軟包鋰電池電芯封裝鋁塑膜外殼拉深工藝

關玉明 趙 越 崔 佳 于 盼 李 朝 商 鵬

河北工業大學機械工程學院，天津，300130

0 引言

目前，鋁塑膜拉深成形過程中存在“角位破損”現象［1］，因此，在生產過程中，應選取合理的參數避免該現象的發生。影響鋁塑膜拉深成形的因素有模具結構、壓邊力、潤滑條件和拉深速度等。模具結構中，影響拉深成形的因素包括模具凸模圓角半徑、凸／凹模間隙、模具形狀等。國內外學者對影響拉深件成形的因素進行了分析。CHEN等［2］研究了凸模結構對盒形件拉深深度的影響，發現盒形件的拉深深度隨凸模圓角半徑的增大而增大；趙文亮［3］提出了一種有限元模擬方法，使用eta／DYNAFORM有限元軟件對矩形盒法蘭進行了模擬分析，以證明計算模型模擬所得結果是可靠的；顧善德［4］通過調整壓邊力和拉深力保證拉深成形；趙振鐸等［5］分析了不銹鋼薄板拉深成形的摩擦特點，證明了對不同變形程度的拉深件應選用不同的潤滑劑以達到合理的摩擦因數；彭宜昌［6］研究了壓邊力、摩擦因數、初始厚度、凸／凹模圓角半徑、拉深模間隙等對鍍鎳金屬薄板厚度變化的影響，并確定了各參數的影響程度；寇福俊等［7］結合響應曲面法（response surface method，RSM）與粒子群算法，對鋁型材擠壓模具進行了優化設計，使型材質量大幅提高。上述研究多是圍繞沖壓工藝的某個或某些工藝參數對材料成形性能進行分析，缺乏針對多工藝參數之間相互影響及其對成形性能綜合影響的研究。

本文以軟包裝鋰電池電芯封裝用鋁塑膜材料為研究對象，結合單因素試驗和正交試驗對影響鋁塑膜成形性能的工藝參數進行分析，采用響應曲面法（RSM）、拉丁超立方試驗設計（LHS）和多目標粒子群優化（MOPSO）算法相結合的方法，對影響鋁塑膜成形性能顯著的參數進行優化分析。

1 工藝參數對鋁塑膜拉深成形的影響

1.1 鋁塑膜特性

軟包鋰電池電芯封裝用鋁塑復合膜根據復合工藝的不同，可分為干法鋁塑膜和熱法鋁塑膜。與熱法工藝相比，干法工藝鋁塑膜拉深性能優良，成形一致性好，不易出現魚眼、破裂等現象導致的拉深性能劣化［8－10］。本文以昭和電工的干法軟包鋰電池鋁塑復合膜為研究對象，鋁塑膜材料為尼龍層、鋁層、PP層三層復合，結構如圖1所示。

圖1 鋁塑膜復合結構Fig.1 Aluminum plastic film composite structure

筆者在INSTRON萬能試驗機上進行鋁塑膜拉伸試驗，得到鋁塑膜材料特性和本構模型。試驗材料為150mm×20mm的條狀鋁塑膜（厚度為113μm，5條試件為1組）。圖2所示為鋁塑膜試件及其拉斷試件，拉伸速度10mm／min。對所記錄拉伸試驗數據進行處理，得到圖3所示的鋁塑膜材料應力應變曲線。

圖2 鋁塑膜試件和試驗拉斷試件Fig.2 Aluminum plastic film test pieces and experimental tensile specimen

圖3 鋁塑膜應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of aluminum plastic film

1.2 有限元仿真

根據所得應力應變曲線，在DYNAFORM軟件中定義鋁塑膜坯料的材料屬性，建立鋁塑膜拉深有限元仿真模型，如圖4所示。

仿真模型中，鋁塑膜坯料尺寸為126mm×82mm，拉深形狀為86mm×42mm方殼（深5mm）。依據企業生產實際情況得到的參數見表1。參數設置完成后運用LS-DYNA求解器求解，運用eta／POST軟件進行后處理［11］。

圖4 鋁塑膜拉深有限元分析模型Fig.4 Aluminum plastic film forming finite element analysis model

表1 鋁塑膜拉深工藝參數和模具參數Tab.1 Process parameters and die parameters of aluminum plastic film

1.3 工藝參數對鋁塑膜成形性能的影響分析

本文從鋁塑膜拉深成形后厚度分布的角度分析各工藝參數對其成形性能的影響。鋁塑膜拉深（盒形件拉深）時，凸緣變形區圓角處的拉深阻力大于直邊的拉深阻力，圓角處的變形程度大于直邊處的變形程度［12］。為盡可能反映各工藝參數對鋁塑膜厚度分布的影響，在圓角位置徑向選取6個點作為鋁塑膜厚度測量點，如圖5所示。

圖5 有限元模型的厚度測量點Fig.5 Measurement points of thickness for finite element model

1.3.1 壓邊力

鋁塑膜拉深成形過程中，坯料壓邊圈為鋁塑膜提供摩擦抗力，通過增大鋁塑膜內部拉應力來控制材料的流動，鋁塑膜拉深部位由邊緣及底部材料補償，避免起皺。因此，壓邊力是鋁塑膜成形的重要工藝參數，壓邊力過小，無法有效控制材料的流動，容易起皺；壓邊力過大，可能導致鋁塑膜拉裂［13］。根據試驗所采用鋁塑膜材料面積和生產設備采用的面壓壓力計算壓邊力，選取的壓邊力F為600N、1 200N、1 800N、2 400N、3 000N，其他參數不變，進行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗，并測量6個測量點處鋁塑膜的厚度。

圖6所示是不同壓邊力下鋁塑膜的厚度分布。由圖6可知，壓邊力太小，鋁塑膜拉深成形材料流動多、易起皺，不能滿足使用要求。隨著壓邊力的增大，壓邊圈對鋁塑膜的摩擦抗力相應增大，殼體底部和邊緣對拉深部分進行補償，導致材料流動性逐漸變差，鋁塑膜成形時厚度相應減小。通過上述仿真分析發現，壓邊力最優值應在1 200～3 000N之間。

圖6 不同壓邊力下鋁塑膜的厚度分布曲線Fig.6 Thickness distribution of aluminum film under different blank holder forces

1.3.2 模具圓角半徑

模具結構參數為凸模圓角半徑、模具轉角半徑、凸／凹模間隙等，其中，凸模圓角半徑ra和模具轉角半徑rb是鋁塑膜外殼拉深工藝中最為重要的參數。半徑過小，拉深時容易產生針孔、破裂；半徑過大，鋁塑膜外殼角位部位弧度大，不能與電芯直角角位有效貼合，影響包裝質量。為簡化模型，將凸模圓角半徑ra和模具轉角半徑rb定為相同值，根據生產設備所用模具尺寸選取ra為0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm，其他模具參數不變，進行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗，并測量6個測量點鋁塑膜的厚度。

圖7所示為不同圓角半徑下鋁塑膜的厚度分布。由圖7可知，圓角半徑過小，成形鋁塑膜厚度不均勻且邊角處過薄，影響正常使用；隨著圓角半徑的增大，成形鋁塑膜平均厚度相應增大，當圓角半徑增大到一定值時，其對厚度影響越來越小。

1.3.3 摩擦因數

圖7 不同圓角半徑下鋁塑膜的厚度分布Fig.7 Thickness distribution of aluminum plastic film under different fillet radius

鋁塑膜拉深成形過程中，摩擦因數不僅影響拉深力和壓邊力的大小，還直接影響鋁塑膜坯料的成形性能和零件的表面質量［5］，因此模具和鋁塑膜之間的摩擦因數會對成形過程產生重要影響。本文所用的鋁塑膜與模具間的摩擦因數通過試驗測得，將鋁塑膜與模具鋼板放于水平試驗平臺上，進行拉力測試。在拉深成形過程中，壓邊圈與鋁塑膜、凹模與鋁塑膜的摩擦對成形質量影響較大，壓邊圈和凹模材料相同，因此選取鋁塑膜與模具間的摩擦因數μ 為0.05（有潤滑）、0.10、0.20、0.30，其他參數不變，進行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗，并測量6個測量點鋁塑膜的厚度。

圖8所示是不同摩擦因數下鋁塑膜的厚度分布。由圖8可知，摩擦因數增大，成形鋁塑膜平均厚度減小。當摩擦因數增大到一定值時，對成形鋁塑膜平均厚度的影響無較大變化。結果表明，鋁塑膜與模具之間有潤滑劑時較合適。

圖8 不同摩擦因數下鋁塑膜的厚度分布Fig.8 Thickness distribution of aluminum plastic film under different friction coefficients

1.3.4 拉深速度

拉深速度對材料的流動補償性能有一定影響。本文根據實際生產情況，選取拉深速度v為4mm／s、10mm／s、16mm／s、22mm／s、28mm／s，其他參數不變，進行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗，并測量6個測量點處鋁塑膜的厚度。

圖9所示為不同拉深速度下鋁塑膜的厚度分布。由圖9可知，拉深速度過小，成形鋁塑膜平均厚度較小；隨著拉深速度的增大，成形鋁塑膜平均厚度先減小、后增大；拉深速度為16mm／s時，鋁塑膜拉深效果最好。

圖9 不同拉深速度下鋁塑膜的厚度分布Fig.9 Thickness distribution of aluminum plastic film under different drawing speeds

1.3.5 模具間隙

模具的間隙在拉深過程中會對鋁塑膜產生校直和減薄等作用。本文根據鋁塑膜厚度和模具相關參數，選取模具間隙t為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm，其他參數不變，進行鋁塑膜拉深有限元仿真試驗，并測量6個測量點處鋁塑膜的厚度。

圖10所示為不同模具間隙下鋁塑膜的厚度分布。由圖10可知，模具間隙100μm小于鋁塑膜厚度113μm時，成形鋁塑膜平均厚度顯著減小；模具間隙大于鋁塑膜厚度并逐漸增大時，成形鋁塑膜平均厚度沒有明顯變化。鋁塑膜包裝對其殼體的幾何形狀要求嚴格，選擇較小的模具間隙對鋁塑膜殼體邊部位置的校直有利。

圖10 不同模具間隙下鋁塑膜的厚度分布Fig.10 Thickness distribution of aluminum plastic film under different die gaps

1.4 正交試驗分析

本文選取壓邊力、模具圓角半徑、摩擦因數、拉深速度和模具間隙作為試驗因素，建立確定五因素五水平的正交試驗，見表2。選擇L25（55）正交表確定正交試驗方案［14］，并對25組數據進行有限元仿真試驗，記錄每組試驗鋁塑膜的成形厚度完成正交試驗。

表2 鋁塑膜拉深工藝正交試驗表Tab.2 Orthogonal test table of aluminum plastic film drawing process

利用SPSS軟件對正交試驗所得數據進行方差分析。由表3所示方差分析結果可得，參數A～E 的 F 值依次為14.561、108.620、28.467、14.761、1.866，圓角半徑對鋁塑膜成形質量的影響最為顯著，壓邊力、摩擦因數和拉深速度的影響較為顯著，模具間隙的影響不顯著。

表3 方差分析表Tab.3 Variance analysis

2 鋁塑膜外殼拉深工藝參數優化

通過單因素試驗和正交試驗，分析了5種參數對鋁塑膜成形性能的影響。鋁塑膜拉深工藝影響因素包括幾何非線性和材料非線性等非線性因素，工藝參數等對成形質量的影響是一個多目標非線性函數優化問題。為達到鋁塑膜外殼拉深最優質量的目的，采用響應曲面法、拉丁超立方試驗設計和多目標粒子群優化算法，對影響鋁塑膜拉深成形質量的壓邊力F、模具圓角半徑ra、摩擦因數μ和拉深速度v著重研究，模具間隙選取材料厚度的1.1倍。合格的鋰離子電池包裝用鋁塑膜拉深后必須滿足最薄處厚度不小于原來的50%。因此，將鋁塑膜成形后最薄處厚度t（F，ra，μ，v）作為鋁塑膜外殼拉深工藝優化的目標函數。目標函數如下：

2.1 響應曲面法和拉丁超立方試驗設計

針對鋁塑膜外殼拉深工藝這類多目標非線性優化問題，多采用近似模型（替代有限元模型）來簡化計算。RSM通過對回歸方程的分析求解最優工藝參數，既提高計算效率，又能得到可靠的優化設計［7］。本文的二階響應曲面表達式為

式中，xi為設計變量；e 為殘余誤差；β0、βi、βii、βij為待定系數。

LHS是一種研究多因素的試驗設計方法，每個變量水平只使用一次，可以有效避免重復抽樣，具有較高的抽樣效率。對設計變量F、ra、μ、v，利用LHS方法抽取40組樣本作為各工藝參數設計變量在設計空間的采樣。通過DYNAFORM軟件對40組試驗進行仿真，得到目標函數樣本值表。

2.2 響應曲面建立

根據表1數據，采用最小二乘法擬合響應曲面，確定目標函數模型的待定系數，得到目標函數的響應模型：

對響應模型進行方差分析，相關系數R2為0.951 1，調整系數R2為0.867 7，表明模型擬合程度良好，誤差小，可以代替真實有限元模型進行優化分析。

2.3 基于多目標粒子群優化的算法研究

本文結合MOPSO算法對上述響應模型進行極值尋優，實現對鋁塑膜外殼拉深工藝優化的分析。根據企業生產需求，模具圓角半徑ra越小越適宜，因此需要在MOPSO算法的基礎上對參數ra增加權重系數η，在尋求最優工藝參數時，使模具圓角半徑ra盡可能達到最小值。設置初始種群規模為200，權重為2.0，學習因子為1.5，最大迭代次數為200［15］。適應度如圖11所示，迭代20次以后，粒子達到最優，得到最優工藝參數：F＝2 121 N，ra＝0.4mm，μ＝0.07，v＝6mm／s。

對多目標優化后的參數進行驗證，將所得參數與優化前的參數作為對比試驗數據輸入到DYNAFORM軟件中進行仿真分析。優化后的鋁塑膜拉深工藝成形質量較之前提高，并且沒有發生明顯拉裂現象。圖12為優化后拉深成形鋁塑膜厚度云圖，鋁塑膜最薄處厚度為55μm且厚度最薄處全位于殼體邊角部位，優化后的拉深工藝能使成形鋁塑膜滿足鋰電池成形鋁塑膜外殼必備條件，最薄處大于原來鋁塑膜厚度113μm的50%。

圖11 適應度曲線Fig.11 Fitness curve

圖12 優化后成形鋁塑膜厚度云圖Fig.12 Thickness ofaluminum plastic film after optimization

將鋰電池鋁塑膜沖殼機工藝參數調整為優化后所得工藝參數，對鋁塑膜進行拉深試驗以驗證優化結果是否可靠。拉深成形鋁塑膜殼體如圖13所示。先采用工業上傳統的暗室觀測法對成形鋁塑膜殼體進行檢查，確定其沒有魚眼、針孔、破裂等缺陷。再將鋁塑膜殼體沿成形厚度最薄的邊角位置裁剪，測量4個邊角部位的厚度，其最小值為58μm，證明上述優化結果滿足鋁塑膜生產條件。

圖13 鋁塑膜殼體與切片Fig.13 Aluminum plastic film shell and section

3 結論

（1）壓邊力和模具摩擦因數直接影響鋁塑膜材料流動性能，而鋁塑膜拉深中，主要由殼體底部和邊緣對拉深部分進行材料流動補償。壓邊力取2 121N，模具摩擦因數取0.07時，鋁塑膜材料流動補償性最佳。

（2）模具圓角半徑對鋁塑膜成形性能影響最為顯著，最優的模具圓角半徑為0.4mm，既滿足使用條件，又不會降低鋁塑膜成形質量。

（3）鋁塑膜殼體邊角位置成形厚度最小，對邊角位置厚度的控制和測量可以提高生產檢測效率，為避免“角位破損”問題提供理論參考。