新能源電池鋁箱冷沖壓的工藝研究

闕石生，張希園，鄭宏智，李學云，朱 浩，蘇杰林

（1.中鋁瑞閩股份有限公司，福建 福州 350015；2.上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201306）

新能源電動汽車為追求更長續航里程，提升電池能量密度成為贏得市場的一把“利劍”，當前全球知名動力電池企業都在大力投入研發，通過改進正負極材料、隔膜、電解液等原材料體系及優化PACK結構等，希望盡可能快地提升電芯及電池系統能量密度。相比提升電芯能量密度需要較長的時間且難度較大，優化電池包結構的輕量化設計，效果更為顯著且易實現。

目前市場上新能源電池箱輕量化通常有以下三種途徑：①結構的優化設計：由于電池包內部電池排列或裝配限制，結構一般無法做較大的改動；②采用新型的加工制造技術：比如鋁型材的攪拌摩擦法、鋁板帶熱成型法，但面臨著成本較高、技術不夠成熟等問題；③選用新型材料：比如以鋁板替代鋼板，通過常規冷沖壓成型，僅需要在原沖壓的基礎上對模具進行適當優化，不增加太多成本的基礎上即可實現電池鋁箱冷沖壓成型。

受電池包尺寸大、深度深、坡度陡、倒角小、容易開裂等不利因素的影響，沖制較為困難。目前基本采用超低碳超塑性深沖用DC06鋼進行沖制，但存在重量大、易腐蝕等問題。通過數值仿真模擬分析及常規鋁板冷沖壓技術，普遍存在開裂、起皺、回彈等諸多風險，具體見圖1-2。

圖1 樣品圖

圖2 Autoform模擬結果

如何協同材料-模具-沖壓良好匹配，實現本項目的落地量產，是本文研究的目的和重點。

1 試驗方案

1.1 材料選擇及性能優化

1.1.1 材料選擇

目前使用的DC06鋼板具有優異拉伸性能和剛度，但密度是鋁板的三倍，不利于輕量化減重。綜合材料強度，塑性，沖壓性能等指標，選擇具有中等強度及良好沖壓性能的鋁板5182-0態-0.8以替代鋼板DC06-0.6，各材料典型性能見表1。

表1 各材料典型性能值表

1.1.2 材料性能及工藝控制

影響鋁合金拉深成形性能指標很多，包括抗拉強度，屈服強度，屈強比，N值，R值，楊氏模量等等。針對該系列性能指標，做如下三方面的優化。

（1）合金元素優化。5182合金的強度將隨Mg的增加，固溶強化增強，塑性則隨之降低，需將Mg含量控制在4.4%～4.9%范圍內；Cu元素的加入將會使5系Al-Mg合金的耐蝕性變差，應控制在0.2%以下[1]；與此同時，需要對Fe、Si、Mn等雜質元素進行限制，特別是Fe和Mn元素，一方面需充分利用Fe和Mn元素的相互作用，在均勻化熱處理過程中形成尺寸較大、近球形的Al6(FeMn)彌散相質點，激發誘導再結晶形核效應，使得5182完全退火過程中獲得均勻、等軸狀的再結晶組織，從而提高材料的成形性能；另一方面需防止形成粗大的AlFe或AlFeMn相，容易成為冷沖壓的應力集中起裂點。因此控制Fe0.04%～0.11%，Si0.12%～0.25%，Mn0.20%～0.40%為宜。

（2）生產工藝的控制。材料的屈服強度和抗拉強度之比稱為屈強比，屈強比越低，材料容易塑性成形且加工硬化能力強，因此屈強比是表征金屬材料的成形性的重要指標之一[2]。根據強化機制可分成細晶強化、位錯強化、固溶強化及析出強化等，不同的強化機制對屈強比的影響規律不一[3]。作為熱處理不可強化的5182-O態材料，核心為細晶強化、固溶強化及加工硬化。根據Hall-Petch公式，保證沖壓不橘皮的前提下，適當的增大5182晶粒的平均尺寸至20μm～40μm可有效的降低屈強比，從而提升產品的成型性能，比如減小冷軋加工率、緩慢升溫退火甚至在成品完全再結晶的基礎上增加一次中間退火等工藝手段；5系鋁合金中Mg元素以間隙固溶于α-Al基體和析出β(Mg5Al8或Mg2Al3)相兩種形式存在，隨著溫度的下降，Mg元素在α-Al基體中的固溶度急劇降低，屈服強度比抗拉強度下降更明顯，進而有效的降低屈強比；為保證產品的版型，必要時需增加拉矯或輥矯等方式改善版型，不可避免的產生一定量的加工硬化，特別是屈服強度急劇增加，生產過程中需要控制變形量。結合零部件的強度要求，一般控制材料5182抗拉強度≥270MPa，屈服強度110MPa～150MPa，屈強比≤0.55，延伸率≥20%。

（3）板材尺寸的修正及潤滑條件的增強。在拉伸變形過程中增強潤滑，是為了減少零部件與模具壓料板的摩擦，使得零部件隨著拉伸而流動并補給，從而不使產品拉裂或拉傷。深沖保護膜一是起到保護鋁合金板表面的作用，二是由于膜自身具有良好的塑性及光滑的表面，通過覆膜及沖壓前涂油等方面，均可以有效的改善冷沖壓過程的潤滑條件。與此同時，由于鋁合金板深沖性能受限，沖制過程中，四角容易開裂或起皺，倒1/4圓，倒圓半徑控制在合理的范圍有利于開裂及起皺的改善。具體見圖3-6。

圖3 沖壓前覆膜和涂油

圖4 四角開裂

圖5 四邊起皺

圖6 正常良品

1.2 模具結構及沖壓工藝的優化

冷沖壓模具按依上至下簡單分為凹模、壓料板、凸模。由于鋁的彈性模量僅為鋼板的1/3，容易出現沖壓回彈的問題，結合仿真模擬分析，重點對沖壓模具的拉延筋、側壁間隙、坡度等進行優化設計，同時對沖壓工藝參數（含壓邊力、沖制速度）進行調整，達到穩定成型的目的。壓邊力控制在20KN～30KN，沖壓速度控制在20～30mm/s為宜，壓邊力過大，增加拉伸力，會使工件拉裂，過小則工件的邊壁或凸緣起皺；沖制速度慢，同樣的工件作用時間延長，它需克服的力也相應減小，有利于沖制的穩定成型，具體見7-8。

圖7 冷沖壓模具示意圖

圖8 模具結構優化設計

2 總結

針對使用5182鋁板冷沖壓生產新能源電池箱，普通存在開裂，起皺，回彈等問題，采取以下措施得以改善并實現批量穩定化生產：

（1）合金元素及生產工藝優化：重點對Mg、Cu、Fe、Mn等主元素合理搭配，獲得良好的強塑性；通過減小冷軋加工率、緩慢升溫退火或增加一次中間退火等方式適當增加晶粒尺寸有效降低材料的屈強比；控制拉矯或輥矯的變形量，有效遏制加工硬化；

（2）板材尺寸的修正及潤滑條件的增強：通過覆膜、四角倒角、沖壓前涂油等方面，可有效的增強冷沖壓的潤滑條件，改善沖壓開裂或起皺等風險；

（3）模具結構及沖壓工藝的優化：重點對沖壓模具的拉延筋、側壁間隙、坡度等進行優化設計，同時對沖壓工藝參數（含壓邊力、沖制速度）進行調整，達到穩定成型的目的。