本發(fā)明涉及一種制造具有結(jié)構(gòu)的沖壓工具的方法。此外，本發(fā)明涉及一種制造具有結(jié)構(gòu)的沖壓工具的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前，新能源正變得越來越重要，因為它可為改善氣候變化做出貢獻。其中一種新能源是基于質(zhì)子交換膜(pem)燃料電池。該技術(shù)被認(rèn)為是用于為諸如電動交通的交通系統(tǒng)發(fā)電的有前途的技術(shù)，因為它可防止環(huán)境污染并提供高能量密度。

2、雙極板被認(rèn)為是此類燃料電池的關(guān)鍵構(gòu)件。它用作燃料電池所需的兩極的承載板，即承載h2的帶負(fù)電荷的陽極板和承載o2的帶正電荷的陰極。雙極板可使用不同的材料，諸如石墨、復(fù)合物和金屬。與其它兩種材料相比，金屬具有以良好導(dǎo)電性、高機械強度和低生產(chǎn)成本為特征的優(yōu)點。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了許多方法來制造金屬雙極板。已知的方法有：輥軋成型、液壓成型、橡膠墊成型和沖壓。

3、wo?2008/034818公開了一種用于生產(chǎn)燃料電池的雙極板的裝置。該裝置包括反應(yīng)器，其中工件形成第一電極，并且工具形成第二電極。工件和工具通過電解質(zhì)以導(dǎo)電方式連接，并且在工件和工具之間至少暫時形成電勢差。該工件和工具的極關(guān)于它們作為陰極或陽極的作用模式可反轉(zhuǎn)，用于在工件上執(zhí)行去除過程，在工件的表面上生成結(jié)構(gòu)，以及用于在反應(yīng)器中直接連續(xù)地將涂層施加到工件上的涂覆過程。

4、然而，開發(fā)一種適合大規(guī)模生產(chǎn)的方法仍然是一個挑戰(zhàn)。在這些方法中，沖壓工藝因其加工效率而對于許多制造商來說是有利的工藝。對于大規(guī)模生產(chǎn)，找到生產(chǎn)具有高質(zhì)量的雙極板的有效方法是有意義的。對于沖壓工藝，具有帶有非常高的精度和良好的表面光潔度的沖壓工具是至關(guān)重要的。

5、典型地，沖壓工具由機床加工。特別地，應(yīng)用了銑削。該工藝具有表面質(zhì)量高和加工速度快的優(yōu)點。然而，加工精密度具有極限。特別地，沖壓工具包括多個微小結(jié)構(gòu)。微小結(jié)構(gòu)的精度必須非常高。此類精度很難通過銑削來達到。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種用于制造具有帶有高表面質(zhì)量和高精度的結(jié)構(gòu)的沖壓工具的方法。特別地，目的是提供一種制造具有帶有改進的加工充分性的結(jié)構(gòu)的沖壓工具的方法。

2、根據(jù)本發(fā)明，這些目的通過獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。此外，從從屬權(quán)利要求和說明書中可得出另外的有利實施例。

3、本發(fā)明針對一種用于制造具有結(jié)構(gòu)的沖壓工具、特別是用于生產(chǎn)燃料電池用的雙極板的沖壓工具的方法。該方法包括以下步驟：為該結(jié)構(gòu)限定目標(biāo)幾何形狀和中間幾何形狀，其中，中間幾何形狀限定中間部件的幾何形狀，該中間部件的幾何形狀需要進一步加工以達到目標(biāo)幾何形狀；將工件安裝在機床中；基于限定的中間幾何形狀，通過第一類型的加工來加工該工件，以獲得中間部件；由測量裝置測量經(jīng)加工的中間部件的幾何形狀，以獲得中間部件的幾何形狀數(shù)據(jù)；由處理單元基于測量的幾何形狀數(shù)據(jù)和限定的目標(biāo)幾何形狀數(shù)據(jù)確定表示經(jīng)加工的中間部件幾何形狀和目標(biāo)幾何形狀之間的差異的幾何形狀偏差數(shù)據(jù)；由處理單元基于確定的幾何形狀偏差數(shù)據(jù)計算加工路徑；以及根據(jù)計算出的加工路徑，通過不同于第一類型的加工的第二類型的加工來選擇性地加工中間部件的結(jié)構(gòu)，以通過去除中間部件上的材料來消除經(jīng)加工的中間部件幾何形狀和目標(biāo)幾何形狀之間的差異，以獲得具有帶有目標(biāo)幾何形狀的結(jié)構(gòu)的最終部件。

4、優(yōu)選地，第一類型的加工是銑削，并且第二類型的加工是激光燒蝕加工。

5、備選地，第一類型的加工是放電加工、放電化學(xué)蝕刻或電化學(xué)蝕刻。

6、沖壓工具的精度，特別是在沖壓工具上形成的結(jié)構(gòu)的精度，對通過沖壓生產(chǎn)的部件的精度具有直接影響。因此，制造具有高精度的結(jié)構(gòu)是至關(guān)重要的。然而，如果要求高精度，則加工時間可能增加。結(jié)合不同類型的加工工藝可受益于兩種加工工藝的優(yōu)點，以優(yōu)化此類沖壓工具的加工。銑削工藝具有表面質(zhì)量高和加工速度快的優(yōu)點，而激光加工工藝是非常精密的加工工藝。另外，激光加工在要達到的幾何形狀方面具有一定局限性，例如，難以通過激光束加工具有直側(cè)壁的縫、槽或腔。本發(fā)明提供了用于能夠通過不同加工工藝選擇性地加工工件上的不同部分以獲得具有目標(biāo)幾何形狀的最終部件的方法。

7、中間部件不是最終部件，而是需要進一步加工的部件。因此，中間幾何形狀限定為應(yīng)用于第一類型的加工。第一類型的加工的目的是達到這種中間幾何形狀。特別地，中間幾何形狀以這樣的方式設(shè)計，即使得中間部件上有足夠的材料可用于通過第二類型的加工去除。

8、在一個變型中，銑削工藝和激光加工工藝由相同的機床進行。特別地，測量裝置也集成在機床中。

9、在另一個變型中，第一類型的加工(例如銑削工藝)由第一機床進行，并且第二類型的加工(例如激光加工)由第二機床進行。特別地，可應(yīng)用五軸激光加工工具。ep?2301706和ep?3047932公開了使用五軸激光機床的此類激光加工工藝。

10、在有利的變型中，僅結(jié)構(gòu)的一部分由用于激光加工的第二機床加工，以節(jié)省加工時間。有時，不是完整的結(jié)構(gòu)，而只是結(jié)構(gòu)的特定部分需要非常高的精度。因此，僅該特定部分由第二機床再次加工以達到高精度。因此，應(yīng)用第二加工工具來選擇性地加工該結(jié)構(gòu)。由第二機床選擇性地加工該結(jié)構(gòu)可進一步提高所生產(chǎn)部件的質(zhì)量，并且同時節(jié)省加工時間。

11、特別地，該方法還包括將測量的幾何形狀數(shù)據(jù)輸入到處理單元中，以及由處理單元基于測量的幾何形狀數(shù)據(jù)和該結(jié)構(gòu)的目標(biāo)幾何形狀計算加工路徑。另外，測量裝置還可測量表面粗糙度以確定表面質(zhì)量。

12、測量裝置配置成能夠測量經(jīng)加工的中間部件的整個部件，特別地，該測量裝置測量整個部件的所有位置。

13、處理單元配置成確定經(jīng)加工的中間部件的經(jīng)加工的幾何形狀和目標(biāo)幾何形狀之間的差異。確定的差異允許計算用于第二類型的加工的加工路徑。

14、處理單元可為外部計算機，或者可為第一機床或第二機床的控制單元。

15、在一些實施例中，該結(jié)構(gòu)包括多個凹陷部，每個凹陷部具有兩個側(cè)壁和底部表面。特別地，凹陷部可具有高縱橫比或低縱橫比。因此，凹陷部是以下的一種或多種：孔、槽、凹坑。此外，槽是以下的一種或多種：矩形槽、半圓形槽、t型槽。槽可具有筆直路徑或彎曲路徑。在一些實施例中，沖壓工具應(yīng)用于制造用于燃料電池的雙極板。沖壓工具的結(jié)構(gòu)包括多個槽。槽可根據(jù)它們的幾何形狀分成不同的組。每組中的槽具有相同的幾何形狀，并且不同組中的槽具有不同的幾何形狀，例如，不同的截面或不同的尺寸。每個槽具有兩個側(cè)壁和底部表面。槽的截面可具有各種形狀，諸如矩形、半圓形和梯形。

16、在一些變型中，槽的截面可沿著槽的縱向方向變化。在一些變型中，在一個槽內(nèi)槽的深度可變化。特別地，槽的深度可沿著縱向方向變化。由于測量裝置配置成測量中間部件的所有位置，可精確地確定在部件的所有位置處的目標(biāo)幾何形狀和中間部件幾何形狀之間的差異。

17、該方法包括以下步驟：為每個槽限定至少一個目標(biāo)深度和至少一個中間深度，其中，中間深度小于目標(biāo)深度；通過由第一機床進行的銑削工藝來加工工件，以獲得具有帶有中間深度的多個槽的中間部件；由測量裝置測量經(jīng)加工的中間部件，以獲得中間部件的測量的幾何形狀數(shù)據(jù)；由處理單元基于測量的幾何形狀數(shù)據(jù)和限定的目標(biāo)幾何形狀確定表示經(jīng)加工的中間部件深度和目標(biāo)深度之間的差的深度偏差數(shù)據(jù)；以及基于確定的深度偏差數(shù)據(jù)，通過激光加工工藝來加工中間部件的槽的底部表面，以通過去除槽的底部表面上的材料來消除經(jīng)加工的中間部件深度和目標(biāo)深度之間的差，以獲得具有帶有目標(biāo)深度的結(jié)構(gòu)的最終部件。

18、用于燃料電池的由金屬制成的雙極板具有導(dǎo)電性非常好的優(yōu)點。然而，沖壓工具上的槽的深度必須以高精度和高精密度加工，因為槽的深度的偏差可導(dǎo)致雙極板上的腐蝕。槽的深度應(yīng)精確地加工，因為所有槽的截面不應(yīng)變化太大，特別是所有槽應(yīng)具有相同的深度。此外，應(yīng)準(zhǔn)確地加工每個槽的深度，以達到限定的深度。銑削工藝具有達到所需精度的極限，該極限為例如+/-1μm。這種缺點可通過激光加工工藝彌補，激光加工工藝被稱為高精度和高精密度的加工工藝。然而，為了維持加工的充分性，僅槽由激光機床加工以進行校正。優(yōu)選地，僅槽的底部表面通過激光加工工藝加工，以校正經(jīng)加工的中間部件的槽的深度，以達到目標(biāo)深度。通過這種方式，可進一步優(yōu)化加工時間。

19、可將測量的深度數(shù)據(jù)與目標(biāo)深度進行比較，并確定偏差。該偏差限定要從底部表面去除的材料的厚度。對于激光燒蝕，可將剩余的材料分成若干層，并且可逐層進行燒蝕。如果底部表面太大而不能在激光頭的一個位置處加工，則底部表面被分成若干所謂的片。為了燒蝕在一個片中限定的區(qū)域，激光頭停留在相同的位置處，光學(xué)掃描儀移動激光束以燒蝕一個片內(nèi)的所有位置。為了加工下一個片，將激光頭移動到另一個位置。

20、如有必要，激光頭可在一個片的加工期間旋轉(zhuǎn)，以便能夠燒蝕工件上如果激光頭不旋轉(zhuǎn)則難以到達的位置。

21、另外，中間深度小于目標(biāo)深度，使得在槽的底部表面上肯定有足夠的剩余材料用于激光加工。本發(fā)明的沖壓工具制造方法由于銑削粗加工和激光精加工而允許生產(chǎn)成本有效且耐腐蝕的雙極板沖壓工具。

22、在銑削之后，測量以機械方式或光學(xué)方式進行。特別地，通過坐標(biāo)測量機、接觸式探針、激光距離傳感器、激光飛行時間傳感器、共焦傳感器、干涉儀或光學(xué)相干斷層掃描進行測量，以確定經(jīng)加工的中間部件的幾何形狀數(shù)據(jù)。特別地，測量并存儲中間部件的所有槽的槽深度。

23、通過在所有位置處測量中間部件以獲得中間部件的幾何形狀數(shù)據(jù)。

24、基于測量的幾何形狀數(shù)據(jù)計算經(jīng)加工的中間部件的幾何形狀和目標(biāo)幾何形狀之間的差異。通過應(yīng)用第二類型的加工來進一步去除材料，以校正這種差異。有效的加工路徑可由處理單元(例如計算機)計算并應(yīng)用于控制機床以選擇性地去除經(jīng)加工的中間部件的材料。

25、在一個變型中，測量在由第一機床加工期間的加工暫停中進行。如果測量的深度達到限定的中間深度，則可停止加工工藝。如果測量的深度小于限定的中間深度，則可繼續(xù)銑削的加工。當(dāng)在加工暫停中進行測量時，優(yōu)選的是將測量裝置集成在第一機床中，或者工具更換器可移除切削工具并將加工裝置安裝到第一機床中用于測量。

26、在另一個變型中，測量在銑削工藝結(jié)束時進行。

27、將測量裝置布置在機床的外部或集成在第一機床中或集成在第二機床中是相當(dāng)重要的。

28、在一個變型中，多個測量裝置設(shè)置并集成在第一機床中和第二機床中。例如，第一測量裝置集成在第一機床中，并且第二測量裝置集成在第二機床中。這為進行測量和優(yōu)化加工工藝提供更大的靈活性。

29、通常，工件由機床工作臺上的夾緊系統(tǒng)夾緊。夾緊系統(tǒng)包括托盤和卡盤。卡盤安裝在機床工作臺上，并且工件安裝在托盤上。為了易于操縱，在由第一機床加工之后，帶有中間部件的托盤自動地從第一機床轉(zhuǎn)移到測量裝置或第二機床。這可節(jié)省用于拆卸和安裝工件的時間，并確保工件在機床工作臺上的準(zhǔn)確定位。

30、激光加工的一個缺點是激光束具有一定寬度，因此當(dāng)激光束撞擊槽的底部表面時，激光束不能到達底部表面上的所有位置，特別是在側(cè)壁和底部表面的連接邊緣處的位置。為了避免這種缺點，并確保激光束可到達槽的整個底部表面，激光機床的機床工作臺在加工期間可略微傾斜或旋轉(zhuǎn)。通常，激光束掃描由集成在加工頭中的光學(xué)掃描儀進行，因此，在激光掃描期間，機床工作臺不移動。然而，通過使機床工作臺在加工期間傾斜和/或旋轉(zhuǎn)，激光束可到達更多位置。因此，第二機床包括用于在其上安裝中間部件的機床工作臺，并且在加工期間，機床工作臺傾斜或旋轉(zhuǎn)。在優(yōu)選變型中，如果部件太大或太重，則激光頭傾斜、旋轉(zhuǎn)，而不是部件傾斜、旋轉(zhuǎn)。

31、此外，本發(fā)明針對一種用于加工具有結(jié)構(gòu)的沖壓工具的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括以下階段：第一機床，該第一機床構(gòu)造成通過銑削工藝來加工工件，以獲得具有帶有限定的中間幾何形狀的結(jié)構(gòu)的中間部件；測量裝置，該測量裝置構(gòu)造成測量中間部件，以獲得中間部件的幾何形狀數(shù)據(jù)；以及第二機床，該第二機床構(gòu)造成基于測量的數(shù)據(jù)通過激光加工工藝來加工中間部件的結(jié)構(gòu)，以獲得具有帶有限定的目標(biāo)幾何形狀的結(jié)構(gòu)的最終部件。特別地，激光加工是激光燒蝕工藝。

32、在一個變型中，該系統(tǒng)包括工具更換器，該工具更換器構(gòu)造成由測量裝置更換安裝在第一機床中的用于銑削的加工工具。

33、本發(fā)明提供了一種用于制造用于生產(chǎn)極板的沖壓工具的系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許在槽幾何結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中具有更好的精度，因此高度地改進了通過應(yīng)用此類沖壓工具所生產(chǎn)的金屬極板的耐腐蝕性。另外，該系統(tǒng)允許燃料電池發(fā)動機的可行性和雙極板的成本有效生產(chǎn)兩者。

34、在一個變型中，飛秒激光器應(yīng)用于激光燒蝕。由于這種類型的激光器的脈沖持續(xù)時間短，可減少由激光束引起的熱效應(yīng)。因此，可優(yōu)化通過燒蝕達到的表面質(zhì)量。

35、應(yīng)用激光燒蝕可達到目標(biāo)幾何形狀的高精密度，特別是目標(biāo)深度的高精密度。與需要加工工具的其它加工工藝相比，激光燒蝕工藝本質(zhì)上對機器軸線的不準(zhǔn)確性不太敏感。例如，在銑削工藝中，軸線上的不準(zhǔn)確性會立即反映在工具端點上。因此，工具端點上的這種不準(zhǔn)確性導(dǎo)致經(jīng)加工的部件的幾何形狀不準(zhǔn)確性，特別是部件上的經(jīng)加工的結(jié)構(gòu)的深度不準(zhǔn)確性。激光燒蝕工藝不需要加工工具。激光束由光軸線控制，以到達部件上的限定位置。如果激光束在所謂的焦點公差(即例如+/-0.1mm的范圍)內(nèi)到達部件的表面，則如所限定的那樣精確地進行燒蝕，而沒有由機械軸線的不準(zhǔn)確性引起的幾何形狀不準(zhǔn)確性。這意味著激光機器軸線的不準(zhǔn)確性不影響燒蝕工藝的整體精度。與諸如銑削的其它加工工藝相比，使用激光燒蝕工藝可更精確地達到目標(biāo)幾何形狀。因此，激光束參考幾何形狀測量結(jié)果正確地?zé)g需要燒蝕的部分。

36、因此，在優(yōu)選變型中，銑削工藝作為粗加工應(yīng)用，并且激光燒蝕作為精加工應(yīng)用，以獲得目標(biāo)幾何形狀。