鋁合金電池殼反擠壓凸模偏心狀態(tài)對(duì)成形過程的影響

張建波，蔣 鵬，2，李恒佰，陳 浩，陳利廣，劉 威

（1.北京機(jī)電研究所有限公司，北京 100083；2.海安北京機(jī)電研究所鍛壓產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心，江蘇 南通 226600；3.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；4.鄭州廣源電池材料有限公司，河南 鄭州 450041）

0 引 言

隨著電動(dòng)汽車向輕量化方向發(fā)展，電池殼成形越來越追求輕薄[1,2]。壁厚差控制是薄壁高精度電池殼成形的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，壁厚差過大會(huì)降低零件成品率[3-6]。目前薄壁矩盒形鋁合金電池殼加工一般采用的工藝為4道拉深+1道變薄拉深，成形工序多，不同工序的模具匹配需要精確調(diào)整，模具調(diào)試難度大。單次擠壓工藝相比于多道次拉深工藝能減少成形工序數(shù)量、提高效率、縮短流程、降低制造成本[7,8]?，F(xiàn)設(shè)計(jì)了單次反擠壓工藝及其模具成形薄壁矩盒形鋁合金電池殼，對(duì)該鋁合金電池殼反擠壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究，分析凸模偏心時(shí)成形件形狀和尺寸及成形過程中的應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)，對(duì)比不同凸模偏心量時(shí)的模擬結(jié)果，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。

1 零件尺寸與模擬條件

電池殼如圖1所示，屬于典型的薄壁盒形件，材料為3003鋁合金，側(cè)壁厚度為0.6 mm，底部壁厚度為1.2 mm。由于零件側(cè)壁厚度僅為0.6 mm，誤差要求在0.05 mm以內(nèi)，成形過程中對(duì)于擠壓模的同軸度要求較高。凸模與凹模一旦發(fā)生偏心則會(huì)導(dǎo)致模具零件間隙不均勻，使成形件的側(cè)壁高度、厚度不均勻甚至無法成形零件[9,10]。

圖1 鋁合金電池殼

凸模向長(zhǎng)邊側(cè)橫向平移一定距離后其中心線與凹模中心線的水平距離為凸模偏心量Δb，如圖2所示，凸模短邊側(cè)未平移偏心，模具零件間隙仍為0.6 mm。對(duì)凸模偏心量Δb為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5 mm時(shí)的擠壓成形過程進(jìn)行模擬。

圖2 凸模偏心量

凸模偏心后模具整體不是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，無法使用1/4模型進(jìn)行模擬，因此凸模偏心模擬采用整體模型，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為100 000，其余模擬條件及參數(shù)如表1所示。

表1 模擬條件及參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 成形件形狀和尺寸

凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件形狀如圖3所示，從圖3可以看出：隨著凸模偏心量增大，成形件長(zhǎng)邊側(cè)壁高度差和厚度差逐漸增大，短邊側(cè)壁頂部?jī)A斜程度也逐漸增大。凸模偏心量為0.05 mm時(shí)成形件長(zhǎng)邊側(cè)壁高度差為10.9 mm，厚度差為0.1 mm，短邊側(cè)壁頂部?jī)A斜幅度較??；凸模偏心量為0.5 mm時(shí)長(zhǎng)邊側(cè)壁高度差達(dá)到82.7 mm，厚度差為1.1 mm，短邊側(cè)壁頂部?jī)A斜幅度較大。

圖3 凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件形狀

凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件長(zhǎng)邊側(cè)壁高度差和厚度差如圖4所示，凸模偏心量每增大0.1 mm，成形件高度差平均增大16 mm，壁厚差平均增大0.22 mm。因此，凸模偏心量越大，成形件長(zhǎng)邊側(cè)壁高度差和厚度差越大。由于凸模發(fā)生偏心，金屬流動(dòng)時(shí)的不均勻性就會(huì)增大，更容易向縫隙更大側(cè)流動(dòng)。凸模偏心量為0.05～0.3 mm時(shí)，小部分金屬還能夠向小縫隙側(cè)流入，最終成形件長(zhǎng)邊側(cè)壁出現(xiàn)高度差和厚度差；凸模偏心量為0.5 mm時(shí)金屬無法流入小縫隙側(cè)，全部向大縫隙側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致成形件一側(cè)長(zhǎng)邊壁厚度過大，而另一側(cè)未成形。由于從高長(zhǎng)邊側(cè)壁到低長(zhǎng)邊側(cè)壁的金屬流動(dòng)會(huì)自然過渡連接，短邊側(cè)壁頂部呈現(xiàn)傾斜形狀。

圖4 凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件長(zhǎng)邊側(cè)壁高度差和厚度差

2.2 擠壓過程中應(yīng)力場(chǎng)分析

圖5所示為凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件成形過程應(yīng)力場(chǎng)。由圖5可以看出：①凸模偏心量為0.5 mm時(shí)成形件只成形了單側(cè)壁，與凸模偏心量為0.2 mm時(shí)成形件整體應(yīng)力場(chǎng)不同；②不同成形階段的成形件應(yīng)力場(chǎng)差異較大。

圖5 凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件成形過程應(yīng)力場(chǎng)

第一階段金屬先充滿凸模底部空間，然后沿著凸模工作帶與凹模的間隙向上流動(dòng)，此時(shí)側(cè)壁底部初步成形，為大應(yīng)力區(qū)，凸模偏心量取不同數(shù)值時(shí)成形件應(yīng)力場(chǎng)基本相同。第二階段金屬首次流出凸模工作帶與凹模的間隙繼續(xù)向上流動(dòng)，還未進(jìn)入穩(wěn)定成形階段，此時(shí)底部金屬受到凸模的穩(wěn)定壓力，為大應(yīng)力區(qū)，側(cè)壁頂部邊緣應(yīng)力也較大。成形件側(cè)壁稍高于凸模工作帶頂部處有一條小應(yīng)力帶，此處金屬與模具零件摩擦面積減小導(dǎo)致受力情況發(fā)生變化，因此應(yīng)力較低。第三階段底部金屬穩(wěn)定向上流動(dòng)成形零件側(cè)壁，成形零件轉(zhuǎn)角處頂部與厚壁側(cè)頂部中間應(yīng)力較大。長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬流動(dòng)速度快，短邊側(cè)壁金屬流動(dòng)速度慢，不同的流動(dòng)速度使轉(zhuǎn)角處應(yīng)力增大。厚壁側(cè)頂部中間金屬流動(dòng)速度比兩側(cè)快，因此也存在應(yīng)力過大的問題。

凸模偏心量由0.05 mm增大至0.5 mm時(shí)，成形件成形過程中應(yīng)力最大值都在底部金屬區(qū)域，隨著擠壓過程的進(jìn)行，成形件最大應(yīng)力小幅降低。成形件穩(wěn)定成形階段厚壁側(cè)頂部最大應(yīng)力為175 MPa，而3003鋁合金的最大抗拉強(qiáng)度為210 MPa[11]，因此成形件易在轉(zhuǎn)角處頂部與厚壁側(cè)頂部出現(xiàn)拉裂、破碎等問題。

2.3 擠壓過程中速度場(chǎng)分析

圖6所示為凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件穩(wěn)定成形階段速度場(chǎng)。凸模偏心量為0.2 mm時(shí)成形件特征明顯，能代表凸模偏心0.05～0.3 mm時(shí)成形件長(zhǎng)邊側(cè)壁高度和厚度不同的情況，凸模偏心量為0.5 mm時(shí)成形件長(zhǎng)邊一側(cè)壁未成形，不同于其他偏心情況，后續(xù)對(duì)于速度場(chǎng)的分析選擇這2種情況進(jìn)行。

由圖6可以看出：厚度較厚的側(cè)壁金屬流動(dòng)速度快，另一側(cè)流動(dòng)速度慢甚至金屬不向上流動(dòng)，最終成形件兩長(zhǎng)邊側(cè)壁高度不同，厚度也不同，與成形件形狀與尺寸分析一致。當(dāng)凸模偏心量為0.2 mm時(shí)，金屬成形較厚側(cè)壁中間部分的流動(dòng)速度為200 mm/s，越靠近兩側(cè)轉(zhuǎn)角處速度越慢，轉(zhuǎn)角處速度為100 mm/s時(shí)，成形件頂部呈弧形[12,13]。金屬成形短邊側(cè)壁的流動(dòng)速度越靠近薄壁側(cè)越慢，最小為57 mm/s，因此短邊側(cè)壁頂部?jī)A斜。當(dāng)凸模偏心量為0.5 mm時(shí)，金屬成形較厚側(cè)壁中間部分的流動(dòng)速度為145 mm/s，轉(zhuǎn)角處速度為100 mm/s，金屬成形短邊側(cè)壁的流動(dòng)速度最小為83 mm/s，整體金屬流動(dòng)情況與凸模偏心量為0.2 mm時(shí)相似。

圖6 凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)速度場(chǎng)

凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件穩(wěn)定成形階段長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大流動(dòng)速度如圖7所示，當(dāng)凸模偏心量小于0.2 mm時(shí)，隨著凸模偏心量增大，長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大流動(dòng)速度逐漸增大；當(dāng)凸模偏心量大于0.2 mm時(shí)，隨著凸模偏心量增大，長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大流動(dòng)速度逐漸減小。其原因?yàn)橥鼓Ｆ牧枯^小時(shí)，流入較厚側(cè)壁的金屬隨著凸模偏心量增大而增加，因此金屬流動(dòng)速度增大，但凸模偏心量超過0.2 mm后，較厚側(cè)壁厚度增大較多，成形所需要的金屬增多，因此最大流動(dòng)速度開始降低。對(duì)于速度場(chǎng)的分析證明該擠壓件壁厚對(duì)于金屬流動(dòng)速度影響較大。

圖7 凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大流動(dòng)速度

2.4 擠壓過程中應(yīng)變場(chǎng)分析

圖8所示為凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)成形件穩(wěn)定成形階段應(yīng)變場(chǎng)，圖9所示為對(duì)應(yīng)階段凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大應(yīng)變。由圖9可以看出：在成形件穩(wěn)定成形階段塑性變形過程中，處于凸模下部的金屬等效應(yīng)變值較小，處于小變形區(qū)；成形件頂部金屬在流出凸模工作帶與凹模間隙后，等效應(yīng)變值也較小。塑性變形區(qū)一直集中在凸模工作帶與凹模間隙處，此處有大量金屬由較大空間快速進(jìn)入較小空間，內(nèi)部變形量增大。成形件穩(wěn)定成形階段凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大應(yīng)變變化趨勢(shì)與速度場(chǎng)相同，凸模偏心量為0.2 mm以下時(shí)最大應(yīng)變逐漸增大，凸模偏心量為0.2 mm以上時(shí)最大應(yīng)變逐漸減小，與速度場(chǎng)對(duì)應(yīng)。

圖8 凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)應(yīng)變場(chǎng)

圖9 凸模偏心量Δb取不同數(shù)值時(shí)長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大應(yīng)變

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述矩盒形鋁合金電池殼反擠壓工藝模擬與分析，設(shè)計(jì)并加工了相應(yīng)模具[14,15]，在6 300 kN液壓機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，坯料材料使用3003鋁合金，坯料與模具均不加熱，在坯料及模具零件上涂抹硬脂酸鋅潤(rùn)滑劑，壓力機(jī)滑塊下行速度為10 mm/s，由于凸模偏心量Δb為0.2 mm及0.5 mm時(shí)成形件特征明顯，對(duì)這2種情況進(jìn)行試驗(yàn)，得到的擠壓件如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)成形零件

凸模偏心量為0.2 mm時(shí)成形件兩長(zhǎng)邊側(cè)壁高度不同，厚度也不同，凸模偏心量為0.5 mm時(shí)零件一側(cè)長(zhǎng)邊壁厚度過大，而另一側(cè)未成形。成形零件短邊側(cè)壁從頂部轉(zhuǎn)角處拉裂破碎，說明此處應(yīng)力可能過大，與模擬分析結(jié)果吻合。雖然試驗(yàn)成形件短邊側(cè)壁受損，但通過留在成形零件上的部分仍能推測(cè)出原始樣貌為傾斜形狀，越靠近低長(zhǎng)邊側(cè)高度越低。

4 結(jié)束語

（1）隨著凸模偏心量增大，成形件長(zhǎng)邊側(cè)壁高度差和厚度差逐漸增大，短邊側(cè)壁頂部?jī)A斜程度也逐漸增大；不同成形階段的成形件應(yīng)力最大值始終在底部金屬部分，隨著擠壓過程的進(jìn)行，成形件最大應(yīng)力小幅降低。

（2）當(dāng)凸模偏心量較小時(shí)，長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大流動(dòng)速度及最大應(yīng)變隨凸模偏心量增大而增大，當(dāng)凸模偏心量較大時(shí)，長(zhǎng)邊側(cè)壁金屬最大流動(dòng)速度及最大應(yīng)變隨著凸模偏心量增大而減小。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，凸模偏心量為0.05 mm以上會(huì)導(dǎo)致矩盒形鋁合金電池殼長(zhǎng)邊側(cè)壁高度差及厚度差過大，無法使用；成形件厚壁側(cè)及轉(zhuǎn)角處頂部應(yīng)力過大，易產(chǎn)生拉裂、破碎等問題。