(57)【要約】【課題】１回の工程で高品質の金属板材の加工品を成形できるようにすること。【解決手段】固定側のダイ３１と、ダイ３１に対して接近離間されるパンチ４１とが設けられる。ダイ３１の窪み部３２及び突出部３３と、パンチ４１の突出部４３と窪み部４２との間において金属板材２１に連続する張出し部２２が成形される。成形に際しては、ダイ３１に対するパンチ４１の接近動作により、金属板材２１がダイ３１及びパンチ４１の第１凸部５１と、第２凸部５２及び第３凸部５３とによって挟圧された後に、第４凸部７０によって挟圧される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接近離間される一対の成形型により、金属板材に張出し部が凹凸状に連続されるとともに、その張出し部の側壁部が傾斜されるように前記金属板材を成形する金属板材の成形方法であって、
前記成形型の接近動作により、前記金属板材を一方の成形型の凸状曲面によって押圧した後に、その凸状曲面によって押圧された金属板材の反対側の部分を他方の成形型の凸状曲面によって押圧するとともに、両成形型の傾斜面により前記側壁部を挟圧する金属板材の成形方法。
【請求項２】
前記張出し部の幅方向の中央部を前記両成形型の凸状曲面によって押圧する請求項１に記載の金属板材の成形方法。
【請求項３】
前記両成形型の傾斜面を前記両凸状曲面より大きな曲率半径の凸状曲面により構成した請求項１または２に記載の金属板材の成形方法。
【請求項４】
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形成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面を形成するとともに、前記窪み部の底部及び突出部の頂部に互いに対向する凸状曲面を形成した金属板材の成形装置。
【請求項５】
前記凸状曲面を前記窪み部及び突出部の幅方向の中央部に形成した請求項４に記載の金属板材の成形装置。
【請求項６】
前記突出部の頂部の両側の傾斜面を前記窪み部の底部の凸状曲面及び前記突出部の頂部の凸状曲面より大きな曲率半径の凸状曲面によって構成した請求項５に記載の金属板材の成形装置。
【請求項７】
前記窪み部の底部の凸状曲面の曲率半径を前記突出部の頂部の凸状曲面の曲率半径より小さくした請求項５または６に記載の金属板材の成形装置。
【請求項８】
前記窪み部の底部の凸状曲面には、中央部の曲率半径が小さな部分と、両側部の曲率半径が大きな部分とを形成した請求項７に記載の金属板材の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ための金属板材の成形方法及び成形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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に開示された技術が提案されている。これらの特許文献１及び特許文献２の成形装置は、接近離間可能な上下の成形型を備え、両成形型の成形面に凹凸の関係で上下に対応する窪み部及び突出部が形成され、この窪み部及び突出部により金属板材に張出し方向が反対方向を向く張出し部が交互に形成される。
【０００３】
そして、特許文献１に開示された技術は、上下の成形型を用いた前段のプレス加工により金属板材に凹凸を付して円弧形状の張出し部が連続する波形に成形し、後段のコイニング加工により前記張出し部の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。
【０００４】
特許文献２に開示された技術は、第１工程から第３工程により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出し部の頂部を同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、前記張出し部の側壁部を圧延によって成形し、第３工程では前記張出し部の頂部が拡げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４８６１６号公報
【特許文献２】特開２０１４−２１３３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、特許文献１の技術においては、プレス加工の後にコイニング加工が必要であり、特許文献２の技術においては、第１工程から第３工程の３工程が必要である。従って、特許文献１及び特許文献２においては、複数の異なる工程を要するため、生産性が低く、成形装置の設備が大掛かりになる。また、同一の金属板材に対して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与えられ、金属板材の製品となった際の強度が低下して製品寿命が短くなるおそれがあった。
【０００７】
前記特許文献１の技術において、前段のプレス加工においては、成形型の突出部が金属板材を押圧するが、窪み部は金属板材から離間されているため、金属板材の成形された部分には圧縮力は作用することがなく、金属板材には突出部によって引き延ばし力が作用する。また、後段のコイニング加工においては、窪み部及び突出部の側壁部が起立されているため、一対の成形型が接近動作されても、金属板材の張出し部の側壁部には成形型による擦過作用が付与されるが、圧縮作用はあまり付与されない。
【０００８】
特許文献２の技術においては、前記のように、最初の工程において金属板材に対して、引き延ばし成形により、高さの高い張出し部が成形され、その張出し部に対して別工程で成形が施される。従って、特許文献１及び特許文献２の技術においては、金属板材に対して引き延ばし力が優先して加えられるため、金属板材が部分的に薄くなって、引き延ばされた張出し部の側壁部などにネッキングを生じるおそれがあり、このような場合には、成形後の製品の機能が低下する結果となる。
【０００９】
さらには、特許文献１及び特許文献２の技術においては、成形後の金属板材の張出し部の頂部の外側面が平坦に形成される。このため、金属板材を燃料電池のセパレータとして用いた場合、前記外側面と燃料電池の拡散層との接触面積を十分な広さに確保できない。従って、燃料電池の内部電気抵抗が高くなるとともに、拡散層に対する単位面積当たりの圧力が高くなって柔軟な素材で形成された拡散層が過度に変形される要因となり、これらのことから燃料電池の性能が低下するおそれがある。
【００１０】
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製造方法及び成形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、金属板材に張出し部が凹凸状に連続されるとともに、その張出し部の側壁部が傾斜されるように前記金属板材を成形する金属板材の成形方法であって、前記成形型の接近動作により、前記金属板材を一方の成形型の凸状曲面によって押圧した後に、その凸状曲面によって押圧された金属板材の反対側の部分を他方の成形型の凸状曲面によって押圧するとともに、両成形型の傾斜面により前記側壁部を挟圧することを特徴とする。
【００１２】
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形成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面を形成するとともに、前記窪み部の底部及び突出部の頂部に互いに対向する凸状曲面を形成したことを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記側壁部の傾斜角度は張出し部の頂部に対して鈍角状をなし、前記傾斜面の傾斜角度は前記窪み部の底部及び突出部の外側面に対して鈍角状をなすものである。
従って、本発明によれば、成形型の接近移動により、一方の成形型の突出部の凸状曲面が金属板材に当接して金属板材を押圧する。このため、金属板材に対して湾曲力が付与され、その状態で金属板材の張出し部の成形が進行する。そして、他方の成形型の窪み部の凸状曲面により前記張出し部の頂部の初期に押圧された部分と同部分が押圧されて薄肉化されて、金属材料が張出し部の側壁部側に移動される。次いで、張出し部の側壁部が両成形型によって挟圧され、この状態で張出し部が圧延によって成形される。従って、張出し部の側壁部の部分が引き延ばされたとしても、その後に、引き延ばしを補うように金属材料が側壁部の部分に供給される。このため、側壁部の部分にネッキングが生じることはなく、１回の工程で金属板材を成形できる。
【００１４】
このため、生産効率を向上できるとともに、大がかりな生産設備が不要になる。また、側壁部の圧延によって金属材料が側壁部から凸状曲面を有する窪み部の底部側に移動される。このため、成形された金属板材の張出し部の頂部の外側面が凹凸形状に形成される。従って、成形後の金属板材を燃料電池のセパレータとして用いた場合、金属板材の頂部の外側面と燃料電池の拡散層との接触面積が増えて、電気抵抗が低下するとともに、単位面積当たり接触圧を低下させて拡散層の座屈が防止される。従って、高性能な燃料電池の実現に寄与できる。
【発明の効果】
【００１５】
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がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】セパレータとして成形された金属板材の斜視図。
【図２】セパレータとして成形された金属板材の断面図。
【図３】成形装置の断面図。
【図４】成形初期における成形装置を示す断面図。
【図５】成形中期における成形装置を示す断面図。
【図６】成形終了時における成形装置を示す断面図。
【図７】変更例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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の表裏両面には全体として凹凸形状となるように交互に反対方向に向かって張出された複数の襞状の張出し部２２が形成されている。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。
【００１８】
図２に示すように、張出し部２２は、頂部２２１と、その頂部２２１の両側に連なる傾斜状の側壁部２４とを備え、断面ほぼ台形状となるように形成されている。側壁部２４は頂部２２１の幅方向中心線に対して全体として鈍角をなしている。前記頂部２２１と側壁部２４との間の境界部２２３は凸状曲面に形成され、頂部２２１の中央部２２４は凹状曲面に形成されている。
【００１９】
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、上下逆になったり、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の頂部２２１の両側部の厚さは、０．２０〜０．０５ｍｍ程度であり、例えば、０．１０ｍｍである。張出し部２２の頂部２２１の中央部、側壁部２４の高さ方向の中央部の厚さは、０．１５〜０．０３ｍｍ程度であり、例えば、０．０７ｍｍである。
【００２０】
そして、金属板材２１は以下の成形装置３０を用いて成形される。
図３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、それらの上下関係が実施形態の逆になることもある。ダイ３１の成形面を形成する上面には、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連続形成されている。
【００２１】
前記ダイ３１及びパンチ４１の突出部３３，４３の頂部には、曲率半径がδ５１の凸状曲面としての第１凸部５１が形成されている。その頂部の両側には、全体として傾斜面を形成する第４凸部７０が形成されている。この第４凸部７０は凸状曲面を構成し、その曲率半径δ７０は第１凸部５１の曲率半径δ５１より大きい。
【００２２】
ダイ３１及びパンチ４１の窪み部３２の底部の幅方向の中央部には凸状曲面としての第２凸部５２が前記第１凸部５１と対向するように形成されている。この第２凸部５２の曲率半径δ５２は第１凸部５１の曲率半径δ５１より小さい。第２凸部５２の両側位置には幅の狭い凸状曲面としての第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及び第２凸部５２の曲率半径δ５１，δ５２より大きく、前記第４凸部７０の曲率半径δ７０より小さい。
【００２３】
第４凸部７０と前記窪み部３２の底部の両側との間の境界部には凹状曲面としての凹部６１が形成されている。この凹部６１の曲率半径δ６１は第２凸部５２の曲率半径δ５２より大きく、第１凸部５１の曲率半径δ５１より小さい。本実施形態において、第１凸部５１の曲率半径δ５１は、０．１５〜０．２５ｍｍの範囲内であって、例えば０．１９ｍｍである。第２凸部５２の曲率半径δ５２は、０，１１〜０．２１ｍｍの範囲内であって、例えば０．１６ｍｍである。第３凸部５３の曲率半径δ５３は、０．３５〜０．４５ｍｍの範囲内であって、例えば０．４０ｍｍである。第４凸部７０の曲率半径δ７０は、０．１０〜１．５０ｍｍの範囲内であって、例えば、０．９ｍｍである。凹部６１の曲率半径δ６１は、０．１２〜０．２２ｍｍの範囲内であって、例えば、０．１７ｍｍである。
【００２４】
前記第４凸部７０と凹部６１との間には、ごく短い上下長さ（０．０１ｍｍ程度）の直線部３４が形成されている。
前記各凸部５１〜５３，７０、直線部３４及び凹部６１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３に示す黒点は、これらの両端の連続点を示す。ただし、直線部３４は短いため、黒点と重なって描かれている。ここで、第４凸部７０が全体として傾斜面を形成するということは、第４凸部７０の両端の黒点位置間を結ぶ仮想の直線が窪み部３２，４２の幅方向に対して傾斜しているということを意味する。
【００２５】
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４に示すように、パンチ４１が上死点側にあるときに、成形装置３０のダイ３１上に、未加工で、かつフラットで均一な厚さの金属板材２１がセットされる。本実施形態において、図４に示す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。
【００２６】
この状態で、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４〜図６に示すように、ダイ３１及びパンチ４１の窪み部３２と突出部３３との間において金属板材２１に対する成形が開始される。
【００２７】
図４及び図５に示す成形初期においては、まずダイ３１及びパンチ４１の突出部３３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。このため、この当接部が湾曲されるとともに、その当接部の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る。つまり、金属板材２１に対して湾曲圧力が作用して、金属板材２１は第１凸部５１との当接位置を頂点として湾曲を開始する。
【００２８】
そして、図６から明らかなように、パンチ４１の下死点付近で金属板材２１は第１凸部５１の反対側の面が第１凸部５１と対向する窪み部３２の第２凸部５２に当接して押圧され、第１凸部５１と第２凸部５２とによって挟圧される。このため、この部分の金属材料がさらに薄肉化されて、その金属材料が挟圧部の両側の凹部６１側に流れる。
【００２９】
そして、金属板材２１の両側に移動された金属材料は第３凸部５３によって押圧されて、金属材料が第４凸部７０側にさらに移動される。ただし、第３凸部５３の曲率半径δ５３が第２凸部５２の曲率半径δ５２より大きいため、この部分における前記湾曲に要する力は緩和される。
【００３０】
その後、ダイ３１及びパンチ４１の突出部３３と窪み部３２との間の第４凸部７０間において金属材料が挟圧される。このため、この部分の金属材料が圧延されるとともに、金属材料が突出部３３の頂部側に流れる。
【００３１】
そして、パンチ４１が下死点に達したところで、図２に示す前述した構成のセパレータとして好適な形状及び板厚の金属板材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。
【００３２】
（１）ダイ３１に対するパンチ４１の接近移動により、突出部３３，４３の第１凸部５１が金属板材２１に当接して金属板材２１の張出し部２２の幅方向の中央部に位置する部分を押圧する。このため、金属板材２１の第１凸部５１との当接部が薄肉化されて、金属材料が当接部の両側に流れるとともに、金属板材２１に対して湾曲力が付与される。次いで、金属板材２１に第２凸部５２が当接し、金属板材２１が第１，第２凸部５１，５２で挟圧されて、金属板材２１の当接部がさらに薄肉化される。そして、この状態で金属板材２１の成形が進行し、パンチ４１が下死点に達したところで、金属板材２１に所要の形状が与えられる。
【００３３】
すなわち、パンチ４１の下死点付近で、第１凸部５１と対向して位置する第２凸部５２及び第３凸部５３が第１凸部５１と協働して金属板材２１を挟圧するため、その挟圧部分の金属材料が凹部６１及び第４凸部７０側に移動される。そして、ダイ３１及びパンチ４１の第４凸部７０間において金属材料が圧延されて、側壁部２４となる。従って、成形初期に傾斜した第４凸部７０間の位置において金属材料に引っ張り力が作用したとしても、その第４凸部７０間に第１〜第３凸部５１〜５３側から金属材料が補充されるため、この第４凸部７０間における金属板材の不足に起因したネッキングは生じない。このため、特許文献１及び特許文献２の技術とは異なり、成形工程を分けることなく、成形工程が１回であっても、金属板材２１を例えばセパレータとして問題なく成形できる。
【００３４】
以上のように、１回の工程でフラットな金属板材２１から張出し部２２を有するセパレータ形状の金属板材２１を問題なく成形できる。このため、生産効率を向上できるとともに、大がかりな生産設備が不要になる。また、金属板材２１には、加工が１回加えられるだけであるため、金属板材２１に加えられる物理的ダメージを最小限にすることができ、金属板材２１からなるセパレータなどの製品の強度や耐久性などを向上できる。
【００３５】
（２）第１凸部５１の曲率半径δ５１は大きく、広い範囲にわたって形成されているため、金属板材２１においては第１凸部５１との当接による応力集中が抑えられる。このため、金属板材２１に与えられる物理的ダメージをさらに抑制できる。
【００３６】
（３）対向する第４凸部７０間における金属材料の圧延は、第４凸部７０の円弧どうしの成形であるため、金属材料が動きやすく、変形に対する抵抗が少ない。このため、成形荷重が小さくなって、成形装置３０に作用する負荷が少なくなり、成形装置３０を大きなパワーで動作させる必要はなく、成形装置３０の駆動構成を小型化して、金属板材２１の成形に要する消費エネルギーを少なくできる。また、第４凸部７０の部分は、円弧どうしが上下にずれて対向しているため、金属板材２１の側壁部２４の角度を起立させることができる。従って、その分、突出部３３の頂部を幅広く形成できるため、拡散層や他の金属板材２１の頂部２２１との接触面積を広くすることができて、従って、金属板材２１を燃料電池のセパレータとして用いた場合、その頂部２２１の外側面と燃料電池の拡散層や、他のセパレータの張出し部の頂部との接触面積が増える。よって、電気抵抗が低下するとともに、単位面積当たり接触圧を低下させて拡散層やセパレータの張出し部の座屈が押えられる。また、接触面の滑りをともなう微振動を抑えることができる。従って、高性能な燃料電池の実現に寄与できる。
【００３７】
（４）金属板材２１の成形に際して、パンチ４１の下死点付近では金属板材２１に対して引っ張り力が作用せず、パンチ４１は、その重量を利用して金属板材２１を押圧すればよい。このため、前記と同様に成形装置３０にかかる負荷を少なくできる。
【００３８】
（５）金属板材２１に対して第２凸部５２が当接し、引き続き第３凸部５３が当接して金属板材２１を押圧するため、金属材料が第４凸部７０側に円滑に移動される。このため、金属板材２１の側壁部２４の部分における材料不足に起因したネッキングをさらに有効に防止できる。そして、この場合、第３凸部５３は第２凸部５２より大きな曲率半径δ５２を有するため、金属板材２１に作用する応力集中を抑えることができる。
【００３９】
（６）パンチ４１が下死点に達したときには、金属板材２１は、曲率半径の大きな第４凸部７０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、ダイ３１及びパンチ４１の耐久性を向上できる。
【００４０】
（７）パンチ４１が下死点に達したときに、第１凸部５１と第２，第３凸部５２，５３との間の金属材料及び第４凸部７０間の金属材料が圧延されるとともに、その部分の余分な金属材料が凹部６１の部分に集まるように移動される。従って、金属板材２１の張出し部２２の頂部と側壁部２４との間の境界部を含む金属板材２１全体にわたって残留応力が緩和され、成形後の金属板材２１のスプリングバックが抑制されて、反りのないセパレータなどの高精度の成形品を実現できる。
【００４１】
（８）成形された金属板材２１の張出し部２２の頂部２２１の外側面が第２，第３凸部５２，５３及び凹部６１によって凹凸形状に形成されているため、頂部２２１の外側面の表面積が増える。従って、金属板材２１を燃料電池のセパレータとして用いた場合、前記と同様に、頂部２２１の外側面と燃料電池の拡散層との接触面積が増えて、電気抵抗が低下や、拡散層の座屈などが押えられ、高性能な燃料電池の実現に寄与できる。なお、張出し部２２の頂部２２１の凹凸形状をなす外側面における凹部の深さは、前記拡散層の弾性変形許容量の範囲内で設定される。
【００４２】
なお、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。
・図７に示すように、突出部３３の第１凸部５１と、その第１凸部５１と対向する窪み部３２の第２凸部５２とを複数形成すること。
【００４３】
・金属板材２１を燃料電池のセパレータ以外の成形品となるように成形すること。
・突出部３３，４３の頂部の両側の第４凸部７０を凸状曲面から直線状に変更すること。
【００４４】
・窪み部３２，４２の第３凸部５３を省略すること。そして、第２凸部５２と凹部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。
【符号の説明】
【００４５】
２１…金属板材、２２…張出し部、２４…側壁部、３０…成形装置、３１…ダイ、３２…窪み部、３３…突出部、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…凹部、７０…第４凸部、２２１…頂部、２２４…中央部、δ５１…曲率半径、δ５２…曲率半径、δ５３…曲率半径、δ６１…曲率半径、δ７０…曲率半径。
【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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【図７】
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