廣東鴻圖：大型一體化壓鑄生產單元解決方案

曾慶杰發表于2024/12/19 9:34:22 一體化壓鑄件解決方案

汽車批量化生產以來，汽車白車身生產工藝需經歷沖壓及焊接兩個工藝，而一體化壓鑄則直接由熔化的金屬液澆注、整形和冷卻成形。汽車輕量化是節能減排的關鍵技術手段之一。鋁合金作為重要的輕量化材料，受到整車制造企業的廣泛關注。目前，汽車輕量化的主要手段是發展一體化壓鑄，可簡單理解為超大尺寸產品壓鑄成形技術，產品主要包括前艙總成、后地板總成、電池托盤等，具有尺寸大、集成度高及一次成形等特點。另外，一體化壓鑄件毛坯的澆注質量相較于傳統件增大許多。基于此，必須研發更大鎖模力的壓鑄機、產品搬運設備、壓鑄島設備以滿足一體化壓鑄件的成形、產品輸出轉運及產品澆道渣包的去除。澆注質量增加，會導致鋁液倒料時間延長，為了減小鋁液降溫的影響，必須研發給湯速度更快的設備。因此傳統的壓鑄元素，包括設備、材料、工藝、模具等都需要突破甚至顛覆原來的技術，才能滿足前艙、后地板及電池托盤的生產。一體化壓鑄件的生產，必須解決產品尺寸過大導致的壓鑄機合模力需求大增、鑄件流程過長導致的模具溫度平衡、生產節拍過長、產品變形、保溫爐局限導致的鋁液質量不高以及給湯效率問題。針對這些問題，提出一體化壓鑄單元設備的解決方案，包括壓鑄單元布局、模具的噴涂潤滑、鋁液的供給、模具溫度的平衡控制、壓鑄超高真空控制技術等。本研究介紹了一體化壓鑄件壓鑄單元設備的解決方案，旨在為一體化壓鑄生產提供參考。

圖文結果

新能源汽車前艙等大型鋁合金壓鑄件生產過程如下：原材料以鋁錠形式由貨車運輸到工廠，經叉車轉運至車間內鋁錠存放區。熔煉爐將原材料熔煉成鋁液后轉至保溫爐，給湯機從保溫爐取料給湯到壓鑄機，壓鑄機壓鑄成形后，由機器人取件，進行產品檢測、水冷、渣包切除、激光打碼、料餅切除，檢測合格后從壓鑄島下線，經去毛刺和X光檢測后，合格件被運往機加工區，不合格件進入廢料區等待切割后回爐使用，設備開機時生產的熱模件和正常生產狀態下等切割的料餅均可經破碎后作為回爐料使用。

壓鑄單元的配套設備有：噴涂機器人及噴涂系統、取件機器人及取件系統、產品檢測裝置、產品冷卻水槽、去渣包裝置、等離子切割（或者大型壓床和沖模的沖切方式）、矯形裝置、打碼站、點冷機、真空機、模溫控制系統、模溫數據監測反饋系統和油污收集器等，與壓鑄機組成一個完整的系統。周邊設備的布置形式及數量應根據具體產品的工藝要求而定，生產節拍應與壓鑄機相匹配。為了獲得最大的空間利用率，最有效率的物流路線，最佳的生產流程以及最短的生產節拍，必須對以上壓鑄單元的所有設備進行合理的布局。以鴻圖120 000 kN壓鑄單元為例，產品為前艙、后地板，布局設計方案見圖1。

圖1 廣東鴻圖120 000 kN壓鑄單元

為生產超大尺寸的一體化壓鑄產品，壓鑄機尺寸需要相應增大，見圖2。主要體現在160 000 kN壓鑄機的合模機構上，其模板長寬達到4 600 mm以上，哥林柱直徑超過?600 mm。為了保證超大模具在合模狀態下各個接觸面的合模力一致，以及實現快速開合模，采用直壓式的鎖模結構，即鎖模結構由原來的曲肘設計實現合模動作高壓鎖模力要求，變為直接使用超大的油缸活塞和高壓（21 MPa）油壓來實現合模動作高壓鎖模力要求，即由原來的機械方式變為液壓方式。該活塞直徑約為?600 mm，4個活塞各對應一條大杠，大杠上有獨立的凹槽，合模最后階段，通過4個大油缸活塞驅動卡齒卡住大杠的凹槽，并通過穩定的高壓油壓來實現160 000 kN以上的鎖模力。與傳統的機械曲肘鎖模方式相比，直壓式鎖模結構不會出現機械磨損導致的鎖模力不穩定的情況，而且4條大杠獨立控制鎖模力，能夠允許出現4條大杠鎖模力不平衡的情況。此外，直壓式鎖模結構可以快速合模油缸推動中板前進，直到型板緊貼模具后，然后啟用直壓式（超大活塞）油路實現高壓鎖模。

圖2 廣東鴻圖160 000 kN壓鑄機

表1 模溫控制系統的配置

圖3 模溫設備系統布置圖

模溫機工作原理為將有機熱載體（導熱油）通過熱油循環泵進行液相循環，并通過電加熱升溫至目標溫度后輸送到模具，模具出油口再回到油溫機，形成完整的循環加熱系統。油溫機利用高導熱性的導熱媒介，以及更高的溫差在很短的時間內將模具內溫度提高或者將多余的熱量送走。在設定好熱平衡溫度后，能自動控制其溫度在極小誤差之內，且能維持定值。利用溫度控制系統調節模具的平衡溫度，從而實現優化循環時間，更好地促進產品定型。水溫機原理是將水通過循環泵進行液相循環，并通過電加熱升溫至目標溫度后輸送到模具。模具出水口再回到水溫機，形成一個完整的循環加熱系統。水溫機利用壓力控制系統，將 100 ℃以上的水保持液態，形成過熱水。水溫機利用過熱水壓力高、流速快的特點及更高的水與模具的傳熱效率，在更短的時間內將模具內溫度提高或者將多余的熱量帶走。在設定好熱平衡溫度后，能自動控制其溫度在極小誤差之內，并能維持定值。利用溫度控制系統調節模具的平衡溫度，從而實現優化循環時間，更好地促進產品定形。

圖4 模具溫度檢測系統

生產單件一體化壓鑄件成本非常高，對壓鑄生產過程進行管控是其中一種應對措施。模具表面溫度是動態的工藝參數，在每個鑄造周期內都必須保持在最佳且均勻的范圍內，這會影響鑄件品質和模具壽命。前艙、后地板、電池托盤在生產過程中的溫差較大，必須對生產過程中的模具溫度進行監測及記錄并實時反饋異常，以保證產品的品質。紅外熱成像在線監測系統通過高達數十萬個以上的測溫點數據實時形成清晰的熱像圖，可以直觀分析被測物體表面任何點或關注區域（ROI）溫度變化情況，對比工作循環的相同階段前后數據，找到溫度分布正確優化的依據，通過預設溫度閾值實現報警提示，原理見圖4。由于一體化壓鑄件產品尺寸大，進澆口到水尾的渣包口流程長，增壓不能在鋁液凝固前傳達到水尾部位，為保證產品的內部品質及力學性能，真空工藝的應用十分重要。應對一體化壓鑄件全新設計的真空系統，其靜態真空度可以達到500 Pa，動態真空度達到3 kPa，真空罐采用10 m3，動定模側各采用4個真空閥對型腔進行抽真空，最快關閥時間達30 ms。圖5為真空系統示意圖，通過管道對料槽、模具動模側、模具定模側進行抽真空，以達到減少充填阻力，降低產品含氣量，提高產品品質的目的。

圖5 超大型壓鑄單元真空系統

圖6 超大型壓鑄單元雙噴涂頭系統

圖7 一體化壓鑄后地板

圖8 3 000 kN壓床設計圖

圖9 超大型壓鑄單元雙定量爐給湯方案

使用120 000 kN超大型壓鑄機生產，配置雙定量爐給湯方案、雙噴涂系統、模溫控制系統、模溫反饋系統、超高真空系統以及壓鑄島。壓鑄島主要工序流程有取件-檢測-冷卻-折渣包-切邊-打標-輸送等，見圖10。通過以上的一體化壓鑄單元的設備解決方案，使得后地板總成可以順利量產，其節拍為120 s，鑄造壓力低至約30 kPa，高速速度約為5.5 m/s，具體壓鑄工藝參數見表2和表3。其節拍主要通過壓鑄單元布局、優化給湯時間、優化噴涂時間以及冷卻時間得以保證，低壓、低速工藝主要通過壓鑄機性能、模具溫度控制、超高真空工藝等來保證。鋁合金壓鑄件由于其工藝特點，在模具中流動形成鋁液溫度損失，導致零件本體近澆口端和末端力學性能均存在差異。隨著一體化壓鑄零件尺寸加大，鋁液流程變長，壓鑄件近端與遠端力學性能差異更明顯。通過一體化壓鑄單元設備生產的后地板總成，其力學性能見表4，滿足汽車使用要求。