新能源汽车副车架一体化压铸技术研发与应用

夏天发表于2024/12/24 9:35:38 副车架一体化压铸技术

原标题：新能源汽车底盘副车架一体化压铸技术研发与应用

摘要

新能源汽车底盘副车架尺寸大，结构复杂，力学性能要求高，常规一体化压铸工艺无法满足设计要求。采用三级抽真空技术，提高了模具型腔的真空度，真空度达到≤15 kPa；采用集群局部挤压技术，改善了区域组织结构，有效缩减了缩孔，减少了气孔。生产实践证明，两种技术的应用使压铸件的力学性能达到了设计要求，提升了压铸件品质，提高了生产效率，产品合格率达到95%以上。

在“双碳”目标下，新能源汽车已经成为汽车工业的重要支撑。根据统计，2021年我国新能源汽车全年销量超过350万辆，市场占有率提升至13.4%；2022年新能源汽车全年销量达到740万辆，渗透率提升至30%；2023年新能源汽车销量达到949.5万辆。

轻量化是汽车行业发展的大趋势，降本增效的需求进一步驱动汽车减重。对于新能源汽车，提升续航里程，降低电池成本是发展方向。新能源汽车电池过重、电耗较高，且能量密度低于传统的燃油汽车，影响续航里程，使得车企对其轻量化的需求更加迫切。因此，车身轻量化成为新能源汽车提升续航里程、提升耐久性和提高节能效率的必然途径。而一体化压铸的应用有助于轻量化的实现。

特斯拉一体化压铸效应轰动了汽车制造业，迎来了汽车车身工程工艺的变革，一体化压铸促进了铝合金材料创新与发展。特斯拉Model Y后地板总成采用一体压铸后重量降低了30%，制造成本相比原来下降了40%。

但一体化压铸技术存在很多方面的技术壁垒和技术瓶颈。一体化压铸产品的材料属性和力学性能比普通压铸件要求更高，常规压铸工艺无法满足设计，需要技术积累和技术创新才能保证量产的良品率；一体化压铸模具结构复杂、制造费用高、准备周期长。

本项目与宁波瑞立机械有限公司紧密合作，以新能源汽车底盘副车架为载体，对大型零配件一体化压铸技术进行改进与创新，并将创新技术推广应用至其他结构复杂、超大型一体化压铸件，提高公司的技术研发能力与市场竞争力。

1 新能源汽车底盘副车架结构

图1是新能源汽车底盘副车架正反面。副车架的特点是压铸件尺寸大，858 mm×507 mm×215 mm，属于超大型压铸件；壁薄，最大壁厚为10 mm；分布很多加工筋，形成了数量可观的深槽；型腔配合面多，加工精度要求≤±0.03 mm。表1是底盘副车架压铸件和模具的主要性能参数和技术指标。

图1 新能源汽车底盘副车架

表1 底盘副车架性能参数和技术指标

底盘副车架是受力件，力学性能要求相对较高，通常采用低压铝合金或铸铁，缺点是生产效率不高，合格率偏低，尤其是采用铸铁材料副车架，重量太大，与新能源汽车轻量化方向相背离。

经过多次论证与性能对比，最终选取免热处理的铝合金HDX。铝合金高压铸造解决了低压铸造效率低的问题，同时又克服铸铁重量大的缺陷。但是副车架需承受很大的载荷，其抗拉强度、屈服强度、伸长率以及压铸件内部质量（气孔、锁孔）要求非常高，采用常规的压铸工艺无法满足设计要求。

本项目将采用三级抽真空压铸技术和集群局部挤压技术，改进创新压铸工艺，提升压铸件品质，提高生产效率，降低产品不合格率。通过该项目研发，提高公司一体化压铸技术水准，提升公司一体化压铸的技术积累，增强公司核心技术竞争力。

2 三级抽真空压铸技术

压铸是利用高压将金属液高速压入到模具型腔内，金属液在压力作用下冷却凝固成形的一种工艺方法。由于金属液以高速喷射状态充填至模具型腔，型腔中部分气体无法排除而残留在铸件内，可能产生气孔、缩孔等内部缺陷，影响产品品质和力学性能。为了提高压铸件的力学性能，拓展压铸制品的应用范围，从业人员尝试了多种压铸新工艺与新方法，真空压铸法是目前众多工艺方法中的获得广泛应用并取得良好效果的一种技术。真空压铸法，填充之前利用真空泵等将型腔内的气体抽出，使金属液在接近真空的环境下充满型腔，降低压铸件中残留的气体，从而改善其力学性能。

2.1 真空系统数学模型

图2为真空压铸抽真空流程示意图。在任一时刻t，真空压铸中真空泵直接对型腔抽真空过程中，型腔真空压力随时间的变化规律可以通过公式（1）进行表述：

式中：Vc为压铸模具型腔体积；Pc为压铸模具型腔实时压力；Se为真空泵对压铸模具型腔的有效抽速。

图2 真空压铸抽真空流程示意图

利用真空压铸法对模具型腔抽真空，为了达到理想的真空度，压铸模具会设计相应的全密封结构，包括冲头、动定模芯、顶针、镶件、滑块等所有成形零部件。尽管如此，型腔与周围环境存在压力差，导致模具的分型面、顶杆、压射冲头等位置都可以成为气流通道，因此模具型腔的泄漏Q泄必须考虑，则公式（1）修正为：

由于模具型腔的泄漏量与t的变化可以忽略，公式（2）的解为：

公式（3）的解由两部分组成，第一部分与t有关，反映了真空泵抽出模具型腔的真空度压力变化，且其下降形式是指数函数；第二部分与t无关，反映了型腔泄漏对于模具真空度的影响。

当时，也就是真空泵对型腔长时间抽取（几小时或更长时间），则公式（3）第一部分趋于0，型腔压力由第二部分决定，型腔真空度能达到10-5 MPa数量级。

但是压铸过程的抽真空时间通常只有几秒钟，而真空泵对压铸模具型腔的有效抽速能达到2 000 L/s甚至更高，因此公式（3）第二部分可以忽略，型腔实时压力度由第一部分决定。一般状态下，模具型腔真空度可达≤91 kPa。

2.2 三级抽真空技术

新能源汽车底盘副车架压铸模具，采用常规抽真空工艺试模，产品合格率维持在70%以下，无法满足压铸件95%以上合格率的要求。压铸件的缺陷主要表现为拉伤痕、热裂纹、气孔、缩孔等，如图3所示。

图3 铸造缺陷

按照底盘副车架产品工艺要求，压铸件表面拉伤痕长度不得大于0.5 mm，加强筋侧面拉伤痕长度不得大于0.3 mm，加强筋底部不得有拉伤痕；压铸件表面包括加强筋的热裂纹凸起长度不得大于1.5 mm。

产生这些缺陷的因素还是因为压铸过程中的气体含量偏多，包括压铸抽真空未排除而残留在型腔的气体以及压铸过程中新增气体，造成模具型腔真空度未达到设计要求。

为此，本项目设计了如图4所示的三级抽真空方案。模具采用一模两腔，图4的料筒最上部矩形孔是铝液倒料口，下面的圆孔是真空抽气孔，真空抽气孔通过管子（图中未画出管子）与真空泵相连接。料筒下面是流道，流道通过内浇道与副车架型腔连接，副车架型腔另一侧分布溢流槽。每个副车架溢流槽连接2个真空阀和1个排气块，真空阀和排气块各连接1个过滤嘴，每个过滤嘴利用软管与真空泵相连接。因为是一模两腔，本副压铸模包括料筒上的抽气口，总共连接7个真空泵。