一种电池罐罐体拉伸用冲头、模具及其拉伸工艺

摘要

一种电池罐罐体拉伸用冲头、模具及其拉伸工艺，其特征在于：专门设计有台阶冲头作为凸模，至少一个减薄环作为凹模，以及罐体变壁厚拉伸工步。该变壁厚拉伸工步属于变薄拉伸，当片材或板材通过至少一次成型拉伸得到杯状拉伸件，然后通过变薄拉伸，特别是采用台阶冲头与至少一个减薄环配合的变壁厚拉伸最终获得中间段壁薄，而一个或两个轴向端部壁厚的变壁厚电池罐罐体。这种变壁厚电池罐罐体一方面可以减少罐体中间段材料用量，另一方面也能够保证罐体一端或两端的卷封强度。因此很好地解决了电池罐罐体壁厚厚薄带来的用料多少与卷封强度高低之间的矛盾问题。

说明书

技术领域

本发明涉及罐体加工领域，特别涉及一种电池罐罐体拉伸用冲头、模具及其拉伸工艺。

背景技术

新能源汽车使用电池包作为整车动力源，其电池包内设有多个电池单体，该电池单体为构成新能源电池系统的最小单元，由正极、负极及电解质等组成，电池单体的外壳为电池罐，多个组装好的电池单体以轴线平行的状态聚集布置在电池包内。

电池罐由罐体和罐盖组成。在现有技术中，罐体通常采用冷压工艺加工，成形后的罐体再和罐盖通过焊接的方式加工成一体。但是，经焊接后的电池罐端部，其可靠性和稳定性较差，容易产生断裂、接触不良、防爆性能差等问题；另外，焊接的电池罐装配成电池单体后，罐体之间由于焊缝的存在无法紧密排列，导致电池包内空间利用率较低。

如果能采用卷封工艺封闭罐体和端盖，则可避免焊接带来的不利影响。但是，目前还没有针对卷封电池罐罐体的拉伸工艺，而用于其他种类罐体的拉伸工艺，通常只能拉伸出壁厚相同的罐体。因此，在设计卷封封闭电池罐时，需要重视电池罐罐体的壁厚问题：若罐体壁厚过厚，不仅会提高用料成本，还会增加电池包重量，导致整体电池包能量密度下降；若罐体壁厚过薄，则存在卷封过程中罐体端部容易撕裂或在卷封后的使用过程中不牢靠等问题。因此，如果能够制造出一种中间段壁厚较薄（节省材料），而两端处壁厚较厚（提供卷封强度）的变壁厚的电池罐罐体是解决电池罐罐体壁厚问题的最佳方案。

有鉴于此，如何设计一种电池罐罐体拉伸用冲头、模具及其拉伸工艺，能够加工出既节省材料，又能够提供高可靠性卷封的变壁厚的电池罐罐体是本发明研究的课题。

发明内容

本发明提供一种电池罐罐体拉伸用冲头、模具及其拉伸工艺，其目的是要解决电池罐罐体壁厚厚薄带来的用料多少与卷封可靠性高低之间的矛盾问题。

为达到上述目的，本发明冲头采用的技术方案是：一种电池罐罐体拉伸用冲头，其创新在于：所述冲头为台阶冲头，其主体为圆柱体，该台阶冲头上具有一粗杆段，该粗杆段轴向的至少一端设有细杆段，所述粗杆段的半径与所述细杆段的半径之间的差值小于或等于0.3毫米，且二者的半径比例小于或等于101:100；所述细杆段和粗杆段之间通过至少一段锥面或/和曲面过渡，且粗杆段与细杆段的半径差与锥面或/和曲面在轴向的投影长度的比值小于0.2。

为达到上述目的，本发明模具采用的技术方案是：一种电池罐罐体拉伸用模具，该模具由凸模和凹模组成，其创新在于：

凸模由台阶冲头构成，所述台阶冲头的主体为圆柱体，该台阶冲头上具有一粗杆段，该粗杆段轴向的至少一端设有细杆段，所述粗杆段的半径与所述细杆段的半径之间的差值小于或等于0.3毫米，且二者的半径比例小于或等于101:100；所述细杆段和粗杆段之间通过至少一段锥面或/和曲面过渡，且粗杆段与细杆段的半径差与锥面或/和曲面在轴向的投影长度的比值小于0.2。

凹模由至少一个减薄环构成，所述减薄环与所述台阶冲头同轴布置；所述减薄环的内径与所述台阶冲头的粗杆段直径之间的差值小于待减薄罐体壁厚的二倍。

上述模具技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述模具方案中，较好的是所述凹模由至少两个减薄环构成，该至少两个减薄环均与所述台阶冲头同轴布置，且所述至少两个减薄环的内径沿冲压方向依次减小布置。

2．上述模具方案中，较好的是所述粗杆段所对应的被减薄环减薄后的减薄件壁厚与该粗杆段直径的比值为1:30。

为达到上述目的，本发明拉伸工艺采用的技术方案是：一种电池罐罐体拉伸工艺，包括变薄拉伸，该变薄拉伸的次数至少为一次，其创新在于：在变薄拉伸中包含有至少一次针对罐体薄壁段和厚壁段的变壁厚拉伸，该变壁厚拉伸是利用冲压设备通过以下模具来完成：

所述模具由凸模和凹模组成，凸模由台阶冲头构成，所述台阶冲头的主体为圆柱体，该台阶冲头上具有一粗杆段，该粗杆段轴向的至少一端设有细杆段，所述粗杆段的半径与所述细杆段的半径之间的差值小于或等于0.3毫米，且二者的半径比例小于或等于101:100；所述细杆段和粗杆段之间通过至少一段锥面或/和曲面过渡，且粗杆段与细杆段的半径差与锥面或/和曲面在轴向的投影长度的比值小于0.2。

凹模由至少一个减薄环构成，所述减薄环与所述台阶冲头同轴布置；所述减薄环的内径与所述台阶冲头的粗杆段直径之间的差值小于待减薄罐体壁厚的二倍。

在所述变壁厚拉伸过程中，所述台阶冲头带动被拉伸件依次穿过各个减薄环，然后脱模得到减薄件。所述减薄件包括与台阶冲头的粗杆段相对应的薄壁段和与台阶冲头的细杆段相对应的厚壁段，该厚壁段位于所述减薄件轴向上的一端或两端，所述薄壁段和厚壁段之间为至少一段锥面或/和曲面过渡。

上述拉伸工艺技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述拉伸工艺方案中，对于电池罐罐体拉伸来说，通常使用片材或板材（比如铝合金板或铝合金片）作为原材料（但也不排除使用铝合金锭作为原材料），然后通过至少一次成型拉伸和至少一次变薄拉伸得到电池罐罐体。在本发明中，所述成型拉伸是指被拉伸件由片材变为杯状拉伸件（通常称为“冲杯”）的拉伸工艺过程，成型拉伸也包括改变冲杯直径和冲杯长度的拉伸工艺过程。所述变薄拉伸是指杯状被拉伸件壁厚变薄的拉伸工艺过程，变薄拉伸通常有两种拉伸情况，第一种是只变壁厚，内径不变，外径变小的拉伸工艺过程，第二种是内径变，外径变，壁厚也变的拉伸工艺过程。按照现有技术，要想将一个金属片材拉伸成电池罐罐体的形状理论上至少需要一次成型拉伸和一次变薄拉伸。当出现多次成型拉伸与多次变薄拉伸组合时，变薄拉伸可以与成型拉伸在工艺次序上进行交叉组合，即先进行成型拉伸，接着进行变薄拉伸，再进行成型拉伸，最后进行变薄拉伸。当出现一次成型拉伸与一次或多次变薄拉伸组合时，通常成型拉伸在先进行。当出现多次成型拉伸与一次变薄拉伸组合时，第一次拉伸通常应为成型拉伸，而变薄拉伸可以安排在最后，或者其余成型拉伸之间。实际上成型拉伸和变薄拉伸的排次，除第一次应为成型拉伸而外，剩余的拉伸排次比较灵活，可以根据材料特性，被拉伸的对象形状和尺寸等参数来确认，这些都是本领域技术人员所知晓的现有技术。在本发明中，所述变壁厚拉伸是指在一次拉伸过程中，同一被拉伸件壁厚出现不同厚度变化的拉伸工艺过程。比如在本发明中，被拉伸的电池罐罐体的中间段壁厚较薄，而两端或者一端处壁厚相对较厚。变壁厚拉伸从拉伸工艺的角度看应属于变薄拉伸中的一种特殊情况。由于本发明的创新在于变薄拉伸中的变壁厚拉伸，而成型拉伸对于电池罐罐体拉伸来説属于现有公知技术，因此在发明拉伸工艺技术方案描述现有技术时，仅提到变薄拉伸，而未提及成型拉伸，这是本领域技术人员能够理解的，也是专利法规定台允许表达方式。

2．上述拉伸工艺方案中，较好的是所述凹模由至少两个减薄环构成，该至少两个减薄环均与所述台阶冲头同轴布置，且所述至少两个减薄环的内径沿冲压方向依次减小布置。两个减薄环实际上在一个拉个动作中实现了二次拉伸过程，与一个减薄环相比不容易造成拉伸断裂，提高了拉伸的良品率。在实际应用中，选择几个减薄环可以根据电池罐罐体的几何尺寸，材料特性，材料厚薄以及良品率控制等诸多因素来确定。

3．上述拉伸工艺方案中，较好的是所述粗杆段所对应的被减薄环减薄后的减薄件壁厚与该粗杆段直径的比值为1:30。该要求不仅有助于优化电池罐罐体拉伸，还进一步凸显变壁厚电池罐罐体的优势，控制电池罐罐体在变壁厚位伸后易于弹性脱模。

4．上述拉伸工艺方案中，较好的是所述台阶冲头上开设有沿中心轴轴向的输气通孔，该输气通孔连通压缩气体装置；在变壁厚拉伸中，所述台阶冲头完成拉伸动作后，所述压缩气体装置经输气通孔输出气体至所述减薄件底部，用以使该减薄件脱模。

5．上述拉伸工艺方案中，所述冲压设备可以冲床，也可以是拉伸机，或者其他可以实现拉伸行程的机械设备和液压设备。其中，拉伸机可以采用卧式拉伸机，也可以采用立式拉伸机。卧式拉伸机的台阶冲头沿水平方向实现拉伸动作，立式拉伸机的台阶冲头沿竖直方向实现拉伸动作。为了保证拉伸动作的准确性还可以在拉伸机上设置冲头导向装置，用以引导台阶冲头沿拉伸方向拉伸。

6．上述拉伸工艺方案中，所述粗杆段与细杆段的半径差与锥面或者曲面在轴向的投影长度的比值小于0.2是为了控制过渡锥面斜率或/和过渡曲面的曲率。该要求主要取决于电池罐罐体的尺寸和材料性能。若锥面或曲面在轴向上的投影长度过长，会弱化台阶结构的有益效果，用料节省不足；若投影长度过短，则减薄拉伸的阻力较大，容易造成拉伸断裂，直接导致不良率上升。

8．上述拉伸工艺方案中，在变壁厚拉伸过程中，为了保证拉伸质量和生产效率，所述台阶冲头的冲压速度小于400次每分钟。

本发明的设计原理和有益效果是：

本发明在电池罐罐体拉伸工艺中，专门设计有变壁厚拉伸，变壁厚拉伸属于变薄拉伸，当片材或板材通过至少一次成型拉伸得到杯状拉伸件，然后通过变薄拉伸，特别是采用台阶冲头与至少一个减薄环配合的变壁厚拉伸最终获得中间段壁薄，而一个或两个轴向端部壁厚的变壁厚电池罐罐体。这种变壁厚电池罐罐体一方面可以减少材料用量，另一方面也能够保证罐体一端或两端的卷封强度。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

1．较现有的冷压制备电池罐罐体工艺，本发明很好地解决了电池罐罐体壁厚厚薄带来的用料多少与卷封强度高低之间的矛盾问题。而现有电池罐均采用等壁厚罐体，当罐体一个或两个端部与罐盖采用卷封工艺封闭时，为了保证罐体端部封闭的强度，只能让罐体壁厚满足一定厚度要求，而罐体中间段的壁厚也只能随同端部要求。然而从罐体中间段自身的厚度要求来看还可以进一步减薄，由于受到工艺技术的限制无法实现省料的效果。而本发明采用变壁厚拉伸工艺恰恰突破了这一限制，从而很好地解决了这一矛盾。

2．在变壁厚拉伸中，本发明创造性地针对电池罐罐体设计出用作凸模的台阶冲头：该台阶冲头包括一粗杆段，该粗杆段轴向的两端中至少一端连设有细杆段，所述细杆段对应所述罐体被拉伸件轴向上的端部。通过反挤压拉伸，在电池罐罐体的顶端和/或底端形成厚壁段，而电池罐罐体的中间段形成薄壁段。

该技术特征具有显著的效果。首先，本发明拉伸工艺生产的电池罐罐体与罐盖的连接方式可适用于卷封工艺（相当于易拉罐罐体与盖体的卷封），与现有技术的焊接密封相比，卷封不仅可靠性高，还节省电池罐排列空间，有利于提高电池包内空间利用率。其次，与常规等壁厚的罐体相比，本发明拉伸工艺获得的变壁厚罐体具有厚壁段端部和薄壁段中部，其不仅可以有效避免罐体端部在卷封过程中的撕裂，还能有效提高使用过程中的可靠性。其次，罐体的薄壁段能够有效减少用料，从而降低用料成本，还有利于减轻罐体重量，提高罐体内部容积，从而提高整体电池包的能量密度。

3．在本发明中，结合多个减薄环的设置，能够提高生产效率、降低设备成本，且该多个减薄环的设计还普遍适用于具有不同延展性能的金属罐体材料。

4．在本发明中，设计出台阶冲头与减薄环尺寸相匹配的工艺和结构限制，不仅有助于进一步凸显变壁厚电池罐罐体的优势，还有利于控制电池罐罐体易于弹性脱模。

5．在本发明中，优选地在冲头上开设有沿其中心轴轴向的输气通孔，该输气通孔连通压缩气体装置，用以在完成拉伸动作后通气，实现吹气辅助弹性脱模，脱模效果佳。

附图说明

附图1为本发明中装配有冲模的第一冲床结构示意图；

附图2为本发明中装配有冲模的第二冲床结构示意图；

附图3为本发明中装配有冲模的拉伸机结构示意图；

附图4为本发明中台阶冲头的结构示意图；

附图5为图4的局部放大图；

附图6为本发明电池罐罐体形成过程中片料的结构示意图；

附图7为本发明电池罐罐体形成过程中冲杯件的结构示意图；

附图8为本发明电池罐罐体形成过程中再拉件的结构示意图；

附图9为本发明电池罐罐体形成过程中减薄件的结构示意图。

以上附图中：1．第一冲床；2．片料；3．冲杯件；4．第一冲模；5．第二冲床；6．再拉件；7．第二冲模；8．拉伸机；9．减薄件；10．台阶冲头；11．细杆段；12．粗杆段；13．锥面；14．减薄环；15．冲头导向装置；16．薄壁段；17．厚壁段。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种电池罐罐体拉伸工艺

请参考附图1至附图9，一种电池罐罐体拉伸工艺，用以拉伸出适合于端部卷封的变壁厚罐体，即罐体轴向中间为薄壁段16，而两端为厚壁段17。该工艺包括以下拉伸工步：

第一步：冲杯（该步属于成型拉伸），如图1、图6和图7所示，利用第一冲床1通过第一冲模4对片料2进行冲压成型，得到杯状的冲杯件3。

第二步：再拉（该步属于成型拉伸），如图2、图7和图8所示，利用第二冲床5通过第二冲模7对所述冲杯件3进行冲压成型，得到杯状的再拉件6，该再拉件6的内径小于所述冲杯件3的内径，该再拉件6的高度大于所述冲杯件3的高度。

第三步：减薄（该步属于变薄拉伸中的变壁厚拉伸），如图3、图8和图9所示，利用拉伸机8通过用作凸模的台阶冲头10和用作凹模的三个减薄环14对所述再拉件6进行变壁厚拉伸，得到减薄件9；该三个减薄环14分别与所述台阶冲头10同轴布置，在减薄步中，所述台阶冲头10依次穿过每一个减薄环14。在本实施例中，所述台阶冲头10的冲压速度小于400次每分钟。

如图4和图5所示，所述台阶冲头10的主体为圆柱体，该台阶冲头10上具有一粗杆段12，该粗杆段12轴向的两端设有细杆段11，在本实施例中，粗杆段12的半径与所述细杆段11的半径之间的差值小于或等于0.3毫米，且二者的半径比例小于或等于101:100。所述细杆段11和粗杆段12之间通过至少一段锥面13（本实施例采用一段锥面13，也可以为两段锥面）过渡，且粗杆段12与细杆段11的半径差与锥面13在轴向的投影长度的比值小于0.2。

所述三个减薄环14与所述台阶冲头10同轴布置，而且三个减薄环14内径沿冲压方向依次减小布置。所述减薄环14内径与所述台阶冲头10的粗杆段12直径之间的差值小于待减薄罐体壁厚的二倍。

如图9所示，在所述变壁厚拉伸过程中，所述台阶冲头10带动被拉伸件依次穿过各个减薄环14，然后脱模得到减薄件9。所述减薄件9包括与台阶冲头10的粗杆段12相对应的薄壁段16和与台阶冲头10的细杆段11相对应的厚壁段17，该厚壁段17位于所述减薄件9轴向上的两端，所述薄壁段16和厚壁段17之间为锥面过渡。在本实施例中，所述粗杆段12所对应的被减薄环14减薄后的减薄件9壁厚与该粗杆段12直径的比值为1:30。在本实施例中，所述电池罐罐体原材料为铝合金，具体是铝合金片或铝合金板。

如图3所示，在本实施例中，所述拉伸机8为卧式拉伸机，所述台阶冲头10沿水平方向拉伸。该拉伸机8上还设有冲头导向装置15，用以引导所述台阶冲头10沿水平方向拉伸。

在本实施例中，所述台阶冲头10上开设有沿中心轴轴向的输气通孔，该输气通孔连通压缩气体装置。在变壁厚拉伸中，所述台阶冲头10完成拉伸动作后，所述压缩气体装置经输气通孔输出气体至所述减薄件9底部，用以使该减薄件9脱模。

下面针对本发明的其他实施情况以及结构变化作如下说明：

1．以上实施例中，所述薄壁段16和厚壁段17之间为一段锥面过渡。但本发明不局限于此，可以采用两段锥面或三段锥面过渡，还可以采用一段曲面或两段曲面过渡，甚至可以采用锥面与曲面组合过渡。这些变化可以根据具体情况确定和选择。这是本领域技术人员容易理解和接受的。

2．以上实施例中，所述台阶冲头10的冲压速度小于400次每分钟。但本发明不局限于此，可以将台阶冲头10的冲压速度设定为大于或等于400次每分钟。但这样提高生产效率还要看拉伸的效果和良品率是否能够满足相应的要求。

3．以上实施例中，采用三个减薄环14构成凹模，但本发明不局限于此，理论上为至少一个减薄环14，较好的是采用两个减薄环14，而本实施例最佳采用三个减薄环14。还可以采用更多的减薄环数量。在实际应用中，选择几个减薄环可以根据电池罐罐体的几何尺寸，材料特性，材料厚薄以及良品率控制等诸多因素来确定。这是本领域技术人员能够理解并接受的。

4．以上实施例中，所述电池罐罐体原材料优选铝合金，比如铝合金片或铝合金板，也可以是铝合金锭。但本发明不局限于原材料选择铝合金，也可以选择其他材料，比如不锈钢，铜，铜合金等其他适合拉伸成型的金属材料。

5．以上实施例中，“第一冲床”和“第二冲床”为两个冲床，但本发明并不限于此。“第一冲床”和“第二冲床”还可以是同一冲床，在这种情况下实施时，可以是先在该冲床上安装第一冲模，对片料进行冲压形成杯状的冲杯件，然后卸下第一冲模，在该冲床上安装上第二冲模，再对所述冲杯件进行冲压形成直径更小的再拉件；还可以是同一冲床上采用级进模具。这是本领域技术人员容易理解并接受的。

6．以上实施例中，在台阶冲头的粗杆段轴向上的两端连设有细杆段，对应地，所述减薄件的两端均设有厚壁段，但本发明并不限于此。还可以把细杆段仅设置在台阶冲头的粗杆段轴向上的一端，所述减薄件对应的一端形成厚壁段，这是本领域技术人员容易理解并接受的。

7．以上实施例中，所述拉伸机为卧式拉伸机，所述台阶冲头的拉伸动作沿水平方向设置。但本发明并不限于此。例如，拉伸机还可以为立式，相应地，台阶冲头的拉伸动作沿竖直方向设置，只是这种立式拉伸机对容纳机台的空间高度要求更高。这是本领域技术人员容易理解并接受的。

8．以上实施例中，所述电池罐罐体依次通过一次冲杯步、一次再拉步和一次减薄步即可成型。但本发明并不限于此，本发明的电池罐罐体拉伸工艺可以包括多次再拉步和多次减薄步。在本发明中，冲杯步属于成型拉伸，再拉步也属于成型拉伸。所述成型拉伸是指被拉伸件由片材变为杯状拉伸件（通常称为“冲杯”）的拉伸工艺过程，成型拉伸也包括改变冲杯直径和冲杯长度的拉伸工艺过程。成型拉伸实质主要是针对被拉伸件形状和外形尺寸作较变化的拉伸。在本发明中减薄步属于变薄拉伸，以上实施例中的减薄步实质是变壁厚拉伸。实际上在本实施例还可以安排等壁厚的变薄拉伸，并且将该拉伸安排在变壁厚拉伸工步之前，甚至可以等壁厚的变薄拉伸安排在两次成型拉伸工步之间。实际上成型拉伸和变薄拉伸的排次，除第一次应为成型拉伸而外，剩余的拉伸排次比较灵活，甚至也可以将再拉步与减薄步交替安排。在实践中可以根据材料特性，被拉伸的对象形状和尺寸等参数来确认，这些都是本领域技术人员所知晓的现有技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。