鋁合金動力電池包底板沖壓工藝優化策略

李偉金

（清遠市鈦美鋁業有限公司，廣東 清遠 511500）

在對當今汽車工程領域中的動力電池進行制造的過程中，電池包底板是一項關鍵的研究內容。具體制造中，制造企業不僅要考慮到其實際的應用和安全需求，同時也要考慮到其節能環保以及輕量化特征。因鋁合金材質具有良好的耐腐蝕、耐高溫、易成形、抗老化以及輕量化等的優良性能，所以在當今的輕量化動力電池生產制造中已經得到了廣泛應用。一般情況下，鋁合金動力電池包底板都是通過沖壓件的連接形式進行制造。因此，制造企業應對其沖壓工藝進行研究，并通過合理的措施來加以優化。

1 某鋁合金動力電池包底板零件基本情況概述

為實現鋁合金動力電池包底板沖壓工藝的良好優化，本次對某鋁合金動力電池中的底板零件進行了研究。在該動力電池中，應用的材料是TL091型鋁合金，其名義厚度為4mm，零件尺寸是1930mm*1320mm*12mm，整體底板通過沖壓工藝進行制造，然后借助于CMT焊接法將沖壓件和其他型材焊接在一起。因為該電池包需要與IP67這一防護等級的設計要求相符合，

所以制造中具有很高的焊接要求。與其他型材的制造和加工相比，電池包底板的沖壓工藝是一項重點和難點內容，而其尺寸公差控制的難度也很大。下表是該動力電池包底板零件所選的TL091型鋁合金力學性能實測參數情況。

表1 該動力電池包底板零件所選的TL091型鋁合金力學性能實測參數情況

2 沖壓工藝與優化措施分析

2.1 沖壓工藝分析

在本次所研究的鋁合金動力電池中，其電池包底板的設計理論和平板件設計相類似，主要的設計方式為主體平面和局部特征相結合。在這樣的設計模式下，零件的尺寸越大，設計和制造偏差也就越大。這和零件的形狀設計具有很大關聯，相比較12mm這一維度而言，1930mm*1320mm已經超出了其很多倍，所以在具體設計中，該零件的高度便很難控制，應用中也經常會出現失穩現象。

在對類似零件進行模態分析的過程中也得出了共性理論：模態前兩個階段或者是兩種形態之間的疊加是兩種最容易出現的回彈形態。

在失穩現象的產生中，一個重要的影響因素就是壓應力，因此，在對一般的平板件進行制造中，應用的大多是脹形工藝，這樣不僅可以讓零件在成型過程中有充足的塑性變形產生，以此來達到良好的形狀穩定效果；同時也可以使其內部的壓應力降到最低，這樣便可使其高度方向上產生的失穩現象得以有效避免。但是在具體的生產制造中發現，脹形工藝應用中所產生的扭曲回彈會比成形工藝應用中所產生的扭曲回彈大很多，且這種扭曲回彈情況一旦產生，整形校正以及回彈補償等的各種工藝手段都將無法對這一問題實現有效解決。

2.2 沖壓工藝優化措施分析

就零件外形來看，該鋁合金動力電池包底板和上文所述的平板類型零件十分相似，其位移的區別就是具有較厚的厚度和較淺的形狀。因為鋁合金回彈通常可以達到普通鋼板的2-3倍，所以在具體的電池包底板生產制造過程中，為有效解決其平面度方面的問題，就應該將脹形方案作為首選，并借助于Autoform這一軟件來進行沖壓工具的合理設置，通過仿真分析，便可或得到具體的沖壓方案FLD圖以及最終的扭曲回彈圖，然后再以此為依據，通過脹形工藝來進行零件制造。這樣不僅可以確保零件的塑性變形效果，同時也可以讓全部的零件都進入到FLD圖中的綠色區域內，將其回彈控制在彎曲回彈形態，進而滿足其實際生產與設計需求。但是在具體的仿真過程中發現，其回彈值可以達到22mm左右，與之前對類似零件進行分析所獲得的結果具有巨大差距，同時也與其4mm厚板接下來的焊接工序要求嚴重不符。為明確這一現象的原因，在仿真試驗中，可通過脹形工藝中最敏感材料的流入量調整來對零件進行回彈變化的研究，這樣便找出了其主要的影響因素。因為脹形工藝中的設計比較特殊，其壓邊全材料幾乎不具有流動性，所以在將壓邊力設置為50%之后，其回彈便可基本和原來的設計保持相同，回彈變化也得到了顯著改善。

通過其原因分析可知，因為該零件的材料具有較大的厚度，且其大面的形狀也非常淺，其深度僅僅在1.5mm左右，這樣的情況就使得零件特征成形僅僅在最后的1.5mm左右才開始。同時，因為塑性應變是在特征形狀成形以前發生，而不是在成形的這一過程中發生；而在成形結束之后，塑性應變也就不再持續發展，所以整個過程就相當于是在讓一個硬化的材料成型。在沖壓工藝中，如果將壓邊力控制在50%，就相當于有效降低了材料的硬化程度，相比較壓邊力是100%的沖壓而言，其塑性應變力的產生也會更加充足，這樣便可實現回彈的有效降低。將這一分析結論作為依據，本次優化中，通過直接成形工藝對其結論進行了驗證。通過驗證發現，優化之后的回彈值得到了顯著降低，與上述分析得出的結論相一致。所以在具體的沖壓工藝優化過程中，考慮到直接成形這種工藝應用中的材料控制難度很大，所以決定通過上下壓料成形工藝進行制造，這種工藝的效果更加穩定，可以在壓平狀態下讓材料成形，然后再通過壓料力的適當施加來做好局部成形控制，盡可能減少成形過程中的平面材料流動情況，這樣便可讓平面保持平整，并實現局部特征塑性變形的最大化，以此來實現回彈的有效降低。經過優化之后，其回彈值基本可以控制到±2mm，讓沖壓工藝達到了最佳的控制效果。下圖是本次沖壓工藝優化中的鋁合金動力電池包底板沖壓工具設置示意圖。

圖1 本次沖壓工藝優化中的鋁合金動力電池包底板沖壓工具設置示意圖

因為本次所研究的鋁合金動力電池包底板具有較大的零件尺寸，且需要與其他的零件共同放在焊接夾具上進行焊接處理，所以在具體的生產制造過程中，其沖壓工藝的優化不僅僅需要對回彈值進行考慮，還需要對檢具上的零件狀態進行充分考慮。基于此，在本次優化中，特通過模擬檢具對其回彈量進行了全面分析。通過分析發現，因為夾具上存在支撐面，這樣便可讓零件中的一部分尺寸在重力作用下得以有效校正，使其平面偏差不超過2mm。就理論而言，其平面偏差控制效果與零件后續的焊接工序要求相符合，說明壓料成形工藝具有良好的可行性。

因此，在對該鋁合金動力電池進行包底板生產制造的過程中，通過實際問題的分析，結合多方面因素的全面考慮，最終選擇了壓料成形這一沖壓工藝。

2.3 沖壓工藝優化之后的生產驗證

在對該鋁合金動力電池進行包底板沖壓生產工藝優化之后，為確保該工藝的應用效果，滿足該動力電池包底板的實際生產和應用需求，特在專用檢具上對實際生產制造出的鋁合金包底板零件進行了自由狀態的掃描檢測。

通過本次的掃描檢測發現，在對沖壓工藝進行優化之后，生產制造出的鋁合金包底板零件的所有尺寸參數都偏差都控制在了允許范圍內，零件實際的回彈值和通過仿真模擬所獲得的回彈值基本一致。為進一步確定零件的焊接效果，特通過CMT焊接工藝對零件進行了自動焊接，并在焊接之后對其成功率以及水密性進行了嚴格測試。經過一系列的測試發現，通過優化后的沖壓工藝所生產的零件具有更高的成件成功率，且水密性也更加良好。由此可見，通過本次的沖壓工藝優化，不僅讓鋁合金動力電池包底板零件傳統沖壓制造工藝中的問題得以有效避免，同時也實現了生產質量的顯著提升。這對鋁合金材料在動力電池中的良好應用十分有利，同時也進一步促進了動力電池在當今時代中的良好應用與發展。

3 結語

綜上所述，在當今動力電池行業的不斷發展中，鋁合金包底板形式的動力電池越來越受歡迎。但是因為此類電池包底板生產中的傳統沖壓工藝存在一定問題，部分尺寸參數難以得到有效控制，同時也會對后續的零件焊接造成一定程度的不利影響。所以在具體的生產制造中，相關企業就應該充分分析這些問題的原因所在，并以此為依據，采取合理的技術措施來進行其沖壓工藝的優化。在此過程中，生產企業需要將Autoform仿真分析作為有效依據，通過沖壓工藝類型以及沖壓工藝參數的合理改變來實現其沖壓工藝的優化。這樣才可以讓鋁合金包底板零件的各項尺寸參數得到良好控制，避免回彈值過高對后續焊接的不利影響，盡最大限度確保零件生產制造質量。