当前传统的汽车制造工艺主要包括冲压、焊装、涂装、整装等多个环节，主要工艺流程是将钢板冲压成不同的零部件单件，再通过焊接、铆接、涂胶等方式组装成车身总成，再进行防腐、喷漆等涂装处理，最后将内外饰、动力总成、地盘总成等零部件装配到车身上完成整车总装。
图1： 白车身结构和制造工艺的演变与进化
一体化压铸技术是对传统汽车制造工艺的革新。该技术通过超大型的压铸机，将传统汽车中需要拼焊组装的多个独立的零件直接一次压铸成型，获得一个大零部件。比如某新能源车的后地板总成和发动机舱总成，原本由171个左右的零件拼焊而成，通过一体化压铸获得一次成型的后地板和发动机舱，可以省去冲压和焊接的环节，节省超过1600个焊点的制造工艺（参见图1）。
一体化压铸技术带来的好处如下：
从产品设计的角度来说，这样可以简化车身结构，让车身重量更轻，提高续航里程。同时也顺应越来越严格的排放法规和汽车能效要求的发展需求。
从整车制造的角度来说，一体化压铸可以简化装配关系（参见图2），缩减尺寸链。它可以简化在传统工艺中常用的尺寸链公差带计算，能够更加直接和简洁的控制关键装配尺寸。同时，一体化压铸可以压缩工艺过程，减少与之对应的白车身工艺设备、厂房面积和固定资产的投资，降低制造和运营成本。据了解，应用一体化压铸的后地板制造成本相比原来下降了40％【1】。
从供应链的角度来说，一体化压铸可以缩短供应链，控制外购件的数量和对应的采购成本，缩减运输成本，降低物流中心的运营压力。
图2：传统白车身与采用一体化压铸工艺后的白车身产品结构对比
2019年7月，特斯拉公布了一项专利，名为“汽车车架的多向车身一体成型铸造机和相关铸造方法”。该专利涉及一种多向压铸机，包括一个具有车辆覆盖件的模具，以及几个相对于覆盖件平移的凸压模具。此外，特斯拉还发布了免热铝合金配方专利——“Die Cast Aluminum Alloys for Structural Components”。这种免热铝合金无需经过热处理即可满足生产要求，相比传统铝合金具有更高的机械性能【2】。
自特斯拉2020年首次在Model Y上应用一体化压铸后地板技术以后，国内外的整车制造商，如：蔚来汽车、小鹏汽车、理想汽车、极氪汽车、高合汽车、赛力斯汽车、沃尔沃等都已陆续跟进此项技术，铸铝压铸技术在汽车行业已然成为一个重要的技术路线。据悉，2022年，全球金属铸造市场价值为1367.1亿美元，预计2023年至2030年将以5.5%的复合年增长率增长，其中铝铸造市场预计在将以8.7%的复合年增长率增长。这一增长的重要原因是汽车行业需求的增加，尤其是生产复杂和大尺寸零件的关键工艺，即一体化大型铸造。
由于压铸工艺的原因，铸铝车身上的一些工艺孔、工艺面，无法全部通过压铸实现，因此在一体化压铸成型后引入了机加工工艺。这些机加工是为了满足后续工艺的定位、装配等需求，能够影响整车的前后桥、动力总成、线束等装配精度，对后续的制造起到了重要作用。
例如，一体化压铸后地板上有很多工艺孔和面需要加工，这些孔的直径从4mm到40mm不等，深度从3mm到40mm不等，其中包括了通孔、盲孔、沉孔、螺纹孔等，还有一些定位面需要铣削（参见图3）。这些工艺孔的精度和功能各不相同。例如定位孔，它的直径可以选择在20mm到30mm之间，尺寸公差带宽要求达到0.15mm左右。还有通过孔，它的直径一般是14mm到30mm不等。再如M8、M10、M12、M14的螺纹孔，它们的底孔直径从8.2mm到14.22mm不等，尺寸公差带宽要求达到0.2mm左右。
图3：一体化压铸件的加工特征
为了满足精度、效率、柔性化等技术要求，ABB等公司作为机器人设备厂商，结合自身在机器人领域的技术优势，开发出了以机器人技术为核心的大型压铸件机加工的工作站，以及使用机器人技术对大型压铸件进行加工的解决方案。（参见图4）
图4：ABB机器人机加工功能包
以下是机器人机加工系统的关键方面：
– 精确度和一致性：机器人机加工系统在加工任务中提供高水平的精确度，这在大型铸造中至关重要，因为涉及零件的大小和复杂形状。尤其在汽车和航空航天等行业，精确度是不容妥协的。
– 灵活性：机器人机加工系统可以针对不同任务进行编程和重新配置，使其成为大型铸造操作中的多功能工具。它们可以执行从切割和钻孔到抛光和检查的一系列活动，可以满足多车型，小批次、高节拍的生产需要。
– 交付效率：机器人系统在交付效率上，比较传统的加工设备有明显的优势。
– 安全性：在大型铸造中，铸件的尺寸和重量，加上高温过程，可能对人类工人构成重大风险。机器人可以在这些危险环境中操作，减少工作场所事故的风险。机器人可以连续长时间运行，从而显著提高生产力。它们还可以以人类工人无法达到的速度和耐力运作。
– 与先进技术的集成：机器人加工通常与先进技术（如3D扫描和CAD/CAM系统）集成。这种集成允许更精确和高效的生产，因为机器人可以适应这些数字工具提供的精确规格。
– 成本效益：机器人工作站便于复制，给大型压铸件的汽车制造商或者零部件供应商提供了很高的投资灵活性。对于高产能的生产线，可以在早期进行固定资产的小规模投资，当加工质量和产能稳定之后，可以连续投资多个类似的工作站，这样就提高了投资效率、减少浪费，带来长期节约。
– 定制化和可扩展性：机器人可以针对特定任务进行编程，提供生产过程中高度的定制性。这种可扩展性使它们适用于小批量生产和大规模制造。
– 可持续性：机器人通过提高材料效率、减少浪费和降低能源消耗，有助于可持续制造实践，与某些传统方法相比更为环保。
我国《“十四五”机器人产业发展规划》提出， 当前新一轮科技创新与产业深度融合，以智能制造为牵引，不断夯实工业基础能力，优化资源动态配置， 促进制造业重大技术与装备的创新发展，把握我国由 “制造业大国”向“制造业强国”历史性超越发展的窗口期【3】。相对柔性化差、尺寸大、投资成本高的传统机加工方案，机器人机加工系统具有智能程度高、成本低、工作效率和柔性高、以及重复定位性好等特点，可快速满足汽车白车身大型铸铝件产品制造工艺快速迭代变更的需求。机器人技术与搬运、转孔、攻丝、铣削、磨削及激光切割等应用场景的深度融合，将驱动传统制造向先进制造的快速迭代，给汽车制造企业尤其是不断开拓创新的新能源汽车企业的发展带来新的增长极。
作者：陈阳
参考文献：
【1】：汽车制造工艺的革新，有望弯道超车的5大“一体化压铸”龙头企业【N】菲菲财经笔记，2022年 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1738716054719285511&wfr=spider&for=pc
【2】：一体化压铸：从1.0到2.0，我们看到了哪些变化？ 【N】证券之星，2023年 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1777450589000685852&wfr=spider&for=pc
【3】：周济.制造业数字化智能化[J].中国机械工程， 2012，23（20）：2395-2400
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