前言
近(jin)些年来(lai)，在能源危(wei)机(ji)以及(ji)绿(lv)色环保(bao)的(de)政(zheng)策需求(qiu)背景下，新能源汽(qi)车(che)的发(fa)展获(huo)得(de)了(le)广泛(fan)关(guan)注(zhu)，其(qi)中(zhong)以(yi)氢(qing)气为(wei)原(yuan)料的(de)质(zhi)子(zi)交换膜(mo)燃料电池汽(qi)车(che)是最具(ju)有效(xiao)率及(ji)环(huan)保潜力的(de)解(jie)决方案之一(yi)［1］，例如日(ri)本(ben)Mriai和(he)韩国(guo)现代(dai)等(deng)商业(ye)化燃料(liao)电池(chi)汽车(che)获(huo)得(de)了(le)广(guang)泛的关(guan)注。质子交(jiao)换(huan)膜燃料(liao)电池(chi)的主(zhu)要(yao)工(gong)作(zuo)原理(li)为通过(guo)电(dian)化(hua)学反应(ying)将(jiang)化学能(neng)转(zhuan)化(hua)为(wei)电(dian)能(neng)，具有(you)高能(neng)效(xiao)、无(wu)污染(ran)、快(kuai)速响应负(fu)载变(bian)化、高(gao)能(neng)量(liang)转(zhuan)换(huan)效率和低(di)运行(xing)温度(du)等(deng)特点(dian)。极(ji)板(ban)是质(zhi)子交换膜(mo)燃(ran)料(liao)电池(chi)的关(guan)键部(bu)件之一，具(ju)有(you)隔离并分配反(fan)应(ying)气体(ti)、收(shou)集(ji)电子(zi)以及(ji)结构支(zhi)撑等(deng)作用，根(gen)据(ju)材质区分，极(ji)板(ban)主(zhu)要(yao)分为石(shi)墨极(ji)板、金属(shu)双(shuang)极(ji)板和复合(he)材(cai)料极(ji)板，其中金属双(shuang)极(ji)板凭(ping)借(jie)其特有(you)的(de)超薄、易(yi)加工、低成(cheng)本等(deng)优(you)点受(shou)到(dao)人们的广(guang)泛关注。金属(shu)极(ji)板(ban)的(de)成(cheng)形难点(dian)在(zai)于其微(wei)流道(dao)的(de)加工(gong)成(cheng)形，对于(yu)金(jin)属(shu)极(ji)板的(de)成(cheng)形工艺(yi)研究(jiu)也(ye)多(duo)集中于如(ru)何(he)提(ti)高(gao)金(jin)属极(ji)板(ban)微(wei)流道(dao)的(de)成形(xing)质(zhi)量(liang)［2］。
微(wei)流(liu)道(dao)的(de)结(jie)构尺寸(cun)与接(jie)近(jin)甚(shen)至(zhi)达到(dao)金属(shu)材(cai)料(liao)的晶(jing)粒(li)尺(chi)寸数量(liang)级(ji)时(shi)，由(you)于每(mei)个(ge)晶粒在(zai)变形中(zhong)显(xian)示出各向异性，在局部(bu)区域(yu)，塑性(xing)变(bian)形(xing)特征区别(bie)于(yu)常规尺寸成形(xing)，出(chu)现(xian)异(yi)常的(de)不均匀性，这(zhe)就(jiu)是(shi)在(zai)微(wei)结(jie)构变(bian)形(xing)中(zhong)材料(liao)的(de)成(cheng)形性尺寸(cun)效应(ying)［3-4］。对(dui)于(yu)微成形过程，尺寸(cun)效应的存(cun)在(zai)损(sun)害(hai)微结构(gou)零(ling)件(jian)的(de)塑性(xing)成形过程(cheng)，其主(zhu)要(yao)体现(xian)在(zai)降低(di)材(cai)料成(cheng)形性，增大(da)成形工(gong)艺(yi)的不稳(wen)定性(xing)，易(yi)诱发成形(xing)缺(que)陷，破(po)坏(huai)结(jie)构精度(du)，以(yi)及加(jia)剧摩擦等(deng)［5-6］。微(wei)流道的(de)成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)需要(yao)材料在微小(xiao)模(mo)具(ju)型(xing)腔(qiang)内(nei)部完(wan)全贴膜(mo)，由(you)于模(mo)具(ju)型(xing)腔(qiang)边(bian)界约(yue)束，及接(jie)触面(mian)摩擦(ca)影响，微(wei)成(cheng)形(xing)过(guo)程的(de)塑性(xing)变形(xing)行(xing)为(wei)更(geng)加(jia)复(fu)杂，变(bian)形(xing)抗(kang)力(li)更大(da)，工(gong)艺(yi)更加复杂。因(yin)此(ci)，须仔(zai)细探究微(wei)流道成(cheng)形的工艺参数(shu)［7-8］。微(wei)流(liu)道(dao)结(jie)构存(cun)在着多种的成形(xing)方(fang)式，如冲压(ya)成(cheng)形、软(ruan)模成形(xing)、电磁(ci)成形(xing)和液(ye)压(ya)成(cheng)形(xing)等，根(gen)据Mohammadtabar的研(yan)究(jiu)［9］，液(ye)压(ya)成形相(xiang)比其(qi)他微流(liu)道结(jie)构(gou)成(cheng)形工艺能(neng)获得(de)更(geng)精密(mi)的几何(he)结构，在(zai)液(ye)压(ya)成(cheng)形的(de)基础(chu)上他提出(chu)了一(yi)种两步液(ye)压(ya)成(cheng)形(xing)方法(fa)，使(shi)用(yong)在(zai)凹模上(shang)进行(xing)初始的(de)液(ye)压成形(xing)步骤，然后在凸(tu)模(mo)上(shang)完成(cheng)液(ye)压成(cheng)形(xing)过程，实现(xian)高(gao)精(jing)度高(gao)几何复杂性的(de)微流(liu)道(dao)特征成(cheng)形(xing)，并(bing)且(qie)研(yan)究了(le)80、90以及100MPa对(dui)成(cheng)形(xing)效果的(de)影(ying)响。Belali-Owsia等(deng)［10］在(zai)对液(ye)压(ya)成(cheng)形(xing)、冲(chong)压成(cheng)形(xing)及销钉混合(he)成(cheng)形3种(zhong)成(cheng)形(xing)方(fang)法的(de)成(cheng)形(xing)质量(liang)研(yan)究后发现，随(sui)液压(ya)压(ya)力的增加，双极(ji)板的(de)厚(hou)度分(fen)布(bu)更加(jia)均(jun)匀(yun)。Hung等(deng)［11］则通过使(shi)用复合材料(liao)对(dui)传统液压成形(xing)设备(bei)进(jin)行(xing)升(sheng)级(ji)，实现了(le)250MPa高压成形，将(jiang)微(wei)流道特(te)征的(de)成(cheng)形(xing)最(zui)大纵(zong)横比(bi)从(cong)传(chuan)统(tong)液压的0.31提(ti)高(gao)至0.468，论证了高压(ya)对微(wei)流道结(jie)构纵横比的(de)促进作用(yong)。Palumbo等［12］对(dui)圆(yuan)形、蛇(she)形和多(duo)蛇形(xing)流场(chang)的铝(lv)的(de)微流道(dao)，进(jin)行(xing)了设(she)备(bei)改造，在(zai)液(ye)压(ya)成(cheng)形(xing)工(gong)艺(yi)的基础上(shang)进(jin)行(xing)不同温(wen)度(du)对(dui)成形效果影(ying)响(xiang)的探(tan)究(jiu)，摸索出(chu)了(le)适(shi)合的温热液(ye)压(ya)成(cheng)形(xing)工(gong)艺(yi)参数。
目前(qian)在(zai)金属双极板材料选择(ze)中，不(bu)锈钢(gang)因其(qi)优异的成形(xing)性获(huo)得了研(yan)究人员的关注(zhu)［13-15］，通(tong)过(guo)多种(zhong)成(cheng)形方式(shi)的(de)摸索(suo)，基(ji)本上解决了不锈钢双极板流道加(jia)工(gong)的难(nan)题(ti)。但(dan)是随(sui)着燃料电(dian)池产(chan)业(ye)的技术发(fa)展(zhan)，不(bu)锈(xiu)钢(gang)双极板(ban)难以满足(zu)电池(chi)堆(dui)长(zhang)寿(shou)命(ming)及高耐(nai)蚀(shi)性(xing)的(de)要求(qiu)，须增(zeng)加额(e)外的涂层材(cai)料(liao)和表面(mian)处理工艺(yi)，导致生产效(xiao)率下(xia)降(jiang)和(he)制(zhi)造成(cheng)本提(ti)高［16］。钛金(jin)属密(mi)度(du)低(di)、比(bi)强度高，在(zai)氢燃(ran)料电池(chi)中具(ju)有优(you)良的耐蚀性，可(ke)以(yi)明显(xian)降低双(shuang)极板质量和(he)体(ti)积，从而(er)显(xian)著提升(sheng)电(dian)池(chi)的质量比(bi)功(gong)率和(he)体积比(bi)功(gong)率，且(qie)钛金属(shu)在长期(qi)服(fu)役(yi)运行过(guo)程中(zhong)产(chan)生(sheng)的(de)腐(fu)蚀产物(wu)对质子交(jiao)换膜(mo)和(he)催(cui)化剂的(de)毒(du)性(xing)较弱(ruo)，有(you)利于(yu)提(ti)升电池(chi)运行的(de)稳定性(xing)和(he)长使(shi)用寿命［17-18］。但(dan)超(chao)薄钛板的室(shi)温(wen)塑(su)性相比不锈钢(gang)材料(liao)较差(cha)，且回(hui)弹较为严(yan)重等问(wen)题，因(yin)此还(hai)需(xu)要对(dui)钛(tai)板的微流道成形进行(xing)研(yan)究(jiu)。韩(han)国(guo)的(de)Kim等(deng)［19］采用动态(tai)载荷冲(chong)压(ya)成形制(zhi)备(bei)了(le)钛(tai)金属双极板(ban)，由(you)于(yu)钛的延伸(shen)率更(geng)差(cha)，其成(cheng)形流(liu)道(dao)深度与(yu)相(xiang)同(tong)工(gong)艺成形(xing)的(de)不锈钢(gang)双(shuang)极(ji)板(ban)流道(dao)深度相(xiang)比减(jian)少了20.7%。日本(ben)丰田公司开发了(le)一(yi)种基于(yu)多台(tai)压(ya)力(li)机(ji)和(he)多道(dao)工序的冲(chong)压工艺成形(xing)钛(tai)金(jin)属(shu)双(shuang)极(ji)板，并(bing)应(ying)用于(yu)Mirai氢(qing)燃(ran)料电池车［20］。
国(guo)内(nei)太原(yuan)理工(gong)大学王(wang)琪(qi)、林(lin)鹏等(deng)［21-22］采(cai)用(yong)温(wen)热冲(chong)压(ya)和软模(mo)成(cheng)形实(shi)现了钛(tai)金(jin)属双极板的微(wei)流道成形。哈(ha)尔滨(bin)工业(ye)大学郭(guo)斌、单(dan)忠(zhong)德、徐(xu)杰(jie)等(deng)［23］对比研(yan)究(jiu)了(le)准(zhun)静态(tai)成形(xing)、电磁(ci)成(cheng)形和(he)电(dian)磁(ci)预成形-准静(jing)态(tai)成(cheng)形(xing)对钛(tai)金属(shu)双(shuang)极板成(cheng)形性(xing)能的影响(xiang)，发现电(dian)磁(ci)预成(cheng)形-准(zhun)静(jing)态(tai)成形(xing)的(de)两步(bu)冲(chong)压方法(fa)提(ti)高了钛金(jin)属双(shuang)极板的(de)极限(xian)深(shen)度、厚度(du)均匀性和尺寸(cun)精(jing)度(du)。华中科(ke)技(ji)大(da)学韩(han)小(xiao)涛等［24］使(shi)用(yong)电磁(ci)成形(xing)制(zhi)备了(le)钛金属(shu)双极板。上(shang)海(hai)交通大(da)学(xue)来(lai)新(xin)民(min)、彭林法(fa)等(deng)采(cai)用辊(gun)压(ya)成(cheng)形(xing)［25］、多(duo)工步(bu)冲(chong)压(ya)成形［26］对(dui)钛(tai)金属(shu)双(shuang)极板(ban)微流道(dao)制(zhi)备展(zhan)开了研究(jiu)。
为(wei)实现(xian)指导(dao)纯钛双极(ji)板(ban)的成形，本文(wen)选(xuan)择(ze)了有(you)利于加工和(he)后续(xu)拼(pin)接(jie)的(de)梯形截(jie)面微(wei)流(liu)道进(jin)行液(ye)压(ya)成(cheng)形(xing)试验研(yan)究，采(cai)取直(zhi)流道设(she)计(ji)，材料(liao)上(shang)选(xuan)择0.1mm厚(hou)度(du)TA2纯钛(tai)薄(bao)板。建(jian)立相(xiang)关有限(xian)元(yuan)模型，采(cai)用试(shi)验验(yan)证有限(xian)元模型(xing)准确(que)性(xing)。目(mu)前(qian)液压成形(xing)研究多(duo)集(ji)中(zhong)于液压(ya)压力对成形(xing)的影(ying)响(xiang)，本文探究(jiu)了液(ye)压(ya)成形过(guo)程中容易(yi)调节的液压(ya)参数［27］包括液(ye)体压力、加(jia)载
速(su)度(du)及不同(tong)复杂加(jia)载(zai)路(lu)径(jing)对成(cheng)形流道深(shen)度(du)及(ji)减(jian)薄率(lv)影(ying)响(xiang)，为(wei)后续(xu)液(ye)压(ya)成(cheng)形纯钛双极(ji)板(ban)提供设计(ji)依(yi)据(ju)。
1、材(cai)料与(yu)试验方法
1.1试(shi)验材(cai)料与(yu)目(mu)标工件(jian)
材料(liao)选(xuan)择(ze)0.1mm厚度TA2纯钛薄(bao)板(ban)，薄板的制(zhi)备(bei)为多(duo)道次(ci)热(re)轧工(gong)艺(yi)并(bing)进行(xing)氩气(qi)退(tui)火(huo)。从(cong)薄(bao)板(ban)的(de)厚度(du)方(fang)向(xiang)为(wei)观(guan)测面，获(huo)得材料(liao)的(de)初始微(wei)观组(zu)织(zhi)，如图(tu)1所(suo)示(shi)。从(cong)图(tu)1中可(ke)以看出，薄(bao)板(ban)晶(jing)粒(li)均匀(yun)，处(chu)于完(wan)全退火(huo)态。考(kao)虑沿(yan)轧(ya)制(zhi)方(fang)向(xiang)成形(xing)性(xing)能最差(cha)［28］，可反映(ying)板(ban)材(cai)成(cheng)形过程(cheng)中最先失效(xiao)情况(kuang)，因(yin)此(ci)沿(yan)轧制方(fang)向取单向(xiang)拉(la)伸样(yang)品(pin)，单(dan)向(xiang)拉伸结(jie)果如(ru)图(tu)2所(suo)示(shi)，TA2材料(liao)的力(li)学(xue)性能(neng)参数(shu)如表1所(suo)示。
目(mu)标工件(jian)的结构如图(tu)3所(suo)示(shi)，其(qi)中(zhong)：W为(wei)流(liu)道宽度(du)；R为上(shang)圆角(jiao)；r为下(xia)圆(yuan)角；c为(wei)脊宽；b为(wei)底(di)宽(kuan)；θ为(wei)流(liu)道开(kai)角；h为流道(dao)深度，表(biao)2中(zhong)详细列举出(chu)了图中(zhong)各(ge)项(xiang)参(can)数(shu)。
1.2板(ban)材成(cheng)形性能(neng)检(jian)测
在(zai)实(shi)际的零(ling)件成(cheng)形(xing)过程中(zhong)，板材(cai)的受(shou)力(li)状态(tai)是(shi)比(bi)较(jiao)复杂(za)的，成形过程(cheng)中的破裂判(pan)定(ding)不能(neng)仅(jin)仅(jin)使(shi)用单(dan)向拉伸(shen)判(pan)定。使(shi)用成(cheng)形(xing)极(ji)限(xian)图（forminglimitdiagrams）来分析金(jin)属薄板在(zai)各种应变状态(tai)时(shi)所(suo)能(neng)达到(dao)的极(ji)限(xian)应变(bian)。根(gen)据(ju)GB/T29536—2013金属(shu)管材(cai)成(cheng)形(xing)极限(xian)图(tu)（FLD）试(shi)验(yan)方(fang)法(fa)，使用(yong)BCS-50BR通(tong)用板材(cai)热(re)成(cheng)形(xing)试验(yan)设(she)备，试验(yan)前在试(shi)件(jian)表面(mian)使用(yong)腐蚀(shi)液印(yin)制2.5mm圆形(xing)网(wang)格进(jin)行应(ying)变测(ce)量(liang)，使(shi)用(yong)100mm半(ban)圆(yuan)形(xing)冲(chong)头及(ji)101mm凹(ao)模(mo)，对本(ben)文所使用(yong)的0.1mmTA2薄(bao)板得成形试(shi)验(yan)，为(wei)减(jian)少摩擦，在试(shi)件上涂抹工(gong)业白(bai)凡士(shi)林。样品(pin)测(ce)试(shi)完毕后实物图(tu)如(ru)图4所(suo)示，获(huo)得的(de)成形极限(xian)图(tu)结果如图(tu)5所(suo)示(shi)。
1.3液(ye)压成(cheng)形原理及(ji)设(she)备(bei)
本文将使(shi)用主(zhu)动充液(ye)成(cheng)形(xing)技(ji)术(shu)，通过(guo)液体(ti)压(ya)力(li)进行(xing)成(cheng)形(xing)，试(shi)验原(yuan)理如图(tu)6（a）所示，液(ye)体(ti)作为(wei)传力(li)介(jie)质(zhi)代(dai)替(ti)刚(gang)性(xing)的凸(tu)模(mo)传递(di)载(zai)荷(he)，板材(cai)在(zai)液(ye)体压力作(zuo)用(yong)下(xia)贴(tie)靠(kao)凹模(mo)实(shi)现微(wei)结构的成形。试(shi)验装(zhuang)置及模(mo)具如图(tu)6（b）所(suo)示，将(jiang)板材放(fang)置(zhi)在台(tai)面上(shang)，确(que)保(bao)板材大小大于(yu)成形范围(wei)，合模后实现液室密(mi)封(feng)。通(tong)过控(kong)制液体流(liu)速阀，调(diao)节(jie)液(ye)室(shi)压(ya)力，实(shi)现(xian)指(zhi)定加载(zai)路径(jing)成(cheng)形(xing)，完成板材(cai)液(ye)压(ya)成(cheng)形(xing)试(shi)验。
2、有(you)限(xian)元模(mo)拟(ni)
2.1有限元模(mo)型(xing)建(jian)立
使用有(you)限元(yuan)软件(jian)对微结构(gou)特(te)征的主(zhu)动(dong)式(shi)充(chong)液过(guo)程进(jin)行仿(fang)真(zhen)模(mo)拟，为(wei)了减(jian)少计算时间(jian)，选(xuan)择(ze)具有(you)代表(biao)性(xing)微(wei)结(jie)构特(te)征(zheng)进行成形(xing)性验(yan)证(zheng)，并且由(you)于其(qi)存(cun)在(zai)对(dui)称(cheng)的(de)特征(zheng)，选择(ze)代表(biao)性(xing)微(wei)结构(gou)特征(zheng)的一半(ban)进(jin)行建(jian)模，在(zai)对称面(mian)上(shang)设置对(dui)称边界(jie)条(tiao)件(jian)，有限元模(mo)型如(ru)图7所示(shi)。对实(shi)际(ji)零(ling)件(jian)中(zhong)的(de)微流(liu)道特征(zheng)进行提(ti)取建(jian)立(li)成(cheng)形(xing)模具(ju)模型，同(tong)时(shi)建立(li)对(dui)应压(ya)边圈，导(dao)出模具(ju)表面和压边圈为(wei)曲(qu)面实(shi)体；在成形(xing)过(guo)程(cheng)中(zhong)，TA2板材(cai)厚度(du)很薄，在(zai)厚(hou)度(du)方(fang)向的壁厚(hou)远(yuan)小于其它(ta)方向(xiang)的结(jie)构(gou)尺(chi)寸的(de)1/10，因此选用(yong)壳单(dan)元进行模拟，设(she)置(zhi)为可变(bian)形的(de)壳单元(yuan)，并且在厚度方向设置(zhi)5个(ge)积(ji)分点(dian)，考(kao)虑到其(qi)模型(xing)的(de)复(fu)杂(za)程(cheng)度且本(ben)次有限(xian)元(yuan)仿真(zhen)不(bu)涉及(ji)极(ji)端非(fei)线性问(wen)题(ti)，使(shi)用(yong)四(si)节(jie)点四边(bian)形S4R为(wei)网格(ge)类型，网格(ge)尺(chi)寸(cun)为0.05mm，材料属(shu)性如表1所(suo)示(shi)；凹模和(he)压边(bian)圈认为(wei)没有变形(xing)，因此在模(mo)型中设(she)为解析(xi)刚(gang)体，网(wang)格选(xuan)择四(si)节(jie)点三(san)维双(shuang)线(xian)性(xing)缩减(jian)积分(fen)（R3D4），该(gai)单(dan)元有(you)着较好(hao)的兼容(rong)性，且(qie)在(zai)保(bao)证分析精(jing)度的同时(shi)也(ye)能考虑(lv)计算效率和模(mo)型(xing)的复杂(za)性，凹模的网(wang)格(ge)尺(chi)寸(cun)为(wei)0.08mm，压(ya)边圈(quan)BINDER网(wang)格为0.1mm。
为(wei)实现(xian)对模型动态加(jia)载的精确分析，模(mo)型(xing)的分析(xi)步(bu)类型选择(ze)为(wei)DyanmicExplicit，时间设置与后(hou)文(wen)具(ju)体(ti)加(jia)载条(tiao)件相(xiang)对(dui)应，为了确保(bao)计(ji)算(suan)精度和(he)计算(suan)效率之(zhi)间的(de)平(ping)衡，对(dui)模型设置了(le)适(shi)当的(de)质(zhi)量(liang)缩放(fang)系(xi)数，质量(liang)缩放(fang)的(de)极限是(shi)确(que)保动(dong)能(neng)（ALLKE）不(bu)超(chao)过(guo)内(nei)能(neng)（ALLIE）的(de)10%，在(zai)每个(ge)模型(xing)计算完成(cheng)后提取(qu)对(dui)应(ying)参(can)量(liang)验证(zheng)，均(jun)符合(he)能量(liang)要求(qiu)。
模型接(jie)触条(tiao)件(jian)较为(wei)简(jian)单，实际(ji)接触面(mian)仅有(you)两(liang)对主从(cong)平面，对二(er)者(zhe)进行(xing)接(jie)触(chu)赋予，使用(yong)TangentialBehavior和(he)NormalBehavior对接(jie)触(chu)进行(xing)定(ding)义(yi)，其(qi)中TangentialBehavior设置(zhi)为Penalty，其(qi)中(zhong)FricitionCoeff设(she)置为0.1，NormalBehavior设置为(wei)‘Hard’Contact。
边(bian)界条件中，成(cheng)形过(guo)程中(zhong)凹(ao)模保持(chi)不(bu)动(dong)，为全约束(shu)；压边圈(quan)在成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)中(zhong)对(dui)其施加面载(zai)，压(ya)力(li)统一控制为20MPa。板料(liao)的(de)主(zhu)动(dong)式(shi)液压(ya)成形(xing)设(she)置为面(mian)载，压力(li)输(shu)入使用(yong)幅(fu)值(zhi)曲(qu)线确(que)定(ding)，曲线数值在(zai)具体研(yan)究(jiu)内(nei)容(rong)中进行(xing)详细(xi)描(miao)述。
2.2有限(xian)元(yuan)模型准确(que)性验证
选择(ze)液(ye)体(ti)压力(li)为45MPa进行有限元模(mo)型的验(yan)证(zheng)。试(shi)验(yan)操(cao)作(zuo)中设置最(zui)大(da)压力(li)为45MPa，加载(zai)时(shi)间(jian)控制(zhi)为(wei)5s，液压加载通过(guo)程序控(kong)制(zhi)，压边(bian)使(shi)用模具(ju)合模(mo)压力(li)进行(xing)，选(xuan)择(ze)20MPa为实际压边(bian)力(li)。液压成形(xing)后(hou)的(de)试(shi)样(yang)如(ru)图8（a）所示，经(jing)检验试样(yang)表(biao)面完(wan)好(hao)，没有开裂的缺陷(xian)产(chan)生；成形试(shi)样(yang)的(de)尺寸检测(ce)通过(guo)白(bai)光干(gan)涉(she)的方(fang)法进(jin)行(xing)，其(qi)基(ji)本原理为(wei)通过(guo)分束(shu)器(qi)将(jiang)一束白光分成两束波(bo)长相(xiang)等(deng)光(guang)线，采集不同(tong)部位(wei)反射光(guang)线(xian)计(ji)算其(qi)光(guang)程(cheng)差(cha)，实(shi)现物(wu)体(ti)表面(mian)的精(jing)确测(ce)量，测(ce)定结果(guo)输(shu)出(chu)轮廓线(xian)上(shang)某一平(ping)面(mian)的XY位置，测(ce)试出试样的表面轮(lun)廓(kuo)如(ru)图(tu)8（b）所示(shi)，对该(gai)区(qu)域(yu)内进行采(cai)样(yang)，整理结果(guo)如(ru)图(tu)8（c）所(suo)示。
按照(zhao)上(shang)述(shu)试(shi)验内容(rong)进行仿真参(can)数的调(diao)节(jie)，统一控制(zhi)压边(bian)力、液体(ti)压力、升压(ya)时(shi)间(jian)，模拟(ni)结(jie)果如(ru)图9（a）所(suo)示，随(sui)机沿着长度方向(xiang)提取成形轮廓(kuo)，轮廓(kuo)结(jie)果如(ru)图9（b）所示(shi)。
为(wei)了对比(bi)所(suo)建(jian)立(li)的(de)有(you)限(xian)元(yuan)模型的(de)准(zhun)确性，将试(shi)验(yan)和有限元获得的轮(lun)廓(kuo)结果(guo)进(jin)行对比(bi)，通(tong)过(guo)对图(tu)像进(jin)行平(ping)移，将模(mo)拟(ni)结(jie)果及试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)均统一(yi)放置(zhi)在(zai)一(yi)个(ge)参考(kao)系中(zhong)，比较其(qi)轮(lun)廓特征(zheng)差(cha)异。模拟(ni)与(yu)试(shi)验结果对(dui)比(bi)图(tu)如图10所(suo)示(shi)，实际(ji)成形(xing)高度为(wei)183μm，模拟(ni)成形(xing)深(shen)度为186μm，误差率(lv)1.64%，且形(xing)状基本相(xiang)同。
将有(you)限(xian)元(yuan)模(mo)拟结果(guo)沿(yan)路径(jing)方(fang)向对(dui)厚度进行提(ti)取，同时(shi)将(jiang)微结构检(jian)验(yan)零件(jian)进行切割(ge)，冷镶(xiang)嵌，放入(ru)金相(xiang)显(xian)微(wei)镜(jing)下(xia)观(guan)测(ce)，同样(yang)提(ti)取厚(hou)度(du)，两(liang)者(zhe)对(dui)比如(ru)图(tu)11所示(shi)。从(cong)结果(guo)可以看出：有限元(yuan)模型(xing)及(ji)实际零件厚(hou)度(du)变(bian)化趋势(shi)相(xiang)同，厚(hou)度最(zui)薄(bao)区(qu)域出现(xian)在微结(jie)构倾(qing)角(jiao)处；数(shu)值(zhi)上最大(da)厚度(du)和(he)最小厚度在仿真(zhen)与试验研究中(zhong)误差均小于5%，经验证有(you)限(xian)元模(mo)型(xing)较(jiao)为(wei)可靠(kao)。
考(kao)虑(lv)到(dao)实际意(yi)义，厚度研(yan)究(jiu)选择在减(jian)薄最(zui)严(yan)重(zhong)区域进(jin)行(xing)探(tan)究，下文中称(cheng)其为(wei)关键区(qu)域(yu)减薄(bao)率。
3、结果与(yu)讨(tao)论(lun)
3.1液(ye)体压(ya)力对(dui)成形的影(ying)响(xiang)
在液(ye)压成形(xing)微(wei)结(jie)构(gou)特征过(guo)程中(zhong)，液(ye)体内(nei)压力是影(ying)响(xiang)成形质量最主(zhu)要的工(gong)艺(yi)参(can)数(shu)，当液体压(ya)力(li)过小时(shi)，无(wu)法(fa)使板材充(chong)分变(bian)形，成形深(shen)度将不(bu)足；而当液(ye)体(ti)压力过(guo)大时，板料又会因为变形能(neng)力不足产(chan)生(sheng)破裂。因此(ci)有必要研(yan)究(jiu)该(gai)成(cheng)形(xing)过程中(zhong)的(de)临界(jie)液(ye)体压力(li)。
设(she)置(zhi)液体(ti)压力(li)为(wei)35、40、45和(he)50MPa。模拟结(jie)果(guo)如(ru)图12所示。从(cong)结(jie)果可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)流道(dao)深度和最(zui)大减薄率受(shou)液(ye)体(ti)压力显(xian)著影响，流(liu)道深(shen)度(du)分别(bie)为154、175、186和228μm，减薄(bao)率(lv)分(fen)别(bie)为7.968%、11%、12.1%和22.1%。研(yan)究结(jie)果与其他学者(zhe)结(jie)果相(xiang)同，液(ye)体(ti)压力(li)是最(zui)直(zhi)接影响(xiang)流(liu)道深(shen)度的因(yin)素。
选(xuan)择液(ye)体(ti)压力(li)为(wei)50MPa时(shi)模拟(ni)结(jie)果进(jin)行(xing)讨(tao)论(lun)，获得的(de)等(deng)效塑(su)性应变(bian)结果如图(tu)13所(suo)示(shi)，从图中(zhong)沿着脊(ji)部(bu)到底部均(jun)匀(yun)地(di)选(xuan)择(ze)8个(ge)点提(ti)取(qu)在(zai)变形(xing)过程中(zhong)的(de)应(ying)变(bian)路(lu)径变(bian)化(hua)情(qing)况(kuang)，并(bing)将(jiang)其(qi)带(dai)入(ru)至TA2薄(bao)板成形极限图中，判断(duan)破裂(lie)情(qing)况，结果如图(tu)14所(suo)示。从图(tu)14可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，从脊(ji)部到(dao)底部过(guo)渡(du)，应(ying)变路径(jing)逐(zhu)渐(jian)往(wang)平面应(ying)变状态(tai)偏(pian)转，这(zhe)也(ye)说(shuo)明(ming)在微(wei)结(jie)构的液压成(cheng)形过程(cheng)中，材(cai)料几乎(hu)没(mei)有(you)沿(yan)着横(heng)向流(liu)动，沿着(zhe)长(zhang)度方(fang)向(xiang)的拉(la)长(zhang)大(da)部分(fen)由厚度减(jian)薄实(shi)现(xian)；同时从(cong)结(jie)果(guo)也(ye)可(ke)以(yi)看出，上(shang)圆(yuan)角(jiao)位置（位置(zhi)3和(he)位(wei)置(zhi)4）在50MPa时(shi)会(hui)首先(xian)产(chan)生破(po)裂，这一结(jie)果(guo)也(ye)和图(tu)11的壁(bi)厚分(fen)布(bu)结(jie)果(guo)规(gui)律(lv)一(yi)致，也(ye)再(zai)次(ci)验(yan)证了(le)有(you)限元模(mo)型(xing)的(de)准确(que)性。
从结(jie)果(guo)可知(zhi)，针(zhen)对(dui)本(ben)文(wen)研究的(de)该(gai)特(te)定(ding)结构(gou)和该(gai)特(te)定材料来(lai)说，液(ye)压成形的(de)临界压力低(di)于(yu)50MPa。可(ke)以为研(yan)究其他(ta)工艺(yi)参(can)数(shu)提供参考(kao)。
3.2加载速(su)率对(dui)成(cheng)形(xing)的(de)影响
探(tan)究(jiu)加(jia)载速率(lv)对(dui)微(wei)结(jie)构(gou)成(cheng)形的影响，统(tong)一(yi)控(kong)制液(ye)体(ti)压力(li)为45MPa，通(tong)过(guo)输(shu)入不(bu)同(tong)液体(ti)压力随(sui)时间(jian)变化曲(qu)线(xian)实现不(bu)同(tong)加载速率的设(she)置，加载(zai)时(shi)间分(fen)别(bie)为(wei)1.5、5、10s，图(tu)15为(wei)加载(zai)曲线示(shi)意(yi)图。
将(jiang)其对(dui)关(guan)键减(jian)薄区域(yu)（上(shang)圆(yuan)角(jiao)位(wei)置）的应(ying)变(bian)路(lu)径(jing)进(jin)行(xing)提(ti)取，结果(guo)如图16所示。从(cong)图(tu)中(zhong)可以看出，当(dang)液体压力为45MPa时，3种加载(zai)时(shi)间成形的微(wei)结(jie)构试样(yang)均(jun)没有(you)不会(hui)产(chan)生(sheng)破(po)裂缺陷，同(tong)时也可(ke)以(yi)看出，不(bu)同的(de)加载速(su)率(lv)对(dui)于(yu)同(tong)一位(wei)置的应变路(lu)径影响(xiang)不(bu)大(da)，三者几(ji)乎重(zhong)合。提(ti)取(qu)3种(zhong)加载时间(jian)对(dui)应(ying)的(de)关(guan)键(jian)减薄(bao)区域(yu)的(de)减薄率以及成(cheng)形(xing)深度作(zuo)为(wei)对(dui)比(bi)，结果如(ru)图(tu)17所示(shi)。当(dang)加(jia)载时(shi)间为1.5、5和10s时(shi)，减薄率(lv)分(fen)别为(wei)12%、12.1%和13.1%，流(liu)道深度(du)分(fen)别为180、183.4、186.1μm，从结果可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，随(sui)着加(jia)载(zai)速率(lv)的提高(gao)（即相(xiang)同(tong)压(ya)力下加(jia)载(zai)时间(jian)减(jian)小），成形深度(du)略(lve)有(you)下降，但(dan)是变(bian)化不(bu)大(da)。加载(zai)速(su)率的(de)减缓可(ke)以(yi)给材(cai)料(liao)流(liu)动提(ti)供充(chong)分的时间，可(ke)以(yi)促进材料(liao)的(de)变形(xing)，但是(shi)在(zai)普通液(ye)压成形(xing)范围(wei)内(nei)的(de)加载(zai)速(su)率对成形(xing)结(jie)果的(de)影(ying)响并(bing)不大(da)，因此在(zai)实际成(cheng)形中(zhong)可(ke)以(yi)不(bu)用(yong)过多地(di)考(kao)虑加载(zai)速率(lv)的(de)影响。
3.3脉(mai)动(dong)加载对(dui)成形(xing)的(de)影响(xiang)
研(yan)究复(fu)杂液(ye)压(ya)加(jia)载(zai)方式对(dui)微结(jie)构成形(xing)的影(ying)响，人工(gong)设置矩(ju)形波脉(mai)动加(jia)载(zai)路径（complex-1）和(he)三角(jiao)波(bo)脉动加(jia)载路(lu)径（complex-2），并(bing)且将(jiang)线(xian)性加载(zai)路径(jing)（linear）作为对(dui)比，3种加(jia)载路(lu)径示意(yi)图(tu)如图18所示(shi)。虽然(ran)加载速(su)率(lv)对(dui)成(cheng)形(xing)影(ying)响不大(da)，但(dan)在实(shi)际的(de)生(sheng)产(chan)过(guo)程中，短(duan)时(shi)间实现高(gao)压(ya)容易出(chu)现(xian)过冲(chong)现(xian)象，难(nan)以(yi)控(kong)制(zhi)，不具(ju)备(bei)实际(ji)的生(sheng)产意(yi)义，但时(shi)间过长也(ye)不(bu)利(li)于生产的(de)效率，因(yin)此(ci)将时(shi)间(jian)设(she)置为(wei)5s。文献(xian)［29］在管材(cai)液压(ya)成(cheng)形中(zhong)发现了脉(mai)动加(jia)载有(you)助(zhu)于提(ti)高管材的成形极(ji)限(xian)，前文中(zhong)发现双(shuang)极(ji)板在50MPa线性加(jia)载时产生破裂(lie)，为(wei)了验(yan)证(zheng)脉动加(jia)载(zai)是否有助于(yu)同(tong)样提(ti)高(gao)板(ban)材的(de)成(cheng)形极限，因(yin)此这(zhe)里(li)脉(mai)动加载(zai)峰值压力(li)选(xuan)择50MPa进(jin)行对比。
同样(yang)对关(guan)键(jian)减(jian)薄(bao)区(qu)域(yu)（上(shang)圆角位置）的(de)应变路(lu)径进(jin)行提取，结(jie)果(guo)如(ru)图19所(suo)示。从图(tu)中(zhong)可以看出(chu)，同样(yang)液体峰值(zhi)压(ya)力为(wei)50MPa时，复杂液压(ya)加(jia)载(zai)方式对应变(bian)路径(jing)有(you)较(jiao)大的(de)影(ying)响，采(cai)用线(xian)性(xing)加(jia)载(zai)会在(zai)上(shang)圆(yuan)角位置(zhi)产(chan)生(sheng)破裂，而采(cai)用矩形波脉动加载(zai)和(he)三角波脉(mai)动加载(zai)则不(bu)会(hui)。提取(qu)3种加(jia)载(zai)路径(jing)对(dui)应的(de)关(guan)键(jian)减薄(bao)区域的减(jian)薄率以及成(cheng)形深(shen)度作为对(dui)比(bi)，结果(guo)如图(tu)20所(suo)示。当(dang)加载路(lu)径为(wei)complex-1、complex-2和linear时，减(jian)薄率(lv)分别(bie)为20%、20.3%和22.1%，成(cheng)形(xing)深(shen)度分(fen)别(bie)为230.8、232.2、228μm。但(dan)是值得注(zhu)意的是(shi)，线(xian)性(xing)加载路径下(xia)试验(yan)中存在较大的破裂(lie)风险(xian)，而同(tong)样(yang)不产生破(po)裂的(de)45MPa线(xian)性(xing)加(jia)载路径(jing)的成(cheng)形(xing)深度为(wei)186μm，因(yin)此(ci)脉(mai)动(dong)加载(zai)路(lu)径(jing)相(xiang)比较(jiao)线(xian)性(xing)加(jia)载路径(jing)成形(xing)深度有(you)较(jiao)高的提高，提(ti)升(sheng)幅(fu)度(du)可(ke)达(da)23.66%。原因是(shi)脉(mai)动加(jia)载能够使(shi)得(de)材(cai)料(liao)产(chan)生(sheng)周(zhou)期性的回(hui)复，这使得板材(cai)和(he)模具(ju)之(zhi)间(jian)接(jie)触(chu)力也(ye)是(shi)在(zai)变(bian)化的(de)，这样能(neng)够改(gai)善板材(cai)成(cheng)形(xing)过(guo)程中的(de)摩擦(ca)润(run)滑，提(ti)高(gao)材料(liao)的(de)流动变(bian)形能(neng)力，提高(gao)了(le)板(ban)材(cai)的(de)成(cheng)形(xing)能力(li)同时还降(jiang)低了减薄。因(yin)此在(zai)实际成形过程(cheng)中，在设备(bei)能够(gou)实(shi)现脉动加载(zai)设定(ding)的情(qing)况下(xia)，推(tui)荐考虑使(shi)用(yong)脉动加载路(lu)径。
4、结(jie)论(lun)
（1）微流道(dao)液(ye)压成形过程中，材料几(ji)乎(hu)没(mei)有沿着横向流(liu)动，沿着(zhe)长度方(fang)向的拉(la)长(zhang)大(da)部分(fen)由厚度减(jian)薄(bao)实(shi)现，材料应变(bian)路径(jing)为(wei)平面应(ying)变，且上(shang)圆(yuan)角位(wei)置最(zui)容易(yi)破(po)裂。
（2）液体压力是影(ying)响(xiang)成形(xing)质(zhi)量最(zui)主要(yao)的(de)工(gong)艺参数(shu)，当液(ye)体(ti)压(ya)力(li)过小时(shi)，无(wu)法(fa)使板(ban)材充(chong)分(fen)变(bian)形，成形深(shen)度将不(bu)足；而(er)当液(ye)体压力过(guo)大时(shi)，板料又(you)会因(yin)为变(bian)形能(neng)力(li)不足(zu)产(chan)生(sheng)破(po)裂(lie)。
（3）加载速率对应变(bian)路(lu)径(jing)的影(ying)响不(bu)大，随(sui)着加(jia)载(zai)速率(lv)的(de)提(ti)高，成(cheng)形深度略有下(xia)降，但是(shi)变化不大(da)。当(dang)液体(ti)压力为45MPa时(shi)，加(jia)载时(shi)间为(wei)1.5、5和(he)10s，减(jian)薄率(lv)分(fen)别为(wei)12%、12.1%和13.1%，流(liu)道深度(du)分别(bie)为180、183.4、186.1μm。
（4）脉(mai)动(dong)加(jia)载(zai)特征(zheng)的升(sheng)压-保压-降(jiang)压(ya)循(xun)环过(guo)程，可在(zai)不(bu)超(chao)过(guo)材料临(lin)界破裂(lie)应(ying)变(bian)的前提下(xia)有效(xiao)提(ti)高(gao)流(liu)道深度。线(xian)性加(jia)载(zai)路(lu)径(jing)的(de)成(cheng)形深(shen)度(du)为186μm，而(er)采(cai)用(yong)矩(ju)形(xing)波脉动(dong)加(jia)载(zai)成形(xing)深(shen)度(du)为232.2μm，提升(sheng)幅(fu)度可(ke)达(da)23.66%。
参(can)考文(wen)献(xian)
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