金属双极板电磁微成形工艺研究

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1、博士学位论文金属双极板电磁微成形工艺研究ELECTROMAGNETICMICRO-FORMINGPROCESSESOFMETALBIPOLARPLATE赵庆娟2015年5月-国内图书分类号：TG386.4学校代码：10213国际图书分类号：621.7密级：公开工学博士学位论文金属双极板电磁微成形工艺研究博士研究生：赵庆娟导师：郭斌教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2015年5月授予学位单位：哈尔滨工业大学-ClassifiedIndex:TG386.4U.D.C:621.7Dissertati

2、onfortheDoctoralDegreeinEngineeringELECTROMAGNETICMICRO-FORMINGPROCESSESOFMETALBIPOLARPLATECandidate:ZhaoQingjuanSupervisor:Prof.GuoBinAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:MaterialProcessingEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialsSci.＆Eng.DateofDefence:M

3、ay2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology-摘要摘要近年来，随着微机电系统(Micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)技术的迅速发展，微通道类零件如微通道换热器、微型燃料电池双极板以及微生物芯片等在能源、微电子、航空航天和生物医疗等领域得到了广泛应用。电磁微成形技术是一种金属利用强脉冲磁场中所受到的电磁力作用使之产生变形的高能率微塑性加工技术，该技术能够有效提高材料的延展性和成形极限，避免了微成形工艺对模具装配精度的苛刻要求

4、，成为一种重要的微型零件柔性成形方法。本文以燃料电池金属双极板为研究对象，通过实验和有限元模拟相结合的方法研究金属箔板电磁微胀形变形行为，分析工艺参数对金属双极板成形质量的影响规律，揭示金属箔板电磁微成形机理，实现微型燃料电池金属双极板的高质量成形。首先利用ANSYS有限元模拟软件中多物理场耦合分析模块，建立金属箔板电磁微胀形三维有限元模型，分析了金属箔板在电磁微胀形过程电磁力分布规律和金属箔板电磁微胀形变形特点。模拟结果显示，金属箔板在电磁微胀形过程中所受到的电磁力随着放电能量的增大而增大，随着放电电容的增大而降低，在箔板变形区域内电

5、磁力始终保持均匀分布。金属箔板电磁微胀形过程中，沿微通道横截面轮廓方向由通道边缘到中间位置等效应变分布逐渐增大，沿微通道纵向等效应变分布均匀。阵列通道电磁微胀形过程中各通道等效应变分布一致，模拟结果表明，电磁微成形技术能够成形出一致性好的微通道零件。研制了基于均匀压力线圈驱动的金属箔板电磁微胀形实验装置，开展单通道电磁微胀形实验研究。实验结果显示，随着放电能量、放电次数以及放电频率的增加，微通道成形性能显著提高，而随着箔板厚度和晶粒尺寸的增加，微通道成形性能降低。在电磁微胀形过程中使用凸模具或采用有较大圆角的凹模具均有利于提高金属箔板电

6、磁微胀形成形性能。进行了阵列通道电磁微胀形工艺研究。结果显示，随着放电能量和放电频率增大，阵列通道胀形高度和均匀-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文性提高，在放电能量7.2kJ时阵列通道成形质量好；材料性能对电磁微胀形工艺影响显著，T2紫铜薄板屈服强度和电阻率小，阵列通道成形性能优异，而SS304不锈钢箔板屈服强度和电阻率较高，并且是典型的率相关材料，成形性能相对较低。进行了金属箔板电磁微冲孔工艺实验研究，对电磁微冲裁变形过程进行了分析，探讨了工艺参数对微冲孔质量的影响规律，揭示了金属箔板电磁微冲裁断裂机制。结果显示，随着放电能量增加、

7、凹模孔径增大，微孔断面毛刺和圆角带减小，而随着坯料厚度增大，微孔断面圆角带增大，毛刺逐渐减小。SS304不锈钢箔板冲裁断裂模式为有韧窝的韧性断裂，而T2紫铜箔板在电磁微冲孔过程中出现断口平整的无韧窝拉伸断裂、无韧窝的拉伸断裂和有韧窝的拉伸断裂等多种断裂模式。微孔质量检测结果显示，电磁微冲孔微孔轮廓尺寸精度较高、断面质量好，可以实现微孔的高效率、低成本、高质量的生产加工。针对燃料电池金属双极板，进行了燃料电池金属双极板电磁微成形工艺实验研究，分析了金属双极板电磁微成形过程中材料参数、放电参数和模具参数对双极板成形质量的影响规律，确定了双极

8、板最佳成形工艺，并对电磁成形金属双极板的成形质量进行评价。实验结果显示，随着放电能量增加双极板微流道胀形高度和均匀性提高；随着放电频率的增大，双极板微流道胀形高度增大，均匀性下降；坯料与模具之间的距离对双极