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Q & A

專家視角

DR. YE

葉又 博士
 

泛亞汽車技術中心

金屬材料及緊固件高級技術經理

我想從源頭 - 主機廠的產品設計談起，畢竟主機廠的想法和決定對這個行業的發展至關重要。對于大型一體化鑄件，現在各類專業的非專業的介紹已經非常多，大多談的是優勢，如輕量化、集成化、產業鏈精簡、開發高效等，我這里就不想多談。主要談幾個問題和我的思考。

第一點，大鑄件力學性能早期獲取問題。現在從產品設計到量產時間越來越短，前期設計評審越來越依賴CAE仿真，大家知道材料參數的準確對各類仿真分析的準確性至關重要，我們目前車身結構件使用的絕大多數金屬材料，如鋼板、鋁板、型材、鍛件都是事先通過試板級別的實驗測得各類性能數據，用于零部件整車CAE仿真，具有極高的置信度。但這種做法對大型壓鑄件是行不通的，目前可能的做法就是放大設計冗余，加大安全系數。有什么更好的解決方法嗎？我認為，目前計算材料科學已經建立了成分-工藝-組織-性能的定量關系，并可以計算出理想條件下鑄件的部分力學性能。那么結合我們現在的鑄造仿真分析軟件，是否可以在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、縮松等基礎上，計算出鑄件的各類力學性能呢？用以支持我們產品設計的CAE仿真分析。當然，這方面工作也需要材料、模具、壓鑄工藝的早期介入，但核心還是需要軟件能開發出這樣的計算功能，并具有足夠的精度。

第二點，大鑄件成本問題。就單件成本來講，目前大型一體化鑄件不具備成本優勢。以中型車后地板為例，大鑄件重70KG，以每公斤55元價格計算，單件成本約3850元，而同樣部位設計采用傳統鋼板沖壓加焊裝，重約100KG，加上各類焊接連接費用，單件總成約2000元。若再考慮模具壽命以及合格率等的差距，則單件價差將更大。但是我對大鑄件價格降低還是有信心的，一方面，壓鑄結構件的價格最近幾年開始有了大幅度的下降，隨著大量投資的進入，競爭加劇，未來應該還能有一定降本空間。另一方面，從零件功能角度，大鑄件許多部位是不需要2-3mm厚度的，期望隨著材料鑄造性能、壓鑄裝備、工藝水平的提升，壁厚能不能做得更薄，這方面降本的想象空間更大。

第三點，大鑄件售后維修問題。前段時間有媒體報道modelY倒車碰撞損壞大鑄件，更換費用超過二十萬，引發了大眾對大鑄件售后的擔憂。我想特斯拉選擇后地板作為大鑄件切入點，售后維修問題應該算是一個考量點，畢竟后端維修特別是大修的幾率相對要小很多。但如果真的局部損壞要維修了，相比整體更換是不是有更好的解決辦法呢？目前鋁合金3D打印技術日趨成熟，不少產品的強度延伸率已經達到甚至超過現在的壓鑄產品，結合合適的焊接方法，如CMT冷金屬過渡焊接技術等等，焊接熱輸入較小，可以較好地避免對原鑄件組織性能的影響，可能是一種比較經濟可靠的解決方法，值得深入研究。

首先需要指出的是，我們不要去神話這個產品。一體化鑄件僅僅是車身零部件眾多設計方案中的一種，也并沒有給客戶帶來新的功能提升，它最大的優勢可能在于產品開發周期的縮短和產業鏈的縮短，高科技的光環。另外一個優點，鑄造工藝幾乎可以實現任意形狀特征的設計，這也使零部件一體化集成化成為可能，這也是現有能實現經濟量產規模的其他制造工藝所不具備的。大家注意，優勢這里我并沒有強調輕量化，因為從專業角度講，鑄鋁的重量效率并不高，鋁板拼接設計會更輕。

劣勢方面，除了前面提到的成本，維修等問題，我想從設計與制造兩方面再補充談談。從產品設計角度，多片拼接的設計，可選擇的材料眾多，強度從200-2000MPA，厚度從0.5mm-3mm，有豐富的設計優化空間，以實現重量、成本、性能平衡最優，這方面一體化壓鑄件顯然是無法做到的。還有個顯而易見的問題就是相比多件金屬拼接的設計，大鑄件的設計變更成本會很高，這個雖然會隨著CAE仿真能力的提升而有所緩解，設計變更成本更高是肯定的。

從產品制造角度講，壓鑄過程也要比傳統沖壓復雜難得多，這個問題可以這么來理解，沖壓過程變化的主要是形狀，從平板到零件，性能基本是不變的。而壓鑄過程變的不僅是形狀，組織和性能也發生了質的變化，并且主要是發生在幾秒凝固冷卻時間內，這種極短時間內微觀組織的變化，讓我們這些以宏觀尺度來解決問題的工程師感到非常痛苦，好比我們今天對付這個病毒，我們能上天入地，能建三峽大壩，但小小的微生物卻讓我們頭疼萬分。

壓鑄車身結構件成熟應用已超過二十年，國內大量使用也已近十年，典型車型如凱迪拉克CT6，目前普遍采用的是真空壓鑄+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）。由于大型一體化鑄件熱處理變形問題，免熱處理材料可能是目前一種比較好的解決方案。

首先我們需要理解為什么過去壓鑄結構件一直在使用熱處理工藝，熱處理工藝到底能給我們帶來什么好處？熱處理過程除了可以優化材料性能，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，前者大家都明白，后者往往被忽視。實際上，十幾年前商業化的免熱處理材料就出現了，但并沒有得到很好的認可使用。考慮到流動性等工藝性能的要求，現在主流的免熱處理材料都是在傳統Al-Si系合金基礎上通過添加合適的化學變質元素，并結合實際壓鑄的凝固條件，形成細小晶粒和充分彌散的細化組織，獲得以前傳統固溶時效強化才能獲得的力學性能。

我之所以在這里講這些，主要是提醒大家，由于免去了熱處理工藝，為了獲得鑄態下理想的組織和性能，就需要非常小心的材料成分設計及壓鑄工藝控制，零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，而延伸率大小又直接關系到車身碰撞性能以及連接工藝。所以從工業量產角度講還是有很多工作要做的。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密切配合，相互補位，并充分利用好仿真軟件的作用。 

DR. YE

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