(57)【要約】【課題】大きな加圧力を必要とせず、突状部を加工する際の割れを効果的に防止することが可能な突状部を有する薄板の成形方法を提供する。【解決手段】薄板１０に形成される突状部１４に対応した凹部５８が外周面に形成された上型ロール４５と、上型ロール４５の凹部５８と噛み合い可能な凸部６６が外周面に形成された下型ロール４９と、を対向配置されたロール成形装置３８を用い、これら一対の型ロール４５，４９を回転させたときの凹部５８と凸部６６の噛み合い状態の変化に基づいて、一対の型ロール４５，４９で挟み込まれた薄板１０の部位に、絞り成形を主とした加工に続いて張り出し成形を主とした加工を行い、突状部１４を形成する。また加工中に突状部１４の側壁１６を凹部５８の傾斜面６０と凸部６６の傾斜面６８とで挟み込んで、側壁１６に対ししごき加工を行なう。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の薄板に突状部を成形するに際し、
前記薄板に形成される前記突状部に対応した凹部もしくは凸部が外周面に形成された上型ロールと、前記上型ロールの前記凹部もしくは凸部と噛み合い可能な凸部もしくは凹部が外周面に形成された下型ロールと、を対向配置させたロール成形装置を用い、
これら上下一対の型ロールを回転させたときの前記凹部と前記凸部の噛み合いにより、前記一対の型ロールで挟み込まれた前記薄板の部位に、前記突状部を形成することを特徴とする突状部を有する薄板の成形方法。
【請求項２】
前記凹部と前記凸部の噛み合い状態の変化に基づいて、絞り成形を主とした加工に続いて張り出し成形を主とした加工を行なうことを特徴とする請求項１に記載の突状部を有する薄板の成形方法。
【請求項３】
前記突状部を形成する過程で前記突状部の側壁を前記凹部の傾斜面と前記凸部の傾斜面とで挟み込んで、前記側壁に対ししごき加工を行なうことを特徴とする請求項１，２の何れかに記載の突状部を有する薄板の成形方法。
【請求項４】
前記側壁の全体を、元の厚みに対し３０〜８０％の厚みに加工することを特徴とする請求項３に記載の突状部を有する金属薄板の成形方法。
【請求項５】
前記ロール成形装置は、前記上型ロール、前記下型ロール、もしくはこれら型ロールと一体に設けられた円環状の鍔部に当接するバックアップロールを備えていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の突状部を有する金属薄板の成形方法。
【請求項６】
前記ロール成形装置の下流側において、前記薄板の搬送方向異なる位置に複数の矯正ロールを配置し、前記矯正ロールを通過する前記薄板の曲がり方向を上向きと下向きに交互に変化させることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の突状部を有する金属薄板の成形方法。
【請求項７】
前記ロール成形装置の下流側において、穿孔および／または製品部分を非製品部分から分離するトリム加工を、前記薄板に施すことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の突状部を有する金属薄板の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ロール成形装置を用いて突状部を有する薄板を成形する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられる金属セパレータは、板厚０．１ｍｍ程の金属の薄板から成り、ガス案内流路として利用される多数の突状部が形成されている。このような金属セパレータの突状部は、従来、ダイとパンチを用いたプレス加工により形成されていた。
しかしながら、プレス加工の加工形態は張り出し成形であり、周辺を拘束して材料を引っ張りながら金型形状に合わせて突状部の形を作る。このため、突状部を構成する側壁やこれに繋がるコーナー部などには、加工の初期から終了時まで継続して引張りの力が作用し、特にコーナー部では曲げ加工も加わるためネッキング（薄肉部）が生じ易く、これが割れ発生の起因となるため、大きな高さの突状部を形成することが難しい問題があった。
【０００３】
このような大きな高さの突状部を形成する時に発生する割れの問題を解決する方法として、例えば下記特許文献１では、プレス加工の際に、ダイの傾斜面とパンチの傾斜面とで、突状部の側壁を挟んで圧延するようになした点が開示されている。しかしながら、ダイの傾斜面とパンチの傾斜面とで突状部の側壁を挟んで圧延するためには、傾斜面の傾斜角度を大きく取る必要がある。そのため、図１（Ｂ）に示す突状部の基部１５や底部１８の幅を大きくできない問題を有し、またその加工には大きな力を要する。加えて、プレス加工の場合は、多数の突状部が形成される金属セパレータの全面を同時に加工するため、極めて高精度な金型が必要となり、その精度を保つための金型メンテナンスも頻繁に行う必要が生じる。更に特許文献１に記載の方法を実施しようとすればプレス装置が大型化してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５７３５１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は以上のような事情を背景とし、大きな加圧力を必要とせず、突状部を加工する際の割れを効果的に防止することが可能な突状部を有する薄板の成形方法を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
而して本発明は、金属の薄板に突状部を成形するに際し、
前記薄板に形成される前記突状部に対応した凹部もしくは凸部が外周面に形成された上型ロールと、前記上型ロールの前記凹部もしくは凸部と噛み合い可能な凸部もしくは凹部が外周面に形成された下型ロールと、を対向配置させたロール成形装置を用い、
これら上下一対の型ロールを回転させたときの前記凹部と前記凸部の噛み合いにより、前記一対の型ロールで挟み込まれた前記薄板の部位に、前記突状部を形成することを特徴とする。
【０００７】
本発明の成形方法によれば、プレス加工の場合に比べて、材料を拘束する領域が一対の型ロールで挟み込まれた狭い領域に限定される。このため、凹部と凸部の噛み合いが始まった初期の段階では、材料の移動を許容する絞り成形を主とした加工が行われる。この結果、突状部を形成する過程で部分的な強加工が避けられ歪の集中が起こり難くなり、成形割れを抑制することができる。
【０００８】
本発明ではまた、同時に加工される領域が、一対の型ロールで挟み込まれた狭い領域に限定されるため、広い領域を同時に加工するプレス加工の場合に比べて加工に要する力は小さく、大型の加工装置は不要である。
【０００９】
本発明では、前記凹部と前記凸部の噛み合い状態の変化に基づいて、絞り成形を主とした加工に続いて張り出し成形を主とした加工が行なわれ、所望の突状部の形状を得ることができる。
【００１０】
ここで本発明では、前記突状部を形成する過程で、前記突状部の側壁を前記凹部の傾斜面と前記凸部の傾斜面とで挟み込んで、前記側壁に対ししごき加工を行なうことができる。このようにすることで、突状部の側壁の板厚を均一に薄く延ばすことが可能となり、より高さの大きい突状部を形成することができる。
【００１１】
この場合、前記側壁の全体を、元の厚みに対し３０〜８０％の厚みとなるよう加工することが望ましい。
【００１２】
また本発明では、前記ロール成形装置が、前記上型ロール、前記下型ロール、もしくはこれら型ロールと一体に設けられた円環状の鍔部に当接するバックアップロールを備える構成とすることができる。このようにすることで、一方の型ロールが、加工中に他方の型ロールから離間する方向に撓むことを良好に抑制することができる。
【００１３】
また本発明では、前記ロール成形装置の下流側において、前記薄板の搬送方向異なる位置に複数の矯正ロールを配置し、前記矯正ロールを通過する前記薄板の曲がり方向を上向きと下向きに交互に変化させることができる。このようにすることで、突状部を成形する際に生じた、成形品全面に分布する歪みのバラツキを低減して、平面度に優れた薄板を得ることができる。
【００１４】
また本発明では、前記ロール成形装置の下流側において、穿孔および／または製品部分を非製品部分から分離するトリム加工を、前記薄板に施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（Ａ）は本実施形態の成形方法が適用される帯状の薄板の一例を示した平面図である。（Ｂ）は（Ａ）におけるＢＢ矢視線での突状部の断面形状を示した図である。
【図２】本実施形態の成形方法にて用いられる加工装置の概略構成を示した図である。
【図３】図２のロール成形装置を搬送方向から見た概略構成図である。
【図４】（Ａ）は図２のロール成形装置の一対の型ロールを拡大して示した図である。（Ｂ）は（Ａ）におけるＢＢ矢視線での凹部および凸部の断面図である。
【図５】突条部における加工状態の変化を示した図である。
【図６】図２の次工程装置内に設けられた矯正ロールの概略構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に本発明の実施形態を図面に基づいて以下に詳しく説明する。
図１（Ａ）において、１０は長尺状の金属の薄板で、突状部が形成された領域１２が長尺方向に沿って等間隔で反復して設けられている。本例では、領域１２内に長尺方向に延びる突状部１４が多数形成されている。突状部１４は、図１（Ｂ）に示すように、平坦な基部１５から図中上向きに膨出する形態で形成されており、対向する側壁１６、１６と、これら側壁１６、１６の間において平坦に形成された底壁１８を有している。基部１５と側壁１６はコーナー部１９にて繋がれ、側壁１６と底壁１８はコーナー部２０で繋がれている。
【００１７】
このような帯状の薄板１０は、最終的に領域１２を含む製品部分ごとに分離され、例えば燃料電池の金属セパレータとして利用される。金属セパレータとして用いられる薄板１０の板厚は０．０８〜０．２ｍｍ程度であり、ここでは板厚０．１ｍｍを例示することができる。薄板１０の材質としては、ステンレス鋼やＴｉ含有鋼が好適に用いられる。そして、ガスを流通させる流路として用いられる突状部１４の寸法としては、図１（Ｂ）で示す高さｈ：０．４ｍｍ、開口幅ｗ：０．６５ｍｍ、突状部間ピッチＰ：１．２ｍｍを例示することができる。
【００１８】
図２は、多数の突状部１４を有する薄板１０を成形するための加工装置３０の概略構成を示した図である。同図において、３２はアンコイラー、３４はコイラーで、アンコイラー３２にコイル状に巻き付けて準備された長尺の薄板（以下、コイルと称する場合がある）１０は、コイラー３４の回転力により引き出され図中左方向に搬送される。そして所定の加工が施された後、コイラー３４によりコイル状に巻き取られる。
【００１９】
アンコイラー３２とコイラー３４の間には、薄板１０の搬送方向に沿って、ロール成形装置３８、次工程装置４０が設けられている。ロール成形装置３８では薄板１０に所望の突状部１４が成形され、その後、搬送方向下流側に位置する次工程装置４０において穿孔、平坦化のための加工、製品部分を非製品部分（薄板の外周部分）から分離するトリム加工などが施される。尚、ロール成形装置３８の上流側には長尺の薄板１０のたるみを防止するためのパウダブレーキ（電磁ブレーキ）４１が設けられている。
【００２０】
次に、薄板１０にロール成形を施すロール成形装置３８について説明する。
図３において、４５は軸体４３に取り付けられた上型ロール、４９は軸体４７に取り付けられた下型ロールで、５１，５２は基台５３に立設されたロールスタンドである。上型ロール４５および下型ロール４９は、上下方向に対向配置され、それぞれ軸体４３，４７を介してロールスタンド５１，５２に回転可能に取り付けられている。
【００２１】
図３に示すように、下型ロール４９側の軸体４７には、減速機５４を介して駆動モータ５５が連結されている。また、一対の型ロール４５，４９からそれぞれ延びる軸体４３，４７は、一対のギア５６ａ，５６ｂで連結され、駆動モータ５５によって下型ロール４９を回転させると、一対のギア５６ａ，５６ｂを介して上型ロール４５が従動回転する。なお、上型ロール４５を従動回転させる手段としては、エンコーダと上下サーボモーターの組み合わせを採用することもできる。この場合は、ギアのバックラッシュによる誤差を排除することができるため、より好適である。
【００２２】
本例では、一対のギア５６ａ，５６ｂは同じ諸元とされており、下型ロール４９および上型ロール４５は同じ回転数で回転するように構成されている。そして下型ロール４９と上型ロール４５は同じ外径寸法とされており、その結果、下型ロール４９と上型ロール４５は同じ周速度で同期して回転する。
【００２３】
上型ロール４５の外周長および下型ロール４９の外周長は、図１に示す帯状の薄板１０の長さＬに対応しており、ロール成形装置３８では上下一対の型ロール４５，４９が一回転すると、これに対応して帯状の薄板１０が距離Ｌだけ搬送される。
【００２４】
図３に示すように、上型ロール４５の両端には、上型ロール４５よりも大径で円環状の鍔部４４，４４が一体に設けられており、鍔部４４，４４と上型ロール４５の下面で囲まれた収容凹部に下型ロール４９の上部が収容されている。
また鍔部４４，４４は、上型ロール４５の上方に配置されたバックアップロール４２と当接するように構成されており、上型ロール４５が、加工中に下型ロール４９から離間する方向に撓むことを抑制する。
【００２５】
一方、下型ロール４９の側には、下型ロール４９よりも大径で円環状の鍔部４８，４８が、軸体４７を介して下型ロール４９と一体に設けられている。鍔部４８，４８は下型ロール４９の下方に配置されたバックアップロール４６と当接するように構成されており、下型ロール４９が、加工中に上型ロール４５から離間する方向に撓むことを抑制する。尚、本例ではバックアップロールを鍔部に当接させているが、場合によっては上型ロール４５および下型ロール４９の外周面に直接当接させることも可能である。また、これらバックアップロールを用いない構成とすることも可能である。
【００２６】
上型ロール４５の外周面４５ａおよび下型ロール４９の外周面４９ａには、薄板１０の突状部１４の形状に対応する凹部および凸部が形成されている。詳しくは、外周面４５ａ，４９ａの、図３においてハッチングされた領域に凹部および凸部が形成されている。
そして、上型ロール４５に形成された凹部もしくは凸部は、下型ロール４９に形成された凸部もしくは凹部に噛み合い可能とされている。以下では、上型ロール４５に凹部５８が形成され、下型ロール４９に凸部６６が形成されているものとして説明を行っている。
【００２７】
凹部５８と凸部６６の噛み合い状態は、図４（Ａ）で示すように、上下一対の型ロール４５，４９の回転に基づいて変化する。そして、凹部５８と凸部６６との隙間は、上型ロール４５の中心と下型ロール４９の中心を結んだ基準線ｚ上において最小となる。そのときの状態を図４（Ｂ）で示している。図４（Ｂ）で示すように、本例では凹部５８および凸部６６が左右対称形状とされている。
【００２８】
図４（Ｂ）で示すように、上型ロール４５に形成された凹部５８は、基端面５９から図中斜め上向きに延びる一対の傾斜面６０，６０と、これら一対の傾斜面６０，６０の間に位置する平坦な底面６１を備えている。傾斜面６０の上下方向の仮想線に対する傾きθ1は、５〜３０°の範囲内とするのが望ましく、本例ではθ1が１３．５°とされている。
また、傾斜面６０と基端面５９とを繋ぐコーナー部６２の半径ｒは、０．０５〜０．２ｍｍの範囲内とするのが望ましく、この例では半径ｒが０．１ｍｍとされている。
【００２９】
この凹部５８に嵌入する凸部６６は、基端面６７から図中斜め上向きに延びる一対の傾斜面６８，６８と、これら一対の傾斜面６８，６８の間に位置する平坦な先端面６９を備えている。傾斜面６８の上下方向の仮想線に対する傾きθ2は５〜３０°の範囲内とするのが望ましく、本例ではθ2が１３．５°とされている。
また、傾斜面６８と先端面６９とを繋ぐコーナー部７０の半径ｒは、０．０５〜０．２ｍｍの範囲内とするのが望ましく、この例では半径ｒが０．１ｍｍとされている。
【００３０】
凹部５８と凸部６６とが最も近接している図４（Ｂ）の状態において、凹部５８と凸部６６との隙間は、薄板１０の元の板厚（ロール成形前の板厚）ｔとの対比で、基端面５９，６７間の隙間Ｓ1、傾斜面６０，６８間の隙間Ｓ2および底面６１と先端面６９との間の隙間Ｓ3がそれぞれ０．３ｔ〜０．８ｔの範囲内になるように設定されている。
このように構成されたロール成形装置３８では、型ロール４５，４９の中心を結んだ基準線ｚ近傍位置で、薄板１０が一対の型ロール４５，４９で挟まれて、順次突状部１４が形成される。
【００３１】
次に、突状部１４が形成される過程を図５に基づいて説明する。図５の（Ｉ）〜（IV）は、おおよそ図４（Ａ）の部分拡大図で示すＰ１〜Ｐ４の位置における状態を示している。
【００３２】
一対の型ロール４５，４９の同期回転にともなって、凹部５８と凸部６６とが接近し、凹部５８と凸部６６の噛み合いが始まった初期の段階では、図５（Ｉ）で示すように、凸部６６の先端面６９が薄板１０の下面に当接して、薄板１０を上向きに押圧する。これにより、薄板１０の押圧された部分が凹部５８内に押し込まれる。このとき凹部５８の周縁部における拘束は弱く、凹部５８内への材料の送り込みが可能であるため、ここでは「絞り成形を主とした加工」が行われる。
【００３３】
更に凹部５８と凸部６６とが接近し、薄板１０が凹部５８内に押し込まれると、図５（II）で示すように、突状部１４のコーナー部１９，２０における曲率が大きくなる。すると凹部５８の周縁での拘束は強くなって、凹部５８内への材料の送り込みが困難となり、「張り出し成形を主とした加工」が行われる。この状態では突状部１４のコーナー部１９，２０の２点間で引張の力が作用する。
【００３４】
更に凹部５８と凸部６６とが接近すると、図５（III）で示すように、凹部５８の傾斜面６０と凸部６６の傾斜面６８とが近接し、突状部１４の側壁１６が凹部５８の傾斜面６０と凸部６６の傾斜面６８とで挟まれ、以降「しごき加工」により側壁１６部分が均一に延ばされる。
【００３５】
更に凹部５８と凸部６６とが接近すると、図５（IV）で示すように、突状部１４の底壁１８が、凹部５８の底面６１と凸部６６の先端面６９とで挟まれて圧延され、同じく突状部１４の基部１５が、凹部５８の基端面５９と凸部６６の基端面６７とで挟まれて圧延され、所定の形状の突状部１４が形成される。
このようにして一対の型ロール４５，４９で挟み込まれた薄板１０の部位に、突状部１４が形成される。そして一対の型ロール４５，４９が同期して一回転すると、図１（Ａ）に示す距離Ｌに相当する長さの薄板１０に所望の突状部１４が形成される。
【００３６】
次に、ロール成形装置３８の下流側に設けられた次工程装置４０で行われる平坦化のための加工（以下、矯正ロール加工と称する場合がある）について説明する。
図６に示すように、次工程装置４０では、上下一対の矯正ロール８１〜８５が、薄板１０の搬送方向異なる位置に配置されている。矯正ロール８１〜８５の薄板１０を送り出す位置８１ｃ〜８５ｃは、上下方向千鳥状に異なっており、例えば、１段目の矯正ロール８１の送り出し位置８１ｃに対し、２段目の矯正ロール８２の送り出し位置８２ｃは下方に設けられている。次の３段目の矯正ロール８３の送り出し位置８３ｃは、２段目の矯正ロール８２の送り出し位置８２ｃよりも上方に設けられている。尚、矯正ロール８１〜８５は、隣接する矯正ロールとの送り出し位置の変位量が搬送方向下流側に向かうにつれて小さくなるように配置されている。
このように配置された矯正ロール８１〜８５を通過する薄板１０は、その曲がり方向が上向きと下向きに交互に変化させられ、突状部１４を成形する際に生じた、成形面における歪みのバラツキが低減される。
【００３７】
なお、製品に求められる形状を実現するため、次工程装置４０では穿孔やトリムを行うことも可能である。本実施形態の加工装置３０では下記の順に各加工を施し、所望の薄板製品を得ることができる。
（１）ロール成形 → 矯正ロール → 穿孔および／またはトリム → コイラー（トリム加工を行った場合、製品部分はトリム後にコイルから外れ、例えば下方に設けられた製品回収箱に落ちる）
（２）ロール成形 → 穿孔および／またはトリム → コイラー
（３）ロール成形 → 矯正ロール → コイラー
（４）ロール成形 → コイラー（次工程装置４０で加工を行わない例である）
【００３８】
以上のように本実施形態の薄板の成形方法では、一対の型ロール４５，４９を回転させたときの凹部５８と凸部６６の噛み合いにより、薄板１０に突状部１４を形成する。
本実施形態では、材料を拘束する領域が、一対の型ロール４５，４９で挟み込まれた狭い領域に限定されるため、凹部５８と凸部６６の噛み合いが始まった初期の段階では、材料の移動を許容する絞り成形を主とした加工が行われる。このため、突状部１４を形成する過程で部分的な強加工が避けられ歪の集中が起こり難くなり、成形割れを抑制することができる。
【００３９】
本実施形態ではまた、同時に加工される領域が、一対の型ロール４５，４９で挟み込まれた狭い領域に限定されるため、広い領域を同時に加工するプレス加工の場合に比べて加工に要する力が小さく、大型の加工装置は不要である。
【００４０】
本実施形態では、凹部５８と凸部６６の噛み合い状態の変化に基づいて、絞り成形を主とした加工に続いて、張り出し成形を主とした加工が行なわれ、所望の突状部１４の形状を得ることができる。ここで本実施形態では、突状部１４を形成する過程で突状部１４の側壁１６を凹部５８の傾斜面６０と凸部６６の傾斜面６８とで挟み込んで、側壁１６に対ししごき加工を行なうため、突状部１４の側壁１６の板厚を均一に薄く延ばすことが可能となり、より高さの大きい突状部１４を形成することができる。
【００４１】
また本実施形態では、ロール成形装置３８が、上型ロール４５と一体に設けられた円環状の鍔部４４，４４に当接するバックアップロール４２を備え、また下型ロール４９と一体に設けられた円環状の鍔部４８，４８に当接するバックアップロール４６を備えている。
このようにすることで、一方の型ロールが、加工中に他方の型ロールから離間する方向に撓むことを良好に抑制することができる。
【００４２】
また本実施形態では、ロール成形装置３８の下流側において、薄板１０の搬送方向異なる位置に複数の矯正ロール８１〜８５を配置し、これら矯正ロール８１〜８５を通過する過程で薄板１０の曲げ方向を上下に変化させることで、突状部１４を成形する際に生じた、成形品全面に分布する歪みのバラツキを低減して、平面度に優れた薄板１０を得ることができる。
【００４３】
以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。例えば上記実施形態では長尺方向（搬送方向）に延びる突状部を例示したが、突状部はこれに限定されるものではなく、本発明は、突条部が搬送方向と直交する場合や搬送方向に対し斜めに延びる場合でも適用可能である。また上記実施形態では、上型ロールに凹部が設けられ、下型ロールに凸部が設けられている場合を例示したが、噛み合い可能な凹部および凸部は何れの型ロールに設けることも可能である。また本発明は、燃料電池の金属セパレータ以外の用途に用いられる薄板の成形にも適用可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  薄板
１４  突状部
１６  側壁
３８  ロール成形装置
４２，４６  バックアップロール
４４，４８  鍔部
４５  上型ロール
４９  下型ロール
５８  凹部
６０，６８  傾斜面
６６  凸部
８１，８２，８３，８４，８５  矯正ロール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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