張博凡，郭 杰，李麗芳

（上汽通用汽車(chē)有限公司整車(chē)制造工程，上海 201206）

1 引言

純電平臺(tái)電動(dòng)車(chē)的電池模組一般包括電池盒上蓋、密封、線(xiàn)束、母排、冷卻液軟管、電池系統(tǒng)配電盒、基礎(chǔ)模塊架構(gòu)、電池盒下蓋等。經(jīng)由四大工藝完成：沖壓、車(chē)身、油漆、總裝。沖壓車(chē)間完成電池盒上蓋和電池盒下蓋制件的制作；車(chē)身車(chē)間分別完成電池盒上蓋和電池盒下蓋與各自對(duì)手件的焊接，以及內(nèi)部的密封；油漆車(chē)間完成電池盒上蓋和電池盒下蓋的電泳和外部的密封；總裝車(chē)間完成電池模組的接地試驗(yàn)、銳邊測(cè)試和氣密試驗(yàn)。

為保證電池安全，電池盒需要很高的密封性，故沖壓成形具有以下技術(shù)難點(diǎn)：盒形制件拐角密封面易起皺；制件的自重大，剛性差，收料存在變形風(fēng)險(xiǎn)；存在銳邊檢測(cè)要求，不允許存在明顯毛刺；尺寸大，表面平，尺寸控制難，尤其是密封面區(qū)域等。

2015 年劉超等人采用Dynaform 對(duì)電池盒的6 步深拉深沖壓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真[1]，表明數(shù)值仿真技術(shù)與試驗(yàn)相結(jié)合方法可以有效解決用解析方法描述難度較大的問(wèn)題。2017 年梁笑等人依據(jù)有限元軟件的成形仿真結(jié)果研究分析了電池盒開(kāi)裂、起皺等缺陷產(chǎn)生的原因[2]，確定了制件的最佳成形方案，材質(zhì)采用鋼板。2019 年胡橋木設(shè)計(jì)的復(fù)合材料電池盒自動(dòng)預(yù)成型系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種型號(hào)及尺寸電池盒殼體展開(kāi)[3]。同年曹鳳梅等人利用NX 建立塑件三維模型的基礎(chǔ)上，借助其Mold Wizard 注塑模向?qū)K設(shè)計(jì)了電池盒注塑模具[4]。2020年王勝用Autoform對(duì)電池盒下蓋拉深成型工藝開(kāi)展了數(shù)值模擬分析，并最終確定了最佳工藝作為實(shí)際生產(chǎn)工作的重要參考方案，其材質(zhì)同樣為鋼板[5]。

本研究基于GM 首款純電平臺(tái)Ultium，電池盒分為上蓋和下蓋，如圖1、圖2所示，材質(zhì)采用高強(qiáng)鋼，電池容量為12模組。不但制件尺寸大，且高強(qiáng)鋼的成形和回彈控制較上述研究更加困難?；谏鲜鲅芯浚疚氖紫韧ㄟ^(guò)有限元虛擬仿真驗(yàn)證制件的成形性；其次對(duì)其進(jìn)行工藝排布，分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的可行性；最后分析了該類(lèi)制件現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的收料變形問(wèn)題以及解決方案。

圖1 電池盒上蓋

圖2 電池盒下蓋

2 沖壓成形性分析

電池盒上蓋和電池盒下蓋的基本參數(shù)如表1 所示。從表1中可以看出，電池盒上蓋和電池盒下蓋的材質(zhì)是一樣的，但電池盒下蓋的大小、厚度和重量都比電池盒上蓋要大，成形的難度偏高，故成形分析選擇電池盒下蓋作為研究對(duì)象。

表1 制件的基本參數(shù)

采用Autofrom 進(jìn)行設(shè)置和計(jì)算，材料模型為Cr210B2 材料，彈性模量為207GPa，泊松比為0.33，材料密度為7.8g/cm3，抗拉強(qiáng)度為357.1MPa，屈服強(qiáng)度為235MPa，r0=1.7，r45=1.7，r90=1.7。沖壓方向選擇開(kāi)口向下，采用的板料為方形料，將制件上的法蘭面全部布置于壓料面上，如圖3所示。

圖3 電池盒下蓋的仿真模型

仿真分析的成形性結(jié)果如圖4 所示，分析過(guò)程中密封面（圖中黑框位置）處易出現(xiàn)起皺和開(kāi)裂，通過(guò)產(chǎn)品圓角的修改和拉延筋的調(diào)整可以改善[2，6]。回彈結(jié)果如圖5 所示，初始制件回彈較大，整體回彈量為25mm，通過(guò)在產(chǎn)品平面處增加加強(qiáng)筋，彈量降低至18mm，可通過(guò)回彈補(bǔ)償控制。

圖4 電池盒下蓋的成形性結(jié)果

圖5 電池盒下蓋的回彈結(jié)果

通過(guò)產(chǎn)品更改和工藝優(yōu)化，電池盒的成形和回彈問(wèn)題均能夠滿(mǎn)足要求。

3 工藝分析

3.1 工藝排布

首先，電池盒上片和下片的法蘭面之間有密封膠，面輪廓度的要求比較高，公差為±0.5mm，且法蘭面上局部的小特征在拉伸工序被做了過(guò)拉伸，故需在工藝排布中單獨(dú)安排針對(duì)法蘭面的整形工序。其次，制件周圈的立面上均有孔，故一工序無(wú)法完成所有的修邊和沖孔，需兩工序修邊和沖孔。故電池盒制件需要4工序來(lái)實(shí)現(xiàn)：第1工序?yàn)槔?，?工序?yàn)樾捱叄? 工序?yàn)檎?，? 工序?yàn)檎捱叀⒄龥_孔、側(cè)沖孔，如圖6所示。

圖6 工藝排布

3.2 設(shè)備通過(guò)性

電池盒制件在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)，工序間的制件傳遞由連桿和吸盤(pán)組成的機(jī)械手端拾器來(lái)完成，需合理選取吸盤(pán)的位置和大小。由于該類(lèi)制件自重大，尺寸大，剛性差，相對(duì)于常規(guī)的制件，需增加吸盤(pán)的數(shù)量。根據(jù)制件的以上特點(diǎn)，該制件選取12個(gè)直徑φ60mm的吸盤(pán)，如圖7所示。

圖7 吸盤(pán)位置

由表1 可知，電池盒上蓋和電池盒下蓋的重量都比較大，每個(gè)制件在線(xiàn)末至少要安排2名收料人員完成制件的質(zhì)檢和裝箱。

綜上所述，電池盒上蓋盒下蓋的工藝性和設(shè)備通過(guò)性均滿(mǎn)足工廠(chǎng)要求。

4 收料變形及解決方案

4.1 收料變形問(wèn)題

在IV造車(chē)階段，會(huì)對(duì)軟模制件進(jìn)行收料時(shí)的實(shí)物跌落模擬[7]，按照機(jī)械手將最終制件放到線(xiàn)末傳送帶上的工況設(shè)置驗(yàn)證試驗(yàn)。首先按照沖壓生產(chǎn)線(xiàn)最后一序的沖壓方向確認(rèn)驗(yàn)證方向，本課題中的電池盒上蓋和電池盒下蓋的驗(yàn)證方向均為開(kāi)口朝下，如圖1所示，按照此姿態(tài)的最低點(diǎn)離工作臺(tái)50mm的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使制件自由跌落。電池盒下蓋在跌落結(jié)束后能夠恢復(fù)原狀，未發(fā)生明顯變形，而電池盒上蓋在跌落結(jié)束后有2個(gè)區(qū)域發(fā)生了明顯的變形，如圖8所示。

圖8 電池盒上蓋的跌落變形

分析其原因，首先，由表1可知該制件的重量比較大，其次，由圖1、圖2 和圖8 可知，電池盒下片相較于上片，在圖示區(qū)域高度很低，剛度差，導(dǎo)致此兩位置跌落后發(fā)生了塑性變形。

4.2 解決方案

優(yōu)化方案有兩種，一是優(yōu)化制件，提高制件剛度，但制件已沒(méi)有空間增加特征，該方案不可行；二是優(yōu)化工藝，經(jīng)過(guò)分析，將電池盒上蓋的沖壓方向設(shè)置為開(kāi)口朝上，使得凸面先觸地，降低了變形位置的離地高度，以減小沖擊。工藝上最后一工序立面上的孔由吊楔實(shí)現(xiàn)改為勾楔實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。對(duì)采用新工藝方案的電池盒下蓋進(jìn)行實(shí)物跌落模擬，未發(fā)生明顯變形，該方案可行。

圖9 開(kāi)口朝上的電池盒上蓋

5 結(jié)論

本文對(duì)某純電平臺(tái)的電池盒沖壓工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，首先通過(guò)有限元虛擬仿真分析了制件的成形性；其次對(duì)制件的工藝排布和工廠(chǎng)設(shè)備通過(guò)性進(jìn)行了分析驗(yàn)證；最后介紹了電池盒上蓋收料時(shí)的跌落變形問(wèn)題，并通過(guò)優(yōu)化工藝給出了解決方案。

圖10所示為裝配好的電池盒，已順利投入正式生產(chǎn)，且制件無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。研究表明，通過(guò)優(yōu)化工藝方案，可以在沖壓車(chē)間實(shí)現(xiàn)純電平臺(tái)電池盒的批量生產(chǎn)。

圖10 裝配好的電池盒