鋁合金動力電池包底板沖壓工藝優(yōu)化策略

李偉金

（清遠(yuǎn)市鈦美鋁業(yè)有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

在對當(dāng)今汽車工程領(lǐng)域中的動力電池進(jìn)行制造的過程中，電池包底板是一項(xiàng)關(guān)鍵的研究內(nèi)容。具體制造中，制造企業(yè)不僅要考慮到其實(shí)際的應(yīng)用和安全需求，同時(shí)也要考慮到其節(jié)能環(huán)保以及輕量化特征。因鋁合金材質(zhì)具有良好的耐腐蝕、耐高溫、易成形、抗老化以及輕量化等的優(yōu)良性能，所以在當(dāng)今的輕量化動力電池生產(chǎn)制造中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。一般情況下，鋁合金動力電池包底板都是通過沖壓件的連接形式進(jìn)行制造。因此，制造企業(yè)應(yīng)對其沖壓工藝進(jìn)行研究，并通過合理的措施來加以優(yōu)化。

1 某鋁合金動力電池包底板零件基本情況概述

為實(shí)現(xiàn)鋁合金動力電池包底板沖壓工藝的良好優(yōu)化，本次對某鋁合金動力電池中的底板零件進(jìn)行了研究。在該動力電池中，應(yīng)用的材料是TL091型鋁合金，其名義厚度為4mm，零件尺寸是1930mm*1320mm*12mm，整體底板通過沖壓工藝進(jìn)行制造，然后借助于CMT焊接法將沖壓件和其他型材焊接在一起。因?yàn)樵撾姵匕枰cIP67這一防護(hù)等級的設(shè)計(jì)要求相符合，

所以制造中具有很高的焊接要求。與其他型材的制造和加工相比，電池包底板的沖壓工藝是一項(xiàng)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，而其尺寸公差控制的難度也很大。下表是該動力電池包底板零件所選的TL091型鋁合金力學(xué)性能實(shí)測參數(shù)情況。

表1 該動力電池包底板零件所選的TL091型鋁合金力學(xué)性能實(shí)測參數(shù)情況

2 沖壓工藝與優(yōu)化措施分析

2.1 沖壓工藝分析

在本次所研究的鋁合金動力電池中，其電池包底板的設(shè)計(jì)理論和平板件設(shè)計(jì)相類似，主要的設(shè)計(jì)方式為主體平面和局部特征相結(jié)合。在這樣的設(shè)計(jì)模式下，零件的尺寸越大，設(shè)計(jì)和制造偏差也就越大。這和零件的形狀設(shè)計(jì)具有很大關(guān)聯(lián)，相比較12mm這一維度而言，1930mm*1320mm已經(jīng)超出了其很多倍，所以在具體設(shè)計(jì)中，該零件的高度便很難控制，應(yīng)用中也經(jīng)常會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

在對類似零件進(jìn)行模態(tài)分析的過程中也得出了共性理論：模態(tài)前兩個(gè)階段或者是兩種形態(tài)之間的疊加是兩種最容易出現(xiàn)的回彈形態(tài)。

在失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生中，一個(gè)重要的影響因素就是壓應(yīng)力，因此，在對一般的平板件進(jìn)行制造中，應(yīng)用的大多是脹形工藝，這樣不僅可以讓零件在成型過程中有充足的塑性變形產(chǎn)生，以此來達(dá)到良好的形狀穩(wěn)定效果；同時(shí)也可以使其內(nèi)部的壓應(yīng)力降到最低，這樣便可使其高度方向上產(chǎn)生的失穩(wěn)現(xiàn)象得以有效避免。但是在具體的生產(chǎn)制造中發(fā)現(xiàn)，脹形工藝應(yīng)用中所產(chǎn)生的扭曲回彈會比成形工藝應(yīng)用中所產(chǎn)生的扭曲回彈大很多，且這種扭曲回彈情況一旦產(chǎn)生，整形校正以及回彈補(bǔ)償?shù)鹊母鞣N工藝手段都將無法對這一問題實(shí)現(xiàn)有效解決。

2.2 沖壓工藝優(yōu)化措施分析

就零件外形來看，該鋁合金動力電池包底板和上文所述的平板類型零件十分相似，其位移的區(qū)別就是具有較厚的厚度和較淺的形狀。因?yàn)殇X合金回彈通?？梢赃_(dá)到普通鋼板的2-3倍，所以在具體的電池包底板生產(chǎn)制造過程中，為有效解決其平面度方面的問題，就應(yīng)該將脹形方案作為首選，并借助于Autoform這一軟件來進(jìn)行沖壓工具的合理設(shè)置，通過仿真分析，便可或得到具體的沖壓方案FLD圖以及最終的扭曲回彈圖，然后再以此為依據(jù)，通過脹形工藝來進(jìn)行零件制造。這樣不僅可以確保零件的塑性變形效果，同時(shí)也可以讓全部的零件都進(jìn)入到FLD圖中的綠色區(qū)域內(nèi)，將其回彈控制在彎曲回彈形態(tài)，進(jìn)而滿足其實(shí)際生產(chǎn)與設(shè)計(jì)需求。但是在具體的仿真過程中發(fā)現(xiàn)，其回彈值可以達(dá)到22mm左右，與之前對類似零件進(jìn)行分析所獲得的結(jié)果具有巨大差距，同時(shí)也與其4mm厚板接下來的焊接工序要求嚴(yán)重不符。為明確這一現(xiàn)象的原因，在仿真試驗(yàn)中，可通過脹形工藝中最敏感材料的流入量調(diào)整來對零件進(jìn)行回彈變化的研究，這樣便找出了其主要的影響因素。因?yàn)槊浶喂に囍械脑O(shè)計(jì)比較特殊，其壓邊全材料幾乎不具有流動性，所以在將壓邊力設(shè)置為50%之后，其回彈便可基本和原來的設(shè)計(jì)保持相同，回彈變化也得到了顯著改善。

通過其原因分析可知，因?yàn)樵摿慵牟牧暇哂休^大的厚度，且其大面的形狀也非常淺，其深度僅僅在1.5mm左右，這樣的情況就使得零件特征成形僅僅在最后的1.5mm左右才開始。同時(shí)，因?yàn)樗苄詰?yīng)變是在特征形狀成形以前發(fā)生，而不是在成形的這一過程中發(fā)生；而在成形結(jié)束之后，塑性應(yīng)變也就不再持續(xù)發(fā)展，所以整個(gè)過程就相當(dāng)于是在讓一個(gè)硬化的材料成型。在沖壓工藝中，如果將壓邊力控制在50%，就相當(dāng)于有效降低了材料的硬化程度，相比較壓邊力是100%的沖壓而言，其塑性應(yīng)變力的產(chǎn)生也會更加充足，這樣便可實(shí)現(xiàn)回彈的有效降低。將這一分析結(jié)論作為依據(jù)，本次優(yōu)化中，通過直接成形工藝對其結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化之后的回彈值得到了顯著降低，與上述分析得出的結(jié)論相一致。所以在具體的沖壓工藝優(yōu)化過程中，考慮到直接成形這種工藝應(yīng)用中的材料控制難度很大，所以決定通過上下壓料成形工藝進(jìn)行制造，這種工藝的效果更加穩(wěn)定，可以在壓平狀態(tài)下讓材料成形，然后再通過壓料力的適當(dāng)施加來做好局部成形控制，盡可能減少成形過程中的平面材料流動情況，這樣便可讓平面保持平整，并實(shí)現(xiàn)局部特征塑性變形的最大化，以此來實(shí)現(xiàn)回彈的有效降低。經(jīng)過優(yōu)化之后，其回彈值基本可以控制到±2mm，讓沖壓工藝達(dá)到了最佳的控制效果。下圖是本次沖壓工藝優(yōu)化中的鋁合金動力電池包底板沖壓工具設(shè)置示意圖。

圖1 本次沖壓工藝優(yōu)化中的鋁合金動力電池包底板沖壓工具設(shè)置示意圖

因?yàn)楸敬嗡芯康匿X合金動力電池包底板具有較大的零件尺寸，且需要與其他的零件共同放在焊接夾具上進(jìn)行焊接處理，所以在具體的生產(chǎn)制造過程中，其沖壓工藝的優(yōu)化不僅僅需要對回彈值進(jìn)行考慮，還需要對檢具上的零件狀態(tài)進(jìn)行充分考慮?；诖耍诒敬蝺?yōu)化中，特通過模擬檢具對其回彈量進(jìn)行了全面分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閵A具上存在支撐面，這樣便可讓零件中的一部分尺寸在重力作用下得以有效校正，使其平面偏差不超過2mm。就理論而言，其平面偏差控制效果與零件后續(xù)的焊接工序要求相符合，說明壓料成形工藝具有良好的可行性。

因此，在對該鋁合金動力電池進(jìn)行包底板生產(chǎn)制造的過程中，通過實(shí)際問題的分析，結(jié)合多方面因素的全面考慮，最終選擇了壓料成形這一沖壓工藝。

2.3 沖壓工藝優(yōu)化之后的生產(chǎn)驗(yàn)證

在對該鋁合金動力電池進(jìn)行包底板沖壓生產(chǎn)工藝優(yōu)化之后，為確保該工藝的應(yīng)用效果，滿足該動力電池包底板的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用需求，特在專用檢具上對實(shí)際生產(chǎn)制造出的鋁合金包底板零件進(jìn)行了自由狀態(tài)的掃描檢測。

通過本次的掃描檢測發(fā)現(xiàn)，在對沖壓工藝進(jìn)行優(yōu)化之后，生產(chǎn)制造出的鋁合金包底板零件的所有尺寸參數(shù)都偏差都控制在了允許范圍內(nèi)，零件實(shí)際的回彈值和通過仿真模擬所獲得的回彈值基本一致。為進(jìn)一步確定零件的焊接效果，特通過CMT焊接工藝對零件進(jìn)行了自動焊接，并在焊接之后對其成功率以及水密性進(jìn)行了嚴(yán)格測試。經(jīng)過一系列的測試發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化后的沖壓工藝所生產(chǎn)的零件具有更高的成件成功率，且水密性也更加良好。由此可見，通過本次的沖壓工藝優(yōu)化，不僅讓鋁合金動力電池包底板零件傳統(tǒng)沖壓制造工藝中的問題得以有效避免，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)質(zhì)量的顯著提升。這對鋁合金材料在動力電池中的良好應(yīng)用十分有利，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)了動力電池在當(dāng)今時(shí)代中的良好應(yīng)用與發(fā)展。

3 結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)今動力電池行業(yè)的不斷發(fā)展中，鋁合金包底板形式的動力電池越來越受歡迎。但是因?yàn)榇祟愲姵匕装迳a(chǎn)中的傳統(tǒng)沖壓工藝存在一定問題，部分尺寸參數(shù)難以得到有效控制，同時(shí)也會對后續(xù)的零件焊接造成一定程度的不利影響。所以在具體的生產(chǎn)制造中，相關(guān)企業(yè)就應(yīng)該充分分析這些問題的原因所在，并以此為依據(jù)，采取合理的技術(shù)措施來進(jìn)行其沖壓工藝的優(yōu)化。在此過程中，生產(chǎn)企業(yè)需要將Autoform仿真分析作為有效依據(jù)，通過沖壓工藝類型以及沖壓工藝參數(shù)的合理改變來實(shí)現(xiàn)其沖壓工藝的優(yōu)化。這樣才可以讓鋁合金包底板零件的各項(xiàng)尺寸參數(shù)得到良好控制，避免回彈值過高對后續(xù)焊接的不利影響，盡最大限度確保零件生產(chǎn)制造質(zhì)量。