張博凡，郭 杰，李麗芳

（上汽通用汽車有限公司整車制造工程，上海 201206）

1 引言

純電平臺電動車的電池模組一般包括電池盒上蓋、密封、線束、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、車身、油漆、總裝。沖壓車間完成電池盒上蓋和電池盒下蓋制件的制作；車身車間分別完成電池盒上蓋和電池盒下蓋與各自對手件的焊接，以及內(nèi)部的密封；油漆車間完成電池盒上蓋和電池盒下蓋的電泳和外部的密封；總裝車間完成電池模組的接地試驗、銳邊測試和氣密試驗。

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：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；存在銳邊檢測要求，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 對電池盒的6 步深拉深沖壓過程進(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)計的復(fù)合材料電池盒自動預(yù)成型系統(tǒng)可實現(xiàn)多種型號及尺寸電池盒殼體展開[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)計了電池盒注塑模具[4]。2020年王勝用Autoform對電池盒下蓋拉深成型工藝開展了數(shù)值模擬分析，并最終確定了最佳工藝作為實際生產(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)采用高強鋼，電池容量為12模組。不但制件尺寸大，且高強鋼的成形和回彈控制較上述研究更加困難。基于上述研究，本文首先通過有限元虛擬仿真驗證制件的成形性；其次對其進(jìn)行工藝排布，分析現(xiàn)場實現(xiàn)的可行性；最后分析了該類制件現(xiàn)場出現(xiàn)的收料變形問題以及解決方案。

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象。

表1 制件的基本參數(shù)

采用Autofrom 進(jìn)行設(shè)置和計算，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，抗拉強度為357.1MPa，屈服強度為235MPa，r0=1.7，r45=1.7，r90=1.7。沖壓方向選擇開口向下，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，分析過程中密封面（圖中黑框位置）處易出現(xiàn)起皺和開裂，通過產(chǎn)品圓角的修改和拉延筋的調(diào)整可以改善[2，6]?；貜椊Y(jié)果如圖5 所示，初始制件回彈較大，整體回彈量為25mm，通過在產(chǎn)品平面處增加加強筋，彈量降低至18mm，可通過回彈補償控制。

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

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

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拉伸，故需在工藝排布中單獨安排針對法蘭面的整形工序。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工序來實現(xiàn)：第1工序為拉伸，第2工序為修邊，第3 工序為整形，第4 工序為正修邊、正沖孔、側(cè)沖孔，如圖6所示。

圖6 工藝排布

3.2 設(shè)備通過性

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

圖7 吸盤位置

由表1 可知，電池盒上蓋和電池盒下蓋的重量都比較大，每個制件在線末至少要安排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)備通過性均滿足工廠要求。

4 收料變形及解決方案

4.1 收料變形問題

在IV造車階段，會對軟模制件進(jìn)行收料時的實物跌落模擬[7]，按照機械手將最終制件放到線末傳送帶上的工況設(shè)置驗證試驗。首先按照沖壓生產(chǎn)線最后一序的沖壓方向確認(rèn)驗證方向，本課題中的電池盒上蓋和電池盒下蓋的驗證方向均為開口朝下，如圖1所示，按照此姿態(tài)的最低點離工作臺50mm的工況進(jìn)行實驗，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，但制件已沒有空間增加特征，該方案不可行；二是優(yōu)化工藝，經(jīng)過分析，將電池盒上蓋的沖壓方向設(shè)置為開口朝上，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現(xiàn)改為勾楔實現(xiàn)，如圖9所示。對采用新工藝方案的電池盒下蓋進(jìn)行實物跌落模擬，未發(fā)生明顯變形，該方案可行。

圖9 開口朝上的電池盒上蓋

5 結(jié)論

本文對某純電平臺的電池盒沖壓工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，首先通過有限元虛擬仿真分析了制件的成形性；其次對制件的工藝排布和工廠設(shè)備通過性進(jìn)行了分析驗證；最后介紹了電池盒上蓋收料時的跌落變形問題，并通過優(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)，且制件無質(zhì)量問題。研究表明，通過優(yōu)化工藝方案，可以在沖壓車間實現(xiàn)純電平臺電池盒的批量生產(chǎn)。

圖10 裝配好的電池盒