基于ABAQUS的廢舊鋰電池切割過程仿真與試驗研究

唐陳樂，朱華炳，陳 東，湯 晨

(合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著現代社會的發展，汽車產業成為了我國經濟中的重要產業之一[1]。從新能源汽車整體走勢來看，對于鋰電池的需求呈現不斷增長的趨勢，同時電池的報廢量也必然在不斷的增加。經預測到2020年我國動力電池需求量預計達到130 Gwh，報廢量約50萬噸，到2023年，報廢量電池將達到116 t[2]。如果對報廢鋰電池處理不當那么將會造成極大的環境污染，同時鋰電池中含有大量的有價金屬(比如鋰、銅、鋁等)，因此對于動力鋰電池的生命周期研究勢在必行，對報廢鋰電池進行合理的回收利用，真正使整個行業鏈朝著綠色、環保、可持續的方向發展。

美國、日本等發達國家已經開始建立新能源汽車的回收體系，其中一些國家已經頗有成果[3]。國內對于報廢鋰電池的回收與發達國家相比還存在一定的差距，報廢動力鋰電池的回收主要采用的是人工拆解的方式，自動化拆解的程度較低。在對報廢鋰電池進行拆解回收的過程中，如何高效、安全的將電池外殼和電池內芯分離是十分重要的問題[5]。對鋰電池進行拆解，切割部分是關鍵的部分之一，切割部分的穩定性能直接對切割的質量和效率造成影響[6]。

圓鋸片是典型的超薄切割部件，在切割性能方面具有效率高、質量好等優點。蔣連瓊等人通過使用圓鋸片對枝條進行切割并對其過程進行動態仿真[7]；姚濤等人使用圓鋸片對石材進行切割仿真及實驗，并研究鋸切轉速等條件對鋸切效果的影響[8]；李偉光等人通過使用鋸齒進行切割，探究了鋸切進給速度和表面粗糙度之間的關系[9]。

通過ABAQUS有限元數值模擬，分析圓鋸片在電池切割的過程中切削力變化。這里采用正交實驗的方法確定切割系統的最佳參數匹配，為優化切割系統參數，保證切割穩定、延長使用時間提供了理論依據。

1 ABAQUS切削仿真建模

1.1 幾何模型建立

為了使用有限元的方法模擬切削的過程，將電池簡化為實心的長方體。電池沿X、Y、Z三個方向的尺寸為60 mm×20 mm×160 mm。使用不同參數的鋸片對其進行切割，完成拆解過程。結構示意圖如圖1所示。電池和鋸片的物理屬性如表1所列。

圖1 結構示意圖

表1 電池和圓鋸片物理參數

1.2 材料本構關系

在對電池外殼進行切割的過程中，會產生大量的熱量，在這樣的環境下會發生塑性變形。所以在進行仿真的時候需要確定材料的本構模型，這樣才能夠保證仿真結果的準確性。Johnson-Cook 模型能很好地描述材料應變硬化、應變速率硬化和熱軟化效應，其表達式[10]為：

(1)

表2 Johnson-Cook本構關系參數

1.3 材料失效準則

描述在切削過程中網格的失效的原則，從而達到分離的效果，形成切屑，使用Johnson-Cook 剪切失效準則，它是通過等效塑性應變來表示的。其表達式如下：

(2)

在進行仿真的時候，按照一定的標準對單元的等效塑性應編制值進行分析，如果損壞的參數大于1，那么此時材料失效。損傷參數用V表示：

(3)

采用的Johnson-Cook 剪切失效準則相關參數如表3所列。

表3 Johnson-Cook 失效準則參數

2 仿真結果與分析

2.1 評價指標

根據正交實驗的檢驗原理，需要對評價標準進行確定。在進行切削仿真的時候，切削力是反映變形的一個重要指數。對廢舊鋰電池進行切割拆解影響切削的因素具有很多，包括鋸片的相關參數、鋸片的轉速以及進給速度等。進行仿真過程中使用正交實驗的方法會得到很多的數據輸出，例如切削力以及應力等。鋸片在高轉速的條件下工作，并且圓鋸需要承受較大的周期性應力，那么可以將切削力和應力作為評價的指標。

圖2 受力分析圖

2.2 單因素仿真分析

文中主要研究切削過程中切割圓鋸片齒數、進給速度以及鋸片轉速對切削效率以及質量的影響，為了驗證所選的因素合理性，進行了相關的單因素仿真實驗，如圖所示，進過分析，得出了影響鋸片切削力和應力以及切削質量的主要影響因素的相關規律。

(1) 鋸片不同轉速對切削力的影響

設置系統進給速度為10 mm/s，鋸片齒數為100 T保持不變，改變鋸片的轉速，分別設置為2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，對其進行仿真實驗，根據切削力的變化判斷轉速對切削的影響。

如圖3所示，不同轉速對切削力存在一定的影響，當鋸片的轉速較小時，鋸片的轉動存在一定的阻礙無法進行正常的切割工作，在一定的范圍內隨著轉速的提高，切削力呈現減小的趨勢。主要是由于在保持其他情況一致的情況下，轉速越低每齒的進給量就會增大，在單位時間內去除的材料增加的切屑變多，摩擦阻力越大，導致切削力增加。隨著轉速的不斷增大，當超過一定范圍時會在造成鋸片的振動影響鋸片切割的穩定性，切削力不斷增加。

圖3 不同轉速對切削力的影響

(2) 鋸片不同齒數對切削力的影響

設置系統進給速度為10 mm/s、鋸片轉速為4 000 r/min，改變鋸片齒數，分別設置齒數為為40 T、60 T、80 T、100 T、120 T，對其進行仿真實驗，根據切削力的變化判斷鋸片齒數對切削的影響。

如圖4所示，不同的齒數對切削力同樣存在一定的影響。當齒數過少時，電池表面的切割質量不高，存在大量的刺頭，切削力變大。隨著齒數不斷增加，齒之間的間距越來越小同樣造成了一定的切削困難，使得電池的表面難以進入齒間，需要更大的切削力。

圖4 不同齒數對切削力的影響

(3) 鋸片不同進給速度對切削力的影響

設置系統鋸片轉速為4 000 r/min，齒數100 T，改變鋸片的進給速度，分別設置進給速度為5 mm/s、10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s、25 mm/s，對其進行仿真實驗，根據切削力的變化判斷鋸片齒數對切削的影響。

如圖5所示，進給速度對切削力的影響比較顯著，隨著進給速度的增加，切削力也在增加，特別是在Fx和Fy兩個方向上結果比較明顯。但是進給速度過大對切削的質量造成一定的影響，同時存在許多毛刺。

圖5 不同進給速度對切削力的影響

2.3 后處理和結果分析

進行仿真計算結束后，使用ABAQUS軟件對計算的結果進行可視化結果分析。在鋸片的齒數Z=100 T，鋸片轉速Vc=3 000 r/min,進給速度Vf=15 mm/s的情況下，對切削的過程中獲得的關于切削力的數據進行曲線處理。

3 正交試驗結果分析

3.1 試驗驗證

廢舊鋰電池試驗來源為安徽巡鷹新能源科技有限公司。為驗證鋸片進給速度、轉速、鋸片齒數三個因素的影響，對其進行了相關的試驗，將電池使用夾具固定對其進行切割拆解，通過對動態信號測試分析系統對切割的狀況進行實時監測，對切削過程中圓鋸片的受力進行間接的測量。如圖6所示。

圖6 動態應力圖

圖7 切割試驗圖

3.2 試驗結果

測試的方法主要是正交表試驗。正交表設計測試是一種高效、簡便的多因素測試設計方法。文中一共選擇了三個因素作為獨立因素，分別是進給速度(Vf)、鋸片轉速(Vc)以及鋸片齒數(Z)，每個變量分別有三個變化級別。如表4所列。

表4 正交試驗水平因素

實驗總共有9組組合輸入變量，所以需要對其進行9次試驗，對每一次的數據都將產生一組數據，其中包括切削力的分量Fxmax、Fymax、Fzmax，分別表示為切削力沿著x軸、y軸、z軸三個方向的分量最大值。9組數據可以代表2次完整的試驗數據，全面反映了齒數、轉速、進給速度三種因素對指標的影響。正交試驗結果如表5所列。

表5 正交試驗結果表

經過進行極差分析，如表6所列，表明各種因素水平對指標都存在不同的影響。對于在x方向上的最大切削分力Fxmax(N)，鋸片的轉速影響最大，其余影響程度依次為進給速度和齒數；對于在y方向上的最大切削分力Fymax(N)進給速度影響最大，其余依次為鋸片轉速和齒數；對于在z方向上的最大切削分力Fzmax(N)鋸片轉速影響最大，其余依次為進給速度和齒數。

表6 正交極差分析表

3.3 最佳參數組合

根據之前的數值分析可知，選擇適當的鋸片轉速和進給速度可以降低切削力并且改變表面質量。在實際的切割拆解過程中，為了提高效率，所以需要合理的選擇鋸片的轉速以及進給速度兩個運動參數，在此前提下還應該盡可能減小鋸片的切削力，避免切割過程中的動態不穩定。根據以上獲得的參數匹配結果，并考慮切割過程中功耗、效率、經濟性等因素進行綜合分析，確定了參數為鋸片齒數為100 T，鋸片轉速為4 000 r/min和進給速度為10 mm/s。

圖8 切割試驗效果圖

4 結 語

對于廢舊鋰電池拆解切割過程中圓鋸片的耐用性和穩定性是切割過程中的重要考慮因素。通過正交實驗的設計方法，在進給速度、鋸片齒數、鋸片轉速三個因子水平上，對鋸片在切割過程中的切削力進行了研究。進行了切削力測試試驗，仿真結果表明切削力和實驗吻合良好。在保證切割質量和切割效率的前提下，選取的參數為鋸片齒數為100 T，鋸片轉速為4000 r/min和進給速度為10 mm/s。可以在一定程度上減小圓鋸片所受的切削力，同時在此參數下進行切割效果良好。