燃料电池双极板复合软模成形装置及方法与流程

本发明涉及燃料电池金属双极板结构精密制造领域，具体涉及一种燃料电池双极板复合软模成形装置及方法。

背景技术：

燃料电池具有清洁、高效、能源可再生等特点，被认为是代替传统能源最有力的竞争者，有望代替常规发动机成为未来汽车的主要动力来源，并可应用到电子产品、航空航天、固定电站等多个领域，市场潜力巨大。阻碍燃料电池商业化最主要的原因是双极板制造成本太高，约占总成本的30％～45％，选择合适的双极板材料和加工工艺是降低成本的主要途径之一。

常用的双极板材料主要包括石墨、复合材料和金属。金属具有强度高、加工性能好、导电导热性强、成本低等优点。金属双极板是替代目前制造成本高、可靠性差的石墨双极板的最好选择。现有燃料电池金属双极板加工技术包括电火花、线切割、刻蚀、铸造、化学腐蚀、刚模冲压、液压成形等，但存在成形精度、表面质量差、成本高等技术问题。弹性体软模冲压成形存在双极板过渡圆角区域充填困难的缺点，固体颗粒具有流动性好、承压能力强、可以非均匀传压、可生成较大主动摩擦力等优良特性，因此可以克服其它刚性模以及软模成形的各种缺点，在成形方面具有显著的优势。如果能将二者的优势结合起来，必将能大大提高零件的成形性能和成形质量。因此，开展金属双极板结构复合软模加工技术研究，具有十分重要的经济意义。

中国专利文献cn101306448a(专利申请号200810055020.3)公开了一种金属板料刚性颗粒或可压缩粉末半模成形工艺，利用颗粒代替凸模，该技术有利于复杂形状零件的加工成形，降低模具加工的成本，提高劳动生产效率，有利于自动化的实现。

中国专利文献cn101504984a(专利申请号200910061252.4)公开了燃料电池金属双极板成形模具及成形方法，本发明公开的是单一橡胶软模成形技术，模具结构简单，生产效率高，同时软模成形零件无回弹和翘曲现象。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种燃料电池金属双极板结构低成本、高质量、批量化制造的问题，提供一种模具结构简单，模具制造成本低，生产效率高，降低金属双极板的制造成本，同时复合软模成形冲压件贴模性好，尤其利于双极板圆角过度区域的成形，无翘曲和回弹现象，成形零件尺寸精度高、表面质量好的燃料电池双极板复合软模成形装置及方法。

本发明通过以下措施达到：

一种燃料电池双极板复合软模成形装置，设有具有导柱导套结构的模架，模架上安装一动模板和一定模板，动模板在导柱导套的导向作用下与定模板之间产生相对运动，其特征在于：动模板上安装凸模，定模板上安装软模容框，容框内底层放置聚氨酯软模，聚氨酯软模上面放置颗粒软模。

本发明上模板和下模板通过导套和导柱组成封闭的框架，模具的其余附属机构都安装在该封闭的框架上，所述模具的其余附属机构包括凸模、软模ⅰ、软模ⅱ、凸模固定板、软模容框；其中凸模通过凸模固定板固定在上模板上，凸模固定板经螺栓与上模板底部固定连接；软模容框通过螺栓固定在下模板上；软模ⅰ和软模ⅱ置于软模容框内，软模ⅰ置于软模ⅱ上面，上模板通过导套和导柱实现上下往复运动，凸模随上模板上下移动，坯料置于凸模和软模ⅰ之间。

本发明凸模的底面由一系列的微型筋构成，微型筋宽度为0.1-1.0mm、深度为0.05-1.0mm，相邻的微型筋间距范围为0.1-2.0mm，用来达到成形出双极板微流道结构的目的。

本发明中上模板、下模板之间的导向是靠导套和导柱来保证的，为了保障成形过程中，凸模不发生变形或破坏，并提高凸模耐磨性，模具材料选用模具钢cr12mov，并进行淬火处理。

本发明中的软模容框为了保障成形过程中，凹模容框不发生变形或破坏，模具材料选用模具钢cr12mov，并进行淬火处理，容框结构根据零件结构尺寸设计成外圆内方式结构，内部方形结构设计过的圆角，减小应力集中。

本发明还提供了一种利用上述模具装置燃料电池双极板复合软模成形，包括如下步骤：将金属薄板放置于软模容框内并置于颗粒软模的上面，通过压力机活动横梁向下运动，驱动动模板运动并将凸模压力施加在金属薄板上，凸模与坯料接触后在压力机作用下继续下行并挤压坯料和复合软模，使坯料填充满凸模型腔，得到金属双极板构件，其具体步骤为：

步骤一：上模板在压力机的驱动下带动凸模一起上行，上行至凸模距凹模固定板上表面2-5mm的位置时停止；

步骤二：将经过裁剪的薄板坯料放置于软模容框与软模ⅰ组成的型腔内；

步骤三：通过压力机以10mm/min的速度向下运行驱动凸模向下快速运动，待凸模与坯料接触后将压力机下行速度调至0.5-1mm/min；

步骤四：凸模继续向下运动并开始挤压置于软模容框内软模ⅰ和软模ⅱ，软模ⅱ产生反向压力并支撑软模ⅰ，由于软模ⅰ流动性好，在软模ⅱ压应力作用下带着坯料逐渐填充凸模型腔；

步骤五：压力机运行到预先设定的位移或载荷时，保压1-3分钟，然后卸去凸模载荷，此时燃料电池金属双极板构件成形完毕；

步骤六：凸模在压力机的驱动下向上运动，从容框内取出零件，从而获得质量合格的金属双极板构件。

本发明中所述的金属薄板厚度是在0.05-0.5mm范围。

本发明中所述的金属薄板可以是单层金属薄板，也可以是复层金属薄板，包括同种金属复层和异种金属复层。

本发明中所述的金属双极板微流道结构宽度为0.1-1.0mm、深度为0.05-1.0mm、流道间距0.1-2.0mm。

本发明中所述的金属双极板微流道结构纵向截面形状可以是圆弧形、矩形、梯形或阶梯式结构。

本发明中所述的金属双极板流场形式可以是直流道流场、蛇形流场，也可以是交指型流场、仿生型流场、点状流场或网状流场。

本发明中所述的金属薄板材料可以是不锈钢、镍、铝、钛单一金属薄板材料，也可以是上述任意两种材料的复层薄板，包括不锈钢-钛复层材料、不锈钢-铝复层材料、不锈钢-镍复层材料、钛-铝复层材料、镍-铝复层材料、镍-钛复层金属材料。

本发明中软模材料主要一是弹性体软模，包括聚氨酯、硅胶；二是颗粒软模，包括细砂、高分子颗粒、微钢球和金属粉末。

本发明采用复合软模成形，凹模用复合软模代替，这种结构的优点:1)采用复合软模代替凹模，只需加工刚性凸模，凸、凹模配合精度要求低，模具结构简单，软模可重复利用，制造成本低；2)采用复合软模成形，避免了使用刚模时出现的表面划伤、压痕缺陷，同时避免了使用单一聚氨酯软模时双极板构件圆角区域成形质量差及使用单一颗粒软模时因材料弹性不足而引起压力小的缺点，复合软模集成了弹性体软模和颗粒软模的优点，成形的双极板构件具有贴模性好、尺寸精度高和表面质量好的优点；3)模具装置操作简单，生产效率高，工艺稳定性好，模具磨损小，能实现金属双极板的大批量生产。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中模具装置局部放大图。

附图标记：1.上模板；2.下模板；3.导套；4.导柱；5.凸模；6.坯料；7.软模ⅰ；8.软模ⅱ；9.凸模固定板；10.软模容框；11.螺栓。

具体实施方式

下面结合附图1和2详细说明本发明提出的技术方案的细节和工作情况。

图1为本发明进行燃料电池双极板结构成形模具装置结构示意图。上模板(1)和下模板(2)通过导套(3)和导柱(4)组成封闭的框架，模具所有附属结构都安装在该封闭的框架上。凸模(5)通过穿过凸模固定板(9)的螺栓(11)固定在上模板(1)上。软模容框(10)通过螺栓(11)固定在下模板(2)上。软模ⅰ(7)和软模ⅱ(8)置于软模容框(10)内。软模ⅰ(7)置于软模ⅱ(8)上面。上模板(1)通过导套(3)和导柱(4)可实现上下往复运动。凸模(5)可随上模板(1)上下移动。坯料(7)置于凸模(5)和软模ⅰ(7)之间。

本实施方式的上模板(1)、下模板(2)之间的导向是靠导套(3)和导柱(4)来保证的。

本实施方式的凸模(5)和软模容框(10)配合精度由制造精度来保证。

本实施方式的凸模(5)和软模容框(10)分别通过螺栓(11)固定在上模板(1)和下模板上(2)。

本实施方式的凸模(5)的设计：为了保障成形过程中，凸模不发生变形或破坏，并提高凸模耐磨性，模具材料选用模具钢cr12mov，并进行淬火处理。

本实施方式的软模容框(10)的设计：为了保障成形过程中，凹模容框不发生变形或破坏，模具材料选用模具钢cr12mov，并进行淬火处理，容框结构根据零件结构尺寸设计成外圆内方式结构，内部方形结构设计过的圆角，减小应力集中。

具体实施方式一：结合图1和2说明本实施方式，本实施方式的制造燃料电池金属双极板结构的方法，具体步骤为：

步骤一：上模板(1)在压力机的驱动下带动凸模(5)一起上行，上行至凸模(5)距凹模固定板(9)上表面2-5mm的位置时停止。

步骤二：将经过裁剪的薄板坯料放置于软模容框(10)与软模ⅰ(7)组成的型腔内；

步骤三：通过压力机以10mm/min的速度向下运行驱动凸模(5)向下快速运动，待凸模(5)与坯料(6)接触后将压力机下行速度调至0.5-1mm/min；

步骤四：凸模(5)继续向下运动并开始挤压置于软模容框(10)内软模ⅰ(7)和软模ⅱ(8)，软模ⅱ(8)产生反向压力并支撑软模ⅰ(7)。由于软模ⅰ(7)流动性好，在软模ⅱ(8)压应力作用下带着坯料(6)逐渐填充凸模(5)型腔。

步骤五：压力机运行到预先设定的位移或载荷时，保压1-3分钟，然后卸去凸模(5)载荷，此时燃料电池金属双极板构件成形完毕；

步骤六：凸模(5)在压力机的驱动下向上运动，从容框(10)内取出零件，从而获得质量合格的金属双极板构件；

依据上述实施方式，本发明内容所述范围均能实施，本发明不仅仅局限于上述实施方式。

本发明相对于现有技术，具有结构简单、工艺流程短、效率高、成本低等优点。