鋁合金動力電池包底板沖壓工藝優化

文／薛飛，劉曉龍·東莞市中泰模具股份有限公司

汽車技術正向著低碳化、信息化、智能化的方向發展，大力發展新能源汽車技術已成為保障國家能源戰略安全，減輕環保壓力的重要手段。中國汽車工程學會研究編制的《節能與新能源汽車技術路線圖》將純電動汽車及動力電池技術列為了重要發展方向，動力電池發展的同時也帶動了電池包制造技術的發展。

電池包是核心能量源，為整車提供驅動電能，電池包殼體作為電池模塊的承載體，對電池模塊的安全工作和防護起著關鍵作用，需滿足強度、剛度、安全防護等各項要求。除此之外，節能環保和輕量化的發展對電池包殼體材料也提出了更多的要求，鋁合金材料具有易成形、高溫耐腐蝕、輕量化、優秀的抗老化性能等綜合性能優勢，非常適合用于輕量化電池包殼體的制造。鋁合金電池包殼體一般由型材、板材或沖壓件連接而成，本文零件即為電池包殼體的鋁合金沖壓件。

產品描述

圖1 電池包殼體底板

表1 TL091 實測力學性能參數

圖2 CMT焊接工作站

本文零件為某電池包殼體底板零件，如圖1所示。材料為鋁合金TL091，材料實測力學性能參數如表1所示 ，名義料厚4mm，零件尺寸為1930mm×1320mm ×12mm。電池包殼體底板采用沖壓制造工藝，之后與其他型材、沖壓件通過CMT焊接方式焊接，圖2所示為CMT焊接工作站。由于電池包要滿足防護等級IP67的設計要求，所以對焊接質量要求很高，相比其他型材機加工制造而言，沖壓生產的底板單品尺寸公差達成具有一定的難度。

工藝分析及優化

類似平板件的理論設計形狀為主體平面加局部特征，此類平板件在沖壓之后由于內應力的原因都很難再保持平面，越大的零件尺寸偏差越大。這與零件的設計形狀有關系，兩個維度（1930mm×1320mm）相比第三個維度（12mm）超出10～20倍，因此第3個維度即零件高度方向最不穩定，易出現失穩現象。

選取類似件做模態分析，可得出共性結論：最易出現的兩種回彈形態為模態的前兩階形態或兩種形態的疊加，包括圖3的扭曲回彈形態和圖4的彎曲回彈形態。

因為壓應力是產生失穩的重要原因，所以一般類型的平板件的工藝設計采用脹形工藝，既可以使零件在成形過程中產生足夠的塑性變形以穩定形狀，也可以達到減小內部壓應力、降低高度方向失穩的效果。如圖5所示零件，可以看出采用成形工藝的扭曲回彈要遠大于脹形工藝的零件，且此類扭曲回彈一旦發生幾乎無法通過回彈補償、后工序整形校正等工藝手段解決。

圖3 平板件扭曲模態

圖4 平板件彎曲模態

圖5 采用成形工藝和脹形工藝的零件回彈對比

此電池殼底板零件從外形上看與上述平板類零件基本類似，區別是厚度較厚，形狀較淺。由于鋁合金回彈一般為普通鋼板回彈的2～3倍，故為解決本零件的平面度問題，筆者首選脹形方案，圖6所示為Autoform軟件的沖壓工具設置。

圖6 脹形工藝方案

圖7 零件最終FLD圖

圖8 零件最終回彈值

經過仿真分析，得出此方案的FLD圖（圖7）和最終回彈圖（圖8）。采用脹形工藝可以使零件發生足夠的塑形變形，使零件全部進入了FLD圖的綠色區域，回彈為彎曲回彈形態，這與之前的研究結論一致，回彈值約為22mm，無法滿足4mm厚板的后續焊接工序。產生如此大的回彈與之前類似零件的結果相差巨大，因此擬定通過調整脹形工藝最敏感的材料流入量來研究零件回彈的變化，找出影響因素。由于脹形工藝的設計使壓邊圈的材料基本不流動，所以采用加50%壓邊力之后的回彈基本與原設計相同，如圖9所示，但減少50%壓邊力之后，回彈有較大改善，如圖10所示。

圖9 壓邊力加大50%的零件回彈

圖10 壓邊力降低50%的零件回彈

分析原因為本零件料厚較厚且大面特征形狀很淺，約為1.5mm深度，導致零件特征在最后的1.5mm左右才開始成形。塑性應變發生在特征形狀成形之前而非成形過程中，直至成形結束，材料不再繼續發生足夠的塑性應變增長。此過程等同于拿硬化過的材料成形，致使材料硬化程度小的沖壓工藝（壓邊力降低50%）比硬化程度多的工藝（原工藝或壓邊力加大50%）回彈更大。基于此分析結論，擬定采用直接成形工藝來驗證，分析結果如圖11所示，回彈值已有大幅降低，與分析結論一致。考慮直接成形工藝在成形過程材料不受控制，故采用更為穩定的上下壓料成形，保證材料在壓平的狀態下成形，再施加足夠的壓料力使材料在局部成形時平面材料少發生流動，以保證平面平整的同時使局部特征最大限度的發生塑性變形，以減小回彈，沖壓工具設置如圖12所示，經過分析回彈值如圖13所示，回彈值已基本控制在±2mm以內，為尺寸控制最好的工藝。

圖11 直接成形回彈值

圖12 壓料成形工具設置

圖13 壓料成形的回彈值

圖14 壓料成形的檢具狀態回彈值

由于實際零件重量較大，且是在焊裝夾具上和其他零件進行焊接，所以還要考慮零件在檢具上的狀態，通過模擬檢具上的回彈得到分析結果如圖14所示，由于夾具有支撐面的存在，使零件在重力下校正一部分尺寸，使零件的平面偏差最終控制在了2mm，理論上可以滿足焊接工序。最終確定工藝為壓料成形工藝。

生產驗證

實際生產的零件在檢具上的自由狀態如圖15所示，掃描檢測結果如圖16所示，可以看出壓料成形工藝基本把零件尺寸控制到了可接受范圍內，實際零件的回彈值與分析趨勢一致，單品零件通過CMT自動焊接，焊接后的總成件成功通過水密性測試。

圖15 零件在檢具上的自由狀態

圖16 零件在檢具上的掃描云圖

結束語

本文較為系統的研究了鋁合金平板類沖壓件的回彈影響因素及原理，并針對不同類型的零件提出了尺寸控制方案，著重介紹了大型平板類鋁合金件——新能源汽車動力電池包底板的3種沖壓工藝方案。以Autoform仿真分析結果為依據，通過改變沖壓工藝類型和工藝參數獲得了最佳的成形和尺寸控制窗口，與實際沖壓結果相符，基本解決了此類型沖壓零件的尺寸控制問題。