氫燃料電池在反應過程中只產生水，對環境沒有污染，因此被國內外大量研究。近年來金屬雙極板憑借質量輕、厚度薄、塑性成形性能好、可批量生產等優勢，正逐漸替代石墨雙極板。金屬材料在沖床成形過程中的受力和變形過程復雜，國內外眾多研究人員對其沖床過程中材料流動、材料內部應力變化、材料強化等進行了大量研究[1,2]。20世紀60年代Keeler和Goodwin提出了成形極限圖（FLD）的概念，成形極限圖為研究板料成形極限和評價拉伸失穩理論提供了基礎。目前應用較廣泛的成形極限理論有Swift分散性失穩理論和Hill集中性失穩理論以及M-K理論[3]。V PATRICIA等[4]利用johnson-cook模型表征考慮應變速率和溫度的材料行為，最后基于M-K凹槽失穩理論預測了材料的成形極限圖。對于超薄金屬板，板料厚向晶粒數減少，使變形的不均勻性增加，導致板料的延伸率和抗拉強度隨板料的減薄而降低[5]，因此對于超薄不銹鋼材料，拉深破裂成為制約其拉深深度的關鍵障礙，影響零件成形性能。成形極限不僅取決于材料特性，而且也取決于成形工藝、模具形狀、摩擦等因素[6]。為了提高燃料電池的反應效率，要求金屬雙極板流道細密，且傾角和深度都達到一定要求，難以通過單步沖床實現這種大深寬比的細密結構。國內外學者對金屬雙極板的成形方法進行了大量研究，E MAJID等[7]通過橡膠墊成形的方式制備金屬雙極板，研究了不同硬度橡膠墊對成形傾角和深度的影響；K A GHOSH[8]研究發現較低的摩擦系數可以使板材的應變分布更加均勻，提高成形過程中的應變失效極限；李茂春[9]研究了304不銹鋼雙極板蛇形結構的單步沖床成形工藝；張金營等[10]運用級進模沖床成形工藝制備有8根平行流道的金屬雙極板。現通過對316L不銹鋼材料特性的研究，進行多步成形有限元分析，建立最優成形深度在關鍵參數影響下的響應面方程，然后設計模具進行多步成形試驗，并與仿真結果進行對比，為超薄金屬板多步沖床成形制備提供依據。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置與設備

使用的超薄板多步成形試驗裝置主要由電子萬能試驗機、多步成形小模具、限位裝置等組成。其中電子萬能試驗機最大載荷為30 kN，如圖1所示。成形設備最大載荷約6 300 kN，所示。

 液壓沖床

小模具采用模具鋼SKD-11制作，保證其在沖床過程中細小的筋不會開裂或產生塑性變形，小模具兩端的定位孔配合導柱標準件，既起到定位作用，又起到導向作用，如圖3所示。

 尺寸較小試驗模具

1.2 試驗材料

在制備超薄不銹鋼金屬雙極板時，采用的材料主要是奧氏體不銹鋼，如SS304、SS316、SS316L等，這是由于奧氏體不銹鋼具有良好的可成形性和耐腐蝕性，能適應所制備零件的成形及功能性要求，所使用的不銹鋼材料為SS316L。

1.3 試驗方案

采用電子萬能試驗機進行材料力學性能測試，將測得的材料性能輸入有限元仿真軟件ABAQUS進行三步沖床成形仿真，獲得0.1 mm厚超薄316L不銹鋼的極限成形響應面。然后制作波浪形周期1.4 mm的精密小模具進行試驗驗證，成形過程中使用塞尺進行深度控制。最后設計金屬雙極板成形模具，在大型液壓機上進行沖床成形，用掃描儀測量成形結果，并與仿真結果對比。成形試驗中未設置拉深筋，而將模具最邊緣的波浪形結構作為拉深筋，不考慮壓邊力的影響，以期盡量減少成形質量的影響，僅對成形板料邊緣的幾根流道數據進行適當取舍。

2 結果與討論

2.1 材料屬性

金屬板料在軋制過程中由于晶體取向，導致材料呈現各向異性，如忽略面內的異性，則體現為厚向異性。使用的316L不銹鋼板料厚度為0.1 mm，屬于超薄不銹鋼。對316L不銹鋼進行取樣測試，分別取與軋制方向呈0（水平方向）、45°、90°的試樣進行拉伸測試，測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，試驗所用316L不銹鋼存在一定的各向異性，0方向試樣的延伸率略大于45°方向和90°方向試樣。二手沖床回收

 316L不銹鋼拉伸應力應變曲線

通過試驗和仿真證明，316L不銹鋼的各向異性對拉深成形影響較小，因此可忽略，僅對其3個方向試樣測得的塑性應力應變數據進行平均處理，用于有限元仿真計算。對3種測試樣品的數據進行平均處理后得到材料的彈性模量為115 GPa、屈服強度為292 MPa、抗拉強度為820 MPa、延伸率約為36.6%。材料塑性應力應變如表1所示。

表1   316L不銹鋼塑性應力應變

表1中的材料塑性應力應變數據是將彈性段去除，并經過數據處理后得到的塑性部分應力應變，反應材料塑性，用于在仿真中表征材料塑性變形。

2.2 仿真分析

在獲取材料力學性能的基礎上，通過有限元仿真軟件進行塑性成形仿真。通過ABAQUS對0.1 mm厚316L不銹鋼成形性進行仿真計算，所要成形的結構特征如圖5所示。

金屬雙極板流道結構特征

模具零件間隙的設計需要考慮板厚，因此最小間隙采用1.1倍板厚，模具零件圓角的設計則要考慮CNC設備的加工能力，圓角設計太小將導致CNC加工后的圓角部位趨向于斜角，不利于成形，因此通過加工試驗確定該模具最小圓角為R0.08 mm。

直接通過單步成形難以實現圖5所示結構的制備，因為較小的模具零件間隙和模具零件圓角會導致板料開裂，如圖6所示。

 單步成形出現應力集中

因此針對0.1 mm厚的超薄不銹鋼板，通過三步成形的方式，逐步減小模具零件圓角和間隙，避免應力集中導致板料開裂，模具零件間隙與圓角分析后得到的較優結果如表2所示。

表2   模具零件圓角與間隙

針對不同的波浪形流場的周期長度與脊槽寬度進行仿真，獲取滿足結構要求的極限成形深度，得到響應面方程。根據實際生產中采用的零件結構尺寸進行參數設置，需要注意的是實際沖床得到的零件脊槽比不是精確數值，其由模具的脊槽比決定，而根據凸模或凹模的脊槽比與凸、凹模間隙，可以計算凸、凹模的脊寬比，因此為了更直觀地體現凸、凹模的對比關系，采用凸凹模脊寬比作為變化參數。

有限元模型如圖7所示，其中板料厚度方向設置5層網格，以達到較精確的板厚結果。成形結果判定：通常減薄大于40%時認為存在開裂風險。

有限元模型

仿真得到極限成形深度在周期和凸、凹模脊寬比影響下的響應面如圖8所示。

  極限成形深度響應面

響應面擬合方程為：

z=z0+ax+by+cx2+dy2+fxy

其中，z為極限成形深度；x為周期長度；y為凸、凹模脊寬比；z0、a、b、c、d、f為方程參數，其值分別為0.071、0.319、0.021、0.114、-0.015、0.049。

從圖8可以看出，在不同波浪周期的極限成形深度都表現相同的變化特征，即在凸、凹模脊寬比為1時，達到最大極限成形深度，這將為后續的模具設計提供依據。

2.3 多步沖床試驗

根據實際生產中采用的波浪形流場周期及仿真結果，選取波浪形周期為1.4 mm的參數設計多步成形模具，模具參數設計依據仿真分析得到的最優參數如表3所示。

表3   小模具參數 ( mm )

在電子萬能試驗機上進行試驗，利用限位塊精確限制上壓頭的位移，通過定位柱以及波浪形流道進行定位。將成形后的試樣用冷鑲嵌液制備成金相試樣，然后通過電子顯微鏡觀察測量特征尺寸，測量結果表明，特征傾角以及所需求的脊槽寬度均達到較好效果，試驗結果與仿真吻合，如圖9所示。

小模具成形試驗結果

接著在大型液壓沖床上進行多流道金屬極板成形制備，利用激光輪廓儀進行流道高度測量，并與仿真結果進行對比，如圖10所示。從圖10可以看出，除了最邊緣兩根流道的試驗與仿真存在偏差外，流場區的實際成形高度與仿真基本一致。最邊緣2根流道深度與仿真不一致的原因是實際的試驗模具未設置拉深筋導致板料向里流動。

多流道沖床成形與仿真對比

由上述分析可知，通過多步沖床成形，避免了單步成形時材料流動被模具零件圓角限制而導致的開裂。多步成形通過模具零件圓角和間隙的逐步減小，材料塑性流動更加均勻，板料各部位減薄均勻，有效避免了沖床成形中的應力集中導致的開裂現象。精確測得材料力學屬性后，通過仿真對不同流道周期和脊槽比方案進行成形分析，可以預測板料的成形極限，試驗結果與仿真的匹配度較高。在較大尺寸的金屬極板沖床成形中，由于未設計拉深筋，會導致局部區域尺寸異常，舍棄板料邊緣數根流道的測量數據。

3 結束語

為了研究燃料電池多步成形工藝，采用電子萬能試驗機進行316L不銹鋼力學性能測試，利用有限元仿真方法進行多步成形仿真計算，獲得316L不銹鋼三步成形極限。通過不同尺寸規模的試驗模具進行成形試驗，得到以下結果。

（1）通過仿真，可以準確預測316L不銹鋼在不同流道周期和脊槽比設計時的極限成形深度，縮短了模具設計周期，減少試模次數。

（2）凸、凹模脊寬比為1時的仿真結果最優，其極限深度最深，板料傾角的偏差最小。

（3）通過多步成形，可以得到流道截面尺寸較優的燃料電池金屬雙極板流道結構，避免出現開裂及尺寸精度差的現象。

（4）針對結構復雜的金屬雙極板，還要考慮回彈因素的影響，在模具設計中考慮補償量。