基于ABAQUS的廢舊鋰電池切割過程仿真與試驗研究

唐陳樂，朱華炳，陳 東，湯 晨

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)成為了我國經(jīng)濟中的重要產(chǎn)業(yè)之一[1]。從新能源汽車整體走勢來看，對于鋰電池的需求呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，同時電池的報廢量也必然在不斷的增加。經(jīng)預測到2020年我國動力電池需求量預計達到130 Gwh，報廢量約50萬噸，到2023年，報廢量電池將達到116 t[2]。如果對報廢鋰電池處理不當那么將會造成極大的環(huán)境污染，同時鋰電池中含有大量的有價金屬(比如鋰、銅、鋁等)，因此對于動力鋰電池的生命周期研究勢在必行，對報廢鋰電池進行合理的回收利用，真正使整個行業(yè)鏈朝著綠色、環(huán)保、可持續(xù)的方向發(fā)展。

美國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)開始建立新能源汽車的回收體系，其中一些國家已經(jīng)頗有成果[3]。國內(nèi)對于報廢鋰電池的回收與發(fā)達國家相比還存在一定的差距，報廢動力鋰電池的回收主要采用的是人工拆解的方式，自動化拆解的程度較低。在對報廢鋰電池進行拆解回收的過程中，如何高效、安全的將電池外殼和電池內(nèi)芯分離是十分重要的問題[5]。對鋰電池進行拆解，切割部分是關(guān)鍵的部分之一，切割部分的穩(wěn)定性能直接對切割的質(zhì)量和效率造成影響[6]。

圓鋸片是典型的超薄切割部件，在切割性能方面具有效率高、質(zhì)量好等優(yōu)點。蔣連瓊等人通過使用圓鋸片對枝條進行切割并對其過程進行動態(tài)仿真[7]；姚濤等人使用圓鋸片對石材進行切割仿真及實驗，并研究鋸切轉(zhuǎn)速等條件對鋸切效果的影響[8]；李偉光等人通過使用鋸齒進行切割，探究了鋸切進給速度和表面粗糙度之間的關(guān)系[9]。

通過ABAQUS有限元數(shù)值模擬，分析圓鋸片在電池切割的過程中切削力變化。這里采用正交實驗的方法確定切割系統(tǒng)的最佳參數(shù)匹配，為優(yōu)化切割系統(tǒng)參數(shù)，保證切割穩(wěn)定、延長使用時間提供了理論依據(jù)。

1 ABAQUS切削仿真建模

1.1 幾何模型建立

為了使用有限元的方法模擬切削的過程，將電池簡化為實心的長方體。電池沿X、Y、Z三個方向的尺寸為60 mm×20 mm×160 mm。使用不同參數(shù)的鋸片對其進行切割，完成拆解過程。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電池和鋸片的物理屬性如表1所列。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

表1 電池和圓鋸片物理參數(shù)

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

在對電池外殼進行切割的過程中，會產(chǎn)生大量的熱量，在這樣的環(huán)境下會發(fā)生塑性變形。所以在進行仿真的時候需要確定材料的本構(gòu)模型，這樣才能夠保證仿真結(jié)果的準確性。Johnson-Cook 模型能很好地描述材料應變硬化、應變速率硬化和熱軟化效應，其表達式[10]為：

(1)

表2 Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系參數(shù)

1.3 材料失效準則

描述在切削過程中網(wǎng)格的失效的原則，從而達到分離的效果，形成切屑，使用Johnson-Cook 剪切失效準則，它是通過等效塑性應變來表示的。其表達式如下：

(2)

在進行仿真的時候，按照一定的標準對單元的等效塑性應編制值進行分析，如果損壞的參數(shù)大于1，那么此時材料失效。損傷參數(shù)用V表示：

(3)

采用的Johnson-Cook 剪切失效準則相關(guān)參數(shù)如表3所列。

表3 Johnson-Cook 失效準則參數(shù)

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 評價指標

根據(jù)正交實驗的檢驗原理，需要對評價標準進行確定。在進行切削仿真的時候，切削力是反映變形的一個重要指數(shù)。對廢舊鋰電池進行切割拆解影響切削的因素具有很多，包括鋸片的相關(guān)參數(shù)、鋸片的轉(zhuǎn)速以及進給速度等。進行仿真過程中使用正交實驗的方法會得到很多的數(shù)據(jù)輸出，例如切削力以及應力等。鋸片在高轉(zhuǎn)速的條件下工作，并且圓鋸需要承受較大的周期性應力，那么可以將切削力和應力作為評價的指標。

圖2 受力分析圖

2.2 單因素仿真分析

文中主要研究切削過程中切割圓鋸片齒數(shù)、進給速度以及鋸片轉(zhuǎn)速對切削效率以及質(zhì)量的影響，為了驗證所選的因素合理性，進行了相關(guān)的單因素仿真實驗，如圖所示，進過分析，得出了影響鋸片切削力和應力以及切削質(zhì)量的主要影響因素的相關(guān)規(guī)律。

(1) 鋸片不同轉(zhuǎn)速對切削力的影響

設(shè)置系統(tǒng)進給速度為10 mm/s，鋸片齒數(shù)為100 T保持不變，改變鋸片的轉(zhuǎn)速，分別設(shè)置為2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，對其進行仿真實驗，根據(jù)切削力的變化判斷轉(zhuǎn)速對切削的影響。

如圖3所示，不同轉(zhuǎn)速對切削力存在一定的影響，當鋸片的轉(zhuǎn)速較小時，鋸片的轉(zhuǎn)動存在一定的阻礙無法進行正常的切割工作，在一定的范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速的提高，切削力呈現(xiàn)減小的趨勢。主要是由于在保持其他情況一致的情況下，轉(zhuǎn)速越低每齒的進給量就會增大，在單位時間內(nèi)去除的材料增加的切屑變多，摩擦阻力越大，導致切削力增加。隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，當超過一定范圍時會在造成鋸片的振動影響鋸片切割的穩(wěn)定性，切削力不斷增加。

圖3 不同轉(zhuǎn)速對切削力的影響

(2) 鋸片不同齒數(shù)對切削力的影響

設(shè)置系統(tǒng)進給速度為10 mm/s、鋸片轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，改變鋸片齒數(shù)，分別設(shè)置齒數(shù)為為40 T、60 T、80 T、100 T、120 T，對其進行仿真實驗，根據(jù)切削力的變化判斷鋸片齒數(shù)對切削的影響。

如圖4所示，不同的齒數(shù)對切削力同樣存在一定的影響。當齒數(shù)過少時，電池表面的切割質(zhì)量不高，存在大量的刺頭，切削力變大。隨著齒數(shù)不斷增加，齒之間的間距越來越小同樣造成了一定的切削困難，使得電池的表面難以進入齒間，需要更大的切削力。

圖4 不同齒數(shù)對切削力的影響

(3) 鋸片不同進給速度對切削力的影響

設(shè)置系統(tǒng)鋸片轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，齒數(shù)100 T，改變鋸片的進給速度，分別設(shè)置進給速度為5 mm/s、10 mm/s、15 mm/s、20 mm/s、25 mm/s，對其進行仿真實驗，根據(jù)切削力的變化判斷鋸片齒數(shù)對切削的影響。

如圖5所示，進給速度對切削力的影響比較顯著，隨著進給速度的增加，切削力也在增加，特別是在Fx和Fy兩個方向上結(jié)果比較明顯。但是進給速度過大對切削的質(zhì)量造成一定的影響，同時存在許多毛刺。

圖5 不同進給速度對切削力的影響

2.3 后處理和結(jié)果分析

進行仿真計算結(jié)束后，使用ABAQUS軟件對計算的結(jié)果進行可視化結(jié)果分析。在鋸片的齒數(shù)Z=100 T，鋸片轉(zhuǎn)速Vc=3 000 r/min,進給速度Vf=15 mm/s的情況下，對切削的過程中獲得的關(guān)于切削力的數(shù)據(jù)進行曲線處理。

3 正交試驗結(jié)果分析

3.1 試驗驗證

廢舊鋰電池試驗來源為安徽巡鷹新能源科技有限公司。為驗證鋸片進給速度、轉(zhuǎn)速、鋸片齒數(shù)三個因素的影響，對其進行了相關(guān)的試驗，將電池使用夾具固定對其進行切割拆解，通過對動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)對切割的狀況進行實時監(jiān)測，對切削過程中圓鋸片的受力進行間接的測量。如圖6所示。

圖6 動態(tài)應力圖

圖7 切割試驗圖

3.2 試驗結(jié)果

測試的方法主要是正交表試驗。正交表設(shè)計測試是一種高效、簡便的多因素測試設(shè)計方法。文中一共選擇了三個因素作為獨立因素，分別是進給速度(Vf)、鋸片轉(zhuǎn)速(Vc)以及鋸片齒數(shù)(Z)，每個變量分別有三個變化級別。如表4所列。

表4 正交試驗水平因素

實驗總共有9組組合輸入變量，所以需要對其進行9次試驗，對每一次的數(shù)據(jù)都將產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)，其中包括切削力的分量Fxmax、Fymax、Fzmax，分別表示為切削力沿著x軸、y軸、z軸三個方向的分量最大值。9組數(shù)據(jù)可以代表2次完整的試驗數(shù)據(jù)，全面反映了齒數(shù)、轉(zhuǎn)速、進給速度三種因素對指標的影響。正交試驗結(jié)果如表5所列。

表5 正交試驗結(jié)果表

經(jīng)過進行極差分析，如表6所列，表明各種因素水平對指標都存在不同的影響。對于在x方向上的最大切削分力Fxmax(N)，鋸片的轉(zhuǎn)速影響最大，其余影響程度依次為進給速度和齒數(shù)；對于在y方向上的最大切削分力Fymax(N)進給速度影響最大，其余依次為鋸片轉(zhuǎn)速和齒數(shù)；對于在z方向上的最大切削分力Fzmax(N)鋸片轉(zhuǎn)速影響最大，其余依次為進給速度和齒數(shù)。

表6 正交極差分析表

3.3 最佳參數(shù)組合

根據(jù)之前的數(shù)值分析可知，選擇適當?shù)匿徠D(zhuǎn)速和進給速度可以降低切削力并且改變表面質(zhì)量。在實際的切割拆解過程中，為了提高效率，所以需要合理的選擇鋸片的轉(zhuǎn)速以及進給速度兩個運動參數(shù)，在此前提下還應該盡可能減小鋸片的切削力，避免切割過程中的動態(tài)不穩(wěn)定。根據(jù)以上獲得的參數(shù)匹配結(jié)果，并考慮切割過程中功耗、效率、經(jīng)濟性等因素進行綜合分析，確定了參數(shù)為鋸片齒數(shù)為100 T，鋸片轉(zhuǎn)速為4 000 r/min和進給速度為10 mm/s。

圖8 切割試驗效果圖

4 結(jié) 語

對于廢舊鋰電池拆解切割過程中圓鋸片的耐用性和穩(wěn)定性是切割過程中的重要考慮因素。通過正交實驗的設(shè)計方法，在進給速度、鋸片齒數(shù)、鋸片轉(zhuǎn)速三個因子水平上，對鋸片在切割過程中的切削力進行了研究。進行了切削力測試試驗，仿真結(jié)果表明切削力和實驗吻合良好。在保證切割質(zhì)量和切割效率的前提下，選取的參數(shù)為鋸片齒數(shù)為100 T，鋸片轉(zhuǎn)速為4000 r/min和進給速度為10 mm/s。可以在一定程度上減小圓鋸片所受的切削力，同時在此參數(shù)下進行切割效果良好。