軟包鋰電池電芯封裝鋁塑膜外殼拉深工藝

關(guān)玉明 趙 越 崔 佳 于 盼 李 朝 商 鵬

河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300130

0 引言

目前，鋁塑膜拉深成形過程中存在“角位破損”現(xiàn)象［1］，因此，在生產(chǎn)過程中，應(yīng)選取合理的參數(shù)避免該現(xiàn)象的發(fā)生。影響鋁塑膜拉深成形的因素有模具結(jié)構(gòu)、壓邊力、潤滑條件和拉深速度等。模具結(jié)構(gòu)中，影響拉深成形的因素包括模具凸模圓角半徑、凸／凹模間隙、模具形狀等。國內(nèi)外學(xué)者對影響拉深件成形的因素進(jìn)行了分析。CHEN等［2］研究了凸模結(jié)構(gòu)對盒形件拉深深度的影響，發(fā)現(xiàn)盒形件的拉深深度隨凸模圓角半徑的增大而增大；趙文亮［3］提出了一種有限元模擬方法，使用eta／DYNAFORM有限元軟件對矩形盒法蘭進(jìn)行了模擬分析，以證明計(jì)算模型模擬所得結(jié)果是可靠的；顧善德［4］通過調(diào)整壓邊力和拉深力保證拉深成形；趙振鐸等［5］分析了不銹鋼薄板拉深成形的摩擦特點(diǎn)，證明了對不同變形程度的拉深件應(yīng)選用不同的潤滑劑以達(dá)到合理的摩擦因數(shù)；彭宜昌［6］研究了壓邊力、摩擦因數(shù)、初始厚度、凸／凹模圓角半徑、拉深模間隙等對鍍鎳金屬薄板厚度變化的影響，并確定了各參數(shù)的影響程度；寇?？〉龋?］結(jié)合響應(yīng)曲面法（response surface method，RSM）與粒子群算法，對鋁型材擠壓模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使型材質(zhì)量大幅提高。上述研究多是圍繞沖壓工藝的某個(gè)或某些工藝參數(shù)對材料成形性能進(jìn)行分析，缺乏針對多工藝參數(shù)之間相互影響及其對成形性能綜合影響的研究。

本文以軟包裝鋰電池電芯封裝用鋁塑膜材料為研究對象，結(jié)合單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)對影響鋁塑膜成形性能的工藝參數(shù)進(jìn)行分析，采用響應(yīng)曲面法（RSM）、拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)（LHS）和多目標(biāo)粒子群優(yōu)化（MOPSO）算法相結(jié)合的方法，對影響鋁塑膜成形性能顯著的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 工藝參數(shù)對鋁塑膜拉深成形的影響

1.1 鋁塑膜特性

軟包鋰電池電芯封裝用鋁塑復(fù)合膜根據(jù)復(fù)合工藝的不同，可分為干法鋁塑膜和熱法鋁塑膜。與熱法工藝相比，干法工藝鋁塑膜拉深性能優(yōu)良，成形一致性好，不易出現(xiàn)魚眼、破裂等現(xiàn)象導(dǎo)致的拉深性能劣化［8－10］。本文以昭和電工的干法軟包鋰電池鋁塑復(fù)合膜為研究對象，鋁塑膜材料為尼龍層、鋁層、PP層三層復(fù)合，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋁塑膜復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig.1 Aluminum plastic film composite structure

筆者在INSTRON萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行鋁塑膜拉伸試驗(yàn)，得到鋁塑膜材料特性和本構(gòu)模型。試驗(yàn)材料為150mm×20mm的條狀鋁塑膜（厚度為113μm，5條試件為1組）。圖2所示為鋁塑膜試件及其拉斷試件，拉伸速度10mm／min。對所記錄拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到圖3所示的鋁塑膜材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖2 鋁塑膜試件和試驗(yàn)拉斷試件Fig.2 Aluminum plastic film test pieces and experimental tensile specimen

圖3 鋁塑膜應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of aluminum plastic film

1.2 有限元仿真

根據(jù)所得應(yīng)力應(yīng)變曲線，在DYNAFORM軟件中定義鋁塑膜坯料的材料屬性，建立鋁塑膜拉深有限元仿真模型，如圖4所示。

仿真模型中，鋁塑膜坯料尺寸為126mm×82mm，拉深形狀為86mm×42mm方殼（深5mm）。依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況得到的參數(shù)見表1。參數(shù)設(shè)置完成后運(yùn)用LS-DYNA求解器求解，運(yùn)用eta／POST軟件進(jìn)行后處理［11］。

圖4 鋁塑膜拉深有限元分析模型Fig.4 Aluminum plastic film forming finite element analysis model

表1 鋁塑膜拉深工藝參數(shù)和模具參數(shù)Tab.1 Process parameters and die parameters of aluminum plastic film

1.3 工藝參數(shù)對鋁塑膜成形性能的影響分析

本文從鋁塑膜拉深成形后厚度分布的角度分析各工藝參數(shù)對其成形性能的影響。鋁塑膜拉深（盒形件拉深）時(shí)，凸緣變形區(qū)圓角處的拉深阻力大于直邊的拉深阻力，圓角處的變形程度大于直邊處的變形程度［12］。為盡可能反映各工藝參數(shù)對鋁塑膜厚度分布的影響，在圓角位置徑向選取6個(gè)點(diǎn)作為鋁塑膜厚度測量點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 有限元模型的厚度測量點(diǎn)Fig.5 Measurement points of thickness for finite element model

1.3.1 壓邊力

鋁塑膜拉深成形過程中，坯料壓邊圈為鋁塑膜提供摩擦抗力，通過增大鋁塑膜內(nèi)部拉應(yīng)力來控制材料的流動(dòng)，鋁塑膜拉深部位由邊緣及底部材料補(bǔ)償，避免起皺。因此，壓邊力是鋁塑膜成形的重要工藝參數(shù)，壓邊力過小，無法有效控制材料的流動(dòng)，容易起皺；壓邊力過大，可能導(dǎo)致鋁塑膜拉裂［13］。根據(jù)試驗(yàn)所采用鋁塑膜材料面積和生產(chǎn)設(shè)備采用的面壓壓力計(jì)算壓邊力，選取的壓邊力F為600N、1 200N、1 800N、2 400N、3 000N，其他參數(shù)不變，進(jìn)行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗(yàn)，并測量6個(gè)測量點(diǎn)處鋁塑膜的厚度。

圖6所示是不同壓邊力下鋁塑膜的厚度分布。由圖6可知，壓邊力太小，鋁塑膜拉深成形材料流動(dòng)多、易起皺，不能滿足使用要求。隨著壓邊力的增大，壓邊圈對鋁塑膜的摩擦抗力相應(yīng)增大，殼體底部和邊緣對拉深部分進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致材料流動(dòng)性逐漸變差，鋁塑膜成形時(shí)厚度相應(yīng)減小。通過上述仿真分析發(fā)現(xiàn)，壓邊力最優(yōu)值應(yīng)在1 200～3 000N之間。

圖6 不同壓邊力下鋁塑膜的厚度分布曲線Fig.6 Thickness distribution of aluminum film under different blank holder forces

1.3.2 模具圓角半徑

模具結(jié)構(gòu)參數(shù)為凸模圓角半徑、模具轉(zhuǎn)角半徑、凸／凹模間隙等，其中，凸模圓角半徑ra和模具轉(zhuǎn)角半徑rb是鋁塑膜外殼拉深工藝中最為重要的參數(shù)。半徑過小，拉深時(shí)容易產(chǎn)生針孔、破裂；半徑過大，鋁塑膜外殼角位部位弧度大，不能與電芯直角角位有效貼合，影響包裝質(zhì)量。為簡化模型，將凸模圓角半徑ra和模具轉(zhuǎn)角半徑rb定為相同值，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備所用模具尺寸選取ra為0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm，其他模具參數(shù)不變，進(jìn)行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗(yàn)，并測量6個(gè)測量點(diǎn)鋁塑膜的厚度。

圖7所示為不同圓角半徑下鋁塑膜的厚度分布。由圖7可知，圓角半徑過小，成形鋁塑膜厚度不均勻且邊角處過薄，影響正常使用；隨著圓角半徑的增大，成形鋁塑膜平均厚度相應(yīng)增大，當(dāng)圓角半徑增大到一定值時(shí)，其對厚度影響越來越小。

1.3.3 摩擦因數(shù)

圖7 不同圓角半徑下鋁塑膜的厚度分布Fig.7 Thickness distribution of aluminum plastic film under different fillet radius

鋁塑膜拉深成形過程中，摩擦因數(shù)不僅影響拉深力和壓邊力的大小，還直接影響鋁塑膜坯料的成形性能和零件的表面質(zhì)量［5］，因此模具和鋁塑膜之間的摩擦因數(shù)會對成形過程產(chǎn)生重要影響。本文所用的鋁塑膜與模具間的摩擦因數(shù)通過試驗(yàn)測得，將鋁塑膜與模具鋼板放于水平試驗(yàn)平臺上，進(jìn)行拉力測試。在拉深成形過程中，壓邊圈與鋁塑膜、凹模與鋁塑膜的摩擦對成形質(zhì)量影響較大，壓邊圈和凹模材料相同，因此選取鋁塑膜與模具間的摩擦因數(shù)μ 為0.05（有潤滑）、0.10、0.20、0.30，其他參數(shù)不變，進(jìn)行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗(yàn)，并測量6個(gè)測量點(diǎn)鋁塑膜的厚度。

圖8所示是不同摩擦因數(shù)下鋁塑膜的厚度分布。由圖8可知，摩擦因數(shù)增大，成形鋁塑膜平均厚度減小。當(dāng)摩擦因數(shù)增大到一定值時(shí)，對成形鋁塑膜平均厚度的影響無較大變化。結(jié)果表明，鋁塑膜與模具之間有潤滑劑時(shí)較合適。

圖8 不同摩擦因數(shù)下鋁塑膜的厚度分布Fig.8 Thickness distribution of aluminum plastic film under different friction coefficients

1.3.4 拉深速度

拉深速度對材料的流動(dòng)補(bǔ)償性能有一定影響。本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，選取拉深速度v為4mm／s、10mm／s、16mm／s、22mm／s、28mm／s，其他參數(shù)不變，進(jìn)行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗(yàn)，并測量6個(gè)測量點(diǎn)處鋁塑膜的厚度。

圖9所示為不同拉深速度下鋁塑膜的厚度分布。由圖9可知，拉深速度過小，成形鋁塑膜平均厚度較小；隨著拉深速度的增大，成形鋁塑膜平均厚度先減小、后增大；拉深速度為16mm／s時(shí)，鋁塑膜拉深效果最好。

圖9 不同拉深速度下鋁塑膜的厚度分布Fig.9 Thickness distribution of aluminum plastic film under different drawing speeds

1.3.5 模具間隙

模具的間隙在拉深過程中會對鋁塑膜產(chǎn)生校直和減薄等作用。本文根據(jù)鋁塑膜厚度和模具相關(guān)參數(shù)，選取模具間隙t為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm，其他參數(shù)不變，進(jìn)行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗(yàn)，并測量6個(gè)測量點(diǎn)處鋁塑膜的厚度。

圖10所示為不同模具間隙下鋁塑膜的厚度分布。由圖10可知，模具間隙100μm小于鋁塑膜厚度113μm時(shí)，成形鋁塑膜平均厚度顯著減小；模具間隙大于鋁塑膜厚度并逐漸增大時(shí)，成形鋁塑膜平均厚度沒有明顯變化。鋁塑膜包裝對其殼體的幾何形狀要求嚴(yán)格，選擇較小的模具間隙對鋁塑膜殼體邊部位置的校直有利。

圖10 不同模具間隙下鋁塑膜的厚度分布Fig.10 Thickness distribution of aluminum plastic film under different die gaps

1.4 正交試驗(yàn)分析

本文選取壓邊力、模具圓角半徑、摩擦因數(shù)、拉深速度和模具間隙作為試驗(yàn)因素，建立確定五因素五水平的正交試驗(yàn)，見表2。選擇L25（55）正交表確定正交試驗(yàn)方案［14］，并對25組數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元仿真試驗(yàn)，記錄每組試驗(yàn)鋁塑膜的成形厚度完成正交試驗(yàn)。

表2 鋁塑膜拉深工藝正交試驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal test table of aluminum plastic film drawing process

利用SPSS軟件對正交試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。由表3所示方差分析結(jié)果可得，參數(shù)A～E 的 F 值依次為14.561、108.620、28.467、14.761、1.866，圓角半徑對鋁塑膜成形質(zhì)量的影響最為顯著，壓邊力、摩擦因數(shù)和拉深速度的影響較為顯著，模具間隙的影響不顯著。

表3 方差分析表Tab.3 Variance analysis

2 鋁塑膜外殼拉深工藝參數(shù)優(yōu)化

通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，分析了5種參數(shù)對鋁塑膜成形性能的影響。鋁塑膜拉深工藝影響因素包括幾何非線性和材料非線性等非線性因素，工藝參數(shù)等對成形質(zhì)量的影響是一個(gè)多目標(biāo)非線性函數(shù)優(yōu)化問題。為達(dá)到鋁塑膜外殼拉深最優(yōu)質(zhì)量的目的，采用響應(yīng)曲面法、拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，對影響鋁塑膜拉深成形質(zhì)量的壓邊力F、模具圓角半徑ra、摩擦因數(shù)μ和拉深速度v著重研究，模具間隙選取材料厚度的1.1倍。合格的鋰離子電池包裝用鋁塑膜拉深后必須滿足最薄處厚度不小于原來的50%。因此，將鋁塑膜成形后最薄處厚度t（F，ra，μ，v）作為鋁塑膜外殼拉深工藝優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)如下：

2.1 響應(yīng)曲面法和拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對鋁塑膜外殼拉深工藝這類多目標(biāo)非線性優(yōu)化問題，多采用近似模型（替代有限元模型）來簡化計(jì)算。RSM通過對回歸方程的分析求解最優(yōu)工藝參數(shù)，既提高計(jì)算效率，又能得到可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)［7］。本文的二階響應(yīng)曲面表達(dá)式為

式中，xi為設(shè)計(jì)變量；e 為殘余誤差；β0、βi、βii、βij為待定系數(shù)。

LHS是一種研究多因素的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，每個(gè)變量水平只使用一次，可以有效避免重復(fù)抽樣，具有較高的抽樣效率。對設(shè)計(jì)變量F、ra、μ、v，利用LHS方法抽取40組樣本作為各工藝參數(shù)設(shè)計(jì)變量在設(shè)計(jì)空間的采樣。通過DYNAFORM軟件對40組試驗(yàn)進(jìn)行仿真，得到目標(biāo)函數(shù)樣本值表。

2.2 響應(yīng)曲面建立

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合響應(yīng)曲面，確定目標(biāo)函數(shù)模型的待定系數(shù)，得到目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)模型：

對響應(yīng)模型進(jìn)行方差分析，相關(guān)系數(shù)R2為0.951 1，調(diào)整系數(shù)R2為0.867 7，表明模型擬合程度良好，誤差小，可以代替真實(shí)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.3 基于多目標(biāo)粒子群優(yōu)化的算法研究

本文結(jié)合MOPSO算法對上述響應(yīng)模型進(jìn)行極值尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)對鋁塑膜外殼拉深工藝優(yōu)化的分析。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需求，模具圓角半徑ra越小越適宜，因此需要在MOPSO算法的基礎(chǔ)上對參數(shù)ra增加權(quán)重系數(shù)η，在尋求最優(yōu)工藝參數(shù)時(shí)，使模具圓角半徑ra盡可能達(dá)到最小值。設(shè)置初始種群規(guī)模為200，權(quán)重為2.0，學(xué)習(xí)因子為1.5，最大迭代次數(shù)為200［15］。適應(yīng)度如圖11所示，迭代20次以后，粒子達(dá)到最優(yōu)，得到最優(yōu)工藝參數(shù)：F＝2 121 N，ra＝0.4mm，μ＝0.07，v＝6mm／s。

對多目標(biāo)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，將所得參數(shù)與優(yōu)化前的參數(shù)作為對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到DYNAFORM軟件中進(jìn)行仿真分析。優(yōu)化后的鋁塑膜拉深工藝成形質(zhì)量較之前提高，并且沒有發(fā)生明顯拉裂現(xiàn)象。圖12為優(yōu)化后拉深成形鋁塑膜厚度云圖，鋁塑膜最薄處厚度為55μm且厚度最薄處全位于殼體邊角部位，優(yōu)化后的拉深工藝能使成形鋁塑膜滿足鋰電池成形鋁塑膜外殼必備條件，最薄處大于原來鋁塑膜厚度113μm的50%。

圖11 適應(yīng)度曲線Fig.11 Fitness curve

圖12 優(yōu)化后成形鋁塑膜厚度云圖Fig.12 Thickness ofaluminum plastic film after optimization

將鋰電池鋁塑膜沖殼機(jī)工藝參數(shù)調(diào)整為優(yōu)化后所得工藝參數(shù)，對鋁塑膜進(jìn)行拉深試驗(yàn)以驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果是否可靠。拉深成形鋁塑膜殼體如圖13所示。先采用工業(yè)上傳統(tǒng)的暗室觀測法對成形鋁塑膜殼體進(jìn)行檢查，確定其沒有魚眼、針孔、破裂等缺陷。再將鋁塑膜殼體沿成形厚度最薄的邊角位置裁剪，測量4個(gè)邊角部位的厚度，其最小值為58μm，證明上述優(yōu)化結(jié)果滿足鋁塑膜生產(chǎn)條件。

圖13 鋁塑膜殼體與切片F(xiàn)ig.13 Aluminum plastic film shell and section

3 結(jié)論

（1）壓邊力和模具摩擦因數(shù)直接影響鋁塑膜材料流動(dòng)性能，而鋁塑膜拉深中，主要由殼體底部和邊緣對拉深部分進(jìn)行材料流動(dòng)補(bǔ)償。壓邊力取2 121N，模具摩擦因數(shù)取0.07時(shí)，鋁塑膜材料流動(dòng)補(bǔ)償性最佳。

（2）模具圓角半徑對鋁塑膜成形性能影響最為顯著，最優(yōu)的模具圓角半徑為0.4mm，既滿足使用條件，又不會降低鋁塑膜成形質(zhì)量。

（3）鋁塑膜殼體邊角位置成形厚度最小，對邊角位置厚度的控制和測量可以提高生產(chǎn)檢測效率，為避免“角位破損”問題提供理論參考。