基于高压压铸工艺的车身一体化开发流程优化研究

0　引言

乘用车电动化经过市场近二十年的培育和发展，已形成潮流并正在席卷全球汽车制造业。据中国乘联会2022年度报告，国内新能源汽车市场渗透率达到25.6%（全球为13.5%），与此同时，作为乘用车最大总成的白车身，出现了钢制车身与钢铝混合车身并存竞争的局面，围绕白车身开发的相关乘用车电动化技术如车身安全技术、舒适性技术、轻量化技术、智能制造技术等不断涌现，整车及白车身总成的工程开发内涵和流程产生了变化。由于当前市场对续航里程、行驶安全、制造效率、单车成本、品牌效应等不断追求以及更为开放的整车与车身开发流程，国内电动乘用车白车身结构整体体现了更好的性能，这对传统车身零件数量多、拼接关系层级复杂、供应链路长的车身制造过程造成冲击。在钢制薄板车身方面，高强钢成形及温/热成形技术、管材内高压成形技术、复杂薄板件激光焊接工艺及先进连接技术等不断推出，使车身结构件设计在零件级层面出现了一体式开发的趋势。在工程塑料及碳纤维增强材料、铝/镁合金等轻量化材料的车身成形方面，薄板冲压成形、注射成型、型材辊压、挤压成型、高压压铸成型以及钢铝复合材料装配连接技术等得到越来越广泛的应用，车身结构件开发突破了原钢制车身的限制，零件一体式程度扩展到车身级。其中高强钢温热成形件、内高压成形件、大型铝/镁压铸件由于其轻量化、高集成度、高刚性、高精度等优势，在车身结构一体化设计中成为结构设计与制造工艺技术的创新焦点。车身结构中典型的接头区域如铝压铸避震器安装座、铝压铸后地板、铝压铸前底板、挤压件门槛纵梁、内高压成形A柱、超高强钢热成形B柱、高强钢一体温成形避震器安装座等逐步得到广泛应用。同时乘用电动车采用以动力电池包裹的底盘、车身和整车集成结构，如电池包（celltopack，CTP）、电池车身一体化（celltobody，CTB）、电池底盘一体化或电池整车一体化（celltochassisorcelltocar，CTC）以及滑板式底盘结构。上述新工艺、新材料、新结构的规模化应用趋势不仅提高了车身在整车开发过程的重要性，还对车身开发的技术集成度、工程复杂度的应对提出更高要求，无论是在产品级还是项目级上，要求开发团队在产品设计与验证、开发成本与周期上更应系统的考虑。

车身一体化定义方面，根据现有研究进展，狭义的车身一体化表现为产品结构与其承担功能一体化，即车身集成化，主要指利用车身材料和相关工艺的最新成果，开展白车身及其零部件集成化研究与应用以获得轻量化、高精度、结构力学、批量可制造性等综合性指标优良的设计开发。其主要特点：利用第一性原理，采用尽可能少的材料与统一工艺实现复杂产品功能的设计与制造。广义的一体化概念包含3个层面的内容，即材料与工艺、产品与装备、产品与商品的高度集成，涉及整个开发流程的各个方面。极氪汽车通过第一性原理尝试用尽可能多的真实材料建立材料基因和各种物性的关系数据库，能为量产应用提供快速选材依据。蔚来汽车采用回型、蛇型测试方法开发免热处理材料，以保证铝合金材料性能达标，并通过开展料片级、白车身级、整车级试验验证，推动一体化压铸工艺在其二代车型上量产应用。钢铁研究总院开展高强度高塑性钢热成形工艺应用研究，其开发的中锰钢成形技术在一体式侧围零件制造中得到应用，并推动了零件一体化的低碳技术开发。压铸机和压铸模等大型压铸设备单元是一体化成型技术实现的前提，极氪汽车开发了三段抽真空结构，确保真空度小于50Mbar。结构件有抗拉强度、屈服强度和伸长率等力学性能的要求，对夹渣、缩孔、气孔等压铸缺陷敏感，所以对模具真空度的要求更高。目前关于流程优化方面的报道较少，现结合某电动化乘用车项目，从整车（车身）开发流程和铝合金压铸一体式零部件质量控制方面进行分析，提出压铸件质量问题的解决对策和开发流程优化建议，并研发一种基于成熟度评价的面向过程控制的车身一体化快速开发方法。

1　车身一体化产品开发流程

钢制车身本质上也是一体化开发的体现，经历多年的发展形成了体系健全、技术成熟的制造产业链，在当前先进用钢（高强钢、超高强钢、吉帕钢等）及其成形技术的推动下，钢制车身依然是一体化开发的重要方向。相对而言，轻合金材料面临快节拍大批量制造工艺方面经验积累少、设备成本高、过程控制复杂、碳排放环境压力等问题，成为现有开发流程应对快速演变复杂系统的挑战，但也是流程更新升级的机遇。

当前整车开发流程被各主机厂作为核心竞争力进行重点投资，包括从产品规划、概念设计、工程开发、试制试验、生产导入、批量生产到售后服务阶段等全过程，需要设计、研发、测试、制造、销售、售后等部门有序组织和协调。复杂产品的开发流程是以串联工作流为基础，串联系统中某一环节的变化影响整个系统的过程输出，最终对开发质量目标造成冲击。尤其是开发流程中后期的工程设计变化将对开发过程的工作负荷、开发周期、项目投资、管理维度构成挑战，如图1所示的曲线I。统计数据表明：产品的设计开发成本虽然仅占总成本的10%~15%，但决定了总成本的70%~80%，为有效控制成本、缩短开发周期、更快速响应市场变化，在项目实践中，更为激进的开发流程逐步将关键的设计内容往前期移动。开发项目的前期阶段具有2个显著特点：①开发信息残缺性（不完整）；②多方案探索可能性。信息残缺性使得开发工作对可用资源的依赖性特别突出，包括主机厂内部资源和外部合作方资源，要求开发流程具备集成资源的卓越能力；多方案探索性是指达成目标存在多个可行方案，要求开发流程能支撑多方案的评价和决策，充分发挥设计阶段在整个开发过程中的重要作用。

针对车身一体化开发难题，面对前期开发信息残缺性特点提出前期开发框架，如图2所示，在整车（车身）开发的概念设计阶段，主机厂联合行业或供应链体系组建车身一体化预研团队。预研团队以开发具有较高成熟度车身一体化方案为目标，总结和分析一体化（指铝合金压铸模工艺及其系统）行业最新成果，构建专业数据库，如最佳实践、量产经验教训、量产案例库等，通过关键总成选取并结合零部件设计和仿真分析进行多方案探索，择优开发零部件模具并试制物理验证总成，形成设计、仿真、验证、改进的闭环开发机制。所有可行方案经成熟度评价后形成指导后续项目开发的数据库，而符合项目目标的一体化方案将作为预研交付物并成为后续开发流程的输入性工程文件，在后续实物开发过程中提供支撑，缩短设计及产品验证阶段的时间。车身一体化开发流程如图3所示，车身开发目标在前期得到充分的讨论和定义，并贯彻项目各个环节，避免中后期成本高昂的工程调整，同时原开发流程中期才能进行的结构设计工作，在预研阶段可以得到更多的基于制造工艺的可制造性研究，一方面减少中期建模所需的时间，另一方面也节省了结构优化所需的多部门协同和CAE算力需求。

2　压铸铝一体化车身结构件开发及其成熟度评价

典型白车身一般由300~500个薄板件经点焊拼接而成，因零件数量多、制造链路径长、减轻质量压力大等特点一直制约行业发展，轻量化材料及其成形和连接工艺的发展创造了解决条件，但是由于铝/镁合金压铸工艺及装备的高度复杂性和较高的投资门槛，制约了一体化车身零部件的规模化应用。

以高强钢材料为主的一体化结构由于受零件形状和成形尺寸的限制，无法进一步提高一体化设计的集成度水平。以特斯拉为代表的中高端电动化乘用车市场的兴起推动了大型零部件一体化制造，规模化消减了压铸工艺及装备本身带来的不足，使得一体化结构设计水平在实践中得到提升。

相比典型的钢制车身，一体化设计车身结构在零件数量、白车身制造工序上得到了较大幅度的简化，降低了相关的工装设备开发和投入，但是从车身产品性能要求、产品质量保证、制造系统的复杂性、制造成本控制等方面考虑，一体化设计仍然是一个高度复杂的系统过程，在较多方面更具挑战性，因此对一体化设计方案的评价也将根据产品全流程开发需求进行综合考量。

在钢制车身结构设计评价内容的分析基础上，通过案例的开发，研究了一体化压铸工艺对一体化设计的影响。在项目前期阶段预研中选择前机舱总成区域、后地板总成区域作为一体化开发对象，零件如图4所示，后地板外形尺寸：1560mm×1570mm×480mm，质量46.43kg；前机舱外形尺寸：967mm×1604mm×771mm，质量43.23kg。初步分析认为后地板总成只需要承受追尾冲击（车身安全测试项目），行驶时的车轮震动通过副车架承受，因此对结构设计要求相对简单；前机舱需要承受碰撞多重冲击考验，对铸件性能要求比后地板高；尺寸影响方面，压铸过程填充末端的伸长率可能下降较多，后地板填充末端位于横梁处，需要仿真分析判断其可接受程度。根据案例发现，前机舱填充末端位于门槛梁连接处，可能会影响产品性能。图5所示为前机舱压铸铝生产工艺流程，主要包括生产准备、压铸成型、铸件后处理等关键流程，其中后处理过程涉及零件（铸件）温度、取件、存放等变化因素。实际生产会遇到包括零部件变形、内部质量不紧致等问题，需要根据预研及设计阶段的数据状态，结合实际工艺状态进行故障源诊断与分析，常见生产问题及对策（部分）如表1所示。以前机舱压铸件为例，前机舱总成是由左右2个一体化压铸件（悬架避震器塔型支撑座）与前隔板及下连接横梁组装，连接长度超过2m，根据其几何规范要求，尺寸控制难点多，塔包与纵梁连接区域要求轮廓度0.15mm，因为匹配件精度较高，规定了连接区域的平行度公差。实际零件状态局部区域与设计要求存在偏差，根据实际零件测量及相关性分析，发现偏差在同一区域具有关联性，因此偏差可能出现在模具成型、时效处理及矫形3个工艺步骤。通过扫描各个工艺步骤零件形状尺寸，可以确定在时效处理阶段。该零件在时效处理时采用了横置式简易支架作批量处理，补充时效温度+时效时间，零件的远端正好是偏差发生区域。经过不同支架零件时效试验对比，局部偏差得到改善。此问题的处理也表明时效处理不仅仅是材料组织的改善，同时也是零部件尺寸质量的重点工位，需要在前期设计时重视。

在预研阶段的一体化总成相关产品数据依然信息不全面，所确定的目标具有定性的概念性质，尚需要在CAE阶段进行估算。预研内容为制定子系统技术规范准备了基本的边界条件，以支持开发流程后续阶段顺利开展。为了进一步量化设计方案的“定性”性质，支持预研阶段多方案探索以及后续阶段（包括详细结构设计及实物阶段等）的设计总结和优化，前期阶段用成熟度作为衡量一体化设计水平指标，开发了设计方案成熟度评价方法。设计方案成熟度按4个维度的内容进行评估，即设计可靠性、设计性能指标、设计技术缺陷和设计完成度。成熟度计算如下：

其中，CSD为某一体化方案的成熟度分值；E(N)为第N个成熟度指标所对应的成熟度分值；w(N)为该指标的权重系数，N≥1，N为指标包含的因素，每个因素具有相应的成熟度数值；p为评价成熟度包含的指标数，现阶段主要包括结构设计可靠性、结构设计性能、设计技术缺陷、设计完成度4个指标，各指标内容及包含的影响因素如表2所示。成熟度高的一体化结构设计在材料使用效率、制造成本、制造过程稳定性、零部件服役性能等方面具有更好的表现。

3　一体化开发面临的主要问题和发展趋势

由于一体化车身件在高精度、减轻质量、减少工艺环节等方面的优势，以铝合金压铸成型、高强钢温成形为代表的轻量化技术在车身上得到广泛应用，推动车身轻量化材料、车身结构设计、产品开发流程方面的技术进步。不同于钢制车身相对成熟的制造环境，以轻量化合金压铸工艺为基础的一体化设计方案实施涉及材料开发、制造工艺和装备开发等全生产环节的考量，现从开发流程方面对压铸铝为代表的一体化车身前期开发进行梳理，通过针对多方案探索的成熟度评价方法提高一体化开发效率，建立适合一体化车身开发的数据库和流程架构，使得整车开发流程具备快速响应市场需求的能力。当前基于轻量化合金压铸工艺的一体化开发方兴未艾，车身结构集成度不断提升，挑战也将是前所未有，未来将继续直面产业技术瓶颈问题，期望在如下方面持续开展工作。

（1）研究相关的低碳短流程工艺将是未来车身轻量化的主要工艺方向，一体化模块化多材料混合车身逐渐进入主流整车方案，基于材料-工艺-结构的设计开发方法，将为新材料的应用提供支撑。

（2）传统压铸方式主要利用热处理提升材料强度，但大型零部件热处理困难，超大型零部件无法进行热处理，且热处理后易变形、矫形困难、良品率低。为达到压铸工艺需求和免热处理效果，在铝合金材料生产工艺过程中加入一定比例的硅、镁、铜、铁、锰、锌等元素，开发免热处理铝合金材料。免热处理铝合金材料在不热处理时可用于复杂薄壁件生产，热处理后可用于高强耐热部件生产。随着企业对零件高强耐热性能的要求不断提升以及全车铝合金件采用同系材料，便于铝合金材料回收，实现低碳环保的追求，新型免热处理高强高塑高流动性的一体化成型铝合金材料将成为未来发展趋势。

（3）一体化零件压铸成型过程中，为解决铝液纯净度、微观组织异常、铸造缺陷等典型的技术难点，针对性地开发流变压铸成型新技术，提升铝合金凝固过程的组织性能，保证产品质量达标，成为大型薄壁铝合金压铸成型新思路。

（4）压铸铝合金模具维护成本高。因为受交变温度场影响，接触产品区域的型芯容易疲劳损坏，同时结构件普遍深腔较多，筋条较深，导致模具大部分深筋部位热处理的淬透性差，所以采用局部镶拼方式，提高模具零件的淬透性和延长使用寿命，但仍需要在模具零件材料选择、模具温度控制、模具结构优化、可再生模具技术等方面开展研究，以进一步提高模具使用效率和延长使用寿命、降低单件生产成本。

（5）在钢制车身发展方向上，目前成熟的钢制车身工艺技术（冲压、焊接、涂装等）和低成本制造、绿色制造优势仍然存在，势必围绕高强钢及其复合工艺如材料选型、成型工艺及其装备开发、精准仿真技术等方面持续开展。

（6）在数字化开发方面，几何规范的标准应用和研究将围绕一体化零件及其制造过程的尺寸技术规范表达、高效检测系统开发、基于过程的快速数据分析等方面开展研究。

▍原文作者：田 峰， 王高祥， 周江奇

▍作者单位：江苏火星石科技公司