淺析DFM方法在鋁合金型材箱體加工中的應用與實踐

胡霞飛 林志宏 曹勇

摘 要：新能源汽車動力電池的關鍵部件即下箱體一般采用鋁合金型材焊接工藝。由于這種材料具有質量輕，易加工的優點而得到了廣泛應用。“面向制造的設計（Design for Manufacturing），簡稱DFM”的方法是要求在設計的初始階段就需要考慮制造。體現在電池系統下箱體的關鍵工序，如型材擠壓、型材零件加工、攪拌摩擦焊、裝配等，要求在設計階段要考慮易加工性和易裝配性，同時滿足更低的加工成本，更短的時間、更高的質量。文章通過類比和試驗的分析方法，具體闡述了這一理論的實踐過程。

關鍵詞：面向制造的設計;DFM;鋁合金型材;型材擠壓;攪拌摩擦焊;電池箱體;動力電池

中圖分類號：U466? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-178-03

Abstract： Aluminum alloy profile welding process is generally used for the lower box， the key component of new energy vehicle power battery. Because of the advantages of light weight and easy processing， this material has been widely used. The method of "design for manufacturing" （DFM） requires that manufacturing should be considered in the initial stage of design. The key processes of the box body under the battery system， such as profile extrusion， profile parts processing， friction stir welding， assembly， etc.， are required to consider the ease of processing and assembly at the design stage， while meeting the requirements of lower processing cost， shorter time and higher quality. In this paper， the practical process of this theory is expounded by means of analogy and experiment.

Keywords： Design for manufacturing; DFM; aluminum alloy profile; profile extrusion; friction stir welding; battery box; power battery

CLC NO.： U466? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-178-03

前言

在全球化的背景下，企業之間的競爭日益加劇，在產品開發中任何一個環節稍有落后，就可能被競爭者超越，甚至被淘汰出局。企業如何才能以更低的成本、更短的時間、更高的質量進行產品開發呢？面向制造和裝配的產品設計正是這樣的一個有效手段。它從提高產品的可制造性和可裝配性入手，在產品開發階段就全面考慮產品制造和裝配的需求，同時與制造和裝配團隊密切合作，通過減少產品設計修改、減少產品制造和裝配錯誤、提高產品制造和裝配效率，從而達到降低產品開發成本、縮短產品開發周期、提高產品質量的目的。

面向制造的設計（Design for Manufacturing），簡稱DFM，顧名思義，設計要滿足制造的要求，它是并行工程的一項表現形式。因為設計與制造是產品生命周期中的兩個重要環節，要求在產品設計的初始階段就要考慮產品的可制造性和可裝配性。此理論在汽車制造行業有著廣泛的應用，特別是近些年隨著純電動汽車的推廣和普及，人們對純電動汽車降價的訴求越來越強烈的背景下，如何降低占整車比重較大的電池成本是擺在業內人士面前的一道難題。這就需要做到既要精益設計也要精益生產，以最大限度的降低電池系統成本。本文著重就DFM方法在電池系統的關鍵部件，即鋁合金型材箱體的加工中的應用進行舉例表述。

1 加工方法及設備

電池系統下箱體，是承載電池模塊及內部高低壓電氣組建的載體，也是保護動力電池系統的屏障，作為關鍵部件，要求其可在惡劣環境中使用。具體是要有較高的強度、耐腐蝕能力、密封性能等。目前國內大多數主機廠的動力電池系統下箱體都使用的鋁合金材質。由于其質量輕，易加工的優點，特別是攪拌摩擦焊工藝的應用，也很大程度上降低了動力電池系統的成本。以下是工藝流程圖：

1.1 型材擠壓

型材擠壓工序，在設計階段就需評價型材的易成型性。一般采用經驗公式法，根據以往的經驗，對典型的型材截面結構特征的實際成型情況進行綜合分析，來推測新的結構形狀是否易成型。如果評價不易成型，就得重新進行設計，直到評價為易成型后，方可進行下一步的工作，這樣，一則可以避免反復的修模和調試，二則可以縮短產品開發和生產周期，從而減少資源的浪費，降低成本。例如，圖2中，有兩種外形尺寸相同的型材，進行擠壓試驗。

試驗過程：取A、B兩種型材模具，截取兩段同規格鋁棒（材料牌號：6061-T6），加熱到同樣的溫度，設定相同的擠壓力及工藝參數，按先后順序在同一臺擠壓設備上進行擠壓試驗，觀察型材成型情況，并截取型材試樣品各一段，并進行彎曲性能和拉伸強度測試。

試驗表明：兩種型材擠壓后，型材A的成型效果良好，在a位置厚度均勻，飽滿。型材B在b位置有輕微收縮變形，局部有缺料現象。彎曲性能和拉伸強度：型材A優于型材B。因此，在設計時，盡量避免B截面形狀。

1.2 型材及零件加工

型材的加工，包含鋸切、加工及整形等工序。對于結構簡單的零件，首要考慮的是現有設備的通用性，例如對于箱體的底板，設計時，應結合現有的設備和工裝夾具，盡可能的的同一臺設備上加工更多的產品;對于結構復雜的零件，設計時，盡量進行簡化，例如統一某一種尺寸，減少刀具種類，再或者需要加工的位置盡可能的設計在同一方向，避免多次裝夾（下圖3）。

在鋁合金箱體結構中，可能會出現如下結構（圖4左），由于深孔加工工藝質量控制難度較大，設計時，應盡量避免實體深孔結構，當這種不可避免時，可以采用中空加襯套結構，來降低工藝難度（圖4右）。

1.3 焊接

鋁合金型材箱體焊接一般采用攪拌摩擦焊+CMT補焊的工藝焊接。

攪拌摩擦焊是指利用高速旋轉的焊具與工件摩擦產生的熱量使被焊材料局部熔化。該焊接方式，不需要焊絲、能一次完成長焊縫的焊接，工件平整、不易變形，方便實現機械化、自動化，對作業環境要求低，對作業人員危害小的優點，已廣泛應用于各個領域。以下是攪拌摩擦焊工藝示意圖：

因此，在進行箱體結構設計時，應充分結合生產工藝，盡可能的多使用攪拌摩擦焊焊接，減少CMT焊接。達到降本增效的目的。

在進行箱體焊接前，需把箱體的各部分零件拼接起來，局部點焊。形成箱體的雛形，才能進行下一步的摩擦焊。體現在設計環節，首先要評估后期焊接后箱體收縮變形量，設計時，可適當留出加工余量，其次要評估設備的加工精度，設計合理的公差標準，確保箱體拼接后，誤差在公差范圍內。然后再進行摩擦焊，否則，難以控制焊接精度。這些因素在設計之初也應予以考慮。

2 結論

在設計的初始階段就考慮制造，通過類比分析的方法，總結同類產品在制造端相同的工序中顯現出的缺陷或經驗教訓，以此來指導設計。這樣可以有效的降低電池箱體的成本，避免浪費。DFM的理論在動力電池制造領域的應用還很多，盡可能的加以應用。

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