JP6481532B2

JP6481532B2 - 金属板材の成形方法及び金属板材の成形装置

Info

Publication number: JP6481532B2
Application number: JP2015135536A
Authority: JP
Inventors: 平田　和之; 和之平田
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2035-07-06
Also published as: US10384250B2; DE102016112066A1; DE102016112066A8; JP2017013113A; US20170008058A1

Description

本発明は、ダイ及びパンチを有する成形型により金属板材を冷間プレスすることによって張出し部を成形する方法及び装置に関する。

従来、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などのガス、あるいは冷却水などを流すための流路を形成したものがある。このような燃料電池用セパレータの成形方法としては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されるような方法が提案されている。

特許文献１に記載の成形方法においては、図９に示すように、成形型４０を構成するダイ４１及びパンチ４２は、金属板材５０の張出し部５１の頂部５１１及び同張出し部５１に隣接する他の張出し部５１からそれぞれ離間した状態で張出し部５１の側壁部５１２を圧延する。

特許文献２に記載の成形方法においては、まず、図１０（ａ）に示すように、第１工程において第１成形型６０のダイ６１及びパンチ６２により金属板材８０に張出し部８１が成形される。このとき、張出し部８１の頂部８１１は他の部分よりも薄くされる。続いて、図１０（ｂ）に示すように、第２工程において第２成形型７０のダイ７１及びパンチ７２により張出し部８１の側壁部８１２が圧延される。また、第３工程において図示しない第３成形型のダイ及びパンチにより張出し部８１の側壁部８１２が起立方向に整形されるとともに張出し部８１の頂部８１１が拡げられる。

特許第５５７３５１１号特開２０１４−２１３３４３号公報

ところで、張出し部の断面形状を矩形状に近づけようとするほど、張出し部の側壁部を圧延して成形する際に要する荷重が大きくなる。その結果、耐久性の高い成形装置が必要になるといった問題が生じる。

特に、燃料電池用セパレータにおいては、燃料電池の出力性能の向上の観点から、例えば水素や酸素などのガスを流しやすくするために流路断面積を大きくすることが好ましく、張出し部の断面形状を矩形状に近づけることが求められている。

本発明の目的は、成形荷重を低減することのできる金属板材の成形方法及び金属板材の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の金属板材の成形方法は、ダイ及びパンチを有する成形型により金属板材を冷間プレスすることによって張出し部を成形する方法であって、第１成形型により、予備張出し部を有し、同予備張出し部の側壁部に窪み部が形成された予備成形体を成形する第１工程と、第２成形型により、前記予備成形体の前記窪み部がなくなるように前記側壁部を圧延する第２工程と、を備える。

また、上記目的を達成するための金属板材の成形装置は、ダイ及びパンチを有する成形型を備え、前記成形型により金属板材を冷間プレスすることによって張出し部を成形する装置であって、予備張出し部を有し、同予備張出し部の側壁部に窪み部が形成された予備成形体を成形する第１成形型と、前記予備成形体の前記窪み部がなくなるように前記側壁部を圧延する第２成形型と、を備える。

同方法または同装置によれば、まず、第１成形型により金属板材がプレスされることで、予備張出し部を有し、その側壁部に窪み部が形成された予備成形体が成形される（第１工程）。

続いて、第１工程において成形された予備成形体が第２成形型によりプレスされる（第２工程）。このとき、ダイの傾斜面及びパンチの傾斜面と予備張出し部の側壁部との間には、窪み部によって隙間が形成される。このため、ダイの傾斜面とパンチの傾斜面とによって側壁部が圧延されると、側壁部の内部においては上記窪み部の両側に位置する材料が同互いに近接する方向に移動することとなる。したがって、こうした窪み部を有していないものを圧延して張出し部を成形する場合とは異なり、側壁部の内部における材料の移動が小さな荷重によって円滑に行なわれるようになる。よって、プレスに要する荷重を低減することができる。

本発明によれば、成形荷重を低減することができる。

一実施形態の金属板材の製造方法により成形された燃料電池用セパレータの斜視図。図１の２−２線に沿った部分拡大断面図。同実施形態の成形方法の第１工程を示す部分断面図。第１工程の過程を示す部分断面図。同実施形態の成形方法の第２工程を示す部分断面図。第２工程の過程を示す部分断面図。（ａ）は第１工程後の金属板材の部分断面図、（ｂ）は第２工程後の金属板材の部分断面図。同実施形態の作用を説明するための図であって、第２工程の過程を示す部分断面図。特許文献１に記載の成形方法を示す部分断面図。特許文献２に記載の成形方法を示す部分断面図であって、（ａ）は第１工程を示す部分断面図、（ｂ）は第２工程を示す部分断面図。

以下、図１〜図８を参照して、一実施形態について説明する。なお、本実施形態の金属板材の成形方法及び成形装置は、燃料電池用セパレータの製造において採用される。
図１及び図２に示すように、燃料電池用セパレータとなる金属板材３０の表面及び裏面（同図の上面及び下面）には、それぞれ表面側及び裏面側に向けて張り出した複数の襞状の張出し部３１が形成されている。表面側の隣り合う２つの張出し部３１の間に、裏面側の１つの張出し部３１が位置するように表面及び裏面に交互に張出し部３１が形成されている。

張出し部３１は、張出し方向（図２の上下方向）の前端に位置する頂部３１１と、頂部３１１の両端にそれぞれ連なるとともに頂部３１１の中央に位置する平坦部分に対して傾斜した一対の側壁部３１２とを有しており、その断面形状は、張出し方向の前方に向けて先細となる略台形状をなしている。したがって、表面側の張出し部３１と同張出し部３１に隣接する裏面側の張出し部３１とは側壁部３１２を共有している。また、頂部３１１の平坦部分と側壁部３１２との間の部分は湾曲している。また、図１及び図２に示す金属板材３０は全体が均一な厚さを有している。

金属板材３０の材質としては、例えばチタン、チタン合金やステンレス鋼などの耐腐食性に優れた材料が用いられる。なお、本実施形態ではチタンが用いられている。
こうした燃料電池用セパレータは、図３に示す平板状の金属板材３０を冷間プレスすることによって成形される。なお、成形前の金属板材３０は全体が均一な厚さを有している。

本実施形態では、図３に示す第１成形型１０を用いた第１工程と、図５に示す第２成形型２０を用いた第２工程とにより、図１及び図２に示す金属板材３０が成形される。
図３に示すように、第１成形型１０は、第１ダイ１１と、この第１ダイ１１に対して接離可能に配置された第１パンチ１２とから構成されている。

第１ダイ１１の上面には、凹部１１１と凸部１１２とが交互に設けられている。また、第１パンチ１２の下面には、上記凹部１１１及び上記凸部１１２にそれぞれ対応した凸部１２１及び凹部１２２が交互に設けられている。

第１ダイ１１の凹部１１１及び凸部１１２はそれぞれ湾曲面状をなしている。また、第１ダイ１１における凹部１１１と凸部１１２との間の傾斜面１１３には、湾曲凸部１１４が形成されている。湾曲凸部１１４は、傾斜面１１３における凸部１１２の突出方向（同図の上下方向）の中央部に位置している。このように第１ダイ１１の上面は、複数の異なる曲率半径を有する複数の湾曲面によって構成されている。

第１パンチ１２の凸部１２１及び凹部１２２はそれぞれ湾曲面状をなしている。また、第１パンチ１２における凸部１２１と凹部１２２との間の傾斜面１２３には、湾曲凸部１２４が形成されている。湾曲凸部１２４は、傾斜面１２３における凸部１２１の突出方向（同図の上下方向）の中央部に位置している。このように第１パンチ１２の上面は、複数の異なる曲率半径を有する複数の湾曲面によって構成されている。

本実施形態においては、第１ダイ１１の湾曲凸部１１４の曲率半径と第１パンチ１２の湾曲凸部１２４の曲率半径とが同一の大きさに設定されている。
図５に示すように、第２成形型２０は、第２ダイ２１と、この第２ダイ２１に対して接離可能に配置された第２パンチ２２とから構成されている。

第２ダイ２１の上面には、凹部２１１と凸部２１２とが交互に設けられている。また、第２パンチ２２の下面には、上記凹部２１１及び上記凸部２１２にそれぞれ対応した凸部２２１及び凹部２２２が交互に設けられている。

第２ダイ２１の凹部２１１の中央部及び凸部２１２の中央部はそれぞれ第２パンチ２２の移動方向（同図の上下方向）に直交する平面状をなしている。また、第２ダイ２１における凹部２１１と凸部２１２との間の傾斜面２１３は平面状をなしている。また、凹部２１１及び凸部２１２と傾斜面２１３との間の部分は湾曲している。

第２パンチ２２の凸部２２１の中央部及び凹部２２２の中央部はそれぞれ第２パンチ２２の移動方向（同図の上下方向）に直交する平面状をなしている。また、第２パンチ２２における凸部２２１と凹部２２２との間の傾斜面２２３は平面状をなしている。また、凸部２２１及び凹部２２２と傾斜面２１３との間の部分は湾曲している。

したがって、第２ダイ２１の凹部２１１の中央部及び凸部２１２の中央部と、第２パンチ２２の凸部２２１の中央部及び凹部２２２の中央部とは互いに平行とされている。また、第２ダイ２１の傾斜面２１３と第２パンチ２２の傾斜面２２３とは互いに平行とされている。

次に、本実施形態の成形方法について説明するとともに、本実施形態の作用について説明する。
図３に示すように、第１工程においては、第１成形型１０の第１ダイ１１上に平板状の金属板材３０が載置された状態で、第１パンチ１２が第１ダイ１１に向けて接近するように降下される。これにより、図４に示すように、第１ダイ１１の凹部１１１及び凸部１１２と第１パンチ１２の凸部１２１及び凹部１２２との間で金属板材３０が所定の間隔をおいて裏面側（同図の下側）及び表面側（同図の上側）に交互に張り出されて予備張出し部３４が成形される。このとき、予備張出し部３４の頂部３４１が第１パンチ１２の凸部１２１及び第１ダイ１１の凸部１１２の押圧によって引き伸ばされ、その頂部３４１の両側に側壁部３４２が形成される。また、第１ダイ１１の傾斜面１１３の湾曲凸部１１４と同湾曲凸部１１４に対向する第１パンチ１２の傾斜面１２３の湾曲凸部１２４とによって、側壁部３４２の両面が押圧されて側壁部３４２の両面に湾曲面状の窪み部３４３がそれぞれ成形される。これら窪み部３４３は、側壁部３４２における予備張出し部３４の張出し方向（同図の上下方向）の中央部にそれぞれ成形される。このようにして予備成形体３３が成形される。したがって、予備成形体３３の側壁部３４２は、窪み部３４３によって張出し方向の中央部ほど肉厚が薄くされている。

なお、図４に示すように、第１パンチ１２の下死点位置において、第１ダイ１１及び第１パンチ１２の凹部１１１，１２２の内底部と、金属板材３０（予備成形体３３）との間には隙間が形成される。また、凹部１１１，１２２の内底部が、金属板材３０に対して圧延力、すなわち成形圧力を付与しない程度に軽く当接していてもよい。

図５に示すように、第２工程においては、第２成形型２０の第２ダイ２１上に予備成形体３３が載置された状態で、第２パンチ２２が第２ダイ２１に向けて接近するように降下される。これにより、図６に示すように、予備成形体３３の予備張出し部３４が、第２ダイ２１の成形面及び第２パンチ２２の成形面に沿ってプレスされる。これにより、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、第２工程後の金属板材３０における張出し部３１の高さＨ２は、第１工程後の金属板材３０（予備成形体３３）における予備張出し部３４の高さＨ１よりも小さくされる（Ｈ２＜Ｈ１）。また、張出し部３１の頂部３１１は、予備張出し部３４の頂部３４１よりも拡げられる。

またこのとき、図８に示すように、第２ダイ２１の傾斜面２１３（実線）及び第２パンチ２２の傾斜面２２３（実線）と予備張出し部３４の側壁部３４２（二点鎖線）との間には、窪み部３４３によって隙間が形成される。このため、第２ダイ２１の傾斜面２１３と第２パンチ２２の傾斜面２２３とによって側壁部３４２が圧延されると、側壁部３４２の内部においては、同図に矢印にて示すように、上記窪み部３４３の両側に位置する材料が同互いに近接する方向に移動することとなり、最終的に窪み部３４３がなくなる。したがって、こうした窪み部を有していないものを圧延して張出し部を成形する場合とは異なり、側壁部３４２の内部における材料の移動が小さな荷重によって円滑に行なわれるようになる。よって、プレスに要する荷重を低減することができる。

また、図６及び図７（ｂ）に示すように、第２工程では、張出し部３１における頂部３１１と側壁部３１２との間の湾曲部分に、第２ダイ２１及び第２パンチ２２によって圧延された材料が移動して充填されることとなる。これにより、図７（ｂ）に矢印にて示す方向に作用する引張応力が緩和されてスプリングバックが抑制される。

以上説明した本実施形態に係る金属板材の成形方法及び金属板材の成形装置によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）第１工程において第１成形型１０により、予備張出し部３４を有し、予備張出し部３４の側壁部３４２に窪み部３４３が形成された予備成形体３３を成形するようにした。続いて、第２工程において第２成形型２０により、予備成形体３３の窪み部３４３がなくなるように側壁部３４２を圧延するようにした。

こうした方法によれば、こうした窪み部を有していないものを圧延して張出し部を成形する場合とは異なり、側壁部３４２の内部における材料の移動が小さな荷重によって円滑に行なわれるようになる。したがって、成形荷重を低減することができる。

また、こうした窪み部を有していないものを圧延して張出し部を成形する場合とは異なり、側壁部３４２の内部における材料の移動が円滑に行なわれることで、成形後の金属板材３０の側壁部３１２における引張り応力を低減することができる。したがって、成形後の金属板材３０、すなわち燃料電池用セパレータの反りを抑制することができる。

また、２つの工程によって燃料電池用セパレータを成形することができることから、特許文献２に記載の成形方法よりも工数を減らすことができる。
（２）第１工程において側壁部３４２の両面に窪み部３４３を成形するようにした。このため、第２工程において第２ダイ２１の傾斜面２１３と第２パンチ２２の傾斜面２２３とによって予備成形体３３の側壁部３４２が圧延される際に、側壁部３４２の内部の材料の移動のしやすさが側壁部３４２の内面側と外面側とでばらつくことを抑制することができる。したがって、金属板材３０の反りを効果的に抑制することができる。

（３）第１工程において窪み部３４３を湾曲面状に成形するようにした。このため、第２工程において第２ダイ２１の傾斜面２１３と第２パンチ２２の傾斜面２２３とによって予備成形体３３の側壁部３４２が圧延される際に、側壁部３４２の内部において上記窪み部３４３の両側に位置する材料が互いに近接する方向に円滑に移動することとなる。したがって、金属板材３０の反りを効果的に抑制することができる。また、金属板材３０の張出し部３１に予備成形体３３の窪み部３４３の痕跡が残ることを適切に抑制することができる。

（４）第１工程において予備成形体３３の側壁部３４２における予備張出し部３４の張出し方向の中央部に窪み部３４３を成形するようにした。
こうした方法によれば、予備成形体３３の側壁部３４２における上記窪み部３４３を挟んだ一方の側と他方の側とで材料の量に差が生じることを抑制することができる。このため、第２工程において第２ダイ２１の傾斜面２１３と第２パンチ２２の傾斜面２２３とによって側壁部３４２が圧延される際に、側壁部３４２の内部において上記窪み部３４３を挟んだ一方の側と他方の側とで互いに近接する方向への材料の移動のしやすさに差が生じることを抑制することができる。したがって、金属板材３０の反りを効果的に抑制することができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・第１ダイ１１の湾曲凸部１１４の曲率半径と第１パンチ１２の湾曲凸部１２４の曲率半径とを異ならせることもできる。

・予備成形体３３の側壁部３４２における張出し方向の中央部よりも前側あるいは後側に窪み部３４３を形成することもできる。
・予備成形体３３の側壁部３４２に複数の窪み部３４３を形成することもできる。また、窪み部３４３の形状を適宜変更しても良い。

・予備成形体３３の側壁部３４２の一方の面にのみ窪み部３４３を形成するようにしてもよい。この場合であっても、上記実施形態の効果（１）に準じた効果を奏することができる。

１０…第１成形型、１１…第１ダイ、１１１…凹部、１１２…凸部、１１３…傾斜面、１１４…湾曲凸部、１２…第１パンチ、１２１…凸部、１２２…凹部、１２３…傾斜面、１２４…湾曲凸部、２０…第２成形型、２１…第２ダイ、２１１…凹部、２１２…凸部、２１３…傾斜面、２２…第２パンチ、２２１…凸部、２２２…凹部、２２３…傾斜面、３０…金属板材、３１…張出し部、３１１…頂部、３１２…側壁部、３３…予備成形体、３４…予備張出し部、３４１…頂部、３４２…側壁部、３４３…窪み部。

Claims

ダイ及びパンチを有する成形型により金属板材を冷間プレスすることによって張出し部を成形する方法であって、
第１成形型により、予備張出し部を有し、同予備張出し部の側壁部に窪み部が形成された予備成形体を成形する第１工程と、
第２成形型により、前記予備成形体の前記窪み部がなくなるように前記側壁部を圧延する第２工程と、を備え、
前記第１工程において前記窪み部を湾曲面状に成形する、
金属板材の成形方法。
ダイ及びパンチを有する成形型により金属板材を冷間プレスすることによって張出し部を成形する方法であって、
第１成形型により、予備張出し部を有し、同予備張出し部の側壁部に窪み部が形成された予備成形体を成形する第１工程と、
第２成形型により、前記予備成形体の前記窪み部がなくなるように前記側壁部を圧延する第２工程と、を備え、
前記第１工程において前記側壁部の両面に前記窪み部を成形し、
前記側壁部において、前記側壁部の内面に形成された前記窪み部の反対側に前記側壁部の外面に形成された前記窪み部が位置している、
金属板材の成形方法。
前記第１工程において前記窪み部を湾曲面状に成形する、
請求項２に記載の金属板材の成形方法。
前記第１工程において前記側壁部における前記予備張出し部の張出し方向の中央部に前記窪み部を成形する、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の金属板材の成形方法。
ダイ及びパンチを有する成形型を備え、前記成形型により金属板材を冷間プレスすることによって張出し部を成形する装置であって、
予備張出し部を有し、同予備張出し部の側壁部に窪み部が形成された予備成形体を成形する第１成形型と、
前記予備成形体の前記窪み部がなくなるように前記側壁部を圧延する第２成形型と、を備え、
前記第１成形型は、前記予備成形体の側壁部に対向する傾斜面をそれぞれ有する第１ダイ及び第１パンチを備えており、
前記第１ダイの傾斜面及び前記第１パンチの傾斜面の双方には前記側壁部に前記窪み部を成形する凸部がそれぞれ形成されており、
前記凸部は湾曲面状をなしている、
金属板材の成形装置。
ダイ及びパンチを有する成形型を備え、前記成形型により金属板材を冷間プレスすることによって張出し部を成形する装置であって、
予備張出し部を有し、同予備張出し部の側壁部に窪み部が形成された予備成形体を成形する第１成形型と、
前記予備成形体の前記窪み部がなくなるように前記側壁部を圧延する第２成形型と、を備え、
前記第１成形型は、前記予備成形体の側壁部に対向する傾斜面をそれぞれ有する第１ダイ及び第１パンチを備えており、
前記第１ダイの傾斜面及び前記第１パンチの傾斜面の双方には前記側壁部に前記窪み部を成形する凸部がそれぞれ形成されており、
前記第１ダイの傾斜面に形成された前記凸部と、前記第１パンチの傾斜面に形成された前記凸部とは対向している、
金属板材の成形装置。
前記凸部は湾曲面状をなしている、
請求項６に記載の金属板材の成形装置。
前記凸部は前記第１ダイの傾斜面の中央部及び前記第１パンチの傾斜面の中央部にそれぞれ形成されている、
請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載の金属板材の成形装置。