淺析金屬雙極板電磁微成形工藝

凌紅艷

（江西省機械工業設計研究院）

淺析金屬雙極板電磁微成形工藝

凌紅艷

（江西省機械工業設計研究院）

隨著科學技術的不斷發展，微機電系統被廣泛的應用到人們的日常生活中來，例如微型轉換器、微型燃料電池等等，這些都在微電子以及生物醫療等領域有著很好的應用，本文主要對金屬雙極板電磁微成形工藝的現狀進行分析，對電磁微成形形變特性進行研究，并對金屬雙極板電磁微成形模具的設計和制造進行探析，以能夠更好的促進微成形工藝的發展。

金屬雙極板；電磁成形；技術原理；工藝研究

前言

電磁微成形技術是一種利用電磁作用力進行微塑性加工的技術，該技術的實施不僅讓模具的裝配精度有了很大的提高，還成為了一種零件微型成型的重要方式。本文主要以金屬雙極板作為研究的主要對象，對其成型的工藝進行一次簡要的探究，以能夠更好的推動電磁微成形技術的不斷更新和發展。

1 電磁成形技術的原理及形變特性

1.1 原理

電磁脈沖成形屬于高能量率、短時脈沖加工技術，該加工技術將存儲在設備中的電能轉化成金屬材料的塑性變形能，并最終完成金屬材料的塑性加工。電磁成形設備由四部分組成：包括高壓電源系統、儲能系統、放電回路以及控制回路系統，如圖1所示。其中高壓儲能系統中存儲的能量和瞬時放電功率公式分別為式（1）和式（2）所示。

圖1 電磁成形技術的原理圖

首先高壓電源系統將電能儲存在儲能系統中，當充電完畢后高壓開關閉合，儲能系統通過高壓開關向放電回路瞬間釋放電能，與此同時工作線圈中產生一個強脈沖電流，根據法拉第電磁感應定律描述可知，變化的電場周圍將產生變化的磁場，而變化的磁場隨時間的變化將產生渦旋電場，渦旋電場中的金屬材料內部會產生相反方向的感應電流，此時金屬成為了帶電導體，帶電導體受到磁場的作用驅動金屬導體向模具或零件高速運動最終發生塑性變形。所以，電磁成形技術適合運用于電導率高、塑性好的金屬材料，例如銅、鋁、低碳鋼和黃銅等，并能夠獲得較好的電磁成形效果；而對于電阻率較高，屈服極限較高的金屬材料來說，需要使用電阻率較高的金屬箔板作為驅動介質輔助成形或者提高設備放電頻率也可以達到同樣的成形效果，例如不銹鋼的材料。

1.2 特性

在材料形成的過程中，其動力加載的特性為，荷載強度大、上升前沿時間短，荷載瞬間增加到最大值，以及在荷載作用的同時，材料的局部升溫較為劇烈；動態塑性變形的特性為：板料變形的程度較高，板料的動能獲得主要是在慣性力的作用下進行；材料塑性變形的屈服條件是材料的的磁壓荷載超過材料本身的屈服強度，材料的屈服強度受到溫度、濕度、壓力等因素的影響較大，所以，可以通過以上因素的變化而讓材料受到影響而屈服；當材料進入塑性狀態后，還需要考慮材料的彈性以及塑性形變；當電磁的形成過程運動速度高達每秒幾百米時，其形成的塑性能力將會大幅度的提升，所以，當材料出現屈服滯后的現象時，要能夠依據材料的真實情況而進行控制，在荷載的作用下，材料的斷裂行為將與裂紋的活動有著一定的關聯性。

2 金屬雙極板電磁微成形工藝研究現狀

2.1 現狀

如今金屬雙極板微成形的工藝主要有六種：①輥壓成型金屬雙極板，其方法能夠很好的實現單極板流道的輥壓和雙極板的鏈接，還能夠更加精確的進行雙極板的剪切。一個生產線需要很多的工位進行制造，而有了這種雙極板就能夠就將雙極板之間的鏈接進行重新的定位，并將誤差進行重新的更改，但是因為這種方式所進行的材料受力面積過小，所以，很容易導致材料的變形，進而增加了制造的難度，影響材料的制造精度和質量。②液壓膨脹形與壓力焊接聯合的方式，該種方式能夠在陰陽極板進行焊接，但是卻僅限于在陰陽極板對稱的情況下進行使用，所以，如今該種方法只有基本的研究，并沒有進行樣板的深化研究。③軟膜成形金屬雙極板的施工。④高能沖壓成形的研究，在該種方法中，能夠在很短的時間內將動能急速增加到幾個GPa的壓強，并將幾乎是液態金屬向模具中填充，最終形成高能沖壓成形的設備。⑤液態成形技術和累積成形，即在極冷的狀態下用熱壓鑄成金屬雙極板，但是這種方法的操作難度很高，不太符合日常的工作需要，所以常應用在要求較為嚴格的場合和領域。⑥化學刻蝕成型技術，該種技術能夠很流暢的刻蝕出流暢的金屬板，但是也存有一定的弊端，例如不好掌握精度，不易于操作等等。

以上的所有雙極板的制造方式都自身獨特的優勢同時也存在一定的弊端，無論是不能夠滿足金屬雙極板的成本，還是不能夠滿足金屬雙極板的高效率、大范圍應用的需求，其都具有成形的區域過大，并且節點多、細小等特點，所以在微成形領域中，金屬雙極板的加工技術以及研究的現狀都不夠十分的深入，所以說，金屬雙極板電磁微成形技術生產工藝的未來發展方向依然是高效率、低成本、批量化的生產。

2.2 設計和制造

在本次的金屬雙極板電磁微成形工藝中，其主要具有的功能主要有分配電池所需要反應的氧化劑，輔助進行排除反應，收集電流，傳導熱反應，并阻止生成物的滲漏，在一定的情況下起到在電池中支撐的作用，由于雙極板的質量能夠直接的決定電池的應用時長，因此雙極板應該滿足的要求有以下幾點：①能夠起到一個合理的理化性能，可以對反應物進行一個均勻的分配；②能夠具有一個十分好的導電性，這樣就能夠便于對電流的收集，其實這需要有一個十分高的機械強度，這樣就能夠讓雙極板的厚度變得更加輕薄；③要具有一個較高的氣密性，這樣就能夠讓反應物充分的進行反應，保證應用的安全性；④要具備一個良好的化學穩定性和耐腐蝕性，這樣就能夠讓金屬的壽命變得更加的長久；⑤要有一個絕佳的導熱性能，這樣就能夠將反應熱進行一個快速的排除；⑥要選擇一個合適的材料進行加工，最大程度的降低工藝的所需成本；⑦要有一個很好的精準度，雙極板的微流場形式讓燃料反應以及生成物在期間處于的是流動的狀態，所以控制好精度，能夠在很大程度上影響反應物和生成物在微流場中的分布是否均勻。

材料對于工藝的成形也產生著一定的影響，材料越復雜，其所受到的約束力就越大，這樣材料的流動性和拉伸性能就會越大，最終導致微通道的膨脹以及填充比和均勻出現較大差異現象發生，材料的屈服度也會在一定程度上影響雙極板，屈服度高以及電阻率較低的材料會在雙極板上形成不同的高度充填比，進而造成均勻性較高。隨著放電頻率的增強，雙極板之間的膨脹高度會逐漸的增強，但是均勻性會逐漸的降低，這時，微流道的最小、最深填充比在60～78％之間，而放點頻率較低時，能量的利用率也會有所減小，所以金屬的塑變形變量也會降低，致使微流道高度的降低，而電頻率的增加讓材料受到的電磁力也逐漸增加，微通道的形變高度會有所增加，導致均勻性的下降。

3 結束語

電磁微成形技術所制造的零件具有質量強，精度高等優勢，并且該技術能夠在較高的頻率下對尺寸進行控制，使金屬零件在形成的過程中逐漸的完成變形，由于這種變形十分的均勻，所以在控制方面很容易進行操作，雖然我國的電磁微成形技術處于初期的研究階段，但是，近些年的研究成果顯示，電磁微成形技術能夠讓零件的生產變得更加的低成本、高效益，所以，在社會的制造行業中，電磁微成形技術具有著良好的研究價值和積極作用。

[1]趙慶娟.金屬雙極板電磁微成形工藝研究[D].哈爾濱工業大學，2015.

[2]許楨英，張園園，王勻，丁盛，尹必峰.微型燃料電池雙極板成形工藝的研究進展[J].電源技術，2015，04：861～863.

[3]張金營，宋滿倉，呂 晶，龐中華，徐文科，王敏杰.PEMFC金屬雙極板成形工藝分析及數值模擬[J].模具工業，2010，12：18～21.

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2016-7-19