广东鸿图：大型一体化压铸生产单元解决方案

曾庆杰发表于2024/12/19 9:34:22 一体化压铸件解决方案

汽车批量化生产以来，汽车白车身生产工艺需经历冲压及焊接两个工艺，而一体化压铸则直接由熔化的金属液浇注、整形和冷却成形。汽车轻量化是节能减排的关键技术手段之一。铝合金作为重要的轻量化材料，受到整车制造企业的广泛关注。目前，汽车轻量化的主要手段是发展一体化压铸，可简单理解为超大尺寸产品压铸成形技术，产品主要包括前舱总成、后地板总成、电池托盘等，具有尺寸大、集成度高及一次成形等特点。另外，一体化压铸件毛坯的浇注质量相较于传统件增大许多。基于此，必须研发更大锁模力的压铸机、产品搬运设备、压铸岛设备以满足一体化压铸件的成形、产品输出转运及产品浇道渣包的去除。浇注质量增加，会导致铝液倒料时间延长，为了减小铝液降温的影响，必须研发给汤速度更快的设备。因此传统的压铸元素，包括设备、材料、工艺、模具等都需要突破甚至颠覆原来的技术，才能满足前舱、后地板及电池托盘的生产。一体化压铸件的生产，必须解决产品尺寸过大导致的压铸机合模力需求大增、铸件流程过长导致的模具温度平衡、生产节拍过长、产品变形、保温炉局限导致的铝液质量不高以及给汤效率问题。针对这些问题，提出一体化压铸单元设备的解决方案，包括压铸单元布局、模具的喷涂润滑、铝液的供给、模具温度的平衡控制、压铸超高真空控制技术等。本研究介绍了一体化压铸件压铸单元设备的解决方案，旨在为一体化压铸生产提供参考。

图文结果

新能源汽车前舱等大型铝合金压铸件生产过程如下：原材料以铝锭形式由货车运输到工厂，经叉车转运至车间内铝锭存放区。熔炼炉将原材料熔炼成铝液后转至保温炉，给汤机从保温炉取料给汤到压铸机，压铸机压铸成形后，由机器人取件，进行产品检测、水冷、渣包切除、激光打码、料饼切除，检测合格后从压铸岛下线，经去毛刺和X光检测后，合格件被运往机加工区，不合格件进入废料区等待切割后回炉使用，设备开机时生产的热模件和正常生产状态下等切割的料饼均可经破碎后作为回炉料使用。

压铸单元的配套设备有：喷涂机器人及喷涂系统、取件机器人及取件系统、产品检测装置、产品冷却水槽、去渣包装置、等离子切割（或者大型压床和冲模的冲切方式）、矫形装置、打码站、点冷机、真空机、模温控制系统、模温数据监测反馈系统和油污收集器等，与压铸机组成一个完整的系统。周边设备的布置形式及数量应根据具体产品的工艺要求而定，生产节拍应与压铸机相匹配。为了获得最大的空间利用率，最有效率的物流路线，最佳的生产流程以及最短的生产节拍，必须对以上压铸单元的所有设备进行合理的布局。以鸿图120 000 kN压铸单元为例，产品为前舱、后地板，布局设计方案见图1。

图1 广东鸿图120 000 kN压铸单元

为生产超大尺寸的一体化压铸产品，压铸机尺寸需要相应增大，见图2。主要体现在160 000 kN压铸机的合模机构上，其模板长宽达到4 600 mm以上，哥林柱直径超过ϕ600 mm。为了保证超大模具在合模状态下各个接触面的合模力一致，以及实现快速开合模，采用直压式的锁模结构，即锁模结构由原来的曲肘设计实现合模动作高压锁模力要求，变为直接使用超大的油缸活塞和高压（21 MPa）油压来实现合模动作高压锁模力要求，即由原来的机械方式变为液压方式。该活塞直径约为ϕ600 mm，4个活塞各对应一条大杠，大杠上有独立的凹槽，合模最后阶段，通过4个大油缸活塞驱动卡齿卡住大杠的凹槽，并通过稳定的高压油压来实现160 000 kN以上的锁模力。与传统的机械曲肘锁模方式相比，直压式锁模结构不会出现机械磨损导致的锁模力不稳定的情况，而且4条大杠独立控制锁模力，能够允许出现4条大杠锁模力不平衡的情况。此外，直压式锁模结构可以快速合模油缸推动中板前进，直到型板紧贴模具后，然后启用直压式（超大活塞）油路实现高压锁模。

图2 广东鸿图160 000 kN压铸机

表1 模温控制系统的配置

图3 模温设备系统布置图

模温机工作原理为将有机热载体（导热油）通过热油循环泵进行液相循环，并通过电加热升温至目标温度后输送到模具，模具出油口再回到油温机，形成完整的循环加热系统。油温机利用高导热性的导热媒介，以及更高的温差在很短的时间内将模具内温度提高或者将多余的热量送走。在设定好热平衡温度后，能自动控制其温度在极小误差之内，且能维持定值。利用温度控制系统调节模具的平衡温度，从而实现优化循环时间，更好地促进产品定型。水温机原理是将水通过循环泵进行液相循环，并通过电加热升温至目标温度后输送到模具。模具出水口再回到水温机，形成一个完整的循环加热系统。水温机利用压力控制系统，将 100 ℃以上的水保持液态，形成过热水。水温机利用过热水压力高、流速快的特点及更高的水与模具的传热效率，在更短的时间内将模具内温度提高或者将多余的热量带走。在设定好热平衡温度后，能自动控制其温度在极小误差之内，并能维持定值。利用温度控制系统调节模具的平衡温度，从而实现优化循环时间，更好地促进产品定形。

图4 模具温度检测系统

生产单件一体化压铸件成本非常高，对压铸生产过程进行管控是其中一种应对措施。模具表面温度是动态的工艺参数，在每个铸造周期内都必须保持在最佳且均匀的范围内，这会影响铸件品质和模具寿命。前舱、后地板、电池托盘在生产过程中的温差较大，必须对生产过程中的模具温度进行监测及记录并实时反馈异常，以保证产品的品质。红外热成像在线监测系统通过高达数十万个以上的测温点数据实时形成清晰的热像图，可以直观分析被测物体表面任何点或关注区域（ROI）温度变化情况，对比工作循环的相同阶段前后数据，找到温度分布正确优化的依据，通过预设温度阈值实现报警提示，原理见图4。由于一体化压铸件产品尺寸大，进浇口到水尾的渣包口流程长，增压不能在铝液凝固前传达到水尾部位，为保证产品的内部品质及力学性能，真空工艺的应用十分重要。应对一体化压铸件全新设计的真空系统，其静态真空度可以达到500 Pa，动态真空度达到3 kPa，真空罐采用10 m3，动定模侧各采用4个真空阀对型腔进行抽真空，最快关阀时间达30 ms。图5为真空系统示意图，通过管道对料槽、模具动模侧、模具定模侧进行抽真空，以达到减少充填阻力，降低产品含气量，提高产品品质的目的。

图5 超大型压铸单元真空系统

图6 超大型压铸单元双喷涂头系统

图7 一体化压铸后地板

图8 3 000 kN压床设计图

图9 超大型压铸单元双定量炉给汤方案

使用120 000 kN超大型压铸机生产，配置双定量炉给汤方案、双喷涂系统、模温控制系统、模温反馈系统、超高真空系统以及压铸岛。压铸岛主要工序流程有取件-检测-冷却-折渣包-切边-打标-输送等，见图10。通过以上的一体化压铸单元的设备解决方案，使得后地板总成可以顺利量产，其节拍为120 s，铸造压力低至约30 kPa，高速速度约为5.5 m/s，具体压铸工艺参数见表2和表3。其节拍主要通过压铸单元布局、优化给汤时间、优化喷涂时间以及冷却时间得以保证，低压、低速工艺主要通过压铸机性能、模具温度控制、超高真空工艺等来保证。铝合金压铸件由于其工艺特点，在模具中流动形成铝液温度损失，导致零件本体近浇口端和末端力学性能均存在差异。随着一体化压铸零件尺寸加大，铝液流程变长，压铸件近端与远端力学性能差异更明显。通过一体化压铸单元设备生产的后地板总成，其力学性能见表4，满足汽车使用要求。