锂离子电池按形状一般分为圆柱电池、矩形壳电池和刀片电池等。其中，刀片电池采用铝材质壳体，通过辊压、挤压或深拉深成形。近几年刀片型壳体的防爆阀逐渐开始设计在壳体的侧壁上，以提高爆燃状态下的安全性。但设计在侧壁的防爆阀安装孔的冲压工艺为新工艺，因此此项目属于新产品、新工艺范畴。因产品的截面大小、长短不一，为冲压工艺的开发带来了更高的难度。本文针对此新产品、新工艺，在防爆阀安装孔台阶面的板锻成形理论与CAE 分析、自动化多工位冲压工艺、模具的结构强度和精度控制等关键技术方面进行了研究，并通过模具项目进行了验证，所开发的模具已经投入生产。

新能源汽车在中国的销量逐步创出新高，其主要的动力来源于普遍采用的锂离子电池技术。锂离子电池相对于其他化学元素电池而言，具有较大的能量密度、循环充放电效率和性能优越、使用寿命相对更长等特点，因此，锂离子电池占据了主要的市场份额。锂离子电池一般采用铝壳体进行包装，壳体的形式包括圆形壳体、矩形壳体、刀片形壳体等。圆形壳体主要是特斯拉等客户采用，其成形工艺和模具技术相对而言比较成熟，主要通过高速大批量生产提高效率。矩形壳体的成形工艺相对于圆形壳体成形难度明显增大，但其具有设计更灵活等特点，被国内车企采用。近几年刀片形壳体开始在电池上得到应用，但其成形工艺和模具仍在不断探索发展中。

刀片形壳体一般为双通结构，与圆壳和矩形壳的典型区别在于不存在底部型面，因此普遍采用辊压、挤压或深拉深等方式成形。在刀片形壳体小面可设计防爆阀安装孔，根据壳体长度，侧壁可设计1 ～2个不同的安装孔，从而提高电芯的安全性。由于壳体小面通常较窄，而且该孔用于焊接防爆阀，因此尺寸精度要求极高，否则容易导致焊接缺陷，产生电芯安全问题。该孔为台阶孔，其成形原理与板锻成形原理相同，即将板料局部镦压成更薄的厚度以满足产品图纸的设计要求，其成形工艺复杂，涉及工序多，同时由于产品产量高，需要采用自动化方式进行生产，高速大批量生产的稳定性也存在很大困难，这对其成形工艺和模具结构强度、精度等提出了非常高的技术要求。

本文以刀片形壳体防爆阀板锻成形理论与CAE分析为起点，从自动化多工位冲压工艺、模具结构强度与精度设计等多个环节逐步解决相关技术难点，所开发的模具已经投入生产。

产品特点

刀片电池一般由矩形壳体、盖板组成。壳体的两端采用盖板焊接封装，防爆阀的设计安装位置逐步从传统的盖板上转移到壳体的侧壁上。设计在小面的侧壁上最为有利，这样可以更好地满足焊接的安全性和电芯的防爆安全性。壳体普遍采用铝材，长度在150 ～900mm 之间，截面为矩形，长宽比明显，所形成的壳体侧壁分别为大面和小面，小面宽度一般为16 ～20mm。在小面设计防爆阀安装孔，数量根据壳体的长短设计为1 个或2 个，防爆阀孔一般为腰形孔，台阶深度一般为0.5 ～0.65mm。图1 和图2 为刀片电池壳体和防爆阀示意图。

图1 刀片形壳体及防爆阀位置

图2 防爆阀安装孔形状示意图

板锻镦压成形理论与模拟

板料的冲压和锻造复合成形工艺简称板锻，此概念是从国外技术资料直接翻译过来的。在这个产品中，防爆阀安装孔是一个台阶形状，将产品从原始厚度锻压或镦压出一个台阶。传统板料的拉深、弯曲成形等在厚度方向一般不施加应力，属于平面应力状态成形，厚度方向为被动发生应变变形，应力和应变的分析比较容易，而板锻工艺属于三维应力状态。图3为壳体板料变形前后的应力状态，同时也显示了模具所受的三向应力。从图中可以看出，台阶形状的上模下行逐渐对板料施加Z 方向的压应力-σz，材料在内应力的作用下产生x 和y 方向的应力-σx 和-σy，因此防爆阀台阶面所承受的应力为三向压应力，壳体板料在非直接载荷区承担传力区的角色，该处材料所受的应力状态为σz=0，-σx，-σy。通过其应力状态可以看出该传力区的材料发生了一定的变形，后期CAE 分析和试验验证了这一点，产品的R 角产生了不光顺现象。通过在模具结构中增加压料板的侧向符型，将R 角不光顺降低到了最小。对于模具而言，下模芯在镦压过程中承受的应力状态为-σz，σx=0，σy=0。板锻镦压产生的力会导致模芯变形，通过CAE 分析验证，在模芯底部需要增加反侧支撑，消除模芯的变形。同时还要考虑废料滑落，在模芯中间设计了防爆阀的掉落孔，因此模芯的强度会继续减弱。

图3 板锻前后壳体板料和模具的应力状态分析

板锻成形变形量大，因此在成形过程中会产生强烈的冷作硬化现象，这不仅影响后工序成形的质量，而且由于成形力过大，会导致模具表面发生微变形，从而导致产品产生缺陷，模具也容易断裂。因此，在板锻工艺的镦压过程需要开展大量的CAE 分析工作来研究板锻的成形过程以及产品可能产生的缺陷。在板锻成形过程中，需要根据材料拉深试验曲线，建立应力应变模型、屈服强度、抗拉强度、延伸率、n值、r 值等关键参数的材料模型。表1 为本项目采用的Al3003H14 铝合金的材料性能基础参数。

表1 CAE 分析用材料Al3003H14 参数

板锻工艺属于体积成形，是通过在垂直方向对上模施加载荷使板料向另外方向流动，从而获得不等厚精冲零件的工艺方法。电池壳体防爆阀孔的尺寸精度一般在0.05mm 之内，而传统模具的公差精度为0.5mm，这对成形工艺、模具结构及加工制造等方面提出了更高的要求。本文通过CAE 分析软件中镦压模拟的成形工具设置以及实现CAE 中机构的运动，初步实现了镦压成形过程的CAE 仿真模拟。通过模拟成形力及最大载荷发现，该载荷超出了通常采用的模具钢的抗压极限，因此容易导致模具变形甚至疲劳开裂。

工艺方案制定需要通过两道工序锻压成形，即初步将产品台阶预镦压成形，然后采用精密镦压的方法达到所需要的产品台阶高度和精度。这样的成形模拟不仅可发现成形过程中材料的流动对产品质量的影响，而且对于模具结构产生的反作用力也进行了分析。图4 为CAE 模拟变形过程和等效塑性应变等信息。

图4 CAE 分析板锻镦压的成形设置和结果

多工位冲压工艺与模具结构

新能源汽车的高速发展对电池壳体的大批量生产提出了更高要求，不仅要求质量满足电池壳体的本身高精度，而且要求生产节拍高，否则难以满足大批量的需要。对于该壳体我们设计了一种自动化多工位冲压工艺和模具结构。采用板锻工艺和模具，对于双通的刀片形壳体侧壁带有不同形式或尺寸的台阶孔，都可实现成形。一般该类型零件的冲压工艺为4 工序，如图5 所示。

图5 冲压工艺排布和模具结构

第一工序OP10 为预冲孔工序，预冲孔工序主要是冲出工艺孔后再进行镦压，这样可以显著降低成形力，同时也有效地控制镦压过程中材料的流动方向，防止引起不必要的异常变形。为提高冲裁质量，减少冲裁毛刺，对于大批量生产，减少模具的维护，将模具导向间隙按精密模具质量要求，冲裁光亮带保持在50%以上，冲裁质量得到了明显的提升，同时也减少了毛刺的产生。为了进一步提高生产效率，设计开发了自动化机械夹钳，该夹钳将壳体坯料送入模具套入模芯上，待送入壳体毛坯到达设计的限位位置后，夹钳松开并退出模具本体，高速压机带动上模向下运动，冲头随着上模的带动下行，完成冲裁。第一序OP10 的冲裁力通过总结的经验公式计算出来，在模芯的结构强度仿真分析中，将经验公式计算的冲裁力作为输入条件，若模芯采用两端支撑、中间空开的方式，其在受冲击的情况下变形较大，容易导致冲头和凹模的损坏和磨损，从而加剧碎屑的产生，降低模具的寿命。因此在模具下部增加了全符型的结构，抵消了冲裁力引起的模芯变形。

第二工序OP20 为板锻成形的预镦压工序。通过材料性能测试，获取了壳体的力学性能参数，将其输入CAE 分析软件，通过CAE 模拟计算，获得了镦压变形位移以及板料的应力、应变分布和镦压成形力。通过模拟发现，镦压力超出了一次镦压的高度极限，且应变分布不均匀，导致壳体发生异常变形，不能满足产品质量要求，因此需要将镦压分为预镦压和终镦压两次成形。预镦压成形须达到成形量的50%～80%，终镦压完成剩余镦压尺寸，该方法还防止了由于自动化机械夹钳送料不稳定导致两次镦压产生“双眼皮”现象。预镦压成形力通过CAE模拟获取，通过和以往经验匹配基本吻合，将镦压力作为模芯的结构变形CAE 条件，发现模芯会产生0.1 ～0.5mm 的变形，该变形量无法在高速生产中获得合格和稳定的产品尺寸。因此模具结构采用与OP10 相同的结构，模芯增加反变形限位，有效抵消了镦压力引起的变形。

第三工序OP30 为终镦压台阶法兰成形，材料流动均匀，未发现有明显的产品异常变形情况，说明该方案有效可行。

第四工序OP40 为预留的精冲工序，在终镦压后，镦压的法兰面轮廓是否能满足公差要求视调试结果定，若批量生产稳定且满足尺寸精度要求，仅预留工序位置。若无法满足，则增加精冲工序。

OP40 工序后，可将零件通过自动化夹钳送入中转装置转运至清洗工序。图6 为模具的外形结构。

图6 模具的外形结构

模具的制造工艺通常有两种，一种是对模具组件的加工公差放宽，但组合安装后需对关键安装面二次加工，确保型面的质量，这种方法制造成本较低；另一种方式是将组件单件公差缩小，严格按公差要求加工后直接拼装完成，不需要二次加工。本项目采用第二种方案，不仅对单个组件在加工后测量，而且对装配后整体的精度也会进行三坐标测量，有效保证了装配的质量。这样做对于后续冲压过程中质量的稳定性，以及拆换组件时保证同样的效果起到很大的作用。在装配工艺方面，每个零件的非工作面用细砂纸去除毛刺和加工残留污垢等。每个部件按标准装配，不能产生受外力导致的变形。例如：导柱要冷冻至-40 ～-30℃装配，导板和镶块要用蓝丹检查与安装面接触的均匀度，装配精度、销钉配合间隙等(锤击渐进)都必须符合装配要求。将上下模的模板、镶块、模芯等安装后，采用三坐标检测装配后的精度，需要局部调整的，调整后再检测至合格。图7 是装配后对关键部位的检测报告。

图7 模具关键部位的检测报告

调试工作在油压机上进行，检查模具运动无干涉后，放入壳体坯料进行冲压，零件产生最多的缺陷包括台阶孔位偏差、台阶深度偏差、零件划伤、大面波浪变形等。对于孔位的偏差，主要由OP10 和OP20 的定位偏差引起，重点研配零件放入模芯后确保有良好的定位，减少前后工序偏差。台阶深度主要靠调节油压机的吨位和压入量进行微调。零件划伤主要是由于刀片形壳体会存在一定的尺寸波动，送入模芯过程中会和模芯产生摩擦导致，因此适当放松二者之间的间隙，但不能太多，否则会引起定位偏差，导致孔位超出公差。这个工作需要精细微调模具，才能获得稳定合格的产品。图8为调试过程中的缺陷，图9为调试合格零件。

图8 调试过程中的各种缺陷

图9 调试合格的零件

结束语

在本项目中，针对刀片形壳体防爆阀产品特点，对成形过程中的材料变形与流动等均采用了CAE 分析的方法进行了预测和分析，结合理论分析，通过该项目开发出一套用于刀片形壳体的板锻镦压成形过程的CAE数值模拟方法，以及自动化多工位板锻镦压的冲压工艺技术。由于产品的高精度要求，因此对模具设计中的定位精度、导向精度、符型精度等方面进行创造性设计，最终获得了质量合格的产品。所开发的多套模具已经投入生产，产品已经交付国内几家头部电池企业。