復雜多嵌件預加熱成型技術研究

高 輝，應如云，陳 真，陳艷才

(1.蘇州中興聯精密工業有限公司，江蘇蘇州，215151；2.寧波興瑞電子科技股份有限公司，浙江慈溪，315326)

1 引言

BMS系統指電池管理系統(Battery Management System)，是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶，其主要功能是智能化管理及維護各個電池單元，提高動力電池使用效率，增加續航里程，延長電池的使用壽命，降低運行成本，提高電池組及動力系統可靠性，從而為新能源車輛的使用安全提供保障。目前BMS系統尚沒有一個統一的標準，各整車廠均要求按不同的平臺、車型及選用的電池組類型獨立開發，系統一般均由電子控制模塊和機構組件兩大部分組成。

圖1是我們配合客戶開發的兩款BMS產品總成，我們主要設計開發其中的機構組件部分。

圖1 BMS產品總成

接地板組件(Groundplate，簡稱GP)是BMS系統中最為重要的結構組件，它是其他匯流排、連接器、繼電器、熔斷器等機電元件的安裝載體，其結構較為復雜，尺寸精度要求高。我們開發的其中一款GP產品如圖2所示，它由39個不同形狀的鋁/銅材質嵌件注塑成型而成。

圖2 接地板(Groundplate)產品圖(正/反面)

2 問題點提出

GP產品除了常規的尺寸精度要求高、外觀要求嚴苛外，基于汽車所要面對的復雜工況，該類產品對于氣密性又有特別的要求，不同的產品由于其內部型腔結構的不同，其氣密性測試規格也有所不同。本文所討論的此款產品其氣密性測試要求如下：

Filling : 5sStabilization: 30sTest : 30s

Exhaust : 0,5sTesting pressure : 25mBarOK leakage : 0 - 10 PaNG leakage: > 10 Pa

圖3和圖4分別是我們所使用的測試工裝和氣密性測試儀。

圖3 氣密性測試治具

圖4 氣密性測試儀

由于此產品由多達39個金屬嵌件通過模內注塑加工而成，初期因考慮到嵌件較多，有單個嵌件，也有多個嵌件鉚接在一起的嵌件組件，嵌件結構形式也多種多樣，嵌件預加熱沒有很好的方案，故項目開發之初并未采用預加熱。但是，在直接用常規方案開發模具生產出產品后，因為金屬嵌件和塑膠材料的熱膨脹系數不同，注射進入成型模具型腔中的塑膠料在金屬嵌件周圍的溫度下降得非?？?，嵌件與塑件之間連接存在縫隙(如圖5示)，塑膠料也會產生應力集中現象，嚴重時還會出現裂紋，最終導致產品氣密性測試結果NG。

圖5 氣密性不良產品剖面切片

為了調節金屬嵌件的溫度與塑膠注射時溫度趨于接近、縮小嵌件和塑膠料在注塑充填過程中的溫差，嵌件在與塑膠料成型前必須進行預加熱處理，加熱溫度一般在110℃以上。對于直徑較小的金屬嵌件，注射熔料溫度會很快將其加熱，故一般不需要進行預熱處理。

但對于GP中的如下鋁板嵌件，鋁板會鉚接10顆異形金屬螺母及2個其他嵌件(如圖6示)，12個子嵌件有一側在注塑成型后外露。因此，外露側必須要插入注塑模具對應的定位孔中，如圖7示。鋁板嵌件預加熱后，12個子嵌件中心會因鋁板膨脹而移位，如何準確地確定預加熱后子嵌件的中心位置，以確保能順利植入塑模定位孔中，這成了困擾我們的技術難題。

圖6 鋁板嵌件(正反面)

圖7 鋁板嵌件植入模具

3 預加熱實驗準備

為了實現鋁板嵌件預加熱后能夠順利植入塑模進行注塑成型，我們首先要獲得鋁板嵌件在預加熱到某個溫度狀態下12個子嵌件中心孔的準確位置數據。

在通常情況下，嵌件加熱一般直接采用烘箱加熱的方式。但是，鋁板嵌件放置在烘箱內加熱到目標溫度以后，鋁板一旦取出則會快速冷卻，無法量測到我們所需要的鋁板熱膨脹變形后的數據。為此，我們首先設計了一套專用加熱工裝(如圖8示)，工裝主體采用一塊銅板底座，在其內部植入加熱棒，加熱棒的功率可以依不同的溫度要求進行調節，銅板底座表面可以和鋁板完全貼合，保證鋁板嵌件保持在一個穩定的加熱狀態。

圖8 鋁板預加熱工裝

圖9 加熱狀態下的鋁板尺寸量測

我們擬采用2.5次元對加熱狀態下的鋁板嵌件進行數據量測，但量測設備無法直接對高溫狀態下的產品進行量測，長時間的高溫會導致光學鏡頭模組出現故障。我們設計制作了一套簡易隔熱裝置(如圖9示)，采用厚度10厘米的透明玻璃置于鋁板嵌件上方進行隔熱。為了避免由于玻璃的折射效應導致量測數據失真，我們事先用常溫下的鋁板在有無玻璃兩種狀態下，進行了測量數據的比對分析，確認玻璃的折射對量測數據結果沒有任何影響。

4 嵌件熱膨脹數據獲得與分析

預加熱工裝和測試設備準備就序后，我們選擇了15組鋁板嵌件，對于11個中心孔(另一個孔作為量測基準)在常溫和加熱140℃狀態下的位置尺寸分別進行了數據量測和分析?？紤]到12個子嵌件自身的熱膨脹對中心位置的影響較小，我們直接用單獨的鋁板進行實驗。圖10和圖11分別是初始鋁板中心孔位置尺寸和鋁板加熱前后中心孔位置尺寸對比。

圖10 初始鋁板中心孔位置尺寸

圖11 鋁板加熱前后中心孔位置尺寸對比

5 模具補償設計方案

針對鋁板嵌件加熱后12個子嵌件中心孔由于熱膨脹所產生的位置偏移，我們思考了兩個模具方案來進行補償：

5.1 沖模變更

我們設想直接修改鋁板初始的12個子嵌件中心孔位置，將其熱膨脹位置偏移量在沖模中反向縮小補償，這樣在鋁板組件預加熱后，12個子嵌件中心孔因熱膨脹即可到達正常的尺寸位置，亦可以正常植入模具。但是鋁板嵌件在注塑成型后，在不考慮塑件收縮的情況下，常溫下也會自然收縮到原始狀態位置，如此最終12個子嵌件孔的中心位置是不符合圖面要求的。此方案判定不可行。

5.2 塑模變更

塑模中12個與鋁板上子嵌件相配的定位孔，依據前面所得出的子嵌件中心孔膨脹偏移數據進行對應同步調整。這樣預加熱后的鋁板嵌件可以順利植入塑模完成注塑成型，產品自然冷卻后12個子嵌件中心孔會收縮到初始位置，可以滿足原始尺寸設計要求，我們最終采用了這樣的模具調整方案。

如圖12所示數據的獲得，鋁板是在自由狀態下，按圖紙要求是以右側孔A為基準來測量其余11個孔的位置尺寸，但塑模在實際進行補償時理論上要依模具的中心為基準來進行，結合到塑模實際結構現狀，我們對所有數據以鋁板中部的孔B作為基準進行了轉化(如圖13示)，以提供塑模工程師作為設計變更參考。

鋁板預加熱后所有子嵌件孔中心的位置數據是在鋁板的自由狀態下得到的，但鋁板在注塑成型后的收縮卻是在周邊包裹著塑膠料的狀態下，兩者之間肯定不可能完全一致。但目前我們尚未找到更好的分析方法，只能通過最終的實物產品來進行驗證。

圖12 鋁板加熱后中心孔實際位置尺寸

圖13 塑模實際調整位置尺寸

6 嵌件預加熱和模具植入的自動化實現

鋁板嵌件的預加熱和模具植入無法分開獨立完成，要實現嵌件在加熱狀態下的模具植入，必須用加熱工裝將鋁板嵌件加熱到穩定的目標溫度后，再同時將鋁板嵌件植入模具。為此，我們設計了自動化裝置。利用機械手抓取載有鋁板嵌件的加熱工裝，并將加熱后的鋁板嵌件自動植入到模具內，如圖14所示。

圖14 機械手抓取帶鋁板的加熱座自動植入鋁板

7 產品性能測試

經過塑料模具重新加工調整，鋁板嵌件在預加熱后能順利植入模具，正常注塑生產出產品，12個子嵌件的中心位置尺寸基本符合設計要求，氣密性測試OK，相關測試數據不再贅附。針對嵌件和塑膠的結合狀態，我們也進行了剖面切片分析，圖15顯示嵌件與塑膠料結合良好。

圖15 鋁板嵌件與塑膠料剖面切片

8 結論

通過本產品的開發實踐證明，多個復雜金屬嵌件的預加熱成型是可以實現的，據此我們又成功地完成了其他幾款產品的多嵌件預加熱方案，產品均順利進入了穩定量產出貨狀態。隨著全球范圍內各國積極應對氣候變化，全面推動實現碳達峰和碳中和的目標，新能源汽車的發展方興未艾，三電系統中的各種BMS、BDU(電池切斷單元)、PDU(動力分配單元)、逆變器、控制器等會應用到大量的多嵌件連接部件，多個復雜金屬嵌件的預加熱成型技術將會得到進一步的運用和發展。