在之前的文章中介绍了方型电池外壳后,在这里再重点介绍圆柱形电池外壳。 除了铝制的方型电池外壳外,用于电动汽车的圆柱电池外壳是由镀镍钢(NPS)制成。 某些轻型汽车会用铝壳,但对于电动汽车而言,绝大多数情况是钢壳。 有人会问,“铝是否会在未来发挥作用呢?”这是一个很好的问题。关于铝壳的优势问题已经做了一些有趣的研究,具体可以参见最近由Speira公司和RWTH’s PEM研究所发布的白皮书“圆柱锂电池铝壳的优点”。 然而,并没有人能确保这些优势一定会在市场中显现出来,所以现在让我们关注NPS外壳。

NPS圆柱电池外壳的工艺路线是深拉伸和变薄的组合,类似于饮料罐的技术应用,通常称为“DWI”,即拉伸和变薄。 Reynolds Metal Company和其他公司在1960年代已经开发了这种饮料罐加工工艺。

制作电池外壳的工艺路线如下

  • • 冲杯(卷材下料和第一次深拉)
  • 变径——次数
  • 变薄——次数
  • 切边

在此工艺路线之间,可能需要用于底部或开口几何形状的穿孔和附加成型步骤。

上一篇文章的回顾:杯体尺寸和深拉/变径步骤将由材料可能的深拉比β决定。 变薄是通过将金属压入冲头和变薄环之间的间隙来减少壁厚。 通过变薄减少壁厚与增加外壳长度直接相关。 壁厚的减少或长度的增加由变薄比给出。

冲杯是一种在双动冲杯机的每个冲程中产生多个杯子的方法,它不仅生产效率高,而且在材料利用方面也有优势。 该方法很简单,原则上就是切出一个圆形坯料,然后对该坯料进行第一次拉伸。 模具的横截面显示了活动元件,如切刀、拉伸垫、落料拉伸模和冲头。

冲杯模座及其模具

这些元件在模座中重复多次,以便每个冲程运行多个杯子的宽线圈。

事实上,材料利用率随出料数量的增加而提高。 如下图所示:

冲杯压力机及典型材料利用率

NPS通常提供650mm-900mm的宽度。 有必要找出其供应链中可用的最大宽度, 并通过安排尽可能多的坯料来优化材料利用率,从而最大限度地利用它。 卷材在加工前需要用光滑的油膜润滑。
快速运转(高达每分钟1.200个零件)和良好的材料产量是冲杯工艺的关键。 通过在每个杯体上标记其模具组的编号来提供完全的可追溯性,并对杯体进行随机检查以确保质量。

杯体必须通过大规模传送到下一个压机,该压机应用诸如变径、变薄、切边和可能的其他必要成型步骤等工艺步骤。 杯体会被移动到一个夹层平台上,并通过滑槽落入到整形压力机中(通常是一台多工位压力机)。 杯体在多列模具工位中运行,以完成不同任务,在冲压行程的开合期间,将零件从一个工位转移到下一个工位。 这一基本概念由Louis Schuler于1900年在巴黎世博会上提出,至今仍在使用。

 

世界第一台多工位压力机于1900面世

 

在今天,我们使用多列模具,对于直径为46毫米的电池外壳,每分钟可加工多达240个零件。 对于这样的性能,模具是要主动冷却的,零件是用油或乳液润滑的。 在多工位压机后立即对外壳标记进行随机质量检查,确保只有合格的零件进入下一个生产步骤,即清洗。

到目前为止,我们已经收到了一个符合其图纸并在公差范围内,以高速和稳定的工艺生产的外壳。 然而,另一个重要的要求是外壳的清洁度不能通过金属成型来实现,因为它是一种湿法工艺,需要使用杯体润滑剂、拉丝油和润滑乳液。

上述运行水基或溶剂的清洗段设备的任务。 在量产过程中,清洗设备以水为基础,占用着前端工艺的两个或三个工位连续工作着。其中外壳经过预洗、洗涤和漂洗区,然后是干燥。 这种设备每分钟可以处理2000个外壳,甚至更多。

之后,生产线末端系统将外壳放入此类生产线末端的托盘中,其中的摄像头可以对外壳进行100%全方位的检查。 清洗后,外壳干燥且容易产生凹痕,因此必须特别小心地进行检查和包装。

圆柱电池外壳的生产旨在实现零缺陷、高速、材料最佳利用率和极高的清洁度。 我们可以站在巨人的肩膀上,将已建立的金属成形方法提升到一个新的水平,从而满足这些要求。

致谢

Insights on forming methods are taken from the Schuler Metalforming Handbook, ‎ Springer; 1., Edition (12. Juni 1998).

Video Schuler – Manufacturing for Cylindrical Battery Cases, retrieved on 24/04/2022