不锈钢极板精密成形模拟与工艺优化

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燃料电池是一种新型的、清洁的可再生能源装置。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种,其因结构简单、操作方便、无电解液流失等优点而应用广泛。双极板是燃料电池的重要部件,其重量和成本在燃料电池中都占有较大的比重。因此,其成形工艺和成形质量对燃料电池的整体性能和成本都有极大影响。  本文以蛇形流场不锈钢极板为例,结合其形状特点,将极板划分为规则区域和非规则区域,并根据各区域内的特点进一步进行周期划分,深入研究了不锈钢极板软模冲压成形过程中规则区域和非规则区域同一周期内和不同周期间的变形规律,包括材料流动情况、应变状态、充型情况和回弹情况等;总结了整体极板的变形规律,并结合 SS304不锈钢成形极限实验,预测了不锈钢极板在软模冲压成形工艺中可能存在的成形缺陷及可能出现的位置;针对不锈钢极板的成形缺陷进行优化。  通过研究发现,不锈钢极板软模冲压成形工艺中的变形规律可表述如下:1)极板上周期数目越多,越靠近极板中心的周期充型情况越差,充型不满最严重的部位为180°转角处流道外侧壁两侧圆角;2)极板上周期数目越多,越靠近极板中心的周期,应变越大,应变最大的部位为180°转角处流道,其次是Y向流道内、外侧壁;3)极板上周期数目越多,越靠近极板边界的部位,回弹量越大,回弹量最大的部位为边界L1的两端点,且极板上各处的回弹量表现出了明显的不对称性。  在变形规律研究的基础上,本文结合 SS304不锈钢成形极限实验结果,对比了危险区域的主应变和次应变,结果显示不锈钢极板成形过程中产生裂纹的可能性较小;但充型不满和回弹问题在成形过程中较为严重。而根据本文研究,不锈钢极板回弹表现出了不对称性,其优化工艺较为复杂,因此仅针对充型不满的缺陷进行优化:1)将流道180°转角处形状调整为圆弧侧壁;2)增大成形载荷;3)将软模底面形状调整为圆弧面。经过优化前、后极板充型情况的对比可知方案(1)和方案(2)对改善充型情况有明显作用;而方案(3)虽然在一定程度上可促进材料流入凹模,改善充型情况,但效果不如方案(1)和方案(2)明显,仍需进一步研究和优化。  此研究方法可以应用在其他流场形式的不锈钢极板软模冲压成形工艺的变形规律分析、成形缺陷预测和工艺优化中。
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