近年來，隨著車身設計不斷集成與簡化，未來整體車身制造與底盤制造，將朝向高度一體化集成的方向發(fā)展。一體化壓鑄作為實現集成的基礎與核心技術，應運而生，且景氣高增。一體化壓鑄的表意特征指采用特大噸位壓鑄機，將多個單獨、分散的零部件高度集成，壓鑄一次成型為幾個大型鋁鑄件，從而替代多個零部件先沖壓再焊接或鉚接組合一起的方式。
當今，特斯拉正引領并推進車身制造的集成變革。2020年9月22日，特斯拉一體壓鑄正式揭開面紗，馬斯克表示Model Y的后下車體將由大型壓鑄設備一體壓鑄成型，不再由70多個沖壓件、鑄造件通過焊接、鉚接而成。據報導采用一體壓鑄技術，Model Y后下車體總成的重量將降低30%，制造成本降低40%，制造時間由1-2小時革命性地縮短為約140秒。其終極目標則是通過一體化壓鑄，將整個車輛的結構簡化為四個部分：①前艙一體化壓鑄總成②乘員艙結構壓鑄總成③一體化電池結構壓鑄總成④后底板一體化壓鑄總成。
顯然，一體壓鑄震動了整個汽車制造業(yè)和壓鑄企業(yè)，傳統跨國大廠如奔馳、沃爾沃等，已經確定跟進。國內造車新老勢力和一些壓鑄相關企業(yè)，也在積極謀劃，大手筆購進或制造相應設備，躍躍欲試。很多非專業(yè)人士也在網上熱心宣傳一體化壓鑄帶來的成本控制和效率革命有多么驚人，溢美之詞令人不得不心動與向往。大多談的是優(yōu)勢，如輕量化、集成化、產業(yè)鏈精簡、開發(fā)高效等。
筆者不想對此贅述與置評，然作為粗通壓鑄雖已退休依然對壓鑄頗有感情的科技人員，還是希望從壓鑄專業(yè)的角度，談一點個人的思考與看法。畸輕畸重，懇請同仁們批評指正。
當今科技革命迅猛發(fā)展，新產品日新月異，產業(yè)升級、材料換代步伐加快，結構功能一體化、功能材料智能化趨勢明顯，低碳、綠色、可再生循環(huán)等環(huán)境友好特性倍受關注。一體化壓鑄正是順應時勢的必然產物。然而如何審時度勢，因勢利導，最需要冷靜學習與思考，穩(wěn)慎權衡，謀遠徐圖，才能做出理性的正確的決策。筆者認為一體化壓鑄的優(yōu)點和至少目前令業(yè)界擔心的先天不足都很明顯，而我們自己手中究竟握有幾張可制勝的王牌？一旦上馬，被套牢，又有多少問題受人鉗制甚至宰割？殷鑒不遠，故在此，有一說一，只想盡可能將自己能想到的問題擺出來供同仁們參考。
落筆之前，不由得想起上個世紀九十年代后期，國際上半固態(tài)壓鑄技術風生水起，當時我的幾名碩士生和一名博士生的研究課題即與此關聯，于是筆者在1999年《鑄造》雜志第三期上發(fā)表了一篇綜述“半固態(tài)金屬鑄造工藝的研究現狀及發(fā)展前景 ”，主要是羅列和分析半固態(tài)工藝的優(yōu)點，鼓勵有遠見的企業(yè)家及早布局。一晃二十幾年過去了，中國的壓鑄業(yè)迅猛發(fā)展，但半固態(tài)壓鑄技術的進步卻比較遲緩，究其原因可能是多方面的，其中輿論導向是否用力過猛？若此，我是有愧疚的。當一體化壓鑄的浪潮到來之時，我想還是盡可能多討論些科學技術問題，多挑點毛病，知不足而后勇，這樣來得踏實。
1）宏觀上需要清醒地看到，一體壓鑄不是壓鑄的根本變革，它有特定的產品指向和需求背景，僅僅是車身零部件眾多設計方案中的一種。筆者認為其最大優(yōu)勢可能偏向于產業(yè)鏈的縮短。鑄造的先天優(yōu)勢原本就是可以實現任意形狀特征的設計，是現有實現經濟量產規(guī)模的其他制造工藝無法匹敵的，因此，零部件做到一體化不是神話，然而一旦集成化壓鑄，工藝技術難點必然迅速增多，全流程品控與穩(wěn)定將具有較高的技術壁壘，這是要實錘面對的。
2）對壓鑄機的鎖模力、模板尺寸、壓射量、壓射壓力以及速度控制等均需要更高的要求，具有很高的技術難度。
3）傳統壓鑄工藝中，需要使用到熱處理等工序來提高零部件的力學性能、耐腐蝕性能等。但加熱冷卻過程中產生的熱脹冷縮效應，勢必帶來零部件的形變誤差。對于一體化的大體積部件，若采用傳統鋁合金，必將進一步放大變形風險，關鍵要自主開發(fā)出新型高強韌免熱處理且鑄造工藝性能優(yōu)良的鋁合金材料，手中有料，心里不慌。否則，一體化壓鑄就是無米之炊，無本之木，無源之水。
4）一體化壓鑄需要成熟的超高真空壓鑄工藝。高真空壓鑄是指壓力介于50 至100mbar之間，超高真空壓鑄則指壓力低于50mbar。一體化壓鑄要求壓鑄環(huán)境為 30mbar以下的超高真空，需要有至少比普通匹配要求兩倍以上能力的真空機。此關鍵貨源在哪里？
5）清潔鋁液供湯系統的精準把控是一體化壓鑄效率與品質保證的又一關鍵。精準的定量和清潔的鋁液是保證超大型一體化壓鑄件成功的前端保障。在最短時間內完成規(guī)定重量凈化鋁液的供給不是輕而易舉就可以克服的小障礙。
6）一體壓鑄車身零部件尺寸大，自動化去毛刺難度高。比如后底盤總成零件產品正面、底面、兩側面均有去毛刺的區(qū)域，去毛刺部位多，加工尺寸范圍大，傳統的機器人去毛刺方案無法應對。同時產品設計若為薄壁結構件，尺寸跨度大，變形量更大，當變形量超過5mm，就很難實現自動化去毛刺。
7）為了保證大規(guī)模生產過程中的高良品率﹑鑄件一致性與穩(wěn)定性，必須精準控制鋁液充型溫度、壓鑄速度和壓力，維持模具溫度場的穩(wěn)定，避免凝固過程中發(fā)生變形等缺陷。此工藝管控的難度在傳統壓鑄中都是擾人且需要不斷調整處理的問題。面對一體化壓鑄，若沒有嚴格的工藝規(guī)章和深度的經驗累積，沒有深度的傳輸機理的基礎性研究，是決然做不到的。
8）一體化壓鑄汽車結構件，需選用低 Fe 含量的壓鑄鋁合金，即使添加較高的 Mn 元素，壓鑄合金對于模具的侵蝕現象仍然較為嚴重，模具壽命相比傳統壓鑄明顯降低，將導致制造成本明顯偏高。特別是大型化鑄件，對模具的挑戰(zhàn)越來越大。同時由于鋁合金中的鐵元素幾乎無法去除，低鐵含量的壓鑄合金必須采用電解鋁錠配制，原材料的成本﹑能耗和碳排放，相比傳統壓鑄件明顯偏高。因此，研究和開發(fā)對Fe元素容忍度更高的新型高強韌壓鑄合金，才能有利于控制成本，推動再生鋁合金的循環(huán)應用，形成行業(yè)內部鋁合金資源自循環(huán)，減少外部資源重復投入，降低鋁合金材料獲取階段的碳排放。圍繞一體化壓鑄，如何實現材料全生命周期綠色化和資源能源的高效利用，同樣是不能回避的現實問題。
9）一體化壓鑄件的設計需要更多地顧及非均衡凝固帶來的性能差異，而目前有關多件組合設計，對材料的選擇﹑強度與厚度要求，均有足夠的設計優(yōu)化空間，可以實現重量、成本、性能的平衡優(yōu)化。但一體化壓鑄件則很難做到，可能的做法是放大設計冗余，加大安全系數。而且鑄件的結構一旦需要調整，則牽一發(fā)而動全身，設計變更成本會很高。
運用計算材料科學，建立成分-工藝-組織-性能間的定量關系，計算出理想條件下鑄件的部分力學性能，結合現有的鑄造仿真分析軟件，針對模擬凝固冷卻后的組織及缺陷（如晶粒大小、枝晶、成份分布、夾雜、偏析、氣孔、縮松等），計算出鑄件的力學性能，用以支持目前產品設計的CAE仿真分析。核心還是需要軟件能開發(fā)出這樣的計算功能，并具有足夠的精度。我們的技術儲備能否滿足？這是必須直面的挑戰(zhàn)。
10）盡管一體化壓鑄降低成本的想象空間很大，但筆者認為，就單件成本來講，若將鑄件設計研發(fā)，模具壽命，合格率，設備投入等通盤測算，目前的大型一體化鑄件并不一定具備成本優(yōu)勢。隨著設計水平，材料鑄造性能、壓鑄裝備、工藝水平的提升，一體化壓鑄的優(yōu)勢方能真正凸顯。企業(yè)家是否有足夠的信心和實力去填補現實與愿景間的差價。
11）大鑄件售后維修的成本不容小覷。特斯拉選擇后地板作為推出大鑄件的切入點，應有對售后維修問題的明智考量，畢竟后端維修特別是大修的幾率相對要小很多。若一體化壓鑄件局部損壞需要維修，為了避免整體更換，必須未雨綢繆，研發(fā)經濟節(jié)能的解決辦法，如3D打印，CMT冷金屬過渡焊接等。好的工業(yè)產品，不會是一錘子買賣，考慮的越周全，就越有生命力。
12）由于大型一體化鑄件熱處理變形問題，后續(xù)整形難度以及報廢率將大幅提升。目前普遍采用真空壓鑄+熱處理工藝，性能基本可以達到屈服120MPA，抗拉200MPA，延伸率10%以上（鑄件本體取樣）。熱處理除了可以優(yōu)化材料性能，還可以改善壓鑄非平衡凝固過程引起的內應力、組織及成分分布的不均勻。傳統 AlSi10MnMg合金的熱處理過程常常會導致壓鑄件出現變形與表面起泡等問題。隨著一體壓鑄技術概念的提出與應用落地，新型非熱處理壓鑄鋁合金的研究與應用逐漸成為熱點，主要集中在Al-Si系和Al-Mg系兩大類。這兩類鋁合金本身普遍具備中等強度與韌性，新型壓鑄合金的開發(fā)要求提升其強度和（或）韌性，兼有良好的流動性和鑄造性能。可能筆者退休后孤陋寡聞，對此自認沒有多少底氣，但總不能靠買他國的專利（何況也未必成熟）來壯膽，關鍵是知己知彼，創(chuàng)新自強。
目前了解的一些用于非熱處理壓鑄結構件的Al-Si系合金有:
#Castasil 37合金，AlSi9MnMoZr，（萊茵菲爾德公司開發(fā)），
#Aural 6合金，375.0，（麥格納公司開發(fā)，類似Castasil 37），
#C611 合金（美鋁公司開發(fā)），
#Aural 5 合金， 374，（麥格納公司開發(fā)，類似C611）。
#特斯拉在其 Model Y 車型上一體化壓鑄后部下車身所使用的專利新型鋁合金材料也是Al-Si系，其鑄態(tài)屈服強度和極限尖冷彎角分別大于135 MPa 和24°，以滿足鑄件的性能要求，同時還要求合金具有極好的流動性能。通過控制 Cu/Mg 比例以利于析出 AlCuMgSi 相取代Mg2Si 和 Al2Cu 相來實現強度提升的同時不會引起塑韌性的明顯下降。此外，該合金中添加了 Sr元素對 Si 相進行變質處理，添加 V 元素析出球狀的AlFeSi(Mn+V)相，減少了片狀的富鐵相，均有利于材料韌性的提升，同時也能夠容忍較高的 Fe 雜質含量。
總體上看，相比于熱處理用壓鑄合金，其 Mg 含量均明顯降低，甚至要求不含Mg。除此之外，此類合金仍具備高強韌性壓鑄合金的共性特征，即低的Fe含量，高的Mn含量，添加Sr等元素對共晶硅進行變質處理等。
關于Al-Mg系非熱處理新型壓鑄合金主要可以細分為 Al-Mg-Mn、Al-Mg-Si-Mn、Al-Mg-Fe、Al-Mg-Mn-Cu等幾種類型，部分元素含量未披露。主要有:
#美鋁公司早期開發(fā)的C446F合金，即560，具有非常優(yōu)異的力學性能，然而由于其凝固溫度范圍太寬，導致壓鑄過程中的熱裂傾向非常高，因此對于復雜零件，特別是料厚變化較為明顯的零部件來說，不是一個很好的選擇。
#為改善熱裂性能，美鋁在 C446F 合金基礎上開發(fā)出A152（低Mg）/A153(高Mg) 合金，適當比例添加了Si 元素，以顯著縮短合金的凝固溫度范圍，從而明顯降低熱裂敏感性。系采用計算材料的方法，通過計算不同成分合金的熱裂敏感系數對比優(yōu)化，并通過熱裂傾向指數進行試驗驗證，其中 A152 屈服強度150 MPa，抗拉強度265 MPa，斷后伸長率 11%，A153 屈服強度170 MPa ，抗拉強度 280 MPa，斷后伸長率 9%。
#Magsimal59合金，即AlMg5Si2Mn(萊茵菲爾德公司開發(fā)),因較難鑄造，在北美及國內應用較少。
#特別值得一提的是上海交通大學開發(fā)的SJTU-Al-Mg-Si-Mn 合金，該合金在增加 Mg、Si 元素含量并調控相對比例的同時，添加了Ti、Zr、V合金改善組織，并引入Re/Ca 復合變質對共晶硅進行細化，獲得屈服強度＞180 MPa，延伸率＞10%的力學性能。類似地SJ?TU-Al-Mg-Cu-Mn 合金則引入 Cu 元素進行強化，同時引入 Y、Er、Ce 稀土元素來細化 Al2CuMg 相，獲得屈服強度＞180 MPa，抗拉強度＞320 MPa，延伸率＞8%的高強高韌的綜合力學性能。筆者對其用于一體化壓鑄充滿了期待。
#Castaduct 42，AlMg4Fe2（萊茵菲爾德公司開發(fā)），該合金是新型 Al-Mg-Fe 成分體系，高的 Fe含量可以避免壓鑄過程中的粘模問題，但同時也導致 Si 元素成為需要嚴格限制的雜質元素。其化學成分與車身沖壓結構件常用的5XXX 系變形鋁合金有極高的相似性，例如5182（AlMg4.5Mn0.4）合金。與 C446F 亦具有很高的相似性，即高Mn 或 Fe，低 Si 的成分特征，因此其鑄造性能仍待驗證。高 Fe 含量的合金成分設計可以較為容易地實現此類廢鋁的再生利用，減少 A00 電解鋁的使用比例，從而大幅降低鋁合金車身結構件的碳排放。
#帥翼馳是國內率先布局免熱處理鋁合金車身結構件的企業(yè)。2020年，該公司獲得 美國美鋁EZCAST™系列的高強韌鑄造鋁合金在國內的的獨家代理權，還引進了 VersaCast、SupraCast、EverCast、Colorkast等多項鋁合金專利技術。
一旦免去熱處理工藝，直接在鑄態(tài)下獲得理想的組織和性能，就需要對材料成分設計及壓鑄工藝控制非常小心。因為鑄件性能對材料成分波動很敏感，對壓鑄工藝波動也很敏感，尤其是延伸率。
不難看出，材料是新興一體化壓鑄的關鍵基礎，也是一體化壓鑄發(fā)展的主要瓶頸。一代材料一代產業(yè)，人們一直夢想可以面向實際需求進行材料設計，實現從依賴于經驗的傳統“炒菜式”試錯型摸索，向有理論依據的、可計算預測的科學設計轉變。但是材料的組分-結構-性能之間的關系不是線性的，而是復雜多變的，直接面對的挑戰(zhàn)就是如何面對眾多的已知信息，探索這些關系模式。目前，還沒有一種理論或實驗能夠全面、準確獲取所有的必需信息。
材料基因工程是材料研發(fā)的最新理念，目標在于變革材料研發(fā)模式，實現按需設計，快速低耗創(chuàng)新發(fā)展新材料，將從根本上改變材料科學領域的研發(fā)模式。相較于傳統的單個樣品“試錯法”而言，這是材料科學領域的一場革命。在計算機科學和信息技術輔助下，材料科學和工程領域的進步可以加速實現這些目標，再輔以集成計算材料工程(ICME)方法，可以互利共贏，加速新合金、多材料設計和新型加工技術的發(fā)展。
自2011年6月美國啟動“材料基因組計劃”后，歐盟、日本等國迅速啟動了類似研究計劃。日本先后啟動了“元素戰(zhàn)略研究（2007年）”、“元素戰(zhàn)略研究基地（2012年）”、“創(chuàng)新實驗室構筑支援事業(yè)之信息統合型物質材料開發(fā)（2015年）”等計劃，融合了物質材料科學和數據科學的新型材料開發(fā)方法，進行龐大的數據庫積累和大數據解析。歐盟以高性能合金材料需求為牽引，于2011年啟動了第7框架“加速冶金學”（ACCMET）項目。組織了政府機構、大學、儀器設備裝置商、材料需求企業(yè)等幾十家單位的參與，旨在將合金配方研發(fā)周期，由傳統冶金學方法所需的5～6年縮短至1年以內。2012年，歐洲科學基金會又推出總投資超過20億歐元的“2012—2022歐洲冶金復興計劃”，將高通量合成與組合篩選技術列為其重要內容，以加速發(fā)現與應用高性能合金及新一代其他材料。
在材料模擬仿真領域，已開發(fā)出了諸如Autodesk Simulation Network、CAE等優(yōu)秀的仿真優(yōu)化與設計工藝軟件和平臺；在輔助材料設計方面，開發(fā)出了諸如AFLOW、USPEX、ATAT等用于高通量計算、晶體結構預測，以及熱力學相圖計算的軟件或平臺。而我們某些關鍵技術仍存在瓶頸，如計算軟件主要依賴進口，在源頭上就制約了我國新材料的創(chuàng)新發(fā)展。一些世界知名材料企業(yè)正紛紛結成戰(zhàn)略伙伴，通過并購、重組及產業(yè)生態(tài)圈構建，整體上把控著全球新材料產業(yè)的優(yōu)勢格局。比如，世界新材料主要生產商美國鋁業(yè)、杜邦、拜耳、GE塑料、陶氏化學、日本帝人、日本TORAY、韓國LG等大型跨國公司，加速對全球新材料產業(yè)的壟斷，并在高技術含量、高附加值的新材料產品市場中保持主導地位?？梢姽I(yè)升級戰(zhàn)略，產業(yè)博弈已進入新時代。如果我們盲目推高一體化壓鑄，會不會掉入美麗的陷阱？筆者不得而知。常說知人者智，自知者明，自強者勝。我們別無選擇，只有冷靜直面與奮進。
由德國漢特曼金屬鑄造公司生產的一體式壓鑄后副車架，近期榮獲了2022年歐洲最佳鋁壓鑄獎第一名，該鑄件尺寸（長寬高）：1260 mm x 670 mm x 390 mm，AlSi10MnMg合金，重19300g。Handtmann的一體式后副車架（TOP-HAT）是壓鑄創(chuàng)新的最新進展，其特點是最大限度的功能集成、高性能和較低的制造成本。通過一體式壓鑄，證明了鋁合金整體壓鑄可實現以性能為導向的成本效益。新的一體式后副車架以其創(chuàng)新的概念和簡易裝配步驟令客戶信服。在不同模擬軟件支持下，在鑄造工藝和模具設計中，使用特殊的模具技術，重點對安裝空間研究、各種操作強度分析和計算、拓撲結構優(yōu)化、應力和變形計算、嵌入物的定心和固定方案開發(fā)，以及考慮了熱膨脹和收縮。采用一體化的壓鑄設計，避免了復雜的裝配步驟（如焊接工藝），不同的零件/部件可以取消。機加工可以在一次裝夾中進行。由于采用了插入技術，在保持部件性能不變或更高的情況下實現了減重。在拓撲優(yōu)化的數據模型基礎上，漢特曼公司在鑄造實驗中制作了原型，并創(chuàng)建了一個具有集成插入概念的壓鑄模具。從最初的設計開發(fā)到試驗臺運行，再到批量生產，所有過程及其控制都由漢特曼金屬鑄造廠負責實施和記錄。產品獲獎的原因是高度功能集成和拓撲優(yōu)化設計與集成插件相結合，滿足了強度和剛度方面的所有要求。榮譽背后是一系列艱苦細致的努力和高水準科研的支撐。
總之，筆者認為：從工業(yè)量產角度講一體化壓鑄尚有很多前期工作要做，不可能一蹴而就。需要產品設計、材料、模具、鑄造工藝、鑄件生產、壓鑄機等相關各方的科學研究﹑技術進步與密切配合﹑相互補位。務實不虛，忌巧崇拙，穩(wěn)慎徐圖。
中國壓鑄要走向價值鏈上游，不光要占據產能成本優(yōu)勢，還要打破西方習慣的“國際分工秩序”。從學習模仿，到制造創(chuàng)新，到原始創(chuàng)新，有規(guī)模/市場/應用生態(tài)支持的中國壓鑄業(yè)，必然要走向升級之路。在創(chuàng)新科技方面趕上西方還需要時間，但讓西方害怕的是我們的升級潛力和難以阻擋的經濟規(guī)律。
馬克思說，“在科學上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望到達光輝的頂點。”愛因斯坦也說，“我不能容忍這樣的科學家，他拿出一塊木板，尋找最薄的地方，然后在容易鉆透的地方鉆許多孔。”靜不下心、穩(wěn)不住神，劍走偏鋒，想一口吃個大胖子，這是科研創(chuàng)新的大敵。過度、過急的成果評價，也不利于營造風清氣正的創(chuàng)新環(huán)境。一體化壓鑄是個系統工程，背后是基礎研究的創(chuàng)新積累，需要沉下心來，慢慢培育，消除“急功”，靜等花開。
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吳炳堯，修毓平
