鋁合金動(dòng)力電池包底板沖壓工藝優(yōu)化

汽車(chē)技術(shù)正向著低碳化、信息化、智能化的方向發(fā)展，大力發(fā)展新能源汽車(chē)技術(shù)已成為保障國(guó)家能源戰(zhàn)略安全，減輕環(huán)保壓力的重要手段。中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)研究編制的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖》將純電動(dòng)汽車(chē)及動(dòng)力電池技術(shù)列為了重要發(fā)展方向，動(dòng)力電池發(fā)展的同時(shí)也帶動(dòng)了電池包制造技術(shù)的發(fā)展。

電池包是核心能量源，為整車(chē)提供驅(qū)動(dòng)電能，電池包殼體作為電池模塊的承載體，對(duì)電池模塊的安全工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作用，需滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、安全防護(hù)等各項(xiàng)要求。除此之外，節(jié)能環(huán)保和輕量化的發(fā)展對(duì)電池包殼體材料也提出了更多的要求，鋁合金材料具有易成形、高溫耐腐蝕、輕量化、優(yōu)秀的抗老化性能等綜合性能優(yōu)勢(shì)，非常適合用于輕量化電池包殼體的制造。鋁合金電池包殼體一般由型材、板材或沖壓件連接而成，本文零件即為電池包殼體的鋁合金沖壓件。

產(chǎn)品描述

本文零件為某電池包殼體底板零件，如圖1所示。材料為鋁合金TL091， 材料實(shí)測(cè)力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示 ， 名義料厚4mm， 零件尺寸為1930mm×1320mm ×12mm。電池包殼體底板采用沖壓制造工藝，之后與其他型材、沖壓件通過(guò)CMT焊接方式焊接，圖2 所示為CMT 焊接工作站。由于電池包要滿(mǎn)足防護(hù)等級(jí)IP67 的設(shè)計(jì)要求，所以對(duì)焊接質(zhì)量要求很高，相比其他型材機(jī)加工制造而言，沖壓生產(chǎn)的底板單品尺寸公差達(dá)成具有一定的難度。

表1 TL091 實(shí)測(cè)力學(xué)性能參數(shù)

試樣方向

屈服強(qiáng)度（MPa）

抗拉強(qiáng)度(MPa)

延伸率

厚向異性系數(shù)

軋制方向

132.5

276.4

20.0%

0.624

軋制方向45°

137.0

273.6

24.7%

0.393

軋制方向90°

139.4

271.5

21.7%

0.699

圖1 電池包殼體底板

圖2 CMT焊接工作站

工藝分析及優(yōu)化

類(lèi)似平板件的理論設(shè)計(jì)形狀為主體平面加局部特征，此類(lèi)平板件在沖壓之后由于內(nèi)應(yīng)力的原因都很難再保持平面，越大的零件尺寸偏差越大。這與零件的設(shè)計(jì)形狀有關(guān)系，兩個(gè)維度（1930mm×1320mm）相比第三個(gè)維度（12mm）超出10 ～ 20 倍，因此第3個(gè)維度即零件高度方向最不穩(wěn)定，易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

選取類(lèi)似件做模態(tài)分析，可得出共性結(jié)論：最易出現(xiàn)的兩種回彈形態(tài)為模態(tài)的前兩階形態(tài)或兩種形態(tài)的疊加，包括圖3的扭曲回彈形態(tài)和圖4的彎曲回彈形態(tài)。

圖3 平板件扭曲模態(tài)

圖4 平板件彎曲模態(tài)

因?yàn)閴簯?yīng)力是產(chǎn)生失穩(wěn)的重要原因，所以一般類(lèi)型的平板件的工藝設(shè)計(jì)采用脹形工藝，既可以使零件在成形過(guò)程中產(chǎn)生足夠的塑性變形以穩(wěn)定形狀，也可以達(dá)到減小內(nèi)部壓應(yīng)力、降低高度方向失穩(wěn)的效果。如圖5 所示零件，可以看出采用成形工藝的扭曲回彈要遠(yuǎn)大于脹形工藝的零件，且此類(lèi)扭曲回彈一旦發(fā)生幾乎無(wú)法通過(guò)回彈補(bǔ)償、后工序整形校正等工藝手段解決。

(a) 成形工藝

(b) 脹形工藝

圖5 采用成形工藝和脹形工藝的零件回彈對(duì)比

此電池殼底板零件從外形上看與上述平板類(lèi)零件基本類(lèi)似，區(qū)別是厚度較厚，形狀較淺。由于鋁合金回彈一般為普通鋼板回彈的2 ～ 3 倍，故為解決本零件的平面度問(wèn)題，筆者首選脹形方案，圖6 所示為Autoform 軟件的沖壓工具設(shè)置。

圖6 脹形工藝方案

經(jīng)過(guò)仿真分析，得出此方案的FLD 圖（圖7）和最終回彈圖（圖8）。采用脹形工藝可以使零件發(fā)生足夠的塑形變形，使零件全部進(jìn)入了FLD 圖的綠色區(qū)域，回彈為彎曲回彈形態(tài)，這與之前的研究結(jié)論一致，回彈值約為22mm，無(wú)法滿(mǎn)足4mm 厚板的后續(xù)焊接工序。產(chǎn)生如此大的回彈與之前類(lèi)似零件的結(jié)果相差巨大，因此擬定通過(guò)調(diào)整脹形工藝最敏感的材料流入量來(lái)研究零件回彈的變化，找出影響因素。由于脹形工藝的設(shè)計(jì)使壓邊圈的材料基本不流動(dòng)，所以采用加50% 壓邊力之后的回彈基本與原設(shè)計(jì)相同，如圖9 所示，但減少50% 壓邊力之后，回彈有較大改善，如圖10 所示。

圖7 零件最終FLD 圖

圖8 零件最終回彈值

圖9 壓邊力加大50% 的零件回彈

圖10 壓邊力降低50% 的零件回彈

分析原因?yàn)楸玖慵虾褫^厚且大面特征形狀很淺，約為1.5mm 深度，導(dǎo)致零件特征在最后的1.5mm左右才開(kāi)始成形。塑性應(yīng)變發(fā)生在特征形狀成形之前而非成形過(guò)程中，直至成形結(jié)束，材料不再繼續(xù)發(fā)生足夠的塑性應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)。此過(guò)程等同于拿硬化過(guò)的材料成形，致使材料硬化程度小的沖壓工藝（壓邊力降低50%）比硬化程度多的工藝（原工藝或壓邊力加大50%）回彈更大?；诖朔治鼋Y(jié)論，擬定采用直接成形工藝來(lái)驗(yàn)證，分析結(jié)果如圖11 所示，回彈值已有大幅降低，與分析結(jié)論一致?？紤]直接成形工藝在成形過(guò)程材料不受控制，故采用更為穩(wěn)定的上下壓料成形，保證材料在壓平的狀態(tài)下成形，再施加足夠的壓料力使材料在局部成形時(shí)平面材料少發(fā)生流動(dòng)，以保證平面平整的同時(shí)使局部特征最大限度的發(fā)生塑性變形，以減小回彈，沖壓工具設(shè)置如圖12 所示，經(jīng)過(guò)分析回彈值如圖13 所示，回彈值已基本控制在±2mm 以?xún)?nèi)，為尺寸控制最好的工藝。

圖11 直接成形回彈值

圖12 壓料成形工具設(shè)置

圖13 壓料成形的回彈值

由于實(shí)際零件重量較大，且是在焊裝夾具上和其他零件進(jìn)行焊接，所以還要考慮零件在檢具上的狀態(tài)，通過(guò)模擬檢具上的回彈得到分析結(jié)果如圖14所示，由于夾具有支撐面的存在，使零件在重力下校正一部分尺寸，使零件的平面偏差最終控制在了2mm，理論上可以滿(mǎn)足焊接工序。最終確定工藝為壓料成形工藝。

圖14 壓料成形的檢具狀態(tài)回彈值

生產(chǎn)驗(yàn)證

實(shí)際生產(chǎn)的零件在檢具上的自由狀態(tài)如圖15 所示，掃描檢測(cè)結(jié)果如圖16 所示，可以看出壓料成形工藝基本把零件尺寸控制到了可接受范圍內(nèi)，實(shí)際零件的回彈值與分析趨勢(shì)一致，單品零件通過(guò)CMT自動(dòng)焊接，焊接后的總成件成功通過(guò)水密性測(cè)試。

圖15 零件在檢具上的自由狀態(tài)

Autoform 仿真分析結(jié)果為依據(jù)，通過(guò)改變沖壓工藝類(lèi)型和工藝參數(shù)獲得了最佳的成形和尺寸控制窗口，與實(shí)際沖壓結(jié)果相符，基本解決了此類(lèi)型沖壓零件的尺寸控制問(wèn)題。

圖16 零件在檢具上的掃描云圖

結(jié)束語(yǔ)

本文較為系統(tǒng)的研究了鋁合金平板類(lèi)沖壓件的回彈影響因素及原理，并針對(duì)不同類(lèi)型的零件提出了尺寸控制方案，著重介紹了大型平板類(lèi)鋁合金件——新能源汽車(chē)動(dòng)力電池包底板的3 種沖壓工藝方案。以Autoform 仿真分析結(jié)果為依據(jù)，通過(guò)改變沖壓工藝類(lèi)型和工藝參數(shù)獲得了最佳的成形和尺寸控制窗口，與實(shí)際沖壓結(jié)果相符，基本解決了此類(lèi)型沖壓零件的尺寸控制問(wèn)題。

——本文摘自《鍛造與沖壓》2018年第20期