JP4769570B2 - 金属薄板の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、プレス加工によって金属薄板に凹凸部を形成する金属薄板の成形方法に関するものである。

例えば、固体高分子型燃料電池に使用される金属セパレータは、ステンレス鋼やチタン合金等の金属薄板に高耐食性のコーティング等を施したものをプレス加工して得られるが、これには凹凸部が面方向に交互に連続する断面波状の集電部が形成される。ここで、集電部の凹部はガス流路や反応後の生成水等の流路となり、凸部は電極構造体のガス拡散電極板に接触する部分となる。

ところで、燃料電池用金属セパレータの集電部をプレス加工によって成形すると、金属薄板には曲げや延びによって内部に応力が発生するため、成形後のセパレータに反りや波打ちが発生する。燃料電池用金属セパレータに反りや波打ちが発生すると、集電部の凸部がガス拡散電極板に十分な面圧をもって接触しなかったり、面圧が不均一となり、接触抵抗が大きくなって発電電圧の低下を招いてしまう。又、セパレータを間に挟みながら複数の電極構造体を積層して燃料電池スタックを組み立てる作業においては、セパレータの反りや波打ちを矯正しながら組み立てる必要があるため、作業が煩雑で作業効率が悪い他、ガスシール性が低下するという問題がある。

そこで、燃料電池用金属セパレータの反りや波打ちを抑制する方法が今までに種々提案されている。

例えば、特許文献１には、図９に示すように、素材である金属薄板Ｗ’の集電部ＷＡ’が形成される部分を６０℃〜１５０℃に加熱し、その周囲の平坦な周辺部ＷＢ’の一部又は全部を０℃〜２０℃に冷却して金属薄板Ｗ’に温度勾配を付けた後、凹凸部が面方向に交互に連続する集電部ＷＡ’を張り出し成形によって形成する方法が提案されている。

又、特許文献２には、図１０に示すように、セパレータＷ’の集電部ＷＡ’の周囲の縁部ＷＢ’にリブＷＣ’（ハッチングを付した部分）を全周に亘って形成し、このリブＷＣ’によって縁部ＷＢ’の剛性を高め、反りを発生させる内部応力の縁部ＷＢ’への伝播を抑える方法が提案されている。

更に、特許文献３には、図１１に示すように、周縁部が固定された状態でプレス成形されたプレス加工品Ｗ”の中心部（成形部）ＷＡ”を囲む周辺部ＷＢ”を中心部ＷＡ”から離れる方向に相対的に引き延ばしてプレス加工品Ｗ”を塑性変形させ、このプレス加工品Ｗ”から歪みを除去する方法が提案されている。
特開２００４−１３４０９０号公報 特開２００２−１７５８１８号公報 特開２００３−２３０９１３号公報

しかしながら、特許文献１において提案された方法を実施するためには大型の設備を必要とする他、温度管理が大変であるという問題がある。

又、特許文献２において提案された方法は、反りに対してはリブＷＣ’が大きくて厚いほど効果的であるが、小さな製品に対しては適用が困難であるという問題がある。

更に、特許文献３において提案された方法では、金型構造が複雑化し、金型の製作が困難でコストアップを招くという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、簡単な金型構成で反りや波打ち等の無い高品位な成形品を低コストで得ることができる金属薄板の成形方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、プレス加工によって金属薄板に凹凸部を形成する金属薄板の成形方法において、パンチの凸部によって金属薄板をダイとの間で板厚方向に押し潰して、前記金属薄板に凹部と余肉とを形成する潰し工程と、該潰し工程によって金属薄板に形成された前記凹部と余肉をパンチによってダイの凹部に入れ込む入れ込み工程と、を交互に複数回繰り返すことによって、凹凸部が面方向に交互に連続する断面波状の波板部を金属薄板に形成することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記潰し工程におけるパンチの凸部と前記入れ込み工程におけるダイの凹部の大きさを各工程が繰り返されるに従って次第に大きくすることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、潰し工程によって金属薄板の成形部に生じた余肉は次の入れ込み工程によってダイの凹部に入れ込まれて吸収され、成形部のみが鍛造のように潰して延ばされるために材料の移動は成形部の範囲内でのみ行われる。このため、成形部の断面積（体積）は変化せず、従って、周辺部から成形部への材料の流入がなく、周辺部に成形に伴う応力と歪みが発生せず、反りや波打ち等の無い高品位な成形品が得られる。

又、金属薄板の成形に際しては面倒な温度管理等が不要である他、成形は簡単な構成のパンチとダイを用いてなされるため、金型構造が簡素化して加工コストを低く抑えることができる。

請求項１記載の発明によれば、潰し工程と入れ込み工程を複数回交互に繰り返すことによって、凹凸部が面方向に交互に連続する断面波状の波板部が金属薄板に形成されるため、反りや波打ち等の無い高品位な製品として例えば燃料電池用金属セパレータ等を製造することができる。

請求項２記載の発明によれば、潰し工程におけるパンチの凸部と入れ込み工程におけるダイの凹部の大きさを各工程が繰り返されるに従って次第に大きくするようにしたため、各工程を繰り返すに従って成形される波板部の凹凸部の寸法（幅及び深さ）が次第に大きくなり、これらの凹凸部の寸法が必要な値になるまで各工程を繰り返すことによって所望の成形品を得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明方法によって成形された燃料電池用金属セパレータの斜視図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面図である。

図１に示す燃料電池用金属セパレータＷは、例えばステンレス鋼を素材とする厚さ０．１５ｍｍの金属薄板をプレス加工（張り出し成形）することによって得られ、その中央部には集電部ＷＡが形成され、該集電部ＷＡの周囲は平坦な周辺部ＷＢで囲まれている。

上記集電部ＷＡは、図２に詳細に示すように、凹部Ｗａと凸部Ｗｂが面方向に交互に連続する断面波状の波板部を構成しており、凹部Ｗａはガス流路や反応後の生成水等の流路となり、凸部Ｗｂは不図示の電極構造体のガス拡散電極板に接触する部分となる。尚、図１に示す燃料電池用金属セパレータＷは、固体高分子型燃料電池に使用されるものであって、これらを間に挟みながら複数の電極構造体を積層して燃料電池スタックが組み立てられる。

而して、図１に示す燃料電池用金属セパレータＷは本発明の成形方法によって得られるが、以下、本発明に係る成形方法を図３〜図８に基づいて説明する。尚、図３〜図８において、（ａ）は本発明方法をその工程順に示す金型の部分断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図（Ｅ部、Ｆ部、Ｇ部、Ｈ部、Ｉ部、Ｊ部の拡大詳細図）であり、これらの図は便宜的に示すものであって、凹凸部の数は図１に示す実際の燃料電池用金属セパレータＷの凹凸部Ｗａ，Ｗｂの数に一致していない。

本発明に係る成形方法は、パンチの凸部によって金属薄板をダイとの間で板厚方向に押し潰して、前記金属薄板に凹部と余肉とを形成する潰し工程と、該潰し工程によって金属薄板に形成された前記凹部と余肉をパンチによってダイの凹部に入れ込む入れ込み工程潰し工程とを交互に繰り返すことを特徴とする。ここで、前記潰し工程におけるパンチの凸部と前記入れ込み工程におけるダイの凹部の大きさを各工程が繰り返されるに従って次第に大きくする。又、各潰し工程ではその前工程である入れ込み工程で使用したダイを使用し、各入れ込み工程ではその前工程である潰し工程で使用したパンチを使用する。

本実施の形態では、次の６工程を経て図１に示す燃料電池用金属セパレータが得られる。

１）第１工程（潰し工程１）：
図３（ａ）に示すように、加工面である上面に複数の山形状の凸部ｐａが形成されたパンチＰＡと、加工面である下面が平坦なダイＤＡとの間に素材である金属薄板をセットし、パンチＰＡの凸部ｐａによって金属薄板をダイＤＡとの間で板厚方向に押し潰す。尚、この工程で使用されるパンチＰＡの各凸部ｐａの大きさを示す包絡円の直径は図３（ｂ）に示すようにＤ１に設定されている。

すると、図３（ｂ）に詳細に示すように、金属薄板の下面のパンチＰＡの凸部ｐａによって押し潰された部分に凹部Ｗ１ａが形成されて半製品Ｗ１が得られ、押し潰されて余った材料が各凹部Ｗ１ａの両側に余肉Ｗ１ｂとなって現れる。

２）第２工程（入れ込み工程１）：
この第２工程では、図４（ａ）に示すように、第１工程において半製品Ｗ１の下面に生じた凹部Ｗ１ａと余肉Ｗ１ｂ（図３（ｂ）参照）を第１工程において使用したパンチＰＡによってダイＤＢの凹部ｄｂに入れ込む。ここで、ダイＤＢの加工面である下面のパンチＰＡの凸部ｐａに対応する位置には、山形状の前記凹部ｄｂが形成されている。

即ち、第１工程において得られた半製品Ｗ１（図３参照）をパンチＰＡとダイＤＢとの間にセットし、該半製品Ｗ１をパンチＰＡとダイＤＢとの間で挟圧すれば、その下面の各凹部Ｗ１ａの両側に生じていた余肉Ｗ１ｂと凹部Ｗ１ａ（図３（ｂ）参照）がダイＤＢの凹部ｄｂに入れ込まれる。

３）第３工程（潰し工程２）：
この第３工程では、図５（ａ）に示すように、第１及び第２工程において使用されたパンチＰＡとは異なるパンチＰＢと第２工程で使用されたダイＤＢとの間に、第２工程において得られた半製品Ｗ２をセットし、ダイＤＢの凹部ｄｂに対してパンチＰＢの凸部ｐｂで半製品Ｗ２を板厚方向に押し潰して半製品Ｗ３を得る。尚、この工程で使用されるパンチＰＢの各凸部ｐｂの大きさを示す包絡円の直径Ｄ２（図５（ｂ）参照）は第１及び第２工程で使用されたパンチＰＡの凸部ｐａの包絡円の直径Ｄ１（図３（ｂ）参照）よりも大きく設定されている（Ｄ２＞Ｄ１）。

すると、図５（ｂ）に詳細に示すように、半製品Ｗ３の下面のパンチＰＢの凸部ｐｂによって押し潰された部分に凹部Ｗ３ａが形成され、押し潰されて余った材料が各凹部Ｗ３ａの両側に余肉Ｗ３ｂとなって現れる。尚、この第３工程では、図５（ｂ）に示すように、半製品Ｗ３の凸部Ｗ３ｃがパンチＰＢの凸部ｐｂによって押し潰され、その厚さｔ１が素材である金属薄板の厚さｔ０よりも薄くなる（ｔ１＜ｔ０）。

４）第４工程（入れ込み工程２）：
この第４工程では、図６（ａ）に示すように、第３工程において半製品Ｗ３の下面に生じた凹部Ｗ３ａと余肉Ｗ３ｂ（図５（ｂ）参照）を第３工程において使用したパンチＰＢによってダイＤＣの凹部ｄｃに入れ込む。ここで、ダイＤＣの加工面である下面のパンチＰＢの凸部ｐｂに対応する位置には山形状の前記凹部ｄｃが形成されているが、この凹部ｄｃの大きさ（幅及び深さ）は、第２及び第３工程において使用されたダイＤＢの凹部ｄｂ（図４及び図５参照）の大きさ（幅及び深さ）よりも大きく設定されている。

即ち、第３工程において得られた半製品Ｗ３（図５参照）をパンチＰＢとダイＤＣとの間にセットし、該半製品Ｗ３をパンチＰＢとダイＤＣとの間で挟圧すれば、その下面の各凹部Ｗ３ａの両側に生じていた余肉Ｗ３ｂと凹部Ｗ３ａ（図５（ｂ）参照）がダイＤＣの凹部ｄｃに入れ込まれ、図６（ａ）に示すような半製品Ｗ４が得られ、この半製品Ｗ４には、凹部Ｗ４ａと凸部Ｗ４ｂが面方向に交互に連続する断面波状の波板部Ｗ４Ａが形成される。

５）第５工程（潰し工程３）：
この第５工程では、図７（ａ）に示すように、第３工程及び第４工程において使用されたパンチＰＢとは異なるパンチＰＣと第４工程で使用されたダイＤＣとの間に、第４工程において得られた半製品Ｗ４（図６参照）をセットし、ダイＤＣの凹部ｄｃに対してパンチＰＣの凸部ｐｃで半製品Ｗ４を板厚方向に押し潰して半製品Ｗ５を得る。尚、この工程で使用されるパンチＰＣの各凸部ｐｃの大きさを示す包絡円の直径Ｄ３（図７（ｂ）参照）は第３及び第４工程で使用されたパンチＰＢの凸部ｐｂの包絡円の直径Ｄ２（図５（ｂ）参照）よりも大きく設定されている（Ｄ３＞Ｄ２）。

すると、図７（ｂ）に詳細に示すように、半製品Ｗ５の下面のパンチＰＣの凸部ｐｃによって押し潰された部分に凹部Ｗ５ａが形成され、押し潰されて余った材料が各凹部Ｗ５ａの両側に余肉Ｗ５ｂとなって現れる。尚、この第５工程では、図７（ｂ）に示すように、半製品Ｗ５の凸部Ｗ５ｃがパンチＰＣの凸部ｐｃによって押し潰され、その厚さｔ２が半製品Ｗ３の凸部Ｗ３ｃの厚さｔ１（図５（ｂ）参照）よりも薄くなる（ｔ２＜ｔ１）。

６）第６工程（入れ込み工程３）：
この第６工程では、図８（ａ）に示すように、第５工程において半製品Ｗ５の下面に生じた凹部Ｗ５ａと余肉Ｗ５ｂ（図７（ｂ）参照）を第５工程において使用したパンチＰＣによってダイＤＤの凹部ｄｄに入れ込む。ここで、ダイＤＤの加工面である下面のパンチＰＣの凸部ｐｃに対応する位置には山形状の前記凹部ｄｄが形成されているが、この凹部ｄｄの大きさ（幅及び深さ）は、第４及び第５工程において使用されたダイＤＣの凹部ｄｃ（図６及び図７参照）の大きさ（幅及び深さ）よりも大きく設定されている。

即ち、第５工程において得られた半製品Ｗ５（図７参照）をパンチＰＣとダイＤＤとの間にセットし、該半製品Ｗ５をパンチＰＣとダイＤＤとの間で挟圧すれば、その下面の各凹部Ｗ５ａの両側に生じていた余肉Ｗ５ｂと凹部Ｗ５ａ（図７（ｂ）参照）がダイＤＤの凹部ｄｄに入れ込まれ、図８（ａ）に示すような最終製品としての燃料電池用金属セパレータＷ（図１参照）が得られる。そして、この最終製品としての燃料電池用金属セパレータＷには、凹部Ｗａと凸部Ｗｂが面方向に交互に連続する断面波状の集電部ＷＡが形成される。

図１に示す燃料電池用金属セパレータＷは、以上の第１〜第６工程を経て製造されるが、本発明に係る成形方法によれば、潰し工程である第１、第３及び第５工程によって半製品Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５の成形部に生じた余肉Ｗ１ｂ，Ｗ３ｂ，Ｗ５ｂと凹部Ｗ１ａ，Ｗ３ａ，Ｗ５ａは次の入れ込み工程である第２、第４及び第６工程によってダイＤＢ，ＤＣ，ＤＤの凹部ｄｂ，ｄｃ，ｄｄにそれぞれ入れ込まれて吸収され、これらの潰し工程と入れ込み工程が繰り返されて波板部である集電部ＷＡが成形され、成形部である集電部ＷＡのみが鍛造のように潰して延ばされるために材料の移動は集電部ＷＡの範囲内でのみ行われる。このため、集電部ＷＡの断面積（体積）は変化せず、従って、周辺部ＷＢから集電部ＷＡへの材料の流入がなく、周辺部ＷＡに成形に伴う応力と歪みが発生せず、反りや波打ち等の無い高品位な燃料電池用金属セパレータＷが得られる。

又、金属薄板の成形に際しては面倒な温度管理等が不要である他、成形は簡単な構成のパンチＰＡ，ＰＢ，ＰＣとダイＤＡ，ＤＢ，ＤＣ，ＤＤを用いてなされるため、金型構造が簡素化して加工コストを低く抑えることができる。

更に、潰し工程である第１、第３及び第５工程において使用されるパンチＰＡ，ＰＢ，ＰＣの凸部ｐａ，ｐｂ，ｐｃと入れ込み工程である第２、第４及び第６工程において使用されるダイＤＢ，ＤＣ，ＤＤの凹部ｄｂ，ｄｃ，ｄｄの大きさを各工程が進むに従って次第に大きくするようにしたため、各工程を繰り返すに従って成形される波板部の凹凸部の寸法（幅及び深さ）が次第に大きくなり、これらの凹凸部の寸法が必要な値になるまで各工程を繰り返すことによって所望の成形品である燃料電池用金属セパレータＷを得ることができる。

ところで、以上の第１〜第６工程に使用するパンチＰＡ，ＰＢ，ＰＣとダイＤＡ，ＤＢ，ＤＣ，ＤＤを一体化して並設し、これらの間に金属薄板を１つずつ順送りする方法を採用すれば、順送り加工による連続加工が可能となり、見掛け上１工程（１回のパンチング）で最終成形品である燃料電池用金属セパレータＷを効率良く成形することができる。

尚、以上の実施の形態では、最終成形品である燃料電池用金属セパレータＷを第１〜第６工程を経て成形したが、工程数は任意であって、集電部ＷＡの凹凸部Ｗａ，Ｗｂの大きさに応じて増減することができる。

本発明は、燃料電池用金属セパレータのみならず、プレス加工によって金属薄板に凹凸部を形成して成る他の任意の製品の成形に対して同様に適用可能である。

本発明に係る成形方法によって成形された燃料電池用金属セパレータの斜視図である。 図１のＸ−Ｘ線拡大断面図である。 （ａ）は本発明の第１工程（潰し工程１）を示す金型の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＥ部拡大詳細図である。 （ａ）は本発明の第２工程（入れ込み工程１）を示す金型の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＦ部拡大詳細図である。 （ａ）は本発明の第３工程（潰し工程２）を示す金型の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＧ部拡大詳細図である。 （ａ）は本発明の第４工程（入れ込み工程２）を示す金型の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＨ部拡大詳細図である。 （ａ）は本発明の第５工程（潰し工程３）を示す金型の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ部拡大詳細図である。 （ａ）は本発明の第６工程（入れ込み工程３）を示す金型の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＪ部拡大詳細図である。 従来の成形方法（特許文献１記載の成形方法）を説明する平面図である。 従来の成形方法（特許文献２記載の成形方法）を説明する平面図である。 従来の成形方法（特許文献３記載の成形方法）を説明する平面図である。

符号の説明

ＤＡ，ＤＢ，ＤＣ，ＤＤ ダイ
ｄｂ，ｄｃ，ｄｄ ダイの凹部
ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ パンチ
ｐａ，ｐｂ，ｐｃ パンチの凸部
Ｗ 燃料電池用金属セパレータ
ＷＡ 燃料電池用金属セパレータの集電部（波板部）
ＷＢ 燃料電池用金属セパレータ周辺部
Ｗａ 集電部の凹部
Ｗｂ 集電部の凸部
Ｗ１ 半製品
Ｗ１ａ 半製品Ｗ１の凹部
Ｗ１ｂ 半製品Ｗ１の余肉
Ｗ２，Ｗ３ 半製品
Ｗ３ａ 半製品Ｗ３の凹部
Ｗ３ｂ 半製品Ｗ３の余肉
Ｗ３ｃ 半製品Ｗ３の凸部
Ｗ４ 半製品
Ｗ４Ａ 半製品Ｗ４の波板部
Ｗ４ａ 半製品Ｗ４の凹部
Ｗ４ｂ 半製品Ｗ４の凸部
Ｗ５ 半製品
Ｗ５ａ 半製品５の凹部
Ｗ５ｂ 半製品５の余肉
Ｗ５ｃ 半製品５の凸部

Claims (2)

1. プレス加工によって金属薄板に凹凸部を形成する金属薄板の成形方法において、
   パンチの凸部によって金属薄板をダイとの間で板厚方向に押し潰して、前記金属薄板に凹部と余肉とを形成する潰し工程と、該潰し工程によって金属薄板に形成された前記凹部と余肉をパンチによってダイの凹部に入れ込む入れ込み工程と、を交互に複数回繰り返すことによって、凹凸部が面方向に交互に連続する断面波状の波板部を金属薄板に形成することを特徴とする金属薄板の成形方法。
2. 前記潰し工程におけるパンチの凸部と前記入れ込み工程におけるダイの凹部の大きさを各工程が繰り返されるに従って次第に大きくすることを特徴とする請求項１記載の金属薄板の成形方法。

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