激光加工復合材料電池盒夾具的設計方法

趙德強　周凱　劉林　徐磊

摘 要：由于復合材料電池盒的易變形性和制造誤差特征，復合材料電池盒加工夾具設計顯著區(qū)別于普通機械加工工件定位夾具。本文首先介紹了復合材料加工技術(shù)的發(fā)展，給出了隨著加工技術(shù)的發(fā)展帶來了夾具的簡化;最后，重點闡述了面向復合材料電池盒夾具設計的定位原理和夾具的優(yōu)化設計方法。

關(guān)鍵詞：夾具 復合材料 新能源汽車電池盒 激光切割 優(yōu)化設計 專利

Design Method of Laser Processing Composite Battery Box Fixture

Zhao Deqiang Zhou Kai Liu Lin Xu Lei

Abstract：Due to the deformability and manufacturing error characteristics of the composite battery box， the design of the composite battery box processing fixture is significantly different from the ordinary machining workpiece positioning fixture. This article first introduces the development of composite material processing technology， and gives the simplification of fixtures that have been brought about by the development of processing technology; finally， it focuses on the positioning principle and optimization design method of fixtures for composite battery box fixture design.

Key words：fixtures， composite materials， battery boxes for new energy vehicles， laser cutting， optimized design， patents

復合材料通常由兩種或兩種以上化學、物理性質(zhì)不同的材料組分經(jīng)過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝復合粘結(jié)而成。復合材料的優(yōu)點是博取各種材料之長，如高強度、質(zhì)輕、耐溫、耐腐蝕、絕熱、絕緣等性質(zhì)，往往比單一材料具有更多的優(yōu)良性能，目前已逐漸取代一些傳統(tǒng)材料，廣泛應用于汽車、船舶、航空、軌道交通、運動器材、風電、家電、衛(wèi)浴等領(lǐng)域。

尤其是在汽車領(lǐng)域，復合材料的應用范圍正在迅速拓展，由最初的汽車內(nèi)飾件發(fā)展到汽車外飾件，又從汽車覆蓋件逐步延伸到結(jié)構(gòu)件，復合材料性能的不斷提升，使汽車制造商對復合材料在汽車生產(chǎn)中的應用前景充滿期待。Grand View Research預測，到2025年，全球汽車復合材料行業(yè)的價值將達到116.2億美元，未來5年的年增長率將達到6.8%。

然而，復合材料在各個領(lǐng)域的滲透式發(fā)展，并不如人們期待的那樣一帆風順，其中復合材料的切割加工就讓很多復材應用制造商望而卻步，雖然復合材料在輕量化、耐腐蝕性等方面具有顯著優(yōu)勢，但是材料的均一性和剛性卻不如傳統(tǒng)的鋼材和鋁材，因此在復合材料的切割加工中常常會出現(xiàn)毛邊或分層，還有因切削力過大導致的材料變形等問題，怎樣解決這些問題，成了復合材料切割加工技術(shù)不斷探索的方向。

早期的復合材料切割工序一般是由人工切削打磨完成，那時的加工效率非常低，而且加工過程中產(chǎn)生的大量粉塵對切削工人的健康構(gòu)成嚴重威脅，后來機器CNC和水刀切割技術(shù)被引入到復材加工中，雖然加工效率得到大幅提升，但是因刀具切削力的存在，機器CNC在復合材料切割過程會出現(xiàn)材料變形量大、刀具磨損快等問題;而水刀切割的引進雖然緩解了切削力問題，但是弊端也日漸凸顯，主要問題有使用成本較高、產(chǎn)品分層等，水刀切割需要大量的磨料，同時加工后廢水的處理和排放也會增加企業(yè)成本，部分復合材料用水刀加工會出現(xiàn)毛刺和分層，毛刺需要二次修整，分層會導致產(chǎn)品報廢，因此水切割在復合材料切割加工領(lǐng)域的競爭力正不斷下降。

一方面是復合材料性能不斷提升帶來的復材的增量式發(fā)展，另一方面卻因復合材料切割加工的技術(shù)瓶頸在一定程度上限制了復材的廣泛應用。怎樣突破這一瓶頸，為復合材料的拓展應用強勁助力，成了行業(yè)發(fā)展的一大需求，為了順應這一需求，激光復材切割加工技術(shù)應運而生。激光切割是將激光束經(jīng)透鏡聚焦在焦點上使其達到很高的能量密度，通過高密度的光熱效應對材料進行切割加工。 激光加工不需要刀具，因此沒有切削力，可對有一定柔韌性的復合材料進行高精度切割加工。激光切割的特點正好與復合材料的性能完美結(jié)合，實現(xiàn)了復合材料切割加工技術(shù)的精彩突破，激光切割的如下優(yōu)勢，將復合材料的加工技術(shù)帶人新的發(fā)展階段：

● 激光是無接觸加工，對工件無直接沖擊，因此無機械變形;

● 激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件;

● 激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快;

● 激光束易于導向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合對復雜工件進行智能加工;

● 生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

我們通過對比機械CNC、水刀和激光分別加工復合材料SMC和PCM的效果，驗證激光加工的獨特優(yōu)勢。以下是三種加工方式在同種復合材料上分別切割相同的圖案，獲得的技術(shù)參數(shù)（表1）。

先進的激光加工技術(shù)推動勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品合格率的快速提升，同時對激光加工夾具的設計也提出了更高要求，無論切割設備的精度如何，如果加工件不能被妥善固定，都會降低加工精度;只有優(yōu)良的工裝夾具和先進的切割技術(shù)配合，才能實現(xiàn)高精度和高質(zhì)量的激光切割。實踐證明，在產(chǎn)品開發(fā)設計的同時就應考慮產(chǎn)品加工過程中的安裝作業(yè)，經(jīng)由設計與制造的系統(tǒng)優(yōu)化，不但能大幅降低夾具制造成本，也能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。

復合材料具有高強度、質(zhì)輕、絕緣等優(yōu)良性能，通常被用作新能源汽車電池盒的首選材料，雖然復合材料很適合用于制造電池盒，但在加工過程中也有一些技術(shù)痛點，比如用模具壓制成型的電池盒，因復合材料的成分較復雜，冷卻時不同方向收縮率不一致，電池盒變形較大，會給后期加工帶來問題。

為了確保壓制成型后的復合材料新能源電池盒在后期能實現(xiàn)高精度的切割加工，夾具的設計就變得尤為重要，通過長期的實踐摸索總結(jié)出一套夾具設計的基本原則：

1、滿足使用過程中工件定位的穩(wěn)定性和可靠性

2、滿足裝夾過程中簡單與快速操作

3、滿足夾具在調(diào)整或更換過程中重復定位的可靠性

4、盡量避免結(jié)構(gòu)復雜、成本昂貴

5、盡量選用標準件作為組成零件

根據(jù)上述夾具設計原則，結(jié)合復合材料新能源電池盒的切割加工需求形成如下夾具設計方案：

1、調(diào)節(jié)定位：為保證加工精度，選擇電池盒設計基準和制造基準一致的法蘭面處作為定位基準（圖1），選擇變形量較小的拐角處作仿行面定位，其中1號為定位基準，沿著X方向2、3號仿形塊調(diào)節(jié)方向只能沿X方向調(diào)節(jié)，以保證在X方向上所有的定位面都在同一面上;Y方向，5、6只能沿著Y方向調(diào)節(jié)，但其中4可以沿XY兩個方向調(diào)節(jié)，以滿足定位面全部在理論定位面上。Z方向的定位為下定位面浮動，上定位面可調(diào)并需要調(diào)節(jié)等高。由于電池盒模具和收縮率影響，需要對電池盒進行適當整形，電池盒定位面在安裝完成后需要通過三坐標測量儀復檢，以保證所有定位面都在要求范圍內(nèi)。

2、夾持固定：采用氣動夾緊和快速肘夾的裝夾方式實現(xiàn)高效固定，每個氣動夾緊裝置均有對應狀態(tài)指示燈顯示動作是否完成，保證每個點都夾持到位，如有未到位的紅燈會亮起，提示對應的夾持點需要再次裝夾和調(diào)整，這樣操作可靠，輔助時間短效率高。

3、擋光設計：激光是熱加工，激光在切斷工件后透過的光束和吹出的氣流仍然帶有高能量，在透射激光的路徑上如果有工件，可能會給工件帶來非預期的損傷，所以需要將多余的激光能量吸收或反射掉，即需要考慮透射激光的擋光。為了避免透射激光穿透擋光裝置，擋光裝置需要使用高反材料制作。我們一般選用經(jīng)濟性和高反性能均較好的鋁作為擋光材料，為了防止鋁板對激光的二次反射造成工件損傷，所以鋁板表面需要做黑色陽極氧化處理，以提高激光的吸收率。

4、優(yōu)化設計：為了使夾具有足夠的強度和剛度，夾具底部由一整塊鋁板加工而成，并配備吊裝吊環(huán)，底板底部有定位銷孔，可以和臺面的定位銷快速定位，實現(xiàn)快速更換。此外為了操作簡便省力、安全可靠，夾具還配備了行插和氣路快插接頭，方便在更換夾具的時候快速插拔。

5、排屑設計：工裝夾具還應考慮排屑便利。為了防止碎屑破壞工件的定位和損壞切割頭，防止碎屑和粉塵的積聚帶來大量的污染和火災風險，夾具定位面要和臺面之間留有排屑空間，必要時可設計自動排屑裝置。

6、標準設計：夾具關(guān)鍵部件采用標準元件和標準結(jié)構(gòu)，降低夾具制造成本，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益。

小結(jié)：激光加工作為解決復合材料加工技術(shù)的突破性技術(shù)，很好的解決了傳統(tǒng)加工方式的瓶頸問題，給產(chǎn)業(yè)升級提供了技術(shù)支持。同時為了滿足激光加工的要求，需要一套行之有效的夾具，好的工裝夾具可以讓生產(chǎn)事半功倍，以上是對激光加工復合材料電池盒夾具如何設計的闡述，希望可以對同類型的產(chǎn)品加工和夾具制作有所裨益。

參考文獻：

[1]趙德強、成鳴、章敏、吳靖、李志祥. 一種智能夾具[P].

[2]周凱、楊文強、曾義.一種用于固定復合材料大功率動力電池盒的激光加工夾具[P].

[3]趙德強、李志祥、周成龍. 一種機器人三維激光加工站[P].

[4]蜂窩復材在汽車部件中的應用. [J]中國纖維復合材料，2019（3）：23-26.