高 輝，應(yīng)如云，陳 真，陳艷才

(1.蘇州中興聯(lián)精密工業(yè)有限公司，江蘇蘇州，215151；2.寧波興瑞電子科技股份有限公司，浙江慈溪，315326)

1 引言

BMS系統(tǒng)指電池管理系統(tǒng)(Battery Management System)，是連接車(chē)載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車(chē)的重要紐帶，其主要功能是智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，提高動(dòng)力電池使用效率，增加續(xù)航里程，延長(zhǎng)電池的使用壽命，降低運(yùn)行成本，提高電池組及動(dòng)力系統(tǒng)可靠性，從而為新能源車(chē)輛的使用安全提供保障。目前BMS系統(tǒng)尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各整車(chē)廠均要求按不同的平臺(tái)、車(chē)型及選用的電池組類(lèi)型獨(dú)立開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)一般均由電子控制模塊和機(jī)構(gòu)組件兩大部分組成。

圖1是我們配合客戶(hù)開(kāi)發(fā)的兩款BMS產(chǎn)品總成，我們主要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)其中的機(jī)構(gòu)組件部分。

圖1 BMS產(chǎn)品總成

接地板組件(Groundplate，簡(jiǎn)稱(chēng)GP)是BMS系統(tǒng)中最為重要的結(jié)構(gòu)組件，它是其他匯流排、連接器、繼電器、熔斷器等機(jī)電元件的安裝載體，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尺寸精度要求高。我們開(kāi)發(fā)的其中一款GP產(chǎn)品如圖2所示，它由39個(gè)不同形狀的鋁/銅材質(zhì)嵌件注塑成型而成。

圖2 接地板(Groundplate)產(chǎn)品圖(正/反面)

2 問(wèn)題點(diǎn)提出

GP產(chǎn)品除了常規(guī)的尺寸精度要求高、外觀要求嚴(yán)苛外，基于汽車(chē)所要面對(duì)的復(fù)雜工況，該類(lèi)產(chǎn)品對(duì)于氣密性又有特別的要求，不同的產(chǎn)品由于其內(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)的不同，其氣密性測(cè)試規(guī)格也有所不同。本文所討論的此款產(chǎn)品其氣密性測(cè)試要求如下：

Filling : 5sStabilization: 30sTest : 30s

Exhaust : 0,5sTesting pressure : 25mBarOK leakage : 0 - 10 PaNG leakage: > 10 Pa

圖3和圖4分別是我們所使用的測(cè)試工裝和氣密性測(cè)試儀。

圖3 氣密性測(cè)試治具

圖4 氣密性測(cè)試儀

由于此產(chǎn)品由多達(dá)39個(gè)金屬嵌件通過(guò)模內(nèi)注塑加工而成，初期因考慮到嵌件較多，有單個(gè)嵌件，也有多個(gè)嵌件鉚接在一起的嵌件組件，嵌件結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，嵌件預(yù)加熱沒(méi)有很好的方案，故項(xiàng)目開(kāi)發(fā)之初并未采用預(yù)加熱。但是，在直接用常規(guī)方案開(kāi)發(fā)模具生產(chǎn)出產(chǎn)品后，因?yàn)榻饘偾都退苣z材料的熱膨脹系數(shù)不同，注射進(jìn)入成型模具型腔中的塑膠料在金屬嵌件周?chē)臏囟认陆档梅浅？?，嵌件與塑件之間連接存在縫隙(如圖5示)，塑膠料也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致產(chǎn)品氣密性測(cè)試結(jié)果NG。

圖5 氣密性不良產(chǎn)品剖面切片

為了調(diào)節(jié)金屬嵌件的溫度與塑膠注射時(shí)溫度趨于接近、縮小嵌件和塑膠料在注塑充填過(guò)程中的溫差，嵌件在與塑膠料成型前必須進(jìn)行預(yù)加熱處理，加熱溫度一般在110℃以上。對(duì)于直徑較小的金屬嵌件，注射熔料溫度會(huì)很快將其加熱，故一般不需要進(jìn)行預(yù)熱處理。

但對(duì)于GP中的如下鋁板嵌件，鋁板會(huì)鉚接10顆異形金屬螺母及2個(gè)其他嵌件(如圖6示)，12個(gè)子嵌件有一側(cè)在注塑成型后外露。因此，外露側(cè)必須要插入注塑模具對(duì)應(yīng)的定位孔中，如圖7示。鋁板嵌件預(yù)加熱后，12個(gè)子嵌件中心會(huì)因鋁板膨脹而移位，如何準(zhǔn)確地確定預(yù)加熱后子嵌件的中心位置，以確保能順利植入塑模定位孔中，這成了困擾我們的技術(shù)難題。

圖6 鋁板嵌件(正反面)

圖7 鋁板嵌件植入模具

3 預(yù)加熱實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了實(shí)現(xiàn)鋁板嵌件預(yù)加熱后能夠順利植入塑模進(jìn)行注塑成型，我們首先要獲得鋁板嵌件在預(yù)加熱到某個(gè)溫度狀態(tài)下12個(gè)子嵌件中心孔的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)。

在通常情況下，嵌件加熱一般直接采用烘箱加熱的方式。但是，鋁板嵌件放置在烘箱內(nèi)加熱到目標(biāo)溫度以后，鋁板一旦取出則會(huì)快速冷卻，無(wú)法量測(cè)到我們所需要的鋁板熱膨脹變形后的數(shù)據(jù)。為此，我們首先設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)用加熱工裝(如圖8示)，工裝主體采用一塊銅板底座，在其內(nèi)部植入加熱棒，加熱棒的功率可以依不同的溫度要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，銅板底座表面可以和鋁板完全貼合，保證鋁板嵌件保持在一個(gè)穩(wěn)定的加熱狀態(tài)。

圖8 鋁板預(yù)加熱工裝

圖9 加熱狀態(tài)下的鋁板尺寸量測(cè)

我們擬采用2.5次元對(duì)加熱狀態(tài)下的鋁板嵌件進(jìn)行數(shù)據(jù)量測(cè)，但量測(cè)設(shè)備無(wú)法直接對(duì)高溫狀態(tài)下的產(chǎn)品進(jìn)行量測(cè)，長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)導(dǎo)致光學(xué)鏡頭模組出現(xiàn)故障。我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一套簡(jiǎn)易隔熱裝置(如圖9示)，采用厚度10厘米的透明玻璃置于鋁板嵌件上方進(jìn)行隔熱。為了避免由于玻璃的折射效應(yīng)導(dǎo)致量測(cè)數(shù)據(jù)失真，我們事先用常溫下的鋁板在有無(wú)玻璃兩種狀態(tài)下，進(jìn)行了測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，確認(rèn)玻璃的折射對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果沒(méi)有任何影響。

4 嵌件熱膨脹數(shù)據(jù)獲得與分析

預(yù)加熱工裝和測(cè)試設(shè)備準(zhǔn)備就序后，我們選擇了15組鋁板嵌件，對(duì)于11個(gè)中心孔(另一個(gè)孔作為量測(cè)基準(zhǔn))在常溫和加熱140℃狀態(tài)下的位置尺寸分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)量測(cè)和分析?？紤]到12個(gè)子嵌件自身的熱膨脹對(duì)中心位置的影響較小，我們直接用單獨(dú)的鋁板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖10和圖11分別是初始鋁板中心孔位置尺寸和鋁板加熱前后中心孔位置尺寸對(duì)比。

圖10 初始鋁板中心孔位置尺寸

圖11 鋁板加熱前后中心孔位置尺寸對(duì)比

5 模具補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案

針對(duì)鋁板嵌件加熱后12個(gè)子嵌件中心孔由于熱膨脹所產(chǎn)生的位置偏移，我們思考了兩個(gè)模具方案來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償：

5.1 沖模變更

我們?cè)O(shè)想直接修改鋁板初始的12個(gè)子嵌件中心孔位置，將其熱膨脹位置偏移量在沖模中反向縮小補(bǔ)償，這樣在鋁板組件預(yù)加熱后，12個(gè)子嵌件中心孔因熱膨脹即可到達(dá)正常的尺寸位置，亦可以正常植入模具。但是鋁板嵌件在注塑成型后，在不考慮塑件收縮的情況下，常溫下也會(huì)自然收縮到原始狀態(tài)位置，如此最終12個(gè)子嵌件孔的中心位置是不符合圖面要求的。此方案判定不可行。

5.2 塑模變更

塑模中12個(gè)與鋁板上子嵌件相配的定位孔，依據(jù)前面所得出的子嵌件中心孔膨脹偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)同步調(diào)整。這樣預(yù)加熱后的鋁板嵌件可以順利植入塑模完成注塑成型，產(chǎn)品自然冷卻后12個(gè)子嵌件中心孔會(huì)收縮到初始位置，可以滿(mǎn)足原始尺寸設(shè)計(jì)要求，我們最終采用了這樣的模具調(diào)整方案。

如圖12所示數(shù)據(jù)的獲得，鋁板是在自由狀態(tài)下，按圖紙要求是以右側(cè)孔A為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量其余11個(gè)孔的位置尺寸，但塑模在實(shí)際進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)理論上要依模具的中心為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，結(jié)合到塑模實(shí)際結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，我們對(duì)所有數(shù)據(jù)以鋁板中部的孔B作為基準(zhǔn)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化(如圖13示)，以提供塑模工程師作為設(shè)計(jì)變更參考。

鋁板預(yù)加熱后所有子嵌件孔中心的位置數(shù)據(jù)是在鋁板的自由狀態(tài)下得到的，但鋁板在注塑成型后的收縮卻是在周邊包裹著塑膠料的狀態(tài)下，兩者之間肯定不可能完全一致。但目前我們尚未找到更好的分析方法，只能通過(guò)最終的實(shí)物產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖12 鋁板加熱后中心孔實(shí)際位置尺寸

圖13 塑模實(shí)際調(diào)整位置尺寸

6 嵌件預(yù)加熱和模具植入的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)

鋁板嵌件的預(yù)加熱和模具植入無(wú)法分開(kāi)獨(dú)立完成，要實(shí)現(xiàn)嵌件在加熱狀態(tài)下的模具植入，必須用加熱工裝將鋁板嵌件加熱到穩(wěn)定的目標(biāo)溫度后，再同時(shí)將鋁板嵌件植入模具。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了自動(dòng)化裝置。利用機(jī)械手抓取載有鋁板嵌件的加熱工裝，并將加熱后的鋁板嵌件自動(dòng)植入到模具內(nèi)，如圖14所示。

圖14 機(jī)械手抓取帶鋁板的加熱座自動(dòng)植入鋁板

7 產(chǎn)品性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)塑料模具重新加工調(diào)整，鋁板嵌件在預(yù)加熱后能順利植入模具，正常注塑生產(chǎn)出產(chǎn)品，12個(gè)子嵌件的中心位置尺寸基本符合設(shè)計(jì)要求，氣密性測(cè)試OK，相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)不再贅附。針對(duì)嵌件和塑膠的結(jié)合狀態(tài)，我們也進(jìn)行了剖面切片分析，圖15顯示嵌件與塑膠料結(jié)合良好。

圖15 鋁板嵌件與塑膠料剖面切片

8 結(jié)論

通過(guò)本產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)實(shí)踐證明，多個(gè)復(fù)雜金屬嵌件的預(yù)加熱成型是可以實(shí)現(xiàn)的，據(jù)此我們又成功地完成了其他幾款產(chǎn)品的多嵌件預(yù)加熱方案，產(chǎn)品均順利進(jìn)入了穩(wěn)定量產(chǎn)出貨狀態(tài)。隨著全球范圍內(nèi)各國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化，全面推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)，新能源汽車(chē)的發(fā)展方興未艾，三電系統(tǒng)中的各種BMS、BDU(電池切斷單元)、PDU(動(dòng)力分配單元)、逆變器、控制器等會(huì)應(yīng)用到大量的多嵌件連接部件，多個(gè)復(fù)雜金屬嵌件的預(yù)加熱成型技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的運(yùn)用和發(fā)展。