汽車一體化壓鑄專題研究降本增效-一體化壓鑄方興未艾

汽車一體化壓鑄專題研究降本增效_一體化壓鑄方興未艾（報(bào)告出品方/作者：東吳證券，黃細(xì)里、譚行悅）車身結(jié)構(gòu)件是鋁合金壓鑄領(lǐng)域藍(lán)海政策推動(dòng)，節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)不斷提升。“節(jié)能減排”成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主旋律。汽車領(lǐng)域是推進(jìn)節(jié)能減排的重點(diǎn)。2020年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)組織全行業(yè)專家修訂編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線2.0》發(fā)布，對(duì)于乘用車新車的油耗做了具體的要求，2025/2030/2035年乘用車新車的平均油耗需要達(dá)到4.6、3.2、2.0L/100km，節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)升級(jí)。新能源滲透率持續(xù)提升，里程焦慮成為消費(fèi)者核心關(guān)注。在政策+市場(chǎng)的雙重助推下，國(guó)內(nèi)新能源車滲透率快速提升，從2020年1月的2.7%提升到2021年11月份的20%，隨著新能源車份額的不斷擴(kuò)大，相關(guān)的問(wèn)題也逐漸突出。2021年2月，“中國(guó)汽車流通協(xié)會(huì)”發(fā)布文章《如何破解新能源車?yán)锍探箲]？》，提及根據(jù)協(xié)會(huì)對(duì)于新能源車主用車體驗(yàn)的面訪調(diào)研結(jié)果，用戶購(gòu)買時(shí)最關(guān)心的問(wèn)題就是“電池續(xù)航能力”，占比達(dá)到31.8%，里程焦慮成為消費(fèi)者購(gòu)買新能源車的核心關(guān)注內(nèi)容。新能源車三電系統(tǒng)質(zhì)量增加，續(xù)航里程訴求帶來(lái)輕量化需求。新能源車相較于燃油車雖然減少了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，但是增加了三電（電機(jī)、電控、電池）系統(tǒng)，電池動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度低于燃油系統(tǒng)，因此新能源整車的質(zhì)量高于傳統(tǒng)燃油車。而新能源車對(duì)于續(xù)航里程的述求，增加了對(duì)于整車輕量化的需求。輕量化助力節(jié)能減排，鋁合金材料性價(jià)比最佳。根據(jù)“布勒中國(guó)”的數(shù)據(jù)，汽車重量每減輕10%，最多可實(shí)現(xiàn)節(jié)油5-10%，整備質(zhì)量每減少100kg，百公里油耗可以降低0.3-0.6L，減少CO2排放8.5g/km，因此輕量化成為節(jié)能減排領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)。同時(shí)在不同的輕量化材料中，對(duì)比多種金屬合金和碳纖維，鋁合金的性能、密度以及價(jià)格等多方面具備優(yōu)勢(shì)，是最具有性價(jià)比的輕量化材料。底盤->三電系統(tǒng)->中小件，車用鋁合金零部件滲透率不斷提升。在新能源滲透率提升+節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的雙重助推下，車用鋁合金零部件的滲透率持續(xù)提升，底盤系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向節(jié)/控制臂/前后副車架）輕量化因?yàn)槟軌蛴行嵘嚨牟倏靥匦?，最先?shí)現(xiàn)鋼->鋁的升級(jí)。隨后，三電系統(tǒng)（電機(jī)/電控/電池外殼）和中小件鋁合金產(chǎn)品（雨刮電機(jī)/轉(zhuǎn)向器殼體/空調(diào)系統(tǒng)/制動(dòng)系統(tǒng)）等滲透率持續(xù)增長(zhǎng)。車身結(jié)構(gòu)件升級(jí)，帶來(lái)單車價(jià)值量提升。車身結(jié)構(gòu)件鋁合金滲透率相對(duì)較低，主要原因包括：1）零部件體積較大，對(duì)于設(shè)備/工藝/模具等技術(shù)要求門檻高；2）產(chǎn)品價(jià)值量高，增加整車制造成本；3）鋁合金車身拼接難度高，焊接復(fù)雜度高于鋼車身。隨著輕量化進(jìn)程的持續(xù)進(jìn)行以及新的制造工藝出現(xiàn)，鋁合金車身結(jié)構(gòu)件滲透率有望持續(xù)提升，帶來(lái)整車鋁合金產(chǎn)品價(jià)值量的提升。鋁合金四大基礎(chǔ)工藝+后續(xù)處理工藝，構(gòu)成鋁合金加工體系。軋制/鍛造/擠壓/鑄造四大基礎(chǔ)工藝：1）軋制：錠坯借助軋輥施加的壓力，使其橫斷面減小，厚度變薄而長(zhǎng)度增加的一種塑性變形過(guò)程；2）鍛造：利用材料的可塑性，借助外力產(chǎn)生塑性變形；3）擠壓：對(duì)模具型腔內(nèi)的金屬坯施加強(qiáng)大的壓力，獲得所需斷面形狀、尺寸的塑性加工辦法；4）壓鑄：將金屬溶液壓入模具內(nèi)，在壓力下冷卻成型的一種精密鑄造方法。在基礎(chǔ)鋁材上進(jìn)一步加工工藝：1）沖壓：壓力機(jī)和模具對(duì)材料施加外力，使之塑性變形或變形；2）焊接：通過(guò)加熱/加壓的方式使得工件之間產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝。車身結(jié)構(gòu)件用鋁逐步增長(zhǎng)，型材占據(jù)較大比例。隨著車身輕量化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，車身結(jié)構(gòu)件的鋁合金占比在逐步提升，以?shī)W迪A8為例，鋁合金材料占比達(dá)到58%，受到結(jié)構(gòu)件加工方法慣性影響，冷加工工藝的鋁合金型材和擠壓成型占比較高，壓鑄成型車身結(jié)構(gòu)件占比相對(duì)較少。車用鋁合金整體加工工藝壓鑄占比最高。雖然車身結(jié)構(gòu)件中間鋁合金鑄造工藝占比相對(duì)較低，但是整車鋁合金零部件加工工藝中，鑄造因?yàn)樯a(chǎn)效率以及便于復(fù)雜零部件成型等優(yōu)勢(shì)占據(jù)最大比例。根據(jù)2018年發(fā)布的《鋁合金在新能源汽車工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望》中的內(nèi)容，目前各類鋁合金工藝在汽車上的使用比例大約為：鑄造77%，軋制10%，擠壓10%，鍛壓3%。輕量化車身拼接難度提升，生產(chǎn)效率下降&成本提升。以2019年奧迪A8車型為例，車身分為鋁合金、鋼、碳纖維復(fù)合材料、鎂合金等多種材料，其中鋁合金占比58%，鋼占比40.5%，碳纖維1%，鎂合金0.5%。雖然整個(gè)白車身帶來(lái)了很好的輕量化和強(qiáng)度效果，但是奧迪A8一共采用了14種連接方式來(lái)進(jìn)行整車的組合，包括點(diǎn)焊、MIG焊、激光焊等8種熱連接技術(shù)和鉚接、卷邊、螺絲連接、膠水連接等6種連接技術(shù)，提升了生產(chǎn)的難度，并且提升了整車的制造成本。分拼線工藝占比更高，生產(chǎn)工藝有待優(yōu)化。車身在車身車間的制造過(guò)程中，各種散件連接成前/后底板、側(cè)框、前圍總成等分拼工藝占比達(dá)到60%以上，通過(guò)一體化成型工藝能夠有效提升鋁合金車身制造效率。特斯拉率先推進(jìn)一體化壓鑄進(jìn)程提升生產(chǎn)效率，特斯拉推動(dòng)一體化壓鑄進(jìn)程。經(jīng)歷了2018年的“產(chǎn)能地獄”之后，為了提升車身的生產(chǎn)效率，特斯拉從材料、設(shè)備、工藝等多方面推動(dòng)一體化壓鑄的進(jìn)程。1）2018年宣布多向車身的鑄造專利；2）2019年發(fā)布免加熱鋁合金專利；3）2020年宣布采購(gòu)2臺(tái)大型壓鑄機(jī)；4）2021年ModelY采用一體化壓鑄技術(shù)下線；5）ModelY的前艙總成完成一體化壓鑄實(shí)驗(yàn)；6）發(fā)布下車體一體化壓鑄專利。加州工廠率先試點(diǎn)，全球四大超級(jí)工廠全面布局。2020年8月，特斯拉加州“弗里蒙特”工廠率先安裝意德拉旗下的6000T超級(jí)壓鑄機(jī)，通過(guò)一體化壓鑄工藝對(duì)ModelY車型的后底板部位進(jìn)行制造。在試制成功之后，特斯拉開(kāi)始在全球四大超級(jí)工廠進(jìn)行一體化壓鑄機(jī)布置，目前已經(jīng)到位的壓鑄機(jī)合計(jì)18臺(tái)。2022年10月，德州工廠為CyberTruck準(zhǔn)備的9000T壓鑄機(jī)已經(jīng)完成建造及測(cè)試，未來(lái)柏林工廠還計(jì)劃引進(jìn)6臺(tái)超級(jí)壓鑄機(jī)，完成前艙及后底板的壓鑄工作。公布多向車身壓鑄專利，初步提出技術(shù)邏輯。2018年特斯拉公布“汽車車架的多向車身一體成型鑄造機(jī)和相關(guān)鑄造方法”（Multi-DirectionalUnibodyCastingMachineforaVehicleFrameandAssociatedMethods）的專利，提出可以在一臺(tái)機(jī)器上完成絕大部分車架鑄造工作的技術(shù)構(gòu)想，這是一體化壓鑄技術(shù)的雛形。發(fā)布高性能免熱合金專利，提供符合工藝材料。2019年特斯拉發(fā)布專利“CN112567059-Aluminumalloysfordiecasting”，具備高屈服強(qiáng)度和高導(dǎo)電性，并且在壓鑄時(shí)還具有高流動(dòng)性和低熱裂敏感性的高性能鋁合金，并且無(wú)需經(jīng)過(guò)熱處理，避免了大型壓鑄件在熱處理過(guò)程中易出現(xiàn)的變形或者產(chǎn)生表面缺陷的問(wèn)題。全球知名壓鑄設(shè)備企業(yè)，發(fā)力大型一體化壓鑄賽道。意大利IDRA公司成立于1946年，是全球高科技?jí)鸿T機(jī)領(lǐng)域的明星企業(yè)。2007年在金融危機(jī)的影響下，公司財(cái)務(wù)陷入困境，被香港壓鑄企業(yè)力勁科技以350萬(wàn)歐元現(xiàn)金收購(gòu)70%的股份。力勁因此成為世界最大的壓鑄設(shè)備生產(chǎn)商。隨著技術(shù)進(jìn)步和材料價(jià)格下降，力勁集團(tuán)的戰(zhàn)略向大型壓鑄設(shè)備設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。大噸位壓鑄設(shè)備突破業(yè)界瓶頸，助力特斯拉開(kāi)啟一體化壓鑄進(jìn)程。IDRA開(kāi)發(fā)的OL6200CS設(shè)備，尺寸19.5*5.9*5.3m，能夠提供最大6218噸的鎖模力，突破之前行業(yè)最大鎖模力僅為4400T的極限，確保模具內(nèi)腔在高壓下的合模穩(wěn)定性。憑借IDRA的超級(jí)壓鑄機(jī)設(shè)備，特斯拉具備了一體化壓鑄設(shè)備維度的硬件準(zhǔn)備。后底板一體化->前艙總成一體化，產(chǎn)品集成度逐步提升。2020年特斯拉率先在上海工廠ModelY上運(yùn)用一體化壓鑄技術(shù)，核心是對(duì)后底板總成+輪罩部分進(jìn)行壓鑄。根據(jù)公司披露，整體是由71個(gè)零部件集成為一個(gè)零部件，減少了約700+個(gè)焊點(diǎn)。2022年根據(jù)特斯拉一季度財(cái)報(bào)披露，德州奧斯汀工廠在后底板一體化壓鑄的基礎(chǔ)上，嘗試進(jìn)行前艙總成的一體化壓鑄，將前后底板零部件數(shù)量從171個(gè)減少到2個(gè)，減少焊點(diǎn)超過(guò)1600個(gè)。有效提升生產(chǎn)節(jié)拍+降低成本。新的一體化壓鑄技術(shù)讓特斯拉白車身的連接點(diǎn)大大減少，零部件制造時(shí)間大大縮短從數(shù)小時(shí)下降到數(shù)十分鐘，大幅度的精簡(jiǎn)了制造流程，提升了生產(chǎn)效率，相比傳統(tǒng)車身制造的“沖壓+焊接”工藝，一體化壓鑄具有輕量化、零件數(shù)量及焊接工序步驟減少、人員及土地節(jié)約等優(yōu)勢(shì)，能極大地節(jié)約造車成本。全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)環(huán)節(jié)及格局梳理壓鑄件工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中間關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。高韌性結(jié)構(gòu)件鋁合金：免加熱處理，高強(qiáng)韌性鋁合金材料；高真空壓鑄：模具密封（主分型面、模芯側(cè)面、鑲塊側(cè)面、型芯密封、頂針密封、壓室密封）等；可制造型分析：壁厚分析、分型面分析、拔模角度、頂桿位置分析；模流分析：流動(dòng)分析（流動(dòng)前沿形態(tài)、卷氣情況、渣包分布、充型溫度）、凝固分析等；模溫控制：影響冷隔、縮孔、氣孔、變形等缺陷。全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)環(huán)節(jié)及格局梳理：材料免熱鋁合金材料，為一體化壓鑄做好材料基礎(chǔ)。傳統(tǒng)鋁合金材料Silafont-36(AlSi10MnMg)在壓鑄完成之后需要通過(guò)熱處理過(guò)程來(lái)提升機(jī)械性能，但是大型鋁合金壓鑄件在熱處理過(guò)程中易出現(xiàn)變形或者產(chǎn)生氣泡等表面缺陷，免熱鋁合金材料無(wú)需進(jìn)行熱處理能夠達(dá)到更加優(yōu)秀的機(jī)械性能，大幅降低了產(chǎn)生廢品的風(fēng)險(xiǎn)，提高良品率。Al-Si&Al-Mg系列鋁合金成為主流，各類合金元素協(xié)助改善機(jī)械特性。鋁合金具備多種合金特性，包括Al-Si、Al-Mg、Al-Cu、Al-Zn等大類，目前免加熱合金主要集中在Al-Si、Al-Mg兩種類型，在這兩種體系下，通過(guò)添加Si、Mg、Mn、Ti、Cu、Sr等微量元素，協(xié)助提升產(chǎn)品性能。全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)環(huán)節(jié)及格局梳理：設(shè)備行業(yè)內(nèi)壓鑄機(jī)鎖模力存在上限，一體化壓鑄提出更大挑戰(zhàn)。在特斯拉嘗試一體化壓鑄之前，行業(yè)中最大壓鑄機(jī)的鎖模力只有4400噸，用于生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是鋁合金一體化車門（投影面積0.5平方米。重量5.4kg）以及減震塔等車身零部件。一體化壓鑄件的投影面積超過(guò)1平米，重量達(dá)到30-40kg，對(duì)于壓鑄設(shè)備鎖模力的要求遠(yuǎn)大于原有4400T的壓鑄機(jī)設(shè)備，也給整個(gè)壓鑄機(jī)行業(yè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。鎖模力大幅增加，整套系統(tǒng)全面升級(jí)。隨著鎖模力的大幅增加，壓鑄機(jī)內(nèi)部的機(jī)械、液壓和電控系統(tǒng)都需要完全重新開(kāi)發(fā)，因此大型壓鑄機(jī)的先行者力勁集團(tuán)（意德拉）在此過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在力勁集團(tuán)（意德拉）的支持下，全球首臺(tái)6000T壓鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)環(huán)節(jié)及格局梳理：模具高壓鑄造產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要精密的工藝設(shè)計(jì)。金屬液流需嚴(yán)格把控，避免出現(xiàn)零件失效。大型零部件高壓鑄造過(guò)程中，流動(dòng)通道復(fù)雜，邊角結(jié)構(gòu)越多越容易導(dǎo)致金屬充型過(guò)程中無(wú)法良好填充，甚至出現(xiàn)紊流，從而導(dǎo)致內(nèi)部嚴(yán)重的缺陷，甚至?xí)?lái)雜質(zhì)和氧化皮風(fēng)險(xiǎn)?；蛘哂捎诹鲃?dòng)性不足或者多處流動(dòng)進(jìn)度不同，從而出現(xiàn)多處金屬液面沖擊融合，從而導(dǎo)致零件失效。排氣結(jié)構(gòu)需合理設(shè)計(jì)，仿真技術(shù)+過(guò)程控制防止氣孔產(chǎn)生。模具中原有的氣體+金屬液流自身帶入的氣體+包含金屬中的氣體需要排出，需要在設(shè)計(jì)之初通過(guò)合理的排氣結(jié)構(gòu)來(lái)排出氣體，甚至采用惰性更好的氣體保護(hù)和一定的真空技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模具中的氣體排放，需要大量的仿真技術(shù)和生產(chǎn)過(guò)程的控制接入，排氣過(guò)程如果做不到位零件會(huì)有大量的氣孔產(chǎn)生。冷卻過(guò)程需要液態(tài)補(bǔ)縮，避免熱孤島帶來(lái)缺陷。完成鑄造過(guò)程之后，零件的冷卻過(guò)程會(huì)帶來(lái)尺寸的收縮，需要準(zhǔn)確的仿真零部件完整的冷卻過(guò)程，設(shè)置最晚冷卻的金屬液池來(lái)補(bǔ)充收縮部分的液體，同時(shí)避免出現(xiàn)不合群的熱孤島，否則會(huì)在零部件冷卻收縮的過(guò)程中產(chǎn)生新的缺陷。全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)環(huán)節(jié)及格局梳理：鑄造工藝高壓壓鑄成型易產(chǎn)生氣孔缺陷，真空壓鑄技術(shù)有效提升產(chǎn)品質(zhì)量。壓鑄成型過(guò)程中因?yàn)榻饘僖禾岣咚偬畛湫颓?，型腔中的氣體來(lái)不及排出，不可避免會(huì)卷入到金屬液中，并以氣孔的形式殘留在鑄件中，影響鑄件質(zhì)量。通過(guò)在壓鑄過(guò)程中抽除壓鑄模具型腔內(nèi)的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，從而提高壓鑄件力學(xué)性能和表面質(zhì)量的先進(jìn)壓鑄工藝，特別適合形狀復(fù)雜但是生產(chǎn)要求高的零件，是目前一體化壓鑄關(guān)鍵的工藝技術(shù)。真空壓鑄技術(shù)分為普通真空壓鑄（真空度100-250mbar）、高真空壓鑄（真空度50-100