工艺参数对圆筒形电池壳拉深的影响

文/孙文，田文春，纪小虎，薛克敏·合肥工业大学材料科学与工程学院

近年来，我国的环境污染与石油短缺问题日益加剧。新能源汽车市场迅速崛起，其保有量不断增长，电池等配件需求量与之增长。电池钢壳是新能源电动汽车中电池高效储能的主要结构件之一，其用量需求越来越大，安全性能要求也是越来越高，同时还得满足轻量化的需求。这不仅要求电池壳的壁厚越来越薄，还得保证有足够的强度，采用适当的工艺制备合格的零件也就越来越具有挑战性。当前电池壳的生产工艺主要是以拉深成形工艺为主。

在实际生产过程中，不同的工艺参数会对圆筒拉深件的成形质量有着决定性的影响，不合理的工艺参数会使得拉深件极容易出现起皱、减薄和凸耳等缺陷。因此想要得到高质量的拉深件，我们需要选择合适的工艺参数，了解各参数对拉深件的影响规律，最终达到控形控性的目的。本文以圆筒形电池壳的拉深工艺为研究对象，采用Dynaform 有限元分析软件对圆筒件拉深的凸凹模间隙、压边力及冲压速度这三个工艺参数进行仿真分析研究，获得最佳参数。根据模拟结果成功地进行了零件试制，对新产品模具的开发提供了正确的理论指导。

材料及零件模型

材料参数

圆筒拉深件的试验材料为商用的新日铁镀镍钢，也即SPCE，一种适合深冲/拉深用的深冲级别冷轧碳素钢板。厚度为0.6mm，其单向拉伸力学性能参数见表1，应力应变曲线如图1 所示。

图1 SPCE 真实应力应变曲线

表1 SPCE 材料力学性能参数

有限元模型

根据实际的凸凹模尺寸，利用Dynaform 软件建立有限元模型，对圆筒件拉深过程进行数值模拟。拉深模具的有限元模型如图2 所示。

图2 有限元模型

工艺参数对圆筒件拉深的影响

凸凹模间隙对拉深质量的影响

为了研究凸凹模间隙对圆筒件拉深质量的影响。本文选定压边力为20kN，凸模圆角半径为R5mm，凹模圆角半径R5mm，材料厚度0.6mm，坯料直径140mm，冲压速度1000mm/s。对拉深中的凸凹模间隙单边分别为0.9t、t、1.05t、1.1t、1.15t、1.2t(其中t 为材料厚度)，对拉深成形进行仿真分析。

图3 为不同凸凹模间隙下的厚度变化率与凸耳率曲线图。板料在拉深成形过程中，拉深模具的凸凹模间隙与零件的成形质量是直接相关的。随着凸凹模间隙的增大，最大减薄率、最大增厚率及凸耳率整体都是呈现先减小后增大的变化规律。当凸凹模单边间隙为1.1t(其中t 为材料厚度)时，三项指标达到最小值，最大减薄率为11.755%，最大增厚率为21.563%，凸耳率为7.9%，成形质量最佳。

图3 不同凸凹模间隙下的厚度变化率与凸耳率曲线图

当凸凹模间隙过小时，会引起拉深力的急剧增大，从而导致材料的内应力增大，危险断面更容易产生破裂，甚至直接脱底。同时，模具的磨损加剧，寿命锐减。当凸凹模间隙过大时，拉深零件侧壁的锥度大，更容易发生起皱现象，而且口部的增厚是无法消除的，侧壁厚度精度较差。凸凹模间隙较小或者较大时，无论是最大减薄率，最大增厚率还是凸耳率都较大，成形质量很差。当凸凹模间隙在合理范围内，最大减薄率，最大增厚率及凸耳率都较小，成形效果好。

压边力对拉深质量的影响

拉深成形过程中，在冲床或者压力机的作用下，随着拉深行程的逐渐增大，凸缘边缘的材料不断地沿着径向移动到中心，会出现拉深失稳现象。一般是通过增加压边力来降低或者改善拉深失稳缺陷。压边力的大小一般可以根据公式⑴进行理论计算：

Q={π[D2-(d+2rd)2]q}/4 ⑴

公式中：D 为板料的直径(mm)；d 为拉深后零件直径(mm)；q 为单位压边力(MPa)；rd为凹模圆角半径(mm)。本文中单位压边力q 取值为2.5MPa，通过上面公式计算可求得，所需要的理论压边力最小值Q 取30kN。

为了研究压边力对圆筒件拉深质量的影响。本文选定凸模圆角半径为R5mm，凹模圆角半径R5mm，材料厚度0.6mm，凸凹模间隙取1.1t(t 为材料厚度)，坯料直径140mm，冲压速度1000mm/s。对拉深中的压边力分别取2kN、10kN、20kN、30kN、50kN、100kN，对拉深成形进行仿真分析。

图4 为厚度变化率和凸耳率相对于压边力的变化关系，当压边力大小在10kN、20kN 时成形效果好，最大减薄率及最大增厚率都在25%以内。最大增厚率与最大减薄率数值分别为21.439%，21.182%，10.226%，10.007%。压边力小于10kN 或大于20kN成形质量都是很差，筒形件的最大减薄率与最大增厚率都是远大于25%，成形失败。

根据图4 可知，压边力对凸耳率影响较大，当压边力较小或者较大时，圆筒件的凸耳率较大，只有当压边力在一定的合理范围内，凸耳率较小，成形较好。当压边力过大时会增加危险断面区域的拉应力，会出现严重减薄或者被拉裂；当压边力过小时，又容易产生起皱现象。在实际的生产中，压边力的大小通常是根据既不发生起皱又不被拉裂的原则加以调整来确定。所以，在拉深过程中的压边力是一个至关重要的工艺参数。

图4 不同压边力下的厚度变化率与凸耳率曲线图

冲压速度对拉深的影响

冲压速度是冲压成形的重要工艺参数之一。如果冲压速度不同，板材成形过程中的变化率也会发生变化。不同的冲压速度会使板材获得不同的成形极限，从而反映出不同的加工硬化特性。再者，冲压速度的变化也会导致模具之间的摩擦特性发生变化，进而获得不同质量的拉深件。另外，从生产效率的角度来看，新能源电池壳需求量较大，冲压速度将影响生产交付及时率。所以确定合理的冲压工艺参数至关重要。拉深属于一个静态过程，冲压速度增加到一定范围时会出现模拟失真。所以，目前对于拉深模具的拉深成形过程进行仿真时，拉深模具的冲压速度通常控制在5000mm/s 之内。

为研究冲压速度对圆筒形电池壳拉深成形质量的影响。本文分别对冲压速度为500mm/s、1000mm/s、1500mm/s、2000mm/s、2500mm/s 五种情况进行仿真分析。其他工艺参数保持不变，压边力20kN，凸模圆角半径R5mm，凹模圆角半径R5mm，凸凹模间隙1.1t(t 为料厚)，坯料直径140mm，板厚0.6mm。

图5 为厚度变化率与凸耳率相对于冲压速度的变化关系，不同的模拟速度对圆筒件拉深成形过程的相关参数有一定的影响作用，模拟速度过大或者过小都会出现成形失败。当冲压速度v=1000mm/s 时，圆筒件成形效果比较好，从图中可以看出最大增厚率为21.451%，最大减薄率为10.844%。当冲压速度增加到1500mm/s 时，最大增厚率为20.802%，最大减薄率为21.212%。当冲压速度继续增加到2000mm/s 时，最大增厚率为17.201%，最大减薄率为23.43%。

图5 不同冲压速度下的厚度变化率与凸耳率曲线图

从图5 可看出，随着冲压速度的增大，凸耳率整体呈下降的趋势。在冲压速度1000mm/s后出现转折。只从曲线上来看，发现冲压速度在2500mm/s 时凸耳率最小，成形效果最好。实际上并非这样，速度达到2500mm/s 时，筒底已经被拉裂脱底了，往后的继续拉深筒顶已经不发生变化了。所以冲压速度要保持在合理范围内，否则会出现拉裂缺陷。

由图6 拉深力变化曲线图可知，冲压速度超过1000mm/s 后，冲头拉深力的大小随冲压速度的增大逐渐增大。当冲压速度超过2500mm/s 时，冲头的拉深力上升达到最大值80kN，筒形件的底部已经被拉裂脱底了。

图6 不同冲压速度下的拉深力变化曲线

试验验证

由数值模拟结果分析可知，最优的工艺参数为1.1t(t=0.6mm)的凸凹模间隙、20kN 的压边力和1000mm/s 的冲压速度。在保持其他参数不变的基础上，将最优工艺参数应用到实际拉深模具中进行验证。

试验结果与有限元仿真结果如图7 所示，从外观上来看，基本保持一致。接着比较其成形厚度分布状况。将拉深后的钢壳利用线切割设备从中心线方向切开，利用千分尺测量其12 个点的厚度，并与有限元仿真结果的厚度云图中对应位置进行对比，如图8 所示。

图7 试验与有限元结果外观对比

图8 试验与有限元结果厚度对比

从表2 分析得出，有限元数值模拟工件的厚度与试验研究实际工件的厚度最大相对误差在圆角处，并都在4%以内，整体相对误差较小。总而言之，本文建立的筒形电池壳拉深有限元模型是准确可靠的。

表2 有限元验证与试验数据对比

结论

采用有限元仿真对圆筒形电池壳的拉深过程中的三个工艺参数进行仿真分析研究，并进行了物理试验验证，其结论如下。

⑴凸凹模间隙较小或者较大时，无论是最大减薄率，最大增厚率还是凸耳率都较大，成形质量很差。当凸凹模间隙在1.1t(t 为材料厚度)时，成形效果最好。

⑵当压边力过大时会出现严重减薄或者被拉裂；当压边力过小时，又容易产生起皱现象。压边力为20kN 时，成形效果最好。

⑶不同的模拟速度对圆筒件拉深成形过程的相关参数有一定的影响作用，模拟速度过大或者过小都会出现成形缺陷。冲压速度超过1000mm/s 后，冲头拉深力的大小随冲压速度的增大逐渐增大。冲压速度为1000mm/s 时，成形效果最好。

⑷根据对这三个工艺参数的研究分析，取最佳参数组合进行仿真分析，同时进行物理试验。优化后的模拟结果及物理试验结果都是较佳的，将两结果进行对比，可知两结果误差保持在4%以内，证明有限元仿真模型是可靠的。