淺析金屬雙極板電磁微成形工藝

凌紅艷

（江西省機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)研究院）

淺析金屬雙極板電磁微成形工藝

凌紅艷

（江西省機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)研究院）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用到人們的日常生活中來，例如微型轉(zhuǎn)換器、微型燃料電池等等，這些都在微電子以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用，本文主要對金屬雙極板電磁微成形工藝的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對電磁微成形形變特性進(jìn)行研究，并對金屬雙極板電磁微成形模具的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行探析，以能夠更好的促進(jìn)微成形工藝的發(fā)展。

金屬雙極板；電磁成形；技術(shù)原理；工藝研究

前言

電磁微成形技術(shù)是一種利用電磁作用力進(jìn)行微塑性加工的技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)施不僅讓模具的裝配精度有了很大的提高，還成為了一種零件微型成型的重要方式。本文主要以金屬雙極板作為研究的主要對象，對其成型的工藝進(jìn)行一次簡要的探究，以能夠更好的推動(dòng)電磁微成形技術(shù)的不斷更新和發(fā)展。

1 電磁成形技術(shù)的原理及形變特性

1.1 原理

電磁脈沖成形屬于高能量率、短時(shí)脈沖加工技術(shù)，該加工技術(shù)將存儲(chǔ)在設(shè)備中的電能轉(zhuǎn)化成金屬材料的塑性變形能，并最終完成金屬材料的塑性加工。電磁成形設(shè)備由四部分組成：包括高壓電源系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、放電回路以及控制回路系統(tǒng)，如圖1所示。其中高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)中存儲(chǔ)的能量和瞬時(shí)放電功率公式分別為式（1）和式（2）所示。

圖1 電磁成形技術(shù)的原理圖

首先高壓電源系統(tǒng)將電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，當(dāng)充電完畢后高壓開關(guān)閉合，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過高壓開關(guān)向放電回路瞬間釋放電能，與此同時(shí)工作線圈中產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)脈沖電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律描述可知，變化的電場周圍將產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場隨時(shí)間的變化將產(chǎn)生渦旋電場，渦旋電場中的金屬材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相反方向的感應(yīng)電流，此時(shí)金屬成為了帶電導(dǎo)體，帶電導(dǎo)體受到磁場的作用驅(qū)動(dòng)金屬導(dǎo)體向模具或零件高速運(yùn)動(dòng)最終發(fā)生塑性變形。所以，電磁成形技術(shù)適合運(yùn)用于電導(dǎo)率高、塑性好的金屬材料，例如銅、鋁、低碳鋼和黃銅等，并能夠獲得較好的電磁成形效果；而對于電阻率較高，屈服極限較高的金屬材料來說，需要使用電阻率較高的金屬箔板作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)輔助成形或者提高設(shè)備放電頻率也可以達(dá)到同樣的成形效果，例如不銹鋼的材料。

1.2 特性

在材料形成的過程中，其動(dòng)力加載的特性為，荷載強(qiáng)度大、上升前沿時(shí)間短，荷載瞬間增加到最大值，以及在荷載作用的同時(shí)，材料的局部升溫較為劇烈；動(dòng)態(tài)塑性變形的特性為：板料變形的程度較高，板料的動(dòng)能獲得主要是在慣性力的作用下進(jìn)行；材料塑性變形的屈服條件是材料的的磁壓荷載超過材料本身的屈服強(qiáng)度，材料的屈服強(qiáng)度受到溫度、濕度、壓力等因素的影響較大，所以，可以通過以上因素的變化而讓材料受到影響而屈服；當(dāng)材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后，還需要考慮材料的彈性以及塑性形變；當(dāng)電磁的形成過程運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每秒幾百米時(shí)，其形成的塑性能力將會(huì)大幅度的提升，所以，當(dāng)材料出現(xiàn)屈服滯后的現(xiàn)象時(shí)，要能夠依據(jù)材料的真實(shí)情況而進(jìn)行控制，在荷載的作用下，材料的斷裂行為將與裂紋的活動(dòng)有著一定的關(guān)聯(lián)性。

2 金屬雙極板電磁微成形工藝研究現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)狀

如今金屬雙極板微成形的工藝主要有六種：①輥壓成型金屬雙極板，其方法能夠很好的實(shí)現(xiàn)單極板流道的輥壓和雙極板的鏈接，還能夠更加精確的進(jìn)行雙極板的剪切。一個(gè)生產(chǎn)線需要很多的工位進(jìn)行制造，而有了這種雙極板就能夠就將雙極板之間的鏈接進(jìn)行重新的定位，并將誤差進(jìn)行重新的更改，但是因?yàn)檫@種方式所進(jìn)行的材料受力面積過小，所以，很容易導(dǎo)致材料的變形，進(jìn)而增加了制造的難度，影響材料的制造精度和質(zhì)量。②液壓膨脹形與壓力焊接聯(lián)合的方式，該種方式能夠在陰陽極板進(jìn)行焊接，但是卻僅限于在陰陽極板對稱的情況下進(jìn)行使用，所以，如今該種方法只有基本的研究，并沒有進(jìn)行樣板的深化研究。③軟膜成形金屬雙極板的施工。④高能沖壓成形的研究，在該種方法中，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)將動(dòng)能急速增加到幾個(gè)GPa的壓強(qiáng)，并將幾乎是液態(tài)金屬向模具中填充，最終形成高能沖壓成形的設(shè)備。⑤液態(tài)成形技術(shù)和累積成形，即在極冷的狀態(tài)下用熱壓鑄成金屬雙極板，但是這種方法的操作難度很高，不太符合日常的工作需要，所以常應(yīng)用在要求較為嚴(yán)格的場合和領(lǐng)域。⑥化學(xué)刻蝕成型技術(shù)，該種技術(shù)能夠很流暢的刻蝕出流暢的金屬板，但是也存有一定的弊端，例如不好掌握精度，不易于操作等等。

以上的所有雙極板的制造方式都自身獨(dú)特的優(yōu)勢同時(shí)也存在一定的弊端，無論是不能夠滿足金屬雙極板的成本，還是不能夠滿足金屬雙極板的高效率、大范圍應(yīng)用的需求，其都具有成形的區(qū)域過大，并且節(jié)點(diǎn)多、細(xì)小等特點(diǎn)，所以在微成形領(lǐng)域中，金屬雙極板的加工技術(shù)以及研究的現(xiàn)狀都不夠十分的深入，所以說，金屬雙極板電磁微成形技術(shù)生產(chǎn)工藝的未來發(fā)展方向依然是高效率、低成本、批量化的生產(chǎn)。

2.2 設(shè)計(jì)和制造

在本次的金屬雙極板電磁微成形工藝中，其主要具有的功能主要有分配電池所需要反應(yīng)的氧化劑，輔助進(jìn)行排除反應(yīng)，收集電流，傳導(dǎo)熱反應(yīng)，并阻止生成物的滲漏，在一定的情況下起到在電池中支撐的作用，由于雙極板的質(zhì)量能夠直接的決定電池的應(yīng)用時(shí)長，因此雙極板應(yīng)該滿足的要求有以下幾點(diǎn)：①能夠起到一個(gè)合理的理化性能，可以對反應(yīng)物進(jìn)行一個(gè)均勻的分配；②能夠具有一個(gè)十分好的導(dǎo)電性，這樣就能夠便于對電流的收集，其實(shí)這需要有一個(gè)十分高的機(jī)械強(qiáng)度，這樣就能夠讓雙極板的厚度變得更加輕??；③要具有一個(gè)較高的氣密性，這樣就能夠讓反應(yīng)物充分的進(jìn)行反應(yīng)，保證應(yīng)用的安全性；④要具備一個(gè)良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，這樣就能夠讓金屬的壽命變得更加的長久；⑤要有一個(gè)絕佳的導(dǎo)熱性能，這樣就能夠?qū)⒎磻?yīng)熱進(jìn)行一個(gè)快速的排除；⑥要選擇一個(gè)合適的材料進(jìn)行加工，最大程度的降低工藝的所需成本；⑦要有一個(gè)很好的精準(zhǔn)度，雙極板的微流場形式讓燃料反應(yīng)以及生成物在期間處于的是流動(dòng)的狀態(tài)，所以控制好精度，能夠在很大程度上影響反應(yīng)物和生成物在微流場中的分布是否均勻。

材料對于工藝的成形也產(chǎn)生著一定的影響，材料越復(fù)雜，其所受到的約束力就越大，這樣材料的流動(dòng)性和拉伸性能就會(huì)越大，最終導(dǎo)致微通道的膨脹以及填充比和均勻出現(xiàn)較大差異現(xiàn)象發(fā)生，材料的屈服度也會(huì)在一定程度上影響雙極板，屈服度高以及電阻率較低的材料會(huì)在雙極板上形成不同的高度充填比，進(jìn)而造成均勻性較高。隨著放電頻率的增強(qiáng)，雙極板之間的膨脹高度會(huì)逐漸的增強(qiáng)，但是均勻性會(huì)逐漸的降低，這時(shí)，微流道的最小、最深填充比在60～78％之間，而放點(diǎn)頻率較低時(shí)，能量的利用率也會(huì)有所減小，所以金屬的塑變形變量也會(huì)降低，致使微流道高度的降低，而電頻率的增加讓材料受到的電磁力也逐漸增加，微通道的形變高度會(huì)有所增加，導(dǎo)致均勻性的下降。

3 結(jié)束語

電磁微成形技術(shù)所制造的零件具有質(zhì)量強(qiáng)，精度高等優(yōu)勢，并且該技術(shù)能夠在較高的頻率下對尺寸進(jìn)行控制，使金屬零件在形成的過程中逐漸的完成變形，由于這種變形十分的均勻，所以在控制方面很容易進(jìn)行操作，雖然我國的電磁微成形技術(shù)處于初期的研究階段，但是，近些年的研究成果顯示，電磁微成形技術(shù)能夠讓零件的生產(chǎn)變得更加的低成本、高效益，所以，在社會(huì)的制造行業(yè)中，電磁微成形技術(shù)具有著良好的研究價(jià)值和積極作用。

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2016-7-19