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(nèi)液壓成形技術(shù)是指利用液體介質(zhì)代替凸模或凹模，靠液體介質(zhì)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(chǎn)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(nèi)液壓成形技術(shù)用液體介質(zhì)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(fù)雜、成形后的零件精度要求高、表面質(zhì)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(nèi)成形技術(shù)從最初的橡皮膜液壓成形技術(shù)開始，然后出現(xiàn)了充液拉深技術(shù)、充液變薄拉深技術(shù)、無模充液拉深技術(shù)等。隨著汽車制造業(yè)飛速發(fā)展，汽車蒙皮件的形狀日趨復(fù)雜。以及鋁、鎂等質(zhì)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(nèi)液壓成形技術(shù)作為研究重點并將其廣泛應(yīng)用。尤其在目前全球重點發(fā)展的新能源燃料電池領(lǐng)域，板材模內(nèi)液壓成形技術(shù)對雙極板的成形質(zhì)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(shù)進行了理論計算，并根據(jù)回彈分析及試驗，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成形工藝參數(shù)。

模內(nèi)液壓成形工藝過程

板材模內(nèi)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(nèi)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(zhì)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(tǒng)使凹模內(nèi)的液體介質(zhì)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(jié)束。

⑷板材模內(nèi)液壓成形有如下優(yōu)點:

①材料成形極限高；

②成形零件表面質(zhì)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(fù)雜零件和鋁、鎂等質(zhì)量較輕、性能較差的零件；

⑤成形變薄均勻，開裂風(fēng)險低。

回彈分析

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

圖2 產(chǎn)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(yīng)變，減少彈性應(yīng)變，來減小回彈。所以，壓型設(shè)計了工藝輔助面和阻延筋，以增大塑性應(yīng)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(shù)值進行仿真模擬。在分析中采用歐標(biāo)材料特性14404，根據(jù)單向拉伸試驗數(shù)據(jù)設(shè)置材料參數(shù)。坯料網(wǎng)格劃BM-5單元，模具網(wǎng)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(shù)設(shè)為0. 15。

對未進行任何處理的原零件模型和設(shè)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(jié)果如圖4、圖5所示。結(jié)果顯示，設(shè)計了工藝輔助面和阻延筋的零件在零件中部區(qū)域回彈量明顯優(yōu)于原零件。最終選用設(shè)計了工藝輔助面和阻延筋的零件進行生產(chǎn)。

（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(jié)果

圖5 設(shè)計了工藝輔助面和阻延筋的零件回彈分析結(jié)果

模具設(shè)計

雙極板模具結(jié)構(gòu)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(guān)鍵零件，決定產(chǎn)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(chǎn)品，控制材料流動；凹模板的液室儲存液體介質(zhì)，并連接外部高壓液體介質(zhì)；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(zhì)泄露。

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

圖6 雙極板模具結(jié)構(gòu)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(chǎn)品流道深度與流道內(nèi)R角進行測試。取出產(chǎn)品測量流道深度H和流道內(nèi)R角。試驗測試結(jié)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(nèi)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(dāng)液室壓強達到90MPa時，深度達到圖紙要求尺寸0.4mm；雙極板內(nèi)R角隨著液室壓強增大而減少，當(dāng)液室壓強達到95MPa時達到圖紙要求尺寸R0.15mm。綜合以上結(jié)論，選取95MPa作為液室壓強。

結(jié)束語

通過計算、仿真分析及實驗驗證，得出以下結(jié)論。

⑴板材模內(nèi)液壓成形工藝可以提高材料拉伸極限，減少開裂風(fēng)險。另外，該工藝可以使材料流動更加均勻，內(nèi)應(yīng)力更加一致，可有效降低回彈。

⑵對于尺寸精度要求高的產(chǎn)品，為了進一步減小回彈，提高產(chǎn)品尺寸精度，可以通過增加塑性應(yīng)變,減少彈性應(yīng)變的措施來實現(xiàn)，如液壓成形工序設(shè)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(fā)生泄漏。

⑷產(chǎn)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(chǎn)品材質(zhì)、產(chǎn)品厚度、產(chǎn)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(shù)；2021年主導(dǎo)完成超薄金屬板沖壓及焊接成形關(guān)鍵技術(shù)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(shù)。

——文章選自《鍛造與沖壓》2022年第20期

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