JP6798291B2 - 金属板材の成形方法及び成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイとパンチとを有する成形装置により金属板材に対して凹凸状に連続する張出し部を成形するようにした金属板材の成形方法及び成形装置に関するものである。

燃料電池用セパレータとして、金属板材に複数の張出し部を設けて、その張出し部により水素や酸素等を流すための流路を形成したものが従来から知られている。このような燃料電池用セパレータの成形方法及び成形装置としては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されるような技術が提案されている。

特許文献１に開示された技術は、前段のプレス加工によりセパレータ材料に凹凸を付して、セパレータ板材を円弧形状が連続する波形に成形し、後段のコイニング加工により頂部に平坦面を有する波形となるように成形するものである。ここで、前記前段のプレス加工においては、成形型の凸側が金属板材を押圧するが、凹側は金属板材から離間されているため、金属板材には圧縮力は作用することなく、プレス加工の初期から終了時まで継続して引き延ばし力が作用する。

特許文献２に開示された技術は、第１工程から第３工程までの工程を経て金属板材を成形するようになっている。すなわち、第１工程では、引き延ばし成形により金属板材により波形の張り出し部をその頂部が他の部分より薄くなるように成形し、第２工程では、前記張り出し部の側壁部を圧延によって形成し、第３工程では前記張り出し部の頂部が拡げられる。

特開２００７−４８６１６号公報 特開２０１４−２１３３４３号公報

以上のように、特許文献１及び特許文献２の技術においては、金属板材の引き伸ばし工程の後に成形などの別工程が必要であるため、複数の工程を経ることになる。従って、成形装置の設備が大掛かりになるとともに、生産性が低下する結果となる。また、同一の金属板材に対して引き延ばしや圧縮などの複数回の加工が施されるため、金属板材に大きなダメージが加えられ、加工後の金属板材の強度が低下して製品寿命が短くなるおそれがあった。また、金属板材を引き延ばす工程においては、その工程の成形初期から成形終了時まで継続して金属板材が引き延ばされるため、引き延ばされた部分の金属材料が足りなくなり、同部分においてネッキングが生じるおそれもあった。

本発明の目的は、金属板材に対する加工回数を少なくすることができる金属板材の成形方法及び成形装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の金属板材の成形方法においては、接近離間される一対の成形型により、金属板材を張出し部が凹凸状に連続されるように成形するとともに、前記張出し部の頂部間に傾斜した側壁部を形成する金属板材の成形方法において、前記両成形型の接近動作により、前記金属板材の前記張出し部の底部位置の両側部分を前記成形型の第１凸状曲面によって押圧して、前記頂部と側壁部との間の境界部を湾曲させつつ、前記成形型の前記第１凸状曲面に対して凹状面を間に挟んで前記側壁部側に連続している第２凸状曲面によって前記境界部を押圧し、次いで、前記側壁部を圧延によって成形することを特徴とする。

また、本発明の金属板材の成形装置においては、金属板材を成形するために接近離間される一対の成形型を備え、その両成形型の成形面には、窪み部と突出部とを交互に連続配置した金属板材の成形装置において、前記窪み部及び突出部の両側に傾斜部を有し、前記突出部の傾斜部側の両側部には前記窪み部側に突出する凸状曲面よりなる第１凸部を有し、その第１凸部と前記傾斜部との間の境界部は曲面状であり、該境界部には前記第１凸部との間に凹部を挟んで形成されて前記窪み部側に突出する凸状曲面よりなる第２凸部を有することを特徴とする。

以上の成形方法及び成形装置によれば、両成形型の接近移動により、突出部の両側部の凸部が金属板材に当接して金属板材を押圧する。このため、両成形型の接近移動により、金属板材には凸部側から湾曲力が作用する。そして、金属板材が窪み部と突出部との間に挟圧されて、金属板材を構成する金属材料が傾斜部間の位置に移動されて、その傾斜部間の位置で圧延される。従って、成形初期の一時期に窪み部及び突出部の傾斜部間の位置において金属板材に対して引き延ばし力が作用したとしても、それを補うように金属材料が供給されるため、傾斜部の位置で金属板材のネッキングが生じることはない。また、傾斜部の位置における圧延により、金属材料の一部が凸部側に逆流し、この部分におけるネッキング防止の一助となる。このように、金属板材の成形に際してネッキングが生じないため、成形装置による例えば１回の成形動作によって、金属板材に対して張出し部を成形できる。従って、加工時間を短縮できるとともに、大がかりが設備は不要になる。また、金属板材に対する物理的なダメージを大幅に減らすことができる。

本発明によれば、金属板材に対する加工回数を少なくすることができるという効果を発揮する。

金属板材の斜視図。 金属板材の断面図。 ダイ及びパンチの成形面を示す断面図。 ダイ及びパンチの成形面の形状を示す断面図。 成形開始時を示す成形装置の断面図。 図５に続く成形時を示す成形装置の断面図。 図６に続く成形時を示す成形装置の断面図。 図７に続く成形時を示す成形装置の断面図。 成形終了時を示す成形装置の断面図。

以下に、本発明を具体化した実施形態を図面に従って説明する。
はじめに、金属板材２１の構成を説明する。
図１及び図２に示すように、燃料電池用のセパレータとなる金属板材２１には、全体として凹凸形状をなすように、複数の襞状の張出し部２２，２３が交互に形成されている。張出し部２２，２３は互いの反対方向に向かって張出され、一方の張出し部２２の幅が他方の張出し部２３の幅より狭くなっている。金属板材２１の材質としては、耐腐食性に優れた材料が用いられ、例えば、チタン，チタン合金やステンレススチールが用いられる。

図２に示すように、張出し部２２，２３は、頂部２２１，２３１と、その頂部２２１，２３１間の傾斜状の側壁部２４とを備え、断面ほぼ台形状または逆台形状となるように形成されている。側壁部２４は頂部２２１，２３１に対して鈍角をなしている。前記頂部２２１，２３１の外側面は平坦に形成され、図９に示すように、その外側面の裏側の底面２２４，２３４の中央部は凸状曲面に形成されている。頂部２２１，２３１と側壁部２４の間の境界部２５は湾曲されている。なお、本実施形態における上下の区分けは、説明の都合上便宜的に決められたものであり、金属板材２１の使用状態における方向性は一定ではなく、上下が反転したり、縦向きに配置されたりする。そして、本実施形態において、張出し部２２，２３の頂部２２１，２３１の厚さは、その幅方向中央部において、０．２０〜０．０５ｍｍ程度であり、例えば、０．１０ｍｍである。側壁部２４の厚さは、０．１５〜０．０３ｍｍ程度であり、例えば、０．０７ｍｍである。

そして、金属板材２１は成形装置３０を用いて成形される。
図３及び図４に示すように、前記成形装置３０は、成形型としての下側のダイ３１と、そのダイ３１に対して上方から接近離間可能に対応配置された成形型としてのパンチ４１とから構成されている。ここで、固定側をダイ、移動する側をパンチとし、それらの関係が実施形態とは上下逆になることもあり、あるいは、双方が移動して相互に接近離間することもある。ダイ３１の成形面を形成する上面には、それぞれ台形状をなす窪み部３２及び突出部３３が等間隔おきで交互に設けられている。パンチ４１の成形面を形成する下面には、ダイ３１の窪み部３２及び突出部３３に対して凹凸の関係で対応する突出部４３及び窪み部４２が等間隔おきで交互に設けられている。ダイ３１の突出部３３及びパンチ４１の窪み部４２は、ダイ３１の窪み部３２及びパンチ４１の突出部４３より幅広に形成されている。

前記ダイ３１及びパンチ４１の突出部３３，４３の頂部の両側には傾斜部３４が形成されている。この頂部の傾斜部３４側の両側には、曲率半径がδ５１の凸状曲面形状である第１凸部５１が形成されている。その第１凸部５１の前記頂部の中央部側には第１凸部５１と連続する凹状曲面形状の第１凹部６１が形成されている。この第１凹部６１の曲率半径δ６１は、前記第１凸部５１の曲率半径δ５１より大きい値である。頂部の第１凸部５１より傾斜部３４側には第１凸部５１と連続する凹状曲面形状の第２凹部６２が形成されている。この第２凹部６２の曲率半径δ６２は、第１凹部６１の曲率半径δ６１と等しい値である。

突出部３３，４３の頂部と傾斜部３４との間の境界部には凸状曲面形状である第２凸部５２が形成されている。この第２凸部５２の曲率半径δ５２は、前記第１凸部５１の曲率半径δ５１より小さい値である。前記境界部において、第２凸部５２より傾斜部３４側には凸状曲面形状の第３凸部５３が形成されている。この第３凸部５３の曲率半径δ５３は、第１凸部５１の曲率半径δ５１及び第２凸部５２の曲率半径δ５２より大きな値である。

ダイ３１及びパンチ４１の窪み部３２，４２の底部と傾斜部３４との間の境界部には凹状曲面形状である第３凹部６３が形成されている。この第３凹部６３の曲率半径δ６３は第１凹部６１の曲率半径δ６１及び第２凹部６２の曲率半径δ６２と等しい。

そして、第１〜第３凸部５１〜５３の曲率半径δ５１〜δ５３及び第１〜第３凹部６１〜６３の曲率半径δ６１〜δ６３は、以下の関係である。
δ５２＜δ５１＜δ６１＝δ６２＝δ６３＜δ５３
本実施形態において、曲率半径δ６１，δ６２，δ６３は、０．１０〜０．２０ｍｍの範囲内であって、例えば０．１５ｍｍである。曲率半径δ５２は、０．０１〜０．１０ｍｍの範囲内であって、例えば０．０５ｍｍである。曲率半径δ５１は、０．０３〜０．１３ｍｍの範囲内であって、例えば０．０８ｍｍである。曲率半径δ５３は、０．１５〜０．２５ｍｍの範囲内であって、例えば０．２０ｍｍである。

前記各凸部５１〜５３及び各凹部６１〜６３の両端は、他の部分との間にコーナを形成することなくなだらかに連続している。図４に示す黒点は、この両端の連続点を示す。
窪み部３２，４２の底部は平坦に形成されている。この底部と突出部３３，４３の頂部との間の最も広い部分の間隔γ１は、前記傾斜部３４間の間隔γ２より広くなっており、それらの値は以下の通りである。本実施形態において、間隔γ１は、０．２０〜０．０５ｍｍ程度であり、例えば、０．１０ｍｍである。γ２は、０．１５〜０．０３ｍｍ程度であり、例えば、０．０７ｍｍである。

次に、以上のように構成された成形装置による成形方法について説明する。
まず、図５に示すように、パンチ４１がダイ３１から離間したホームポジション位置において、成形装置３０のダイ３１上に全体がフラットで均一な厚さの金属板材２１がセットされる。ここで、加工前のフラットな状態の金属板材２１の厚さは、０．２０〜０．０５ｍｍ（ミリメートル）程度であり、例えば、０．１０ｍｍである。

この状態で、図５に示すように、パンチ４１がダイ３１に向かって接近移動される。このため、図６〜図９に示すように、ダイ３１及びパンチ４１の窪み部３２，４２と突出部３３，４３との間において金属板材２１に対する成形が開始される。

図５及び図６に示す成形初期においては、まずダイ３１及びパンチ４１の第１凸部５１が金属板材２１に当接して、金属板材２１の第１凸部５１との当接部が押圧される。この当接部は、図２に示す金属板材２１の張出し部２２，２３の頂部２２１，２３１の裏側である底部の両側位置である。このため、この当接部を含む部分の金属板材２１がダイ３１及びパンチ４１の窪み部３２，４２内に向かって湾曲を開始するとともに、その当接部及びその周辺部分の金属材料が当接部の両側に移動されて、当接部が薄肉化され、金属板材２１には、この部分において湾曲力が作用し、張出し部２２，２３の成形のための湾曲が開始される。

この状態で、張出し部２２，２３の頂部と側壁部２４との間の境界部２５が形成されるように、金属板材２１の湾曲が進行するが、図６及び図７から明らかなように、第１凸部５１の両側には第１凹部６１及び第２凹部６２が形成されている。このため、金属板材２１はこの部分において突出部３３，４３とわずかな隙間を介して離間されている。従って、第１凸部５１との当接部及びその周辺部分の金属材料は、突出部３３，４３から抵抗をほとんど受けることなく第１凹部６１及び第２凹部６２と対応する部分を通って突出部３３，４３中央部側及び傾斜部３４側に向かって円滑に移動される。

そして、図７及び図８に示すように、第１凸部５１から傾斜部３４側に移動された金属材料は第２凸部５２によって押圧されて薄肉化されて、さらに湾曲される。このため、金属板材２１の金属材料がさらに傾斜部３４側に移動される。そして、傾斜部３４側に移動された金属材料は最も大きな曲率半径δ５３の第３凸部５３によって押圧されて圧延され、大きな曲率半径の湾曲力を受けるとともに、さらに薄肉化される。よって、金属材料は傾斜部３４側にさらに移動される。

図９に示すように、パンチ４１が下死点に達したところで、金属板材２１の湾曲形成された張出し部２２，２３は、窪み部３２の平坦状の底面によって受けられ、張出し部２２，２３の頂部が平坦状の形状となる。この場合、図４から明らかなように、突出部３３，４３の頂部の幅方向（図３以降の図の左右方向）の中央部と窪み部３２，４２の底面との間の間隔γ１が金属板材２１の厚さと等しいため、この間隔γ１部分において金属板材２１には圧縮力はほとんど作用しない。一方、傾斜部３４間の間隔γ２は金属板材２１の厚さより狭いため、金属板材２１はこの間隔γ２の厚さの傾斜された側壁部２４となるように傾斜部３４によって圧延される。このようにして、図１に示すように、張出し部２２，２３の頂部２２１，２３１の外側面が平坦状になり、セパレータとして使用可能な金属板材２１が成形される。

従って、本実施形態においては、以下の効果を得ることができる。
（１）ダイ３１に対するパンチ４１の接近移動により、突出部３３の両側の第１凸部５１，第２凸部５２，第３凸部５３が金属板材２１に順次当接して金属板材２１を順次押圧し、金属材料が第１凸部５１，第２凸部５２，第３凸部５３の両側に流動する。このため、パンチ４１のダイ３１側への移動により、金属板材２１には第１凸部５１側から順に湾曲力が作用する。そして、金属板材２１が第１〜第３凸部５１〜５３の位置において挟圧されて、金属板材２１の材料が前記の流動により傾斜部３４間の位置に移動されて、その傾斜部３４間の位置で圧延される。従って、成形初期の一時期に傾斜部３４間の位置において金属板材２１に対して引き延ばし力が作用したとしても、それを補うように金属材料が傾斜部３４側に供給されるため、傾斜部３４の位置で金属板材２１のネッキングが生じることはない。また、傾斜部３４の位置における圧延により、金属材料の一部が第１〜第３凸部５１〜５３側に逆流し、第１〜第３凸部５１〜５３の部分におけるネッキングが防止される。

このように、１回の成形により金属板材２１を深絞りしても、同金属板材２１にネッキングが生じないため、成形装置３０による１回の成形動作によって、金属板材２１に対して張出し部２２，２３を成形できる。従って、成形に要する加工時間を短縮できて、加工効率を向上できるとともに、複数の工程を構成するダイ及びパンチを用意する必要がなく、大がかりが設備は不要になる。また、１回の加工で金属板材２１を成形できるため、金属板材２１に対する物理的なダメージを大幅に減らすことができて、高強度で耐久性に優れたセパレータなどの金属板材２１の製品を実現できる。

（２）前記のように、第１凸部５１，第２凸部５２，第３凸部５３が金属板材２１を複数箇所で時間差をおいて順次押圧するため、金属板材２１の材料を傾斜部３４側に向けて時間差を設けて円滑に無理なく移動させることができる。従って、金属板材２１を成形初期において傾斜部３４の部分において引き延ばしたとしても、金属板材２１の側壁部２４にネッキングが生じることを防止できる。

（３）第１凸部５１，第２凸部５２，第３凸部５３による金属板材２１の湾曲において、金属板材２１に対して最初に湾曲力を作用させる第１凸部５１の曲率半径δ５１を第２凸部５２の曲率半径δ５２より大きくするとともに、傾斜部３４に連続する第３凸部５３の曲率半径δ５３を最も大きくした。このことにより、金属板材２１に作用する応力集中を抑えて、金属板材２１を無理なく、ネッキングが生じることなく絞り加工することができる。

（４）最初に金属板材２１に接触する第１凸部５１の両側に第１，第２凹部６１，６２が形成されているため、金属材料の移動において、金属材料が突出部３３，４３の頂部から抵抗を受けることを少なくして、その移動が円滑になる。その結果、金属板材２１の成形が円滑に行なわれて、金属板材２１に対する物理的ダメージや材料不足に起因したネッキングが抑制される。また、ダイ３１及びパンチ４１に対する負担が低減されて、ダイ３１及びパンチ４１の耐久性を向上できる。

（５）前記のように、金属材料が傾斜部３４側に円滑に無理なく移動されて傾斜部３４において圧延されるとともに、張出し部２２，２３の頂部においては金属板材２１に圧縮力がほとんど作用することなく、第１凹部６１の部分に金属材料が集められる。従って、金属材料に作用する応力がこの集められた部分において逃がされるため、金属板材２１内の残留応力を低下できる。このため、成形後に金属板材２１にスプリングバックが生じることはほとんどなく、高精度な金属板材２１の製品を得ることが可能になる。

（６）パンチ４１が下死点に達したときには、金属板材２１は、主として第３凸部５３及び傾斜部３４によって広い面積領域において無理なく圧延されて成形される。従って、ダイ３１及びパンチ４１の突出部３３，４３の頂部と窪み部３２，４２の底部との間において金属材料を高い圧力で潰す必要がないため、ダイ３１及びパンチ４１に対する負担が低減され、前記のようにダイ３１及びパンチ４１の耐久性を向上できる。

（７）窪み部３２，４２の底面が平坦状であるため、各突出部３３，４３の両側の第１凸部５１間の間隔を任意に設定することができて、張出し部２２，２３の幅を必要広さに設定することができる。従って、セパレータなどの製品として、各種の性能要求に応じた金属板材２１を容易に加工できる。また、窪み部３２，４２の底面が平坦状であるため、金属板材２１の張出し部２２，２３の頂部２２１，２３１の外側面は平坦に形成される。このため、この頂部２２１，２３１と当接するセパレータや拡散層などの相手部品との接触性を高めて、導電性を向上させることができる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のような態様で具体化できる。
・前記実施形態では、突出部３３，４３の両側に第１〜第３凸部５１〜５３を形成したが、第３凸部５３を省略して第１及び第２凸部５１，５２のみとすること。この場合、第１凸部５１及び第２凸部５２の曲率半径を前記実施形態より大きくすることが好ましい。

・第１凹部６１及び第２凹部６２を省略して、同部分を平坦面にすること。
・第１凸部５１及び第２凹部６２を省略し、第２凸部５２と第１凹部６１とをそれらの間にコーナが形成されないように、なだらかに連続させること。

・前記実施形態の成形方法及び成形装置を燃料電池のセパレータ以外の金属板材２１の加工に用いること。

２１…金属板材、２２…張出し部、２３…張出し部、２４…側壁部、２５…境界部、３０…成形装置、３１…ダイ、３２…窪み部、３３…突出部、３４…傾斜部、４１…パンチ、４２…窪み部、４３…突出部、５１…第１凸部、５２…第２凸部、５３…第３凸部、６１…第１凹部、６２…第２凹部、６３…第３凹部、２２１…頂部、２３１…頂部、δ５１…曲率半径、δ５２…曲率半径、δ５３…曲率半径、δ６１…曲率半径、δ６２…曲率半径、δ６３…曲率半径。

Claims (12)

1. 接近離間される一対の成形型により、金属板材を張出し部が凹凸状に連続されるように成形するとともに、前記張出し部の頂部間に傾斜した側壁部を形成する金属板材の成形方法において、
   前記両成形型の接近動作により、前記金属板材の前記張出し部の底部位置の両側部分を前記成形型の第１凸状曲面によって押圧して、前記頂部と側壁部との間の境界部を湾曲させつつ、前記成形型の前記第１凸状曲面に対して凹状面を間に挟んで前記側壁部側に連続している第２凸状曲面によって前記境界部を押圧し、次いで、前記側壁部を圧延によって成形する金属板材の成形方法。
2. 前記張出し部の頂部の外側面を平坦状に成形する請求項１に記載の金属板材の成形方法。
3. 前記境界部を、前記底部側の曲率半径の小さな部分と、前記側壁部側の曲率半径の大きな部分とが形成されるように成形する請求項１または２に記載の金属板材の成形方法。
4. 前記境界部が湾曲される時期においては、前記第１凸状曲面の両側が前記成形型によって押圧されることを回避する請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の金属板材の成形方法。
5. 金属板材を成形するために接近離間される一対の成形型を備え、その両成形型の成形面には、窪み部と突出部とを交互に連続配置した金属板材の成形装置において、
   前記窪み部及び突出部の両側に傾斜部を有し、前記突出部の傾斜部側の両側部には前記窪み部側に突出する凸状曲面よりなる第１凸部を有し、その第１凸部と前記傾斜部との間の境界部は曲面状であり、該境界部には前記第１凸部との間に凹部を挟んで形成されて前記窪み部側に突出する凸状曲面よりなる第２凸部を有する金属板材の成形装置。
6. 前記窪み部の底部を平坦状に形成した請求項５に記載の金属板材の成形装置。
7. 前記窪み部の底部と傾斜部との間の境界部は曲面状である請求項５または６に記載の金属板材の成形装置。
8. 前記境界部は、前記第１凸部側の曲率半径が小さい部分と、前記傾斜部側の曲率半径が大きな部分とを有する請求項５〜６のうちのいずれか一項に記載の金属板材の成形装置。
9. 前記第１凸部側の曲率半径が小さな部分は、前記第１凸部の曲率半径より小さな曲率半径である請求項８に記載の金属板材の成形装置。
10. 前記傾斜部側の曲率半径が大きな部分は、前記第１凸部の曲率半径より大きな曲率半径である請求項８または９に記載の金属板材の成形装置。
11. 前記第１凸部の両側には曲面状の凹部を備えた請求項６〜１０のうちのいずれか一項に記載の金属板材の成形装置。
12. 前記凹部の曲率半径が前記第１凸部の曲率半径より大きくなっている請求項１１に記載の金属板材の成形装置。

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