本發(fā)明涉及燃料電池金屬雙極板結(jié)構(gòu)精密制造領(lǐng)域，具體涉及一種燃料電池雙極板復(fù)合軟模成形裝置及方法。

背景技術(shù)：

燃料電池具有清潔、高效、能源可再生等特點(diǎn)，被認(rèn)為是代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源最有力的競爭者，有望代替常規(guī)發(fā)動機(jī)成為未來汽車的主要動力來源，并可應(yīng)用到電子產(chǎn)品、航空航天、固定電站等多個領(lǐng)域，市場潛力巨大。阻礙燃料電池商業(yè)化最主要的原因是雙極板制造成本太高，約占總成本的30％～45％，選擇合適的雙極板材料和加工工藝是降低成本的主要途徑之一。

常用的雙極板材料主要包括石墨、復(fù)合材料和金屬。金屬具有強(qiáng)度高、加工性能好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。金屬雙極板是替代目前制造成本高、可靠性差的石墨雙極板的最好選擇?，F(xiàn)有燃料電池金屬雙極板加工技術(shù)包括電火花、線切割、刻蝕、鑄造、化學(xué)腐蝕、剛模沖壓、液壓成形等，但存在成形精度、表面質(zhì)量差、成本高等技術(shù)問題。彈性體軟模沖壓成形存在雙極板過渡圓角區(qū)域充填困難的缺點(diǎn)，固體顆粒具有流動性好、承壓能力強(qiáng)、可以非均勻傳壓、可生成較大主動摩擦力等優(yōu)良特性，因此可以克服其它剛性模以及軟模成形的各種缺點(diǎn)，在成形方面具有顯著的優(yōu)勢。如果能將二者的優(yōu)勢結(jié)合起來，必將能大大提高零件的成形性能和成形質(zhì)量。因此，開展金屬雙極板結(jié)構(gòu)復(fù)合軟模加工技術(shù)研究，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。

中國專利文獻(xiàn)cn101306448a(專利申請?zhí)?00810055020.3)公開了一種金屬板料剛性顆?；蚩蓧嚎s粉末半模成形工藝，利用顆粒代替凸模，該技術(shù)有利于復(fù)雜形狀零件的加工成形，降低模具加工的成本，提高勞動生產(chǎn)效率，有利于自動化的實(shí)現(xiàn)。

中國專利文獻(xiàn)cn101504984a(專利申請?zhí)?00910061252.4)公開了燃料電池金屬雙極板成形模具及成形方法，本發(fā)明公開的是單一橡膠軟模成形技術(shù)，模具結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高，同時軟模成形零件無回彈和翹曲現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種燃料電池金屬雙極板結(jié)構(gòu)低成本、高質(zhì)量、批量化制造的問題，提供一種模具結(jié)構(gòu)簡單，模具制造成本低，生產(chǎn)效率高，降低金屬雙極板的制造成本，同時復(fù)合軟模成形沖壓件貼模性好，尤其利于雙極板圓角過度區(qū)域的成形，無翹曲和回彈現(xiàn)象，成形零件尺寸精度高、表面質(zhì)量好的燃料電池雙極板復(fù)合軟模成形裝置及方法。

本發(fā)明通過以下措施達(dá)到：

一種燃料電池雙極板復(fù)合軟模成形裝置，設(shè)有具有導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)的模架，模架上安裝一動模板和一定模板，動模板在導(dǎo)柱導(dǎo)套的導(dǎo)向作用下與定模板之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，其特征在于：動模板上安裝凸模，定模板上安裝軟模容框，容框內(nèi)底層放置聚氨酯軟模，聚氨酯軟模上面放置顆粒軟模。

本發(fā)明上模板和下模板通過導(dǎo)套和導(dǎo)柱組成封閉的框架，模具的其余附屬機(jī)構(gòu)都安裝在該封閉的框架上，所述模具的其余附屬機(jī)構(gòu)包括凸模、軟模ⅰ、軟模ⅱ、凸模固定板、軟模容框；其中凸模通過凸模固定板固定在上模板上，凸模固定板經(jīng)螺栓與上模板底部固定連接；軟模容框通過螺栓固定在下模板上；軟模ⅰ和軟模ⅱ置于軟模容框內(nèi)，軟模ⅰ置于軟模ⅱ上面，上模板通過導(dǎo)套和導(dǎo)柱實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動，凸模隨上模板上下移動，坯料置于凸模和軟模ⅰ之間。

本發(fā)明凸模的底面由一系列的微型筋構(gòu)成，微型筋寬度為0.1-1.0mm、深度為0.05-1.0mm，相鄰的微型筋間距范圍為0.1-2.0mm，用來達(dá)到成形出雙極板微流道結(jié)構(gòu)的目的。

本發(fā)明中上模板、下模板之間的導(dǎo)向是靠導(dǎo)套和導(dǎo)柱來保證的，為了保障成形過程中，凸模不發(fā)生變形或破壞，并提高凸模耐磨性，模具材料選用模具鋼cr12mov，并進(jìn)行淬火處理。

本發(fā)明中的軟模容框?yàn)榱吮Ｕ铣尚芜^程中，凹模容框不發(fā)生變形或破壞，模具材料選用模具鋼cr12mov，并進(jìn)行淬火處理，容框結(jié)構(gòu)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)成外圓內(nèi)方式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部方形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過的圓角，減小應(yīng)力集中。

本發(fā)明還提供了一種利用上述模具裝置燃料電池雙極板復(fù)合軟模成形，包括如下步驟：將金屬薄板放置于軟模容框內(nèi)并置于顆粒軟模的上面，通過壓力機(jī)活動橫梁向下運(yùn)動，驅(qū)動動模板運(yùn)動并將凸模壓力施加在金屬薄板上，凸模與坯料接觸后在壓力機(jī)作用下繼續(xù)下行并擠壓坯料和復(fù)合軟模，使坯料填充滿凸模型腔，得到金屬雙極板構(gòu)件，其具體步驟為：

步驟一：上模板在壓力機(jī)的驅(qū)動下帶動凸模一起上行，上行至凸模距凹模固定板上表面2-5mm的位置時停止；

步驟二：將經(jīng)過裁剪的薄板坯料放置于軟模容框與軟模ⅰ組成的型腔內(nèi)；

步驟三：通過壓力機(jī)以10mm/min的速度向下運(yùn)行驅(qū)動凸模向下快速運(yùn)動，待凸模與坯料接觸后將壓力機(jī)下行速度調(diào)至0.5-1mm/min；

步驟四：凸模繼續(xù)向下運(yùn)動并開始擠壓置于軟模容框內(nèi)軟模ⅰ和軟模ⅱ，軟模ⅱ產(chǎn)生反向壓力并支撐軟模ⅰ，由于軟模ⅰ流動性好，在軟模ⅱ壓應(yīng)力作用下帶著坯料逐漸填充凸模型腔；

步驟五：壓力機(jī)運(yùn)行到預(yù)先設(shè)定的位移或載荷時，保壓1-3分鐘，然后卸去凸模載荷，此時燃料電池金屬雙極板構(gòu)件成形完畢；

步驟六：凸模在壓力機(jī)的驅(qū)動下向上運(yùn)動，從容框內(nèi)取出零件，從而獲得質(zhì)量合格的金屬雙極板構(gòu)件。

本發(fā)明中所述的金屬薄板厚度是在0.05-0.5mm范圍。

本發(fā)明中所述的金屬薄板可以是單層金屬薄板，也可以是復(fù)層金屬薄板，包括同種金屬復(fù)層和異種金屬復(fù)層。

本發(fā)明中所述的金屬雙極板微流道結(jié)構(gòu)寬度為0.1-1.0mm、深度為0.05-1.0mm、流道間距0.1-2.0mm。

本發(fā)明中所述的金屬雙極板微流道結(jié)構(gòu)縱向截面形狀可以是圓弧形、矩形、梯形或階梯式結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中所述的金屬雙極板流場形式可以是直流道流場、蛇形流場，也可以是交指型流場、仿生型流場、點(diǎn)狀流場或網(wǎng)狀流場。

本發(fā)明中所述的金屬薄板材料可以是不銹鋼、鎳、鋁、鈦單一金屬薄板材料，也可以是上述任意兩種材料的復(fù)層薄板，包括不銹鋼-鈦復(fù)層材料、不銹鋼-鋁復(fù)層材料、不銹鋼-鎳復(fù)層材料、鈦-鋁復(fù)層材料、鎳-鋁復(fù)層材料、鎳-鈦復(fù)層金屬材料。

本發(fā)明中軟模材料主要一是彈性體軟模，包括聚氨酯、硅膠；二是顆粒軟模，包括細(xì)砂、高分子顆粒、微鋼球和金屬粉末。

本發(fā)明采用復(fù)合軟模成形，凹模用復(fù)合軟模代替，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):1)采用復(fù)合軟模代替凹模，只需加工剛性凸模，凸、凹模配合精度要求低，模具結(jié)構(gòu)簡單，軟?？芍貜?fù)利用，制造成本低；2)采用復(fù)合軟模成形，避免了使用剛模時出現(xiàn)的表面劃傷、壓痕缺陷，同時避免了使用單一聚氨酯軟模時雙極板構(gòu)件圓角區(qū)域成形質(zhì)量差及使用單一顆粒軟模時因材料彈性不足而引起壓力小的缺點(diǎn)，復(fù)合軟模集成了彈性體軟模和顆粒軟模的優(yōu)點(diǎn)，成形的雙極板構(gòu)件具有貼模性好、尺寸精度高和表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)；3)模具裝置操作簡單，生產(chǎn)效率高，工藝穩(wěn)定性好，模具磨損小，能實(shí)現(xiàn)金屬雙極板的大批量生產(chǎn)。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是本發(fā)明中模具裝置局部放大圖。

附圖標(biāo)記：1.上模板；2.下模板；3.導(dǎo)套；4.導(dǎo)柱；5.凸模；6.坯料；7.軟模?。?.軟模ⅱ；9.凸模固定板；10.軟模容框；11.螺栓。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1和2詳細(xì)說明本發(fā)明提出的技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和工作情況。

圖1為本發(fā)明進(jìn)行燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)成形模具裝置結(jié)構(gòu)示意圖。上模板(1)和下模板(2)通過導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)組成封閉的框架，模具所有附屬結(jié)構(gòu)都安裝在該封閉的框架上。凸模(5)通過穿過凸模固定板(9)的螺栓(11)固定在上模板(1)上。軟模容框(10)通過螺栓(11)固定在下模板(2)上。軟模ⅰ(7)和軟模ⅱ(8)置于軟模容框(10)內(nèi)。軟模ⅰ(7)置于軟模ⅱ(8)上面。上模板(1)通過導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)可實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動。凸模(5)可隨上模板(1)上下移動。坯料(7)置于凸模(5)和軟模ⅰ(7)之間。

本實(shí)施方式的上模板(1)、下模板(2)之間的導(dǎo)向是靠導(dǎo)套(3)和導(dǎo)柱(4)來保證的。

本實(shí)施方式的凸模(5)和軟模容框(10)配合精度由制造精度來保證。

本實(shí)施方式的凸模(5)和軟模容框(10)分別通過螺栓(11)固定在上模板(1)和下模板上(2)。

本實(shí)施方式的凸模(5)的設(shè)計(jì)：為了保障成形過程中，凸模不發(fā)生變形或破壞，并提高凸模耐磨性，模具材料選用模具鋼cr12mov，并進(jìn)行淬火處理。

本實(shí)施方式的軟模容框(10)的設(shè)計(jì)：為了保障成形過程中，凹模容框不發(fā)生變形或破壞，模具材料選用模具鋼cr12mov，并進(jìn)行淬火處理，容框結(jié)構(gòu)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)成外圓內(nèi)方式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部方形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過的圓角，減小應(yīng)力集中。

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1和2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的制造燃料電池金屬雙極板結(jié)構(gòu)的方法，具體步驟為：

步驟一：上模板(1)在壓力機(jī)的驅(qū)動下帶動凸模(5)一起上行，上行至凸模(5)距凹模固定板(9)上表面2-5mm的位置時停止。

步驟二：將經(jīng)過裁剪的薄板坯料放置于軟模容框(10)與軟模ⅰ(7)組成的型腔內(nèi)；

步驟三：通過壓力機(jī)以10mm/min的速度向下運(yùn)行驅(qū)動凸模(5)向下快速運(yùn)動，待凸模(5)與坯料(6)接觸后將壓力機(jī)下行速度調(diào)至0.5-1mm/min；

步驟四：凸模(5)繼續(xù)向下運(yùn)動并開始擠壓置于軟模容框(10)內(nèi)軟模ⅰ(7)和軟模ⅱ(8)，軟模ⅱ(8)產(chǎn)生反向壓力并支撐軟模ⅰ(7)。由于軟模ⅰ(7)流動性好，在軟模ⅱ(8)壓應(yīng)力作用下帶著坯料(6)逐漸填充凸模(5)型腔。

步驟五：壓力機(jī)運(yùn)行到預(yù)先設(shè)定的位移或載荷時，保壓1-3分鐘，然后卸去凸模(5)載荷，此時燃料電池金屬雙極板構(gòu)件成形完畢；

步驟六：凸模(5)在壓力機(jī)的驅(qū)動下向上運(yùn)動，從容框(10)內(nèi)取出零件，從而獲得質(zhì)量合格的金屬雙極板構(gòu)件；

依據(jù)上述實(shí)施方式，本發(fā)明內(nèi)容所述范圍均能實(shí)施，本發(fā)明不僅僅局限于上述實(shí)施方式。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝流程短、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。