金屬雙極板電磁微成形工藝研究.pdf

1、近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system, MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展，微通道類零件如微通道換熱器、微型燃料電池雙極板以及微生物芯片等在能源、微電子、航空航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。電磁微成形技術(shù)是一種金屬利用強(qiáng)脈沖磁場中所受到的電磁力作用使之產(chǎn)生變形的高能率微塑性加工技術(shù)，該技術(shù)能夠有效提高材料的延展性和成形極限，避免了微成形工藝對模具裝配精度的苛刻要求，成為一種重要的微型零件柔性成

2、形方法。本文以燃料電池金屬雙極板為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方法研究金屬箔板電磁微脹形變形行為，分析工藝參數(shù)對金屬雙極板成形質(zhì)量的影響規(guī)律，揭示金屬箔板電磁微成形機(jī)理，實(shí)現(xiàn)微型燃料電池金屬雙極板的高質(zhì)量成形。
　　首先利用ANSYS有限元模擬軟件中多物理場耦合分析模塊，建立金屬箔板電磁微脹形三維有限元模型，分析了金屬箔板在電磁微脹形過程電磁力分布規(guī)律和金屬箔板電磁微脹形變形特點(diǎn)。模擬結(jié)果顯示，金屬箔板在電磁微脹形過程中

3、所受到的電磁力隨著放電能量的增大而增大，隨著放電電容的增大而降低，在箔板變形區(qū)域內(nèi)電磁力始終保持均勻分布。金屬箔板電磁微脹形過程中，沿微通道橫截面輪廓方向由通道邊緣到中間位置等效應(yīng)變分布逐漸增大，沿微通道縱向等效應(yīng)變分布均勻。陣列通道電磁微脹形過程中各通道等效應(yīng)變分布一致，模擬結(jié)果表明，電磁微成形技術(shù)能夠成形出一致性好的微通道零件。
　　研制了基于均勻壓力線圈驅(qū)動(dòng)的金屬箔板電磁微脹形實(shí)驗(yàn)裝置，開展單通道電磁微脹形實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4、顯示，隨著放電能量、放電次數(shù)以及放電頻率的增加，微通道成形性能顯著提高，而隨著箔板厚度和晶粒尺寸的增加，微通道成形性能降低。在電磁微脹形過程中使用凸模具或采用有較大圓角的凹模具均有利于提高金屬箔板電磁微脹形成形性能。進(jìn)行了陣列通道電磁微脹形工藝研究。結(jié)果顯示，隨著放電能量和放電頻率增大，陣列通道脹形高度和均勻性提高，在放電能量7.2kJ時(shí)陣列通道成形質(zhì)量好；材料性能對電磁微脹形工藝影響顯著，T2紫銅薄板屈服強(qiáng)度和電阻率小，陣列通道成形性

5、能優(yōu)異，而SS304不銹鋼箔板屈服強(qiáng)度和電阻率較高，并且是典型的率相關(guān)材料，成形性能相對較低。
　　進(jìn)行了金屬箔板電磁微沖孔工藝實(shí)驗(yàn)研究，對電磁微沖裁變形過程進(jìn)行了分析，探討了工藝參數(shù)對微沖孔質(zhì)量的影響規(guī)律，揭示了金屬箔板電磁微沖裁斷裂機(jī)制。結(jié)果顯示，隨著放電能量增加、凹?？讖皆龃?，微孔斷面毛刺和圓角帶減小，而隨著坯料厚度增大，微孔斷面圓角帶增大，毛刺逐漸減小。SS304不銹鋼箔板沖裁斷裂模式為有韌窩的韌性斷裂，而 T2紫銅箔板在

6、電磁微沖孔過程中出現(xiàn)斷口平整的無韌窩拉伸斷裂、無韌窩的拉伸斷裂和有韌窩的拉伸斷裂等多種斷裂模式。微孔質(zhì)量檢測結(jié)果顯示，電磁微沖孔微孔輪廓尺寸精度較高、斷面質(zhì)量好，可以實(shí)現(xiàn)微孔的高效率、低成本、高質(zhì)量的生產(chǎn)加工。
　　針對燃料電池金屬雙極板，進(jìn)行了燃料電池金屬雙極板電磁微成形工藝實(shí)驗(yàn)研究，分析了金屬雙極板電磁微成形過程中材料參數(shù)、放電參數(shù)和模具參數(shù)對雙極板成形質(zhì)量的影響規(guī)律，確定了雙極板最佳成形工藝，并對電磁成形金屬雙極板的成形質(zhì)量

7、進(jìn)行評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著放電能量增加雙極板微流道脹形高度和均勻性提高；隨著放電頻率的增大，雙極板微流道脹形高度增大，均勻性下降；坯料與模具之間的距離對雙極板微流道脹形高度和均勻性的影響表現(xiàn)為先增大后減小，在間距為1.0mm時(shí)雙極板成形質(zhì)量最佳；隨著坯料厚度的增大，雙極板微流道脹形高度和均勻性迅速降低。當(dāng)微模具脊寬比 S/W＞1時(shí)，選用凸型模具，而脊寬比 S/W≤1時(shí)，使用凹型模具進(jìn)行雙極板成形可以獲得更高的質(zhì)量。在放電頻率7.424