燃料電池雙極板模內(nèi)液壓成形的數(shù)值模擬與試驗(yàn)

文/潘金龍，胡佳偉，謝卓華·珠海格力電器股份有限公司

板材模內(nèi)液壓成形技術(shù)是指利用液體介質(zhì)代替凸?；虬寄?，靠液體介質(zhì)的壓力使板材成形的一種加工工藝。在成形過(guò)程中，凹模上表面與坯料下表面有液體溢流，產(chǎn)生溢流潤(rùn)滑的作用，減少凹模與板料的摩擦力提高材料變形均勻性，從而提高板材的成形極限。板材模內(nèi)液壓成形技術(shù)用液體介質(zhì)代替凹?；蛘咄鼓＃梢詼p少一部分模具材料、模具加工費(fèi)用，并且降低模具的整體裝配精度要求，縮短模具制造周期。此工藝可以成形形狀復(fù)雜、成形后的零件精度要求高、表面質(zhì)量要求高的零件，零件制造成本也較普通沖壓工藝低30%以上。

板材模內(nèi)成形技術(shù)從最初的橡皮膜液壓成形技術(shù)開(kāi)始，然后出現(xiàn)了充液拉深技術(shù)、充液變薄拉深技術(shù)、無(wú)模充液拉深技術(shù)等。隨著汽車(chē)制造業(yè)飛速發(fā)展，汽車(chē)蒙皮件的形狀日趨復(fù)雜，以及鋁、鎂等質(zhì)量較輕，但成形性能較差的新材料的不斷投入使用，使得人們開(kāi)始將板材模內(nèi)液壓成形技術(shù)作為研究重點(diǎn)并將其廣泛應(yīng)用。尤其在目前全球重點(diǎn)發(fā)展的新能源燃料電池領(lǐng)域，板材模內(nèi)液壓成形技術(shù)對(duì)雙極板的成形質(zhì)量將會(huì)有較大提升作用，大大改善雙極板的開(kāi)裂和回彈問(wèn)題。

本文對(duì)一款燃料電池雙極板的成形工藝進(jìn)行了研究，對(duì)其主要成形工藝參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，并根據(jù)回彈分析及試驗(yàn)，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成形工藝參數(shù)。

模內(nèi)液壓成形工藝過(guò)程

板材模內(nèi)液壓成形工藝過(guò)程可以分為四個(gè)階段，如圖1 所示。

圖1 板材模內(nèi)液壓成形工藝過(guò)程

⑴充液階段：開(kāi)動(dòng)水泵或油泵將液體介質(zhì)充滿(mǎn)凹模型腔至凹模表面。

⑵施加壓邊力：將板材毛坯料放在凹模表面上，利用彈簧或氮?dú)鈴椈墒┘訅哼吜Q。

⑶成形階段：凸模在油壓機(jī)的壓力下開(kāi)始?jí)喝氚寄?，通過(guò)自然增壓或者液壓系統(tǒng)使凹模內(nèi)的液體介質(zhì)建立起壓力Pcr，將板材毛坯料漸漸壓貼在凸模上，直至成形結(jié)束。

⑷板材模內(nèi)液壓成形有如下優(yōu)點(diǎn):

①材料成形極限高；

②成形零件表面質(zhì)量好，無(wú)擦痕、壓印等缺陷；

③成形回彈小, 尺寸精度高；

④可以成形復(fù)雜零件和鋁、鎂等質(zhì)量較輕、性能較差的零件；

⑤成形變薄均勻，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)低。

回彈分析

本文研究的燃料電池雙極板，材質(zhì)為不銹鋼316L，厚度0.1mm，硬度160 ～170HV，如圖2 示。

圖2 產(chǎn)品圖

該型面有小圓角R0.15mm，成形有一定難度。型面有一定曲率，成形后回彈較大，需要保證一定的減薄量，從而增加塑性應(yīng)變，減少?gòu)椥詰?yīng)變，來(lái)減小回彈。所以，壓型設(shè)計(jì)了工藝輔助面和阻延筋，以增大塑性應(yīng)變，減少?gòu)椥宰冃?，如圖3 所示。同時(shí)，利用回彈補(bǔ)償，最終得以有效控制成形零件的回彈。

圖3 成形工藝圖

利用CAE 分析軟件，對(duì)該零件成形回彈數(shù)值進(jìn)行仿真模擬。在分析中采用歐標(biāo)材料特性14404，根據(jù)單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置材料參數(shù)。坯料網(wǎng)格劃BM-5 單元，模具網(wǎng)格、法線夾角采用三角形單元。在分析中，坯料與凹模、坯料與壓邊圈、坯料與凸模的摩擦因數(shù)設(shè)為0.15。

對(duì)未進(jìn)行任何處理的原零件模型和設(shè)計(jì)了工藝輔助面、阻延筋的零件模型分別進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖4、圖5 所示。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)了工藝輔助面和阻延筋的零件中部區(qū)域回彈量明顯優(yōu)于原零件。最終選用設(shè)計(jì)了工藝輔助面和阻延筋的零件進(jìn)行生產(chǎn)。

圖4 原零件回彈分析結(jié)果

圖5 設(shè)計(jì)了工藝輔助面和阻延筋的零件回彈分析結(jié)果

模具設(shè)計(jì)

雙極板模具結(jié)構(gòu)如圖6 所示。模具由上模和下模組成，上模包括凸模、壓料板、氮?dú)鈴椈傻龋履０ò寄０?、密封圈、壓力傳感器等。凸模是成形關(guān)鍵零件，決定產(chǎn)品形狀和尺寸，氮?dú)鈴椈商峁┏跏級(jí)哼吜?；壓料板在氮?dú)鈴椈傻淖饔孟聣鹤‘a(chǎn)品，控制材料流動(dòng)；凹模板的液室儲(chǔ)存液體介質(zhì)，并連接外部高壓液體介質(zhì)；壓力傳感器檢測(cè)液室壓強(qiáng)；密封圈起密封作用，防止液體介質(zhì)泄露。

圖6 雙極板模具結(jié)構(gòu)圖

此結(jié)構(gòu)通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控液室壓強(qiáng)，壓力傳感器與沖壓設(shè)備、增壓設(shè)備控制電路連接，并將液室壓強(qiáng)信號(hào)傳遞給沖壓設(shè)備和增壓設(shè)備。當(dāng)液室壓強(qiáng)超過(guò)上限值則沖壓設(shè)備立即停機(jī)，防止液室壓強(qiáng)過(guò)大損壞模具；當(dāng)液室壓強(qiáng)小于下限值時(shí)將壓強(qiáng)信號(hào)傳遞給增壓設(shè)備調(diào)整壓強(qiáng)，防止因液室壓強(qiáng)不足而造成產(chǎn)品尺寸不合格。

試驗(yàn)分析

為了選取最合適的液室壓強(qiáng)，對(duì)不同液室壓強(qiáng)下制造產(chǎn)品流道深度與流道內(nèi)R 角進(jìn)行測(cè)試。取出產(chǎn)品測(cè)量流道深度H 和流道內(nèi)R 角。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖7 流道深度隨壓強(qiáng)變化圖

圖8 流道內(nèi)R 角隨壓強(qiáng)變化圖

通過(guò)圖7 與圖8 可以得出，雙極板流道深度隨著液室壓強(qiáng)增大而增大，當(dāng)液室壓強(qiáng)達(dá)到90MPa 時(shí)，深度達(dá)到圖紙要求尺寸(0.4mm)；雙極板內(nèi)R 角隨著液室壓強(qiáng)增大而減少，當(dāng)液室壓強(qiáng)達(dá)到95MPa 時(shí)達(dá)到圖紙要求尺寸(R0.15mm)。綜合以上結(jié)論，選取95MPa 作為液室壓強(qiáng)。

結(jié)論

通過(guò)計(jì)算、仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

⑴板材模內(nèi)液壓成形工藝可以提高材料拉伸極限，減少開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。另外，該工藝可以使材料流動(dòng)更加均勻，內(nèi)應(yīng)力更加一致，可有效降低回彈。

⑵對(duì)于尺寸精度要求高的產(chǎn)品，為了進(jìn)一步減小回彈，提高產(chǎn)品尺寸精度，可以通過(guò)增加塑性應(yīng)變,減少?gòu)椥詰?yīng)變的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，如液壓成形工序設(shè)計(jì)控制材料流動(dòng)的工藝面和阻延筋等。

⑶液壓成形模具壓邊力采用氮?dú)鈴椈商峁灰耸褂闷胀◤椈?，因?yàn)槠胀◤椓Τ跏級(jí)毫π。荒苡行芊?，容易發(fā)生泄漏。

⑷產(chǎn)品型面深度隨著液室壓強(qiáng)增大而增大，型面R 角隨著壓強(qiáng)增大而減小，深度先于R 角成形到位；成形所需壓強(qiáng)取決于產(chǎn)品材質(zhì)、產(chǎn)品厚度、產(chǎn)品最小R 角、模具壓邊力等。