滿足穩(wěn)定的壓射速度，又要持續(xù)的壓射壓力，還要靈敏的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，這對一體化壓鑄機(jī)器整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是一種挑戰(zhàn)，因此大質(zhì)量壓射單元在保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能前提下的成熟度亟待提高。
隨著大型一體化鑄件的尺寸和復(fù)雜程度大幅增加，導(dǎo)致壓鑄工藝難度大幅上升，出現(xiàn)產(chǎn)品合格率較低的情況。當(dāng)前一體化壓鑄技術(shù)工藝生產(chǎn)的一體化鑄件合格率大致在40%-60%，合格率較低，生產(chǎn)成本與廢品率偏高。大質(zhì)量一體化壓鑄車身件澆注過程充型與成形時(shí)間延長，因此，要保證產(chǎn)品最終的抗拉、屈服、伸長率、折彎角等力學(xué)性能符合要求以及較高的產(chǎn)品合格率，關(guān)鍵要在充型速度控制、成形壓力控制、模具溫度控制以及產(chǎn)品前末端性能一致性控制4個(gè)方面開展智能化精準(zhǔn)控制研究。
3.2 輔助設(shè)備管理與周邊設(shè)備生產(chǎn)節(jié)奏配合度
一體化壓鑄生產(chǎn)在傳統(tǒng)四大生產(chǎn)流程沖壓、焊接、涂裝、總裝工序中整合了部分沖壓和焊接工序，完全排除了人工作業(yè)的可能性，壓鑄單元內(nèi)的所有操作由自動(dòng)化周邊設(shè)備完成。一體化壓鑄省去了許多工序與設(shè)備，但也不可避免需要其他輔助設(shè)備保證一體化壓鑄過程的精準(zhǔn)可靠。例如一體化壓鑄生產(chǎn)過程中需要對整個(gè)模具進(jìn)行熱平衡管理，需要的輔助控溫設(shè)備多達(dá)40臺(tái)，輔助控溫設(shè)備在大幅增加生產(chǎn)耗能的同時(shí)也增加了生產(chǎn)現(xiàn)場管理難度。一體化壓鑄僅僅只是車輛制造的開始，因此為了有效組織生產(chǎn)，縮短循環(huán)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。一體化壓鑄車間應(yīng)與沖壓、焊接、涂裝電驅(qū)車間進(jìn)行平行建設(shè)同時(shí)開展生產(chǎn)節(jié)奏調(diào)適，縮短零部件轉(zhuǎn)移距離，增加車輛組裝效率。
3.3 政策支持與生產(chǎn)補(bǔ)貼
當(dāng)前困擾新能源車企大規(guī)模應(yīng)用一體化壓鑄的關(guān)鍵點(diǎn)主要集中于，一是生產(chǎn)端設(shè)備投入大，二是產(chǎn)品合格率有待提升，三是消費(fèi)端產(chǎn)品維修費(fèi)用高的問題。因此建議國家層面出臺(tái)一體化壓鑄生產(chǎn)端政策補(bǔ)貼，例如購買一體化壓鑄生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行稅費(fèi)補(bǔ)貼，二是開展一體化壓鑄合格率改善獎(jiǎng)勵(lì)制度，三是在消費(fèi)端降低消費(fèi)者顧慮降低車輛投保費(fèi)用與維修費(fèi)用。
4、結(jié)語
發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)是中國實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑，對中國實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)由大到強(qiáng)具有重要推動(dòng)作用。中國汽車工業(yè)已連續(xù)10年保持產(chǎn)銷量世界第一，隨著汽車保有量增長的同時(shí)汽車行業(yè)競爭格局也在加劇，在日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染和能源危機(jī)等背景下許多汽車企業(yè)看到了大型一體化壓鑄的發(fā)展機(jī)遇，大型一體化壓鑄技術(shù)在生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率以及安全性能方面優(yōu)勢是傳統(tǒng)制造工藝所不具備的，特別針對新能源汽車還能提升續(xù)航里程，壓縮新車型研發(fā)生產(chǎn)周期為定制化新能源汽車的實(shí)現(xiàn)提供了可能。發(fā)展一體化壓鑄技術(shù)有助于新能源汽車成為更節(jié)能更綠色的交通工具。
