浅析金属双极板电磁微成形工艺

凌红艳

（江西省机械工业设计研究院）

浅析金属双极板电磁微成形工艺

凌红艳

（江西省机械工业设计研究院）

随着科学技术的不断发展，微机电系统被广泛的应用到人们的日常生活中来，例如微型转换器、微型燃料电池等等，这些都在微电子以及生物医疗等领域有着很好的应用，本文主要对金属双极板电磁微成形工艺的现状进行分析，对电磁微成形形变特性进行研究，并对金属双极板电磁微成形模具的设计和制造进行探析，以能够更好的促进微成形工艺的发展。

金属双极板；电磁成形；技术原理；工艺研究

前言

电磁微成形技术是一种利用电磁作用力进行微塑性加工的技术，该技术的实施不仅让模具的装配精度有了很大的提高，还成为了一种零件微型成型的重要方式。本文主要以金属双极板作为研究的主要对象，对其成型的工艺进行一次简要的探究，以能够更好的推动电磁微成形技术的不断更新和发展。

1 电磁成形技术的原理及形变特性

1.1 原理

电磁脉冲成形属于高能量率、短时脉冲加工技术，该加工技术将存储在设备中的电能转化成金属材料的塑性变形能，并最终完成金属材料的塑性加工。电磁成形设备由四部分组成：包括高压电源系统、储能系统、放电回路以及控制回路系统，如图1所示。其中高压储能系统中存储的能量和瞬时放电功率公式分别为式（1）和式（2）所示。

图1 电磁成形技术的原理图

首先高压电源系统将电能储存在储能系统中，当充电完毕后高压开关闭合，储能系统通过高压开关向放电回路瞬间释放电能，与此同时工作线圈中产生一个强脉冲电流，根据法拉第电磁感应定律描述可知，变化的电场周围将产生变化的磁场，而变化的磁场随时间的变化将产生涡旋电场，涡旋电场中的金属材料内部会产生相反方向的感应电流，此时金属成为了带电导体，带电导体受到磁场的作用驱动金属导体向模具或零件高速运动最终发生塑性变形。所以，电磁成形技术适合运用于电导率高、塑性好的金属材料，例如铜、铝、低碳钢和黄铜等，并能够获得较好的电磁成形效果；而对于电阻率较高，屈服极限较高的金属材料来说，需要使用电阻率较高的金属箔板作为驱动介质辅助成形或者提高设备放电频率也可以达到同样的成形效果，例如不锈钢的材料。

1.2 特性

在材料形成的过程中，其动力加载的特性为，荷载强度大、上升前沿时间短，荷载瞬间增加到最大值，以及在荷载作用的同时，材料的局部升温较为剧烈；动态塑性变形的特性为：板料变形的程度较高，板料的动能获得主要是在惯性力的作用下进行；材料塑性变形的屈服条件是材料的的磁压荷载超过材料本身的屈服强度，材料的屈服强度受到温度、湿度、压力等因素的影响较大，所以，可以通过以上因素的变化而让材料受到影响而屈服；当材料进入塑性状态后，还需要考虑材料的弹性以及塑性形变；当电磁的形成过程运动速度高达每秒几百米时，其形成的塑性能力将会大幅度的提升，所以，当材料出现屈服滞后的现象时，要能够依据材料的真实情况而进行控制，在荷载的作用下，材料的断裂行为将与裂纹的活动有着一定的关联性。

2 金属双极板电磁微成形工艺研究现状

2.1 现状

如今金属双极板微成形的工艺主要有六种：①辊压成型金属双极板，其方法能够很好的实现单极板流道的辊压和双极板的链接，还能够更加精确的进行双极板的剪切。一个生产线需要很多的工位进行制造，而有了这种双极板就能够就将双极板之间的链接进行重新的定位，并将误差进行重新的更改，但是因为这种方式所进行的材料受力面积过小，所以，很容易导致材料的变形，进而增加了制造的难度，影响材料的制造精度和质量。②液压膨胀形与压力焊接联合的方式，该种方式能够在阴阳极板进行焊接，但是却仅限于在阴阳极板对称的情况下进行使用，所以，如今该种方法只有基本的研究，并没有进行样板的深化研究。③软膜成形金属双极板的施工。④高能冲压成形的研究，在该种方法中，能够在很短的时间内将动能急速增加到几个GPa的压强，并将几乎是液态金属向模具中填充，最终形成高能冲压成形的设备。⑤液态成形技术和累积成形，即在极冷的状态下用热压铸成金属双极板，但是这种方法的操作难度很高，不太符合日常的工作需要，所以常应用在要求较为严格的场合和领域。⑥化学刻蚀成型技术，该种技术能够很流畅的刻蚀出流畅的金属板，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。

以上的所有双极板的制造方式都自身独特的优势同时也存在一定的弊端，无论是不能够满足金属双极板的成本，还是不能够满足金属双极板的高效率、大范围应用的需求，其都具有成形的区域过大，并且节点多、细小等特点，所以在微成形领域中，金属双极板的加工技术以及研究的现状都不够十分的深入，所以说，金属双极板电磁微成形技术生产工艺的未来发展方向依然是高效率、低成本、批量化的生产。

2.2 设计和制造

在本次的金属双极板电磁微成形工艺中，其主要具有的功能主要有分配电池所需要反应的氧化剂，辅助进行排除反应，收集电流，传导热反应，并阻止生成物的渗漏，在一定的情况下起到在电池中支撑的作用，由于双极板的质量能够直接的决定电池的应用时长，因此双极板应该满足的要求有以下几点：①能够起到一个合理的理化性能，可以对反应物进行一个均匀的分配；②能够具有一个十分好的导电性，这样就能够便于对电流的收集，其实这需要有一个十分高的机械强度，这样就能够让双极板的厚度变得更加轻薄；③要具有一个较高的气密性，这样就能够让反应物充分的进行反应，保证应用的安全性；④要具备一个良好的化学稳定性和耐腐蚀性，这样就能够让金属的寿命变得更加的长久；⑤要有一个绝佳的导热性能，这样就能够将反应热进行一个快速的排除；⑥要选择一个合适的材料进行加工，最大程度的降低工艺的所需成本；⑦要有一个很好的精准度，双极板的微流场形式让燃料反应以及生成物在期间处于的是流动的状态，所以控制好精度，能够在很大程度上影响反应物和生成物在微流场中的分布是否均匀。

材料对于工艺的成形也产生着一定的影响，材料越复杂，其所受到的约束力就越大，这样材料的流动性和拉伸性能就会越大，最终导致微通道的膨胀以及填充比和均匀出现较大差异现象发生，材料的屈服度也会在一定程度上影响双极板，屈服度高以及电阻率较低的材料会在双极板上形成不同的高度充填比，进而造成均匀性较高。随着放电频率的增强，双极板之间的膨胀高度会逐渐的增强，但是均匀性会逐渐的降低，这时，微流道的最小、最深填充比在60～78％之间，而放点频率较低时，能量的利用率也会有所减小，所以金属的塑变形变量也会降低，致使微流道高度的降低，而电频率的增加让材料受到的电磁力也逐渐增加，微通道的形变高度会有所增加，导致均匀性的下降。

3 结束语

电磁微成形技术所制造的零件具有质量强，精度高等优势，并且该技术能够在较高的频率下对尺寸进行控制，使金属零件在形成的过程中逐渐的完成变形，由于这种变形十分的均匀，所以在控制方面很容易进行操作，虽然我国的电磁微成形技术处于初期的研究阶段，但是，近些年的研究成果显示，电磁微成形技术能够让零件的生产变得更加的低成本、高效益，所以，在社会的制造行业中，电磁微成形技术具有着良好的研究价值和积极作用。

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2016-7-19