碳纖維復(fù)合材料電池箱成型模具制備工藝研究

梁學(xué)楷 ，汪 浩 ，翟 華 ，王玉山 ，童祥祥

（1．浩中機械蚌埠有限公司，安徽 蚌埠 230021；2．航空結(jié)構(gòu)件成形制造與裝備安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009；3．合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230123；4．合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；5．合肥市富華精密機械制造有限公司，安徽 合肥 231200）

1 引言

電池箱總成是提供電動汽車能源的重要部件，由于單個電池電荷較小，通常需要多組電池組合安放在電池箱內(nèi)集中放電提供動力，因此電池箱總成質(zhì)量較大，嚴(yán)重影響電動汽車單次充電的行駛里程。減輕電池箱重量已成為電動汽車發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急[1]。由于碳纖維復(fù)合材料具有比重小、剛度好、強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點，因此可以作為電池箱的輕量化設(shè)計中的主要替代材料[2]。胡仁祥，周金宇[3]利用碳纖維復(fù)合材料通過自由尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化，減輕電池箱總質(zhì)量66%。

模具作為復(fù)合材料成型中的重要組成部件，簡便、靈活的模具能夠提高構(gòu)件的成型效率，高質(zhì)量的模具能夠提高構(gòu)件質(zhì)量。因此針對碳纖維復(fù)合材料電池箱的高質(zhì)量快速成型，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點設(shè)計相應(yīng)模具是非常有必要的。國內(nèi)外對碳纖維復(fù)合材料電池箱模具的研究很少，而一般模具的研究主要集中于不同構(gòu)件的模具設(shè)計以及工藝參數(shù)對模具和成型構(gòu)件質(zhì)量的影響，如張鑫玉[5]利用碳纖維復(fù)合材料制備船用螺旋槳，為保證螺旋槳精度，設(shè)計采用一次整體成型模具，并通過兩個相鄰斜滑塊完成槳葉成型，避免負(fù)曲率導(dǎo)致的加工問題；Irena Nowotynska[6]分析不同的模具幾何形狀對復(fù)合材料塑性流動的影響，通過實驗對比提出最佳模具幾何形狀，并確立最大擠壓載荷對模具角度的依賴性。李博、張尉博[7]分別采用鋁膜/鋁膜，橡膠軟膜/鋁膜，拐角區(qū)預(yù)浸料增強橡膠軟膜/鋁膜對碳纖維復(fù)合材料工型加筋結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量的影響，實驗結(jié)果顯示軟膜能顯著提高模具與預(yù)浸料的貼合程度。因此本文針對碳纖維復(fù)合材料電池箱的模具設(shè)計分別從材料、成型工藝類型、模具種類、電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并實際生產(chǎn)制備碳纖維復(fù)合材料電池箱，驗證其可靠性。本文工作將有助于碳纖維復(fù)合材料電池箱成型中模具設(shè)計與制備。

2 碳纖維復(fù)合材料電池箱模具工藝研究

2.1 模具材料對構(gòu)件的影響

由于不同材料的物理特性如強度、剛度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等系數(shù)不同，其應(yīng)用領(lǐng)域和所獲得的復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量不同，因此模具設(shè)計過程中需要根據(jù)不同成型類型以及結(jié)構(gòu)選取合適的模具材料。常見的碳纖維復(fù)合材料成型模具加工材料有陶瓷、橡膠、木材、碳纖維復(fù)合材料、鋁、鋼等。

陶瓷材料具有耐高溫、密度低，相比較碳鋼和鋁合金等材料，制備工藝簡單且耐磨性好，但陶瓷材料強度較低，因為碰撞導(dǎo)致破壞，因此使用存在一定局限。國內(nèi)外常通過混合金屬材料的方式制備金屬陶瓷模具，使其具有耐磨性又有一定強度[8]。

橡膠材料具有較大膨脹系數(shù)，因此多被用于熱膨脹工藝，如硅膠模具通過受熱膨脹在模腔中提供一定壓力，實現(xiàn)不依靠外部施壓制備碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件。因此橡膠材料具有隨形好，與構(gòu)件間易于配合、傳遞成型壓力可靠的特點，但是橡膠材料壽命短、成本較大，且膨脹變形不宜控制[9]。

木材模具質(zhì)量輕、價格低、易于加工，但使用壽命短，且成型精度較差，通常僅能使用一次，因此常被用于工藝試驗件的成型中。碳纖維復(fù)合材料模具質(zhì)量輕、模量高、剛度大，由于膨脹系數(shù)與構(gòu)件一致，成型精度高，但是成本大、耐溫性差且表面容易受損，較多使用于賽車和航空等領(lǐng)域。

金屬模具適用于高溫固化部件的高尺寸精度制備，且適用于量化生產(chǎn)。通常金屬模具有鋁制和鋼制。鋁制模具導(dǎo)熱性和加工性好，質(zhì)量輕，精度高；鋼制模具剛性大，使用溫度高，壽命長[10]。但金屬材料熱膨脹系數(shù)較大，如表1所示[11]，鋼制材料的熱膨脹系數(shù)是碳纖維材料的兩倍左右，而鋁合金的熱膨脹系數(shù)是碳纖維材料的三倍左右。研究表明，由于模具與構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)不同，碳纖維復(fù)合材料在固化過程中會與模具產(chǎn)生相互作用，容易造成脫模后構(gòu)件的變形，因此高溫環(huán)境下的構(gòu)件在必要時需要進(jìn)行工藝補償[12]。

表1 不同材料熱膨脹系數(shù)

碳纖維復(fù)合材料電池箱作為電池模組的承載部件，需要保證內(nèi)部尺寸精度，且為實現(xiàn)碳纖維電池箱的低成本量化生產(chǎn)實現(xiàn)實際應(yīng)用，一般模具采用金屬模具最合適。

2.2 模具種類對構(gòu)件的影響

不同碳纖維復(fù)合材料成型工藝對構(gòu)件要求存在一定限制，因此模具的類型存在差異，如纏繞成型工藝多用于圓柱形或球形構(gòu)件，其模具可以為石膏模。碳纖維復(fù)合材料電池箱結(jié)構(gòu)較大，一般多采用樹脂傳遞模塑工藝（RTM）、模壓成型、熱壓罐成型工藝等實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。RTM工藝、模壓成型工藝通常采用雙模成型，而熱壓罐工藝采用單模成型。按照模具類型不同可分為陽模和陰模，如圖1[13]。

圖1 陽模和陰模

根據(jù)模具造型不同，凸形模腔模具為陽模，凹形模腔模具為陰模。由于陽模和陰模的成型工藝不同，使得利用兩種模具加工出的構(gòu)件各具優(yōu)勢。

陽模是一種模仿零件形狀的原模，結(jié)構(gòu)簡單，成型速度快，由于構(gòu)件內(nèi)表面與模具貼合，因此構(gòu)件內(nèi)部能夠獲得較好精度。陰模通常更加昂貴，由于構(gòu)件外表面貼合模具，因此能夠獲得較好表面質(zhì)量，但是在內(nèi)部精度上有所欠缺。

3 碳纖維復(fù)合材料電池箱模具設(shè)計

3.1 模具選擇

針對某公司設(shè)計的碳纖維復(fù)合材料電池箱進(jìn)行模具設(shè)計，如圖2所示碳纖維復(fù)合材料電池箱，整體尺寸為 1050mm×630mm×240mm,下箱體高125mm，底部厚度為8mm,其余位置均為1mm。電池箱結(jié)構(gòu)包括上箱體、下箱體、鋁合金組件（阻隔梁、鋁合金支架）組成，兩側(cè)和中間位置通過預(yù)埋泡沫夾心件和T型螺母用于固定電池模組。由于該碳纖維復(fù)合材料電池箱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且四周壁厚僅為1mm，RTM工藝和模壓成型工藝對樹脂流動性要求較大，因此并不適用，最終采用熱壓罐工藝制備碳纖維復(fù)合材料電池箱。

圖2 碳纖維復(fù)合材料電池箱

熱壓罐工藝制備構(gòu)件為單模制備，由于下箱體內(nèi)部需要安裝電池模組、水冷板以及大量結(jié)構(gòu)組件，需要滿足一定精度要求，因此采用陽模制備。上箱體主要作用是通過螺栓與下箱體連接，形成密閉空間，因此采用陰模制備，以獲取較好的外觀。

為實現(xiàn)電池箱的量化生產(chǎn)，采用金屬制模具。由于鋁合金加工性好，能夠獲得更高質(zhì)量的模具，保證碳纖維電池箱的整體精度，因此最終采用鋁制模具用于制備電池箱。

3.2 模具設(shè)計

如圖2所示，碳纖維復(fù)合材料電池箱側(cè)壁較高且內(nèi)部存在凸形預(yù)埋件，在脫模時會產(chǎn)生過大摩擦力。由于箱體側(cè)壁僅為1mm，容易由于脫模困難造成側(cè)壁破裂現(xiàn)象，因此模具采用分模設(shè)計。

如圖3所示，上下箱體模具均分為五部分組成，四側(cè)模具結(jié)構(gòu)用于保證箱體側(cè)壁精度，同時四側(cè)模具與中間腔體模具通過螺栓連接，能夠通過拆卸向內(nèi)取模的方式保證順利脫模。同時下模側(cè)壁和內(nèi)部預(yù)埋件設(shè)計中采用箱內(nèi)拔模5°，上箱體模具側(cè)壁向外拔模5°，更近一步保證取模順利。利用三維軟件實現(xiàn)模具設(shè)計，采用數(shù)控機床對模具進(jìn)行加工，最終模具如圖4所示。

圖3 碳纖維復(fù)合材料電池箱模具設(shè)計

圖4 碳纖維復(fù)合材料電池箱模具

3.3 電池箱制備

熱壓罐工藝是利用罐內(nèi)高溫壓縮氣體對復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱、加壓以完成固化成型的方法。碳纖維復(fù)合材料電池箱整體工藝流程包括預(yù)浸料制備、采用[0/90/0/90/0]鋪疊、固化成型。坯料在真空薄膜作用下密封在模具上，受到罐內(nèi)均勻壓力和溫度得到較好質(zhì)量的構(gòu)件。最終碳纖維復(fù)合材料電池箱試件如圖5所示。

圖5 碳纖維復(fù)合材料電池箱

由于模具采用分模設(shè)計，因此該碳纖維復(fù)合材料電池箱順利脫模，經(jīng)檢測箱體無分層、孔隙等問題。通過激光測量，箱體尺寸與設(shè)計尺寸一致，并沒有因為熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的固化變形問題，符合電池箱廠商制造要求，驗證了所設(shè)計碳纖維復(fù)合材料電池箱模具的可靠性。

4 總結(jié)

碳纖維復(fù)合材料電池箱的生產(chǎn)過程中，模具作為必要部件，其工藝研究具有重要意義。本文從模具材料、成形工藝類型、模具種類等方面對模具工藝設(shè)計進(jìn)行了闡述和分析，并實際結(jié)合某款碳纖維復(fù)合材料電池箱結(jié)構(gòu)特點，從模具種類選擇、材料選型，成型工藝選擇，模具設(shè)計等方面成功設(shè)計了一款碳纖維復(fù)合材料電池箱模具，并采用熱壓罐工藝得到較好質(zhì)量的構(gòu)件。本文研究將對碳纖維復(fù)合材料電池箱的模具工藝設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。