本發明涉及一種金屬薄板加工技術，尤其是涉及一種高深寬比金屬薄板微細結構的加工裝置及方法。

背景技術：

具有微細特征結構的金屬薄板在工業上具有廣泛的應用，常用于結構加強、熱管理和傳輸分配反應物：例如具有微細流場結構的金屬薄板用來作為質子交換膜燃料電池雙極板，起到分配氣體、收集電流、管理水和熱等關鍵作用，再例如在建筑、飛行器上，利用半蜂窩形金屬波紋板制作的三明治結構實現減重和加強結構強度。

目前加工制造金屬薄板微細結構件多采用傳統的沖壓成形工藝。中國專利公開號為178261A的發明專利，提出用銑床加工出具有流道結構的沖壓模具，然后將裁剪好的金屬薄板放入沖壓模具中，利用油壓機沖壓成形出具有流道結構的金屬薄板作為燃料電池的金屬極板。這種利用沖壓成形的加工方法具有成熟、穩定和易于加工的優點，是加工制造金屬極板的常用方法。

隨著金屬薄板微細結構件的深入研究和廣泛應用，為加強其在結構加強、熱管理和傳輸分配反應物等領域的作用，對具有高深寬比、細密化的微細結構的需求越來越高。例如，通過提高燃料電池金屬極板流場的深寬比來增加氣體傳質的均勻性和散熱性能，從而提高電池功率。因此，具有高深寬比、細密化的微細特征結構的金屬薄板的加工方法具有很大的應用前景和意義。

然而，傳統的沖壓成形加工金屬薄板微細結構件具有較大的局限性。傳統的沖壓成形是通過模具特征結構迫使金屬薄板發生拉伸變形，從而成形出與模具特征結構相應的結構。沖壓成形過程靠油壓機沖壓瞬間完成，金屬薄板由于作用時間短、材料補充困難的原因難以發生均勻變形，在局部地區發生較大的拉伸變形，極易出現嚴重減薄和破裂，從而導致金屬薄板成形失效。隨著金屬薄板拉伸變形的程度大幅增大，局部減薄和失穩破裂的程度更加嚴重。因此，利用傳統的沖壓成形工藝難以加工出具有高深寬比、細密化微細結構的金屬薄板微細結構件。

經過對現有技術的文獻檢索，發現對具有高深寬比微細結構的金屬薄板微細結構件的加工裝置及方法的研究報道極少。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于輥壓—沖壓復合成形工藝加工制造高深寬比金屬薄板微細結構的加工裝置及方法。單純的沖壓成形工藝在加工高深寬比微細結構過程中由于板材發生過大的拉伸變形，在局部產生劇烈減薄，發生破裂而失效。本發明提供了一種新的輥壓-沖壓復合成形裝置及工藝，在進行沖壓成形之前，先通過輥壓成形將金屬薄板連續地、漸進地成形為具有初期微細結構的初期微細特征薄板，有利于金屬薄板的均勻變形和減小應力集中，實現在一條生產線上連續生產加工具有高深寬比微細結構的金屬薄板微細結構件。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種高深寬比金屬薄板微細結構的加工裝置，包括依次設置的開卷機、送料輥、定位孔沖裁工具、成形輥模具、整平機構以及沖壓切邊組合，該沖壓切邊組合包括沖壓模具和切邊模具，其中，

成形輥模具：設置在定位孔沖裁工具和沖壓切邊組合之間，用于對金屬薄板輥壓成形，得到具有初期微細結構的初期微細特征薄板；

整平機構：設置在成形輥模具和沖壓切邊組合之間，用于整平初期微細特征薄板。整平機構的數量可以是一個，也可以是多個；根據整平精度選擇整平機構的數量；

沖壓切邊組合：包括沖壓模具和切邊模具，用于對初期微細特征薄板進行沖壓成形和切邊沖裁，最終獲得目標形式的高深寬比金屬薄板微細結構件。

作為優選，所述成形輥模具是上下放置的共軛的成形輥子對，即互為輥壓成形的輥壓凸模和輥壓凹模，其圓周表面結構由所述初期微細結構映射生成；利用成形輥子對加工成形具有初期微細結構的初期微細特征薄板，初期微細特征薄板的微細結構形式根據金屬薄板微細結構的最終目標結構形式優化設計，成形輥的圓周表面輪廓的特征結構則由初期微細特征薄板的微細結構映射生成。

成形輥子對的圓周表面布置至少一段特定寬度的微細結構，一個圓周可以輥壓若干段初期微細特征薄板。

作為優選，所述輥壓凸模和輥壓凹模選用直徑大小不同的成形輥，且兩者的安裝間距根據所述金屬薄板的厚度和所述初期微細結構的深度而調整，從而能輥壓成形出不同深度的初期微細結構。

作為優選，所述整平機構包括上下布置的帶輪和皮帶，利用帶輪旋轉帶動繃緊的皮帶對所述初期微細特征薄板施加壓力，使其整體達到平整，為后續切邊沖裁和沖壓成形實現精準定位，同時帶動平整后的初期微細特征薄板向后輸送。可根據具體情況布置多個整平機構，實現初期微細特征薄板的整平。

作為優選，所述沖壓模具包括沖壓凸模和沖壓凹模，該沖壓模具特征結構與所述初期微細特征薄板的初期微細結構在水平面方向的尺寸和周期均相等，保證沖壓成形過程不會干涉。

作為優選，所述切邊模具設置在所述沖壓模具之前，用于將整平后的所述初期微細特征薄板按設計尺寸進行切邊沖裁，即裁剪，是指按照設定的特定尺寸對連續的初期微細特征薄板進行裁剪，作為沖壓成形的坯料。

作為優選，所述沖壓模具和所述切邊模具合并為級進模，實現一次行程同時完成所述初期微細特征薄板相鄰區域的沖壓成形和切邊沖裁，該結構能縮短工步，提高加工效率。

作為優選，還包括設置在所述級進模后的步進收料卷，用于回收經過級進模后的余料。

此外，本發明還提供一種高深寬比金屬薄板微細結構的加工方法，該方法包括以下步驟：

(1)根據初期微細特征薄板的初期微細結構，選擇具有相應特征結構的成形輥模具，通過映射目標微細結構加工沖壓模具；

(2)待加工金屬薄板由開卷機輸出，通過送料輥送至定位孔沖裁工具，加工定位孔，然后進入成形輥模具，輥壓形成得到具有初期細微結構的初期微細特征薄板；

(3)將所得初期微細特征薄板輸入整平機構進行整平，然后依次采用切邊模具和沖壓模具對初期微細特征薄板進行切邊沖裁和沖壓成形，或者采用級進模進行一體化沖壓成形和切邊沖裁，得到具有目標形式的高深寬比微細結構的金屬薄板微細結構件。

作為優選，在所述沖壓成形過程中，先通過初期微細特征薄板左右兩端的定位孔進行整體定位，然后通過初期微細特征薄板的初期微細特征與沖壓模具特征結構的匹配進行每個初期微細特征的定位。

本發明首先根據金屬薄板微細結構目標形式，通過計算優化設計加工生成具有相應的特征結構的成形輥子對，通過映射金屬薄板微細結構的目標形式加工生成沖壓模具。在加工生成成形輥子對和沖壓模具后，在一條連續的生產線上進行金屬薄板微細結構的加工。生產線加工包括兩個階段，第一階段包括金屬薄板定位孔沖裁和具有初期微細結構的特征薄板的輥壓成形，第二階段包括初期微細特征薄板整平、裁剪和沖壓成形。在第一階段，采用具有設計特征結構的成形輥子對對金屬薄板進行輥壓成形，加工出具有初期微細特征結構的金屬薄板，即初期微細特征薄板；在第二階段，對輥壓成形的初期微細特征薄板進行整平，并裁剪成特定尺寸，最后將特定尺寸大小的初期微細特征薄板送入沖壓模具進行深度成形得到具有目標形式的金屬薄板微細結構件。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1、本發明能夠加工出具有高深寬比微細結構的金屬薄板微細結構件，能避免金屬薄板成形失效。

2、采用成形輥子對金屬薄板進行初步加工，形成初期微細結構，避免后續沖壓成形出現嚴重減薄和破裂。

3、輥壓凸模和輥壓凹模的直徑大小和安裝間距可以靈活調整，進而可以加工出深淺程度不同的初期微細結構。

4、采用級進模，使本發明的加工裝置更加緊湊，減少工步，提高加工效率。

5、能夠實現高效率、精密成形，同時能夠保證較高公差要求的連續成形工藝制造方法，能夠大幅提高金屬薄板微細結構的極限成形深寬比，為制造加工具有高深寬比的金屬薄板微細結構提供了一種切實可行的方法。

附圖說明

圖1為本發明實施例1加工裝置的總體布局示意圖；

圖2為金屬薄板的定位孔沖裁；

圖3為輥壓成形的初期微細特征薄板；

圖4為單周期初期微細特征薄板坯料；

圖5為微細波紋特征；

圖6為微細流道特征；

圖7為微細點陣特征；

圖8為周期特征區域輥壓成形過程步驟S1；

圖9為周期特征區域輥壓成形過程步驟S2；

圖10為周期特征區域輥壓成形過程步驟S3；

圖11為周期特征區域輥壓成形過程步驟S4；

圖12為作為沖壓成形坯料的初期微細特征薄板；

圖13為沖壓成形的落料定位；

圖14為沖壓成形的最終成形；

圖15為本發明實施例2加工裝置的總體布局示意圖；

圖16為級進模；

附圖中：1-定位孔，2-定位孔沖裁之后的金屬薄板，3-輥壓凸模，4-輥壓凹模，5-輥壓凸起特征，6-輥壓凹槽特征，7-初期微細特征薄板，8-沖壓凸模，9-沖壓凹模，10-定位銷孔，11-定位銷，12-目標微細特征薄板，13-開卷機，14-送料輥，15-定位孔沖裁工具，16-成型輥模具，17-整平機構，18-切邊模具，19-沖壓模具，20-級進模，21-步進收料卷。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1：

本實施例提供了一種高深寬比金屬薄板微細結構的加工裝置，其總體布局如圖1所示，其局部結構見其它附圖。具體來說，該加工裝置是一種連續的生產線，包括依次設置的開卷機13、送料輥14、定位孔沖裁工具15、成形輥模具16、整平機構17、切邊模具18以及沖壓模具19，其中，成形輥模具16用于對金屬薄板輥壓成形，得到具有初期微細結構的初期微細特征薄板7(見圖12)；整平機構17用于整平初期微細特征薄板7。

成形輥模具16：如圖8至11所示，成形輥模具是上下放置的共軛的成形輥子對，即互為輥壓成形的輥壓凸模3和輥壓凹模4。成形輥子對16的安裝調整根據實際生產的初期微細特征薄板7決定，其安裝間距由金屬薄板的厚度和初期微細特征薄板7的成形深度決定。在輥壓過程中，輥壓凸模3和輥壓凹模4分別繞軸做相向轉動，通過輥壓凸模3上的輥壓凸起特征5將初期微細特征薄板坯料2壓入輥壓凹模4的輥壓凹槽特征6，實現初期微細特征薄板7的輥壓成形。輥壓凸模3和輥壓凹模4選用直徑大小不同的成形輥，滿足不同形式的初期微細結構的輥壓成形要求。

成形輥子對16的表面輪廓結構根據初期微細特征薄板7的設計形狀進行映射生成。成形輥子對16表面布置3個初期微細特征薄板7的初期細微結構，一個圓周可進行3個初期微細特征薄板7的輥壓成形。利用不同形式微細結構的成形輥子對16可以輥壓成形具有不同形式微細結構的初期微細特征薄板7，常見形式的微細結構有微細波紋結構(見圖5)、微細流道結構(見圖6)和微細點陣結構(見圖7)，為了更加清楚地說明結構，本實施例采用微細波紋結構。

整平機構17：如圖1所示，整平機構17包括上下布置的帶輪和皮帶，利用帶輪旋轉帶動繃緊的皮帶對初期微細特征薄板7施加壓力，使其整體輪廓達到平整，為后續切邊沖裁和沖壓成形實現精準定位，同時帶動平整后的初期微細特征薄板7向后輸送。本實施例中整平機構的數量是1個。

沖壓模具19：如圖12、13所示，沖壓模具19包括沖壓凸模8和沖壓凹模9，該沖壓模具19特征結構與初期微細特征薄板7的初期微細結構在水平面方向的尺寸和周期均相等，保證沖壓成形過程不會干涉。沖壓模具19形狀結構由目標微細結構映射而成。沖壓凸模8上布置定位銷孔10，沖壓凹模9上布置定位銷11。沖壓凹模9上的定位銷11與初期微細特征薄板7的定位孔1配合從而實現初期微細特征薄板7的整體定位；初期微細特征薄板7的初期微細結構在沖壓凹模9的特征結構中具有自定位作用，從而實現了其他細微結構的定位。

采用上述裝置進行高深寬比金屬薄板微細結構的加工方法包括以下主要步驟：

(1)根據初期微細特征薄板7的初期微細結構，選擇具有相應特征結構的成形輥子對16，通過映射目標微細結構加工沖壓模具19；

(2)待加工金屬薄板由開卷機13輸出，通過送料輥14送至定位孔沖裁工具15，加工定位孔1，然后進入成形輥子對16，輥壓形成得到具有初期細微結構的初期微細特征薄板7；

(3)將所得初期微細特征薄板7輸入整平機構17進行整平，然后依次采用切邊模具18和沖壓模具19對初期微細特征薄板7進行切邊沖裁和沖壓成形，得到目標微細特征薄板12(見圖14或16)。

具體步驟細節如下：

金屬薄板可以為不銹鋼、鈦合金等材料，本實施例采用不銹鋼金屬薄板，其厚度范圍在0.05mm—0.30mm，并且儲存在卷軸機內。生產中由開卷機13輸出。

定位孔沖裁工序：在輥壓成形之前，進行定位孔沖裁，以實現沖壓成形過程整體的精準定位。定位孔沖裁工具15在輥壓成形前預先在金屬薄板特定位置加工定位孔1，如圖2所示。兩端定位孔1之間的金屬薄板的特征區域將在輥壓成形過程中形成初期微細特征，如圖3、4所示。

沖壓成形工序：如圖13、14所示，利用沖壓模具19對初期微細特征薄板7進行沖壓成形，從而得到最終形狀的目標微細特征薄板12。

在沖壓成形過程中，先通過初期微細特征薄板7左右兩端的定位孔1進行整體定位，然后通過初期微細特征薄板7的初期微細結構與沖壓模具19特征結構的匹配進行每個初期微細結構的定位。在初期微細特征薄板7定位之后，沖壓凸模8在較大的沖壓力作用下下壓，擠壓初期微細特征薄板7貼合沖壓凹模9的特征結構表面，金屬薄板材料發生拉伸變形最終得到具有高深寬比微細結構的目標微細特征薄板12。

實施例2：

本實施例提供了另外一種高深寬比金屬薄板微細結構的加工裝置，其總體布局如圖15所示，具體也是一條連續的生產線，包括依次設置的開卷機13、送料輥14、定位孔沖裁工具15、成形輥模具、整平機構17、級進模20以及步進收料卷21。

如圖16所示，級進模20包括沖壓模具19和切邊模具18，可以實現液壓機一次行程同時完成金屬薄板相鄰區域的初期微細特征薄板7的沖壓成形和沖壓成形后的目標微細特征薄板12的切邊沖裁。級進模20和步進收料卷21相配合，每個工步金屬薄板行進1個初期微細特征薄板7的周期長度，經過級進模20加工后的余料通過步進收料卷21回收。

本實施例的開卷機13、送料輥14、定位孔沖裁工具15、成形輥子對16以及整平機構17同本發明實施案例1中一致，不再贅述。

采用本實施例進行高深寬比金屬薄板微細結構的加工方法包括以下主要步驟：

(1)根據初期微細特征薄板7的初期微細結構，選擇具有相應特征結構的成形輥子對16，通過映射目標微細結構加工沖壓模具19；

(2)待加工金屬薄板由開卷機13輸出，通過送料輥14送至定位孔沖裁工具15，加工定位孔1，然后進入成形輥子對16，輥壓形成得到具有初期細微結構的初期微細特征薄板7；

(3)將所得初期微細特征薄板7輸入整平機構17進行整平，然后采用級進模20對初期微細特征薄板7進行沖壓成形和切邊沖裁的一體化，得到目標微細特征薄板12。

具體步驟細節如下：

本實施例采用鈦合金作為金屬薄板材料。金屬薄板厚度范圍在0.05mm—0.30mm。

本實施例的其他工序同實施例1中一致，也不再贅述。

本發明不受所給出實施例的限制，許多地方要根據實際應用中金屬薄板的目標微細結構來改變。成形輥子對的直徑大小和特征結構的形式要通過優化計算選擇，輥壓凸模和輥壓凹模之間的距離由實際生產中的金屬薄板厚度和設計的初期微細特征薄板的初期微細結構來決定。金屬薄板微細結構的形式除了圖5至7所提出的3種主要形式還可以是其它的特殊形式，也可以是各種不同微細結構的復合形式。沖壓成形工序中可以布置一套包含多個成形深度遞增的沖壓模具的復合模具來完成初期微細結構的多工步漸進成形，最終形成目標微細結構。