DE102015103924A1

DE102015103924A1 - Stanzverfahren für eine Metallplatte und Stanzvorrichtung

Info

Publication number: DE102015103924A1
Application number: DE102015103924.9A
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA BOSHOKU KABUSHIKI K Hirata Kazuyuki
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2035-03-18
Also published as: DE102015103924B4; JP2015178123A; US20150266078A1; JP6120006B2; US9757787B2

Abstract

Ein Stanzverfahren für eine Metallplatte ist zum Schneiden einer Metallplatte (21) vorgesehen, auf der ein Wölbabschnitt (212, 215) durch Pressen ausgebildet ist, in einem Schnittbereich (CA), der in einem von dem Wölbabschnitt verschiedenen Abschnitt begrenzt ist. Das Verfahren umfasst ein Ausbilden einer Sicke (216) auf der dem Wölbabschnitt (212, 215) abgewandten Seite des Schnittbereichs (CA), sowie ein Stauchen der Sicke (216) vor dem Schneiden der Metallplatte (21).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich beispielsweise auf Verfahren und Vorrichtungen zum Stanzen von Metallplatten zum Erzeugen von Bipolarplatten von Brennstoffzellen.
Bipolarplatten von Brennstoffzellen sind aus Metallplatten ausgebildet. Eine Bipolarplatten hat in ihrer Mitte Wölbabschnitte, die einem Dichtungsabschnitt und einem Fluidkanal für ein Brenngas oder Oxidationsgas entsprechen. Die Wölbabschnitte sind typischerweise durch Pressen ausgebildet. Daher hat die Metallplatte eine Restspannung nach dem Pressen. Die Restspannung kann Form oder Größenänderungen der Metallplatte zur Folge haben, wenn die Metallplatte nach dem Pressen in eine vorgegebene Form gestanzt wird. Das kann die Maßhaltigkeit vermindern.
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2009-255106 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines geprägten Zwischenerzeugnisses. Das geprägte Teil wird abgeflacht, um eine Spannung zu reduzieren, die andernfalls einen Verzug des Zwischenerzeugnisses verursachen würde.
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2013-27912 zeigt ein Verfahren, das Sicken in der Bodenwand von einem hutförmigen Erzeugnis erzeugt, um ein Rückfedern zu reduzieren.
Gemäß dem in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2009-255106 gezeigten Verfahren sind Prägespuren schwierig zu entfernen, nachdem die geprägten Teile des Zwischenprodukts abgeflacht worden sind. Das Verfahren ist nicht für Erzeugnisse geeignet, die eine hohe Maßhaltigkeit erfordern, wie etwa Bipolarplatten von Brennstoffzellen.
Gemäß dem in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2013-27912 gezeigten Verfahren werden die Sicken, nachdem das Erzeugnis fertig gestellt ist, nicht abgeflacht und verbleiben daher an dem Erzeugnis. Deswegen ist, wie in dem oberen Fall, das Verfahren nicht für Erzeugnisse geeignet, die eine hohe Maßhaltigkeit erfordern, wie etwa Bipolarplatten von Brennstoffzellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stanzverfahren und eine Stanzvorrichtung vorzusehen, die eine hochpräzise Verarbeitung von Metallplatten durchführen können.
Um das oben genannte Ziel erreichen zu können und in Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein Stanzverfahren für eine Metallplatte vorgesehen, das zum Schneiden einer Metallplatte, auf der ein Wölbabschnitt mittels Pressen ausgebildet ist, verwendbar ist, in einem Schnittbereich, der in einem von dem Wölbabschnitt verschiedenen Abschnitt begrenzt ist. Das Verfahren umfasst: Ausbilden einer Sicke auf der dem Wölbabschnitt abgewandten Seite des Schnittbereichs; und Stauchen der Sicke vor dem Schneiden der Metallplatte.
Gemäß diesem Stanzverfahren wird die Sicke vor dem Schneiden oder Stanzen der Metallplatte gestaucht oder eingedrückt. Das Reduziert die Restspannung in der Metallplatte und verbessert insbesondere die Maßhaltigkeit des durch das Schneiden der Metallplatte erhaltenen Produkts. Ferner wird, da das Schneiden der Metallplatte die Sicke nicht in dem fertig gestellten Erzeugnis belässt, die Maßhaltigkeit des Erzeugnisses weiter verbessert und unerwünschte Unebenheiten werden nicht in dem Erzeugnis erzeugt.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist eine Stanzvorrichtung vorgesehen, die ein Matrizenelement zum Ausstanzen einer Metallplatte und einen Stempel vorsieht. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Stauchabschnitt, der eine an der Metallplatte ausgebildete Sicke vor dem Ausstanzen eindrückt.
Diese Stanzvorrichtung verbessert die Maßhaltigkeit des Erzeugnisses.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Bandmaterial zeigt;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Metallplatte zeigt;
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die Metallplatte und einen Rahmen zeigt;
4 ist eine Teilschnittansicht, die die Metallplatte und den Rahmen zeigt;
5 ist eine Draufsicht, die die Metallplatte zeigt, an der der Rahmen befestigt ist;
6 ist eine Draufsicht, die eine Bipolarplatte zeigt;
7 ist eine schematische Zeichnung, die einen Zustand zeigt, in dem der Rahmen an der Metallplatte befestigt ist;
8 ist eine schematische Zeichnung, die die Metallplatte zeigt, nachdem die Wölbabschnitte ausgebildet wurden;
9 ist eine schematische Zeichnung, die die Metallplatte zeigt, nachdem sie ausgestanzt oder abgeschert wurde;
10 ist eine Schnittansicht, die eine Stanzvorrichtung zeigt, bevor die Metallplatte ausgestanzt wird und die Sicken eingedrückt werden;
11 ist eine Schnittansicht, die die Stanzvorrichtung zeigt, während die Metallplatte ausgestanzt wird und die Sicken eingedrückt werden;
12 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Stanzvorrichtung zeigt, bevor die Metallplatte ausgestanzt wird;
13 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Stanzvorrichtung zeigt, während die Metallplatte ausgestanzt wird und die Sicken eingedrückt werden;
14 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Sickenabschnitt zeigt, bevor die Metallplatte ausgestanzt wird; und
15 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die einen Sickenabschnitt zeigt, während die Metallplatte ausgestanzt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Stanzverfahren für eine Metallplatte und eine Stanzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform werden nun beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform erzeugen das Stanzverfahren für eine Metallplatte und die Stanzvorrichtung eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle, die ein Beispiel eines Erzeugnisses ist. Die Bipolarplatte ist beispielsweise aus einer Titanlegierung oder nichtrostendem Stahl gemacht.
Zunächst wird die Gesamtkonfiguration eines Herstellungsverfahrens unter Bezugnahme auf 1 bis 9 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, wird ein metallisches Bandmaterial 701 gestutzt, um ein Werkstück zu erhalten, das eine in 2 gezeigte rechteckige Metallplatte 21 ist. Durchgangslöcher 211 sind in dem äußeren Umfangsabschnitt der Metallplatte 21 ausgebildet.
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, ist der Umfangsabschnitt der Metallplatte 21 zwischen Rahmenelementen 703, 704 eines rechteckigen, umlaufenden Rahmens 702 eingespannt. Bolzen 707 sind in Durchgangslöcher 705 der Rahmenelemente 703, 704 und Durchgangslöcher 211 der Metallplatte 21 eingesetzt und Schraubenmuttern 708 sind auf die Bolzen 707 geschraubt, sodass die Metallplatte 21 in dem Rahmen 702 eingespannt ist.
Hiernach werden, wie in 5 gezeigt ist, ein gewundener Gaskanal 212, Öffnungen 213, 214, ein umlaufender Dichtungsabschnitt 215 und Sicken 216 in der Metallplatte 21 ausgebildet. Der Gaskanal 212 ist in einem Mittelabschnitt der Metallplatte 21 angeordnet. Die Öffnungen 213, 214 sind um den Gaskanal 212 angeordnet. Der umlaufende Dichtungsabschnitt 215 ist durch einen Vorsprung gebildet und außerhalb der Öffnungen 213, 214 angeordnet. Die Sicken 216 sind in einem umlaufenden Bereich angeordnet, der den Dichtungsabschnitt 215 umschließt. Die Metallplatte 21 wird an dem Schnittbereich CA ausgestanzt, der zwischen den Sicken 216 und dem Dichtungsabschnitt 215 angeordnet ist, um eine in 6 gezeigte Bipolarplatte 30 zu erhalten. Der Gaskanal 212 und der Dichtungsabschnitt 215 bilden Wölbabschnitte aus.
Nach dem Befestigen an dem Rahmen 702 wird, wie in 7 gezeigt ist, die Metallplatte 21 auf folgende Weise, wie in den 7 bis 9 gezeigt ist, bearbeitet.
Zunächst wird, wie in 8 gezeigt ist, der Gaskanal 212 durch Wölben ausgebildet. Zudem werden der Dichtungsabschnitt 215 und die Sicken 216 auf der Außenseite des Gaskanals 212 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Wölbabschnitte, die den Gaskanal 212 und den Dichtungsabschnitt 215 ausbilden, zeitgleich mit den Sicken 216 ausgebildet.
Dann werden, wie in 9 gezeigt ist, die Öffnungen 213, 214 durch Stanzen ausgebildet und der Abschnitt zwischen dem Dichtungsabschnitt 215 und den Sicken 218 wird gestanzt, sodass die Bipolarplatte 30 durch Stanzen ausgebildet wird.
Solange die Öffnungen 213, 214, der Dichtungsabschnitt 215 und die Sicken 216 ausgebildet werden, bevor die Bipolarplatte 30 durch Stanzen ausgebildet wird, können die Öffnungen 213, 214, der Dichtungsabschnitt 215 und die Sicken 216 zeitgleich mit, vor oder nach dem Ausbilden des Gaskanals 212 ausgebildet werden.
Der Stanzvorgang und die Stanzvorrichtung 50, die in dem Erzeugungsvorgang verwendet werden, werden nun beschrieben.
Zuerst wird die Stanzvorrichtung 50 beschrieben. Die Stanzvorrichtung 50 ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch und die linke Hälfte der Stanzvorrichtung 50 ist in 10 gezeigt.
Wie in 10 gezeigt ist, umfasst die Stanzvorrichtung 50 eine feste untere Matrize 51, eine obere Matrize 54, die bezüglich der unteren Matrize 51 angehoben und abgesenkt wird, eine Ausstoßvorrichtung 61, die an der Außenseite der unteren Matrize 51 angeordnet ist, sowie eine Stauchmatrize 64, die an der Außenseite der oberen Matrize 54 angeordnet ist. Die untere Matrize 51 hat ein Matrizenelement 52, das eine Montagefläche 53 an der oberen Fläche hat, an der die Metallplatte 21 montiert ist. Ein Stanzloch 521 ist in der Montagefläche 53 ausgebildet. Das Stanzloch 521 ist umlaufend ausgebildet.
Die obere Matrize 54 hat einen umlaufenden Stempel 55, der dem Stanzloch 521 gegenüberliegt. Die obere Matrize 54 hat an der Unterseite ein Halteelement 56, das innerhalb eines vorgegebenen Bereichs angehoben und abgesenkt wird. Das Halteelement 56 ist durch eine Feder 57 nach unten vorgespannt. Das Halteelement 56 hat an der unteren Fläche Ausnehmungen 58, 59, die dem Gaskanal 212 bzw. dem Dichtungsabschnitt 215 der Metallplatte 21 entsprechen und diese aufnehmen.
Der Auswerfer 61, der angehoben und abgesenkt werden kann, ist an der Außenseite der unteren Matrize 51 angeordnet. Die obere Fläche des Auswerfers 61 bildet eine Aufnahmefläche 62 aus. Der Auswerfer 61 wird durch eine Feder 63 nach oben vorgespannt. Die Stauchmatrize 64 ist an dem Außenumfang der oberen Matrize 54 befestigt und oberhalb des Auswerfers 61 angeordnet. Mit dem Absenken der oberen Matrize 54 übt die Stauchmatrize 64 einen Stauchdruck auf die Metallplatte 21 auf der Aufnahmefläche 62 aus. Der Auswerfer 61 und die Stauchmatrize 64 bilden einen Stauchabschnitt aus.
Ein durch die Stanzvorrichtung 50 durchgeführter Stanzvorgang wird nun beschrieben. Wie oben beschrieben ist, staucht die Stanzvorrichtung 50 die Sicken 216 und schneidet die Metallplatte 21 aus. Insbesondere ist, wenn die obere Matrize 54 in einer angehobenen Position ist, wie in 10 gezeigt ist, die Metallplatte 21 zwischen der unteren Matrize 51 und der oberen Matrize 54 angeordnet. Dabei sind, wie in 12 gezeigt ist, die Sicken 216 der Metallplatte 21 an der Aufnahmefläche 62 des Auswerfers 61 angeordnet und das Stanzloch 521 des Matrizenelements 52 und der Stempel 55 stimmen mit dem Abschnitt zwischen den Sicken 218 und dem Dichtungsabschnitt 215 in der Metallplatte 21 überein.
Anschließend wird, wie in den 13, 14 und 15 gezeigt ist, die obere Matrize 54 zusammen mit der Stauchmatrize 64 abgesenkt. Dementsprechend berührt die Stauchmatrize 64 die oberen Flächen der Sicken 216, die durch die Aufnahmefläche 62 des Auswerfers 61 von unten gestützt werden. Dann wird die Stauchmatrize 64 weiter abgesenkt, sodass die Sicken 216 zwischen der Stauchmatrize 64 und dem Auswerfer 61 gestaucht werden. Das reduziert die Restspannung, die in der Metallplatte durch das Ausbilden der den Gaskanal 212 und den Dichtungsabschnitt 215 umfassenden Wölbabschnitte erzeugt wird.
Unmittelbar vor dem Ende des Stauchvorgangs durch die Stauchmatrize 64, d.h., wenn die Reduzierung der Restspannung im Wesentlich beendet ist, scheren das Matrizenelement 52 und der Stempel 55 die Metallplatte 21 in dem in 5 gezeigten Schnittbereich CA zwischen den Sicken 216 und dem Dichtungsabschnitt 215 ab. Durch das Abscheren wird die in 6 gezeigte Bipolarplatte 30 ausgestanzt. Obwohl der Schnittbereich CA eine gewisse Breite hat, ist er in 5 durch die lange Strich-Zweipunktlinie zum Zwecke der Darstellung gezeigt.
Obwohl es nicht gezeigt ist, werden die Öffnungen 213, 214 zeitgleich mit dem Ausstanzen zum Ausbilden der Bipolarplatte 30 durch Ausstanzen ausgebildet. Allerdings können die Öffnungen 213, 214 jederzeit vor dem Ausbilden der Bipolarplatte 30 durch das Matrizenelement 52 und den Stempel 55 ausgebildet werden.
Danach wird die Bipolarplatte 30 dem weiteren Verfahren zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle zugeführt. Nachdem sie von den Resten der Metallplatte 21 getrennt worden sind, werden die Rahmenelemente 703, 704 zum Ausbilden nachfolgender Bipolarplatten 30 wiederverwendet.
Diese Ausführungsform erreicht die folgenden Vorteile.

(1) Der Dichtungsabschnitt 215 und der Gaskanal 212 sind an der Innenseite des rechteckigen und umlaufenden Schnittbereichs CA auf der Metallplatte 21 ausgebildet, anders gesagt, auf der Innenseite der Abscherposition oder Stanzlinie, und die Sicken 216 sind an der Außenseite dieser Abscherposition oder Stanzlinie ausgebildet. Die Sicken 216 werden gestaucht, bevor die Metallplatte 21 ausgestanzt wird. Das drückt das Material in den den Sicken 216 entsprechenden Teilen der Metallplatte 21 in Richtung des Dichtungsabschnitts 215 und des Gaskanals 212. Dadurch wird, auch wenn eine Restspannung in der Zugrichtung durch Ausbilden des Dichtungsabschnitts 215 und des Gaskanals 212 erzeugt wurde, die Restspannung reduziert. Das schränkt Änderungen der Abmessungen der Bipolarplatte 30 nach dem Ausstanzen aus der Metallplatte 21 ein. Das heißt, dass die Maßhaltigkeit verbessert wird.
(2) Die Sicken 216 sind ausgebildet, um den Dichtungsabschnitt 215 mit dem Gaskanal 212 zu umschließen, und die Metallplatte 21 wird in dem Schnittbereich CA zwischen den Sicken 216 und dem Dichtungsabschnitt 215, der an der Außenseite des Gaskanals 212 ist, ausgestanzt. Das reduziert die Spannungen in der gesamten Metallplatte 21.
(3) Weil die Metallplatte 21 erst geschnitten wird, wenn das Stauchen der Sicken 216 beendet ist, werden die Spannungen in der Metallplatte 21 zuverlässig abgebaut.
(4) Auf der Metallplatte 21 ist die Abscherposition, d.h., der Schnittbereich CA innerhalb der Sicken 216 ausgebildet. Somit wird der Abschnitt mit den Sicken 216 von der Bipolarplatte 30 getrennt, um ein Teil des Stoffrests zu werden, wenn die Metallplatte 21 ausgestanzt wird. Die Bipolarplatte 30 ist somit ohne die gestauchten Sicken 216 ausgebildet. Dadurch sind keine ungewünschten Unebenheiten auf der Metallplatte 21 ausgebildet und eine Bipolarplatte mit hoher Maßhaltigkeit wird erzeugt.

Abwandlungen
In der oben beschriebenen Ausführungsform, sind die Sicken 216 voneinander getrennt und bilden zusammen eine umlaufende Form aus. Stattdessen kann eine einzelne Sicke 216 mit einer umlaufenden Form auf der Metallplatte 21 ausgebildet werden.
Die Positionen des Stempels 55 und des Matrizenelements 52 können vertauscht werden. In diesem Fall sind die Ausnehmungen 58, 59 zum Aufnehmen des Dichtungsabschnitts 215 und des Gaskanals 212 in der unteren Matrize 51 ausgebildet.
Die Bipolarplatte 30 kann aus der Metallplatte 21 beispielsweise durch Laserschneiden ausgeschnitten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-255106 A [0003, 0005]
JP 2013-27912 A [0004, 0006]

Claims

Stanzverfahren für eine Metallplatte zum Schneiden einer Metallplatte (21), auf der ein Wölbabschnitt durch Pressen ausgebildet ist, in einem Schnittbereich (CA), der in einem von dem Wölbabschnitt verschiedenen Abschnitt begrenzt ist, das Verfahren ist gekennzeichnet durch Ausbilden einer Sicke (216) auf der dem Wölbabschnitt (212, 215) abgewandten Seite des Schnittbereichs (CA); und Stauchen der Sicke (216) vor dem Schneiden der Metallplatte (21).
Stanzverfahren für eine Metallplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (216) ausgebildet ist, um den Wölbbereich (212, 215) zu umgeben, und der Schnittbereich (CA) ausgebildet ist, um eine umlaufende Form zu haben, und zwischen dem Wölbabschnitt (212, 215) und der Sicke (216) angeordnet ist.
Stanzverfahren für eine Metallplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Stauchen der Sicke (216) beendet ist, die Metallplatte (21) durch Stanzen geschnitten wird.
Stanzvorrichtung mit einem Matrizenelement (52) zum Stanzen einer Metallplatte (21) und einem Stempel (55), wobei die Vorrichtung durch einen Stauchabschnitt (61, 64) gekennzeichnet ist, der vor dem Stanzen eine auf der Metallplatte (21) ausgebildete Sicke (216) eindrückt.
Stanzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrizenelement (52) und der Stempel (55) jeweils mit einer umlaufenden Gestalt ausgebildet sind, und der Stauchabschnitt (61, 64) an der Außenseite des Matrizenelements (52) und des Stempels (55) ausgebildet ist.