電池殼第一道次沖壓成形模擬分析

文/張茜，王秋雨，趙明月·河鋼唐鋼技術(shù)中心

本文以唐鋼自主研發(fā)的電池殼鋼為對(duì)象，采用有限元軟件Dynaform對(duì)電池殼第一道次沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬分析，從而確定合理的沖壓邊界條件，探究材料強(qiáng)度、加工硬化指數(shù)、塑性應(yīng)變比等材料參數(shù)對(duì)沖壓零件壁厚的影響。

由于節(jié)能和環(huán)保的壓力，新能源電動(dòng)車正迅速的從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化和市場(chǎng)化。電動(dòng)汽車采用電池組作為主要的能量來(lái)源。電池組需求量大，零件表面要求高，給鋼鐵企業(yè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。一臺(tái)49座純電動(dòng)客車，其電池組由1.8萬(wàn)個(gè)電池組成，在電池組中任意一電池殼出現(xiàn)砂孔、沖壓開裂、軋制橫折紋等問題，均無(wú)法滿足使用要求，其研發(fā)難度之大，讓國(guó)內(nèi)很多鋼廠望而卻步。河鋼唐鋼起初研發(fā)電池殼鋼試用生產(chǎn)時(shí)，也曾出現(xiàn)拉絲、夾縫等缺陷。因此，本文以某純電動(dòng)客車電池組電池為原型，采用Dynaform軟件對(duì)電池殼第一道次沖壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真分析，評(píng)價(jià)影響電池殼沖壓成形的關(guān)鍵材料參數(shù)。

電池殼沖壓成形有限元模型及邊界條件設(shè)定

研究背景

某電動(dòng)客車廠生產(chǎn)電池殼時(shí)，采用0.5mm厚板料經(jīng)過(guò)落料→6道次變形沖壓→整形、切邊等工序得到，不同道次零件如圖1所示，不同道次零件尺寸見表1。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，每分鐘可得到20個(gè)成品電池殼。

圖1 不同道次沖壓變形后電池殼（已切邊）

幾何模型建立

本文以電池殼生產(chǎn)過(guò)程中第一道次沖壓過(guò)程為研究對(duì)象，根據(jù)不同道次零件尺寸，參照沖壓手冊(cè)中圓筒形件沖壓毛坯尺寸計(jì)算公式和無(wú)凸緣圓筒形拉深件的修邊余量經(jīng)驗(yàn)值表，可以確定初始坯料尺寸為φ104mm。第一道次零件尺寸為φ55mm×27mm，底部外圓角半徑為4mm，可得到凹模尺寸，通過(guò)Dynaform軟件自帶的偏置功能偏置模具間隙即可得到凸模尺寸。由于第一道次為不減薄沖壓，其模具間隙為(1.1～1.3）t，擬定模具間隙為1.1t得到凸模。各零件的形狀如圖2所示。

表1 不同道次沖壓后得到零件尺寸

表2 唐鋼電池殼鋼不同方向力學(xué)性能

邊界條件設(shè)定

圖2 各零件形狀

采用Dynaform對(duì)沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬，模具單元定義為剛性殼單元，坯料單元選用計(jì)算效率較高的Belytschko-Tsay單元(簡(jiǎn)稱BT單元） ，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法將模具和坯料劃分為四邊形單元和三角形單元。求解格式采用顯示動(dòng)力學(xué)算法。本構(gòu)關(guān)系選用Barlat屈服模型(36#），該模型適用于任何薄板金屬成形分析，材料參數(shù)借鑒唐鋼某次生產(chǎn)的電池殼鋼力學(xué)性能（表2）。

模擬結(jié)果分析

凹模上圓角尺寸對(duì)沖壓成形的影響

根據(jù)電池殼鋼生產(chǎn)速度可估算出模具沖壓速度約為1000mm/s，模具間隙和摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別設(shè)定為1.1t和0.08，壓邊力設(shè)定為4000N，在2～10mm范圍內(nèi)調(diào)整凹模上圓角尺寸進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖3所示，不同凹模上圓角半徑對(duì)零件影響如圖4所示。

通過(guò)模擬可以看出，隨著凹模上圓角半徑的增加，減薄區(qū)域呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，起皺區(qū)域呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，板料厚度差變小。當(dāng)凹模圓角半徑小于6mm時(shí)，厚度變化嚴(yán)重；大于6mm時(shí)變化較平緩，但隨著圓角半徑的增加，起皺區(qū)域較大，浪費(fèi)較多，綜合考慮凹模上圓角半徑取值為6mm。

圖3 零件模擬結(jié)果

圖4 不同凹模上圓角半徑對(duì)沖壓件影響

模具間隙對(duì)沖壓件的影響

分別采用1.1t、1.2t、1.3t間隙進(jìn)行沖壓過(guò)程模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)模擬可以看出，當(dāng)模具間隙＞1.1倍料厚時(shí)，繼續(xù)增大模具間隙，幾乎不影響起皺區(qū)域，但會(huì)略微增大減薄區(qū)域長(zhǎng)度，整體而言對(duì)沖壓件厚度無(wú)影響。所以，模具間隙設(shè)定為1.1t是合理的。

摩擦系數(shù)對(duì)沖壓件的影響

分別用 0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12的摩擦系數(shù)進(jìn)行沖壓模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同模具間隙對(duì)沖壓件的影響

圖6 摩擦系數(shù)對(duì)沖壓件的影響

通過(guò)模擬可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，減薄區(qū)域呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，摩擦系數(shù)越小，減薄區(qū)域越小，但實(shí)際生產(chǎn)中模具摩擦系數(shù)很難達(dá)到非常光滑的程度，結(jié)合實(shí)際情況及相關(guān)文獻(xiàn)，將摩擦系數(shù)選定為0.08是合理的。

壓邊力對(duì)沖壓件的影響

分別采用1000N、1500N、2000N、4000N、6000N、8000N、10000N、12000N的壓邊力進(jìn)行沖壓過(guò)程模擬，模擬結(jié)果如圖7所示。

通過(guò)模擬可以看出，在一定范圍內(nèi)壓邊力對(duì)成形件影響不大，但當(dāng)壓邊力小于1500N時(shí)，零件起皺非常嚴(yán)重；當(dāng)壓邊力為2000～12000N時(shí)，對(duì)沖壓結(jié)果幾乎無(wú)影響。所以采用4000N的壓邊力進(jìn)行沖壓模擬是合理的，如圖8所示。

圖7 壓邊力對(duì)沖壓件的影響

圖8 不同壓邊力下零件厚度分布

不同材料參數(shù)對(duì)沖壓結(jié)果的影響

⑴屈服強(qiáng)度對(duì)沖壓件的影響。以原始電池殼鋼的力學(xué)性能為基準(zhǔn)，在保證r值和n值不變的情況下，沿彈性段斜率上下平移調(diào)整屈服強(qiáng)度使其在170～240MPa之間進(jìn)行沖壓模擬，模擬結(jié)果如圖9所示。通過(guò)模擬可以看出，在n值和r值不變的前提下，屈服強(qiáng)度波動(dòng)不影響零件壁厚。

圖9 屈服強(qiáng)度對(duì)零件壁厚的影響

圖10 n值對(duì)零件壁厚的影響

⑵加工硬化指數(shù)n對(duì)沖壓件影響。采用Krupskowsky law 硬化準(zhǔn)則 [σ=K(ε0+ε）n，其中ε0為屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值]，在0.16～0.26范圍內(nèi)調(diào)整n值進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖10所示。通過(guò)模擬可以看出，在一定范圍內(nèi)調(diào)整n值不影響零件壁厚。

⑶塑性應(yīng)變比r對(duì)沖壓件影響。在保證屈服強(qiáng)度和n值不變情況下，在1.3～2.4范圍內(nèi)調(diào)整r值進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖11所示。通過(guò)模擬可以看出，隨著r值增加，沖壓件最小壁厚基本不變，但最大壁厚值有所降低，上部最厚厚度值減小，沖壓件壁厚均勻性更佳。

⑷各向異性差△r對(duì)沖壓件影響。在不同批次生產(chǎn)的電池殼鋼中，選取△r在0～0.3范圍內(nèi)波動(dòng)的材料參數(shù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖12所示。通過(guò)模擬可以看出，隨著Δr增加，沖壓件厚度分布基本不變，但凸耳高度明顯增加。

圖11 r值對(duì)零件壁厚影響

圖12 △r對(duì)零件壁厚及凸耳的影響

⑸r均值對(duì)沖壓件的影響。從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中選取Δr近似、r均值不同的DC01、DC03、DC04進(jìn)行沖壓模擬，不同材料力學(xué)性能見表3，模擬結(jié)果如圖13所示。

通過(guò)模擬可以看出，在Δr相近的情況下，隨著r均值的增加，最大壁厚明顯降低，凸耳明顯降低，有利于提高產(chǎn)品壁厚均勻性。

結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際案例，采用Dynaform軟件對(duì)電池殼沖壓成形過(guò)程中第一道次進(jìn)行模擬仿真，在沖壓過(guò)程中凹模上圓角尺寸、模具間隙、壓邊力、摩擦系數(shù)等外界條件以及材料屬性均會(huì)對(duì)沖壓產(chǎn)生影響。

圖13 r均值對(duì)零件壁厚及凸耳高度的影響

表3 不同材料力學(xué)性能

⑴當(dāng)凹模上圓角半徑設(shè)定為6mm，模具間隙設(shè)定為1.1t，壓邊力設(shè)定為4000N，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.08時(shí)，可得到形狀良好的成形件。

⑵材料的強(qiáng)度和加工硬化指數(shù)n值基本不影響零件壁厚的分布。

⑶材料Δr主要影響零件凸耳高度。Δr越大，凸耳值越大，但對(duì)厚度影響不大。

⑷r值主要影響零件最大壁厚，對(duì)最小壁厚影響不大。r均值增加可降低零件最大壁厚值，有利于保證產(chǎn)品壁厚均勻性，且會(huì)降低凸耳高度。