燃料電池雙極板模內液壓成形的數值模擬與試驗

文/潘金龍，胡佳偉，謝卓華·珠海格力電器股份有限公司

板材模內液壓成形技術是指利用液體介質代替凸模或凹模，靠液體介質的壓力使板材成形的一種加工工藝。在成形過程中，凹模上表面與坯料下表面有液體溢流，產生溢流潤滑的作用，減少凹模與板料的摩擦力提高材料變形均勻性，從而提高板材的成形極限。板材模內液壓成形技術用液體介質代替凹模或者凸模，可以減少一部分模具材料、模具加工費用，并且降低模具的整體裝配精度要求，縮短模具制造周期。此工藝可以成形形狀復雜、成形后的零件精度要求高、表面質量要求高的零件，零件制造成本也較普通沖壓工藝低30%以上。

板材模內成形技術從最初的橡皮膜液壓成形技術開始，然后出現了充液拉深技術、充液變薄拉深技術、無模充液拉深技術等。隨著汽車制造業飛速發展，汽車蒙皮件的形狀日趨復雜。以及鋁、鎂等質量較輕，但成形性能較差的新材料的不斷投入使用，使得人們開始將板材模內液壓成形技術作為研究重點并將其廣泛應用。尤其在目前全球重點發展的新能源燃料電池領域，板材模內液壓成形技術對雙極板的成形質量方面將會有較大提升作用，大大改善雙極板的開裂和回彈問題。

本文對一款燃料電池雙極板的成形工藝進行了研究，對其主要成形工藝參數進行了理論計算，并根據回彈分析及試驗，優化了產品結構及成形工藝參數。

模內液壓成形工藝過程

板材模內液壓成形工藝過程可以分為四個階段，如圖1所示。

圖1板材模內液壓成形工藝過程

⑴充液階段：開動水泵或油泵將液體介質充滿凹模型腔至凹模表面。

⑵施加壓邊力：將板材毛坯料放在凹模表面上，利用彈簧或氮氣彈簧施加壓邊力FQ。

⑶成形階段：凸模在油壓機的壓力下開始壓入凹模，通過自然增壓或者液壓系統使凹模內的液體介質建立起壓力Pcr，將板材毛坯料漸漸壓貼在凸模上，直至成形結束。

⑷板材模內液壓成形有如下優點:

①材料成形極限高；

②成形零件表面質量好，無擦痕、壓印等缺陷；

③成形回彈小,尺寸精度高；

④可以成形復雜零件和鋁、鎂等質量較輕、性能較差的零件；

⑤成形變薄均勻，開裂風險低。

回彈分析

本文研究的燃料電池雙極板，材質為不銹鋼316L，厚度0.1mm，硬度160～170HV，如圖2示。

圖2 產品圖

該型面有小圓角R0.15，成形有一定難度。型面有一定曲率，成形后回彈較大，需要保證一定的減薄量，從而增加塑性應變，減少彈性應變，來減小回彈。所以，壓型設計了工藝輔助面和阻延筋，以增大塑性應變，減少彈性變形，如圖3所示。同時，利用回彈補償，最終得以有效控制成形零件的回彈。

利用CAE分析軟件，對該零件成形回彈數值進行仿真模擬。在分析中采用歐標材料特性14404，根據單向拉伸試驗數據設置材料參數。坯料網格劃BM-5單元，模具網格、法線夾角采用三角形單元。在分析中，坯料與凹模、坯料與壓邊圈坯料與凸模的摩擦因數設為0. 15。

對未進行任何處理的原零件模型和設計了工藝輔助面、阻延筋的零件模型分別進行仿真分析，分析結果如圖4、圖5所示。結果顯示，設計了工藝輔助面和阻延筋的零件在零件中部區域回彈量明顯優于原零件。最終選用設計了工藝輔助面和阻延筋的零件進行生產。

（II為工藝輔助面剖視圖，III為阻料筋剖視圖）

圖3 成形工藝圖

圖4 原零件回彈分析結果

圖5 設計了工藝輔助面和阻延筋的零件回彈分析結果

模具設計

雙極板模具結構如圖6所示。模具由上模和下模組成，上模包括凸模、壓料板、氮氣彈簧等，下模包括凹模板、密封圈、壓力傳感器等。凸模是成形關鍵零件，決定產品形狀和尺寸，氮氣彈簧提供初始壓邊力；壓料板在氮氣彈簧的作用下壓住產品，控制材料流動；凹模板的液室儲存液體介質，并連接外部高壓液體介質；壓力傳感器檢測液室壓強；密封圈起密封作用，防止液體介質泄露。

此結構通過壓力傳感器實時監控液室壓強，壓力傳感器與沖壓設備、增壓設備控制電路連接，并將液室壓強信號傳遞給沖壓設備和增壓設備。當液室壓強超過上限值則沖壓設備立即停機，防止液室壓強過大損壞模具；當液室壓強小于下限值時將壓強信號傳遞給增壓設備調整壓強，防止因液室壓強不足而造成產品尺寸不合格。

圖6 雙極板模具結構圖

試驗分析

為了選取最合適的液室壓強，對不同液室壓強下制造產品流道深度與流道內R角進行測試。取出產品測量流道深度H和流道內R角。試驗測試結果如圖7、圖8所示。

圖7 流道深度隨壓強變化圖

圖8 流道內R角隨壓強變化圖

通過圖7與圖8可以得出，雙極板流道深度隨著液室壓強增大而增大，當液室壓強達到90MPa時，深度達到圖紙要求尺寸0.4mm；雙極板內R角隨著液室壓強增大而減少，當液室壓強達到95MPa時達到圖紙要求尺寸R0.15mm。綜合以上結論，選取95MPa作為液室壓強。

結束語

通過計算、仿真分析及實驗驗證，得出以下結論。

⑴板材模內液壓成形工藝可以提高材料拉伸極限，減少開裂風險。另外，該工藝可以使材料流動更加均勻，內應力更加一致，可有效降低回彈。

⑵對于尺寸精度要求高的產品，為了進一步減小回彈，提高產品尺寸精度，可以通過增加塑性應變,減少彈性應變的措施來實現，如液壓成形工序設計控制材料流動的工藝面和阻延筋等。

⑶液壓成形模具壓邊力采用氮氣彈簧提供，不宜使用普通彈簧，因為普通彈力初始壓力小，不能有效密封，容易發生泄漏。

⑷產品型面深度隨著液室壓強增大而增大，型面R角隨著壓強增大而減小，深度先于R角成形到位；成形所需壓強取決于產品材質、產品厚度、產品最小R角、模具壓邊力等。

作者簡介

潘金龍，樣品室主任，模具工程師，主要研究方向：模具、增材制造技術；2021年主導完成超薄金屬板沖壓及焊接成形關鍵技術研究項目獲得珠海格力電器股份有限公司科技進步獎七等獎，擁有6項專利技術。

——文章選自《鍛造與沖壓》2022年第20期

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原文始發于微信公眾號（鍛造與沖壓）：燃料電池雙極板模內液壓成形的數值模擬與試驗