工藝參數(shù)對圓筒形電池殼拉深的影響

文/孫文，田文春，紀(jì)小虎，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

近年來，我國的環(huán)境污染與石油短缺問題日益加劇。新能源汽車市場迅速崛起，其保有量不斷增長，電池等配件需求量與之增長。電池鋼殼是新能源電動汽車中電池高效儲能的主要結(jié)構(gòu)件之一，其用量需求越來越大，安全性能要求也是越來越高，同時還得滿足輕量化的需求。這不僅要求電池殼的壁厚越來越薄，還得保證有足夠的強度，采用適當(dāng)?shù)墓に囍苽浜细竦牧慵簿驮絹碓骄哂刑魬?zhàn)性。當(dāng)前電池殼的生產(chǎn)工藝主要是以拉深成形工藝為主。

在實際生產(chǎn)過程中，不同的工藝參數(shù)會對圓筒拉深件的成形質(zhì)量有著決定性的影響，不合理的工藝參數(shù)會使得拉深件極容易出現(xiàn)起皺、減薄和凸耳等缺陷。因此想要得到高質(zhì)量的拉深件，我們需要選擇合適的工藝參數(shù)，了解各參數(shù)對拉深件的影響規(guī)律，最終達到控形控性的目的。本文以圓筒形電池殼的拉深工藝為研究對象，采用Dynaform 有限元分析軟件對圓筒件拉深的凸凹模間隙、壓邊力及沖壓速度這三個工藝參數(shù)進行仿真分析研究，獲得最佳參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果成功地進行了零件試制，對新產(chǎn)品模具的開發(fā)提供了正確的理論指導(dǎo)。

材料及零件模型

材料參數(shù)

圓筒拉深件的試驗材料為商用的新日鐵鍍鎳鋼，也即SPCE，一種適合深沖/拉深用的深沖級別冷軋?zhí)妓劁摪濉：穸葹?.6mm，其單向拉伸力學(xué)性能參數(shù)見表1，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1 所示。

圖1 SPCE 真實應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 SPCE 材料力學(xué)性能參數(shù)

有限元模型

根據(jù)實際的凸凹模尺寸，利用Dynaform 軟件建立有限元模型，對圓筒件拉深過程進行數(shù)值模擬。拉深模具的有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

工藝參數(shù)對圓筒件拉深的影響

凸凹模間隙對拉深質(zhì)量的影響

為了研究凸凹模間隙對圓筒件拉深質(zhì)量的影響。本文選定壓邊力為20kN，凸模圓角半徑為R5mm，凹模圓角半徑R5mm，材料厚度0.6mm，坯料直徑140mm，沖壓速度1000mm/s。對拉深中的凸凹模間隙單邊分別為0.9t、t、1.05t、1.1t、1.15t、1.2t(其中t 為材料厚度)，對拉深成形進行仿真分析。

圖3 為不同凸凹模間隙下的厚度變化率與凸耳率曲線圖。板料在拉深成形過程中，拉深模具的凸凹模間隙與零件的成形質(zhì)量是直接相關(guān)的。隨著凸凹模間隙的增大，最大減薄率、最大增厚率及凸耳率整體都是呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。當(dāng)凸凹模單邊間隙為1.1t(其中t 為材料厚度)時，三項指標(biāo)達到最小值，最大減薄率為11.755%，最大增厚率為21.563%，凸耳率為7.9%，成形質(zhì)量最佳。

圖3 不同凸凹模間隙下的厚度變化率與凸耳率曲線圖

當(dāng)凸凹模間隙過小時，會引起拉深力的急劇增大，從而導(dǎo)致材料的內(nèi)應(yīng)力增大，危險斷面更容易產(chǎn)生破裂，甚至直接脫底。同時，模具的磨損加劇，壽命銳減。當(dāng)凸凹模間隙過大時，拉深零件側(cè)壁的錐度大，更容易發(fā)生起皺現(xiàn)象，而且口部的增厚是無法消除的，側(cè)壁厚度精度較差。凸凹模間隙較小或者較大時，無論是最大減薄率，最大增厚率還是凸耳率都較大，成形質(zhì)量很差。當(dāng)凸凹模間隙在合理范圍內(nèi)，最大減薄率，最大增厚率及凸耳率都較小，成形效果好。

壓邊力對拉深質(zhì)量的影響

拉深成形過程中，在沖床或者壓力機的作用下，隨著拉深行程的逐漸增大，凸緣邊緣的材料不斷地沿著徑向移動到中心，會出現(xiàn)拉深失穩(wěn)現(xiàn)象。一般是通過增加壓邊力來降低或者改善拉深失穩(wěn)缺陷。壓邊力的大小一般可以根據(jù)公式⑴進行理論計算：

Q={π[D2-(d+2rd)2]q}/4 ⑴

公式中：D 為板料的直徑(mm)；d 為拉深后零件直徑(mm)；q 為單位壓邊力(MPa)；rd為凹模圓角半徑(mm)。本文中單位壓邊力q 取值為2.5MPa，通過上面公式計算可求得，所需要的理論壓邊力最小值Q 取30kN。

為了研究壓邊力對圓筒件拉深質(zhì)量的影響。本文選定凸模圓角半徑為R5mm，凹模圓角半徑R5mm，材料厚度0.6mm，凸凹模間隙取1.1t(t 為材料厚度)，坯料直徑140mm，沖壓速度1000mm/s。對拉深中的壓邊力分別取2kN、10kN、20kN、30kN、50kN、100kN，對拉深成形進行仿真分析。

圖4 為厚度變化率和凸耳率相對于壓邊力的變化關(guān)系，當(dāng)壓邊力大小在10kN、20kN 時成形效果好，最大減薄率及最大增厚率都在25%以內(nèi)。最大增厚率與最大減薄率數(shù)值分別為21.439%，21.182%，10.226%，10.007%。壓邊力小于10kN 或大于20kN成形質(zhì)量都是很差，筒形件的最大減薄率與最大增厚率都是遠大于25%，成形失敗。

根據(jù)圖4 可知，壓邊力對凸耳率影響較大，當(dāng)壓邊力較小或者較大時，圓筒件的凸耳率較大，只有當(dāng)壓邊力在一定的合理范圍內(nèi)，凸耳率較小，成形較好。當(dāng)壓邊力過大時會增加危險斷面區(qū)域的拉應(yīng)力，會出現(xiàn)嚴重減薄或者被拉裂；當(dāng)壓邊力過小時，又容易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。在實際的生產(chǎn)中，壓邊力的大小通常是根據(jù)既不發(fā)生起皺又不被拉裂的原則加以調(diào)整來確定。所以，在拉深過程中的壓邊力是一個至關(guān)重要的工藝參數(shù)。

圖4 不同壓邊力下的厚度變化率與凸耳率曲線圖

沖壓速度對拉深的影響

沖壓速度是沖壓成形的重要工藝參數(shù)之一。如果沖壓速度不同，板材成形過程中的變化率也會發(fā)生變化。不同的沖壓速度會使板材獲得不同的成形極限，從而反映出不同的加工硬化特性。再者，沖壓速度的變化也會導(dǎo)致模具之間的摩擦特性發(fā)生變化，進而獲得不同質(zhì)量的拉深件。另外，從生產(chǎn)效率的角度來看，新能源電池殼需求量較大，沖壓速度將影響生產(chǎn)交付及時率。所以確定合理的沖壓工藝參數(shù)至關(guān)重要。拉深屬于一個靜態(tài)過程，沖壓速度增加到一定范圍時會出現(xiàn)模擬失真。所以，目前對于拉深模具的拉深成形過程進行仿真時，拉深模具的沖壓速度通常控制在5000mm/s 之內(nèi)。

為研究沖壓速度對圓筒形電池殼拉深成形質(zhì)量的影響。本文分別對沖壓速度為500mm/s、1000mm/s、1500mm/s、2000mm/s、2500mm/s 五種情況進行仿真分析。其他工藝參數(shù)保持不變，壓邊力20kN，凸模圓角半徑R5mm，凹模圓角半徑R5mm，凸凹模間隙1.1t(t 為料厚)，坯料直徑140mm，板厚0.6mm。

圖5 為厚度變化率與凸耳率相對于沖壓速度的變化關(guān)系，不同的模擬速度對圓筒件拉深成形過程的相關(guān)參數(shù)有一定的影響作用，模擬速度過大或者過小都會出現(xiàn)成形失敗。當(dāng)沖壓速度v=1000mm/s 時，圓筒件成形效果比較好，從圖中可以看出最大增厚率為21.451%，最大減薄率為10.844%。當(dāng)沖壓速度增加到1500mm/s 時，最大增厚率為20.802%，最大減薄率為21.212%。當(dāng)沖壓速度繼續(xù)增加到2000mm/s 時，最大增厚率為17.201%，最大減薄率為23.43%。

圖5 不同沖壓速度下的厚度變化率與凸耳率曲線圖

從圖5 可看出，隨著沖壓速度的增大，凸耳率整體呈下降的趨勢。在沖壓速度1000mm/s后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。只從曲線上來看，發(fā)現(xiàn)沖壓速度在2500mm/s 時凸耳率最小，成形效果最好。實際上并非這樣，速度達到2500mm/s 時，筒底已經(jīng)被拉裂脫底了，往后的繼續(xù)拉深筒頂已經(jīng)不發(fā)生變化了。所以沖壓速度要保持在合理范圍內(nèi)，否則會出現(xiàn)拉裂缺陷。

由圖6 拉深力變化曲線圖可知，沖壓速度超過1000mm/s 后，沖頭拉深力的大小隨沖壓速度的增大逐漸增大。當(dāng)沖壓速度超過2500mm/s 時，沖頭的拉深力上升達到最大值80kN，筒形件的底部已經(jīng)被拉裂脫底了。

圖6 不同沖壓速度下的拉深力變化曲線

試驗驗證

由數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，最優(yōu)的工藝參數(shù)為1.1t(t=0.6mm)的凸凹模間隙、20kN 的壓邊力和1000mm/s 的沖壓速度。在保持其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，將最優(yōu)工藝參數(shù)應(yīng)用到實際拉深模具中進行驗證。

試驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果如圖7 所示，從外觀上來看，基本保持一致。接著比較其成形厚度分布狀況。將拉深后的鋼殼利用線切割設(shè)備從中心線方向切開，利用千分尺測量其12 個點的厚度，并與有限元仿真結(jié)果的厚度云圖中對應(yīng)位置進行對比，如圖8 所示。

圖7 試驗與有限元結(jié)果外觀對比

圖8 試驗與有限元結(jié)果厚度對比

從表2 分析得出，有限元數(shù)值模擬工件的厚度與試驗研究實際工件的厚度最大相對誤差在圓角處，并都在4%以內(nèi)，整體相對誤差較小。總而言之，本文建立的筒形電池殼拉深有限元模型是準(zhǔn)確可靠的。

表2 有限元驗證與試驗數(shù)據(jù)對比

結(jié)論

采用有限元仿真對圓筒形電池殼的拉深過程中的三個工藝參數(shù)進行仿真分析研究，并進行了物理試驗驗證，其結(jié)論如下。

⑴凸凹模間隙較小或者較大時，無論是最大減薄率，最大增厚率還是凸耳率都較大，成形質(zhì)量很差。當(dāng)凸凹模間隙在1.1t(t 為材料厚度)時，成形效果最好。

⑵當(dāng)壓邊力過大時會出現(xiàn)嚴重減薄或者被拉裂；當(dāng)壓邊力過小時，又容易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。壓邊力為20kN 時，成形效果最好。

⑶不同的模擬速度對圓筒件拉深成形過程的相關(guān)參數(shù)有一定的影響作用，模擬速度過大或者過小都會出現(xiàn)成形缺陷。沖壓速度超過1000mm/s 后，沖頭拉深力的大小隨沖壓速度的增大逐漸增大。沖壓速度為1000mm/s 時，成形效果最好。

⑷根據(jù)對這三個工藝參數(shù)的研究分析，取最佳參數(shù)組合進行仿真分析，同時進行物理試驗。優(yōu)化后的模擬結(jié)果及物理試驗結(jié)果都是較佳的，將兩結(jié)果進行對比，可知兩結(jié)果誤差保持在4%以內(nèi)，證明有限元仿真模型是可靠的。