大型电池极片辊锻造方法研究

文／梁振卿，李建辉，刘延春·中钢国际邢台机械轧辊有限公司锻压分厂

近年来，动力电池作为电动汽车的关键部件之一，受到电动汽车产业快速发展的影响，市场需求增长迅速，各大电池生产厂家均在扩能抢占市场份额。因此，极片轧机快速朝着大型化、高压延效率、高压延精度方向发展，其电池极片宽幅不断增大，相应的极片轧辊规格由φ400mm、φ60mm扩展到φ800mm以上，毛坯的锻造难度较之前明显增加。为适应电池极片轧辊新的发展要求，对大型电池极片轧辊的结构和锻造工艺进行研究，通过设计不同类型的锻造工具，实现辊坯的模锻式锻造成形。

高精度超硬极片辊的毛坯生产是其制备流程中的重点之一，决定着产品内部质量、使用性能以及生产成本。其锻造过程主要存在三方面的难点：①所用原始坯料直径较产品毛坯直径差距较大，需要镦粗，但镦粗时高径比远远超出镦粗理论值；②因其结构不同于一般锻钢轧辊，辊身直径大(700 ～900mm)、辊身与辊颈落差大(150 ～250mm)，采用常规的锻造方法不能完成其毛坯的制作，并且其出材率、净毛比不易保证到较高水平；③辊颈根部的内部缺陷难以保证锻合，影响产品使用强度。针对毛坯制作的难点，全面革新当前的锻造技术，通过各类工具的设计制作，研究出了超大高径比镦粗技术、中间镦粗成形技术、近终成形锻造技术和热态锻件在线测量技术等多项成果。

研究过程

常规镦粗锻件的高径比(高度和直径的比值)都在3 以内，镦粗时坯料内部的变形是不均匀的，两端受摩擦力影响的变形较小，属于难变形区，中间部位受到两端的挤压会变形较大，属于易变形区，因此镦粗时往往会呈现“鼓形”，即中间部位直径大，两端直径相对小。这是最佳的镦粗状态，而且此高径比以内的镦粗锻件受外部条件的影响较小，即使平砧有磨损或坯料端面不齐也不会发生严重的弯曲变形。但是当高径比超过3 以后，都是生产一些直径较大的辊坯，由于坯料较长，镦粗变形量较大，对外部条件的要求越发苛刻，稍微的不齐或者磨损就会造成坯料的变形不均。金属流动不受控制，其变形区域也会随之发生变化，上下两部分会分别变形，出现“双鼓形”，中部则变形小，若继续镦粗就会因为失稳而发生折叠或弯曲缺陷。

因此，本次研究的重点就是如何减少外部条件的影响，并由理论上的“双鼓形”变为实际生产的“单鼓形”，以达到最佳镦粗成形的目的。

超大高径比镦粗

通过现场的跟踪生产发现，超长坯料的镦粗除弯曲问题外，还会出现钳把的偏心和漏料的问题，偏心对后续的成品成形造成很大的难度，漏料部分因未参与辊身的镦粗和钳把的拔长，基本未进行锻造，其心部的原始缺陷不能锻合，会出现不同程度的径向探伤缺陷，降低辊颈的使用强度。结合实际生产过程中的金属流动状态和各项问题产生原因的理论分析，自主设计制作了两套专用镦粗工具，分别用于坯料上下两端，镦粗时通过引导工具内部金属的径向流动，抑制横向流动，避免双鼓和弯曲的出现，首先实现坯料中部的变形；然后更换另一套专用工具继续镦粗，在中部变形的同时也促进两端的变形；通过两次专用工具的辅助变形，坯料的实际高径比基本能够降至3 以下，最后直接镦粗成形。此种镦粗方法不但打破了超高径比的“双鼓”变形理论，将高径比理论值提升至4.6，也实现了超长坯料的整体镦粗操作，减少了压把工序，彻底杜绝了钳把偏心和镦粗漏料问题的出现，对质量管控和降低生产成本都有很大作用。镦粗过程坯料变形示意图见图1。

图1 镦粗过程坯料变形示意图

中间镦粗成形技术

由于电池极片辊结构的特殊性，直接生产辊颈其卡料长度较短，辊颈内部的锻造质量不能保证，另外会形成较多的辊颈根部藏料，不利于出材率和原材料成本的控制。因此，针对最终的成形工序自主设计制作了专用镦粗工具，摸索研究出了中间镦粗技术，利用专用工具镦粗辊身，增加辊身直径，同时抑制辊身边部的不规则变形，使辊颈和辊身始终处在同一中心线，达到精准变形的目的。除此之外，镦粗不可避免的会出现一定程度的漏料，为了提高漏料部分的锻造质量，镦拔工序增加辊颈的预留量，保证一定的锻比，成品工序通过“顺序拔长”的操作方式改善坯料原始的铸态缺陷，减少探伤缺陷。

近终成形锻造技术

锭净比是影响锻造产品制造成本最主要的因素之一，一个新产品的成本优势是决定其独特竞争力的关键，并且国家大力倡导绿色制造理念，即少用原材料，追求极限制造。结合这一指标要求，我们根据不同的辊坯规格设计制作了相应规格的圆弧精整工具，由V形砧的线接触改为圆弧砧的面接触，增加接触面积和提高辊身的圆度控制，有效提高锻件尺寸控制精度。目前生产的锻件辊身圆度均能控制在±2mm以内(图2)，并将最终的毛坯余量控制在15mm 以内，远超国内其他轧辊厂家35mm 的控制水平。

图2 锻件辊身圆度控制

热态锻件在线测量技术

因该类产品锻件结构特殊，依靠常规的人工测量(卡钳、板尺等工具)很难保证检测质量，因此项目组结合多年对自动测量的研究，依据自主设计方案，与激光、图像识别厂家合作完成了非接触式大尺寸激光测量设备的设计制作。利用激光全面扫描，结合高频相机拍照记录全过程并形成三维图像，可以实现φ100～1000mm大尺寸锻件的在线测量，检测精度在±2mm。通过数学模型测算，能够实现锻件任何部位尺寸的检测，为锻造毛坯的尺寸控制提供了实质化保障(图3)。

图3 热态锻件自动在线测量系统

效果评价

大型电池极片辊锻造工艺研究，有效解决了当前电池极片辊锻造难题，并且诞生出了多项突破历史的锻造技术成果，超高径比镦粗技术可降低特殊坯料的直径要求，打破了传统理论的镦粗极限；中间镦粗技术是自由锻向模锻发展的一次尝试，对辊坯的精准成形和控制有很大的提升作业；近终形锻造大幅度降低产品锭净比，每吨节约0.34 吨以上钢锭，可减少原材料费用5%以上，并可减少加工难度，缩短1 天以上加工周期及减少10%的加工费用；热态锻件采用在线测量技术可实现智能化扫描检测，减少测量过程中的人为因素，提升数据的准确性与锻件质量控制水平，加工后锻件和成品如图4、图5 所示。

图4 锻件

图5 成品

结束语

本次研究是自由锻和模锻的一次深度结合，也是传统行业与先进检测手段相互融合的大胆尝试，是智能化锻造工厂的一次有力摸索。技术是需要传承的，更是需要创新的，不断地推陈出新和自我突破才能保证企业的长久不衰，才能适应时代的发展。