JP2018094579A - 金属板のプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板のプレス成形において金属板の凹面と凸面が曲面になることを抑制する。【解決手段】金属板のプレス成形方法は、（ｉ）仮成形用の第１仮成形型と第２仮成形型とを用いて金属板をプレス成形し、筋状に延びる凹凸を有する仮成形された金属板を得る第１プレス工程と、（ｉｉ）本成形用の第１本成形型と第２本成形型とを用いて、仮成形された金属板をプレス成形する第２プレス工程と、を備える。第１仮成形型は、第１プレス工程において金属板に接触して金属板を押圧する平面状の頂部を有する第１凸部を備える。第２本成形型は、平面状の底部を有する第２凹部を備え、第２プレス工程の下死点状態において、金属板が第２凹部の底部と接触する。【選択図】図３

Description

本発明は、金属板のプレス成形方法に関するものである。

特許文献１には、燃料電池用の金属製セパレータの製造方法が開示されている。このセパレータは、金属の素材板にプレス成形を施すことによって形成される。プレス成形は、一次成形（仮成形）と二次成形（本成形）の２つの工程に分けて実施される。一次成形に用いる上型と下型のそれぞれには、頂部が曲面の凸条部と溝部とが交互に設けられている。プレス成形の際は、素材板を上型と下型の間に挟み、上型の凸条部と下型の溝部とが噛み合うように、凸条部の頂部を素材板に当接して押圧し、素材板にガス流路としての凹凸を形成させる。

特開２００５−２４３２５２号公報

一般に、燃料電池用のセパレータは、導電性を確保するために、凸部の頂面を平面とすることが好ましい。しかしながら、上述従来技術では、一次成形用の金型の凸条部がＲ形状（曲面状の頂部を有する形状）となっているので、一次成形後の素材板の凸部の頂面が曲面になってしまう。このため、その曲面状の頂面を二次成形で平面に戻すのが困難である。このような問題は、燃料電池用のセパレータのプレス成形に限らず、他の種類の金属板のプレス成形において生じる問題である。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、金属板のプレス成形方法が提供される。この金属板のプレス成形方法は、（ｉ）仮成形用の第１仮成形型と第２仮成形型とを用いて前記金属板をプレス成形することによって、筋状に延びる凹凸を有する仮成形された金属板を得る第１プレス工程と、（ｉｉ）本成形用の第１本成形型と第２本成形型とを用いて、前記仮成形された金属板を更にプレス成形する第２プレス工程と、を備える。前記第１仮成形型は、前記第１プレス工程において前記金属板に接触して前記金属板を押圧する平面状の頂部を有する第１凸部を備え、前記第２仮成形型は、前記第１凸部に対向する位置に第１凹部を備え、前記第１凸部と前記第１凹部は、前記第１プレス工程の下死点状態において、前記金属板と前記第１凹部との間に隙間が残存するように構成されている。前記第１本成形型は、前記第２プレス工程において前記仮成形された金属板の前記筋状に延びる凹凸の凹面を押圧する第２凸部を備え、前記第２凸部の頂部は、当該頂部の両側端に設けられて前記第２本成形型側に突出する突起部と、前記両側端の前記突起部の間に設けられた凹状頂部とを有しており、前記突起部は、前記仮成形された金属板の前記凹面と接触して前記仮成形された金属板を押圧し、前記第２本成形型は、前記第２凸部に対向する位置に、平面状の底部を有する第２凹部を備え、前記第２凸部と前記第２凹部は、前記第２プレス工程の下死点状態において、前記金属板が前記第２凹部の前記底部と接触するように構成されている。

この形態の金属板のプレス成形方法によれば、仮成形としての第１プレス工程において第１凸部の平面状の頂部が金属板に接触して金属板を押圧するので、従来技術のように金型の凸条部をＲ形状とする場合に比べて、仮成形後の金属板の凸部の頂面（凸面）を平坦にすることができる。また、本成形としての第２プレス工程において金属板が第２本成形型の第２凹部の平面状の底部と接触するので、本成形後の金属板の凸部の頂面も従来技術に比べて平坦にすることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、金属板のプレス成形用の金型等の形態で実現することができる。

実施形態のプレス成形方法によって形成されたセパレータの説明図。 プレス成形機の一例を示す図。 プレス成形を行うときの金属板の変化を説明する断面図。 第１プレス工程における第１仮成形型と第２仮成形型と金属板の断面図。 第１仮成形型と第２仮成形型と金属板の断面図。 第１仮成形型と第２仮成形型と金属板の拡大断面図。 第２プレス工程における第１本成形型と第２本成形型と金属板の断面図。 第１本成形型と第２本成形型と金属板の断面図。 第１本成形型と第２本成形型と金属板の拡大断面図。

図１は、本発明の一実施形態における金属板のプレス成形方法によって形成された燃料電池用のセパレータ５０の説明図である。図１において、Ｘ方向はセパレータ５０の長手方向であり、Ｙ方向はセパレータ５０の短手方向であり、Ｚ方向はセパレータ５０の厚さ方向である。

セパレータ５０の長手方向の一端縁部には、燃料ガス用マニホールド孔６２と、冷却媒体用マニホールド孔８４と、酸化剤ガス用マニホールド孔７２と、が上から下へと順に並んで設けられている。これに対して、他端縁部には、酸化剤ガス用マニホールド孔７４と、冷却媒体用マニホールド孔８２と、燃料ガス用マニホールド孔６４と、が上から下へと順に並んで設けられている。セパレータ５０の中央部分には、複数の筋状に延びる凹凸が設けられており、その凹部がガス流路５４を形成している。「筋状」とは、細長い線状を意味する。ガス流路５４の裏面側にある筋状の凹部は、冷却媒体流路として利用される。これらのマニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４及びガス流路５４は、プレス成形によって形成される。以降は、ガス流路５４のプレス成形について説明する。但し、マニホールド孔６２，６４，７２，７４，８２，８４の開口を、ガス流路５４の成形と同一の工程で実行してもよい。

図２は、本実施形態におけるプレス成形機１００の一例を示す図である。プレス成形機１００は、駆動部１１０と、スライド棒１２０と、第１成形型２１０（上型）と、第２成形型２２０（下型）とを有する。駆動部１１０は、スライド棒１２０を矢印のように上下に移動させる。スライド棒１２０の下端には、第１成形型２１０が取り付けられている。第１成形型２１０の下面には、凸部３１０と凹部３２０とが交互に設けられている。第２成形型２２０は、基台１３０上に設置されており、その上面には、凸部４１０と凹部４２０とが交互に設けられている。

このプレス成形機１００は、平板状の素材金属板５０ａを一次成形するために使用される一次成形機である。一次成形後の金属板は、二次成形機によって二次成形される。二次成形機の構成は、金型の形状を除いて一次成形機とほぼ同様なので、説明を省略する。なお、本明細書において、一次成形を「仮成形」又は「第１プレス工程」と呼び、二次成形を「本成形」又は「第２プレス工程」と呼ぶ。

図３は、第１プレス工程と第２プレス工程を行うときの素材金属板５０ａの変化を説明する断面図である。素材金属板５０ａは、仮成形である第１プレス工程によって、凹面Ｒ１と凸面Ｐ１とを有する仮成形金属板５０ｂを形成する。凹面Ｒ１と凸面Ｐ１の裏側は、凸面Ｐ２と凹面Ｒ２になっている。仮成形金属板５０ｂの凹面Ｒ１と、隣接する凸面Ｐ１との高さの差（凹面Ｒ１の深さ）はＤ１である。仮成形金属板５０ｂは、本成形である第２プレス工程によって、凹面Ｒ３，Ｒ４と凸面Ｐ３，Ｐ４とを有する本成形金属板５０ｃを形成する。本成形金属板５０ｃの凹面Ｒ３と、隣接する凸面Ｐ３との高さの差（凹面Ｒ３の深さ）Ｄ２は、仮成形金属板５０ｂの凹面Ｒ１の深さＤ１よりも大きい。本成形金属板５０ｃの上面の凹部は、例えばガス流路５４として利用され、下面の凹部は冷却媒体流路として利用される。

図４は、第１プレス工程を説明する図であり、第１仮成形型２１０ａと、第２仮成形型２２０ａと、素材金属板５０ａの一部の断面図が描かれている。この断面図は、図１においてガス流路５４が延びる方向に垂直な断面（Ｙ−Ｚ断面）を示している。以降図５〜図９の断面図においても同様である。第１プレス工程では、仮成形用の第１仮成形型２１０ａと第２仮成形型２２０ａを用いて、素材金属板５０ａをプレス成形する。第１仮成形型２１０ａは、凸部３１０ａ（第１凸部）と凹部３２０ａとを備える。第２仮成形型２２０ａは、第１仮成形型２１０ａの凸部３１０ａと凹部３２０ａのそれぞれに対向する位置に、凹部４２０ａ（第１凹部）と凸部４１０ａとを備える。第１仮成形型２１０ａは、凸部３１０ａが素材金属板５０ａと接触して素材金属板５０ａを押圧する。

図５は、第１プレス工程におけるプレス成形機１００（図２）の下死点状態の説明図である。「下死点」とは、プレス成形機１００のストロークの終端位置を意味する。「下死点状態」とは、２つの金型２１０ａ，２２０ａの距離が最小となる状態である。図４の素材金属板５０ａは、第１仮成形型２１０ａの凸部３１０ａの押圧により変形し、凹凸を有する仮成形金属板５０ｂを形成する。

図６は、図５に描かれた破線に挟まれた部分の拡大断面図であり、第１仮成形型２１０ａ及び第２仮成形型２２０ａの１ピッチＰＴ分の凹凸形状を示す図である。第１仮成形型２１０ａの凸部３１０ａは、平面状の頂部Ａｐ１を有する。第１仮成形型２１０ａの凸部３１０ａの両側の側壁５１０ａは、Ｓ字状の形状を有し、それぞれ一端が頂部Ａｐ１と連なる。側壁５１０ａの他端は、第１仮成形型２１０ａの凹部３２０ａの平面状の底部と連なる。第２仮成形型２２０ａの凸部４１０ａも同様に、平面状の頂部Ａｐ２を有する。第２仮成形型２２０ａの凸部４１０ａの両側の側壁５２０ａは、Ｓ字状の形状を有し、それぞれ一端が頂部Ａｐ２と連なる。側壁５２０ａの他端は、第２仮成形型２２０ａの凹部４２０ａの平面状の底部と連なる。なお、２つの金型２１０ａ，２２０ａの凹部３２０ａ，４２０ａの底部は仮成形金属板５０ｂと接触しないので、平面状でなくてもよい。

第１プレス工程において、第１仮成形型２１０ａの凸部３１０ａの頂部Ａｐ１が素材金属板５０ａ（図４）の一面に接触して素材金属板５０ａを押圧し、第２仮成形型２２０ａの凸部４１０ａの頂部Ａｐ２が素材金属板５０ａの他の面に接触して素材金属板５０ａを支持する。こうすれば、従来技術のように金型の凸条部をＲ形状とする場合に比べて、これらの頂部Ａｐ１，Ａｐ２に接触する仮成形金属板５０ｂの凹面Ｒ１，Ｒ２（図３）の平坦状態を保持でき、凹面Ｒ１，Ｒ２の裏側の凸面Ｐ２，Ｐ１の平坦状態も保持できる。また、従来技術に比べて、凹面Ｒ１，Ｒ２の中央部分における仮成形金属板５０ｂの厚さの減少を抑制できる。

第１プレス工程の下死点状態において、仮成形金属板５０ｂと第１仮成形型２１０ａの凹部３２０ａとの間、及び、仮成形金属板５０ｂと第２仮成形型２２０ａの凹部４２０ａとの間に、隙間Ｇ１が残存している。また、仮成形金属板５０ｂと第１仮成形型２１０ａの凸部３１０ａの側壁５１０ａとの間、及び、仮成形金属板５０ｂと第２仮成形型２２０ａの凸部４１０ａの側壁５２０ａとの間に、隙間Ｇ２が残存している。こうすれば、成形型の形状バラツキや組付けバラツキ、金属板の板厚バラツキ等によって、金属板が望ましくない形状に変形してしまうことを抑制できる。なお、図６において、第１仮成形型２１０ａの内面と第２仮成形型２２０ａの内面との間の中央を通る中心線ＣＬ１が描かれている。この中心線ＣＬ１については後述する。

図７は、第２プレス工程を説明する図であり、仮成形金属板５０ｂの押圧を開始する直前の状態を示している。第２プレス工程では、本成形用の第１本成形型２１０ｂと第２本成形型２２０ｂを用いて、第１プレス工程で得られた仮成形金属板５０ｂをプレス成形する。第１本成形型２１０ｂは、凸部３１０ｂ（第２凸部）と凹部３２０ｂとを備える。第２本成形型２２０ｂは、第１本成形型２１０ｂの凸部３１０ｂと凹部３２０ｂのそれぞれに対向する位置に、凹部４２０ｂ（第２凹部）と凸部４１０ｂとを備える。第１本成形型２１０ｂは、仮成形金属板５０ｂの凹面Ｒ２が第２本成形型２２０ｂの凸部４１０ｂと接触するように第２本成形型２２０ｂに配置された状態で、凸部３１０ａが仮成形金属板５０ｂの凹面Ｒ１と接触して仮成形金属板５０ｂを押圧する。

図８は、第２プレス工程におけるプレス成形機１００（図２）の下死点状態の説明図である。図７の仮成形金属板５０ｂは、第１本成形型２１０ｂの凸部３１０ｂの押圧により更に変形し、本成形金属板５０ｃを形成する。

図９は、図８に描かれた破線に挟まれた部分の拡大断面図であり、第１本成形型２１０ｂ及び第２本成形型２２０ｂの１ピッチＰＴ分の凹凸形状を示す図である。この１ピッチＰＴの長さは、図６における１ピッチＰＴの長さと等しい。第１本成形型２１０ｂの凸部３１０ｂの頂部は、頂部の両側端に設けられて第２本成形型２２０ｂ側に突出した突起部６１０と、２つの突起部６１０の間に設けられた凹状頂部７１０とを有する。第１本成形型２１０ｂの凸部３１０ｂの両側の側壁５１０ｂは、Ｓ字状の形状を有し、それぞれ一端が突起部６１０と連なる。側壁５１０ｂの他端は、第１本成形型２１０ｂの凹部３２０ｂの底部Ｂｏ１と連なる。

第２本成形型２２０ｂの凸部４１０ｂの頂部は、頂部の両側端に設けられて第１本成形型２１０ｂ側に突出した突起部６２０と、２つの突起部６２０の間に設けられた凹状頂部７２０とを有する。第２本成形型２２０ｂの凸部４１０ｂの両側の側壁５２０ｂは、Ｓ字状の形状を有し、それぞれ一端が突起部６２０と連なる。側壁５２０ｂの他端は、第２本成形型２２０ｂの凹部４２０ｂの底部Ｂｏ２と連なる。

第２プレス工程において、第１本成形型２１０ｂの凸部３１０ｂの突起部６１０が仮成形金属板５０ｂ（図７）の凹面Ｒ１に接触して仮成形金属板５０ｂを押圧する。こうすれば、第１本成形型２１０ｂの凸部３１０ｂ全体が押圧する場合に比べて、仮成形金属板５０ｂと凸部３１０ｂとの間の摩擦抵抗を低減することができる。第２本成形型２２０ｂの凸部４１０ｂにおいても同様である。

図９において、第１本成形型２１０ｂの凹部３２０ｂの底部Ｂｏ１は平面状であり、第２本成形型２２０ｂの凹部４２０ｂの底部Ｂｏ２も平面状である。第２プレス工程の下死点状態において、本成形金属板５０ｃが第１本成形型２１０ｂの凹部３２０ｂの底部Ｂｏ１、及び、第２本成形型２２０ｂの凹部４２０ｂの底部Ｂｏ２とそれぞれ接触している。こうすれば、これらの底部Ｂｏ１，Ｂｏ２と接触している本成形金属板５０ｃの凸面Ｐ３，Ｐ４（図３）の平坦状態を保持できる。また、凸部３１０ｂ，４１０ｂそれぞれの突起部６１０，６２０が本成形金属板５０ｃの凹面Ｒ３，Ｒ４（図３）の両端を押さえるので、凸面Ｐ３，Ｐ４の平坦性を更に高めることができる。

図９において、本成形金属板５０ｃと第１本成形型２１０ｂの凸部３１０ｂの凹状頂部７１０との間、及び、本成形金属板５０ｃと第２本成形型２２０ｂの凸部４１０ｂの凹状頂部７２０との間に、隙間Ｇ３が形成されている。また、本成形金属板５０ｃと第１本成形型２１０ｂの凸部３１０ｂの側壁５１０ｂとの間、及び、本成形金属板５０ｃと第２本成形型２２０ｂの凸部４１０ｂの側壁５２０ｂとの間に、隙間Ｇ２が形成されている。こうすれば、成形型の形状バラツキや組付けバラツキ、金属板の板厚バラツキ等によって、金属板が望ましくない形状に変形してしまうことを抑制できる。

なお、図９において、第１本成形型２１０ｂの内面と第２本成形型２２０ｂの内面との間の中央を通る中心線ＣＬ２が描かれている。図６の第１プレス工程における第１仮成形型２１０ａと第２仮成形型２２０ａとの間の中心線ＣＬ１は、図９の中心線ＣＬ２よりも短い。こうすれば、第１プレス工程で過度な変形によって仮成形金属板５０ｂ（図６）に大きなスプリングバックが生じることを抑制できる。

以上説明したように、本実施形態では、仮成形としての第１プレス工程において第１仮成形型２１０ａの凸部３１０ａの平面状の頂部Ａｐ１が素材金属板５０ａに接触して素材金属板５０ａを押圧するので、従来技術のように金型の凸条部をＲ形状とする場合に比べて、仮成形金属板５０ｂの凸面Ｐ１，Ｐ２を平坦にすることができる。また、本成形としての第２プレス工程において仮成形金属板５０ｂが押圧により第２本成形型２２０ｂの凹部４２０ｂの底部Ｂｏ２と接触するので、本成形金属板５０ｃの凸面Ｐ３，Ｐ４も従来技術に比べて平坦にすることができる。

・変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
以上の実施形態では、第１，第２プレス工程が燃料電池用のセパレータ５０のプレス成形に利用されたが、他の種類の金属板のプレス成形に利用してもよい。他の種類の金属板のプレス成形においても、従来技術に比べて金属板の凸面を平坦にすることができる。

・変形例２：
以上の実施形態では、第１成形型２１０を上型とし、第２成形型２２０を下型としてプレス成形を行ったが、第１成形型２１０を下型とし、第２成形型２２０を上型としてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

５０…セパレータ
５０ａ…素材金属板
５０ｂ…仮成形金属板
５０ｃ…本成形金属板
５４…ガス流路
６２，６４…燃料ガス用マニホールド孔
７２，７４…酸化剤ガス用マニホールド孔
８２，８４…冷却媒体用マニホールド孔
１００…プレス成形機
１１０…駆動部
１２０…スライド棒
１３０…基台
２１０…第１成形型
２１０ａ…第１仮成形型
２１０ｂ…第１本成形型
２２０…第２成形型
２２０ａ…第２仮成形型
２２０ｂ…第２本成形型
３１０，３１０ａ，３１０ｂ…凸部
３２０，３２０ａ，３２０ｂ…凹部
４１０，４１０ａ，４１０ｂ…凸部
４２０，４２０ａ，４２０ｂ…凹部
５１０ａ，５１０ｂ…側壁
５２０ａ，５２０ｂ…側壁
６１０，６２０…突起部
７１０，７２０…凹状頂部

Claims (1)

1. 金属板のプレス成形方法であって、
   （ｉ）仮成形用の第１仮成形型と第２仮成形型とを用いて前記金属板をプレス成形することによって、筋状に延びる凹凸を有する仮成形された金属板を得る第１プレス工程と、
   （ｉｉ）本成形用の第１本成形型と第２本成形型とを用いて、前記仮成形された金属板を更にプレス成形する第２プレス工程と、
   を備え、
   前記第１仮成形型は、前記第１プレス工程において前記金属板に接触して前記金属板を押圧する平面状の頂部を有する第１凸部を備え、
   前記第２仮成形型は、前記第１凸部に対向する位置に第１凹部を備え、前記第１凸部と前記第１凹部は、前記第１プレス工程の下死点状態において、前記金属板と前記第１凹部との間に隙間が残存するように構成されており、
   前記第１本成形型は、前記第２プレス工程において前記仮成形された金属板の前記筋状に延びる凹凸の凹面を押圧する第２凸部を備え、前記第２凸部の頂部は、当該頂部の両側端に設けられて前記第２本成形型側に突出する突起部と、前記両側端の前記突起部の間に設けられた凹状頂部とを有しており、前記突起部は、前記仮成形された金属板の前記凹面と接触して前記仮成形された金属板を押圧し、
   前記第２本成形型は、前記第２凸部に対向する位置に、平面状の底部を有する第２凹部を備え、前記第２凸部と前記第２凹部は、前記第２プレス工程の下死点状態において、前記金属板が前記第２凹部の前記底部と接触するように構成されている、
   金属板のプレス成形方法。

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