JP6120006B2 - 金属板材のプレス成形方法及びプレス成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池のセパレータを成形するために、金属板材をプレス成形する方法及びプレス成形装置に関する。

燃料電池のセパレータは金属板材により構成され、その中央部には燃料ガスや酸化ガスの流路、あるいはシール部となる張出し部が形成される。通常この張出し部はプレス成形によって形成される。従って、プレス成形後の金属板材には残留応力が存在し、例えばプレス成形に続いて金属板材を所要形状に剪断した後に、残留応力によって金属板材の形状や大きさが変化して、製品精度が低下するおそれがあった。

特許文献１に開示された技術においては、エンボスを有する中間製品が成形され、面そりの発生する位置に対応するエンボスが潰される。これによって面反りの原因となる応力が小さくされるとしている。

特許文献２に開示された技術おいては、ハット形状の成形品のスプリングバックを低減するために、成形品の底壁にビードが成形される。

特開２００９−２５５１０６号公報（例えば、発明の詳細な説明の段落３１，３２、図面の図４参照） 特開２０１３−２７９１２号公報（例えば、発明の詳細な説明の段落４２，４２、図面の図１参照）

特許文献１の技術においては、エンボスが潰されたとしても、その痕跡を消滅させることは困難である。従って、高精度が要求される燃料電池用のセパレータの成形において特許文献１の技術を適用することは好ましくない。

特許文献２の技術においては、成形終了後も成形品にビードが潰されたりすることなく、そのまま残留するため、前記と同様に、高精度が要求される燃料電池用のセパレータの成形において実施することは困難である。

本発明の目的は、金属板材に対して高精度な加工を施すことができるプレス成形方法及びプレス成形装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、プレス成形によって張出し部が形成された金属板材を前記張出し部以外の部分で切断するプレス成形方法において、切断位置を挟んで前記張出し部の反対側にビードを形成し、剪断に先立って前記ビードを圧潰することを特徴とする。

前記の方法によれば、切断に先立ってビードが圧潰されるため、残留応力を緩和できて、製品精度を向上できる。また、切断によってビードの部分が端材側になって製品側には残らないため、製品精度を向上できるとともに、不要な凹凸の存在を回避できる。

本発明によれば、製品の精度を向上できるという効果を得ることができる。

フープ材を示す斜視図。 金属板材を示す斜視図。 金属板材及びフレームを示す分解斜視図。 金属板材とフレームとの関係を示す一部断面図。 フレームが取り付けられた金属板材を示す平面図。 セパレータを示す平面図。 金属板材にフレームを取り付けた状態を示す簡略図。 張出し部の成形終了後の金属板材を示す簡略図。 剪断終了後の金属板材を示す簡略図。 剪断及びビードの圧潰に用いられるプレス成形装置の剪断前の状態を示す断面図。 剪断及びビードの圧潰に用いられるプレス成形装置の剪断時の状態を示す断面図。 剪断及びビードの圧潰で用いられるプレス成形装置の剪断前の状態を示す拡大断面図。 剪断及びビードの圧潰で用いられるプレス成形装置の剪断時の状態を示す拡大断面図。 剪断前の状態を示すビード部の拡大断面図。 剪断時の状態を示すビード部の拡大断面図。

以下、第１実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池のセパレータの成形を対象とするものである。このセパレータは、チタン合金やステンレススチール等の金属板材によって構成される。

はじめに、図１〜図９に基づいて、製造工程の概略について説明する。
まず、図１に示す金属板のフープ材７０１が剪断されて、図２に示すワークとしての長方形の金属板材２１が形成される。金属板材２１の外周の縁部には複数の透孔２１１が列設される。

次いで、図３及び図４に示すように、四角環状のフレーム７０２のフレーム片７０３，７０４により金属板材２１の外周の縁部が挟まれる。そして、フレーム片７０３，７０４の透孔７０５及び金属板材２１の透孔２１１を通るボルト７０７と、そのボルト７０７に螺合されたナット７０８とにより金属板材２１がフレーム７０２に対して挟着状態で固定される。

その後、図５に示すように、金属板材２１の中央部に位置する蛇行状のガス流路２１２、このガス流路２１２の周囲に位置する開口２１３，２１４、その開口２１３，２１４の外周に位置する突条よりなる環状のシール部２１５及びシール部２１５の周囲の環状領域に位置する複数のビード２１６が形成される。そして、金属板材２１はビード２１６とシール部２１５との間において剪断により切断されて、図６に示すセパレータ３０となる。ガス流路２１２及びシール部２１５は張出し部を構成する。

図７〜図９に示すように、図７に示すフレーム７０２が取り付けられた後の金属板材２１の成形手順は以下の通りである。図８に示すように、ガス流路２１２が張出し成形される。また、ガス流路２１２の外周側にシール部２１５とビード２１６とが成形される。そして、図９に示すように、開口２１３，２１４が剪断によって形成されるとともに、シール部２１５とビード２１６との間の部分が剪断により切断される。なお、開口２１３，２１４、シール部２１５及びビード２１６の成形時期は、セパレータ３０が成形される剪断前であればガス流路２１２の成形と同時、ガス流路２１２の成形前あるいは成形後のいずれでもよい。

次に、成形工程の詳細及びそれらの工程において用いられるプレス成形装置について説明する。
まず、成形装置としての成形型５０について説明する。

図１０及び図１１に示すように、成形装置における固定の下型５１には、環状の成形孔５２１を有するダイ５２が設けられている。下型５１の上面は金属板材を載置するための載置面５３になっている。

下型５１の上方には上型５４が昇降可能に配置され、その下面には成形孔５２１に対向するパンチ５５が固定されている。上型５４の下面には押さえ型５６が所定範囲内において昇降可能に設けられている。押さえ型５６はスプリング５７によって下方に付勢されている。押さえ型５６の下面には、金属板材２１のガス流路２１２及びシール部２１５に対応する形状であって、それらのガス流路２１２及びシール部２１５を収容可能な凹部５８，５９が形成されている。

前記下型５１の外周には昇降可能なエジェクタ６１が配置され、その上面が受け面６２になっている。エジェクタ６１は、スプリング６３によって上方へ付勢されている。エジェクタ６１の上方において、上型５４の外周には圧潰型６４が固定され、上型５４の下降にともない受け面６２上の金属板材２１に対して圧潰圧力が付与されるようになっている。エジェクタ６１及び圧潰型６４により圧潰部が構成されている。

次に、成形工程について説明する。
金属板材２１は、図１０及び図１２に示す状態、すなわち、上型５４が上昇位置にある状態の成形装置の下型５１と上型５４との間にセットされる。

そして、図１３、図１４及び図１５に示すように、上型５４が下降される。この下降により、まず、ビード２１６が圧潰型６４によって圧潰される。このため、張出し部の成形によって金属板材２１に形成された残留応力が緩和される。

そして、圧潰型６４による圧潰が終了する直前、つまり残留応力の緩和動作がほぼ終了するときに、ダイ５２とパンチ５５とによって金属板材２１がビード２１６とシール部２１５との間において剪断される。このため、切断によってセパレータ３０が成形される。なお、図示はしないが、開口２１３，２１４も前記剪断と同時に剪断によって形成されるが、ダイ５２とパンチ５５とによってセパレータ３０が形成される前であれば、開口２１３，２１４の打ち抜き時期はいつでもよい。

その後、セパレータ３０は燃料電池組立てのための次工程に送られ、フレーム７０２は金属板材２１の端材から分離されて、後続のセパレータ３０の成形のための使用に備える。

この実施形態では、以下の効果がある。
（１）剪断位置を挟んで内周側にシール部２１５及びガス流路２１２が、外周側にビード２１６が形成されている。そして、剪断に先立って前記ビード２１６が圧潰されるため、ビード２１６の部分の材料がシール部２１５及びガス流路２１２側に戻される。従って、シール部２１５及びガス流路２１２の成形にともなう引っ張り方向の残留応力が金属板材２１に生じていたとしても、その残留応力は緩和される。このため、打ち抜き成形後のセパレータ３０の寸法変化を抑えて、高精度を実現できる。

（２）ビード２１６は前記シール部２１５及びガス流路２１２を包囲するように形成され、シール部２１５及びガス流路２１２とビード２１６との間の環状域を剪断するので、金属板材２１の全体の応力を緩和できる。

（３）ビード２１６の圧潰終了時に金属板材２１を剪断するため、応力解放を適切に行なうことができる。
（４）剪断位置がビード２１６の内側であって、その剪断によってビード２１６の部分が端材側になるため、セパレータ３０側にはビード２１６部分が残らない。従って、不要な凹凸が形成されていない高精度なセパレータにすることができる。

（変更例）
・前記実施形態では、ビード２１６が環状の領域に複数設けられているが、これに代えて、環状に連続したビード２１６とすること。

・パンチとダイと上下入れ換えること。この場合、シール部２１５，ガス流路２１２を収容するための凹部５８，５９は下型５１に設けられる。
・金属板材２１からのセパレータ３０の切断による形成をレーザ切断等の他の切断方法を採用すること。

２１…金属板材、５０…成形型、５２…ダイ、５５…パンチ、６１…エジェクタ、６４…圧潰型、６１…エジェクタ、２１６…ビード。

Claims (5)

1. プレス成形によって張出し部が形成された金属板材を前記張出し部以外の部分で切断加工するプレス成形方法において、
   切断位置を挟んで前記張出し部の反対側にビードを形成し、切断に先立って前記ビードを圧潰する金属板材のプレス成形方法。
2. 前記ビードは前記張出し部を包囲するように形成され、張出し部とビードとの間の環状域を切断する請求項１に記載の金属板材のプレス成形方法。
3. ビードの圧潰終了時に金属板材を剪断する請求項１または２に記載の金属板材のプレス成形方法。
4. 金属板材を剪断するためのダイとパンチとを設けたプレス成形装置において、
   金属板材に形成されたビードを前記剪断に先立って圧潰するための圧潰部を設けたプレス成形装置。
5. 前記ダイ及びパンチを環状に形成し、前記圧潰部を前記ダイ及びパンチの外側に設けた請求項４に記載のプレス成形装置。