神悦铸造朱家钢：电驱系统一体化铸造和工艺难点

当今，消失模成为了一个比较理想的解决方案，适合结构复杂、多腔、薄壁铸件，可一次成型量产“多合一”铸件。在2023第三届xEV全球驱动系统技术暨产业大会上，福建省神悦铸造股份有限公司副董事长朱家钢详细介绍了消失模的工艺流程。

“多合一”液冷电驱动模组是电驱动的发展趋势，这类产品用低压铸造生产时面临的问题：壁厚6毫米以上，重量太大；废品率高，良率很少超过70%；机加工量大，生产效率太低而产能不足，最终会导致成本过高。面对“三合一”及以上的铸件生产，高压铸造面临的问题：外部多个（三个及以上）功能部件的集成工艺难度大，需要昂贵的大合模力压铸机和复杂模具；设计自由度低，带内部流道则无法一体化铸造成型，必须分体铸造后机加、安装或焊接；不带内部流道则只能采用油冷，而油作为冷媒的比热容仅为水的46%，造成总成增重，还需要加装油管等，壳体是简单了，但是电机则复杂了。

因此，“多合一”电驱动液冷壳体的理想生产工艺：一体化成型电驱动集成模组；净型薄壁: 减重、减机加、减工序；质量好、精度高；清洁生产、绿色铸造；研发生产效率高、成本低。

神悦在消失模工艺中帮助客户完成极具挑战性的项目，朱家钢列举了三个项目：宝马EMP156、保时捷IPB项目、宝马HV SGR项目，为其提供解决方案，满足了薄壁减重、复杂腔室等要求。

以下是演讲实录。

消失模铸造在燃油车时代一直处在一个me too状态，就是属于在产品研发的早期阶段，一直处于陪跑的一个角色，一般来说工艺技术路线ABCD，前面可能是组芯、高压、低压、重力，最后轮到消失模，听说消失模也神通广大，那你也试一试，就是这样的。所以知道的很少。现在新能源车时代，情况发生了巨大的变化，因为电驱动一体化铸造，特别是大家都在做的多合一电驱动模组壳体，导致传统的前面的ABC遇到了一些困难，总是在某一个点上不尽如人意，所以现在消失模反而成为了一个比较理想的解决方案。特别是今天这个卷时代，为什么大家都做集成，就是因为成本压力和性能的压力，都到了这个份上了。

消失模为什么突然在今天变成了一个关注度越来越高的工艺？主要就是它的特点，适合于结构复杂，腔室复杂的薄壁铸件，比较容易一次成型量产多合一的铸件。用别的工艺做，特别费劲。三合一现在是常态，大家都在做，夸张一些的有八合一、十二合一，这些用别的工艺做能做，但要低成本量产就很费劲，但用消失模就特别容易，特别简单。

消失模是个什么东西？简单来说，就是你想做一个什么东西，我就用聚苯乙烯塑料给你做出来，做出一模一样的一个白模。首先用水蒸气让泡沫塑料颗粒膨胀，膨胀以后打到模具中，消失模的模具只跟聚苯乙烯这种软质材料接触，生产起来速度很快，用铝模就行。这跟注塑和压铸没有多大区别，原理一样，做成一片片的模片。再把模片用胶水沾接成模片的模型。高压铸造必须铸出来以后焊接起来，我这个是用泡沫塑料发出来以后用胶水沾起来，不用焊接也不用做焊接前的加工。然后为了提高效率，把它沾在胶道上，形成一个模簇，这样能一箱一次浇铸有多件。这个放在耐火涂料桶里进行浸涂，使得外表面和内腔都覆盖一层涂料，涂料把铸造的金属液和其他环境隔离开来，再放到砂箱里，埋箱振实，这是比较复杂的一个学问，是通过多角度、多频率振动形成一个一层层的应力场，保证浇铸过程中不会发生变形。然后随着金属液进入，白模在高温下汽化、液化，金属液填充原来泡沫占据的空间。翻箱出件，倒出来以后凝固冷却的就是我们要的铸件。原理很简单，但其实做起来不是那么简单，因为消失模在有人叫“消失模陷阱”，形容消失模工艺有八个字，“一看就会”，原理很简单，要做什么东西、我用白模先做一个，泡在涂料里，把铁、铝、铜倒进去就完了，但“一做就废”，要是没有掌握它的底层理论基础，做出来废品率非常高。

现在大家都在做集成化、集成度很高的产品，液冷电驱动的模组，现在看起来是一个大的发展趋势，特别是多合一的。这类产品我们在过去和客户同步研发的过程中，都试过用A方案是砂铸，用射芯机射出来砂芯组成砂模，然后B方案是高压，C方案是低压和重力，这些都面临比较大的困难，主要是低压铸造和重力铸造不容易满足年产几十万件的要求，新能源车现在已经到了一个量产的阶段，量产的要求，上来就是10万件一年。第一就是低压和重力铸造壁厚6mm以上，重量太大。同时，里面内腔室是用砂芯，会导致废品率高，因为如果砂芯做的强度太大，清砂的时候倒不出来，不碎不出来，但要把溃散性做得太好了，浇铸过程中可能就碎了，这样就会有大量的飞边毛刺，所以废品率高，良率很少超过70%。还有，要留大量的铸造余量，所以机加工量大、生产效率比较低，容易产能不足。生产效率低，低压和重力一台机器一天就十几模，太慢了。所以综合成本太高，在这个“卷时代”，这是一个比较大的问题。

某种情况下，大家首先想到的，用高压铸造，这是一个很成熟的工艺，而且在中国应该算最卷的行业之一，做的人实在太多了，所以成本很低。高压铸造在大部分的情况下其实是非常理想的一个工艺，但走到三合一以上的铸件，它就面临几个问题。第一，外部多个功能部件要集成的话，工艺难度大，多加一个难度就提高很大的一个程度，需要昂贵的大合模力压铸机和复杂模具，导致前期模具研发和制造周期长。第二，设计自由度低，因为内部流道没法一体化铸造成型，如果里面有复杂的流道，必须分体铸造以后，比如以前宝马做的48V的电机，就是内壳、外壳机加工以后对合，然后摩擦焊，今天三合一用这个，没法做了，因为里面的流道要同时冷却逆变器部分，所以流道的空间结构不允许弄成内壳、外壳，难度很大。还有一种做法，索性就没有腔室没有流道，就用油冷，但用油冷也有油冷的问题，不是到处都能用的，因为油作为冷煤热容率不高，达到同样的效果的话，用一公斤的水的流量得用两公斤以上的油的流量。而且油管也很讨厌，设计起来很头大，生产起来很麻烦。所以遇到这种三个以上的液冷电驱动的模组，用高压铸造的话也有难点。不能说不能做，也遇到过案例，SGR的前身，在研发过程中我们建议宝马用高压铸造+摩擦焊做，而不是用消失模，因为但凡用这个做，各方面都有优势，表面光洁度也比我们好看。

为什么做这个对客户来说是解决问题一个比较轻松的路径？比方说我做一个切片，多合一的，里面是复杂的流道，先用泡沫塑料把它做出来，然后再做铸造，首先，比较容易做一体化成型的电驱动模组，小零小碎都集成上去，我就是在白模上给你沾一个东西就完了，对我来说没有特别大的麻烦，它可以精确一体成型，集成多个功能的多合一的模组。同时，还能把冷却流道也集成成为一体，做成一个贯通式的多介质的双回路构造，风冷水冷双重冷却，一个壳体里一次成型。第二，它有三减，可以做净型薄壁，而且不需要留什么铸造余量，减重、减机加、减工序。壁厚现在能做到2.5mm，跟高压铸造差不太远；第二近无余量，加工余量最多1.5到2mm，仅仅端面上需要机加工，和传统的砂型铸造方法相比，可以减少40%-50%的机械加工量。特别容易做一体成型，大幅度减机加工和安装、焊接的工序。还有质量好、精度高。因为无型芯组合而造成的尺寸误差，没有砂芯尺寸不准或下芯位置不准确造成铸件壁厚不均。无需取模，无分型面，无砂芯，没有飞边毛刺。铸件表面粗糙度也好，铸件尺寸精度可以达到CT7到9，批量生产良品率高于95%。宝马的SGR应该是全世界第一家经过模流仿真模拟确定工艺参数以后第一次生产就一次成功的。还有清洁生产、绿色铸造。我们在意大利的厂是在热点旅游景区以内，离400m就是度假营地，环保这块没有问题，而且没有化学的粘结剂，砂是浮砂，回收率95%以上，而且能耗比传统的铸造工艺低27%。还有最关键的，今天这个时代，新能源汽车迭代速度越来越快了，研发效率和成本是很关键的因素，我们现在能做到全数字化的产品研发和工艺过程的仿真模拟，时间过程的数字化现在正在进行中。将来，研发和生产全数字化以后，效率会非常高，可以适应新能源汽车的“卷时代”，现在看起来，以前39个月慢悠悠做，现在压缩到一年以内，快的甚至10个月，这样能大幅度提高复杂铸件的创新研发效率和成功率。到现在为止，我们早期铸件方案出来以后铸件研发成功率100%，没有失败过，一般接到3D数模以后，可能是概念设计阶段一个很粗糙的东西，也没有关系，我们可以在一二周内出铸件方案，一个月做样件出来。还有一个特别好的，我们为铸件结构设计、产品结构设计提供了充分的自由度，原来铸件供应商跟电机电驱客户之间，永远是一个矛盾关系，做产品的我们的客户的研发部门就是突发奇想，做出很有创意的一个东西，但往往铸件没法跟上，跟着做的话废品率高，会赔得叮当响。我们这个情况下是反过来的，你想出来的越复杂的东西，我越高兴，因为对我来说实现上有难度、但没有风险说最后做不成。批生产的综合成本，比传统铸造大概低5-15%。标致雪铁龙集团是要求一半用消失模工艺，一般用传统工艺，一比较是14%的成本的下降，主要是减重，二是省了加工、安装、机加工、焊接。所以研发效率高、成本低，周期短。这样对我们快速迭代会有一个比较好的助力作用。

我们的解决方案，就是用合适的工艺解决设计、成本、量产的问题。我们并不是向客户玩命推销消失模方案，也有案例我们反过来建议客户（宝马）改用高压铸造+摩擦焊的，因为流道复杂度没有到一定要用消失模的程度。我们有成熟的工艺，多年的量产经验和和客户联合开发的能力。

我们是“专精特新”“小巨人”，和宝马、保时捷、ABB、日本电产都合作了一段时间了，从99年给德尔福和博世做第一批液冷电机开始到今天，主要是做新能源车的带冷却腔体的多合一壳体产品，其他工艺也在做，最主要就是多合一的壳体。车规级的领域，我们以前也给一大堆客户做了燃油车时代排气管和缸体缸盖集成的那些东西，最核心的客户是宝马。在研发领域我们有成建制的研发团队，一个在国内一个在国外，从博世开始和博格华纳、宝马和客户都是以同步研发的方式开发。

这里介绍三个案例。第一个案例是宝马，MINI的安装空间，但要求有i3和i5输出功率的新能源车型的液冷电机外壳，这种情况下能量密度很高，但要求表面温度不能超过80度，而且壁厚不能超过4mm，量产必须做到1000件/周以上。我们方案就是双介质、双冷却系统，风冷水冷同时集成在壳壁中，用消失模+机加工。绿色的是风冷冷却转子，蓝色的是水冷，把壳体当成一个热交换器，最后用水把热量带出去。第二个是保时捷的IPB项目，俗称小三电。挑战是要求电加热器启动的时候预热电池，主要是在超低温环境下能运营，要求液冷，而且尺寸非常紧凑，平面壁厚3mm，这对铸造是非常麻烦的，我们用消失模技术把冷却回路和加热电池的电加热器全部一次成型，铸造在电机壳体铸件里，直接铸进去。原来是很麻烦的，这个地方要机加工，根据形状铣出来，把电加热器装进去，然后激光焊焊起来。现在是通过预埋电加热器，在铸造过程中一次成型。这是做白模的模具，最后成品电加热器一体成型，把三个东西集成在一起了，车载充电器、直流转换器和高压配电单元一体，52秒一箱两个，所以生产效率非常高。第三个案例是比较有意思的一个典型，宝马SGR。这个件的前身是48V的，这个件是400V的，壁厚3mm，里面有很复杂的水套结构，一周要1200件以上。这个件我们在前身型号是反过来建议他用高压铸造+摩擦焊，因为水套当时还没有复杂到今天这个程度，所以就找一家做高压铸造的就可以了，又便宜又好。这一件就不行了，因为消失模工艺可以一次性铸造三合一的产品，出于价格、生产效率的考虑，不再用高压铸造和摩擦焊，一前一后两个型号，完成了一个工艺的转换。它把电机、减速和逆变器三个集成在一起，而且是400V，对气孔要求极其严格，不能漏水，因为400V、800V环境下会产生安全问题。

简单总结。遇到几个问题：一是“多”，要多个东西集成。二是“冷”，冷却回路要做得很给力才能满足热管理的要求。三要“快”，生产速度、效率要很高。四对安全性的要求很高，不能漏水，水密性要求很高，还有就是成本不能高。这种情况下，除了其他你已经用惯的工艺以外，可以考虑用消失模工艺来做铸件的开发。