CN113275440B - 金属极板脉动冲压成形装置及方法 - Google Patents

金属极板脉动冲压成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种金属极板脉动冲压成形装置及方法，属于燃料电池金属极板这一技术领域，其设计要点在于：伺服电机、滚珠丝杆、冲压成形模具、工作台、滑块、至少3个以上的导向柱、连接轴；导向柱安装固定在工作台上；滚珠丝杆包括：丝杆与螺纹套筒，丝杆与螺纹套筒适配；螺纹套筒设置在冲压成形模具的上方，冲压成形模具在工作台的上方；冲压成形模具，包括上模、下模，下模通过螺栓与工作台固定，上模通过螺栓与滑块固定。本申请旨在提供一种金属极板脉动冲压成形装置及方法，利用脉动加载，减小摩擦力、提升超薄板微结构成形能力，从而提升成形微流道轮廓尺寸精度。

Description

金属极板脉动冲压成形装置及方法
技术领域
本申请涉及燃料电池金属极板制造领域，更具体地说，尤其涉及一种金属极板脉动冲压成形装置及方法。
背景技术
质子交换膜氢燃料电池具有工作温度低、启动温度低、零排放、能量转换效率高等诸多优点，在乘用车、物流车、船、飞机以及航天器等多个领域获得了应用。极板在燃料电池的核心部件之一，起到分配反应气体、收集电流、排水、冷却以及机械支撑等多种作用。目前，占主导地位的石墨极板占电池总重量的60-80％、成本的30-40％、体积的60％，是导致电池体积/质量功率密度低、成本高的主要因素之一。为此，出现了用极薄的金属极板代替石墨极板的趋势，具有更小的体积、较低的重量以及更低的制造成本。然而，金属极板的结构特点和技术要求，如外轮廓尺寸200-500mm、壁厚0.05-0.1mm，刚性很差，极易产生翘曲等缺陷，并且在成形密布、方向不同微流道(宽0.5-1.2mm、深0.3-0.5mm)后，面积大而尺寸小的微流道成形载荷施加更加困难，微流道轮廓精度、一致性以及壁厚均匀性等难以保证，给后续的极板焊接、燃料电池堆装配等带来极大的挑战，严重影响了氢燃料电池堆性能、寿命等核心性能指标。
发明内容
本申请的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种金属极板脉动冲压成形装置及方法。
本申请的技术方案如下：
一种金属极板脉动冲压成形装置，包括：伺服电机(2)、滚珠丝杆(4)、冲压成形模具、工作台(8)、滑块(9)、至少3个以上的导向柱(10)、连接轴(11)；
导向柱(10)安装固定在工作台(8)上；
滚珠丝杆(4)包括：丝杆与螺纹套筒，丝杆与螺纹套筒适配；螺纹套筒设置在冲压成形模具的上方，冲压成形模具在工作台(8)的上方；
冲压成形模具，包括上模(7-1)、下模(7-2)，下模(7-2)通过螺栓与工作台(8)固定，上模(7-1)通过螺栓与滑块(9)固定；
伺服电机(2)驱动滚珠丝杆(4)的丝杆转动；螺纹套筒的下端与连接轴(11)的上端固定连接，连接轴(11)的下端与滑块(9)的上表面固定连接；
所述滑块(9)穿设在至少3个以上的导向柱(10)上，即滑块(9)上设置有穿孔，所述滑块(9)的穿孔与导向柱的形状适配，滑块(9)上的穿孔的数量与导向柱(10)的数量相同；
也即，伺服电机(2)转动，带动滚珠丝杆的丝杆转动时，会带动滑块(9)上下移动，进而带动上模(7-1)上下移动。
进一步，还包括：传动装置(3)；伺服电机(2)的输出转轴与传动装置(3)连接，传动装置(3)与滚珠丝杆(4)的丝杆连接。
进一步，还包括：上机架(12)，上机架(12)固定在工作台(8)上，上机架(12)上设置有穿孔，连接轴穿过上机架(12)的穿孔。
进一步，还包括：控制柜(1)、光栅尺(5)、力传感器(6)；
光栅尺(5)、力传感器(6)的输出端分别与控制柜(1)的输入端连接，控制柜(1)的输出端与伺服电机(2)的输入端连接；
其中，光栅尺(5)安装在滚珠丝杠的螺纹套筒上，光栅尺(5)用于监测螺纹套筒的位移，且将上述位移信号通过数据线传递给控制柜。
其中，力传感器(6)用于监测冲压成形力，力传感器(6)安装在连接轴(11)上，力信号通过数据线传递给控制柜，实现冲压成形力的实时检测。
一种金属极板脉动冲压成形装置的成型方法，其包括以下步骤：
S1，将冲压成形模具的下模、上模分别与工作台、滑块固定；
S2，将金属薄板放入模具并定位好；
S3，伺服电机在控制柜程序控制下驱动滑块以0.1-20mm/s、频率1-1000Hz、幅值0.01-10mm的脉动速度向下运动；当上模与金属板接触后，继续向下运动，金属板在上模、下模综合作用下发生塑性变形，成形设计的极板微流道；
当上模运动到设定的位移值或者力值等触发条件时，滑块只做脉动成形，频率1-1000Hz、幅值0.01-10mm，即为保压阶段；达到设定保压时间条件时，极板脉动冲压成形结束，上模在滑块带动下向上运动至初始点或设定值。
进一步，整个脉动冲压成形过程中，始终检测成形力、滑块位移，实现滑块运动的闭环控制；之后，从上模与下模之间取出成形的金属极板，脉动冲压成形结束。
进一步，根据脉动冲压成形需要，脉动加载根据需要在加载或保压的任何位移点或力值点或时间点施加。
本申请的有益效果在于：
第一，本发明提出了脉动冲压成形新方法，在冲压成形时，成形力不再连续增加，而是边往复振荡边加载，存在力值减小、增加的脉动过程。同样，在冲压成形后段保压过程中，力值也不再时固定值，而是存在减小、增加的脉动过程。利用脉动冲压时力值减小期间，克服摩擦等阻力约束，板料受力状态得到改善，给薄板塑性变形提供了空间。并且，脉动力作用还会减小残余应力，降低翘曲等缺陷。从而实现大面积、超薄壁微结构精确、高一致性制备，满足氢燃料电池金属极板制备要求。
第二，利用脉动加载，减小摩擦力、提升超薄板微结构成形能力，从而提升成形微流道轮廓尺寸精度，同时，还可以在大面积微流道阵列成形时抑制回弹、翘曲以及微流道一致性，从而提升金属极板成形质量，保证氢燃料电池性能。
第三，提出脉动冲压成形新方法，相对常规冲压成形，能够显著提升大面积、微流道阵列的轮廓精度、尺寸一致性以及金属极板的形状精度等；利用伺服电机驱动实现脉动力的施加，可控性能好、输出位移和力值精度均较高，不仅适合超薄金属极板冲压成形，而且也可取代传统的冲压成形，以提升成形精度；分段设置、多段组合的脉动冲压控制方法，可以实现脉动力、线性力等多种力或位移输出方式的分段设置，并实现多段不同控制方法的随意组合，满足多种冲压成形工艺需求。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本申请作进一步的详细说明，但并不构成对本申请的任何限制。
图1是一种金属极板脉动冲压成形装置的设计示意图。
图2是脉动力-时间曲线图。
图1-2附图标记说明如下：
控制柜1、伺服电机2、传动装置3、滚珠丝杆4、光栅尺5、力传感器6、上模7-1、下模7-2、工作台8、滑块9、导向柱10、连接轴11、上机架12、金属极板13。
具体实施方式
从图1可知，一种金属极板脉动冲压成形装置，包括：伺服电机2、滚珠丝杆4、冲压成形模具、工作台8、滑块9、至少3个以上的导向柱10、连接轴11；
导向柱10安装固定在工作台8上；
滚珠丝杆4包括：丝杆与螺纹套筒，丝杆与螺纹套筒适配；螺纹套筒设置在冲压成形模具的上方，冲压成形模具在工作台8的上方；
冲压成形模具，包括上模7-1、下模7-2，下模7-2通过螺栓与工作台8固定，上模7-1通过螺栓与滑块9固定；
伺服电机2驱动滚珠丝杆4的丝杆转动；螺纹套筒的下端与连接轴11的上端固定连接，连接轴11的下端与滑块9的上表面固定连接；
所述滑块9穿设在至少3个以上的导向柱10上，即滑块9上设置有穿孔，所述滑块9的穿孔与导向柱的形状适配，滑块9上的穿孔的数量与导向柱10的数量相同；
也即，伺服电机2转动，带动滚珠丝杆的丝杆转动时，会带动滑块9上下移动，进而带动上模7-1上下移动。
还包括：传动装置3；伺服电机2的输出转轴与传动装置3连接，传动装置3与滚珠丝杆4的丝杆连接，也即，伺服电机2转动时，传动装置3转动(传动装置可采用齿轮或者齿轮组)，进而滚珠丝杆4的丝杆转动(伺服电机通过传动装置将旋转运动传递给滚珠丝杆，并实现旋转运动到直线运动转换)。
还包括：上机架12，上机架12固定在工作台8上，上机架12上设置有穿孔，连接轴穿过上机架12的穿孔。
还包括：控制柜1、光栅尺5、力传感器6；
光栅尺5、力传感器6的输出端分别与控制柜1的输入端连接，控制柜1的输出端与伺服电机2的输入端连接(即伺服电机2的运动由控制柜1来控制)。
其中，光栅尺5安装在滚珠丝杠的外壳(即螺纹套筒)上，光栅尺5用于监测螺纹套筒的位移，且将上述位移信号通过数据线传递给控制柜。
其中，力传感器6用于监测冲压成形力，力传感器6安装在连接轴11上，力信号通过数据线传递给控制柜，实现冲压成形力的实时检测。
伺服电机、传动装置以及滚珠丝杠一体的EH7-XXX，最大输出力120kN、行程400mm、额定速度50mm/s，位移精度+/-0.01，光栅尺精度1μm。根据金属(不锈钢、钛等金属材料)极板要求，外轮廓尺寸200-500mm、壁厚0.05-0.1mm，微流道宽0.5-1.2mm、深0.3-0.5mm，设计冲压成形模具。
一种金属极板脉动冲压成形装置的成型方法，其包括以下步骤：
S1，将冲压成形模具的下模、上模分别与工作台、滑块固定；
S2，将金属薄板放入模具并定位好；
S3，伺服电机在控制柜程序控制下驱动滑块以0.1-20mm/s、频率1-1000Hz、幅值0.01-10mm的脉动速度向下运动；当上模与金属板接触后，继续向下运动，金属板在上模、下模综合作用下发生塑性变形，成形设计的极板微流道；
当上模运动到设定的位移值或者力值等触发条件时，滑块只做脉动成形，频率1-1000Hz、幅值0.01-10mm，即为保压阶段；达到设定保压时间条件时，极板脉动冲压成形结束，上模在滑块带动下向上运动至初始点或设定值。
整个脉动冲压成形过程中，始终检测成形力、滑块位移，实现滑块运动的闭环控制。之后，从上模与下模之间取出成形的金属极板，脉动冲压成形结束。
根据脉动冲压成形需要，脉动加载可根据需要在加载或保压的任何位移点或力值点或时间点等施加，施加脉动的频率、幅值、时间等均可任意设定。
以上所举实施例为本申请的较佳实施方式，仅用来方便说明本申请，并非对本申请作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本申请所提技术特征的范围内，利用本申请所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本申请的技术特征内容，均仍属于本申请技术特征的范围内。

Claims (2)

1.一种金属极板脉动冲压成形装置的成型方法，其特征在于，采用金属极板脉动冲压成形装置成型；
所述的金属极板脉动冲压成形装置包括：伺服电机(2)、滚珠丝杆(4)、冲压成形模具、工作台(8)、滑块(9)、3个以上的导向柱(10)、连接轴(11)、传动装置(3)；导向柱(10)安装固定在工作台(8)上；滚珠丝杆(4)包括：丝杆与螺纹套筒，丝杆与螺纹套筒适配；螺纹套筒设置在冲压成形模具的上方，冲压成形模具在工作台(8)的上方；冲压成形模具，包括上模(7-1)、下模(7-2)，下模(7-2)通过螺栓与工作台(8)固定，上模(7-1)通过螺栓与滑块(9)固定；伺服电机(2)驱动滚珠丝杆(4)的丝杆转动；螺纹套筒的下端与连接轴(11)的上端固定连接，连接轴(11)的下端与滑块(9)的上表面固定连接；所述滑块(9)穿设在3个以上的导向柱(10)上，即滑块(9)上设置有穿孔，所述滑块(9)的穿孔与导向柱的形状适配，滑块(9)上的穿孔的数量与导向柱(10)的数量相同；伺服电机(2)转动，带动滚珠丝杆的丝杆转动时，会带动滑块(9)上下移动，进而带动上模(7-1)上下移动；还包括：控制柜(1)、光栅尺(5)、力传感器(6)；光栅尺(5)、力传感器(6)的输出端分别与控制柜(1)的输入端连接，控制柜(1)的输出端与伺服电机(2)的输入端连接；其中，光栅尺(5)安装在滚珠丝杠的螺纹套筒上，光栅尺(5)用于监测螺纹套筒的位移，且将位移信号通过数据线传递给控制柜；其中，力传感器(6)用于监测冲压成形力，力传感器(6)安装在连接轴(11)上，力信号通过数据线传递给控制柜，实现冲压成形力的实时检测；伺服电机(2)的输出转轴与传动装置(3)连接，传动装置(3)与滚珠丝杆(4)的丝杆连接；
其包括以下步骤：
S1，将冲压成形模具的下模、上模分别与工作台、滑块固定；
S2，将金属薄板放入模具并定位好；
S3，伺服电机在控制柜程序控制下驱动滑块以0.1-20mm/s、频率1-1000Hz、幅值0.01-10mm的脉动速度向下运动；当上模与金属薄板接触后，继续向下运动，金属薄板在上模、下模综合作用下发生塑性变形，成形设计的极板微流道；
当上模运动到设定的位移值或者力值触发条件时，滑块只做脉动成形，频率1-1000Hz、幅值0.01-10mm，即为保压阶段；达到设定保压时间条件时，极板脉动冲压成形结束，上模在滑块带动下向上运动至初始点或设定值。
2.根据权利要求1所述的一种金属极板脉动冲压成形装置的成型方法，其特征在于，所述的金属极板脉动冲压成形装置还包括：上机架(12)，上机架(12)固定在工作台(8)上，上机架(12)上设置有穿孔，连接轴穿过上机架(12)的穿孔。
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