CN116984467B - 一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，包括以下步骤：放置板坯；向囊式密封件内鼓入气体，囊式密封件膨胀展开并位于下模的顶面上方；压力机驱动上模下行至预成形位置，囊式密封件在上模和下模之间合围形成密封腔；高压液体注入密封腔内，配合下模完成板坯表面的预成形；上模上升复位，囊式密封件收缩并紧至下模的一侧；上模下行并与下模合模完成冲压精整形；完成板件变形区的超声应力松弛；关闭超声组件，上模上行复位，取出成形件。本发明通过采用充液预成形、硬模整形、超声控形复合成形工艺，在同一台装置上实现充液预成形、硬模整形、超声控形，避免板料重复定位，形状精度控制更准确，成形效率更高。

Description

一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法

技术领域

本发明涉及金属板件冲压成形技术领域，特别是涉及一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法。

背景技术

氢燃料电池通过电化学反应将氢能直接转化为电能，具备清洁、高效、燃料来源广泛等优点，可广泛应用于交通、工业、建筑、储能等领域，对实现碳达峰、碳中和具有重要意义。极板是氢燃料电池中的关键部件，起到支撑膜电极、分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量、提供氢气和氧气通道、排出反应生成的水、提供冷却液流道等诸多作用，是保障燃料电堆性能的核心部件。根据材料不同，极板分为石墨极板、复合材料极板和金属极板，其中金属极板易于批量生产，具有体积小、功率密度高、抗振性能好、冷启动快等优点，成为燃料电池技术发展的重要方向。

随着氢燃料电池在重型商用车、船舶等领域的应用，对氢燃料电池动力的需求提升至200kW以上，兼具轻量化需求的不断提高，对极板板幅的增大（≥600cm²）、厚度的减小（≤0.1mm）提出更高的要求。氢燃料电池的性能和寿命指标对极板流道几何特征与尺寸精度提出了严苛的要求，特别是复杂流道结构的微细尺度成形，要求达到超精密机械加工的精度等级，已超越传统板料成形精度的理论极限，是全球燃料电池行业的前沿性科学与共性技术难题。

现有技术中的金属极板的结构如图1和图2所示，其多采用薄板冲压成形，可成形精细流道特征，但初始板厚为0.075~0.1mm，由于成形后残余应力的释放，造成变形区回弹严重，流道尺寸精度差；且由于大板幅密集流道分布，冲压后翘曲严重。为控制流道精度，现多采用两步冲压成形或三步冲压成形，通过多道次的冲压控制流道尺寸精度与翘曲度，但多步冲压成形过程中流道与凸模圆角接触部位会出现过度减薄区，壁厚均匀性差，成形极限低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明针对现有技术存在的不足，提出一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，通过采用充液预成形、硬模整形、超声控形复合成形装置，在同一台装置上实现充液预成形、硬模整形、超声控形，避免板料重复定位，形状精度控制更准确，成形效率更高。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

一种超薄金属极板超声辅助精确成形装置，包括压力机、液压源及液压管路、气压源及气压管路，所述压力机的工作台面上固定安装有下模座，所述下模座的顶部内安装有下模，所述压力机的工作台内固定设置有超声组件，超声组件的能量输出端与下模的底面固定连接，所述下模座的顶面一侧固定连接有与气压管路的输出端连接的囊式密封件，气压源向囊式密封件内鼓入气体后，囊式密封件膨胀展开并位于下模的顶面上方，气压源将囊式密封件内的气体抽出后，囊式密封件收缩并紧并位于下模的一侧；

所述压力机的动力端固定安装有位于下模座正上方的上模座，所述上模座的底部固定安装有上模，在囊式密封件处于膨胀展开状态时，压力机驱动上模座和上模下行，上模的底面与囊式密封件的顶面紧密接触，囊式密封件的底面与下模的顶面紧密接触，囊式密封件在上模和下模之间合围形成密封腔；

所述上模的内部开设有至少一个充液口，所述充液口的内侧端与密封腔连通、外侧端与液压管路的输出端连接。

进一步的，所述囊式密封件的内部一体设置有若干个纵横交错分布且内部均相互贯通的密封条，所述密封条将囊式密封件的内部空间分隔成若干个区块充液腔。

进一步的，所述上模的底面上对应于每个区块充液腔的顶部区域内均设置一个充液口。

进一步的，所述液压管路的输出端设置有若干个分别与每个充液口相连接的充液支管，每个充液支管上均设置有控制阀。

进一步的，所述下模与下模座之间设置有隔波件。

进一步的，所述下模的底面内开设有若干个纵横交错分布的隔波槽，所述隔波槽将下模的底面划分为若干个均匀分布的区块超声共振区域。

进一步的，所述隔波件的内部一体设置有若干个与隔波槽对应插接的隔波条，所述隔波条将隔波件的内部空间分隔成与区块超声共振区域相对应的区块超声共振腔。

进一步的，所述超声组件包括若干个超声波发生器，每个区块超声共振区域的下方均设置有一个超声波发生器。

进一步的，所述下模的材料为Ti-6Al-4V。

还提出一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，应用于所述的超薄金属极板超声辅助精确成形装置，包括以下步骤：

S1：将待成形的板坯放入下模内的预装位置；

S2：启动气压源工作，向囊式密封件内鼓入气体，囊式密封件膨胀展开并位于下模的顶面上方；

S3：启动压力机工作并控制其动力端行程，使压力机驱动上模下行至预成形位置，囊式密封件在上模和下模之间合围形成密封腔；

S4：启动液压源工作，使高压液体注入密封腔内，高压液体配合下模完成板坯表面的预成形；

S5：关闭液压源，启动压力机工作，驱动上模上升复位，启动气压源工作，抽出囊式密封件内的气体，使囊式密封件收缩并紧至下模的一侧；

S6：再次启动压力机工作并控制动力端行程，压力机驱动上模下行并与下模合模，上模配合下模完成预成形后的板件的冲压精整形；

S7：保持上模与下模的合模状态，启动超声组件工作，使下模与冲压精整形后的板件同步超声共振，完成板件变形区的超声应力松弛；

S8：成形完成后，关闭超声组件，启动压力机工作，压力机驱动上模上行复位，取出成形件。

进一步的，在步骤S3中，所述密封腔包括若干个左、右和前、后均对称分布且彼此独立的区块充液腔，每个区块充液腔内均设置有一个充液口，多个充液腔将板坯表面对应地分隔为多个区块成形区域。

进一步的，在步骤S4中，以各个区块成形区域的分布位置由外而内、对角成对、两侧交替的方式完成各个区块成形区域内的液体注入，且每个区块成形区域完成充液预成形后进行保压。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

本发明通过采用充液预成形、硬模整形、超声控形复合成形装置，在同一台装置上实现充液预成形、硬模整形、超声控形的多种加工工艺，可避免板料的重复定位，使得成形件的形状精度控制更准确，成形效率更高；

本发明通过在上模的底部设置囊式密封件，通过对囊式密封件充气可在上模和下模之间形成软密封结构，在该软密封结构内充入等静压的高压液体，可使板坯表面各处受力均匀，因而板坯成形过程中厚度减薄一致，预成形后壁厚分布均匀，不存在过度减薄区，可以提高成形极限；

本发明通过硬模冲压实现充液成形不能完成的精细流道等细微特征的成形，完成精确整形，采用软硬模复合拉深成形方法，先充液预成形后硬模整形，减少了传统硬模冲压成形道次，进而减少硬模拉深对板件表面质量的损伤；

本发明通过在下模底部集成设置超声组件，通过对冲压后的板件在一定合模力下施加超声振动，实现板件成形区的残余应力松弛而及时去除残余应力，从而可有效改善板件的流道回弹性，降低整板的翘曲程度，从而使板件的形状与尺寸精度控制更加准确。

本发明通过设置多个区块成形区域，可实现多腔局部加载，通过各腔局部充液、各腔加载顺序设计、各腔成形压力调控、各腔保压时长控制，实现各区块成形区域成形过程的时空耦合，可有效降低成形压力，缓解翘曲；同时，可在每个区块成形区域成形一片板件，实现充液压力不增大的前提下一模多件的加工模式，以提升加工效率和设备性能利用率。

附图说明

图1为现有技术中的极板的俯视结构示意图；

图2为现有技术中的极板的侧视剖面结构示意图；

图3为本发明的超薄金属极板超声辅助精确成形装置的立体结构示意图；

图4为本发明的成形模具的立体结构示意图；

图5为所述下模的立体结构示意图之一；

图6为所述下模的立体结构示意图之二；

图7为所述囊式密封件膨胀展开状态的立体结构示意图；

图8为所述囊式密封件收缩并紧状态的立体结构示意图；

图9为所述上模座及上模的立体结构示意图；

图10为所述超声发生器与下模连接状态的立体结构示意图；

图11为所述隔波件的立体结构示意图；

图12为所述下模座及其内各部件的组装状态的立体结构示意图；

图13为应用本发明的超薄金属极板超声辅助精确成形方法的工艺流程框图。

图中：1压力机、2液压源、201液压管路、202控制阀、203充液支管、3气压源、301液压管路、4下模座、5上模座、501侧通口、6下模、601隔波槽、602下模造型腔、7上模、701充液口、702上模造型腔、8囊式密封件、801密封条、9隔波件、901隔波条、10超声波发生器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图3至图13，一种超薄金属极板超声辅助精确成形装置，包括压力机1、液压源2及与之连接的液压管路201、气压源3及与之连接的气压管路301。压力机1采用通用的龙门架立式单轴向下输出压力的液压压力机，液压源2采用压力机1的供油系统或采用单独控制和动力输出的通用液压供给装置，气压源3采用通用的具有高压气体输出和真空抽取功能的气压供给装置，以上设备均为现有技术，此处对其均不作赘述。

压力机1的工作台面上固定安装有下模座4，下模座4为顶部开口的矩形槽结构，其底面通过螺栓固定连接于压力机1的工作台面上。下模座4的顶部内安装有下模6。如图5所示，下模6整体为立方体板状结构，其顶面设置有用于板坯底面成形的下模造型腔602，为下模6的成形工作区域。下模6嵌装于下模座4的槽内，底面和/或侧面通过螺栓与下模座4固定连接，下模6的顶面突出于下模座4的顶面上方。

下模座4的顶面一侧固定连接有与气压管路301的输出端连接的囊式密封件8，囊式密封件8采用具备伸缩性能的橡胶材料制成。如图7和图8所示，下模座4的顶面一侧一体设置有垂直设立的侧板，囊式密封件8的进气端固定粘结在侧板的侧面上，气压管路301的出气端贯穿侧板而与囊式密封件8的进气端连接。气压源3向囊式密封件8内鼓入气体后，囊式密封件8膨胀展开并位于下模6的顶面上方，气压源3将囊式密封件8内的气体抽出后，囊式密封件8收缩并紧并位于下模6的一侧。

压力机1的动力端固定安装有位于下模座4正上方的上模座5，上模座5的底部固定安装有上模7。如图9所示，上模座5为底部开口的矩形槽结构，其外围长、宽尺寸于下模座4相同，其顶面通过螺栓固定连接于压力机1的动力输出端，则可通过压力机1的动力输出端带动上模座5定距垂向升降；上模7整体为立方体板状结构，其底面设置有用于板坯顶面成形的上模造型腔702，上模7的长、宽尺寸与下模4相同。上模7嵌装于上模座5的槽内，顶面和/或侧面通过螺栓与上模座5固定连接，上模7的底面内凹于上模座5的底面上方。

在囊式密封件8处于膨胀展开状态时，压力机1的动力输出端驱动上模座5和上模7下行至预设的高度，上模座5的侧壁扣套在囊式密封件8的外侧，上模7的底面与囊式密封件8的顶面紧密接触，并下压囊式密封件8，使囊式密封件8的底面与下模6的顶面紧密接触、囊式密封件8的外侧面与上模座5的内壁紧密接触，则囊式密封件8在上模7和下模6之间合围形成密封腔，且待成形的板坯完全处于该密封腔内。为此，如图9所示，上模座5的底面一侧开设有位于囊式密封件8进气端上方的侧通口501，用于容纳囊式密封件8的进气端。

上模7的内部开设有至少一个充液口701，充液口701的内侧端与密封腔连通、外侧端与液压管路201的输出端连接。在密封腔形成后，启动液压源2工作，液压源2通过液压管路201和充液口701向密封腔内注入高压液体（如通用的液压油，可在板坯表面形成油层），由于高压液体是等静压的，可使板坯表面各处受力均匀，因而板坯成形过程中厚度减薄一致，预成形后壁厚分布均匀，不存在过度减薄区，可以提高成形极限。高压液体保压一定时间后，关闭液压源2，通过压力机1使上模7上升复位，囊式密封件8处于松弛状态，启动气压源3工作，将囊式密封件8内的气体抽取，囊式密封件8则收缩并紧并位于下模6的一侧，在囊式密封件8收缩的过程中，高压液体自然地向下流动，通过下模座4的槽体和/或外壁流入压力机1的工作台的台面上，在工作台的台面上开设漏油孔，并在漏油孔下方设置输液管，可将高压液体进行回收。

在囊式密封件8收缩并紧后，压力机1的动力输出端再次驱动上模座5和上模7下行至预设的高度，完成上模7与下模6之间的合模，通过硬模冲压实现充液成形不能完成的精细流道等细微特征的成形，完成精确整形。采用软硬模复合拉深成形方法，先充液预成形后硬模整形，减少了传统硬模冲压成形道次，进而减少硬模拉深对板件表面质量的损伤。

压力机1的工作台内固定设置有超声组件，超声组件的能量输出端与下模6的底面固定连接（如图10所示）。超声组件包括至少一个超声波发生器10，超声波发生器10采用现有市售产品。在完成硬模整形后，上模7与下模6保持合模状态，启动超声组件工作，超声组件作用于下模6上，而使下模6与板坯同步共振，通过超声振动使板件成形区的残余应力松弛而及时去除残余应力，从而可有效改善板件的流道回弹性，降低整板的翘曲程度，从而使板件的形状与尺寸精度控制更加准确。

优选的，下模6的材料为Ti-6Al-4V，无需热处理，更易实现超声共振。进一步优选的，下模6与下模座4之间设置有隔波件9。如图11所示，隔波件9为顶部开口的盒体结构，采用非金属材料制成，其内部腔体的长、宽尺寸与下模6的长、宽尺寸相匹配，其外围长、宽尺寸与下模座4的槽体内侧长、宽尺寸相匹配，如此可使隔波件9固定嵌装于下模座4的槽体底部，下模6嵌装于隔波件9内，及隔波件9介于下模6与下模座4之间，以使下模6所受超声波被限制在隔波件9的腔体内，超声能量更加集中，提升板件应力松弛效果，同时减少波能损失，提升能量利用率。

请参阅图13，一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，包括以下步骤：

S1：将待成形的板坯放入下模6内的预装位置；

S2：启动气压源3工作，向囊式密封件8内鼓入气体，囊式密封件8膨胀展开并位于下模6的顶面上方；

S3：启动压力机1工作并控制其动力端行程，使压力机1驱动上模7下行至预成形位置；在此位置，上模7的底面与囊式密封件8的顶面紧密接触，并下压囊式密封件8，使囊式密封件8的底面与下模6的顶面紧密接触、囊式密封件8的外侧面与上模座5的内壁紧密接触，则囊式密封件8在上模7和下模6之间合围形成密封腔，且待成形的板坯完全处于该密封腔内。

S4：启动液压源2工作，使高压液体注入密封腔内，高压液体在板坯的顶面形成均匀分布的液压，液压作用在板坯的表面，通过静压力配合下模6表面的下模造型腔602完成板坯表面的预成形；

S5：关闭液压源2，启动压力机1工作，驱动上模7上升复位，启动气压源3工作，抽出囊式密封件8内的气体，使囊式密封件8收缩并紧至下模6的一侧；

S6：再次启动压力机1工作并控制动力端行程，压力机1驱动上模7下行并与下模6合模，上模7对板坯的表面施加冲压力，上模7底面上的上模造型腔702配合下模6顶面上的下模造型腔602完成预成形后的板件的冲压精整形；

S7：保持上模7与下模6的合模状态，启动超声组件工作，超声组件作用于下模6上，而使下模6与冲压精整形后的板件同步超声共振，完成板件变形区的超声应力松弛；

S8：成形完成后，关闭超声组件，启动压力机1工作，压力机1驱动上模7上行复位，取出成形件，完成整个成形过程。

本实施例的整体结构和工作过程均与实施例1中大体相同，以下仅对区别之处做详细说明。

囊式密封件8的内部一体设置有若干个纵横交错分布且内部均相互贯通的密封条801，密封条801将囊式密封件8的内部空间分隔成若干个区块充液腔。如图7所示，本实施例中，囊式密封件8的内部空间由一个横向设置的密封条801和两个纵向设置的密封条801均分为6个区块充液腔，为便于描述，两行的6个区块充液腔按从左往右的顺序依次记为充液腔I、充液腔II、充液腔III、充液腔IV、充液腔V和充液腔VI。则相对应的，上模7的底面上对应于每个区块充液腔的顶部区域内均设置一个充液口701。液压管路201的输出端设置有6个分别与每个充液口701相连接的充液支管203，每个充液支管203上均设置有控制阀202，通过控制阀202来控制对应充液支管203内液体的通断。即密封腔包括6个左、右和前、后均对称分布且彼此独立的区块成形区域，每个区块成形区域内均设置有一个充液口，6个充液腔将板坯表面对应地分隔为6个区块成形区域。

本实施例中，超薄金属极板超声辅助精确成形方法的各个步骤与实施例1中大体相似，主要区别在于，在步骤S4中，以各个区块成形区域的分布位置由外而内、对角成对、两侧交替的方式完成各个区块充液腔内的液体注入，且每个区块成形区域完成充液预成形后进行保压。具体为，先打开充液腔Ⅰ和充液腔Ⅵ上对应的控制阀202，液压管路203内的高压液体静对应的充液支管203同时等量地充入充液腔Ⅰ和充液腔Ⅵ内，实现充液腔Ⅰ和充液腔Ⅵ对应成形区内所覆盖板坯表面区域的预变形；该两个区块成形区域内的预变形作业完成后，关闭充液腔Ⅰ、充液腔Ⅵ上对应的控制阀202，形成保压腔；采用相同的方式，继续完成充液腔Ⅲ、充液腔Ⅳ内高压液体的注入、对应成形区内所覆盖板坯表面区域的预变形即变形后的保压；再采用相同的方式，继续完成充液腔Ⅱ、充液腔Ⅴ内高压液体的注入、对应成形区内所覆盖板坯表面区域的预变形即变形后的保压；所有的区块成形区域内的预变形均完成后，打开所有的控制阀202并关闭液压源2，完成板坯表面的预成形。

通过各腔局部充液、各腔加载顺序设计、各腔成形压力调控、各腔保压时长控制，实现各区块成形区域内预成形的时空耦合，从而可降低成形压力，缓解板件成形过程中产生的翘曲。同时，可在每个区块成形区域成形一片板件，实现充液压力不增大的前提下一模多件的加工模式，以提升加工效率和设备性能利用率。

本实施例的整体结构和工作过程均与实施例1或实施例2中大体相同，以下仅对区别之处做详细说明。

下模6的底面内开设有若干个纵横交错分布的隔波槽601，隔波槽601将下模6的底面划分为若干个均匀分布的区块超声共振区域。如图6所示，本实施例中，下模6的底面由一个横向设置的隔波槽601和两个纵向设置的隔波槽601均分为6个区块超声共振区域。对应的，超声组件包括6个超声波发生器10，每个区块超声共振区域的下方均设置有一个超声波发生器10，如图10所示。进一步的，如图11所示，隔波件9的内部一体设置有与隔波槽601对应插接的隔波条901，隔波条901将隔波件9的内部 空间分隔成与区块超声共振区域相对应的区块超声共振腔。下模6嵌装于隔波件9内后，隔波条901对应地插接于隔波槽601内。

通过对每个区块超声共振区域分别单独设置超声波发生器10，可使每个超声波发生器10产生的超声波别限制在对应的区块超声共振区域，进一步使得超声能量更加集中，更加快速、高效地提升板件的应力松弛效果，同时减少波能损失，提升能量利用率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，应用于具有充液预成形、硬模整形、超声控形复合成形装置的超薄金属极板超声辅助精确成形装置上，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待成形的板坯放入下模内的预装位置；

S2：启动气压源工作，向囊式密封件内鼓入气体，囊式密封件膨胀展开并位于下模的顶面上方；

S3：启动压力机工作并控制其动力端行程，使压力机驱动上模下行至预成形位置，囊式密封件在上模和下模之间合围形成密封腔；

S4：启动液压源工作，使高压液体注入密封腔内，高压液体配合下模完成板坯表面的预成形；

S5：关闭液压源，启动压力机工作，驱动上模上升复位，启动气压源工作，抽出囊式密封件内的气体，使囊式密封件收缩并紧至下模的一侧；

S6：再次启动压力机工作并控制动力端行程，压力机驱动上模下行并与下模合模，上模配合下模完成预成形后的板件的冲压精整形；

S7：保持上模与下模的合模状态，启动超声组件工作，使下模与冲压精整形后的板件同步超声共振，完成板件变形区的超声应力松弛；

S8：成形完成后，关闭超声组件，启动压力机工作，压力机驱动上模上行复位，取出成形件；

所述上模的内部开设有至少一个充液口，所述充液口的内侧端与密封腔连通、外侧端与液压管路的输出端连接；

所述密封腔包括若干个左、右和前、后均对称分布且彼此独立的区块充液腔，每个区块充液腔内均设置有一个充液口，多个充液腔将板坯表面对应地分隔为多个区块成形区域；

每个充液口上均连接有一个与液压管路连通的充液支管，每个充液支管上均设置有控制阀。

2.根据权利要求1所述的一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，其特征在于：在步骤S4中，以各个区块成形区域的分布位置由外而内、对角成对、两侧交替的方式完成各个区块成形区域内的液体注入，且每个区块成形区域完成充液预成形后进行保压。

3.根据权利要求1或2所述的一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，其特征在于：所述下模与下模座之间设置有隔波件。

4.根据权利要求3所述的一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，其特征在于：所述下模的底面内开设有若干个纵横交错分布的隔波槽，所述隔波槽将下模的底面划分为若干个均匀分布的区块超声共振区域。

5.根据权利要求4所述的一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，其特征在于：所述隔波件的内部一体设置有若干个与隔波槽对应插接的隔波条，所述隔波条将隔波件的内部空间分隔成与区块超声共振区域相对应的区块超声共振腔。

6.根据权利要求5所述的一种超薄金属极板超声辅助精确成形方法，其特征在于：所述超声组件包括若干个超声波发生器，每个区块超声共振区域的下方均设置有一个超声波发生器。