一体压铸如何改变制造世界的方式

“我们想要的是飞行汽车，得到的却是140个字母的推文。”硅谷风险投资家彼得·蒂尔（Peter Thiel）曾用这句话表达了他对现代科技的失望。登月、核反应堆之后，被定义成革命的新技术来来去去，城市的样貌并没有因此发生巨变。

飞行汽车确实没有出现，但我们每天接触的东西大多在过去几十年里完全改变，以毫不引人注意的方式。

购物中心的自动扶梯踏板表面有几十条棱柱交错排列。30年前，这样一块踏板是由八块浇铸的钢板焊接而成，每造一块需要15分钟；今天是单块铝合金板一体成型，100秒完工。制造过程极度简化：铝液注入模具，压住模具等铝凝固，然后丢到水里冷却，整个过程只要100秒，无需焊接。一台压铸机只需要48小时就能压出北京国贸商城所有电动扶梯的踏板。

过去四年，同样的变化发生在汽车车身上。特斯拉2020年9月第一次把压铸技术用到Model Y的车身后底板中。这个改进帮特斯拉把后底板的制造时间从70分钟缩短到2分钟。原本由70个铝块焊起来的后底板，现在一次就能压出来。

按照特斯拉的说法，这项被称为“一体压铸”的技术不但节省了20%的车身制造成本，也让车身变轻从而可少装一些电池，进一步加速了新能源车的普及。

所有特斯拉率先应用的技术中，一体压铸是最快被整个汽车业采纳的。沃尔沃的车辆工程副总裁米开尔·费默（Mikael Fermer）称一体压铸是“人类从木材转向钢铁造车以来，最伟大的技术转变”。丰田汽车工程团队拆解完Model Y后赞扬这台车的车身是“艺术品”。

为了能压出更大体积的车身，汽车品牌在过去三年对压铸机的力量提出疯狂且激进的要求。当特斯拉2019年使用一体压铸时，全球只有一台能输出6000吨力量的压铸机。2021年筹划Cybertruck皮卡生产时，特斯拉要求压铸机供应商把这个数字拉到9000吨。

小鹏、问界等车企比特斯拉更激进，它们正在尝试一次压出整个汽车底盘。小鹏汽车的工厂里已在安装一台1.6万吨的压铸机。2万吨也已经在计划表上。

力劲科技是全球最大的压铸机供应商，率先造出了从6000吨到1.6万吨里每个档位的超大型压铸机。过去三年，力劲科技卖出近70台超大型压铸机，每年就能让750万辆车用上一体压铸车身。但这还远不够。奔驰、大众、沃尔沃等跨国车企从2022年就已开始用一体压铸技术试产汽车，它们每年制造上千万辆车。

汽车业推动压铸技术进步后。一些新的机会也出现在压铸工艺面前。如通讯基站的散热片、滤波器，以及储能电池柜的外壳等。

2024年1月，《财经》去了小鹏的汽车工厂和力劲的压铸机工厂，看到了这些机器怎样造汽车，也看到了它们如何被制造。

一台机器如何让130个焊接机器人“失业”

小鹏汽车去年6月在焊接车间边上盖了一间占地面积有15个足球场大的厂房，专门生产一体压铸的汽车后地板。每过约140秒，就有一块半张乒乓球桌大小的车身后地板穿过厂房间的连廊进入焊接车间。

新厂房里有两台由力劲生产的压铸机正在工作。两台机器都由铸铁和锻钢构成，比独栋别墅还大。大的那一台重量超过900吨，能输出1.2万吨的力量。为了在车间里塞下这样的机器，上海的一家车企曾拆掉车间里的半块天花板，加上弧形的圆顶。

小鹏还给新工厂安装了一台承重200吨的龙门吊来安装、更换压铸机的零件。这种型号的吊车一般出现在港口，用来搬集装箱。

操作台在机身中部，需要先爬15级台阶，再往前走5米。走去的路上，你能感到裸露的皮肤逐渐干枯。因为台边就是一个4米高的炉子，一直在加热，把铝液的温度维持在700摄氏度。脚下的地面盖着一层润滑油，像一个月没打扫的厨房地板。

每隔两分钟，压铸机的腹部就会冒出一股白烟。这是压铸开始的信号。固定在机器顶部的两只机械臂先往下伸，把白色脱模剂喷到模具的每个角落，防止冷却的铝板粘在模具上。

接着，八个氧气瓶大小的液压罐开始输出压力，并通过复杂的机械结构将力量放大25倍以上，把两层楼高、1米多厚的正方形铁板推到底，紧紧压住另一端固定的模板。压铸机需要输出足够大的力量锁住模具，即锁模力。力劲的压铸机现在能把锁模力做到1.6万吨，相当于让8000辆汽车压在一块只有16平方米大的铁块上。

每一次锁住模具，压铸机发出的力量都会大到让地面震动。工程师事先在压铸机周围挖出了10多厘米宽、1米深的壕沟以隔绝震动对其他机器的影响。

如此大的力量需要维持50秒。

接着，一股热气袭来。一个可容纳200公斤铝液的汤勺会从炉子里捞出冒着火苗的铝液，倒入料筒。接近700摄氏度的铝液会顺着入料筒，以毫秒级的速度被打进模腔。射料全程只有75毫秒，不到眨眼时间的一半。

速度一定得快，因为700摄氏度的铝液接触到模具就快速冷却。一旦温度低于560摄氏度，铝液就会完全凝固。为了保证压射铝液的速度，锤头后方安装了八个氮气罐，它们能共同产生30Mpa的压力，这个压力如果放到消防栓的出水口，能把水冲上300米的高空。

眨眼间，还有很多事情接连发生：炉子右边的一个5000升的真空罐抽走模具中所有空气，确保铝液在模具中流动时不卷入空气。模具旁数十条手腕粗的塑胶管，不断输送冷却水及油到模具上，控制模具各个温区的温度，确保铝液在模具中顺利充填成型。

接下来的20秒，铝在1.2万吨的力下被压实、冷却。当铝件凝固定型后，两块模板再次打开，机械臂夹出定型的铝板，放入冷却池里。再过20秒，铝件完全凝固，另一只机械臂会抓起铝板，放到切边机下，切掉多余的边角。

接着，摩擦金属的噪音开始穿透耳膜。三个手拿角磨机、戴着耳塞的工人开始打磨铝件。切掉边角后，铝件末端还会有指甲盖大小的碎屑。

初步打磨的铝件还要运到厂房的另一端，塞进两层楼高的抛光机继续精加工、清洗。最后再放到打孔机中，打出连接车身其他部位的螺丝孔。

整个厂房80%的地面都堆满等待处理的车身。因为压铸机的速度比工人快太多了。

每140秒压铸机就能压出一块铝板。一台机器每年能把体积相当于一艘巡洋舰的铝熔化，铸成12万辆汽车的后地板。整个过程，只需要半个人操作。在小鹏汽车的工厂里，一个工程师能同时管理两个压铸岛。

在原本的汽车流水线，制造后地板的任务无法在一间厂房里完成。车企需要先把供应商另一座工厂运来的数十个铝件卸下、分类，然后送上传送带。130个机械臂要分200多次焊接，把小铝块拼成完整的后地板。全程70分钟，一条流水线需要约100秒才能下线一块。

现在，一个压铸机加半个工程师，就能取代这130个机械臂。

压铸成型的后地板比焊接的车身轻约30%，让整辆车轻100公斤，续航里程增加约6%。以普通电动车电池容量80度为例，若采用一体压铸车身减重并保持续航里程不变，每辆车可以少装5度电池，成本下降约3000元。

制造和组装这台机器本身，是一个更复杂的过程。

整个压铸机有超过5万个零件。运输这台机器的过程被工程师形容为“蚂蚁搬家”，机器被拆成数百个组件，需要35辆半挂车来运。

安装调试一台压铸机需要7名-15名工程师两个月的时间。压铸机的定制化程度高，同样型号的压铸机，再次生产装配及调试，还是需要两个月。

将几块模板连在一起的是四根哥林柱，它的任务是平衡模板滑动、承受锁模带来的张力。

固定模板的哥林柱与模板对平行度、水平度的要求更高。模板移动就像火车在铁轨上行驶，如果铁轨不平行，车轮就会一直摩擦单边的铁轨，最终火车脱轨。这样的单边摩擦同样会大幅降低哥林柱的稳定性和使用寿命。

但调试柱子的位置比装铁轨难得多，需要让四根哥林柱，保持平行，而不是两条。哥林柱与模板间的缝隙误差要小于20微米，两块模板之间平行度的误差是1微米，不到头发丝的十分之一。

哥林柱与模板的相对位置，依靠柱子末端的螺纹锁定。工程师需要不断旋转螺纹来锁定模板的相对位置，这就像调整相机支架的伸缩腿一样，每转动其中一根柱子，另外三根都要随之调整。

工程师这两个月的调试，只是为了让压铸机在每一次锁住模具时，都能让两块模具完全吻合、完全密封。模具中存在的任何多余的空气都可能意味着压铸机造出来的汽车后地板内部存在空心部位，降低车身的强度。

同样为了让模具尽量密封，在安装压射管道之前，工程师还要把压射锤头尺寸造得与入料筒内壁吻合。锤头套入料筒时，锤头边缘与管道的缝隙要控制在20微米。头发丝都插不进这个缝隙。

从6000吨到1.6万吨，不是等比放大

让大机器变成现实的主意来自特斯拉CEO（首席执行官）埃隆·马斯克（Elon Musk）。

2018年底，他坐在特斯拉工程总部的办公桌前，把玩着Model S的玩具模型。他发现整个车底被压铸成了一整块金属。在当天的工程会议上，马斯克拿出这辆玩具车：“为什么我们不能这样做？”

一个工程师指出了一个显而易见的问题，真车的底盘太大了，地球上没有压铸机可以压这么大的东西。马斯克对这个答案并不满意：“不就是搞一台更大的压铸机吗？”

马斯克和高管们给全球最好的六家压铸机公司打电话说了自己的主意。其中五家都拒绝了。一位接近此事的人士称，一些压铸机公司没信心造这么大的机器，且认为马斯克肯定会失败。

只有意德拉（Idra）接受了挑战。马斯克颇为惊喜，但他当时没想到的是，更难的部分发生在有机器之后。

此时，深圳的一家工厂里已经有了一台锁模力6000吨的压铸机。但这台机器的设计初衷是为了给建筑行业压铸一体成型的金属模板，它的投影面积和汽车底板差不多大，没有凸起，几乎是一个平面。

而汽车底板更立体、有更多不规则的弯折。真正难的是怎么把铝均匀地压进像树根一样复杂的模具。

铝在模具中流动时，会快速冷却。流到模具末端的铝液往往是最先进入模具，最快冷却的铝。如果这些铝液流速过慢，没有填充到模具的枝干上，造出来的铝件就缺胳膊少腿。如果流速过快，铝液就会撑开模具，产生泄漏。

从开始尝试，到压出第一个完整的铝板，工程团队用了半年时间，主要在调整压铸机的压射系统。

当时的压射速度更慢，是140毫秒。为了让铝液流到模具的每一个角落，均匀填满模具，工程师把压射铝液的140毫秒截成五段。即使铝只冷却了140毫秒，但铝的温度已让铝的流动性产生明显区别。

锤头会先以5米每秒的速度把铝液推到模具的入口，随后开始加速将铝液推到模具中，进入更狭窄的流道时，锤头会进一步加速至8米每秒，让铝液充满半个模具。然后，锤头会开始减速，如果速度过快，铝液会迅速撞到模具的末端，冲开模具产生泄漏。20毫秒后，锤头会再次加速，让末端最先进入模具经过冷却流动性最差的一部分铝液填充到模具的角落。

做到这点，需要精确控制十个气压罐，在140毫秒内改变四次输出的压力。第一步是让供应商造出这样灵敏的氮气罐。第二步是给气压罐发出正确的、足够具体的指令。

工程师们在压射系统上安装了七个传感器来测量锤头的移动位置和气罐的压力。锤头的移动位置和压力是测量铝液在模具中流动位置的唯一方式。每一次压射中，工程师都要操控七个参数，将它们限定在压铸工艺要求范围内。提出精确的工艺要求，与实现工艺同样困难。

修改完整个压射系统只能压出合格品，无法提升良率。当时在试制车间里，打废的铝件堆满整个车间。