CN111558646B - 一种介观尺度板材的电磁制造方法及成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介观尺度板材的电磁制造方法及成形装置，制造方法包括：将待成形的第一工件与模具相向平行的设置于模具上方，对第一工件的两端进行压边约束，并将减速块设置于模具的两侧；控制第一工件在均匀电磁力的驱动下趋向模具运动并发生形变；在均匀电磁力的驱动下，第一工件的中部区域优先与模具碰撞，并带动第一工件的中部区域减速为零，当靠近两端区域碰撞到减速块后减速直至所述第一工件的所有区域的速度为零时成形完成，而校形是通过电磁力进一步趋向模具直至完全贴合模具。本发明通过将减速块的高度设置为小于模具的高度，使因塑性变形增长的工件靠近模具两端的部分可以继续向下运动，从而减小工件的褶皱和回弹，提高工件的平整度。

Description

一种介观尺度板材的电磁制造方法及成形装置

技术领域

本发明涉及材料成形制造领域，更具体地，涉及一种介观尺度板材的电磁制造方法及成形装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有效率高、工作温度低、启动快、接近零污染等优点，近年来受到广泛关注，已广泛应用于汽车、长途运输卡车甚至无人机。作为质子交换膜燃料电池的关键部件，双极板主要包括石墨双极板、聚合物-碳复合材料双极板和金属双极板，其约占总电池重量的75％，约占总成本的11％～45％。其中，金属双极板具有制造性能优越、机械强度高、成本低等优点，已成为未来的发展趋势，特别是低厚度(0.05mm～0.2mm)介观尺度下仍具有足够机械强度的钛合金和不锈钢。

金属双极板通常需要致密而深(深约0.4mm，宽约1mm)的微流道来更好地传递和交换物质，并且需要极高的平整度和表面精度以便形成由数百块双极板组成的堆叠(平整度偏差±1％)，而传统的冲压成形需要多组模具多道工序完成才能获得满足质量要求的双极板，使得加工过程变得困难和复杂，成本也随着增加。因此，探索新的低成本双极板成形工艺迫在眉睫，意义重大。

电磁成形是一种利用电磁力将工件在数百微秒内从静止加速到数百米每秒的速度碰撞模具的高速成形方法，可以提高金属的成形极限，是解决不锈钢、钛合金这类难加工金属成形制造难题的重要技术方案，同时可以大大减少加工工序，并降低成本。然而如何调控双极板电磁成形过程是获得高精度高平整度双极板的关键。

现有的成形工艺存在以下问题：

(1)工件碰撞模具前无法获得均匀且足够高的速度，以便获得均匀冲击力。图1示出了现有技术中工件的速度与位移分布图，从图1可以看出，工件即使受到均匀电磁力，但工件两端因压边约束作用造成成形过程中工件的中部速度均匀而两端速度偏小，导致工件两端的流道深度偏小。

(2)薄壁工件在碰撞过程中的回弹及褶皱无法避免。成形过程中，工件发生塑性变形使其总长度会增加，若不加以控制，则工件会形成褶皱和区域性回弹，严重影响工件的平整度。

(3)工件初步成形后无法实现精准的校形。工件与模具若因二次工装位置之间发生相对变化，会引起较大流道误差。同时在没有加速距离的情况下无法确保工件获得足够的冲击力。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种介观尺度板材的电磁制造方法，旨在解决现有技术中工件碰撞模具前无法获得均匀的冲击力和工件成形过程中产生的褶皱和区域性回弹导致工件的平整度差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种介观尺度板材的电磁制造方法，包括成形步骤和校形步骤，所述成形步骤具体为：所述成形步骤具体为：

(1)将待成形的第一工件与模具相向设置，且与模具之间存在间距，对所述第一工件的两端进行压边约束，并将减速块设置于所述模具的两侧，且所述减速块的高度小于所述模具的高度；

(2)控制所述第一工件在均匀电磁力的驱动下趋向所述模具运动并加速发生形变；

(3)在所述均匀电磁力的驱动下，所述第一工件的中部区域优先与所述模具碰撞，所述第一工件的靠近两端区域继续向模具方向运动，并带动第一工件的中部区域减速为零，当靠近第一工件两端区域碰撞到减速块后减速直至所述第一工件的所有区域的速度为零时成形完成；

所述校形步骤具体为：

(4)控制所述第一工件在电磁力的驱动下进一步趋向所述模具方向运动，并进入步骤(5)；

(5)判断所述第一工件是否完全贴合所述模具，若是，则校形完成，若否，则返回至步骤(4)。

更进一步地，通过调整模具与第一工件的间距实现，所述第一工件的中部区域在与模具碰撞时刻的均匀速度分布区域完全覆盖模具成形区域，且所述间距的大小与所述第一工件中部的均匀速度分布区域大小呈负相关，与碰撞速度大小呈先增大后减少。

更进一步地，第一工件受到的电磁力由磁场和工件电流共同作用产生，电流使第一工件产生焦耳热时以一定的温度碰撞模具，根据温度的区间大小可以实现第一工件的常温成形，温成形和超塑性成形。

更进一步地，还包括：将待成形的第二工件设置于所述第一工件下方且中部位置并与所述第一工件贴合；控制所述第一工件在均匀电磁力的驱动下趋向所述模具运动并带动所述第二工件与所述模具碰撞，通过所述模具来约束所述第二工件的形貌；其中，所述第二工件的长度小于所述第一工件的长度，且继承第一工件的中间均匀速度区域。

更进一步地，通过在所述第一工件与所述第二工件之间设置一层柔软的绝缘材料使得所述第二工件能够更好的流向所述模具的底部。

本发明还提供了一种基于上述的制造方法获得的介观尺度板材。

本发明还提供了一种基于上述的介观尺度板材的质子交换膜燃料电池。

本发明还提供了一种介观尺度板材的电磁成形装置，线圈骨架、成形线圈、压边装置、工件支撑块、模具、脉冲电源、第一减速块和第二减速块；成形线圈缠绕至线圈骨架上，成形线圈用于在通电后产生均匀电磁力；脉冲电源与成形线圈连接，用于给成形线圈提供电源；压边装置用于为待成形的第一工件提供压边力；工件支撑块与待成形的第一工件在压边装置提供的外部压力下保持接触，且放置于线圈骨架的内部；第一减速块和第二减速块分别设置于模具的两端，且第一减速块和第二减速块的高度低于模具的高度，第一减速块和第二减速块用于当第一工件与模具碰撞后给第一工件的靠近两端区域提供缓冲使其减速。

其中，工作时，将待成形的第一工件与模具相向设置于模具的上方，通过压边装置对第一工件的两端进行压边约束，控制第一工件在均匀电磁力的驱动下趋向所述模具运动并发生形变；在所述均匀电磁力的驱动下，所述第一工件的中部区域优先与所述模具碰撞，所述第一工件的靠近两端区域继续向模具方向运动，并带动第一工件的中部区域减速为零，并当靠近两端区域碰撞到减速块后减速直至所述第一工件的所有区域的速度为零时成形完成。因塑性变形导致第一工件长度增加部分被约束在第一减速块和第二减速块的上方，确保第一工件与模具接触的部分被拉平并完全贴合模具，减小了工件褶皱和回弹，提高了工件的平整度。更进一步地，还包括第二工件，所述第二工件贴合设置在所述第一工件的下方中间位置，所述第二工件的长度小于所述第一工件的长度。

更进一步地，所述压边装置通过对工件支撑块大于成形线圈宽度的部分作用为工件支撑块提供压力；所述压边装置的结构具体包括：采用螺杆与工件支撑块大于成形线圈宽度的部分连接固定后与线圈骨架外壁通过螺母紧压实现第一工件压边，或通过短程气缸或类似的机械结构直接作用于工件支撑块大于成形线圈宽度的部分施加压力趋向线内壁实现第一工件压边。

更进一步地，所述成形线圈为单根导线绕制成的多匝螺旋线圈，这样制作方便可靠；或由多根导线绕制多个多匝螺旋线圈并联，多根导线出线两端采用紧压接头的方式保持电接触，这样并联的缠绕方式可以显著减小线圈的阻抗，提高线圈电流的频率使工件获得更高电磁力。

更进一步地，所述工件支撑块的宽度大于所述成形线圈的宽度，所述工件支撑块为导电导体，优选如铜、铝等良导体，且所述工件支撑块与所述第一工件保持良好的电接触。因此第一工件和工件支撑块都会感应出电流并形成电流回路，从而可以显著提高第一工件上流过的感应电流和电磁力的均匀性，同时第一工件和工件支撑块之间电磁力使两者相互挤压，也可为第一工件提供电磁压边力。工件支撑块也可以为绝缘材料，此时工件支撑块不会感应出电流，这第一工件不会电接触产生电弧问题。

更进一步地，通过给工件支撑块施加压力使其带动第一工件趋向于线圈骨架的内壁。

更进一步地，模具的形状按照所述第一工件所需要的形貌进行设计，具体为波浪形，凹形，凸形等任意曲面形状以约束工件的形状；或任意形状的凹或凸槽实现板材冲裁。冲裁和成形可以在一次成形过程中同时完成。

更进一步地，模具与设置在其两端的第一减速块和第二减速块可以一体成型作为一个整体构成模具，模具的两端区域低于模具成形区域的高度。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

(1)本发明中，工件碰撞模具前可以获得均匀且足够高的速度；均匀的速度分布意味着均匀冲击压力，可以避免较大流道深度偏差和工件局域应力过大引起的减薄破裂，而提高速度的大小可以使工件获得更高的冲击力，即可以获得更深的流道。

(2)本发明可以减小薄壁工件在碰撞过程中的回弹及褶皱，具体地，通过将减速块的高度设置为小于模具的高度，使因塑性变形增长的工件的靠近模具两端的部分可以继续向下运动，从而减小工件的褶皱和回弹，提高工件的平整度。

(3)本发明中，工件初步成形后可以实现精准的校形；具体地，通过模具和已经与其贴合的第二工件和第一工件整体移动，在外部压力条件下和线圈骨架别内壁贴合，控制成形线圈放电，在第二工件和第一工件中产生电磁力使其进一步趋向模具，完成工件校形；可避免二次工装导致流道位置偏移。

(4)本发明通过给工件支撑块施加压力使其趋于线圈骨架的内壁，解决狭小空间中工件的压边问题。

(5)本发明中，通过将第二工件的长度设置为小于工件的长度，继承工件中间部位均匀且高的速度，减小工件的流道偏差。

(6)本发明中满足双极板成形要求的成形线圈至关重要，不仅可以为工件提供均匀的电磁力，还为工件提供充足的电磁压边力，以及在批量化生产中保证线圈有足够的寿命和成形效率。

附图说明

图1是工件受到均匀电磁力变形图，其中(a)为工件的变形过程和位移分布随时间变化图；(b)为工件在不同的成形位移下工件均匀速度区间占工件长度的比例和速度大小图。

图2为本发明实施例提供的介观尺度板材的电磁制造方法的实现流程图，其中(a)为介观尺度板材的电磁制造方法中成形步骤的流程图；(b)为介观尺度板材的电磁制造方法中校形步骤的流程图。

图3是本发明第一实施例提供的介观尺度板材的成形装置的结构示意图。

图4是本发明第二实施例提供的介观尺度板材的成形装置的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的介观尺度板材的成形装置的纵截面结构示意图。

图6是介观尺度板材成形过程的示意图，其中，(a)为传统成形过程工件发生褶皱和回弹的示意图；(b)为本发明中工件成形方法在成形过程中褶皱和回弹大幅度减小的示意图；(c)为本发明中工件校形示意图。

在本文中，相同的数字标记表示相同的物理量，其中，1为线圈骨架，2为成形线圈，3为工件支撑块，4为第一工件，5为第二工件，6为模具，7为脉冲电源，8-1为第一减速块，8-2为第二减速块，9为压边装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可以满足类似金属双极板这种介观尺寸器件获得均匀且足够高的速度的要求和减小回弹和褶皱提高表面质量这一目标。本发明提出了一种介观尺度板材的电磁制造方法及成形装置；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，现结合附图详述如下：

如图2所示，本发明提供的介观尺度板材的电磁制造方法包括两个步骤：工件成形步骤S1和工件校形步骤S2：

其中，如图(a)所示，工件成形步骤S1包括：

S11：将待成形的第一工件与模具相向平行设置，对第一工件的两端进行压边约束，并将减速块设置于所述模具的两侧，且减速块的高度小于所述模具的高度；

S12：通过脉冲电源给线圈通电，当线圈放电时在第一工件中产生均匀的电磁力，第一工件在均匀电磁力的驱动下趋向模具并发生变形；

S13：在均匀电磁力的驱动下，第一工件的中部区域优先与模具碰撞，所述第一工件的两端区域继续向模具方向运动，并带动第一工件的中部区域减速为零，并当靠近两端区域碰撞到减速块后减速直至所述第一工件的所有区域的速度为零时成形完成；

在本发明实施例中，由于第一工件中部的均匀的速度分布区域优先与模具碰撞；第一工件在与模具碰撞时刻均匀速度分布区域大小和对应的工件速度大小，因此可以通过调整模具和第一工件的间距实现，如图1(b)所示随着间距减小，第一工件均匀速度区域大小逐渐增大，而碰撞速度呈随着间距增大先增大后减小。可以通过有限元等方法合理设计间距的大小使工件中间均匀速度区域完全覆盖模具区域且一般大于50m/s速度碰撞模具以约束工件的形状。

由于靠近第一工件两端部分在第一工件的中部区域与模具碰撞后仍向下运动，碰撞到减速块后减速，直至第一工件的所有区域的速度为零。此过程中减速块和模具的高度差应合理设计以匹配塑性变形后的工件长度，即因塑性变形导致工件长度增加部分应被约束在减速块的上方，这样可确保工件与模具接触的部分被拉平并完全贴合模具，将大大改善和减小工件褶皱和回弹。

在本发明实施例中，工件成形步骤还包括：将第二工件与第一工件贴合设置，通过第一工件驱动第二工件运动并使第二工件碰撞模具，通过模具来约束第二工件的形貌。

其中，第二工件的长度短于第一工件的长度但大于或等于模具的长度。成形过程中第二工件贴合第一工件且位于第一工件的中部，以便第二工件继承第一工件的均匀速度区域。

作为本发明的一个实施例，可以在第一工件与第二工件之间放置一层柔软的绝缘材料(如聚氨酯)，以便第二工件更好流向模具的底部。本发明实施例中，当需要对钛合金等电导率低的金属进行成形时，由于钛本身感应的电流过小不足以其产生充足的电磁力满足自己的塑性变形，因此可以采用铝板作为第一工件，钛板作为第二工件。

本发明中，校形是对工件的校平和空间形状工序件的整形。其通过电磁力方式对工件预施以小变形量，修整冲压件的平面度、形状尺寸、圆角半径等以满足第一工件或第二工件要求的工序。本发明提供的校形方法与传统的接触力校形方式相比，本发明中的电磁力具有无尺寸效应，对工件是原子尺度的作用力，可以实现工件表面微米甚至纳米级的形貌变化。

如图(b)所示，工件校形步骤S2包括：

S21：根据成形后的工件与模具的形貌进一步校形变形量的差距，可以选择以下校形方式的一种或者多种：其中包括：(1)不移动工件或模具，直接通过电磁驱动器在第一工件产生电磁力使其进一步趋向模具，适用于校形量小情况。(2)将覆盖模具的第一工件和模具整体移动至第一工件的初始位置，并通过电磁驱动器在第一工件产生电磁力使其进一步趋向模具，这样工件与电磁驱动器之间的距离减小使得工件所受的电磁力增大，从而提高了成形效率。

作为本发明的一个实施例，可以通过对电磁驱动器重复放电多次以确保第一工件完全贴合模具。

作为本发明的一个实施例，在第一工件与成形线圈之间设置一层软膜，用于约束第一工件回弹。

S22：通过第一工件驱动第二工件一起运动，使第二工件作用于模具完成校行；

其中，第二工件的长度短于第一工件的长度但大于或等于模具的长度。校形过程中第二工件贴合第一工件且位于第一工件的中部。

在本发明实施例中，第一工件为导电材料，导电工件可以在变化磁场感应出电流；第一工件的电磁力为电磁驱动器在工件产生的感应电流和周围磁场共同作用下产生。感应电流可提高工件的温升从而改善工件的塑性。第一工件越薄，第一工件的温升越明显。

第一工件的成形过程和校形过程可在真空环境下进行，以降低工件受到空气的阻力，以便工件获得更大的速度，同时减少流道中空气未及时排出导致工件局部失稳，以提高工件的表面精度。

如图3所示，本发明还提供了一种介观尺度板材的电磁成形装置，包括：线圈骨架1、成形线圈2、压边装置9、工件支撑块3、模具6、脉冲电源7、第一减速块8-1和第二减速块8-2；成形线圈2缠绕至线圈骨架1上，成形线圈2用于在通电后在工件中产生电磁力；工件支撑块3与第一工件4在压边装置9提供的外部压力下保持接触，且放置在线圈骨架1的内部；压边装置9用于通过对工件支撑块3作用，驱动工件支撑块3靠近第一工件4，为第一工件4提供压边力；脉冲电源7与成形线圈2连接，用于给成形线圈2提供变化脉冲电流；模具6相向平行设置于第一工件4下方；模具6、第一减速块和第二减速块均设置于成形线圈2的内部。脉冲电源7连接成形线圈2，控制脉冲电源对成形线圈2放电，在成形线圈2内部产生成形变化的磁场，使得第一工件中产生感应电流，在感应电流和成形磁场的共同作用下，第一工件受到电磁力应变成形，并趋向于模具。第一减速块8-1和第二减速块8-2分别设置在模具6的两端，且第一减速块8-1和第二减速块8-2的高度低于模具6的高度，用于当第一工件4与模具碰撞后给第一工件提供缓冲使其减速。

工作时，通过压边装置对第一工件4两端进行压边约束，通过脉冲电源7连接成形线圈2，控制脉冲电源对成形线圈2放电，在成形线圈2内部产生成形变化的磁场，第一工件中会产生感应电流，在感应电流和成形磁场的共同作用下，第一工件受到电磁力应变成形，并加速趋向于模具。若工件支撑块3为金属时，工件支撑块3也会产生感应电流并与第一工件中电流形成回路。第一工件中部的均匀的速度分布区域优先与模具碰撞，由于靠近第一工件两端部分在第一工件与模具碰撞后仍向下运动，碰撞到减速块后减速，直至第一工件的所有区域的速度为零；第一工件在与模具碰撞时刻均匀速度分布区域大小和对应的工件速度大小，可以通过调整模具和第一工件的间距实现，即间距的大小与第一工件均匀速度区域大小呈负相关。可以通过有限元等方法合理设计间距的大小使工件中间均匀速度区域完全覆盖模具区域且一般大于50m/s速度碰撞模具以约束工件的形状。此过程中减速块和模具的高度差应合理设计以匹配塑性变形后的工件长度，即因塑性变形导致工件长度增加部分应被约束在减速块的上方，这样可确保工件与模具接触的部分被拉平和完全贴合模具，将大大改善和减小工件褶皱和回弹。

作为本发明的一个实施例，成形线圈2可以由单根导线绕制成的多匝螺旋线圈，这样制作方便可靠；亦可由多根导线绕制成多个多匝螺旋线圈并联，多根导线出线两端采用紧压接头的方式保持电接触实现并联，这样并联的缠绕方式可以显著减小线圈的阻抗，提高放电电流频率使工件获得更高电磁力。成形线圈的形状优选为矩形或者跑道型，以便工件获得均匀的电磁力。

作为本发明的一个实施例，工件支撑块3可以为绝缘材料或者导体材料，同时具有一定机械强度。当工件支撑块3为导体时，工件支撑块3也与第一工件保持电接触从而在工件支撑块3和第一工件中感应电流形成感应电流回路，可以使得第一工件获得的电磁力更加均匀。

作为本发明的一个实施例，减速块3可以为绝缘材料或者导体材料，同时具有一定机械强度，例如采用环氧或者聚氨酯做成类似长方体的结构置于模具的两侧。

在本发明实施例中，模具可以按需要设计，可以为波浪形，凹性，凹形等任意曲面形状以约束第一工件的形状；亦可以任意形状的凹槽或凸槽实现板材冲裁。当模具与第一减速块和第二减速块一体成型时，可以将第一减速块和第二减速块看作是模具的一部分，即模具的两个端部的高度低于中间部位的高度，模具的两个端部起缓冲减速作用。

在本发明实施例中，压边装置9通过外部压力施加给工件支撑块，使其带动工件趋向线圈骨架内壁，从而为第一工件提供压边力。如图5所示工件支撑块应大于成形线圈的宽度，而压边装置与工件支撑块大于成形线圈的宽度部分接触以施加压力。压边装置提供第一工件压边力的方式可以采用螺杆与工件支撑块连接固定后与线圈骨架外壁通过螺母紧压实现，亦可以通过短程气缸或者类似的机械结构直接作用于工件支撑块施加压力使其趋向线圈骨架内壁；这两种方式都克服了解决线圈内部工件和工件支撑块与线圈骨架内壁贴合这种狭小空间中工件的压边问题。

在本发明实施例中，模具与第一工件相对平行放置且存在间距。间距使得第一工件在电磁力作用下得以加速以获得碰撞速度。模具与第一工件之间的间距可通过有限元等方法合理设计以便工件中间均匀速度区域完全覆盖模具，与模具碰撞后以约束工件的形状。

在本发明实施例中，减速块置于模具的两侧，且低于模具的高度。这样靠近工件端部的区域，即除第一工件压边区域和第一工件与模具碰撞区域之外的部分，继续向下运动直到速度为零，可确保工件与模具接触的部分被拉平和完全贴合模具，加大的改善了减小工件褶皱和回弹。减速块和模具的高度差应在合理范围以避免工件被拉断。模具和已经与其贴合的工件整体移动，线圈骨架内壁贴合，控制脉冲电源对成形线圈进行而二次放电，工件中产生电磁力使工件进一步趋向模具，完成工件校形。

在本发明第二实施例中，当需要对钛合金等电导率低的金属进行成形时，由于钛本身感应的电流过小不足以产生充足的电磁力满足自己的塑性变形，因此可以采用铝板驱动钛板成形，即铝板为第一工件，钛板为第二工件如图4所示，在上述介观尺度板材成形装置的基础上还包括第二工件，第二工件与第一工件贴合设置，且第二工件的长度比第一工件的长度短。

当第二工件电导率过低无法感应足够电流以获得充足的电磁力，第一工件可以作为驱动源驱动第二工件一起运动时，第二工件的长度短于第一工件且位于工件的中心，这样可以避免第二工件两端因压边约束导致塑性变形，也可以帮助第二工件继承第一工件均匀速度区域。

进一步优选，第一工件与第二工件可放置一层柔软的绝缘材料如聚氨酯，以便第二工件更好的流动到模具的底部。此时第一工件优选采用类似铝或铜等高电导率的合金，优选完全退火态的工业纯铝合金，其具有更低硬度，可以方便第二工件更好的流向模具的底部。

作为本发明的一个实施例，第一工件亦可放置在线圈骨架的外部；相应的模具，工件支撑块及减速块处于成形线圈的外部。

为了更进一步的说明本发明的目的、技术方案及优点，以下结合图2～图6及实施例，对本发明进行进一步详细说明如下：

本发明提供的介观尺度板材成形装置包括：线圈骨架1、成形线圈2、工件支撑块3、第二工件4、第一工件4、模具6、脉冲电源7、第一减速块8-1和第二减速块8-2；成形线圈2绕制在线圈骨架1上，并绕制一层类似于zylon或玻璃纤维的加固材料。线圈骨架1优选高强度的绝缘材料切割而成，例如环氧树脂，氧化锆陶瓷；工件支撑块3为黄铜合金H62，且大于成形线圈的宽度，如图5所示。工件支撑块3与第一工件4在螺杆与线圈骨架1作用下保持良好的接触。模具6放置在第二工件4和工件支撑块3构成回路的内部；第二工件4紧贴放置第一工件4的中部且面向模具6。

第一减速块8-1和第二减速块8-2位于模具6两端；成形线圈2、线圈骨架1构成电磁驱动器。脉冲电源用于对电磁驱动器提供电流。电磁驱动器通过脉冲电源为成形线圈提供时变电流，工件和工件支撑块的会在线圈产生的变化的磁场的作用下产生感应电流，感应电流通过工件支撑块与工件构成闭合的电流回路。在感应电流的作用下，工件会产生温升，同时在感应电流和磁场的共同作用下，工件也会受到强大的电磁力。

电磁驱动器中的成形线圈2可以采用多匝多层、多匝单层、单匝多层、单匝单层的螺旋线圈构成，成形线圈的形状优选长方形，矩形，跑道型以便工件获得均匀的电磁力。成形线圈制作可以采用导电导线缠绕、导电体整体切割、比特线圈(Bitter Coil)或者以上任意组合构成。

成形线圈2可以由单根导线绕制成的多匝螺旋线圈，这样制作方便可靠；亦可由多根导线绕制多个多匝螺旋线圈并联，多根导线的出线两端采用紧压接头的方式保持电接触，这样并联的缠绕方式可以显著减小线圈的阻抗，提高放电电流的频率使工件获得更高电磁力。

成形线圈2的外部由于不受限制，故线圈骨架1内可根据线圈受热情况，若线圈温升过高绝缘发生破坏可选择性增加水冷装置，以减少线圈受热从而提高线圈寿命。

工件支撑块3可以采用导电导体构成，优选如铜、铝等良导体，同时工件支撑块4应与第一工件保持良好的电接触，为感应电流提供回路，从而可以显著提高第一工件上流过的感应电流。

第一工件4可以是金属材料，亦可以是镀有金属的任何材料，即任何在交变磁场中能感应出涡流的材料。

模具6可以按第一工件所需要的形貌需要设计，可以波浪形，凹形，突形等任意曲面形状以约束工件的形状；亦可以任意形状的凹或凸槽实现板材冲裁；

第一减速块8-1和第二减速块8-2应采用一定强度的材料构成，其高度低于模具的高度，优选环氧块等材料，其具有较高的强度且易于加工。所述的减速块置于模具的两侧，且应低于模具的高度；这样使工件的靠近模具两端的部分继续向下运动，从而将工件拉平提高工件的平整度以及减小回弹；减速块和模具的高度差应在合理范围以避免工件因失效被拉断；

压边装置通过外部压力施加给工件支撑块，使其挤压工件支撑块趋向线圈骨架内壁，最终实现工件支撑块与工件保持电接触，也为工件提供压边力。所述的压边装置提供工件支撑块的压力的方式可以采用螺杆与工件支撑块连接固定后与线圈骨架外壁通过螺母紧压实现，亦可以通过短程气缸直接作用于工件支撑块施加压力；这两种方式都克服了解决线圈内部工件与工件支撑块与线圈骨架内壁贴合这种狭小空间中工件的压边问题。

基于上述成形装置，本发明实施例提供了用于燃料电池的钛金属双极板材的制造法，可以按照如下步骤进行操作：

步骤1：装配装置：参照图4，第一减速块8-1、第二减速块8-2和模具6均放置在工件支撑块3内部；第一减速块8-1和第二减速块8-2均放置在模具6的两侧；第一工件与第二工件组装好放置在工件支撑块3的上方。组装好的工件及工件支撑3块放置在线圈骨架内部。工件支撑块3与第一工件4在螺杆90与线圈骨架1作用下保持良好的电接触，如图5所示，图5为图4横截面图对应的纵截面图。模具6放置在第一工件4和工件支撑块3构成回路的内部；最终的装配图如图4所示。第一工件采用厚度为0.5mm的AA1050铝合金，第二工件采用厚度为0.1mm的钛板。工件支撑块3为H62黄铜，宽度大于工件的宽度。模具6为根据双极板所需的形貌定制的氧化锆陶瓷模具或不锈钢模具。整个装置放置在真空环境中。

步骤2：连接电路；装配完成后，采用如图4的电容器，R₀和L₀分别为线圈电阻和线路电感，S为开关。闭合开关S对成形线圈进行放电，电容C₀的容量为50uF～160uF，电容器的放电电压为0V到25kV可调。放电过程中，由工件支撑块3和第一工件构成的闭合感应电流回路在成形线圈2的磁场的作用下，感应出的环向电流，在磁场与感应电流的共同作用下，第一工件受到电磁力发生塑性变形，同时第一工件和工件支撑块之间电磁力使其相互挤压，可为第一工件提供电磁压边力。

如图6(a)所示，传统的成形工艺中，在第一工件和第二工件的等长条件下，第一工件各个部位不是受到均匀的速度，导致成形后钛板的流道深度偏差较大。同时第一工件与模具碰撞减速后中部发生速度反向使第二工件和第一工件产生了严重回弹和褶皱。

如图6(b)所示，本发明中第一工件中间部位及第二工件优先与模具发生碰撞，第二工件继承了第一工件均匀的速度；通过模具约束第二工件和第一工件形状；第一工件的靠近两端部位因减速块低于模具高度仍有速度往下移动，使得第一工件的中部及第二工件完全平整贴合模具，减小第一工件和第二工件的褶皱和回弹。

步骤3：如图6(c)所示，模具和已经与其贴合的第二工件和第一工件整体移动，并与线圈骨架的内壁贴合，控制脉冲电源对成形线圈放电，在第二工件和第一工件产生电磁力使其进一步趋向模具，完成工件校形；此过程的放电可以是多次直到完全贴合模具，从而得到满足要求的金属双极板板材。进一步优选，第一工件与线圈骨架之间可以放置一层柔软的绝缘材料如聚氨酯，可以使第二工件和第一工件在校形过程中紧密贴合模具。

本发明通过给工件支撑块施加压力使其带动第一工件趋于线圈骨架的内壁，巧妙的解决线圈骨架内部狭小空间中工件的压边问题；同时，通过模具和已经与其贴合的整体移动，在外部压力条件下和线圈骨架内壁贴合，可避免二次工装导致流道位置偏移，同时工件支撑块依旧和第一工件保持电接触使得工件获得了均匀的电磁力；另外，通过合理控制模具与第一工件之间的间距，以便第一工件中间均匀速度区域完全覆盖模具区域，且优先与模具碰撞以约束第一工件的形状，有利于减小双极板中流道偏差。当靠近模具端部的工件区域继续向下运动直到速度为零时，可以确保工件与模具接触的部分被拉平且完全贴合于模具，减小了工件褶皱和回弹，提高了工件的平整度。

本发明第三实施案例提供了一种针对不锈钢介观尺度板材的加热制造方法：本实施方式与具体实施方案二不同点在于，装配过程仍同第一实施案例，放电过程不同于具体实施方案二；第一工件换成0.05mm不锈钢板，且不包含第二工件，通过合理控制电容器的放电电压和线路或者成形线圈的阻抗，使其在碰撞时刻通过工件的电流将工件的温度加热到过200到900摄氏度的温度区间且以大于50m/s的速度碰撞模具，然后与模具瞬速碰撞接触后冷却。此时不锈钢板因温度升高的其塑性大大提高，极大的提高了工件的流道深度和均一性。

本发明第四实施案例提供了一种大板材金属板的压花和冲裁一体化制造方法：本实施方式与具体实施方案二不同点在于，工件换成300*300*0.1mm尺寸的大板材且减速块和模具作为一个整体形成不锈钢模具，模具的两端低于成形区域所在的高度，模具成形区域为压花图案，冲裁部分为对应的孔洞。冲裁和压花可以在一次放电中同时实现。装配过程仍同第1实施案例，成形线圈制作不同于具体实施方案二，如图5所述成形线圈为4个螺旋线圈并联连接构成，四个螺旋线圈之间通过隔板提高成形线圈的强度，这样成形线圈的阻抗会显著减小，避免了成形大尺寸板材需要相应结构的线圈尺寸增大导致线圈的阻抗显著增加，这样提高线圈的电流峰值和频率，进而提高了工件的电磁力。

作为本发明的第五实施例，提供了一种针对不锈钢的介观尺度板材制造方法；本实施方式与具体实施方案二不同点在于，第一工件放置在线圈骨架的外部；相应的第二工件、模具，压边装置、工件支撑块及减速块也处于成形线圈的外部，通过压边装置直接作用于第一工件与工件支撑块保持电接触，并构成感应电流回路。成形制造成形过程与具体实施方案二相同。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种介观尺度板材的电磁制造方法，其特征在于，包括成形步骤和校形步骤，所述成形步骤具体为：

（1）将待成形的第一工件与模具相向设置，且所述第一工件与模具之间存在间距，对所述第一工件的两端进行压边约束，并将减速块设置于所述模具的两侧，且所述减速块的高度小于所述模具的高度；

（2）控制所述第一工件在均匀电磁力的驱动下趋向所述模具运动并加速发生形变；

（3）在所述均匀电磁力的驱动下，所述第一工件的中部区域优先与所述模具碰撞，所述第一工件的两端区域继续向模具方向运动，并带动第一工件的中部区域减速为零，当两端区域碰撞到减速块后减速直至所述第一工件的所有区域的速度为零时成形完成；

所述校形步骤具体为：

（4）控制所述第一工件在电磁力的驱动下进一步趋向所述模具方向运动，并进入步骤（5）；

（5）判断所述第一工件是否完全贴合所述模具，若是，则校形完成，若否，则返回至步骤（4）。

2.如权利要求1所述的电磁制造方法，其特征在于，通过调整模具与第一工件的间距实现所述第一工件的中部区域在与模具碰撞时刻的均匀速度分布区域完全覆盖模具成形区域，且所述间距的大小与所述第一工件中部的均匀速度分布区域大小呈负相关。

3.如权利要求1所述的电磁制造方法，其特征在于，所述第一工件受到的电磁力由磁场和工件电流共同作用产生，电流使第一工件产生焦耳热时以一定的温度碰撞模具，根据温度的区间大小可以实现第一工件的常温成形，温成形和超塑性成形。

4.如权利要求1-3任一项所述的电磁制造方法，其特征在于，还包括：将待成形的第二工件设置于所述第一工件中部位置并与所述第一工件贴合；控制所述第一工件在均匀电磁力的驱动下趋向所述模具运动并带动所述第二工件与所述模具碰撞，通过所述模具来约束所述第二工件的形貌；

其中，所述第二工件的长度小于所述第一工件的长度，且继承第一工件的中间均匀速度区域。

5.如权利要求4所述的电磁制造方法，其特征在于，通过在所述第一工件与所述第二工件之间设置一层柔软的绝缘材料使得所述第二工件能够更好的流向所述模具的底部。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的电磁制造方法获得的介观尺度板材。

7.一种基于权利要求6所述的介观尺度板材的质子交换膜燃料电池。

8.一种介观尺度板材的电磁成形装置，其特征在于，线圈骨架（1）、成形线圈（2）、压边装置（9）、工件支撑块（3）、模具（6）、脉冲电源（7）、第一减速块（8-1）和第二减速块（8-2）；

所述成形线圈（2）缠绕至线圈骨架（1）上，所述成形线圈（2）用于在通电后产生均匀电磁力；

所述脉冲电源（7）与所述成形线圈（2）连接，用于给所述成形线圈（2）提供电源；

所述压边装置（9）用于为待成形的第一工件（4）提供压边力；

所述工件支撑块（3）与待成形的第一工件（4）在所述压边装置（9）提供的外部压力下保持接触，且放置于所述线圈骨架（1）的内部；

所述第一减速块（8-1）和所述第二减速块（8-2）分别设置于所述模具（6）的两端，且所述第一减速块（8-1）和所述第二减速块（8-2）的高度低于所述模具（6）的高度，所述第一减速块（8-1）和所述第二减速块（8-2）用于当第一工件（4）与模具（6）碰撞后给第一工件（4）的靠近两端区域提供缓冲使其减速。

9.如权利要求8所述的电磁成形装置，其特征在于，工作时，将待成形的第一工件（4）与所述模具（6）相向设置，通过压边装置（9）对所述第一工件（4）的两端进行压边约束，控制所述第一工件（4）在均匀电磁力的驱动下趋向所述模具运动并发生形变；在所述均匀电磁力的驱动下，所述第一工件的中部区域优先与所述模具碰撞，所述第一工件的靠近两端区域继续向模具方向运动，并带动第一工件的中部区域减速为零，当靠近两端区域碰撞到减速块后减速直至所述第一工件的所有区域的速度为零时成形完成；因塑性变形导致第一工件长度增加部分被约束在第一减速块和第二减速块的上方，确保第一工件与模具接触的部分被拉平并完全贴合模具，减小了工件褶皱和回弹，提高了工件的平整度。

10.如权利要求8所述的电磁成形装置，其特征在于，当所述成形装置对电导率低的金属进行成形时，将第二工件贴合设置在所述第一工件的中间位置，所述第二工件的长度小于所述第一工件的长度，且所述第二工件继承第一工件的中间均匀速度区域。

11.如权利要求8-10任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，所述压边装置通过对工件支撑块大于成形线圈宽度的部分作用为所述工件支撑块提供压力。

12.如权利要求8-10任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，所述成形线圈为单根导线绕制成的多匝螺旋线圈，或由多根导线绕制多个多匝螺旋线圈并联，多根导线出线两端采用紧压接头的方式保持电接触实现并联。

13.如权利要求8-10任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，所述工件支撑块的宽度大于所述成形线圈的宽度，所述工件支撑块为导电导体或绝缘材料。

14.如权利要求8-10任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，通过给所述工件支撑块施加压力使其带动所述第一工件趋向于线圈骨架的内壁。

15.如权利要求8-10任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，所述模具（6）的形状按照所述第一工件所需要的形貌进行设计。

16.如权利要求15所述的电磁成形装置，其特征在于，所述模具（6）的形状为波浪形，凹形或凸形。

17.如权利要求8-10任一项所述的电磁成形装置，其特征在于，所述模具与设置在其两端的第一减速块和第二减速块一体成型。

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