基于純電平臺的汽車電池盒沖壓工藝研究

張博凡，郭 杰，李麗芳

（上汽通用汽車有限公司整車制造工程，上海 201206）

1 引言

純電平臺電動車的電池模組一般包括電池盒上蓋、密封、線束、母排、冷卻液軟管、電池系統配電盒、基礎模塊架構、電池盒下蓋等。經由四大工藝完成：沖壓、車身、油漆、總裝。沖壓車間完成電池盒上蓋和電池盒下蓋制件的制作；車身車間分別完成電池盒上蓋和電池盒下蓋與各自對手件的焊接，以及內部的密封；油漆車間完成電池盒上蓋和電池盒下蓋的電泳和外部的密封；總裝車間完成電池模組的接地試驗、銳邊測試和氣密試驗。

為保證電池安全，電池盒需要很高的密封性，故沖壓成形具有以下技術難點：盒形制件拐角密封面易起皺；制件的自重大，剛性差，收料存在變形風險；存在銳邊檢測要求，不允許存在明顯毛刺；尺寸大，表面平，尺寸控制難，尤其是密封面區域等。

2015 年劉超等人采用Dynaform 對電池盒的6 步深拉深沖壓過程進行數值模擬仿真[1]，表明數值仿真技術與試驗相結合方法可以有效解決用解析方法描述難度較大的問題。2017 年梁笑等人依據有限元軟件的成形仿真結果研究分析了電池盒開裂、起皺等缺陷產生的原因[2]，確定了制件的最佳成形方案，材質采用鋼板。2019 年胡橋木設計的復合材料電池盒自動預成型系統可實現多種型號及尺寸電池盒殼體展開[3]。同年曹鳳梅等人利用NX 建立塑件三維模型的基礎上，借助其Mold Wizard 注塑模向導模塊設計了電池盒注塑模具[4]。2020年王勝用Autoform對電池盒下蓋拉深成型工藝開展了數值模擬分析，并最終確定了最佳工藝作為實際生產工作的重要參考方案，其材質同樣為鋼板[5]。

本研究基于GM 首款純電平臺Ultium，電池盒分為上蓋和下蓋，如圖1、圖2所示，材質采用高強鋼，電池容量為12模組。不但制件尺寸大，且高強鋼的成形和回彈控制較上述研究更加困難?；谏鲜鲅芯浚疚氖紫韧ㄟ^有限元虛擬仿真驗證制件的成形性；其次對其進行工藝排布，分析現場實現的可行性；最后分析了該類制件現場出現的收料變形問題以及解決方案。

圖1 電池盒上蓋

圖2 電池盒下蓋

2 沖壓成形性分析

電池盒上蓋和電池盒下蓋的基本參數如表1 所示。從表1中可以看出，電池盒上蓋和電池盒下蓋的材質是一樣的，但電池盒下蓋的大小、厚度和重量都比電池盒上蓋要大，成形的難度偏高，故成形分析選擇電池盒下蓋作為研究對象。

表1 制件的基本參數

采用Autofrom 進行設置和計算，材料模型為Cr210B2 材料，彈性模量為207GPa，泊松比為0.33，材料密度為7.8g/cm3，抗拉強度為357.1MPa，屈服強度為235MPa，r0=1.7，r45=1.7，r90=1.7。沖壓方向選擇開口向下，采用的板料為方形料，將制件上的法蘭面全部布置于壓料面上，如圖3所示。

圖3 電池盒下蓋的仿真模型

仿真分析的成形性結果如圖4 所示，分析過程中密封面（圖中黑框位置）處易出現起皺和開裂，通過產品圓角的修改和拉延筋的調整可以改善[2，6]。回彈結果如圖5 所示，初始制件回彈較大，整體回彈量為25mm，通過在產品平面處增加加強筋，彈量降低至18mm，可通過回彈補償控制。

圖4 電池盒下蓋的成形性結果

圖5 電池盒下蓋的回彈結果

通過產品更改和工藝優化，電池盒的成形和回彈問題均能夠滿足要求。

3 工藝分析

3.1 工藝排布

首先，電池盒上片和下片的法蘭面之間有密封膠，面輪廓度的要求比較高，公差為±0.5mm，且法蘭面上局部的小特征在拉伸工序被做了過拉伸，故需在工藝排布中單獨安排針對法蘭面的整形工序。其次，制件周圈的立面上均有孔，故一工序無法完成所有的修邊和沖孔，需兩工序修邊和沖孔。故電池盒制件需要4工序來實現：第1工序為拉伸，第2工序為修邊，第3 工序為整形，第4 工序為正修邊、正沖孔、側沖孔，如圖6所示。

圖6 工藝排布

3.2 設備通過性

電池盒制件在自動化沖壓生產線上生產，工序間的制件傳遞由連桿和吸盤組成的機械手端拾器來完成，需合理選取吸盤的位置和大小。由于該類制件自重大，尺寸大，剛性差，相對于常規的制件，需增加吸盤的數量。根據制件的以上特點，該制件選取12個直徑φ60mm的吸盤，如圖7所示。

圖7 吸盤位置

由表1 可知，電池盒上蓋和電池盒下蓋的重量都比較大，每個制件在線末至少要安排2名收料人員完成制件的質檢和裝箱。

綜上所述，電池盒上蓋盒下蓋的工藝性和設備通過性均滿足工廠要求。

4 收料變形及解決方案

4.1 收料變形問題

在IV造車階段，會對軟模制件進行收料時的實物跌落模擬[7]，按照機械手將最終制件放到線末傳送帶上的工況設置驗證試驗。首先按照沖壓生產線最后一序的沖壓方向確認驗證方向，本課題中的電池盒上蓋和電池盒下蓋的驗證方向均為開口朝下，如圖1所示，按照此姿態的最低點離工作臺50mm的工況進行實驗，使制件自由跌落。電池盒下蓋在跌落結束后能夠恢復原狀，未發生明顯變形，而電池盒上蓋在跌落結束后有2個區域發生了明顯的變形，如圖8所示。

圖8 電池盒上蓋的跌落變形

分析其原因，首先，由表1可知該制件的重量比較大，其次，由圖1、圖2 和圖8 可知，電池盒下片相較于上片，在圖示區域高度很低，剛度差，導致此兩位置跌落后發生了塑性變形。

4.2 解決方案

優化方案有兩種，一是優化制件，提高制件剛度，但制件已沒有空間增加特征，該方案不可行；二是優化工藝，經過分析，將電池盒上蓋的沖壓方向設置為開口朝上，使得凸面先觸地，降低了變形位置的離地高度，以減小沖擊。工藝上最后一工序立面上的孔由吊楔實現改為勾楔實現，如圖9所示。對采用新工藝方案的電池盒下蓋進行實物跌落模擬，未發生明顯變形，該方案可行。

圖9 開口朝上的電池盒上蓋

5 結論

本文對某純電平臺的電池盒沖壓工藝進行了系統研究，首先通過有限元虛擬仿真分析了制件的成形性；其次對制件的工藝排布和工廠設備通過性進行了分析驗證；最后介紹了電池盒上蓋收料時的跌落變形問題，并通過優化工藝給出了解決方案。

圖10所示為裝配好的電池盒，已順利投入正式生產，且制件無質量問題。研究表明，通過優化工藝方案，可以在沖壓車間實現純電平臺電池盒的批量生產。

圖10 裝配好的電池盒