陶永亮 | 大型压铸模是实现一体化压铸的关键技术

陶永亮 | 大型压铸模是实现一体化压铸的关键技术

作者：陶永亮

立嘉技术专家顾问团顾问
原重庆川仪工程塑料有限公司

陶永亮，教授级高级工程师，从事高分子材料应用与模塑成型工艺研究。中国模具工业协会技术专家、中国塑料加工工业协会专家委专家、中国塑料机械工业协会专家委专家、重庆市经信委中小企业专家委专家、广州香港科技大学霍英东研究院国际智能制造平台（ISMP）专家等。曾长期在企业从事模具设计与制造，注塑成型工艺和真空镀铝工艺管理等工作；参与企业各种产品开发工作与各项基础技术管理等工作，为企业技术进步和提高经济效益做出了应有贡献，曾获得各级技术进步奖励等；结合生产现场需要，解决生产上疑难问题；发表技术论文近200篇，涉及模具设计、注塑工艺、真空镀膜、材料应用、一体化压铸技术、智能制造和汽车灯具技术等领域，有文章被EI等收入，实际应用性强。关注一体化压铸技术源于在压铸厂工作经历以及对压铸工艺和压铸模具设计的理解。退休后仍活跃在行业上，密切关注行业发展，加入各级相关行业学（协）会专家委，并积极参与各个专家委的活动，对企业、学校和个人（学生）进行技术指导、资源引导，职称辅导等工作，线下线上作技术讲座20余场次，继续为行业的科学技术进步发挥积极作用！

大型压铸模是实现一体化压铸的关键技术

摘要：受益于一体化压铸技术在新能源汽车上的应用，给大型压铸模制造带来生机，大型压铸模具制造有技术壁垒，是实现一体化压铸的关键技术。本文介绍了大型压铸模在一体化压铸的作用与应用效果，讲述了大型压铸模制造难点、需要关注模具选材与模具设计仿真应用，着重描述了大型压铸模温度场热平衡的要求，提出了辅助于热平衡采用的措施，模内传感器应用具有前瞻性。随着技术进步，大型压铸模技术壁垒逐步被解决和掌握，为大型压铸模制造开拓新天地，促进新能源汽车向着节能、减排方向发展。

关键词：大型压铸模 温度热平衡 设计与仿真 材料与选用 模温控制与检测 模内传感器 3D打印

1. 引言

一体压铸技术是特斯拉2019年首次提出，在2020年Model Y的后地板生产上应用一体化压铸技术将其原有80个冲压焊接零件集成为一个部件，后地板实现减重10%，成本下降了40%，受到了行业的关注。一体化压铸用单个大型铸件代替若干个小型组装零件，其三个好处。其一简化生产流程，原有汽车生产中将几十个、上百个零部件进行组装焊接，零部件种类复杂数量多，生产需要成本和时间，组装流程复杂耗时，需要大量的机器人来完成焊接组装涂胶等，一体化压铸只需压铸机和模具就可以一次成型实现指定部件铸造，极大简化生产流程；其二架构变化使硬件性能大大提高，一体化压铸相比于组装密封性强，无间隙，使铸件具有更高的抗扭刚度，抗击打能力具备更好的效果，使用中减少零部件磨损老化需要维修和替换的烦恼；其三轻量化，一体化压铸铝合金材料替代钢材。如1.5吨乘用车使用铝合金材料相比钢材减重30%，减重对汽车是利好，燃油车减重15%可减少5%的油耗、新能源车则减少10%的能耗。铝合金材料是轻量化的经济性最佳材料之一。

特斯拉率先提出的一体化压铸（网图）

蔚来、小鹏开展一体化压铸生产。蔚来在ET5中一体化压铸用于生产车身后地板减重30%后备箱空间增加7L；小鹏汽车建立压铸工厂，预计将用于2023年发布的新车型生产中；大众汽车也要引入一体压铸建设全新工厂，用于生产Trinity纯电动车[1]。压铸是将熔化状态金属在模具内加压冷却成型的精密铸造方式。压铸机、合金材料和模具被称为压铸三要素[2]。有机构调研一体化压铸技术壁垒为部件＞模具＞设备＞材料，把模具位置放在较前列[3]。大型压铸机有力劲，海天，伊之密等公司生产6000~12000T压铸机已经面市[4-8]；免热处理铝合金材料开发单位为数不少，海外美铝（美国）、莱茵菲尔德（德国）和特斯拉自行开发等，国内有企业开发免热处理铝合金材料，蔚来汽车、立中集团、华人运通与上海交大、湖北新金洋等院校和企业开发，已被应用在产品上[9]。关键的大型压铸模具（≥6000T压铸机）目前仅有广州市型腔模具制造有限公司、宁波赛维达机械有限公司、美利信科技公司等少数单位能完成[10]，近期也有一些企业正在介入一体压铸模具制造行列，说明超大型压铸模具制造具有复杂性，在一体化压铸中压铸模具制造难度大、周期长，模具损耗也是较大的，相对而言大型压铸模具是实现一体化压铸的关键技术。

国内汽车厂家运用一体化压铸（网图）

2. 大型压铸模具制造分析

2.1 一体化压铸模具概况
在“双碳”目标下，新能源汽车已经成为汽车工业重要支撑。随着汽车轻量化核心结构件以一体化压铸件集成、数个部件替代上百个冲压焊接件的汽车变革进程加快，超大型精密复杂压铸模具已成为汽车模具采购的新宠，给压铸模具从模具材料到模具制造等全产业技术与应用带来诸多新挑战[11]。

赛维达9000T一体化压铸模具交付（网图）

压铸模与其他模具使用环境不一样。压铸是在高压（150~500MPa）下将300~1000℃（铝合金670~730℃）熔融金属通过压射冲头的运动，以极高的速度，在极短时间内填充到压铸模型腔中，并在压力下结晶凝固而获得铸件。成型过程中模具反复受到加热和冷却，且受到高速喷入灼热金属液流动高速冲刷产生的磨损和腐蚀，加工环境较恶劣。模具用料要求有较高的热疲劳抗力、导热性及良好的耐磨性、耐蚀性、高温力学性能[12-13]。铝合金压铸模寿命是一个综合性问题，涉及模具设计，选材，热处理，表面处理，模具正确使用、维护和保养等环节。在模具上问题是磨损、热疲劳、开裂、烧蚀等。我国压铸模与国外压铸模相比有较大的差距，主要使用寿命仅为国外同类模具的1/5~1/3[14]。铝合金压铸模具寿命与铸件壁厚、设备吨位有关系，壁厚铸件，模具寿命相对短些，吨位较大的模具寿命较短。

宁波合力推进一体化压铸模具项目建设（网图）

大型压铸模是实现一体化压铸的关键技术。一体化压铸模具比传统的压铸模具外形大，重量重的特点。无论对模具材料的锻压和处理，还是机械加工等都是一个严峻的考验。国内首套6800T超大型一体化铝合金压铸模由广州市型腔模具制造公司自主研制成功，模重超过140T[15]。长安汽车制造中心铸造工艺所联合供应商历时半年进行协同设计、制造的一体化前机舱压铸件（模具尺寸3300mm×2800mm×2000mm，重量约120吨）于2023年1月15日在宁波北仑试制成功[16]。大型压铸模具是实现一体化压铸的基础工装设备，也是是衡量一个国家工业水平及产品开发能力的标志。大型压铸模具制造，将对一体化压铸降低生产成本提高效益具有重要地现实意义。

2.2 模具选材方面考虑
一体化压铸对模具的冲击作用更大，工作条件恶劣，受各种应力的影响，将会导致模具过早开裂失效，因此对模具设计和模具材料及热处理要求更高[17]。压铸模可以分为成型部分、浇注系统、模架部分、排溢系统、温控系统等部分。成型部分是模具的核心，包括模仁（模芯）与其他结构件，中间构成的空间为型腔，形成压铸件的几何形状，因此模具的设计决定了零部件的形状和精密度。模仁（模芯）与合金铝接触部件一般选用纯净度高，硫含量低的模具钢。为了提高抗高温软化性能，选用含钼量高的模具钢，如：热作模具钢的H13、SKD61、8407、8417、1.2344ESR等等。提高模具钢纯净度，降低或消除低熔点杂质，是可以避免压铸模具提前龟裂的根本有效办法。一体化压铸模具结构复杂、制造费用高、准备周期长，对于压铸模具的生产提出了更高的要求。适宜制作压铸模具的模具钢必须具备良好热强性、抗热疲劳性及抗氧化性和抗液态金属腐蚀性能。在此前提下，做足模具钢锻造比，配合好的热处理工艺，做些表面镀层，模具使用保养，从而延长模具使用寿命[18]。一般常用热作模具钢由电渣重熔法（ESR）精炼，具备纯净而细微的组织，能够满足压铸模仁的需求。可根据功能要求，合理使用模具钢，可降低模具成本。模块A是零件成形区域，形状复杂并需要高的表面质量，所以采用进口优质热作模具钢（W350、DIEVAR等），模块B与浇注系统接触，可以采用普通模具钢（H13）[19]。小型压铸模硬度在HRC 50～52。一体化模具特别大，希望有韧性好不开裂，一般建议硬度在HRC 45～48。

2.3 模具设计与仿真
压铸模具的制造难点之一在于设计。压铸模具对压铸成功与否关系重大，一直被认为是压铸生产的关键工艺装备。超大型模具在尺寸上达到一次飞跃，国内外对超大模具设计均无经验可循[17]。一体化模具一般都是很大，投入也是很大，模具设计是至关重要的环节。一体化压铸件尺寸大，壁厚较薄不均匀，形状复杂，压射流程长且压射时间短，加上压铸本身的特性，铸件的收缩变形是不可避免，当然在实际操作中还有一些想不到的突发事情发生。大型压铸模具的结构设计、制造及可靠性验证均充满挑战。结构设计依赖大量经验及计算实验。一体化模具更加大型，流道设计更复杂，壁厚变化较大，加工难度更大，对浇注、溢流、排气、冷却系统的设计提出了更高的要求，设计依赖先发经验和大量实验。对模具强度和韧性等要求更高。由于一体化压铸是在超高真空环境下，高速充型高压凝固，因此对模具的强度、韧性、精度以及密封性等均提出更高要求。模具为产业链关键壁垒环节，压铸模具的可靠性对一体化压铸良品率影响至关重要。模具决定着铸件形状和尺寸公差级；其浇注系统决定金属液的填充情况；模具的强度限制最大压射比压；模具可以控制和调节压铸过程热平衡。目前行业内一体化压铸良品率参差不齐，头部有望实现更高良品率[20]。

一体化压铸中，在零部件设计和模具设计阶段，CAE仿真是无法替代的作用，精准的仿真结果是设计优劣的评价依据或标准。一般采用网格质量是仿真结果是较可靠的重要保障，一体化铸件在70~100kg，壁厚均在3~4mm，结构中含有大量的加强筋、圆角过渡等特殊结构。需要用结构网格准确描述，其型腔网格数量至少需要1亿以上，加上模具网格，总体网格数量至少在3~5亿。传统单机版软件受到算法及硬件等限制，需要千万级网络规模来支持[21]。

智铸CAE是本地化部署的高性能压铸仿真软件，操作简单，功能丰富，尤其是强大的后处理功能可为用户提供深入、多样的专业分析能力。SARES 依托超算云，以SaaS形式为用户提供低成本、智能高效的压铸CAE模拟仿真服务。其核心功能：压铸工艺性分析(铸件最小壁厚，拔模斜度，铸造圆角分析）、模具浇排设计（分型面、进料口、浇道和排气、溢流系统模拟仿真和辅助设计）、模具冷却设计（循环水路、点冷却、加热油路系统模拟仿真和辅助设计）、模具热平衡分析（模具温度分析、铸件凝固时间、开模时间、喷涂时间等压铸循环工艺的模拟和优化）、压射工艺分析（优化慢压射工艺制定和压室卷气模拟预测）[22-23]。

智铸CAE界面（ 网图）

压铸模智能浇道设计（适创科技）

2.4 一体化压铸模具热平衡

压铸生产过程中，温度是工艺核心要素之一，压铸模具温度控制好坏直接影响产品质量以及生产效率。温度是整个压铸工艺过程中重要参数，熔化温度、模具温度、压铸温度、水温、油温等都是与整个压铸过程有着重要关联影响。在一体化压铸生产中，温度场变化更复杂化：首先铸件重量接近或超过100kg，将释放大量的热量；其次壁厚较薄、流程较长，使得模具各个部位温度极不均匀。一般情况下，靠近浇口以及浇道附近处模温挺高，急需降温散热；而模具末端会模温过低，导致溶体流动性下降，容易造成铸件冷隔、注射不满等缺陷，急需升温加热。过去设计主要在浇排系统，包括浇道、集渣包和排气槽设计，对模具内在水路、油路等不是很重视，那时铸件较小可以凑合。

模具热管理在大型一体化压铸过程中是很重要，由于模具大型化，模具热控制难度加大。合理设计冷却/加热系统，是生产中对模具温度进行有效控制前提条件。模具温度控制对一体化压铸件质量影响极大，温度过高或过低都会使铸件产生缺陷[17]。而一体化铸件产品大必须考虑模具温度热平衡的难题。一方面借助于压铸仿真软件分析温度分布，还一方面需要用实际措施来解决模具热平衡[21]。目前主要有模温机控制，感知红外线成像检测，模内传感器，3D打印等。

2.4.1 模温机控制应用

模温机具备智能控制模温的效果，加热或冷却模具并保持其设定工作温度。在一体化压铸中，配备模温机在30台以上。根据铸件成型温控需求，匹配一系列高温、中温、低温温控模温机（200℃水温机、320℃油温机、冷热温控站、多通道模冷机，多通道点冷机、集成控制系统）。设计20℃~320℃的大宽度温区，给模温平衡提供稳定且可控温源输出，同时大幅度温度输出不仅仅可以对模具进行温度平衡控制，还可以延伸至对压室、冲头、分流锥、浇口套等进行温度控制，保证压铸成型需要[24]。现在已有把模温机做成集成式，开发了CTM大型高温水路集控站（简称“CTM”）。单台CTM可替代温控组单元中的十多台模温机，使得超大型压铸岛温控组单元更加节省占地空间、节省成本、节能降耗以及精准温控。通常需配置30台以上模温机，而使用CTM大型中央温水控制系统替代普通模温机只需要2-3台，不仅占地面积更小，而且采购成本更低，设备成本节约30%以上，装机功率节约70%以上。同时，CTM输送压力高，升温速度更快；模温数据采集，数据集中控制[25]。

一体化压铸温控系统示意图（网图）

一体化压铸模温机安放现场示意图（网图）

2.4.2 红外线成像检测应用

任何物体都依据温度的不同对外进行电磁波辐射。波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。红外线成像检测运用了光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号，将其信号转换可供人视觉分辨的图像或图形，并可计算出温度值。红外线热成像技术使人们可“看到的”物体表面温度分布状态。热红外成像通过对热红外敏感CCD（Charge Coupled Device）对物体进行成像，能反映出物体表面的温度场。热红外在工业和医学等领域有着广泛的应用[26-27]。

红外热成像测温系统通过热成像测温仪对模具实时进行精准测温，提供温度异常点的自动追踪和报警。通过红外热成像及时联动PLC（可编程逻辑控制器）进行实时报警，报警后通过PLC控制增加喷淋时间，从而实现工艺自动化。

主要应用是：满足全天温度监控需求，可针对各区域设置报警阈值，方便工程师及时调整压铸机参数；实时显示全辐射热图，可设置显示点、线、区域温度数据，在温度异常区域可直接显示；温度监控覆盖面积广，可以大面积查看温度均匀性；自动对整个画面内高温点定位，直观看到问题点，模具表面高温点清晰展现，提早发现隐患区域；当出现温度异常，监控后台可及时发现，触发报警，声光报警模块会发出报警，提醒现场人员及时调整压铸机参数；支持定时存储二次分析图片，便于对压铸机状态的复查；系统可定义3个不同报警阈值和等级，协助工作人员对隐患发生的紧急程度和发展态势作出评估等[28]。由于是红外技术的应用，在无需中断生产流程的情况下，即可有效的防止铸造过程中存在的各种问题，及时将其扼杀在萌芽状态。由于不必要的使用温度调节，压缩空气，水基润滑剂，脱模剂等，造成加工过程中模具温度过高或者过低对于零件的质量，模具的使用寿命，生产周期以及能源消耗和维护成本等产生不良的负面影响，优化压铸工艺有着积极的作用[29]。

压铸模具热成像示意图（网图）

2.4.3 模内传感器应用

模内传感器早在上世纪80年代用于塑料模内检测溶体压力或温度，进行注塑工艺调控。近年来得力于5G的应用场景开展，给模内传感器发展带来更多的应用与创新。模内状态传感器是国内某一研究院研发的注塑可视化工具，具备注塑品质智能分拣、注塑参数快速设定、缩减成型周期、模流分析验证、监控模温等功能，对于因材料变化引起的品质变异有独到的作用[30]。

传感器安装在模仁，需要与材料直接接触，会在表面留下类似印记（类似顶针印），尺寸为直径8mm的圆，安装位置要求是平面（一般选择浇口、温度波动点、多处流动末端）。在模腔安装模内传感器，输出溶体状态信息经技术处理后的数据和曲线，分析模内传感器曲线，得出压射全过程溶体状态变化。其主要目的提高产品质量，减少报废，缩短加工周期，提高效益。

a.传感器探头

b.信号放大器

c.I/O采集控制模块

d.传感器系统终端

模内状态传感器系统基本组成示意图（厂家供图）

模内状态传感器系统基本组成由传感器探头、信号放大器、I/O采集控制模块和传感器系统终端组成。传感器探头安装在模仁，并与信号放大器连接，采集模内状态传感器信息，通过串口通讯传输到传感器系统终端；I/O采集控制模块与注射机控制器电器连接，采集注射机开合模、注射等信号，通过Ether Cat 传输到传感器系统终端。系统终端对传感器和控制器所采集的数据进行处理，模内传感器可以同步输出模具温度、溶体状态两种信号和相应处理好的数据[31]。压铸模与塑料模在设计理念、成型工艺有相同之处，不同的模腔内材质，模内传感器是应用平板电容器原理，平板中间的溶体介质原来是塑料，现在是铝合金，同样能测出溶体在不同状态温度，熔态，固态等信息，现在模内状态传感器也可移植到一体化压铸模具上作为模具温度，铝合金溶体两种温度的检测，这对一体化压铸成型，减少废品有着重要的意义，这还需要在一体化压铸上进行验证与调整[32]。

2.4.4 模具异形水路应用

异形水路应用很好地改变了直线水路的弊端，对控制模温有着积极的作用。关键是冷却水路的位置能够贴近产品的轮廓以达到均匀带走热量或者传递热量的目的。异形水路可不必受到传统加工上的限制，模具设计可更自由地设计出贴近产品的水路设计，也称随形水路，其加工方法是增材制造（3D打印）[33]，主要用于塑料模和压铸模。目前塑料模上应用广泛，压铸模上应用较少，瓶颈在压铸模打印材料上，没有专用打印材料，导致3D打印的压铸模寿命不达标。

压铸模与塑料模制作异形水路的金属3D打印设备与软件可通用。压铸模与塑料模在设计理念、成型工艺有相同之处，不同的模腔内材质。对于模具制造的钢材本身耐磨性能有较高的要求，压铸模耐磨性远远比塑料模的要求高。材料要较高的耐磨性，提高耐磨性要较高的硬度，高硬度要较高的含碳量材料，含碳量高材料导致打印容易开裂成了难题。

长期以来，H13钢属于困难焊补的领域，国内一家材料公司细心优化材料配方，实施了“无预热补焊”。根据过往的技术积累，实现了“激光选区多层多道层积制造淬火钢”的突破。基于H13氩弧焊在压铸模修复、方便好焊无色差无裂纹模具焊丝的原理，开发了SKD61(HRC45)、SKD61-2(HRC58)两种不同硬度的焊条用于不同部位模具焊接，达到硬度要求后NC再加工满足压铸模需要。2015年在form next上见到Audi租下一半场馆展示3D打印应用，包括了压铸模打印，研发人员得到了启迪。在2018年结合SLM金属打印机工艺，研发出压铸模适用的模具钢打印材料，可以用于一体化压铸模的打印材料（Cmc SDAC SLM压铸模具钢粉、1.2709SLM通用模具钢粉），并在压铸模具3D水路打印（SLM 选择性激光熔化）取得成功。

2015年form next上见到Audi展示压铸模3D水路打印件（视频图片）

广东有3D打印厂家已经在为压铸模打印异形水路，打印材料和底座材料不一样，是为了降低打印成本，打印后模具零件在精加工后要做涂层保护处理，延长零件的使用寿命。压铸模零件做3D打印除了制造周期缩短，还有产品良品率大致有三到五个点（百分点）的提升。采用的压铸模较为成熟打印材料是1.2709SLM（通用模具钢粉）。3D打印一体化压铸模异形水路已有应用，这是以后发展的方向。

3D打印压铸模零件（厂家供图）

3. 结束语

2020年我国新能源汽车产销136.6万辆和136.7万辆[34]。2021年新能源汽车产销分别完成354.5万辆和352.1万辆[35]。2022年新能源汽车持续爆发式增长，产销分别完成705.8万辆和688.7万辆[36]。新能源汽车促进了一体化压铸的发展，压铸模一直被认为是压铸生产的关键工艺装备。一体化压铸技术趋势明确，新能源车有望进一步降本增效。受益于一体化压铸产业链扩张，大型压铸模具市场迅速成长。有部门预测预计到2025年，压铸模市场空间可达131亿元[20]，说明压铸模的需求量还是很大。“一体化压铸成型工艺与装备”列入国家重点研发计划[37]，这给大型压铸模制造发展注入新动能。随着大型压铸模技术壁垒逐步被人们攻破与掌握，应用先进技术解决压铸模的热平衡等关键难点，将会极大带动大型压铸模具制造发展，为一体化压铸发展服好务，促进新能源汽车向着节能、减排方向发展。

新能源汽车生产线（网图）

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