JP2014213344A - プレス加工方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板材よりなるワークに凹部をプレス加工する際に、凹部の側壁部の板厚を他の部分の板厚と同等となるように形成することができて、板厚の不均衡にともなう反りの発生を抑制することができるプレス加工方法を提供する。
【解決手段】金属板材よりなるワーク１１の加工予定部の周縁を保持した状態で、パンチ１５の成形凸部１５１をダイ１３の成形凹部１３１に向かって移動させて、ワーク１１に対して凸部１２をプレス加工する。パンチ１５の下死点位置において、加工された凸部１２の傾斜状の側壁部１２２を圧潰して、その側壁部１２２のワーク材料を他の部分に移動させる。
【選択図】図３

Description

この発明は、金属板材よりなるワークに対して凸部をプレス加工するようにしたプレス加工方法及びその方法に用いられる成形装置に関するものである。

従来、例えば燃料電池用のセパレータの製造に際して、金属板材よりなるワークに突状部等をプレス加工する場合には、プレス加工品に反りが発生するおそれがあった。
このような反りを抑制するために、例えば特許文献１〜特許文献３に開示される技術が従来から提案されている。

特許文献１には、パンチとダイとを用いて、ハット頭部と、ハット頭部から直角に折り曲げられた縦壁部と、縦壁部から外側に直角に折り曲げられたフランジ部とを有する金属プレス品を絞り成形するためのプレス加工方法が示されている。このプレス加工方法では、パンチをダイに押し込んで縦壁部を成形する際に、フランジ部の長手方向に、フランジ部から縦壁部への材料の流れ込みを拘束する拘束部分（ビードを形成した部分）と、材料の流れ込みを促進する非拘束部分（ビードを形成しない部分）とを区分して設けている。これにより、金属プレス品の縦壁部に反りが発生することを抑制するようになっている。

また、特許文献２には、平面部の周縁にフランジ部をほぼ直角に折り曲げ形成するとともに、平面部上に絞りビードを形成するプレス加工方法が示されている。このプレス加工方法では、フランジ部の端縁に沿って複数の三角ビードを形成して、フランジ部の端縁の線長を縮めることにより、平面部に発生する反りを矯正するようになっている。

さらに、特許文献３には、金属プレートをプレス加工することによって、ガス流路用の凹凸を形成した金属セパレータが示されている。この金属セパレータでは、プレス加工にともないセパレータの表裏に異なった伸び量が生じて、セパレータの表裏の残留応力が相違し、セパレータ全体に反りやうねりが生じやすい。この反りやうねりを抑制するために、セパレータの塑性加工を受けた凹凸形状部分に多数の圧痕を設けている。

特開２００６−２８１３１２号公報 特開平１１−２７７１５５号公報 特開２０００−１３８０６５号公報

ところが、これらの従来技術においては、次のような問題があった。
特許文献１に記載のプレス加工方法では、フランジ部にビードが存在する部分と存在しない部分とが形成されるため、成形にともなうフランジ部から縦壁部への材料の流れ込みが不均衡になる。このことにより、縦壁部やフランジ部に応力のアンバランスが生じて、縦壁部等にうねりが発生し易い。また、フランジ部にビードを形成する必要があるため、フランジ部の形状や大きさに制約が生じ、設計の自由度が低下する。

また、特許文献２の記載のプレス加工方法では、平面部の周縁のフランジ部に複数の三角ビードを形成する必要があるため、その適用箇所が平面部の周縁に限定されることと相まって、設計の自由度が低下する。

さらに、特許文献３に記載のプレス加工品では、精密な圧痕の形成が困難であるばかりでなく、多数の圧痕の形成にともなう凹凸に起因して圧痕の周辺部の平面度の低下を招くことになる。しかも、圧痕が亀裂の起点になって、疲労破損の可能性が増加する。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、設計の自由度や強度を確保でき、しかも、金属板材よりなるワークに凹部をプレス加工する際に、凸部の側壁部の板厚を他の部分の板厚と同等となるように形成することができるとともに、反りの発生を抑制することができるプレス加工方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、このプレス加工方法は、金属板材よりなるワークに対して膨出部をプレス加工するためのプレス加工方法において、第２型の成形凸部と第１型の成形凹部とを接近させ、成形凸部と成形凹部との間でワークに膨出部を張出し加工するとともに、その膨出部の傾斜状の側壁部を前記両型の平行な壁面間で圧潰することを特徴としている。

従って、このプレス加工方法では、第２型の成形凸部と第１型の成形凹部とが接近されることにより、ワークに対して膨出部がプレス加工される。このとき、加工された膨出部の傾斜状の側壁部が成形凸部と成形凹部との間で圧潰される。このため、張出し加工時に膨出部の底壁部及び周縁部から側壁部にワーク材料が流れ込んで、その側壁部の板厚が他の部分の板厚よりも大きくなっても、その板厚の不均衡が側壁部の圧潰により矯正される。よって、板厚の不均衡にともないプレス加工品に反りが発生するおそれを抑制することができる。また、圧痕等が不要になるため、設計の自由度が向上するとともに、強度を増すことができる。

前記のプレス加工方法によれば、金属板材よりなるワークに膨出部をプレス加工する際に、膨出部の側壁部の板厚を他の部分の板厚と同等となるように形成することができて、板厚の不均衡にともなう反りの発生を抑制することができ、しかも設計の自由度や強度が向上するという効果を発揮する。

一実施形態のプレス加工方法により加工された加工品を示す平面図。 図１の２−２線における部分拡大断面図。 （ａ）〜（ｃ）は実施形態のプレス加工方法を順に示す部分断面図。 変形例のプレス加工方法により加工された別の加工品を示す部分断面図。 （ａ）及び（ｂ）は変形例のプレス加工方法を順に示す部分断面図。

以下、プレス加工方法及び成形装置の一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示すように、この実施形態のプレス加工方法及び成形装置は、例えば燃料電池用のセパレータの製造に際して、金属板材よりなるワーク１１の周縁部に、シール部としての溝状の凸部１２をプレス加工する際に用いられる。金属板材の材質としては、チタン，チタン合金，ステンレススチール等が採用される。

図１及び図２に示すように、成形後のワーク１１は全体が均一な厚さで、例えば、その厚さαは、０．０８ｍｍである。膨出部としての凸部１２は、ワーク１１の周縁部に形成され、底壁部１２１と、その底壁部１２１に連なる傾斜状の側壁部１２２とを備え、断面ほぼ逆台形状となるように形成される。側壁部１２２は、底壁部１２１に対して１５〜２０度の傾斜角度θを有する。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、プレス加工に用いられる成形装置は、以下のように構成されている。すなわち、第１型としてのダイ１３には環状の溝状をなすとともに、底面を平面にした成形凹部１３１が形成されるとともに、その周囲には平面部１３３が形成されている。成形凹部１３１の周縁部には円弧部１３５が形成されるとともに、成形凹部１３１の底壁の周縁には円弧部１３４が形成されている。第２型としての昇降可能なパンチ１５には、前記成形凹部１３１に対応するとともに、先端面を平面にした成形凸部１５１と、平面部１３３のワーク中央側の部分，すなわち成形凹部１３１に囲まれた部分に対応する平面部１５３が形成されている。成形凸部１５１の付け根部には前記成形凹部１３１の円弧部１３５より大きい曲率半径の円弧部１５５が形成されるとともに、成形凸部１５１の先端面の周縁には前記成形凹部１３１の円弧部１３４より小さい曲率半径の円弧部１５４が形成されている。前記成形凹部１３１及び成形凸部１５１の側面には、平行に対向する傾斜壁１３６，１５６が形成されている。これらの傾斜壁１３６，１５６は、成形凹部１３１の底面に対して例えば１５〜２０度の傾斜角度θを有する。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、前記パンチ１５の外周には、押さえ部材１４が単独で昇降可能に設けられている。この押さえ部材１４には、ダイ１３の成形凹部１３１よりも外周側の平面部１３３に対して平行に対向する平面部１４３が形成されている。押さえ部材１４には、全体として環状をなし、その内周側に前記パンチ１５が配置されている。押さえ部材１４の内周縁には断面円弧状の円弧部１４５が形成されている。

次に、ワーク１１の成形方法について説明する。例えば、厚さαが０．１０ｍｍのワーク１１に凸部１２をプレス加工する場合には、図３（ａ）に示すように、成形凹部１３１を有するダイ１３上にワーク１１が載置されて、そのワーク１１の凸部１２となる加工予定部の周縁が押さえ部材１４によりダイ１３との間で挟圧されて保持される。このとき、ワーク１１の加工予定部の周縁の狭圧状態における保持圧力は、ワーク１１に対する凸部１２の加工にともなってワーク材料が加工予定部の周縁から凸部１２側に流れ込みできる程度の軽いレベルであって、ワーク１１とダイ１３の平面部１３３との間に隙間があってもよい。

この状態で、図３（ｂ）に示すように、前記ダイ１３の成形凹部１３１に対応した成形凸部１５１を有するパンチ１５がダイ１３に向かって移動される。そして、ワーク１１の加工予定部が成形凸部１５１により成形凹部１３１内に押し込まれて、ワーク１１の加工予定部に凸部１２が張出し成形によってプレス加工される。この場合、ワーク１１の凸部１２の主として先端側である底壁部１２１が伸ばされ、しかも、その底壁部１２１の内側よりも外側の部分が伸ばされ、さらには、パンチ１５の成形凸部１５１のコーナ部である円弧部１５４と当たっている部分がより大きく伸ばされる。従って、凸部１２には、伸び量の差に起因する応力分布の大きな不均衡が生じる。一方、このとき、押さえ部材１４は、材料の移動を阻害しない程度の軽い挟圧力を維持するため、図３（ｂ）に矢印で示すように、ある程度の量のワーク材料が凸部１２の底壁部１２１と、凸部１２の周縁の平面部１２３とから側壁部１２２側に流れ込む。なお、この張出し成形によるワーク１１の延び量は、全体長さの２０％以内が好ましい。

その後、図３（ｃ）に示すように、パンチ１５が下死点直前位置から下死点位置に達すると、加工された凸部１２の傾斜状の側壁部１２２が成形凸部１５１及び成形凹部１３１の傾斜壁１３６，１５６の間で圧潰される。このとき、前記と同様に、押さえ部材１４は、材料の移動を阻害しない程度の軽い挟圧力を維持し、しかも、成形凸部１５１の先端面と成形凹部１３１の底面との間の狭圧力が同様に材料の移動を阻害しない程度の軽いレベルにされる。場合によっては、成形凹部１３１の底面と、ワーク１１との間に隙間が形成されてもよい。要するに、この段階における凸部１２の成形は、傾斜壁１３６，１５６間の圧力付与によって行われる。

このため、図３（ｃ）に矢印で示すように、ワーク材料が側壁部１２２から底壁部１２１及び周縁の平面部１２３に押し戻される。従って、前記の側壁部１２２へのワーク材料の流れ込みによって側壁部１２２の板厚が他の部分より増したとしても、その板厚が矯正される。例えば、厚さαが０．１０ｍｍのワーク１１から厚さαが０．０８ｍｍのプレス加工品を加工する場合を想定する。すなわち、凸部１２の側壁部１２２の板厚が、もとの厚さより薄いが、ワーク材料の流れ込みにより他の部分よりも大きな例えば０．０９ｍｍほどになっていても、側壁部１２２の圧潰によって他の部分と同等の０．０８ｍｍに矯正される。なお、押さえ部材１４の周縁部に円弧部１４５が形成されているため、図３（ｃ）に示すように、押さえ部材１４，ダイ１３及び押さえ部材１４の３者間には隙間１６０が形成される。従って、押さえ部材１４が下死点位置に配置された状態におけるワーク材料の流れ込みは円滑に実行される。

その結果、加工開始時に張出し成形によって凸部１２やその周辺に歪みや応力分布の不均衡が生じても、あるいはワーク１１に厚さαの不均一が生じても、側壁部１２２の圧潰された部分の材料が薄くなった部分に移動されるため、それらの歪みや不均衡が解消される。この場合、薄くなった部分や不均衡が大きな部分には、薄くなった分の量や不均衡の量に応じた量の材料が移動されるため、厚さや応力分布の偏りが是正され、ワーク１１全体が均一厚さで均等な応力分布状態になる。このため、歪み等の不均衡にともなう反りが発生するおそれがなくなる。また、歪みの偏在や厚さαの不均一が解消されるため、スプリングバックも緩和され、反りの発生がさらに防止される。さらに、側壁部１２２が圧潰されるため、その側壁部１２２の強度が向上して、寸法精度及び形状保持性が向上する。

従って、この実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１） この実施形態においては、パンチ１５の下死点付近及び下死点位置において、加工された凸部１２の傾斜状の側壁部１２２を圧潰させるようになっている。

このため、凸部１２の成形時に凸部１２の底壁部１２１及び平面部１２３から側壁部１２２にワーク材料が流れ込んで、その側壁部１２２の板厚が他の部分の板厚よりも大きくなっても、その板厚の不均衡が側壁部１２２の圧潰により矯正される。よって、板厚の不均衡にともないプレス加工品に反りやスプリングバックが発生するおそれを抑制することができるとともに、強度を向上できる。また、従来構成とは異なり、材料の流れ込みを拘束する部分や三角ビード等が存在しないために、設計の自由度が損なわれることを防止できる。

（２） この実施形態においては、凸部１２の加工に際して、押さえ部材１４により、ワーク材料の流れが阻害されない程度の圧力でワーク１１の加工予定部の周縁が保持される。このため、成形凹部１３１側への成形凸部１５１の移動にともなって、ワーク１１に凸部１２がプレス加工される際に、ワーク材料が容易に流れて、凸部１２を支障なく成形することができる。

（３） この実施形態においては、反りやスプリングバックがなく、高強度で、高精度な金属板材を実現できる。従って、このような金属板材は、燃料電池のセパレータに用いられた場合、そのセパレータの機能を有効に発揮して、高機能の燃料電池を実現できる。

（変更例）
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 図４に示すように、ワーク１１に対してプレス加工される凸部１２を、底壁部１２１から両側壁部１２２にかけて断面円弧状をなすように形成すること。従って、図５（ａ）（ｂ）に示すように、成形装置のダイ１３及びパンチ１５には、断面円弧状の成形凹部１３１及び成形凸部１５１が形成される。

・ 押さえ部材１４を用いないようにすること。このようにしても、前記実施形態とほぼ同様な効果を得ることができる。
・ 凸部１２を張出し成形する型と、側壁部１２２を圧潰する型を別々に用意し、張出し成形と圧潰とを別々の工程で行なうこと。

・ 凸部１２をワーク１１の周縁部とは異なった部分に加工すること。

１１…ワーク、１２…凸部、１２２…側壁部、１３…ダイ、１３１…成形凹部、１４…押さえ部材、１５…パンチ、１５１…成形凸部。

Claims (9)

1. 金属板材よりなるワークに対して膨出部をプレス加工するためのプレス加工方法において、
   第１型と第２型とを接近させて、第１型の成形凹部と第２型の成形凸部との間でワークに膨出部を張出し加工するとともに、それに続いて前記膨出部の傾斜状の側壁部を前記両型の平行な壁面間で圧潰するプレス加工方法。
2. ワークの加工予定部の周縁を保持した状態で前記張出し加工及び圧潰を行なう請求項１に記載のプレス加工方法。
3. 圧潰加工よって全体を均一厚さに形成する請求項１または２に記載のプレス加工方法。
4. 膨出部の加工の際にワーク材料が膨出部側に流れ込むことできる程度の圧力でワークの加工予定部の周縁を保持する請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のプレス加工方法。
5. ワークをチタンにより形成した請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のプレス加工方法。
6. 膨出部をワークの周縁部に加工する請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載のプレス加工方法。
7. 膨出部を突条状に加工する請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載のプレス加工方法。
8. 成形凹部を有する第１型と、成形凸部を有する第２型とを備え、両型を接近させることにより、成形凸部と成形凹部との間でワークに膨出部を張出し加工するとともに、その膨出部の傾斜状の側壁部を前記両型の平行な壁面間で圧潰するようにした成形装置。
9. ワークの加工予定部の周縁をワークの材料の流れを阻害することなく保持する押さえ部材を設けた請求項８に記載の成形装置。