CN103191983B - 一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，包括由5个工位组成的级进模，工位①是冲四个定位销孔并插定位销；工位②是带补偿地成形流道平行沟槽；工位③是冲异形孔；工位④是切边落料加工；工位⑤是拔定位销：板料依次通过工位①、②、③后，至工位④切边落料成形为双极板，工位⑤将切边后的废料带出冲压模具。与现有技术相比，本发明具有成形精度高、可解决流道沟槽成形高度不一致问题等优点。

Description

一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术领域的制造模具，具体是一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具。
背景技术
在石油、煤等传统能源日趋紧缺，环境污染日益严重的今天，燃料电池以其清洁、高效、能源可再生等优点迅速成为各国研究机构及工业界的研究热点。其中，质子交换膜燃料电池应用前景广阔，被认为是新能源汽车的最有竞争力的动力源之一。这种电池除了具有燃料电池的共性特点外，还具备了室温快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率高与比能量高等特点。质子交换膜燃料电池主要由双极板、多孔气体扩散电极、质子交换膜等部件组成。其中双极板重量占整个电堆的60％～80％，制造成本占30％～45％。所以双极板的制造技术成为了制约燃料电池市场化的瓶颈之一。
目前制造双极板的材料主要是石墨、石墨-高聚物复合板和金属薄板。石墨双极板在性能上具有一定的优势，但机械性能差、制造成本高等缺点限制了其在商品中的应用。石墨-高聚物复合板有效的改善了石墨板的机械性能，但高聚物的存在大大降低了极板的导电性，且其厚度达不到1mm以下，导致电池的能量密度偏低。与前两者相比，金属双极板的机械性能和导电导热性能均良好、且致密性高、易于批量生产，是质子交换膜燃料电池大规模应用的理想选择。
金属双极板一般采用金属薄板冲压成形，但由于双极板宏观尺寸大(数百毫米)而流场等特征尺寸(数百微米)极小，且精度要求高，在采用冲压成形时，模具的挠度、刚性的因素对成形效果的影响不能完全忽视。同时，随着版型的增大，位于模具中部的板料流动更加困难，导致中间流道成形不足，其结果就是成形出的大极板流道高度会出现中间低、两侧高的现象，这对燃料电池的装配及工作性能有严重影响。随着市场化的要求日趋紧迫，金属双极板的大批量高精度快速冲压成形已成为困扰各大企业的瓶颈技术之一。
经过对现有技术文献的检索发现，目前已经有一些研究机构和公司针对双极板的快速冲压成形及高精度成形提出了不同的技术方案。如中国专利公开号CN101704054A发明了一种加工燃料电池用薄形金属流场板的冲压模具，包括一套流场冲压成型模具、一套冲裁成形模具和一套翻边成型模具，其中，冲压成型模具是现有技术的模具、冲裁成型模具的刃口比极板设计尺寸大0.1～0.3mm，翻边模具为现有冲裁模具只是将刃口改成翻边口，如此可将冲裁时留下的0.1～0.3mm余量翻至流场一侧，以达到边界尺寸要求。但是采用现有的冲压成型模具无法满足沟槽成形高度一致性的要求，其结果往往是四周沟槽高度达标而中间沟槽高度不足。再如中国专利公开号CN101504984B发明了一种包含下料和冲压成形两个工步的燃料电池金属双极板软模成形模具，包括模架，模架上设有作相对运动的二个模板，其中一个模板上联接有钢模，另一个模板上联接有容框，容框内固定有橡胶板，容框与钢模形成冲裁模具。这种设计提高了生产效率，也减少了零件的翘曲和回弹，但采用软模方式，沟槽成形高度不一致的问题更加凸显。又如中国专利公开号CN102013494A采用了电磁成形的方法，以解决基于冲压成形等常规塑性变形手段对金属薄板上微细结构成形时微型凸、凹模间配合困难的问题，但是电磁成形加工效率低，不适用于大批量生产。中国专利公开号CN101905268B设计了一种小型氢燃料电池金属双极板成形模具，包含切口、冲孔、压拉延防变形筋、成形、整形、落料等10个工位，板料依次通过各工位，被连续冲压成形。这种连续模具能大大提高生产效率，适合大批量生产，但是该专利模具只适用于小型氢燃料电池极板，不能满足大面积金属极板的成形要求，同时在成形流道沟槽时不能一次成形即达到设计要求，需要一次或多次整形，降低了生产效率，并且加工工位过多，难以保证各工位间的定位精度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，适用于大批量连续制造燃料电池大面积金属双极板，同时解决流道沟槽成形高度不一致的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，包括由5个工位组成的级进模，工位①是冲四个定位销孔并插定位销；工位②是带补偿地成形流道平行沟槽；工位③是冲异形孔；工位④是切边落料加工；工位⑤是拔定位销；板料依次通过工位①、②、③后，至工位④切边落料成形为双极板，工位⑤将切边后的废料带出冲压成形模具。
所述的级进模包括上模、下模、传动组件、滚轮和落料传送带，所述的上模与下模相对设置，所述的传动组件和滚轮设在下模两侧，且下模上设有供传动组件运动的滑槽，所述的落料传送带设在下模上，且位于工位④正下方。
所述的上模上依次设有工位①凸模、工位②凸模、工位③凸模和工位④凸模。
所述的下模上依次设有与上模一一对应的工位②凹模、工位③凹模和工位④凹模，且工位②凹模、工位③凹模两侧均设有顶料机构，顶料机构在完成一次成形后将板料顶起，使其进入下一工位。
所述的工位②凸模为自带补偿的流道平行沟槽成型凸模，该凸模的横向截面和纵向截面均为中间高、两边依次降低的对称结构。
所述的工位②凹模为自带补偿的流道平行沟槽成型凹模，该凹模与流道平行沟槽成型凸模相匹配，凹模的横向截面和纵向截面均为中间低、两边依次升高的对称结构。
所述的补偿的方式为：对于不同流道，位于极板中部的流道补偿多，位于极板两侧的流道补偿少，逐步递减；对于同一条流道，流道中部补偿多，流道两端补偿少，依次递减。
所述的传动组件包括六棱柱、链轮、链条和滑块，所述的六棱柱设在下模两侧，所述的链轮设在六棱柱上，所述的链条与链轮连接，所述的滑块通过连接轴与链条连接，并在链条的带动下沿滑槽滑动。
所述的滑块沿链条设置多个，每个滑块上对称设置有定位销孔，该定位销孔为与工位①凸模对应的工位①凹模，且板料通过该定位销孔与滑块连接，滑块上还设有用于与上模导正的导正销孔，所述的上模上设有该导正销孔相匹配的导正销。
所述的滑块的长度大于板料的宽度，且滑块的上表面与下模的上表面齐平。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)由于滑块是刚性的且两端的滑块之间的相对位置也是刚性的，故板料的成形部分在运送过程中没有拉伸或压缩，有利于提高小尺寸特征成形的精度；
2)定位销随滑块运动，所有工位不需重复定位，有利于提高不同工位所成形特征的相对位置精度；
3)通过角度控制进程，六棱柱的存在可实现精确控制角度，不需在模具内设置限位块等；
4)销定位板料，可防止运送过程中的滑移等，有利于提高运送稳定性；
5)成形凸、凹模自带补偿，可减小由于材料流动而带来的流道高度误差，可一次冲压成形平行沟槽，工艺简单，不需整形等多余工位，生产效率高且成形精度好；
6)结构合理，采用连续成形模具，加工效率高，适用于大批量生产，补偿模具能达到燃料电池金属极板的成形精度要求，保证极板流道高度的一致性，且成形后高度与设计高度误差小于5％。
附图说明
图1为燃料电池大面积金属双极板结构示意图；
图2为本发明燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具的结构示意图；
图3为本发明燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具正视图；
图4为本发明燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具左视图；
图5为本发明燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具下模俯视图；
图6为本发明燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具链条链轮传动机构示意图；
图7为本发明燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具自由状态下的滑块示意图；
图8为本发明模具实施例1、2和3中平行沟槽处凸模俯视图；
图9为本发明模具实施例1中平行沟槽处凸模横向截面(图8中A-A截面)示意图；
图10为本发明模具实施例1和3中平行沟槽处凸模纵向截面(图8中B-B截面)示意图；
图11为本发明模具实施例1、2和3中平行沟槽处模具合模后沟槽处局部放大示意图。
图12为本发明模具实施例2和3中平行沟槽处凸模横向截面(图8中A-A截面)示意图；
图13为本发明模具实施例2中平行沟槽处凸模纵向截面(图8中B-B截面)示意图；
图14为本发明模具实施例1中燃料电池大面积金属双极板各沟槽成形高度测量值；
图15为本发明模具实施例1中燃料电池大面积金属双极板各沟槽成形高度测量值；
图16为本发明模具实施例1中燃料电池大面积金属双极板各沟槽成形高度测量值。
图中，1-上模，2-下模，3-落料传送带，4-滚轮，5-链条链轮传送机构，6-链条，7-滑块，8-定位销孔，9-导正销孔，10-六棱柱，11-链轮，12-顶料机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明成形模主要用于成形大面积高精度的燃料电池平行流道金属双极板。金属双极板上有多条流道，流道横截面为金属双极板矩形，高0.4mm，板料厚度为0.1mm，极板整体长度为400mm，宽度为100mm。图1所示是成形该金属双极板的示意图，示意图取9条流道作说明。
实施例1
一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，包括由5个工位组成的级进模，工位①是先冲四个定位销孔，再通过机械手插定位销，定位销孔冲裁的凹模设在滑块上；工位②是带补偿地成形流道平行沟槽；工位③是冲异形孔；工位④是切边落料加工；工位⑤是拔定位销；板料依次通过工位①、②、③后，至工位④切边落料成形为双极板，工位⑤将切边后的废料带出冲压成形模具。
如图2-图3所示，所述的级进模包括上模1、下模2、传动组件、滚轮4和落料传送带3，所述的上模1与下模2相对设置，所述的传动组件和滚轮4设在下模2两侧，且下模2上设有供传动组件运动的滑槽，所述的落料传送带3设在下模2上，且位于工位④正下方。
所述的上模1上依次设有工位①凸模、工位②凸模、工位③凸模和工位④凸模。所述的下模2上依次设有与上模一一对应的工位②凹模、工位③凹模和工位④凹模，且工位②凹模、工位③凹模两侧均设有顶料机构12，顶料机构12在完成一次成形后将板料顶起，使其进入下一工位。
如图8-图10所示，所述的工位②凸模为自带补偿的流道平行沟槽成型凸模，该凸模的横向截面和纵向截面均为中间高、两边依次降低的对称结构。所述的工位②凹模为自带补偿的流道平行沟槽成型凹模，该凹模与流道平行沟槽成型凸模相匹配，凹模的横向截面和纵向截面均为中间低、两边依次升高的对称结构。
为了能快速精密的成形金属双极板，在流道平行沟槽处采取模具补偿措施，仅需压制一次，就能达到双极板流道成形高度均匀，且与设计高度误差小于5％的工艺要求。补偿措施的原则有以下几点：(1)解析曲线型补偿，即流道高度的补偿量在空间上按解析曲线型分布；(2)中间补偿多，两侧补偿少，即不同流道，位于极板中部的流道补偿多，位于边缘的流道补偿少，同一条流道，中间补偿多，两端补偿少；(3)保持每条流道上表面横向水平，纵向界面参照原则(2)，基于原则(1)和(2)，取计算所得的每条流道的中间补偿量为整个流道的补偿量。同时在满足凸模特征合模要求的前提下，将凹模深度再加大一定补偿量。补偿方式为线性、抛物线等，且每条流道顶部用圆弧光滑过渡。
如图4-图7所示，传动组件包括六棱柱10、链轮11、链条6和滑块7，所述的六棱柱10设在下模2两侧，所述的链轮11设在六棱柱10上，一个六棱柱两侧各固连一个链轮，所述的链条6与链轮11连接，所述的滑块7通过连接轴与链条6连接，并在链条6的带动下沿滑槽滑动。
滑块7沿链条6设置多个，每个滑块上对称设置有定位销孔8，该定位销孔8为与工位①凸模对应的工位①凹模，且板料通过该定位销孔与滑块连接，滑块上还设有用于与上模导正的导正销孔9，所述的上模1上设有该导正销孔相匹配的导正销，滑块上的导正销孔位于滑块中心轴前侧(滑块运动方向)。滑块的几何中心不是其重心，其重心位于几何中心正下方偏后处，即接近滑槽一侧，如此可使滑块在脱离六棱柱后且未进入滑槽前依靠重力自行导正。所述的滑块7的长度大于板料的宽度，且滑块7的上表面与下模2的上表面齐平，保证压边力均匀施加。
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
冲压力为250吨，链轮转速6°/秒，间歇时间为15秒，极板材料为不锈钢316，材料厚度为0.1mm。滑块长200mm，宽50mm，两侧滑块间距420mm；材料宽500mm，通过模具端部的滚轮紧贴滑块进入工位①，在工位①中进行冲定位销孔及插定位销加工，定位销孔为Φ10的圆孔，定位销为Φ10的圆柱销，同一侧定位销孔间距150mm，异侧定位销孔间距440mm。
开始加工时，将板料紧挨滚轮4放置在滑块7上，工位①凸模下降在板料两端冲四个定位销孔，工位①凸模上升后，向定位销孔中插入定位销。完成工位①加工后，间歇性链轮11转动60°，原工位①两端的滑块7进入工位②，定位销与板料也随之进入工位②；工位②为平行沟槽成形工位，上模1下压，首先与滑块7上的导正销孔9导正，然后压料面压紧板料，最后上下模合模，成形完成；上模1上行，顶料机构12将板料顶起1mm，间歇性链轮11转动60°，滑块7、定位销及板料进入工位③；工位③是冲异形孔工位，步骤与工位③一致，依次为导正、压料、冲孔、顶料、间歇链轮11转60°，滑块7、定位销及板料进入工位④；在工位④上进行切边落料加工，分导正、压料、冲裁三个步骤，由于板料已经被冲裁落料，所以此处不需设置顶料机构；工位④凹模为通孔，下方有一落料传送带3，冲裁后，极板落在落料传送带3上被带出模具；链轮11再转60°后，滑块7、定位销及废料进入工位⑤，在此处设置机械手将定位销拔出。
上述过程为一块极板的成形过程，本实施例中工位①③④中的模具采用现有技术设计，工位②中平行沟槽冲压成型模具的平面形状、整体尺寸设计与传统模具相同，仅在凸模高度及凹模深度方面进行补偿。具体补偿方式为，中间多两端少的线性补偿。对于不同流道，位于极板中间的流道补偿多，位于极板两侧的流道补偿少，如图9所示。补偿是线性的(如图9虚线所示)，各流道的补偿高度可根据该流道在极板上所处的位置确定，由中间向两侧线性递减，为使流道上表面保持横向水平，流道的补偿高度取各流道中间截面的计算值(任意横向截面看，都会有如图9所示效果，只是补偿值有所区别)。对于同一条流道，补偿值也遵循上述规则(如图10所示)，流道中部补偿多，两端补偿少。流道纵向截面形状接近三角形，但在顶部(图10中C处)用圆弧光滑过渡。本发明的特征还在于，在凸凹模完全合模的前提下，加大了凹模的深度，如图11所示。具体补偿值如下：中间流道中部补偿值为0.1mm，两端补偿值为0.03mm；最边上的流道中部补偿值为0.05mm，两端补偿值为0mm。根据线性与对称性不难得出其它流道各点的补偿值。凹模深度的补偿值为0.05mm。图14所示是实验测得的实施例1中的各沟槽成形高度值。
实施例2
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
冲压力250吨，链轮转速3°/秒，间歇时间为10秒，极板材料为不锈钢316，材料厚度为0.1mm。滑块长250mm，宽50mm，两侧滑块间距440mm；材料宽500mm，定位销孔为Φ10的圆孔，定位销为Φ10的圆柱销，同一侧定位销孔间距180mm，异侧定位销孔间距450mm；本实施例的工位⑤为空工位，不设置拔定位销机械手，滑块经过六棱柱换向时定位销依靠重力自行脱落，在脱落处设置收集装置。
本实施例所选平行沟槽冲压成型模具的补偿方式为中间多两端少的抛物线形补偿。对于不同流道，位于极板中间的流道补偿多，位于极板两侧的流道补偿少，如图12所示。补偿量是按抛物线形分配的(如图12虚线所示)，各流道的补偿高度根据可该流道在极板上所处的位置确定，由中间向两侧递减，为使流道上表面保持横向水平，流道的补偿高度取各流道中间截面的计算值。对于同一条流道，补偿值也遵循上述规则(如图13所示)，流道纵截面形状为抛物线形。凹模的补偿同实施例1。
具体补偿值如下：中间流道中部补偿值为0.1mm，两端补偿值为0.03mm；最边上的流道中部补偿值为0.05mm，两端补偿值为0mm。抛物线方程为：z＝1.58×10-10x2y2-3.11×10-6x2-8.89×10-6y2+0.1，坐标轴原点为极板中心，x-y平面为极板平面，x方向为流道长度方向，y方向为流道宽度方向，z方向为流道高度方向。图15所示是实验测得的实施例2中的各沟槽成形高度值。
实施例3
本实施例是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
冲压力250吨，链轮转速10°/秒，间歇时间为20秒，极板材料为不锈钢316，材料厚度为0.1mm。滑块长220mm，宽50mm，两侧滑块间距430mm；材料宽500mm，定位销孔为Φ10的圆孔，定位销为Φ10的圆柱销，同一侧定位销孔间距170mm，异侧定位销孔间距450mm。
本实施例所选平行沟槽冲压成形模具的补偿方式为中间多两端少的抛物线形与线性混合补偿，是对实施例1与实施例2的混合应用形式。对于不同流道的补偿形式同实施例2，如图12所示。同一条流道的补偿方式同实施例1，如图10所示。凹模的补偿方式同实施例1或2。
具体补偿值如下：中间流道中部补偿值为0.1mm，两端补偿值为0.03mm；最边上的流道中部补偿值为0.05mm，两端补偿值为0mm。流道中间横截面的抛物线方程为：z＝-1.24×10-5y2+0.1，流道两端横截面的抛物线方程为：z＝-8.89×10-6y2+0.05。坐标轴设置同实施例2。图16所示是实验测得的实施例3中的各沟槽成形高度值。
经对比各实验结果可知，实施例1中各沟槽高度分布一致性较高，且达到设计值相差±5％的设计要求；实施例2中各沟槽高度分布相对均匀，但极板两侧四分之一处的沟槽高度略有不足，整个形面呈波浪形：实施例3中的各沟槽高度分布不均匀，极板两侧四分之一处的高度明显不足。所以实施例1是本专利推荐实施方式。
以上实施例仅为了解释本发明内容的案例，本发明并不只局限于上述案例。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，包括由5个工位组成的级进模，其特征在于：工位①是冲四个定位销孔并插定位销；工位②是带补偿地成形流道平行沟槽；工位③是冲异形孔；工位④是切边落料加工；工位⑤是拔定位销；板料依次通过工位①、②、③后，至工位④切边落料成形为双极板，工位⑤将切边后的废料带出冲压成形模具；
所述的级进模包括上模、下模、传动组件、滚轮和落料传送带，所述的上模与下模相对设置，所述的传动组件和滚轮设在下模两侧，且下模上设有供传动组件运动的滑槽，所述的落料传送带设在下模上，且位于工位④正下方。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，其特征在于：所述的上模上依次设有工位①凸模、工位②凸模、工位③凸模和工位④凸模。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，其特征在于：所述的下模上依次设有与上模一一对应的工位②凹模、工位③凹模和工位④凹模，且工位②凹模、工位③凹模两侧均设有顶料机构，顶料机构在完成一次成形后将板料顶起，使其进入下一工位。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，其特征在于：所述的工位②凸模为自带补偿的流道平行沟槽成型凸模，该凸模的横向截面和纵向截面均为中间高、两边依次降低的对称结构。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，其特征在于：所述的工位②凹模为自带补偿的流道平行沟槽成型凹模，该凹模与流道平行沟槽成型凸模相匹配，凹模的横向截面和纵向截面均为中间低、两边依次升高的对称结构。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，其特征在于：所述的补偿的方式为：对于不同流道，位于极板中部的流道补偿多，位于极板两侧的流道补偿少，逐步递减；对于同一条流道，流道中部补偿多，流道两端补偿少，依次递减。
7.根据权利要求2所述的一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，其特征在于：所述的传动组件包括六棱柱、链轮、链条和滑块，所述的六棱柱设在下模两侧，所述的链轮设在六棱柱上，所述的链条与链轮连接，所述的滑块通过连接轴与链条连接，并在链条的带动下沿滑槽滑动。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，其特征在于：所述的滑块沿链条设置多个，每个滑块上对称设置有定位销孔，该定位销孔为与工位①凸模对应的工位①凹模，且板料通过该定位销孔与滑块连接，滑块上还设有用于与上模导正的导正销孔，所述的上模上设有该导正销孔相匹配的导正销。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池大面积金属双极板连续冲压成形模具，其特征在于：所述的滑块的长度大于板料的宽度，且滑块的上表面与下模的上表面齐平。
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