大型電池極片輥鍛造方法研究

文／梁振卿，李建輝，劉延春·中鋼國(guó)際邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司鍛壓分廠

近年來，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一，受到電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的影響，市場(chǎng)需求增長(zhǎng)迅速，各大電池生產(chǎn)廠家均在擴(kuò)能搶占市場(chǎng)份額。因此，極片軋機(jī)快速朝著大型化、高壓延效率、高壓延精度方向發(fā)展，其電池極片寬幅不斷增大，相應(yīng)的極片軋輥規(guī)格由φ400mm、φ60mm擴(kuò)展到φ800mm以上，毛坯的鍛造難度較之前明顯增加。為適應(yīng)電池極片軋輥新的發(fā)展要求，對(duì)大型電池極片軋輥的結(jié)構(gòu)和鍛造工藝進(jìn)行研究，通過設(shè)計(jì)不同類型的鍛造工具，實(shí)現(xiàn)輥坯的模鍛式鍛造成形。

高精度超硬極片輥的毛坯生產(chǎn)是其制備流程中的重點(diǎn)之一，決定著產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量、使用性能以及生產(chǎn)成本。其鍛造過程主要存在三方面的難點(diǎn)：①所用原始坯料直徑較產(chǎn)品毛坯直徑差距較大，需要鐓粗，但鐓粗時(shí)高徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鐓粗理論值；②因其結(jié)構(gòu)不同于一般鍛鋼軋輥，輥身直徑大(700 ～900mm)、輥身與輥頸落差大(150 ～250mm)，采用常規(guī)的鍛造方法不能完成其毛坯的制作，并且其出材率、凈毛比不易保證到較高水平；③輥頸根部的內(nèi)部缺陷難以保證鍛合，影響產(chǎn)品使用強(qiáng)度。針對(duì)毛坯制作的難點(diǎn)，全面革新當(dāng)前的鍛造技術(shù)，通過各類工具的設(shè)計(jì)制作，研究出了超大高徑比鐓粗技術(shù)、中間鐓粗成形技術(shù)、近終成形鍛造技術(shù)和熱態(tài)鍛件在線測(cè)量技術(shù)等多項(xiàng)成果。

研究過程

常規(guī)鐓粗鍛件的高徑比(高度和直徑的比值)都在3 以內(nèi)，鐓粗時(shí)坯料內(nèi)部的變形是不均勻的，兩端受摩擦力影響的變形較小，屬于難變形區(qū)，中間部位受到兩端的擠壓會(huì)變形較大，屬于易變形區(qū)，因此鐓粗時(shí)往往會(huì)呈現(xiàn)“鼓形”，即中間部位直徑大，兩端直徑相對(duì)小。這是最佳的鐓粗狀態(tài)，而且此高徑比以內(nèi)的鐓粗鍛件受外部條件的影響較小，即使平砧有磨損或坯料端面不齊也不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的彎曲變形。但是當(dāng)高徑比超過3 以后，都是生產(chǎn)一些直徑較大的輥坯，由于坯料較長(zhǎng)，鐓粗變形量較大，對(duì)外部條件的要求越發(fā)苛刻，稍微的不齊或者磨損就會(huì)造成坯料的變形不均。金屬流動(dòng)不受控制，其變形區(qū)域也會(huì)隨之發(fā)生變化，上下兩部分會(huì)分別變形，出現(xiàn)“雙鼓形”，中部則變形小，若繼續(xù)鐓粗就會(huì)因?yàn)槭Х€(wěn)而發(fā)生折疊或彎曲缺陷。

因此，本次研究的重點(diǎn)就是如何減少外部條件的影響，并由理論上的“雙鼓形”變?yōu)閷?shí)際生產(chǎn)的“單鼓形”，以達(dá)到最佳鐓粗成形的目的。

超大高徑比鐓粗

通過現(xiàn)場(chǎng)的跟蹤生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，超長(zhǎng)坯料的鐓粗除彎曲問題外，還會(huì)出現(xiàn)鉗把的偏心和漏料的問題，偏心對(duì)后續(xù)的成品成形造成很大的難度，漏料部分因未參與輥身的鐓粗和鉗把的拔長(zhǎng)，基本未進(jìn)行鍛造，其心部的原始缺陷不能鍛合，會(huì)出現(xiàn)不同程度的徑向探傷缺陷，降低輥頸的使用強(qiáng)度。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中的金屬流動(dòng)狀態(tài)和各項(xiàng)問題產(chǎn)生原因的理論分析，自主設(shè)計(jì)制作了兩套專用鐓粗工具，分別用于坯料上下兩端，鐓粗時(shí)通過引導(dǎo)工具內(nèi)部金屬的徑向流動(dòng)，抑制橫向流動(dòng)，避免雙鼓和彎曲的出現(xiàn)，首先實(shí)現(xiàn)坯料中部的變形；然后更換另一套專用工具繼續(xù)鐓粗，在中部變形的同時(shí)也促進(jìn)兩端的變形；通過兩次專用工具的輔助變形，坯料的實(shí)際高徑比基本能夠降至3 以下，最后直接鐓粗成形。此種鐓粗方法不但打破了超高徑比的“雙鼓”變形理論，將高徑比理論值提升至4.6，也實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)坯料的整體鐓粗操作，減少了壓把工序，徹底杜絕了鉗把偏心和鐓粗漏料問題的出現(xiàn)，對(duì)質(zhì)量管控和降低生產(chǎn)成本都有很大作用。鐓粗過程坯料變形示意圖見圖1。

圖1 鐓粗過程坯料變形示意圖

中間鐓粗成形技術(shù)

由于電池極片輥結(jié)構(gòu)的特殊性，直接生產(chǎn)輥頸其卡料長(zhǎng)度較短，輥頸內(nèi)部的鍛造質(zhì)量不能保證，另外會(huì)形成較多的輥頸根部藏料，不利于出材率和原材料成本的控制。因此，針對(duì)最終的成形工序自主設(shè)計(jì)制作了專用鐓粗工具，摸索研究出了中間鐓粗技術(shù)，利用專用工具鐓粗輥身，增加輥身直徑，同時(shí)抑制輥身邊部的不規(guī)則變形，使輥頸和輥身始終處在同一中心線，達(dá)到精準(zhǔn)變形的目的。除此之外，鐓粗不可避免的會(huì)出現(xiàn)一定程度的漏料，為了提高漏料部分的鍛造質(zhì)量，鐓拔工序增加輥頸的預(yù)留量，保證一定的鍛比，成品工序通過“順序拔長(zhǎng)”的操作方式改善坯料原始的鑄態(tài)缺陷，減少探傷缺陷。

近終成形鍛造技術(shù)

錠凈比是影響鍛造產(chǎn)品制造成本最主要的因素之一，一個(gè)新產(chǎn)品的成本優(yōu)勢(shì)是決定其獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，并且國(guó)家大力倡導(dǎo)綠色制造理念，即少用原材料，追求極限制造。結(jié)合這一指標(biāo)要求，我們根據(jù)不同的輥坯規(guī)格設(shè)計(jì)制作了相應(yīng)規(guī)格的圓弧精整工具，由V形砧的線接觸改為圓弧砧的面接觸，增加接觸面積和提高輥身的圓度控制，有效提高鍛件尺寸控制精度。目前生產(chǎn)的鍛件輥身圓度均能控制在±2mm以內(nèi)(圖2)，并將最終的毛坯余量控制在15mm 以內(nèi)，遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)其他軋輥廠家35mm 的控制水平。

圖2 鍛件輥身圓度控制

熱態(tài)鍛件在線測(cè)量技術(shù)

因該類產(chǎn)品鍛件結(jié)構(gòu)特殊，依靠常規(guī)的人工測(cè)量(卡鉗、板尺等工具)很難保證檢測(cè)質(zhì)量，因此項(xiàng)目組結(jié)合多年對(duì)自動(dòng)測(cè)量的研究，依據(jù)自主設(shè)計(jì)方案，與激光、圖像識(shí)別廠家合作完成了非接觸式大尺寸激光測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)制作。利用激光全面掃描，結(jié)合高頻相機(jī)拍照記錄全過程并形成三維圖像，可以實(shí)現(xiàn)φ100～1000mm大尺寸鍛件的在線測(cè)量，檢測(cè)精度在±2mm。通過數(shù)學(xué)模型測(cè)算，能夠?qū)崿F(xiàn)鍛件任何部位尺寸的檢測(cè)，為鍛造毛坯的尺寸控制提供了實(shí)質(zhì)化保障(圖3)。

圖3 熱態(tài)鍛件自動(dòng)在線測(cè)量系統(tǒng)

效果評(píng)價(jià)

大型電池極片輥鍛造工藝研究，有效解決了當(dāng)前電池極片輥鍛造難題，并且誕生出了多項(xiàng)突破歷史的鍛造技術(shù)成果，超高徑比鐓粗技術(shù)可降低特殊坯料的直徑要求，打破了傳統(tǒng)理論的鐓粗極限；中間鐓粗技術(shù)是自由鍛向模鍛發(fā)展的一次嘗試，對(duì)輥坯的精準(zhǔn)成形和控制有很大的提升作業(yè)；近終形鍛造大幅度降低產(chǎn)品錠凈比，每噸節(jié)約0.34 噸以上鋼錠，可減少原材料費(fèi)用5%以上，并可減少加工難度，縮短1 天以上加工周期及減少10%的加工費(fèi)用；熱態(tài)鍛件采用在線測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智能化掃描檢測(cè)，減少測(cè)量過程中的人為因素，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與鍛件質(zhì)量控制水平，加工后鍛件和成品如圖4、圖5 所示。

圖4 鍛件

圖5 成品

結(jié)束語(yǔ)

本次研究是自由鍛和模鍛的一次深度結(jié)合，也是傳統(tǒng)行業(yè)與先進(jìn)檢測(cè)手段相互融合的大膽嘗試，是智能化鍛造工廠的一次有力摸索。技術(shù)是需要傳承的，更是需要?jiǎng)?chuàng)新的，不斷地推陳出新和自我突破才能保證企業(yè)的長(zhǎng)久不衰，才能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。