鋼材電池包箱體沖壓方案探討

張明旺，譚學鋼

（零跑汽車有限公司，浙江金華 321000）

1 引言

2019年被稱為電動汽車元年，為了應對石油危機，中國的電動汽車策略，已經深刻影響到了全球的汽車發展格局，電動汽車的發展已經是傳統燃油車主機廠的戰略發展方向，并也因此孕育了一批新能源電動汽車廠。電動汽車的異軍突起是這個時代的機遇，也是這個時代的使命。與傳統燃油車相比，續航問題是擺在購車人面前最大的焦慮點。

續航里程從我司S01車型的451公里，到最近發布的C11車型，綜合續航里程突破600公里。無不說明，續航里程的焦慮隨著科技的進步在不斷的淡化。但是，整個電池包的成本卻占到了整車成本的三分之一左右，無疑成本問題將成了電動汽車最大的痛點。傳統電池包一般是通過鋁型材壓鑄然后焊接而成，不僅生產效率極低，而且成本居高不下。我司突破傳統思維，采用白車身常見的鋼材沖壓件焊接模式組裝成電池包箱體，充分利用沖壓車間的現有沖壓機床及焊接車間的原有機器人設備，通過廠內成熟的物流體系及質量體系，能夠大幅提高生產效率、有效降低制造成本并且能夠把控整個電池包的制造質量。

由于電池包箱體對于氣密性的特殊要求，箱體結構的下殼體和上蓋的尺寸成為了項目的關鍵指標，本文也是主要針對鋼制電池包箱體的上蓋和下殼體的沖壓可行性、沖壓工藝以及模具開發做一些探討和總結。

2 前期數據分析

初版數據是參照傳統電池包箱體結構，如圖1所示，下殼體負責承重，材質為220Y，上蓋負責密封，材質為DC04，這樣就造成上蓋成型深度過大，最大深度達到120mm，為了保證電池模組的容量，拔模角度最大只能做到10°，通過分析，在上蓋的角部出現明顯的開裂現象，同時法蘭面起皺嚴重，角部法蘭面甚至出現了疊料現象。因此上下箱體的分縫位置需要重新調整（見圖2），將上蓋的深度變淺，控制在深度80mm左右，電池模組端頭的外插線部分，留在下殼體，既能保證安裝的便捷性又能保證制件精度。

圖1 初版數據

圖2 修改分縫位置

修改后通過不斷的分析優化，最終達到了沖壓要求，既保證法蘭平整度的同時又能保證側壁及圓角無開裂風險。分析過程中上蓋和下殼體側面都出現了尺寸內凹、法蘭面起皺等問題，最大回彈尺寸達到3mm以上，側面的內凹同時影響到了法蘭面的尺寸回彈，經過多輪分析驗證，拉伸工藝方案由雙筋更改為拉伸檻加單筋結構，同時制件優化，側壁增加補強筋，抑制側壁內凹，最終制件側壁及法蘭面回彈都得到了有效控制，最終分析結果僅在側壁拐角處的法蘭面出現了輕微的起皺。最終數據分析如圖3、圖4所示。

圖3 上蓋分析結果

圖4 下殼體分析結果

3 工藝方案

電池箱體上蓋與下殼體都屬于盒形件，側壁易回彈，法蘭易起皺，為了滿足整體尺寸符合率的要求，傳統工藝方案一般為5道工序：拉伸→修邊→修邊沖孔→整形→沖孔（側沖）。由于受到降本方面的制約，工藝方案需要有新的挑戰。

為了保證箱體的性能要求，下殼體和上蓋的法蘭必須要有整形工序，才能為修邊后法蘭尺寸的整改，提供有效的整改空間；在裝配過程中上蓋與下殼體法蘭上的孔位需要對齊，才能保證螺栓順利通過并擰緊，因此孔位位置度需要滿足設計要求，沖孔工序需要放在整形工序之后才能有效的保證孔位的準確，同時需要將工序數量縮減到最少。

綜上所述，拉伸、修邊工序不可少，為了保證法蘭的尺寸需保留整形工序，法蘭一圈的沖孔工序為了保證孔位還需要單獨一道工序，為了縮減工序，可以考慮將修邊工序與整形工序合并，因此上蓋的極限工藝方案為3道工序：拉伸→修邊整形→沖孔，如圖5所示。

圖5 上蓋極限工藝

下殼體較上蓋增加了側壁插線孔，因此存在法蘭上正沖和側沖無法錯開的情況，如圖6所示，為了保證法蘭密封面上孔位的一致性，將側沖的孔位調整到第2工序，同時此處的廢料區域也安排到第4工序，第3工序只保留整形。因此下殼體的工藝方案為：拉伸→修邊側沖孔→整形→修邊沖孔。

圖6 下殼體工藝方案

4 模具結構

模具結構除上蓋OP20以外，其余都是常規模具結構，OP20由于工藝的特殊性，將修邊工序與整形工序合并，整形是通過法蘭周圈的整形鑲塊，修邊需要將周圈的廢料一次全部修掉，因此在模具結構圖紙上需要將兩個刀塊疊加安裝，如圖7所示，并且修邊刀塊工作時，由于整形刀塊還未到底，因此修邊刀塊的切入量需要盡量縮減，波浪刀切入量控制在1.5倍的板厚與3倍板厚之間，盡量減小空切對法蘭尺寸的影響，并且法蘭面修邊輪廓尺寸公差為±1.0mm，空切的微量波動，對制件質量影響非常小，上模結構如圖7所示。

圖7 上蓋結構

5 零件尺寸符合率

上蓋與下殼體，通過焊接成為焊接總成并通過涂裝電泳，再裝配電芯后上下通過螺栓打緊，最終裝配成電池包，整個電池包還要經過氣密、涉水等各種測試，最終才能達到一個合格的制件，因此最終制件的特殊性，也決定了對于箱體尺寸有著更嚴格的要求。

對于上蓋、下殼體的關鍵尺寸必須滿足設計需求：法蘭面整體公差需控制在±0.5mm，下殼體關鍵焊接位置通過卡板檢測，公差也為±0.5mm，同時還要保證所有的裝配孔，孔位達到100%合格。并且需要模具整體研合率達到90%以上，避免因為尺寸的波動影響焊接質量和孔位的偏差，兩個件首件狀態在法蘭面上出現了明顯的波浪，后期通過整形工序的研和與強壓，消除了明顯的起皺與波浪，證明整形工序在整個電池包質量提升中的必要性。

最終通過不斷的調整和試模，模具自動化聯調出件，通過檢具測量，上蓋整體尺寸符合率達到94%，下殼體整體尺寸符合率達到93.5%，兩個件關鍵尺寸和孔位達到100%。

6 分析與結論

最終電池包質量通過了質量驗證，上蓋和下殼體也都滿足了設計要求，達到了量產交付狀態，也驗證了降本方案，上蓋通過縮減工序，修邊整形同序生產的可行性。

制件拐角處法蘭面上的輕微起皺與前期分析結果基本一致，由于法蘭面上有密封壓條和密封圈的作用，最終制件也達到了使用需求，輕微的角部起皺，并未影響到制件的氣密性要求。

模具回廠之后，通過提高壓邊力，調整平衡墊塊間隙，保證不開裂，無暗裂，起皺可控的情況下，不斷縮減板料尺寸，將拉伸工序成品后的抽料線，保留在半個拉伸筋的位置，最終兩個件的材料利用率都提高到了82%以上。與前期分析的78%的材料利用率提升了4個百分點，節省了單車成本。

7 結束語

修邊工序與整形工序的整合有效的降低了工序數量，節省了前期模具開發成本；拉伸抽料線控制在半個拉伸筋位置，通過量產驗證，制件穩定可靠，對于單件和整車降本也起到了很關鍵的作用。

鋼材沖壓制電池包箱體，最終達到了量產，并滿足了制件的一系列測試，充分驗證了此方案的可行性，也為后續車型電池包降本方案提供了可靠的借鑒意義。