1. 绪论
1.1选题的背景及意义
日益严重的能源匾乏与环境恶化，使得能源和环境成为当代社会的两大热门话题，解决好这两大问题是人类生存和发展的基础。以阳光经济、风能经济、氢能经济、生物质能经济等为理想形态，以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式—低碳经济已经成为各国经济发展所追求的目标。我国是世界第一大产氢国，又是世界最大的储氢材料产品国，大概年产1000多万吨的氢气。全世界最大的一个制氢工厂就在我国的鄂尔多斯，年产18万吨氢气。因此我国在发展氢能经济方面有着得天独厚的优势。以氢气为原料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将储存在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的化学装置，具有能量转化效率高、清洁、噪音低、灵活方便、启动快速等优势，成为替代内燃机的主要候选设备。然而目前燃料电池的成本是内燃机成本的4-0倍(燃料电池:$200-300K，，内燃机:$30一50K砰。
在质子交换膜燃料电池的所有组件中，双极板是阻碍燃料电池商品化的主要障碍，因为它占电池堆总重的60-0%，占总成本的30-5%。美国能源部(DOE)制定了到2010年把双极板总成本降低至$6K的目标。目前生产双极板的材料主要有石墨材料、复合材料和金属材料等，但是前两种材料的可制造性、渗透性以及耐冲击振动的持久性不及金属，而且成形工艺复杂、制造成本高，加工时间比较长，不容易大批量生产。这不仅阻碍了氢燃料电池的薄型化和小型化，也限制了电池的商业化应用。用金属制作双极板既易于批量生产，又可制成薄板而直接冲压成形，可以大幅提高燃料电池的比能量和比功率，降低电池成本。随着防腐蚀技术及抗腐蚀金属材料的发展，急需研发一种高效、低成本生产金属双极板的方法，以促使金属双极板商业化。
1.2质子交换膜燃料电池简介
1.2.1质子交换膜燃料电池工作原理
质子交换膜燃料电池(protonExehangeMembraneFuelCells，简称PEMFe)，是继AFC、队FC、MCFC和SOFC之后正在发展的第五代燃料电池。PEMFC主要由多孔气体扩散电极、质子交换膜和双极板三部分组成。其工作原理如图1.1所示。质子交换膜燃料电池的电极为多孔气体扩散电极，以纯R、PUC或Pt~R C作为电催化剂，电解质为固体聚合物膜，带有气体通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。通过热压将阴极、阳极与质子交换膜复合在一起，形成所谓的膜电极(MembraneandElectrodeAssembly，简称MEA)。电池工作时，分别向阳极气室和阴极气室供给燃料(纯氢气或净化重整氢气)和氧化剂(氧气或空气)，氢气扩散通过多孔电极扩散层，传递到阳极电催化层，在催化剂表面发生电化学反应。
与内燃机的化学能一热能一机械能一电能转化方式不同，PEMFC不经过燃烧直接将燃料的化学能转化为电能，因此不受卡诺循环(Carnotcyde)的限制，能量转化效率、环境友好。由此可见燃料电池是集能源、化工、材料与自动化控制等新技术为一体，具有高效与洁净特色的新能源，是实现零碳排放的最佳选择之一。
2板材成形理论基础及制件缺陷分析
冲压是通过模具对板材施加压力或拉力，使板材塑性成形，有时对板材施加剪切力而使板材分离，从而获得一定尺寸、形状和性能的一种加工方法。冲压加工的原材料一般为板材或带料，故也称板材冲压或板材成形。本章从对板材成形力学基础的分析入手，介绍了冲裁变形过程、冲裁变形时的受力与应力情况、板材成形极限、板料成形问题的分析方法等板材塑性成形的理论问题，以此为基础，分析板料成形中常见的缺陷及解决方案，为金属双极板的冲压成形提供理论分析基础。
2.1板材成形的力学基础
2.1.1点的应力状态
点的应力状态是指受力物体内一点任意方向微分面上所受的应力情况。假设从受力物体内任意点Q处，取出一个正六面体为单元体，虽然在该单元体的六个平面上作用有大小和方向均不完全相同的全应力二二•a二、J二(取直角坐标系的三个坐标轴平行于单元体的棱边，下标x、y、z表示应力所作用的平面的法线方向)，其中应力二s，又可分解为平行于坐标轴的三个分量，。(i、j-，y，z)，如图2.1(a)•(b)所示:
因凸、凹模间存在间隙，使凸、凹模作用于板料的力呈不均匀分布，主要集中于凸、凹模刃口。其中:凡、凡分别为凸•凹模对板料的垂直作用力;分别为凸•凹模对板料的侧压力;矶•风分别为凸•凹模端面与板料间的摩擦力;矶，•矶l分别为凸•凹模侧面与板料间的摩擦力。作用力凡与凡不在同一直线上，形成弯矩M，，弯矩M，使板料在冲裁时产生弯弯。
成形极限是指材料不发生塑性失稳破坏时的极限应变值，它可以有两种定义。一种是将一开始产生缩颈失稳的点作为成形极限，另一种是将材料破裂点作为成形极限。因此，成形极限可以看成是一个区间。为了反映材料在冲压过程中发生破坏的情况，Keeler和Goodwin提出了成形极限图FLD(FormingLimitDiagramS)的概念。其基本原理是假设板料变形中一个主应力方向与板面垂直，即厚向应变:。为主应变之一;另两个主应变均在板内，在以这两个主应变为坐标轴建立的坐标系中，成形极限曲线将坐标的半平面(￡1>0)划分为安全区、临界区和破裂区三部分。
3 制件成形工艺分析及数值模拟................... 31-41
3.1 制件工艺分析................... 31-34
3.1.1 工艺方案的确定 ...................31-32
3.1.2 排样设计 ...................32-34
3.2 基于DYNAFORM数值模拟分析................... 34-41
3.2.1 DYNAFORM软件介绍................... 34
3.2.2 DYNAFORM分析流程 ...................34-35
3.2.3 数值模拟分析................... 35-41
4 模具设计与制造................... 41-69
4.1 冲压力的计算................... 41-43
4.2 模具设计................... 43-53
4.2.1 整体结构设计 ...................43-46
4.2.2 模具精度的确定................... 46-48
4.2.3 凹、凸模主要结构设计................... 48-50
4.2.4 模具其它结构的优化设计................... 50-52
4.2.5 细长零件强度校核 ...................52-53
4.3 模具压力中心的计算................... 53-55
4.4 模具制造的关键工艺................... 55-69
4.4.1 模架的加工................... 55-56
4.4.2 板类零件的加工................... 56-58
4.4.3 异形零件的加工................... 58-69
5 基于SPC的制件成形质量检测控制................... 69-75
5.1 统计过程控制(SPC)简介 ...................69-72
5.1.1 SPC原理及实施的步骤................... 69-70
5.1.2 SPC主要工具................... 70-72
5.2 质量检测控制实验设计................... 72-75
结论
本文对比分析了石墨材料、复合材料和金属材料双极板的加工方法，重点分析了现有的金属双极板加工方法的优缺点，提出了利用级进模冲压成形金属双极板的方法;结合金属塑性成形原理，分析了制件成形中可能存在的缺陷及解决方案，以典型的平行沟槽金属双极板为研究对象，通过计算和分析制定了制件成形工艺方案，给出了成形的排样图;建立了制件的有限元分析模型，对排样图中关键的成形工位进行了数值模拟;通过模拟分析，结合板料冲压成形极限图的相关理论，优化了模具结构和成形工艺参数。以此为基础上，在模具结构上采取多项措施，设计了金属双极板成形级进模;跟踪监控了模具制造的过程，对模具的关键制造工艺进行分析，及时发现并解决了制造工艺中存在的问题。基于统计过程控制(SPC)原理，设计了对生产过程进行监控，对过程质量特性值进行测定、记录、评估和检测的实验方案。论文研究结论如下:
(l)通过文献分析，本文认为金属双极板将是燃料电池双极板的巍发展方向，与其它方法相比，冲压成形是一种生产效率高、制件力学性能好的生产工艺，本文研发的级进模生产效率为每分钟35*0件。
(2)通过计算分析和数值模拟可知:①采用先成形再整形的方法成形0.1~厚55304金属双极板能够有效解决沟槽局部变薄严重的问题，平行沟槽最大变薄率约为14%，满足金属双极板的成形要求;②通过对无拉延筋条件板料成形极限云图分析得知，单纯靠增加压边力来防止成形过程中的起皱缺陷效果不明显，而结合模拟的成形极限云图，找出起皱出现的区域，以板料冲压成形极限图的原理为指导，合理的设置拉延筋能够在降低压边力的同时防止起皱，效果明显。文中所给形式的工艺切口，在有无拉延筋条件下都能够有效阻断板料变形，保护导正销孔。③用级进模生产金属双极板是可行的，本文所述的制件工艺分析、成形工艺分析、数值模拟分析方法具有通用性，可作为用级进模生产金属双极板的解决方案。
(3)在对冲压成形理论探讨和对制件成形缺陷分析的基础上，结合工艺分析与数值模拟的结果，解决了如何排列各冲压工序和各冲压工序上凸凹模尺寸的确定问题，确定了模具的典型结构:①基于模块化设计思想，优化凹、凸模镶块的外轮廓形状及尺寸，不但减小了模具整体尺寸，而且可以根据不同流场沟槽的需要及时更换镶块，生产不同流场类型的金属双极板，同时预留二次整形镶块，提高制件成形精度。②把压边圈直接固定在卸料板上，为保证卸料板受力的均衡，把卸料板分为两部分，两部分各司其职，相互独立，该结构避免了三个压边圈相互独立、单独由大直径弹簧提供压边力而增大模具尺寸。③通过制件工艺分析、成形工艺分析、数值模拟分析，对模具进行总体设计，对具体结构进行优化，建立了一种燃料电池金属双极板的分析、设计方法体系，为金属双极板的制造提供了一种新思路、新方法。
(4)对模具制造中的关键工艺环节进行了研究，结合先进电加工设备的使用，分析了保证加工质量的方法，并对制造过程进行监控。在此基础上，优化了模具核心部件的制造方案，总结出一套较为完善的金属双极板冲压级进模模具的制造工艺。
参考文献
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