文/孫文，田文春，紀(jì)小虎，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

近年來，我國的環(huán)境污染與石油短缺問題日益加劇。新能源汽車市場迅速崛起，其保有量不斷增長，電池等配件需求量與之增長。電池鋼殼是新能源電動(dòng)汽車中電池高效儲(chǔ)能的主要結(jié)構(gòu)件之一，其用量需求越來越大，安全性能要求也是越來越高，同時(shí)還得滿足輕量化的需求。這不僅要求電池殼的壁厚越來越薄，還得保證有足夠的強(qiáng)度，采用適當(dāng)?shù)墓に囍苽浜细竦牧慵簿驮絹碓骄哂刑魬?zhàn)性。當(dāng)前電池殼的生產(chǎn)工藝主要是以拉深成形工藝為主。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，不同的工藝參數(shù)會(huì)對(duì)圓筒拉深件的成形質(zhì)量有著決定性的影響，不合理的工藝參數(shù)會(huì)使得拉深件極容易出現(xiàn)起皺、減薄和凸耳等缺陷。因此想要得到高質(zhì)量的拉深件，我們需要選擇合適的工藝參數(shù)，了解各參數(shù)對(duì)拉深件的影響規(guī)律，最終達(dá)到控形控性的目的。本文以圓筒形電池殼的拉深工藝為研究對(duì)象，采用Dynaform 有限元分析軟件對(duì)圓筒件拉深的凸凹模間隙、壓邊力及沖壓速度這三個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析研究，獲得最佳參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果成功地進(jìn)行了零件試制，對(duì)新產(chǎn)品模具的開發(fā)提供了正確的理論指導(dǎo)。

材料及零件模型

材料參數(shù)

圓筒拉深件的試驗(yàn)材料為商用的新日鐵鍍鎳鋼，也即SPCE，一種適合深沖/拉深用的深沖級(jí)別冷軋?zhí)妓劁摪?。厚度?.6mm，其單向拉伸力學(xué)性能參數(shù)見表1，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1 所示。

圖1 SPCE 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 SPCE 材料力學(xué)性能參數(shù)

有限元模型

根據(jù)實(shí)際的凸凹模尺寸，利用Dynaform 軟件建立有限元模型，對(duì)圓筒件拉深過程進(jìn)行數(shù)值模擬。拉深模具的有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

工藝參數(shù)對(duì)圓筒件拉深的影響

凸凹模間隙對(duì)拉深質(zhì)量的影響

為了研究凸凹模間隙對(duì)圓筒件拉深質(zhì)量的影響。本文選定壓邊力為20kN，凸模圓角半徑為R5mm，凹模圓角半徑R5mm，材料厚度0.6mm，坯料直徑140mm，沖壓速度1000mm/s。對(duì)拉深中的凸凹模間隙單邊分別為0.9t、t、1.05t、1.1t、1.15t、1.2t(其中t 為材料厚度)，對(duì)拉深成形進(jìn)行仿真分析。

圖3 為不同凸凹模間隙下的厚度變化率與凸耳率曲線圖。板料在拉深成形過程中，拉深模具的凸凹模間隙與零件的成形質(zhì)量是直接相關(guān)的。隨著凸凹模間隙的增大，最大減薄率、最大增厚率及凸耳率整體都是呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。當(dāng)凸凹模單邊間隙為1.1t(其中t 為材料厚度)時(shí)，三項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最小值，最大減薄率為11.755%，最大增厚率為21.563%，凸耳率為7.9%，成形質(zhì)量最佳。

圖3 不同凸凹模間隙下的厚度變化率與凸耳率曲線圖

當(dāng)凸凹模間隙過小時(shí)，會(huì)引起拉深力的急劇增大，從而導(dǎo)致材料的內(nèi)應(yīng)力增大，危險(xiǎn)斷面更容易產(chǎn)生破裂，甚至直接脫底。同時(shí)，模具的磨損加劇，壽命銳減。當(dāng)凸凹模間隙過大時(shí)，拉深零件側(cè)壁的錐度大，更容易發(fā)生起皺現(xiàn)象，而且口部的增厚是無法消除的，側(cè)壁厚度精度較差。凸凹模間隙較小或者較大時(shí)，無論是最大減薄率，最大增厚率還是凸耳率都較大，成形質(zhì)量很差。當(dāng)凸凹模間隙在合理范圍內(nèi)，最大減薄率，最大增厚率及凸耳率都較小，成形效果好。

壓邊力對(duì)拉深質(zhì)量的影響

拉深成形過程中，在沖床或者壓力機(jī)的作用下，隨著拉深行程的逐漸增大，凸緣邊緣的材料不斷地沿著徑向移動(dòng)到中心，會(huì)出現(xiàn)拉深失穩(wěn)現(xiàn)象。一般是通過增加壓邊力來降低或者改善拉深失穩(wěn)缺陷。壓邊力的大小一般可以根據(jù)公式⑴進(jìn)行理論計(jì)算：

Q={π[D2-(d+2rd)2]q}/4 ⑴

公式中：D 為板料的直徑(mm)；d 為拉深后零件直徑(mm)；q 為單位壓邊力(MPa)；rd為凹模圓角半徑(mm)。本文中單位壓邊力q 取值為2.5MPa，通過上面公式計(jì)算可求得，所需要的理論壓邊力最小值Q 取30kN。

為了研究壓邊力對(duì)圓筒件拉深質(zhì)量的影響。本文選定凸模圓角半徑為R5mm，凹模圓角半徑R5mm，材料厚度0.6mm，凸凹模間隙取1.1t(t 為材料厚度)，坯料直徑140mm，沖壓速度1000mm/s。對(duì)拉深中的壓邊力分別取2kN、10kN、20kN、30kN、50kN、100kN，對(duì)拉深成形進(jìn)行仿真分析。

圖4 為厚度變化率和凸耳率相對(duì)于壓邊力的變化關(guān)系，當(dāng)壓邊力大小在10kN、20kN 時(shí)成形效果好，最大減薄率及最大增厚率都在25%以內(nèi)。最大增厚率與最大減薄率數(shù)值分別為21.439%，21.182%，10.226%，10.007%。壓邊力小于10kN 或大于20kN成形質(zhì)量都是很差，筒形件的最大減薄率與最大增厚率都是遠(yuǎn)大于25%，成形失敗。

根據(jù)圖4 可知，壓邊力對(duì)凸耳率影響較大，當(dāng)壓邊力較小或者較大時(shí)，圓筒件的凸耳率較大，只有當(dāng)壓邊力在一定的合理范圍內(nèi)，凸耳率較小，成形較好。當(dāng)壓邊力過大時(shí)會(huì)增加危險(xiǎn)斷面區(qū)域的拉應(yīng)力，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重減薄或者被拉裂；當(dāng)壓邊力過小時(shí)，又容易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。在實(shí)際的生產(chǎn)中，壓邊力的大小通常是根據(jù)既不發(fā)生起皺又不被拉裂的原則加以調(diào)整來確定。所以，在拉深過程中的壓邊力是一個(gè)至關(guān)重要的工藝參數(shù)。

圖4 不同壓邊力下的厚度變化率與凸耳率曲線圖

沖壓速度對(duì)拉深的影響

沖壓速度是沖壓成形的重要工藝參數(shù)之一。如果沖壓速度不同，板材成形過程中的變化率也會(huì)發(fā)生變化。不同的沖壓速度會(huì)使板材獲得不同的成形極限，從而反映出不同的加工硬化特性。再者，沖壓速度的變化也會(huì)導(dǎo)致模具之間的摩擦特性發(fā)生變化，進(jìn)而獲得不同質(zhì)量的拉深件。另外，從生產(chǎn)效率的角度來看，新能源電池殼需求量較大，沖壓速度將影響生產(chǎn)交付及時(shí)率。所以確定合理的沖壓工藝參數(shù)至關(guān)重要。拉深屬于一個(gè)靜態(tài)過程，沖壓速度增加到一定范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)模擬失真。所以，目前對(duì)于拉深模具的拉深成形過程進(jìn)行仿真時(shí)，拉深模具的沖壓速度通?？刂圃?000mm/s 之內(nèi)。

為研究沖壓速度對(duì)圓筒形電池殼拉深成形質(zhì)量的影響。本文分別對(duì)沖壓速度為500mm/s、1000mm/s、1500mm/s、2000mm/s、2500mm/s 五種情況進(jìn)行仿真分析。其他工藝參數(shù)保持不變，壓邊力20kN，凸模圓角半徑R5mm，凹模圓角半徑R5mm，凸凹模間隙1.1t(t 為料厚)，坯料直徑140mm，板厚0.6mm。

圖5 為厚度變化率與凸耳率相對(duì)于沖壓速度的變化關(guān)系，不同的模擬速度對(duì)圓筒件拉深成形過程的相關(guān)參數(shù)有一定的影響作用，模擬速度過大或者過小都會(huì)出現(xiàn)成形失敗。當(dāng)沖壓速度v=1000mm/s 時(shí)，圓筒件成形效果比較好，從圖中可以看出最大增厚率為21.451%，最大減薄率為10.844%。當(dāng)沖壓速度增加到1500mm/s 時(shí)，最大增厚率為20.802%，最大減薄率為21.212%。當(dāng)沖壓速度繼續(xù)增加到2000mm/s 時(shí)，最大增厚率為17.201%，最大減薄率為23.43%。

圖5 不同沖壓速度下的厚度變化率與凸耳率曲線圖

從圖5 可看出，隨著沖壓速度的增大，凸耳率整體呈下降的趨勢。在沖壓速度1000mm/s后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。只從曲線上來看，發(fā)現(xiàn)沖壓速度在2500mm/s 時(shí)凸耳率最小，成形效果最好。實(shí)際上并非這樣，速度達(dá)到2500mm/s 時(shí)，筒底已經(jīng)被拉裂脫底了，往后的繼續(xù)拉深筒頂已經(jīng)不發(fā)生變化了。所以沖壓速度要保持在合理范圍內(nèi)，否則會(huì)出現(xiàn)拉裂缺陷。

由圖6 拉深力變化曲線圖可知，沖壓速度超過1000mm/s 后，沖頭拉深力的大小隨沖壓速度的增大逐漸增大。當(dāng)沖壓速度超過2500mm/s 時(shí)，沖頭的拉深力上升達(dá)到最大值80kN，筒形件的底部已經(jīng)被拉裂脫底了。

圖6 不同沖壓速度下的拉深力變化曲線

試驗(yàn)驗(yàn)證

由數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，最優(yōu)的工藝參數(shù)為1.1t(t=0.6mm)的凸凹模間隙、20kN 的壓邊力和1000mm/s 的沖壓速度。在保持其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，將最優(yōu)工藝參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際拉深模具中進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果如圖7 所示，從外觀上來看，基本保持一致。接著比較其成形厚度分布狀況。將拉深后的鋼殼利用線切割設(shè)備從中心線方向切開，利用千分尺測量其12 個(gè)點(diǎn)的厚度，并與有限元仿真結(jié)果的厚度云圖中對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行對(duì)比，如圖8 所示。

圖7 試驗(yàn)與有限元結(jié)果外觀對(duì)比

圖8 試驗(yàn)與有限元結(jié)果厚度對(duì)比

從表2 分析得出，有限元數(shù)值模擬工件的厚度與試驗(yàn)研究實(shí)際工件的厚度最大相對(duì)誤差在圓角處，并都在4%以內(nèi)，整體相對(duì)誤差較小。總而言之，本文建立的筒形電池殼拉深有限元模型是準(zhǔn)確可靠的。

表2 有限元驗(yàn)證與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

結(jié)論

采用有限元仿真對(duì)圓筒形電池殼的拉深過程中的三個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析研究，并進(jìn)行了物理試驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)論如下。

⑴凸凹模間隙較小或者較大時(shí)，無論是最大減薄率，最大增厚率還是凸耳率都較大，成形質(zhì)量很差。當(dāng)凸凹模間隙在1.1t(t 為材料厚度)時(shí)，成形效果最好。

⑵當(dāng)壓邊力過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重減薄或者被拉裂；當(dāng)壓邊力過小時(shí)，又容易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。壓邊力為20kN 時(shí)，成形效果最好。

⑶不同的模擬速度對(duì)圓筒件拉深成形過程的相關(guān)參數(shù)有一定的影響作用，模擬速度過大或者過小都會(huì)出現(xiàn)成形缺陷。沖壓速度超過1000mm/s 后，沖頭拉深力的大小隨沖壓速度的增大逐漸增大。沖壓速度為1000mm/s 時(shí)，成形效果最好。

⑷根據(jù)對(duì)這三個(gè)工藝參數(shù)的研究分析，取最佳參數(shù)組合進(jìn)行仿真分析，同時(shí)進(jìn)行物理試驗(yàn)。優(yōu)化后的模擬結(jié)果及物理試驗(yàn)結(jié)果都是較佳的，將兩結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可知兩結(jié)果誤差保持在4%以內(nèi)，證明有限元仿真模型是可靠的。