CN108393398A - 用于冲压机的模具组件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于冲压机的模具组件。模具组件包括第一模板、第一弯模加强件和第一模座。第一模板可被配置为将材料的至少一部分形成为期望配置。第一弯模加强件可在第一弯模加强件的第一弯曲侧上固定至第一模板。第一模座可被固定至第一弯模加强件的第二侧。第一模座可操作地被配置为安装在第一压座上。

Description

用于冲压机的模具组件
技术领域
本公开涉及冲压金属板的制造，且具体涉及冲压机中用于形成冲压双极板的模具。
背景技术
冲压工艺对于批量生产是众所周知的。然而，传统的冲压工艺需要大量的时间来设计模具和优化工艺条件，且流动通道尺寸的小型化使工艺更复杂。起皱和断裂是金属双极板冲压工艺中的主要缺陷。另外，金属双极板的通道深度的非期望尺寸可变性面临性能问题以及其它问题。
流动通道的尺寸和冲压工艺的条件对冲压工艺的可成形性起着重要的作用。对尺寸设计的研究得到了广泛的发展。然而，注意力主要集中在通道尺寸的影响和流动通道的效率上，而对形成流动通道的影响则关注不多。
众所周知，通过在称为模具组件的冲压机工具的两个半部(上半部和下半部)之间形成、修整、冲切或刺穿金属薄片或线圈形式来制造冲压部件。上部构件或多个上部构件附接至冲压机的滑块或多个滑块，且下部构件夹紧或用螺栓连接至机座或垫板。模具被设计用于形成部件的形状和大小。模具的两个半部在冲压机中合在一起。为了实现可重复性和容差要求，力(负载)和精度两者均是必需的。
用于冲压机中的模具组件是一种特殊的、独一无二的精密工具，其将金属薄片46切割并形成为期望的形状或轮廓-诸如具有流动通道和金属珠的双极板。模具的切割和成形区段通常是由称为工具钢的特殊类型的可硬化钢制成。模具还可包含由碳化物或各种其它坚硬耐磨材料制成的切割和成形区段。
大多数冲压模具是由几个基本部件构成，这些基本部件可包括模板、模座、模具组、导向销、衬套、垫块、垫板、螺钉、销钉和键槽。模具还需要剥离器、压力和拉伸垫以及用于固定它们的装置：线轴、肩部螺栓、保持件和保持器以及气体、线圈或聚氨酯弹簧。
模板、模座和模具组是对应于模具尺寸的钢或铝板。模座用作安装工作模具部件的基础。大多数模座都是由钢制成。铝也是流行的模座材料。铝的重量是钢的三分之一，其可很快加工，且可向其添加特殊合金以使其具有比低碳钢更高的抗压强度。铝也是用于吸收冲击的一种非常好的金属材料，这对冲切模具来说是很好的选择。上部模座和下部模座用导向销组装在一起，以形成模具或模具组件。导向销(有时也称为导向柱或支柱)与导向衬套一起使用，以便在冲压机中将上部模座和下部模座准确地对准。
再次参考图1，示出了传统的双极板。双极板将燃料电池堆中的单元电池分开，并且同时用作单元电池之间的电流路径(用于传递所产生的电力的路径)。双极板110通常可具有矩形形状。双极板110具有反应区域130，其具有用于空气、氢气和冷却剂的流场131。反应区域130的相对端部分别具有入口歧管孔132和出口歧管孔134，空气、氢气和冷却剂分别通过入口歧管孔和出口歧管孔进入和离开。
形成在双极板110中的流场或流动通道112用作用于将反应物气体传递至GDL的路径、用于冷却剂通过的路径以及用于将通过电化学反应产生且通过GDL排放的水排放至外部的路径。然而，由冲压机制造的金属双极板110难以以非常严格的容差实现最佳的复杂形状。
如所指示，双极板通过经由冲压机在金属板中形成浮雕/图案(流动通道和珠)而制造。两个双极板然后彼此联接。因此，冷却剂在由双极板的接触所限定的通道空间中流动，且气体扩散层(GDL的)被设置在双极板的两侧，使得氢气和氧气在GDL与双极板之间限定的相应通道空间中流动以便传递反应气体。然而，由于在冲压工艺期间施加在金属板上的较大的力，模具组件(上部模具组和/或下部模具组)的中心区域52将倾向于相对于外部区域50塌陷。这导致在冲压工艺中施加的负载不均匀，由此在流动通道和金属珠内引起非期望不均匀的深度。如前指示，双极板的高效性能要求均匀的通道深度以及均匀的珠深度。
再次参考图1，示出了具有用于PEM燃料电池堆中的流动通道112的示例性双极板110。应当理解的是，双极板110可由钢板制成。应当理解的是，保持基本均匀的流动通道112和金属珠密封件114的深度是关键的，以便提供坚固且有效的操作结构。双极板中使用的金属薄片近似在0.07至0.12厚的范围内。另外，双极板中的流动通道112的深度可近似在0.2至0.8的范围内。而金属珠应当优选地具有0.4至1.2的近似范围内的深度。流动通道的深度应当基本上均匀，且金属珠的深度应当基本上均匀，以便从双极板/燃料电池获得有效的性能。为了在双极板的整个宽度和长度中实现通道和珠密封件的均匀变形(经由微冲压工艺)，模具组件应当在冲压机中保持刚性并且在整个金属薄片中均匀地施加平均成形压力。即，为了实现均匀的通道深度和均匀的珠深度，需要在整个金属薄片上均匀地施加模具面。
现在参考图2，示出了用于冲压机(未示出)的传统模具组件116。传统模具组件116包括模板118，其具有形成在模板118中的弯曲部和凹部(未示出)用于塑形被插入冲压机中的金属薄片的至少一部分。如所示，模板118可安装在平模加强件120上。然后如所示将平模加强件120固定至模座122，且将模座122安装在压座124上。然而，由于双极板成形中被施加至所示的传统模具组件的显著负载，模板118的内部区域126和模具加强件122通常相对于模板118的外部区域128和模具加强件120开始塌陷。因此，由于传统模具组件的中心区域的变形，需要在一片金属薄片中形成的任何通道或结构可能不会达到其期望的深度。
本背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，且因此其可能包含不形成在该国已经为本领域一般技术人员所知的现有技术的信息。因此，需要一种改进的模具组件，当在整个模具和金属薄片上均匀地施加显著的负载和变形时，该模具组件形成具有更大尺寸精度的冲压部件。
发明内容
本公开提供了一种用于冲压机中的模具组件。本公开的模具组件可用于尺寸精度至关重要的微冲压工艺中。模具组件包括第一模具组，其包括第一模板、第一弯模加强件和第一模座。第一模板可被配置为将材料的至少一部分形成为期望配置。第一弯模加强件可在第一弯模加强件的第一弯曲侧上固定至第一模板。第一模座可被固定至第一弯模加强件的第二侧。第一模座可操作地被配置为安装在第一压座上。
本公开还可选用地进一步提供第二模具组34，其由第二模板、第二弯模加强件和第二模座组成。当安装用于冲压机时，第二模板可与第一模板相对对准。第二模板可被配置为连同第一模板一起将材料的至少一部分形成为期望产品。第二弯模加强件可在第二弯模加强件的第一弯曲侧上固定至第二模板。第二模座可固定至第二弯模加强件的第二侧，该第二模座可操作地被配置为安装在第二压座上。
第一弯模加强件和第二弯模加强件的每个第一弯曲侧可在每个弯模加强件的横向和纵向两个方向上限定凸面。另外，第一压座和/或第二压座可被配置为用于冲压机。应当理解的是，第一模板、第一弯模加强件和第一模座各自由钢形成，以及第二模板、第二弯模加强件和第二模座均可各自由钢形成。应当进一步理解的是，第一模板、第一弯模加强件和第一模座用多个机械紧固件彼此固定。类似地，第二模板、第二弯模加强件和第二模座可经由多个紧固件彼此固定。
加强件也可以弯曲表面朝向模座且平坦表面朝向模板的方式布置，以实现期望的通道深度均匀性。替代地，应当理解的是，第一弯模加强件和第二弯模加强件中的任一者可具有第一弯曲表面和也弯曲的第二表面。
根据参考附图考虑的以下详细描述，本公开和其特定特征和优点将变得更加明显。
附图说明
从下面的详细描述、最佳方式、权利要求和附图中，本公开的这些和其它特征和优点将是显而易见的，其中：
图1是在PEM燃料电池中使用的示例性双极板的俯视图。
图2是传统的平坦加强件的透视图，该平坦加强件被组装至冲压机中的压座、模座和模板。
图3是根据本公开的各种实施例的弯曲加强件的等距视图。
图4是根据本公开的各种实施例的用于冲压机的模具组件的侧面示意图。
图5是图4的模具组件的下半部中的冲压双极板的侧面示意图。
图6是说明当使用弯曲加强件时与使用平坦加强件时沿着模具面的长度的相对位移的比较的曲线图。
图7是说明当使用弯曲加强件时与使用平坦加强件时沿着模具面的宽度的相对位移的比较的图。
在附图的几个视图的描述中，相同的附图标记指代相同的部分。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的目前优选的组合物、实施例和方法，其构成了本发明人目前已知的实践本公开的最佳模式。图式不一定按比例绘制。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，其可以各种替代形式来实施。因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为本公开的任何方面的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本公开的代表性基础。
除了在示例中，或在另外明确指示的情况下，本说明书中指示材料的量或反应和/或使用条件的所有数字量在描述本公开的最广泛的范围时被理解为由词语“约”进行修饰。在所述的数值极限内的实践通常是优选的。另外，除非有明确的相反说明：百分比、“份数”和比值按重量计；对于与本公开有关的给定目的适合或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或该类的任何两个或更多个成员的混合物同样适合或优选；首字母缩略词或其它缩写词的第一个定义适用于本文相同缩写词的所有后续使用，并且在必要的修改后适用于最初定义的缩写词的正常语法变型；且除非有相反的明确说明，否则性质的测量是通过与之前或之后针对同一性质参考的相同技术来确定的。
还应该理解的是，本公开不限于下面描述的具体实施例和方法，因为具体的部件和/或条件当然可能有所不同。另外，本文使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例的目的，而不旨在以任何方式进行限制。
还必须注意的是，除非上下文另有明确指示，否则如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用对象。例如，以单数形式引用部件意图包括多个部件。
术语“包括(comprising)”与“包括(including)”、“具有”、“含有”或“以...为特征”是同义词。这些术语是包含性的并且是开放式的，并且不排除另外的未叙述的元件或方法步骤。
短语“由...组成”排除权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求主体的条款中，而不是紧接着序言之后时，它就只限制了该条款中规定的要素；其它要素并不排除在整个权利要求之外。
短语“基本上由...组成”将权利要求的范围限制为指定的材料或步骤，以及不会实质影响所要求保护的主题的基本和新颖特性的材料或步骤。
可替代地使用术语“包括”，“由...组成”和“基本上由...组成”。在使用这三个术语中的一者的情况下，目前公开和要求保护的主题可包括使用其它两个术语中的任一者。
在本说明书中，在引用出版物的情况下，这些出版物的公开内容通过引用整体并入本申请中以更全面地描述本公开所属领域的状态。
以下详细描述本质上仅是示例性的，而并不意图限制本公开或本公开的应用和用途。另外，并无在前面的背景或下面的详细描述中提出的任何理论的限制的意图。
本公开提供了一种用于冲压机22中的模具组件。本公开的模具组件可用于尺寸精度至关重要的微冲压工艺或冲压工艺中。参考图4，模具组件包括第一模具组12，其包括第一模板14、第一弯模加强件16和第一模座18。第一模板14可被配置为将材料的至少一部分48形成为期望配置。第二弯模加强件16可在第一弯模加强件16的第一弯曲侧上固定至第一模板14。第一模座18可被固定至第一弯模加强件16的第二侧。第一模座18可操作地被配置为安装在第一压座20上。
本公开还可选用地进一步提供第二模具组34，其至少包括图4中所示的第二模板36、第二弯模加强件38和第二模座40。如图4中所示，当安装用于冲压机22时，第二模板36可与第一模板14相对，使得进行冲压工艺的金属薄片46插入其间。第二模板36可被配置为当在第二模板36与第一模板14之间被压缩时将材料(金属薄片46)的至少一部分48形成为期望配置。第二弯模加强件38可在第二弯模加强件38的第一弯曲侧上固定至第二模板36。第二模座40还可被固定至第二弯模加强件38的第二侧。如所示，第二模座40可操作地被配置为安装在第二压座42上。
参考图3，示出弯曲加强件16、38本身。图3中所示的弯曲加强件可为第一模具组12的第一弯曲加强件16或第二模具组34的第二弯曲加强件38。无论如何，用于本公开的模具组件的弯曲加强件包括第一弯曲表面24和第二表面27。第一弯曲表面24可为第一弯曲加强件16和第二弯曲加强件38中的每一者在侧向和纵向方向28、30上限定凸面26。因此，第一弯曲表面24上的每个弯曲加强件的中心区域52可操作地被配置为迫使对应模板的中心区域52朝向插被入至冲压机22中的金属薄片46。因此，曲面可补偿可能在第一模具组12和/或第二模具组34的中心区域52中发生的任何下垂。因此，金属薄片46的中心区域52处的期望负载44和对应的变形基本上等于金属薄片46的外部区域50处的负载44和对应的变形-导致在整个模板中的负载44分布以便在整个金属薄片上将模板平坦化。结果，当冲压机22操作时，由于模具表面/模板在整个金属薄片46上接触片材的平坦度，在冲压部分中实现尺寸精度。因此，应当理解的是，第一和第二模具加强件中的每一者的第一凸表面26被配置为补偿可能发生在模具组件的中心区域52中的任何变形--这是由于在冲压机22的操作期间被施加至模具组件的显著冲压负载。
再次参考图3，第一和第二弯曲加强件中的每一者上的第二表面27与第一弯曲表面24相对设置。第二表面27可但不一定是平坦表面。替代地，第二表面也可为类似于第一表面的弯曲凸面。第一和第二弯曲加强件中的每一者的第二表面27可设置成邻近和/或邻接对应模座(图4中所示)的接触面。第一弯模加强件16和第二弯模加强件38的每个第一弯曲侧可在每个弯模加强件的横向方向28和纵向方向30上限定凸面26，以便当当冲压机22操作时确保整个模板和金属薄片46中有均匀负载分布44。同样，每个弯模加强件16、38的横向方向28和纵向方向30上的弯曲表面允许模板14、36的表面平坦度--即，使冲压机负载44在横向方向28和纵向方向30上均匀地分布在整个接合表面45中。通过将冲压机负载44分布在每个模板14、36的整个接合表面45中，接合表面45基本上平行于金属薄片46(的部分)，使得任何变形或通道70的深度(图5中所示)基本上是均匀的，无论是在金属薄片46的中心区域52(图5中所示)还是在金属薄片46的外部区域50(图5中所示)中由于每个特征的均匀变形(例如：流动通道)而形成通道或变形。应当理解的是，第一和第二弯模加强件中的每一者的第一弯曲侧上的凸面26也可在每个弯模加强件的对角线方向31(图3中所示)上弯曲。因此，每个加强件的凸面26可但不一定是球形表面的一部分的形式，其中凸面(球形表面)的顶点97(图4和5中所示)是凸面中邻接对应模板的区域。应当理解的是，每个凸面的顶点之间的相对高度99(图5中所示)可在约0.001mm至约0.020mm的范围内的任何地方。还应当理解的是，用于图4的第一和第二模板中的每一者的接合表面图45是朝向金属薄片46的每个模板的整个表面。
如图4中所示，第一压座20和/或第二压座42可被配置为用于冲压机22。应当理解的是，第一模板14、第一弯模加强件16和第一模座18各自由钢形成，以及第二模板36、第二弯模加强件38和第二模座40也均可各自由钢形成。应当进一步理解的是，第一模板14、第一弯模加强件16和第一模座18用至少一个机械紧固件32彼此固定。类似地，第二模板36、第二弯模加强件38和第二模座40可经由多个紧固件彼此固定。
因此，在一个非限制性示例中，螺钉(示意性地表示为元件32)可紧固和固定对应于第一(上部)和第二(下部)模座的工作部件。内六角螺钉可为用于冲压模具的示例机械紧固件。内六角螺钉是一种硬化的工具钢螺钉并且也可称为艾伦六角螺钉。这种紧固件在冲压机22的操作中提供优异的保持力和强度。销钉(未示出)是硬化的、精密研磨的销钉，其将模具区段或部件精确地定位在其在模座上的适当位置。虽然销钉有很大的倾斜能力，但是它们的主要功能是正确定位模具区段。
现在参考图5，第二模板36、第二弯模加强件38、第二模座40和第二压座42在冲压操作发生之后与所形成的金属薄片46一起被示为在第二模板36中。如所示，由于在整个模板和金属薄片46上具有均匀变形分布44，外部区域50中的金属薄片46中的冲压深度是或应当基本上等于金属薄片46的中心区域52中的冲压深度(对于诸如流动通道等相同特征)，其中第二模板36平坦地分布在整个金属薄片46上。
现在参考图6，提供了说明当使用弯曲加强件时沿着模具面的长度的位移60与当使用平坦加强件时模板的位移60'的比较的曲线图。如所示，当使用弯曲加强件时，沿着模板的长度的模板位移64相对于中心具有较小的变化。即，当使用弯曲加强件且沿着模具组件的长度获取数据时，模板14、36的外部区域50(图4中所示)相对于中心区域52(图4中所示)的相对垂直位移64与使用传统的平坦加强件时发生的垂直位移64'相比有所减小。另外，参考图7，提供了说明了当使用弯曲加强件时模具面的外部区域50(图4中所示)的相对位移62与模具面的中心区域52(图4中所示)处的位移的比较的曲线图。模板的位移62'也在图7中所示，其中使用平坦加强件。即，外部区域50(图4中所示)与中心区域52(图4中所示)之间的相对位移66'(当使用平坦加强件时)大于当使用弯曲加强件时的相对位移66。如所说明，当使用弯曲加强件12、26时，模具位移64、66的可变性减小。因此，形成为金属薄片46的通道70通常可具有基本相同的尺寸。
虽然前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当明白的是，存在许多变化。还应当明白的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。实情是，前文详细描述将给本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的便捷指引。应当理解的是，在不脱离所附权利要求书和其合法等同物的范围的情况下，可对元件的功能和设置作出各种改变。

Claims (10)

1.一种用于冲压机的模具组件，所述模具组件包括：
第一模板，其被配置为将材料的至少一部分形成为期望产品；
第一弯模加强件，其在所述第一弯模加强件的第一弯曲侧上固定至所述第一模板；以及
第一模座，其固定至所述第一弯模加强件的第二侧，所述第一模座可操作地被配置为安装在第一压座上。
2.根据权利要求1所述的模具组件，其中所述第一弯模加强件的所述第一弯曲侧在所述第一弯模加强件的横向方向和纵向方向上限定凸面。
3.根据权利要求1所述的模具组件，其中所述第一压座被配置为用于冲压机。
4.根据权利要求1所述的模具组件，其中所述第一模板、所述第一弯模加强件和所述第一模座各自由钢或铸铁或其它金属形成。
5.根据权利要求1所述的模具组件，其中所述第一模板、所述第一弯模加强件和所述第一模座用多个机械紧固件彼此固定。
6.根据权利要求1所述的模具组件，进一步包括：
与所述第一模板相对对准的第二模板，所述第二模板被配置为连同所述第一模板一起将材料的至少一部分形成为期望产品；
第二弯模加强件，其在所述第二弯模加强件的第一弯曲侧上固定至所述第二模板；以及
第二模座，其固定至所述第二弯模加强件的第二侧，所述第二模座可操作地被配置为安装在第二压座上。
7.根据权利要求3所述的模具组件，其中所述第一弯模加强件可操作地被配置为当所述冲压模具操作时将冲压机负载均匀地分布在所述第一模板的整个接合表面上。
8.根据权利要求6所述的模具组件，其中所述第二弯模加强件可操作地被配置为当所述冲压模具操作时将冲压机负载均匀地分布在所述第二模板的整个接合表面上。
9.根据权利要求7所述的模具组件，其中所述第一弯模加强件和所述第一模板可操作地被配置为在整个所述部分材料上形成基本均匀的通道。
10.根据权利要求8所述的模具组件，其中所述第二弯模加强件和所述第二模板可操作地被配置为在整个所述部分材料上形成基本均匀的通道。
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