淺析DFM方法在鋁合金型材箱體加工中的應(yīng)用與實踐

胡霞飛 林志宏 曹勇

摘 要：新能源汽車動力電池的關(guān)鍵部件即下箱體一般采用鋁合金型材焊接工藝。由于這種材料具有質(zhì)量輕，易加工的優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。“面向制造的設(shè)計（Design for Manufacturing），簡稱DFM”的方法是要求在設(shè)計的初始階段就需要考慮制造。體現(xiàn)在電池系統(tǒng)下箱體的關(guān)鍵工序，如型材擠壓、型材零件加工、攪拌摩擦焊、裝配等，要求在設(shè)計階段要考慮易加工性和易裝配性，同時滿足更低的加工成本，更短的時間、更高的質(zhì)量。文章通過類比和試驗的分析方法，具體闡述了這一理論的實踐過程。

關(guān)鍵詞：面向制造的設(shè)計;DFM;鋁合金型材;型材擠壓;攪拌摩擦焊;電池箱體;動力電池

中圖分類號：U466? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-178-03

Abstract： Aluminum alloy profile welding process is generally used for the lower box， the key component of new energy vehicle power battery. Because of the advantages of light weight and easy processing， this material has been widely used. The method of "design for manufacturing" （DFM） requires that manufacturing should be considered in the initial stage of design. The key processes of the box body under the battery system， such as profile extrusion， profile parts processing， friction stir welding， assembly， etc.， are required to consider the ease of processing and assembly at the design stage， while meeting the requirements of lower processing cost， shorter time and higher quality. In this paper， the practical process of this theory is expounded by means of analogy and experiment.

Keywords： Design for manufacturing; DFM; aluminum alloy profile; profile extrusion; friction stir welding; battery box; power battery

CLC NO.： U466? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-178-03

前言

在全球化的背景下，企業(yè)之間的競爭日益加劇，在產(chǎn)品開發(fā)中任何一個環(huán)節(jié)稍有落后，就可能被競爭者超越，甚至被淘汰出局。企業(yè)如何才能以更低的成本、更短的時間、更高的質(zhì)量進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)呢？面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計正是這樣的一個有效手段。它從提高產(chǎn)品的可制造性和可裝配性入手，在產(chǎn)品開發(fā)階段就全面考慮產(chǎn)品制造和裝配的需求，同時與制造和裝配團隊密切合作，通過減少產(chǎn)品設(shè)計修改、減少產(chǎn)品制造和裝配錯誤、提高產(chǎn)品制造和裝配效率，從而達(dá)到降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

面向制造的設(shè)計（Design for Manufacturing），簡稱DFM，顧名思義，設(shè)計要滿足制造的要求，它是并行工程的一項表現(xiàn)形式。因為設(shè)計與制造是產(chǎn)品生命周期中的兩個重要環(huán)節(jié)，要求在產(chǎn)品設(shè)計的初始階段就要考慮產(chǎn)品的可制造性和可裝配性。此理論在汽車制造行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，特別是近些年隨著純電動汽車的推廣和普及，人們對純電動汽車降價的訴求越來越強烈的背景下，如何降低占整車比重較大的電池成本是擺在業(yè)內(nèi)人士面前的一道難題。這就需要做到既要精益設(shè)計也要精益生產(chǎn)，以最大限度的降低電池系統(tǒng)成本。本文著重就DFM方法在電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，即鋁合金型材箱體的加工中的應(yīng)用進(jìn)行舉例表述。

1 加工方法及設(shè)備

電池系統(tǒng)下箱體，是承載電池模塊及內(nèi)部高低壓電氣組建的載體，也是保護動力電池系統(tǒng)的屏障，作為關(guān)鍵部件，要求其可在惡劣環(huán)境中使用。具體是要有較高的強度、耐腐蝕能力、密封性能等。目前國內(nèi)大多數(shù)主機廠的動力電池系統(tǒng)下箱體都使用的鋁合金材質(zhì)。由于其質(zhì)量輕，易加工的優(yōu)點，特別是攪拌摩擦焊工藝的應(yīng)用，也很大程度上降低了動力電池系統(tǒng)的成本。以下是工藝流程圖：

1.1 型材擠壓

型材擠壓工序，在設(shè)計階段就需評價型材的易成型性。一般采用經(jīng)驗公式法，根據(jù)以往的經(jīng)驗，對典型的型材截面結(jié)構(gòu)特征的實際成型情況進(jìn)行綜合分析，來推測新的結(jié)構(gòu)形狀是否易成型。如果評價不易成型，就得重新進(jìn)行設(shè)計，直到評價為易成型后，方可進(jìn)行下一步的工作，這樣，一則可以避免反復(fù)的修模和調(diào)試，二則可以縮短產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)周期，從而減少資源的浪費，降低成本。例如，圖2中，有兩種外形尺寸相同的型材，進(jìn)行擠壓試驗。

試驗過程：取A、B兩種型材模具，截取兩段同規(guī)格鋁棒（材料牌號：6061-T6），加熱到同樣的溫度，設(shè)定相同的擠壓力及工藝參數(shù)，按先后順序在同一臺擠壓設(shè)備上進(jìn)行擠壓試驗，觀察型材成型情況，并截取型材試樣品各一段，并進(jìn)行彎曲性能和拉伸強度測試。

試驗表明：兩種型材擠壓后，型材A的成型效果良好，在a位置厚度均勻，飽滿。型材B在b位置有輕微收縮變形，局部有缺料現(xiàn)象。彎曲性能和拉伸強度：型材A優(yōu)于型材B。因此，在設(shè)計時，盡量避免B截面形狀。

1.2 型材及零件加工

型材的加工，包含鋸切、加工及整形等工序。對于結(jié)構(gòu)簡單的零件，首要考慮的是現(xiàn)有設(shè)備的通用性，例如對于箱體的底板，設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備和工裝夾具，盡可能的的同一臺設(shè)備上加工更多的產(chǎn)品;對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，設(shè)計時，盡量進(jìn)行簡化，例如統(tǒng)一某一種尺寸，減少刀具種類，再或者需要加工的位置盡可能的設(shè)計在同一方向，避免多次裝夾（下圖3）。

在鋁合金箱體結(jié)構(gòu)中，可能會出現(xiàn)如下結(jié)構(gòu)（圖4左），由于深孔加工工藝質(zhì)量控制難度較大，設(shè)計時，應(yīng)盡量避免實體深孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)這種不可避免時，可以采用中空加襯套結(jié)構(gòu)，來降低工藝難度（圖4右）。

1.3 焊接

鋁合金型材箱體焊接一般采用攪拌摩擦焊+CMT補焊的工藝焊接。

攪拌摩擦焊是指利用高速旋轉(zhuǎn)的焊具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部熔化。該焊接方式，不需要焊絲、能一次完成長焊縫的焊接，工件平整、不易變形，方便實現(xiàn)機械化、自動化，對作業(yè)環(huán)境要求低，對作業(yè)人員危害小的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。以下是攪拌摩擦焊工藝示意圖：

因此，在進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分結(jié)合生產(chǎn)工藝，盡可能的多使用攪拌摩擦焊焊接，減少CMT焊接。達(dá)到降本增效的目的。

在進(jìn)行箱體焊接前，需把箱體的各部分零件拼接起來，局部點焊。形成箱體的雛形，才能進(jìn)行下一步的摩擦焊。體現(xiàn)在設(shè)計環(huán)節(jié)，首先要評估后期焊接后箱體收縮變形量，設(shè)計時，可適當(dāng)留出加工余量，其次要評估設(shè)備的加工精度，設(shè)計合理的公差標(biāo)準(zhǔn)，確保箱體拼接后，誤差在公差范圍內(nèi)。然后再進(jìn)行摩擦焊，否則，難以控制焊接精度。這些因素在設(shè)計之初也應(yīng)予以考慮。

2 結(jié)論

在設(shè)計的初始階段就考慮制造，通過類比分析的方法，總結(jié)同類產(chǎn)品在制造端相同的工序中顯現(xiàn)出的缺陷或經(jīng)驗教訓(xùn)，以此來指導(dǎo)設(shè)計。這樣可以有效的降低電池箱體的成本，避免浪費。DFM的理論在動力電池制造領(lǐng)域的應(yīng)用還很多，盡可能的加以應(yīng)用。

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