一种金属双极板能场复合成形装置及方法

技术领域

本发明涉及金属双极板加工技术领域，具体而言，涉及一种金属双极板能场复合成形装置及方法。

背景技术

新能源领域中，采用氢气代替化石燃料作为新能源受到越来越多的关注。其中，质子交换膜燃料电池是一种典型的氢能转换装置，由于其高效、零排放及低工作温度等特点，被广泛应用于乘用汽车、便携式电源及固定式分散电站等领域。而燃料电池的主要组成中，双极板是核心部件之一，起到均匀分配气体、收集电流、冷却和支撑等作用，目前的双极板分为石墨双极板、金属双极板和复合型双极板，而其中金属双极板坚固耐用、导电导热性好、机械加工性能优良、可以批量生产降低成本等。

然而目前受限于金属双极板精密成形技术的发展，金属双极板成形质量和精度较低。双极板是燃料电池内部重要的多功能部件，通常占据电堆重量的70-80％和成本的40-50％，是影响电池功率密度和制造成本的一个重要因素。实际应用中一般要求金属双极板的厚度小于0.1mm，面积大于100mm*100mm，流道宽度小于1.2mm。但是，对于这种大面积薄壁微结构阵列零件来说，普通的冲压成形很容易导致局部减薄严重、易翘曲、局部起皱等缺陷的产生，很难生产出满足深宽比和尺寸精度要求的大面积金属双极板。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提高金属双极板的加工质量。

本发明提供一种金属双极板能场复合成形装置，包括上凸模、下凸模、电源、振动组件及超声振动转换组件，所述上凸模和所述下凸模相对设置，所述上凸模和所述下凸模之间用于放置工件，以通过合模对所述工件加工成形，所述电源分别与所述上凸模和所述下凸模电连接，所述上凸模和所述下凸模均由导电材料制成，所述超声振动转换组件与所述振动组件连接，用于驱动所述振动组件振动，所述振动组件抵接于所述上凸模的上表面，且所述上凸模和所述振动组件分别用于与压力机连接。

可选地，所述超声振动转换组件包括超声波发生器和换能器，所述超声波发生器与所述换能器连接，所述换能器与所述振动组件连接。

可选地，所述振动组件包括变幅杆和振动杆，所述变幅杆与所述换能器连接，所述变幅杆和所述振动杆均竖直设置，所述振动杆的上端与所述变幅杆连接，所述振动杆的下端与所述上凸模抵接。

可选地，所述金属双极板能场复合成形装置还包括隔热板，所述隔热板设置于所述上凸模和所述振动杆之间，且所述隔热板由绝缘材料制成。

可选地，所述金属双极板能场复合成形装置还包括压料板，所述压料板设置于所述下凸模上，用于压设所述工件的边缘，且所述压料板上开设有用于所述上凸模通过的孔或槽。

可选地，所述金属双极板能场复合成形装置还包括下模座，所述下凸模设置于所述下模座上，所述下模座用于设置在加工平台上。

可选地，所述金属双极板能场复合成形装置还包括绝缘垫板，所述绝缘垫板设置于所述下凸模和所述下模座之间，且所述绝缘垫板由绝缘材料制成。

可选地，所述金属双极板能场复合成形装置还包括支撑垫板，所述支撑垫板设置于所述下凸模和所述绝缘垫板之间。

可选地，所述金属双极板能场复合成形装置还包括导向柱，所述导向柱竖直设置，所述压料板、所述下凸模、所述支撑垫板、所述绝缘垫板及所述下模座依次套接于所述导向柱，且所述导向柱由绝缘材料制成，或，所述导向柱的圆周面设置有绝缘材料。

可选地，所述金属双极板能场复合成形装置还包括连接件和导线，所述导线分别连接于所述电源和所述上凸模之间及所述电源和所述下凸模之间，且所述导线通过所述连接件与所述上凸模和所述下凸模连接。

与现有技术相比，本发明提供的金属双极板能场复合成形装置具有以下技术效果：

本发明提供的金属双极板能场复合成形装置，可应用于例如燃料电池的金属双极板生产加工过程中，通过设置上凸模和下凸模，可将待加工的工件放置在上凸模和下凸模之间，通过压力机带动上凸模与下凸模合模对工件进行压力成形，在此过程中，通过设置电源，并分别与由导电材料制成的上凸模和下凸模电连接，电源通电后，电流可通过上凸模和下凸模及之间的工件形成闭合回路，对待制成金属双极板的工件形成焦耳热，可抑制工件成形后的回弹，降低金属双极板的整版翘曲度，同时，通过设置相连接的振动组件和超声振动转换组件，超声振动转换组件可通过超声波转换为机械振动，驱动振动组件形成高频谐振，以及通过振动组件抵接于上凸模的上表面，振动组件可连接于压力机，在通过压力机带动上凸模和下凸模合模时，振动组件和随着上凸模一起向下移动，并带动上凸模和工件产生高频谐振，使得上凸模和下凸模之间的摩擦力减小，并可提高金属双极板的成形极限深度。通过上述结构设置，将电流和超声相结合的能场复合应用于金属双极板的压力成形过程中，可减小工件的流动应力和变形阻力，提升工件的成形性能和成形效果，不仅提高了加工质量，而且还可节省成形的压力，提高了加工效率。

另外，本发明还提供了一种金属双极板能场复合成形方法，通过上述的金属双极板能场复合成形装置实现，包括如下步骤：

将待加工的工件放置在所述金属双极板能场复合成形装置的上凸模和下凸模之间；

通过所述金属双极板能场复合成形装置的电源为所述工件通电；

通过压力机驱动所述上凸模与所述下凸模合模，并在合模过程中，通过所述金属双极板能场复合成形装置的超声振动转换组件驱动所述金属双极板能场复合成形装置的振动组件对所述上凸模产生振动。

与现有技术相比，本发明提供的金属双极板能场复合成形方法与上述的金属双极板能场复合成形装置的技术效果大致相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例金属双极板能场复合成形装置的结构示意图；

图2为图1中A处放大示意图。

附图标记说明：

100-上凸模，200-下凸模，300-电源，400-振动组件，401-变幅杆，402-振动杆，500-超声振动转换组件，501-超声波发生器，502-换能器，600-工件，700-隔热板，800-压料板，900-下模座，110-绝缘垫板，120-支撑垫板，130-导向柱，140-连接件，150-导线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在本发明的描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操控，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。

为解决上述技术问题，如图1和图2所示，本发明实施例提供一种金属双极板能场复合成形装置，包括上凸模100、下凸模200、电源300、振动组件400及超声振动转换组件500，所述上凸模100和所述下凸模200相对设置，所述上凸模100和所述下凸模200之间用于放置工件600，以通过合模对所述工件600加工成形，所述电源300分别与所述上凸模100和所述下凸模200电连接，所述上凸模100和所述下凸模200均由导电材料制成，所述超声振动转换组件500与所述振动组件400连接，用于驱动所述振动组件400振动，所述振动组件400抵接于所述上凸模100的上表面，且所述上凸模100和所述振动组件400分别用于与压力机连接。

具体地，待制成金属双极板的工件600可以为不锈钢、钛及其合金等金属材料的板材，且前期准备工作包括加工得到尺寸与上凸模100和下凸模200匹配的板料，经机械抛光机电解抛光以保证工件600表面光滑平整，进一步保证金属双极板的成形质量。同时，压力机与上凸模100和振动组件400的连接可通过固定支架等结构实现，以保证上凸模100和振动组件400同时向下运动进行与下凸模200合模压力成形动作，并且保证了振动组件400一直保持对上凸模100的高频谐振，进而保证在工件600压力成形过程中，上凸模100和工件600一直进行高频谐振，保证加工质量及省时省力。以及，下凸模200可通过固定结构，例如垫板、支架等结构放置在加工平台上进行固定，保证加工过程的稳定性，其中的电源300和超声振动转换组件500也可设置在例如垫板、支架等固定结构上，在此不做具体限定。

需要说明的是，结合图2所示，上凸模100的下表面和下凸模200的上表面均设置有多个个凸起部，用于合模时对工件600形成预设的流道形状，当然，可根据待制成的金属双极板的结构设计规格进行上凸模100和下凸模200的选取和设计，在此不做具体限定。另外，可通过调节设置电源300输出的电流参数，例如电流的大小、频率及占空比等参数，以及可结合调节设置超声振动转换组件500的超声参数，例如超声的振幅、频率及作用时间等参数，对工件600形成较为适宜的作业方案，进一步提高加工质量，并且提高加工的可控程度。并且，在工件600加工成形后，通过超声振动组件500带动振动组件400对上凸模100和工件600产生的高频谐振，也有利于工件600的脱模，提高了加工便利性，进而提高了加工效率。

进一步地，通过电源300与上凸模100和下凸模200分别电连接而对工件600间接形成焦耳热，不通过电源300与工件600直接电连接，结构设置更加合理，并且不会对工件600产生例如实现接电的结构影响，进一步保证了工件600的成形质量。

在本实施例中，本实施例提供的金属双极板能场复合成形装置，可应用于例如燃料电池的金属双极板生产加工过程中，通过设置上凸模100和下凸模200，可将待加工的工件600放置在上凸模100和下凸模200之间，通过压力机带动上凸模100与下凸模200合模对工件600进行压力成形，在此过程中，通过设置电源300，并分别与由导电材料制成的上凸模100和下凸模200电连接，电源300通电后，电流可通过上凸模100和下凸模200及之间的工件600形成闭合回路，对待制成金属双极板的工件600形成焦耳热，可抑制工件600成形后的回弹，降低金属双极板的整版翘曲度，同时，通过设置相连接的振动组件400和超声振动转换组件500，超声振动转换组件500可通过超声波转换为机械振动，驱动振动组件400形成高频谐振，以及通过振动组件400抵接于上凸模100的上表面，振动组件400可连接于压力机，在通过压力机带动上凸模100和下凸模200合模时，振动组件400可随着上凸模100一起向下移动，并带动上凸模100和工件600产生高频谐振，使得上凸模100和下凸模200之间的摩擦力减小，并可提高金属双极板的成形极限深度。通过上述结构设置，将电流和超声相结合的能场复合应用于金属双极板的压力成形过程中，可减小工件600的流动应力和变形阻力，提升工件600的成形性能和成形效果，不仅提高了加工质量，而且还可节省成形的压力，提高了加工效率。

可选地，如图1所示，所述超声振动转换组件500包括超声波发生器501和换能器502，所述超声波发生器501与所述换能器502连接，所述换能器502与所述振动组件400连接。

具体地，超声波发生器501和换能器502可设置在例如垫板、支架等固定结构上，超声波发生器501可以与电源300电连接，或者单独为超声波发生器501设置电力源，并且超声波发生器501和换能器502电连接，换能器502与振动组件400电连接，带动振动组件400产生高频谐振。

在本实施例中，通过将超声振动转换组件500设置为超声波发生器501和换能器502的结构形式，可通过调节超声波发生器501产生所需参数的超声波，并通过与换能器502连接，可通过换能器502将电信号转换为机械信号，带动振动组件400产生高频谐振，进而带动上凸模100和工件600形成高频谐振，减小上凸模100、工件600及下凸模200之间的摩擦力，同时，产生的高频谐振可节省一部分压力机的压力，以及产生的机械振动有利于提高工件600的流道的加工深度，进而提高了加工质量及效率。

可选地，如图1所示，所述振动组件400包括变幅杆401和振动杆402，所述变幅杆401与所述换能器502连接，所述变幅杆401和所述振动杆402均竖直设置，所述振动杆402的上端与所述变幅杆401连接，所述振动杆402的下端与所述上凸模100抵接。

具体地，变幅杆401与振动杆402连接后呈竖直方向抵接于上凸模100的上表面，也就是振动杆402的轴线与上凸模100和工件600的上表面均垂直，以保证形成上下方向的机械高频谐振，同时，振动杆402与变幅杆401可拆卸连接，便于拆卸和更换振动杆402。以及与压力机连接的为变幅杆401，并且同上凸模100一同运动，即向下进给运动，不妨碍振动杆402产生机械振动。

在本实施例中，通过将振动组件400设置为变幅杆401连接振动杆402的结构形式，可通过换能器502驱动变幅杆401产生机械振动，进而带动振动杆402产生机械高频谐振，同时通过振动杆402与上凸模100抵接，将高频谐振传递给上凸模100和工件600，同时，减轻了变幅杆401的磨损，维护时，只需更换振动杆402即可，节省了生产成本。

可选地，如图1所示，所述金属双极板能场复合成形装置还包括隔热板700，所述隔热板700设置于所述上凸模100和所述振动杆402之间，且所述隔热板700由绝缘材料制成。

具体地，所述隔热板700由硬质绝缘材料制成，在隔热绝缘的同时，保证高频谐振的传递，且其形状结构只需满足稳定地进行机械振动的传递及起到振动杆402和上凸模100之间的隔热绝缘即可，在此不做具体限定。

在本实施例中，通过在振动杆402和上凸模100之间设置隔热板700，且隔热板700由绝缘材料制成，进而当电源300、上凸模100、工件600及上下凸模200之间形成的电流闭合回路产生焦耳热时，将热量和电流隔绝，不会对振动杆402及变幅杆401产生影响，同时间接地不会对超声波发生器501和换能器502产生影响，结构设计巧妙合理，保证整体运行稳定。

可选地，如图1和图2所示，所述金属双极板能场复合成形装置还包括压料板800，所述压料板800设置于所述下凸模200上，用于压设所述工件600的边缘，且所述压料板800上开设有用于所述上凸模100通过的孔或槽。

具体地，压料板800的形状与工件600的形状相匹配，用于压设在工件600的四周或相对两边的边缘，当需要压设在工件600的四周时，压料板800可以设置为与工件600相匹配的方形板，并且开设有用于上凸模100的孔，当需要压设在工件600的相对两边时，压料板800可以为凹形板，也就是其上设置有用于上凸模100通过的凹槽，压料板800的具体形状结构可根据实际需要进行设计，在此不做具体限定。

在本实施例中，通过在下凸模200上设置压料板800，并且其上开设有用于上凸模100通过的孔或槽，在上凸模100和下凸模200合模对工件600进行压力成形时，可通过压料板800压设在工件600的边缘，防止工件600的边缘产生翘角、翘边等影响精度的弯曲现象产生，保证了工件600的平整度及稳定性，不会产生左右前后的串动或移动，提高了工件600的成形精度，以及不会妨碍上凸模100与下凸模200的合模动作，结构设计合理，提高了整体结构的稳定性及加工质量。

可选地，如图1所示，所述金属双极板能场复合成形装置还包括下模座900，所述下凸模200设置于所述下模座900上，所述下模座900用于设置在加工平台上。

具体地，下模座900的上表面和下表面均具有较高的平整度，且其上表面与下凸模200的下表面契合设置，用于稳定地承放下凸模200，保证结构稳定性。

在本实施例中，通过设置下模座900，在使用时，可将下模座900放置在加工平台上并固定，并且通过将下凸模200设置在下模座900上，使得下凸模200具有稳定地支撑，进而可进行稳定地合模作业，提高了整体结构的稳定性，也提高了装置运行的平稳定，进而提高了加工质量。

可选地，如图1所示，所述金属双极板能场复合成形装置还包括绝缘垫板110，所述绝缘垫板110设置于所述下凸模200和所述下模座900之间，且所述绝缘垫板110由绝缘材料制成。

具体地，绝缘垫板110的形状结构与下凸模200相匹配，用于隔绝下凸模200与下模座900之间的电流导通，防止电流从下模座900流失，需要说明的是，一般情况下，下模座900为了提供稳定牢固的支撑结构，多数为金属材料制成，故而为了提高电流利用率，防止电能流失，在下模座900与下凸模200之间设置绝缘垫板110，结构更加合理。

在本实施例中，通过在下凸模200和下模座900之间设置由绝缘材料制成的绝缘垫板110，防止了下凸模200与下模座900之间的电流导通，避免电流从下模座900流失，提高了能源利用率，进而通过电源300提供的电流所产生的焦耳热最大程度的利用在工件600本省上，以提高生产加工质量，同时节省了能源。

可选地，如图1所示，所述金属双极板能场复合成形装置还包括支撑垫板120，所述支撑垫板120设置于所述下凸模200和所述绝缘垫板110之间。

具体地，支撑垫板120的形状结构与下凸模200相匹配，由硬质材料制成，以提高结构稳定性，需要说明的是，绝缘垫板110为绝缘材料制成，其刚度和强度不一定能够满足工件600压力成形过程中对于下凸模200的稳定性需求，故而增加设置支撑垫板120对下凸模200进行进一步的支撑稳定，结构更加合理。

在本实施例中，通过在下凸模200和绝缘垫板110之间设置支撑垫板120，可进一步提高下凸模200的稳定性，进而可为工件600压力成形时提供稳定牢固地支撑，使得整体结构更加稳定，给予更加稳定牢固的加工支撑结构，可进一步提高加工质量。

可选地，如图1所示，所述金属双极板能场复合成形装置还包括导向柱130，所述导向柱130竖直设置，所述压料板800、所述下凸模200、所述支撑垫板120、所述绝缘垫板110及所述下模座900依次套接于所述导向柱130，且所述导向柱130由绝缘材料制成，或，所述导向柱130的圆周面设置有绝缘材料。

具体地，导向柱130为圆柱体结构，其圆周面设置的绝缘材料，结构可以为绝缘套，或者涂覆绝缘漆等结构形式，在此不做具体限定，同时，导向柱130如若由金属材料制成，其圆周面也不必全部设置绝缘材料，也就是说，只需要在与下凸模200和支撑垫板120接触的部位设置绝缘材料即可，即可防止电流与导向柱130就可以，当然，导向柱130也可由绝缘材料制成，或部分由绝缘材料制成。

在本实施例中，通过设置导向柱130，并且与压料板800、下凸模200、支撑垫板120、绝缘垫板110及下模座900依次套接，将上述结构部件统一连接为一个整体，保证了上述结构部件的整体位置的一致性，进而保证了工件600支撑及加工的位置稳定性，提高了加工精度，同时，当需要进行例如下凸模200、压料板800等结构部件时，也方便取下和更换，操作便利，以及，通过将导向柱130设置为由绝缘材料制成，或者通过在导向柱130的圆周面设置绝缘材料，可防止电流从导向柱130流失，保证了电源300可对工件600产生稳定可靠即可控的电流焦耳热，防止能源浪费，且使得整体可控，进而提高了加工的质量及可控性。

可选地，如图1和图2所示，所述金属双极板能场复合成形装置还包括连接件140和导线150，所述导线150分别连接于所述电源300和所述上凸模100之间及所述电源300和所述下凸模200之间，且所述导线150通过所述连接件140与所述上凸模100和所述下凸模200连接。

具体地，连接件140可以为接线脚或接线柱的结构，例如连接件140可以为螺钉或螺栓，通过在上凸模100和下凸模200相应位置设置螺纹孔，并与螺钉或螺栓连接，螺钉或螺栓将导线固定在上凸模100和下凸模200上，并形成电流导通，当然，连接件140的结构还可以为其他，在此不做具体限定。

在本实施例中，通过设置连接件140和导线150，便于将电源600、上凸模100、工件600及下凸模200形成稳定的电流闭合回路，并且通过连接件140与上凸模100和下凸模200连接固定，使得电力连接结构更加稳定，且便于安装和拆卸，结构更加合理稳定。

另外，本发明的另一实施例提供了一种金属双极板能场复合成形方法，通过上述的金属双极板能场复合成形装置实现，包括如下步骤：

将待加工的工件600放置在所述金属双极板能场复合成形装置的上凸模100和下凸模200之间；

通过所述金属双极板能场复合成形装置的电源300为所述工件600通电；

通过压力机驱动所述上凸模100与所述下凸模200合模，并在合模过程中，通过所述金属双极板能场复合成形装置的超声振动转换组件500驱动所述金属双极板能场复合成形装置的振动组件400对所述上凸模100产生振动。

在本实施例中，通过上述方法对金属双极板的成形加工，与上述的金属双极板能场复合成形装置的技术效果大致相同，在此不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。