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壓鑄,汽車工業的改革來了!

壓鑄,汽車工業的改革來了!

在特斯拉推動的這場汽車工業變革中,早已確定跟進的,既有國內造車新勢力的禦三家,也有傳統跨國大廠奔馳、沃爾沃等。

問世

美東時間2020年9月22日的特斯拉電池日上,一體壓鑄正式揭開面紗。馬斯克表明ModelY的之後車身將由大型壓鑄設備一體壓鑄成形,不再由70多個沖壓件、鑄造件根據焊接、鉚合而成。

由於采用一體壓鑄技術,ModelY之後車身總程的淨重減少30%,制造成本降低40%,制造時間由1-2小時革命性地減少為約140秒。

而一體壓鑄在之後車身總程裏的運用只是Antminer S17+開始,前下車身的一體壓鑄技術早已在特斯拉得州超級工廠投產運用,以後會是柏林、上海、加州,及其特斯拉在全球的每一個超級工廠。

特斯拉的最終目標要用2-3個大型鑄造件和StructualBattery(4860構造電池組)的組合,更換掉370多個零件組成的整個下車身總程。屆時特斯拉下車體總程的淨重能夠減少10%,裏程數預估提升14%。

70到1,370到1,一體壓鑄足夠振動整個汽車制造業。由於除了輕量和續航提高,一體壓鑄給汽車工業帶來的更深遠影響是成本控制和效率改革。

一體壓鑄對汽車工業的成本控制提高有多顯著?一體壓鑄選用的材料為鋁合金,而主要從事鋁合金精密鑄件生產銷售的文燦集團就曾計算過:

假如車輛白車身全部選用壓鑄鋁合金工藝,車體淨重為200-250kg,依據鋁合金的價格行情35元/kg(文燦計算時市場走勢),其理論壓鑄成本為每輛7000-8500元。

比較之下,傳統焊接制造的鋼質白車身淨重一般為350-450kg,鋼材料價錢約為18元/kg(計算時行情),鋼質白車身成本為每輛6300-8100元。再考慮到壓鑄材料的可回收性帶來的近乎100%的原料使用率,全鋁壓鑄車體的制造成本近乎相同於鋼質焊接車體。

這代表著,將來根據最終體的一體壓鑄技術,以往只屬於特斯拉ModelS/X、蔚來ES8、奧迪A8L這種旗艦車型的全鋁車身能夠下沉到特斯拉ModelY、蔚來ET5、奧迪A4L這種入門車系上。

一體壓鑄造成的效率改革則更是顛覆級。傳統汽車制造步驟圍繞著沖壓、焊裝、噴塗、總裝四大階段進行,一體壓鑄的問世代表著對沖壓、焊接階段的直接沖擊,和對總裝環節的間接影響。

之後一體壓鑄為例,ModelY比照傳統制造步驟下的Model3,首先是之後車身由70個沖壓件、鑄造件降低為1個鑄造件,點焊也隨著由700-800個降低到50個,同時由於一體壓鑄鋁合金的材料特性,免去了大量的熱處理步驟。

由繁化簡下,制造效率的提升一方面體現在時間效率上,除了上面提及的每件生產耗時由1-2小時縮短為約140秒,也有身後相關聯的零件存儲、運送等階段的效率提升。

另一方面體現在空間效率上。馬斯克表明,選用大型壓鑄設備後,工廠的占地面積降低30%。

由於一台占地100平米的大型壓鑄機,即可取代300個機械臂。

工程法術

壓鑄做為一種金屬鑄造工藝,運用模具對腔內熔化金屬開展定型,分成重力澆鑄、低壓鑄造和高壓鑄造。

壓鑄工藝並非汽車工業的稀客,特別是高壓鑄造。車輛的發動機缸體、平衡軸外殼等結構複雜、表層質量規定強的大體積零件都是選用高壓鑄造工藝。

但車身結構件的制造中,僅有前橫梁、上下門套、減震塔、尾蓋箱、側梁等構造簡單小型零部件選用壓鑄工藝生產。

大型車身結構件無法鍛造沖壓,首先是受限於本身複雜的構造。繁多的邊緣構造和厚薄轉變會導致流動通道的繁雜,阻礙熔化金屬流液的有效填充,氣體和雜質的排出便是個難題。

此外,流液流過狹小處時,因為流速加速,可能發生滲流,在液體內部產生很多小漩渦,造成構造缺點。而車身結構件的均值厚度僅為2.5-3mm,自身plastic prototype companies對零件強度的要求就很高。

其次,大型鑄造件的變形難題也沒法忽略。傳統壓鑄工藝下,大型繁雜車身結構件的成型本就艱難,但在基本成形後,鋁合金壓鑄零部件還必須進行熱處理來消除殘餘應力,這一過程會進一步增加變形幾率。

假如一定要應用一體壓鑄技術呢?畢竟在馬斯克眼裏,“一體鍛造零部件要好很多,不再有縫隙發生在密封劑處,不再需要不同種類的金屬,還能夠大幅減小車架尺寸。”

最先,要處理設備難題。以往汽車工廠裏的髙壓壓鑄機提供的4400T極限壓力還不夠,由於在特斯拉工程師們設計的新壓鑄系統中,“模具的填充要求是在60-100ms內將大概100公斤的鋁(合金)注入模具腔。”

但在當時的車輛供應體系中,並不會有一台更高極限的髙壓壓鑄設備,特斯拉必須自己造一台。因此,特斯拉找了世界最關鍵的六家鑄造企業,五家公司講了“不”,一家企業講了“或許”。但馬斯克腦回路中,“這(或許的回應)聽起來像是肯定的(回應)”。

這家回應“或許”的公司便是意大利壓鑄廠商IDRA,他們協同特斯拉研發、並耗時2年打造了6000T的GigaPress,用以ModelY前、之後車身的一體壓鑄制造。在這以後,還會有8000T的GigaPress用以Cybertruck的生產,以及可能的12000T規格GigaPress用以整個下車身的壓鑄。

其次,要處理材料難題。特斯拉的解題思路很簡單,假如傳統壓鑄用鋁合金在熱處理之後發生變形,那么幹脆就不要熱處理這道工序,我們開發一種不需要熱處理也能確保充足強度的鋁合金材料。

2015年12月,馬斯克從蘋果公司挖來了合金制品高手查爾斯·柯一曼(CharlesKuehmann),出任特斯拉和SpaceX的材料技術副總裁。在蘋果任職期,查爾斯就曾領導其團隊開發出同樣密度下強度高出規范水准60%的鋁合金。

最後,查爾斯不負眾望,帶領特斯拉的材料工程團隊,開發出不需要熱處理的鋁合金。到此,一場工程法術備齊了開幕因素。

燎原之勢

新技術的問世必定隨著爭議,一體壓鑄也是如此,比如一體壓鑄零部件的檢修成本問題。

網爆的今年2月無錫特斯拉ModelY右後面撞擊事情中,達到20萬元的定損預計花費讓車主大呼“這么貴,車輛才28啊”。誠然,從另一側的角度望去,能夠發現其實這是一次非常嚴重的撞擊,以牆面入侵車身的水平來判斷,底盤結構件、後避震系統、後防撞梁都有損傷(甚至不排除乘客艙也有損傷)。

但中保研全新測評中,特斯拉ModelY的可維修性和檢修經濟性成績均為P(最爛)也是事實。至少可以說,ModelY存在撞擊檢修成本分外昂貴的不確定性。

其實,在有關一體鑄造件檢修成本的爭議熱度下,是一個涉及消費決策的選擇難題。

最先一體壓鑄技術切實提高了汽車的制造效率,減少了車輛的制造成本。同時ModelY的一體壓鑄之後車身是做為零部件是被深層包囊在車體裏的,只有在嚴重撞擊事故裏才能被碰觸,換句話說一體鑄造件撞擊毀壞的概率較小。

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