電池殼第一道次沖壓成形模擬分析

文/張茜，王秋雨，趙明月·河鋼唐鋼技術中心

本文以唐鋼自主研發的電池殼鋼為對象，采用有限元軟件Dynaform對電池殼第一道次沖壓過程進行模擬分析，從而確定合理的沖壓邊界條件，探究材料強度、加工硬化指數、塑性應變比等材料參數對沖壓零件壁厚的影響。

由于節能和環保的壓力，新能源電動車正迅速的從實驗室走向商業化和市場化。電動汽車采用電池組作為主要的能量來源。電池組需求量大，零件表面要求高，給鋼鐵企業帶來了新的挑戰。一臺49座純電動客車，其電池組由1.8萬個電池組成，在電池組中任意一電池殼出現砂孔、沖壓開裂、軋制橫折紋等問題，均無法滿足使用要求，其研發難度之大，讓國內很多鋼廠望而卻步。河鋼唐鋼起初研發電池殼鋼試用生產時，也曾出現拉絲、夾縫等缺陷。因此，本文以某純電動客車電池組電池為原型，采用Dynaform軟件對電池殼第一道次沖壓成形過程進行仿真分析，評價影響電池殼沖壓成形的關鍵材料參數。

電池殼沖壓成形有限元模型及邊界條件設定

研究背景

某電動客車廠生產電池殼時，采用0.5mm厚板料經過落料→6道次變形沖壓→整形、切邊等工序得到，不同道次零件如圖1所示，不同道次零件尺寸見表1。實際生產時，每分鐘可得到20個成品電池殼。

圖1 不同道次沖壓變形后電池殼（已切邊）

幾何模型建立

本文以電池殼生產過程中第一道次沖壓過程為研究對象，根據不同道次零件尺寸，參照沖壓手冊中圓筒形件沖壓毛坯尺寸計算公式和無凸緣圓筒形拉深件的修邊余量經驗值表，可以確定初始坯料尺寸為φ104mm。第一道次零件尺寸為φ55mm×27mm，底部外圓角半徑為4mm，可得到凹模尺寸，通過Dynaform軟件自帶的偏置功能偏置模具間隙即可得到凸模尺寸。由于第一道次為不減薄沖壓，其模具間隙為(1.1～1.3）t，擬定模具間隙為1.1t得到凸模。各零件的形狀如圖2所示。

表1 不同道次沖壓后得到零件尺寸

表2 唐鋼電池殼鋼不同方向力學性能

邊界條件設定

圖2 各零件形狀

采用Dynaform對沖壓過程進行模擬，模具單元定義為剛性殼單元，坯料單元選用計算效率較高的Belytschko-Tsay單元(簡稱BT單元） ，采用自適應網格劃分方法將模具和坯料劃分為四邊形單元和三角形單元。求解格式采用顯示動力學算法。本構關系選用Barlat屈服模型(36#），該模型適用于任何薄板金屬成形分析，材料參數借鑒唐鋼某次生產的電池殼鋼力學性能（表2）。

模擬結果分析

凹模上圓角尺寸對沖壓成形的影響

根據電池殼鋼生產速度可估算出模具沖壓速度約為1000mm/s，模具間隙和摩擦系數根據經驗分別設定為1.1t和0.08，壓邊力設定為4000N，在2～10mm范圍內調整凹模上圓角尺寸進行模擬分析，模擬結果如圖3所示，不同凹模上圓角半徑對零件影響如圖4所示。

通過模擬可以看出，隨著凹模上圓角半徑的增加，減薄區域呈現減少的趨勢，起皺區域呈現增加的趨勢，板料厚度差變小。當凹模圓角半徑小于6mm時，厚度變化嚴重；大于6mm時變化較平緩，但隨著圓角半徑的增加，起皺區域較大，浪費較多，綜合考慮凹模上圓角半徑取值為6mm。

圖3 零件模擬結果

圖4 不同凹模上圓角半徑對沖壓件影響

模具間隙對沖壓件的影響

分別采用1.1t、1.2t、1.3t間隙進行沖壓過程模擬，模擬結果如圖5所示。

通過模擬可以看出，當模具間隙＞1.1倍料厚時，繼續增大模具間隙，幾乎不影響起皺區域，但會略微增大減薄區域長度，整體而言對沖壓件厚度無影響。所以，模具間隙設定為1.1t是合理的。

摩擦系數對沖壓件的影響

分別用 0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12的摩擦系數進行沖壓模擬，模擬結果如圖6所示。

圖5 不同模具間隙對沖壓件的影響

圖6 摩擦系數對沖壓件的影響

通過模擬可以看出，隨著摩擦系數的增加，減薄區域呈現增大趨勢，摩擦系數越小，減薄區域越小，但實際生產中模具摩擦系數很難達到非常光滑的程度，結合實際情況及相關文獻，將摩擦系數選定為0.08是合理的。

壓邊力對沖壓件的影響

分別采用1000N、1500N、2000N、4000N、6000N、8000N、10000N、12000N的壓邊力進行沖壓過程模擬，模擬結果如圖7所示。

通過模擬可以看出，在一定范圍內壓邊力對成形件影響不大，但當壓邊力小于1500N時，零件起皺非常嚴重；當壓邊力為2000～12000N時，對沖壓結果幾乎無影響。所以采用4000N的壓邊力進行沖壓模擬是合理的，如圖8所示。

圖7 壓邊力對沖壓件的影響

圖8 不同壓邊力下零件厚度分布

不同材料參數對沖壓結果的影響

⑴屈服強度對沖壓件的影響。以原始電池殼鋼的力學性能為基準，在保證r值和n值不變的情況下，沿彈性段斜率上下平移調整屈服強度使其在170～240MPa之間進行沖壓模擬，模擬結果如圖9所示。通過模擬可以看出，在n值和r值不變的前提下，屈服強度波動不影響零件壁厚。

圖9 屈服強度對零件壁厚的影響

圖10 n值對零件壁厚的影響

⑵加工硬化指數n對沖壓件影響。采用Krupskowsky law 硬化準則 [σ=K(ε0+ε）n，其中ε0為屈服強度對應的應變值]，在0.16～0.26范圍內調整n值進行模擬，模擬結果如圖10所示。通過模擬可以看出，在一定范圍內調整n值不影響零件壁厚。

⑶塑性應變比r對沖壓件影響。在保證屈服強度和n值不變情況下，在1.3～2.4范圍內調整r值進行模擬，模擬結果如圖11所示。通過模擬可以看出，隨著r值增加，沖壓件最小壁厚基本不變，但最大壁厚值有所降低，上部最厚厚度值減小，沖壓件壁厚均勻性更佳。

⑷各向異性差△r對沖壓件影響。在不同批次生產的電池殼鋼中，選取△r在0～0.3范圍內波動的材料參數進行模擬，模擬結果如圖12所示。通過模擬可以看出，隨著Δr增加，沖壓件厚度分布基本不變，但凸耳高度明顯增加。

圖11 r值對零件壁厚影響

圖12 △r對零件壁厚及凸耳的影響

⑸r均值對沖壓件的影響。從材料數據庫中選取Δr近似、r均值不同的DC01、DC03、DC04進行沖壓模擬，不同材料力學性能見表3，模擬結果如圖13所示。

通過模擬可以看出，在Δr相近的情況下，隨著r均值的增加，最大壁厚明顯降低，凸耳明顯降低，有利于提高產品壁厚均勻性。

結論

本文結合實際案例，采用Dynaform軟件對電池殼沖壓成形過程中第一道次進行模擬仿真，在沖壓過程中凹模上圓角尺寸、模具間隙、壓邊力、摩擦系數等外界條件以及材料屬性均會對沖壓產生影響。

圖13 r均值對零件壁厚及凸耳高度的影響

表3 不同材料力學性能

⑴當凹模上圓角半徑設定為6mm，模具間隙設定為1.1t，壓邊力設定為4000N，摩擦系數設定為0.08時，可得到形狀良好的成形件。

⑵材料的強度和加工硬化指數n值基本不影響零件壁厚的分布。

⑶材料Δr主要影響零件凸耳高度。Δr越大，凸耳值越大，但對厚度影響不大。

⑷r值主要影響零件最大壁厚，對最小壁厚影響不大。r均值增加可降低零件最大壁厚值，有利于保證產品壁厚均勻性，且會降低凸耳高度。