高深宽比金属薄板微细结构的加工装置及方法与流程

本发明涉及一种金属薄板加工技术，尤其是涉及一种高深宽比金属薄板微细结构的加工装置及方法。

背景技术：

具有微细特征结构的金属薄板在工业上具有广泛的应用，常用于结构加强、热管理和传输分配反应物：例如具有微细流场结构的金属薄板用来作为质子交换膜燃料电池双极板，起到分配气体、收集电流、管理水和热等关键作用，再例如在建筑、飞行器上，利用半蜂窝形金属波纹板制作的三明治结构实现减重和加强结构强度。

目前加工制造金属薄板微细结构件多采用传统的冲压成形工艺。中国专利公开号为178261A的发明专利，提出用铣床加工出具有流道结构的冲压模具，然后将裁剪好的金属薄板放入冲压模具中，利用油压机冲压成形出具有流道结构的金属薄板作为燃料电池的金属极板。这种利用冲压成形的加工方法具有成熟、稳定和易于加工的优点，是加工制造金属极板的常用方法。

随着金属薄板微细结构件的深入研究和广泛应用，为加强其在结构加强、热管理和传输分配反应物等领域的作用，对具有高深宽比、细密化的微细结构的需求越来越高。例如，通过提高燃料电池金属极板流场的深宽比来增加气体传质的均匀性和散热性能，从而提高电池功率。因此，具有高深宽比、细密化的微细特征结构的金属薄板的加工方法具有很大的应用前景和意义。

然而，传统的冲压成形加工金属薄板微细结构件具有较大的局限性。传统的冲压成形是通过模具特征结构迫使金属薄板发生拉伸变形，从而成形出与模具特征结构相应的结构。冲压成形过程靠油压机冲压瞬间完成，金属薄板由于作用时间短、材料补充困难的原因难以发生均匀变形，在局部地区发生较大的拉伸变形，极易出现严重减薄和破裂，从而导致金属薄板成形失效。随着金属薄板拉伸变形的程度大幅增大，局部减薄和失稳破裂的程度更加严重。因此，利用传统的冲压成形工艺难以加工出具有高深宽比、细密化微细结构的金属薄板微细结构件。

经过对现有技术的文献检索，发现对具有高深宽比微细结构的金属薄板微细结构件的加工装置及方法的研究报道极少。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于辊压—冲压复合成形工艺加工制造高深宽比金属薄板微细结构的加工装置及方法。单纯的冲压成形工艺在加工高深宽比微细结构过程中由于板材发生过大的拉伸变形，在局部产生剧烈减薄，发生破裂而失效。本发明提供了一种新的辊压-冲压复合成形装置及工艺，在进行冲压成形之前，先通过辊压成形将金属薄板连续地、渐进地成形为具有初期微细结构的初期微细特征薄板，有利于金属薄板的均匀变形和减小应力集中，实现在一条生产线上连续生产加工具有高深宽比微细结构的金属薄板微细结构件。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高深宽比金属薄板微细结构的加工装置，包括依次设置的开卷机、送料辊、定位孔冲裁工具、成形辊模具、整平机构以及冲压切边组合，该冲压切边组合包括冲压模具和切边模具，其中，

成形辊模具：设置在定位孔冲裁工具和冲压切边组合之间，用于对金属薄板辊压成形，得到具有初期微细结构的初期微细特征薄板；

整平机构：设置在成形辊模具和冲压切边组合之间，用于整平初期微细特征薄板。整平机构的数量可以是一个，也可以是多个；根据整平精度选择整平机构的数量；

冲压切边组合：包括冲压模具和切边模具，用于对初期微细特征薄板进行冲压成形和切边冲裁，最终获得目标形式的高深宽比金属薄板微细结构件。

作为优选，所述成形辊模具是上下放置的共轭的成形辊子对，即互为辊压成形的辊压凸模和辊压凹模，其圆周表面结构由所述初期微细结构映射生成；利用成形辊子对加工成形具有初期微细结构的初期微细特征薄板，初期微细特征薄板的微细结构形式根据金属薄板微细结构的最终目标结构形式优化设计，成形辊的圆周表面轮廓的特征结构则由初期微细特征薄板的微细结构映射生成。

成形辊子对的圆周表面布置至少一段特定宽度的微细结构，一个圆周可以辊压若干段初期微细特征薄板。

作为优选，所述辊压凸模和辊压凹模选用直径大小不同的成形辊，且两者的安装间距根据所述金属薄板的厚度和所述初期微细结构的深度而调整，从而能辊压成形出不同深度的初期微细结构。

作为优选，所述整平机构包括上下布置的带轮和皮带，利用带轮旋转带动绷紧的皮带对所述初期微细特征薄板施加压力，使其整体达到平整，为后续切边冲裁和冲压成形实现精准定位，同时带动平整后的初期微细特征薄板向后输送。可根据具体情况布置多个整平机构，实现初期微细特征薄板的整平。

作为优选，所述冲压模具包括冲压凸模和冲压凹模，该冲压模具特征结构与所述初期微细特征薄板的初期微细结构在水平面方向的尺寸和周期均相等，保证冲压成形过程不会干涉。

作为优选，所述切边模具设置在所述冲压模具之前，用于将整平后的所述初期微细特征薄板按设计尺寸进行切边冲裁，即裁剪，是指按照设定的特定尺寸对连续的初期微细特征薄板进行裁剪，作为冲压成形的坯料。

作为优选，所述冲压模具和所述切边模具合并为级进模，实现一次行程同时完成所述初期微细特征薄板相邻区域的冲压成形和切边冲裁，该结构能缩短工步，提高加工效率。

作为优选，还包括设置在所述级进模后的步进收料卷，用于回收经过级进模后的余料。

此外，本发明还提供一种高深宽比金属薄板微细结构的加工方法，该方法包括以下步骤：

(1)根据初期微细特征薄板的初期微细结构，选择具有相应特征结构的成形辊模具，通过映射目标微细结构加工冲压模具；

(2)待加工金属薄板由开卷机输出，通过送料辊送至定位孔冲裁工具，加工定位孔，然后进入成形辊模具，辊压形成得到具有初期细微结构的初期微细特征薄板；

(3)将所得初期微细特征薄板输入整平机构进行整平，然后依次采用切边模具和冲压模具对初期微细特征薄板进行切边冲裁和冲压成形，或者采用级进模进行一体化冲压成形和切边冲裁，得到具有目标形式的高深宽比微细结构的金属薄板微细结构件。

作为优选，在所述冲压成形过程中，先通过初期微细特征薄板左右两端的定位孔进行整体定位，然后通过初期微细特征薄板的初期微细特征与冲压模具特征结构的匹配进行每个初期微细特征的定位。

本发明首先根据金属薄板微细结构目标形式，通过计算优化设计加工生成具有相应的特征结构的成形辊子对，通过映射金属薄板微细结构的目标形式加工生成冲压模具。在加工生成成形辊子对和冲压模具后，在一条连续的生产线上进行金属薄板微细结构的加工。生产线加工包括两个阶段，第一阶段包括金属薄板定位孔冲裁和具有初期微细结构的特征薄板的辊压成形，第二阶段包括初期微细特征薄板整平、裁剪和冲压成形。在第一阶段，采用具有设计特征结构的成形辊子对对金属薄板进行辊压成形，加工出具有初期微细特征结构的金属薄板，即初期微细特征薄板；在第二阶段，对辊压成形的初期微细特征薄板进行整平，并裁剪成特定尺寸，最后将特定尺寸大小的初期微细特征薄板送入冲压模具进行深度成形得到具有目标形式的金属薄板微细结构件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明能够加工出具有高深宽比微细结构的金属薄板微细结构件，能避免金属薄板成形失效。

2、采用成形辊子对金属薄板进行初步加工，形成初期微细结构，避免后续冲压成形出现严重减薄和破裂。

3、辊压凸模和辊压凹模的直径大小和安装间距可以灵活调整，进而可以加工出深浅程度不同的初期微细结构。

4、采用级进模，使本发明的加工装置更加紧凑，减少工步，提高加工效率。

5、能够实现高效率、精密成形，同时能够保证较高公差要求的连续成形工艺制造方法，能够大幅提高金属薄板微细结构的极限成形深宽比，为制造加工具有高深宽比的金属薄板微细结构提供了一种切实可行的方法。

附图说明

图1为本发明实施例1加工装置的总体布局示意图；

图2为金属薄板的定位孔冲裁；

图3为辊压成形的初期微细特征薄板；

图4为单周期初期微细特征薄板坯料；

图5为微细波纹特征；

图6为微细流道特征；

图7为微细点阵特征；

图8为周期特征区域辊压成形过程步骤S1；

图9为周期特征区域辊压成形过程步骤S2；

图10为周期特征区域辊压成形过程步骤S3；

图11为周期特征区域辊压成形过程步骤S4；

图12为作为冲压成形坯料的初期微细特征薄板；

图13为冲压成形的落料定位；

图14为冲压成形的最终成形；

图15为本发明实施例2加工装置的总体布局示意图；

图16为级进模；

附图中：1-定位孔，2-定位孔冲裁之后的金属薄板，3-辊压凸模，4-辊压凹模，5-辊压凸起特征，6-辊压凹槽特征，7-初期微细特征薄板，8-冲压凸模，9-冲压凹模，10-定位销孔，11-定位销，12-目标微细特征薄板，13-开卷机，14-送料辊，15-定位孔冲裁工具，16-成型辊模具，17-整平机构，18-切边模具，19-冲压模具，20-级进模，21-步进收料卷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

本实施例提供了一种高深宽比金属薄板微细结构的加工装置，其总体布局如图1所示，其局部结构见其它附图。具体来说，该加工装置是一种连续的生产线，包括依次设置的开卷机13、送料辊14、定位孔冲裁工具15、成形辊模具16、整平机构17、切边模具18以及冲压模具19，其中，成形辊模具16用于对金属薄板辊压成形，得到具有初期微细结构的初期微细特征薄板7(见图12)；整平机构17用于整平初期微细特征薄板7。

成形辊模具16：如图8至11所示，成形辊模具是上下放置的共轭的成形辊子对，即互为辊压成形的辊压凸模3和辊压凹模4。成形辊子对16的安装调整根据实际生产的初期微细特征薄板7决定，其安装间距由金属薄板的厚度和初期微细特征薄板7的成形深度决定。在辊压过程中，辊压凸模3和辊压凹模4分别绕轴做相向转动，通过辊压凸模3上的辊压凸起特征5将初期微细特征薄板坯料2压入辊压凹模4的辊压凹槽特征6，实现初期微细特征薄板7的辊压成形。辊压凸模3和辊压凹模4选用直径大小不同的成形辊，满足不同形式的初期微细结构的辊压成形要求。

成形辊子对16的表面轮廓结构根据初期微细特征薄板7的设计形状进行映射生成。成形辊子对16表面布置3个初期微细特征薄板7的初期细微结构，一个圆周可进行3个初期微细特征薄板7的辊压成形。利用不同形式微细结构的成形辊子对16可以辊压成形具有不同形式微细结构的初期微细特征薄板7，常见形式的微细结构有微细波纹结构(见图5)、微细流道结构(见图6)和微细点阵结构(见图7)，为了更加清楚地说明结构，本实施例采用微细波纹结构。

整平机构17：如图1所示，整平机构17包括上下布置的带轮和皮带，利用带轮旋转带动绷紧的皮带对初期微细特征薄板7施加压力，使其整体轮廓达到平整，为后续切边冲裁和冲压成形实现精准定位，同时带动平整后的初期微细特征薄板7向后输送。本实施例中整平机构的数量是1个。

冲压模具19：如图12、13所示，冲压模具19包括冲压凸模8和冲压凹模9，该冲压模具19特征结构与初期微细特征薄板7的初期微细结构在水平面方向的尺寸和周期均相等，保证冲压成形过程不会干涉。冲压模具19形状结构由目标微细结构映射而成。冲压凸模8上布置定位销孔10，冲压凹模9上布置定位销11。冲压凹模9上的定位销11与初期微细特征薄板7的定位孔1配合从而实现初期微细特征薄板7的整体定位；初期微细特征薄板7的初期微细结构在冲压凹模9的特征结构中具有自定位作用，从而实现了其他细微结构的定位。

采用上述装置进行高深宽比金属薄板微细结构的加工方法包括以下主要步骤：

(1)根据初期微细特征薄板7的初期微细结构，选择具有相应特征结构的成形辊子对16，通过映射目标微细结构加工冲压模具19；

(2)待加工金属薄板由开卷机13输出，通过送料辊14送至定位孔冲裁工具15，加工定位孔1，然后进入成形辊子对16，辊压形成得到具有初期细微结构的初期微细特征薄板7；

(3)将所得初期微细特征薄板7输入整平机构17进行整平，然后依次采用切边模具18和冲压模具19对初期微细特征薄板7进行切边冲裁和冲压成形，得到目标微细特征薄板12(见图14或16)。

具体步骤细节如下：

金属薄板可以为不锈钢、钛合金等材料，本实施例采用不锈钢金属薄板，其厚度范围在0.05mm—0.30mm，并且储存在卷轴机内。生产中由开卷机13输出。

定位孔冲裁工序：在辊压成形之前，进行定位孔冲裁，以实现冲压成形过程整体的精准定位。定位孔冲裁工具15在辊压成形前预先在金属薄板特定位置加工定位孔1，如图2所示。两端定位孔1之间的金属薄板的特征区域将在辊压成形过程中形成初期微细特征，如图3、4所示。

冲压成形工序：如图13、14所示，利用冲压模具19对初期微细特征薄板7进行冲压成形，从而得到最终形状的目标微细特征薄板12。

在冲压成形过程中，先通过初期微细特征薄板7左右两端的定位孔1进行整体定位，然后通过初期微细特征薄板7的初期微细结构与冲压模具19特征结构的匹配进行每个初期微细结构的定位。在初期微细特征薄板7定位之后，冲压凸模8在较大的冲压力作用下下压，挤压初期微细特征薄板7贴合冲压凹模9的特征结构表面，金属薄板材料发生拉伸变形最终得到具有高深宽比微细结构的目标微细特征薄板12。

实施例2：

本实施例提供了另外一种高深宽比金属薄板微细结构的加工装置，其总体布局如图15所示，具体也是一条连续的生产线，包括依次设置的开卷机13、送料辊14、定位孔冲裁工具15、成形辊模具、整平机构17、级进模20以及步进收料卷21。

如图16所示，级进模20包括冲压模具19和切边模具18，可以实现液压机一次行程同时完成金属薄板相邻区域的初期微细特征薄板7的冲压成形和冲压成形后的目标微细特征薄板12的切边冲裁。级进模20和步进收料卷21相配合，每个工步金属薄板行进1个初期微细特征薄板7的周期长度，经过级进模20加工后的余料通过步进收料卷21回收。

本实施例的开卷机13、送料辊14、定位孔冲裁工具15、成形辊子对16以及整平机构17同本发明实施案例1中一致，不再赘述。

采用本实施例进行高深宽比金属薄板微细结构的加工方法包括以下主要步骤：

(1)根据初期微细特征薄板7的初期微细结构，选择具有相应特征结构的成形辊子对16，通过映射目标微细结构加工冲压模具19；

(2)待加工金属薄板由开卷机13输出，通过送料辊14送至定位孔冲裁工具15，加工定位孔1，然后进入成形辊子对16，辊压形成得到具有初期细微结构的初期微细特征薄板7；

(3)将所得初期微细特征薄板7输入整平机构17进行整平，然后采用级进模20对初期微细特征薄板7进行冲压成形和切边冲裁的一体化，得到目标微细特征薄板12。

具体步骤细节如下：

本实施例采用钛合金作为金属薄板材料。金属薄板厚度范围在0.05mm—0.30mm。

本实施例的其他工序同实施例1中一致，也不再赘述。

本发明不受所给出实施例的限制，许多地方要根据实际应用中金属薄板的目标微细结构来改变。成形辊子对的直径大小和特征结构的形式要通过优化计算选择，辊压凸模和辊压凹模之间的距离由实际生产中的金属薄板厚度和设计的初期微细特征薄板的初期微细结构来决定。金属薄板微细结构的形式除了图5至7所提出的3种主要形式还可以是其它的特殊形式，也可以是各种不同微细结构的复合形式。冲压成形工序中可以布置一套包含多个成形深度递增的冲压模具的复合模具来完成初期微细结构的多工步渐进成形，最终形成目标微细结构。