JP5573511B2 - 成形体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、成形体の製造方法に関し、さらに詳しくは、パンチで押圧したことにより形成される、開口幅に対して十分に大きな高さで且つ大きな先端側面積の突部を有する成形体を効率良く且つ確実に得ることができる成形体の製造方法に関する。
従来より、燃料電池用セパレータとして、複数の微小突部を設けて、水素、酸素等のガスを流すガス流路を形成してなるものが知られている。この燃料電池用セパレータの製造方法としては、金属製の板材をダイ及びパンチによりプレスして複数の突部を形成する方法が一般に知られている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1には、例えば、図12(a)に示すように、第1のプレス型106で板材105に張出し部120を形成し、その後、図12(b)(c)に示すように、第2のプレス型107で張出し部120の周縁部の内側を押圧して突部103を形成することが開示されている。これにより、突部形成部位での材料の移動が効果的に行われ、板厚減少に起因する割れを防止している。
特開2000−317531号公報
しかし、上記特許文献1の技術では、突部103を形成するために少なくとも2つプレス型106,107を用いて二度のプレス加工する必要があり生産効率が悪い。
ここで、上記燃料電池用セパレータでは、通常、突部を開口幅に対して十分に大きな高さとすることでガス流路を大きくするとともに、突部の先端側面積を大きくすることとで集電効率を高めることが求められる。しかし、上記特許文献1の技術では、各プレス型106,107を用いるプレス加工のいずれもが張出し成形であるため、例えば、図12(b)に示すように、板材105は、ダイ108の基端縁部108aとパンチ109の先端縁部109aとの2点間で引っ張られつつ延ばされ、板材105を材料伸び率を超えて大きく延ばすことができない。そのため、突部103を開口幅に対して十分に大きな高さとすることができず、ガス流路を大きくすることが困難となる。一方、突部103の先端側面積を比較的狭くすれば、突部103の高さを大きくしてガス流路を大きくできるが、集電効率を高めることが困難となる。なお、上述の燃料電池用セパレータの他に、例えば、板材をプレス加工して突部を形成してなる自動車部品、家電部品等を製造する場合であっても、突部を開口幅に対して十分に大きな高さで且つ大きな先端側面積とすることが望まれている。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、パンチで押圧したことにより形成される、開口幅に対して十分に大きな高さで且つ大きな先端側面積の突部を有する成形体を効率良く且つ確実に得ることができる成形体の製造方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するために、請求項1に記載の発明は、板材をダイ及びパンチによりプレスして突部を有する成形体を製造する方法であって、前記パンチの先端面で前記板材を押圧して張出し部を形成し、その後、前記ダイの傾斜面と前記パンチの傾斜面との間で前記張出し部の側壁を挟みつつ圧延して前記突部を形成し、前記ダイ及び前記パンチは、前記張出し部の底壁及び前記板材の隣接する前記張出し部の間の部位から離間した状態で前記張出し部の側壁を圧延することを要旨とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1記載において、前記ダイの傾斜面の傾斜角度(θ1)は15〜25度であり、前記パンチの傾斜面の傾斜角度(θ2)は15〜25度であることを要旨とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2記載において、型締め状態の前記ダイの傾斜面及び前記パンチの傾斜面の間隔(s)と、プレス前の前記板材の板厚(t)との比(s/t)は0.2〜0.8であることを要旨とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか一項記載において、前記ダイ及び前記パンチが前記張出し部の底壁及び前記板材の隣接する前記張出し部の間の部位から離間した状態は、前記ダイ及び前記パンチの型締めまで維持されることを要旨とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか一項記載において、前記突部が形成された後に、他のダイ及びパンチにより、該他のダイ及びパンチが前記突部の側壁から離間した状態で、前記突部の底壁及び前記板材の隣接する前記突部の間の部位が圧延されることを要旨とする。
本発明の成形体の製造方法によると、パンチの先端面で板材が押圧されて張出し部が形成され、その後、ダイの傾斜面とパンチの傾斜面との間で張出し部の側壁が挟まれつつ圧延されて突部が形成され、突部を有する成形体が得られる。このように、一度のプレス加工において、張出し成形により張出し部を形成してから、その張出し部の側壁を圧延して突部を形成するようにしたので、張出し部の側壁の圧延により材料の移動が効果的に行われる。その結果、開口幅に対して十分に大きな高さで且つ大きな先端側面積の突部を有する成形体を効率良く且つ突部のやぶれ等を抑制して確実に得ることができる。
また、前記ダイの傾斜面の傾斜角度(θ1)が15〜25度であり、前記パンチの傾斜面の傾斜角度(θ2)が15〜25度である場合は、張出し部の側壁の圧延による材料の移動がより効果的に行われ、やぶれ等をより確実に抑制して突部の高さ及び先端側面積をより大きくすることができる。また、プレスの加圧力が大きくなりすぎず、ダイス及びパンチにかかる力を抑えてそれらの変形、損傷等を防止することができる。
さらに、型締め状態の前記ダイの傾斜面及び前記パンチの傾斜面の間隔(s)と、プレス前の前記板材の板厚(t)との比(s/t)が0.2〜0.8である場合は、張出し部の側壁の圧延による材料の移動がより効果的に行われ、やぶれ等をより確実に抑制して突部の高さ及び先端側面積をより大きくすることができる。また、プレスの加圧力が大きくなりすぎず、ダイス及びパンチにかかる力を抑えてそれらの変形、損傷等を防止することができる。
本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
実施例に係る燃料電池用セパレータを模式的に示す要部斜視図である。 実施例に係る第1プレス型の型開き状態を示す縦断面図である。 図2の要部拡大図である。 上記第1プレス型による張出し成形を説明するための説明図であり、型開き及び型締めの中間の状態を示す縦断面図である。 上記第1プレス型の型締め直前の状態を示す縦断面図である。 上記第1プレス型の型締め状態を示す縦断面図である。 上記第1プレス型で形成された半完成状態の燃料電池用セパレータの縦断面図である。 実施例に係る第2プレス型の型開き状態を示す縦断面図である。 上記第2プレス型の型締め状態を示す縦断面図である。 上記第2プレス型で形成された完成状態の燃料電池用セパレータの縦断面図である。 他の形態の燃料電池用セパレータを模式的に示す要部斜視図である。 従来の燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための説明図であり、(a)は第1のプレス型の型締め状態を示し、(b)は第2のプレス型の型開き状態を示し、(c)は第2のプレス型の型締め状態を示す。
ここで示される事項は例示的なものおよび本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
1.成形体の製造方法
本実施形態1.に係る成形体の製造方法は、板材をダイ及びパンチによりプレスして突部を有する成形体を製造する方法であって、パンチ(9)の先端面(11c)で板材(5)を押圧して張出し部(20)を形成し、その後、ダイ(8)の傾斜面(10b)とパンチ(9)の傾斜面(11b)との間で張出し部の側壁(20a)を挟みつつ圧延して突部(3)を形成することを特徴とする(例えば、図4及び図5等参照)。上記板材は、通常、金属製である。
本実施形態1.に係る成形体の製造方法としては、例えば、上記ダイの傾斜面(10b)の傾斜角度(θ1)は15〜25度であり、上記パンチの傾斜面(11b)の傾斜角度(θ2)は15〜25度である形態を挙げることができる(例えば、図3等参照)。この場合、例えば、上記傾斜角度(θ1)及び傾斜角度(θ2)は略同じ値であることができる。なお、上記「傾斜角度(θ1)」及び「傾斜角度(θ2)」とは、上記ダイに対するパンチのスライド方向に対する角度を意図する。
本実施形態1.に係る成形体の製造方法としては、例えば、型締め状態のダイの傾斜面及びパンチの傾斜面の間隔(s)と、プレス前の上記板材の板厚(t)との比(s/t)は0.2〜0.8である形態を挙げることができる(例えば、図3及び図6等参照)。上記間隔(s)は、例えば、0.02〜0.16mmであることができる。また、上記板材の板厚(t)は、例えば、0.1〜0.2mmであることができる。なお、上記「間隔(s)」とは、型締め状態のダイの傾斜面とパンチの傾斜面との最小間隔を意図する。
本実施形態1.に係る成形体の製造方法としては、例えば、ダイの基端面と傾斜面とを連絡する円弧面(12)の半径(r1)は、0.05〜0.3mmであり、パンチの先端面と傾斜面とを連絡する円弧面(13)の半径(r2)は、0.05〜0.3mmである形態を挙げることができる(例えば、図4等参照)。これにより、張出し部の底壁及び隣接する張出し部の間の部位の長さ(面積)を大きくできるとともに、突部のやぶれ等をより確実に抑制することができる。
本実施形態1.に係る成形体の製造方法としては、例えば、上記ダイ及びパンチが張出し部の底壁(20b)から離間した状態で張出し部の側壁(20a)を圧延する形態を挙げることができる(例えば、図5等参照)。これにより、張出し部の側壁の圧延による張出し部の底壁側への材料の移動がより効果的に行われ、やぶれ等をより確実に抑制して突部の高さ及び先端側面積をより大きくすることができる。この場合、上記ダイ及びパンチが隣接する張出し部の間の部位(21)から離間した状態で張出し部の側壁を圧延することが好ましい。張出し部の側壁側への材料の移動に加えて、隣接する張出し部の間の部位側への材料の移動がより効果的に行われるためである。
なお、上記「成形体」の用途等は特に問わない。この成形体は、例えば、燃料電池用セパレータとして利用される。この燃料電池用セパレータは、通常、一定面積内で多数の微小突部を設けてガス流路として利用される。また、上記突部の高さ(h)と開口幅(w)との比(h/w)は、例えば、0.4〜0.8であることができる(例えば、図7等参照)。また、上記「板材」の材質、大きさ等は特に問わない。この板材としては、例えば、チタン、チタン合金、ステンレス鋼等を挙げることができる。
以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明する。なお、本実施例では、本発明に係る「成形体」として燃料電池用セパレータを例示する。
(1)燃料電池用セパレータの構成
本実施例に係る燃料電池用セパレータ1は、図1に示すように、平板状の本体2と、この本体2の平面方向に所定のピッチ間隔pで並設され且つガス流路4を形成する複数の突部3と、を備えている。この燃料電池用セパレータ1は、板材5を後述する第1プレス型及び第2プレス型でプレス加工して得られる。この板材5は、金属製(例えば、チタン合金等)である。
(2)第1プレス型の構成
本実施例に係る第1プレス型7は、図2及び図3に示すように、複数の凹部8aを有するダイ8と、このダイ8に対して接近・離反可能であり且つ複数の凸部9aを有するパンチ9と、を備えている。このダイ8は、平面状の基端面10aと、この基端面10aに連なり且つ凹部8aの内周面を形成する傾斜面10bと、この傾斜面10bの底面側に連なり且つ凹部8aの底端面を形成する平面状の底端面10cと、を備えている。この傾斜面10bのパンチ9のスライド方向に対する傾斜角度θ1は約20度とされている。また、上記パンチ9は、平面状の基端面11aと、この基端面11aに連なり且つ凸部9aの外周面を形成する傾斜面11bと、この傾斜面11bの先端側に連なり且つ凸部9aの先端面を形成する平面状の先端面11cと、を備えている。この傾斜面11bのパンチ9のスライド方向に対する傾斜角度θ2は約20度とされている。
図4に示すように、上記ダイ8の基端面10aと傾斜面10bとを連絡する円弧面12の半径r1は約0.1mmとされている。また、上記パンチ9の先端面11cと傾斜面11bとを連絡する円弧面13の半径r2は約0.1mmとされている。また、図6に示すように、型締め状態のダイ8の傾斜面10b及びパンチ9の傾斜面11bの間隔sと板材の板厚tとの比(s/t)は約0.3とされている。
(3)第2プレス型の構成
本実施例に係る第2プレス型15は、図8及び図9に示すように、複数の凹部16aを有するダイ16と、このダイ16に対して接近・離反可能であり且つ複数の凸部17aを有するパンチ17と、を備えている。このダイ16は、平面状の基端面18aと、この基端面18aに連なり且つ凹部16aの内周面を形成する内周面18bと、この内周面18bの底面側に連なり且つ凹部16aの底端面を形成する平面状の底端面18cと、を備えている。また、上記パンチ17は、平面状の基端面19aと、この基端面19aに連なり且つ凸部17aの外周面を形成する外周面19bと、この外周面19bの先端側に連なり且つ凸部17aの先端面を形成する平面状の先端面19cと、を備えている。
(4)燃料電池用セパレータの製造方法
次に、上記構成の第1及び第2プレス型7,15を用いた燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。先ず、図3に示すように、型開き状態の第1プレス型7のダイ8及びパンチ9の間に板材5をセットする。次に、図4に示すように、ダイ8に対してパンチ9を近接させると、パンチ9の先端面11cで板材5が押圧されてダイ8の凹部8a内に張出し部20が形成される。この張出し部20は、平板状の底壁20bと、この底壁20bの周縁側から立ち上がる側壁20aと、を有している。
次いで、図5に示すように、ダイ8に対してパンチ9を更に近接させると、ダイ8の傾斜面10bとパンチ9の傾斜面11bとの間で張出し部20の側壁20aが挟まれつつ絞られて突部3(図6参照)が形成され、半完成状態の燃料電池用セパレータ1が得られる。この突部3の形成の際には、張出し部20の側壁20aの圧延の開始と略同時又は直後に、上記ダイ8の底端面10c及びパンチ9の先端面11cが張出し部20の底壁20bから離れ且つ上記ダイ8の基端面10a及びパンチ9の基端面11aが隣接する張出し部20の間の部位21から離れた状態で張出し部20の側壁20aが絞られ、それらの離間状態は型締めまで維持される。
次いで、図8に示すように、型開き状態の第2プレス型15のダイ16及びパンチ17の間に上述の半完成状態の燃料電池用セパレータ1をセットする。次に、図9に示すように、ダイ16に対してパンチ17を近接させると、ダイ16の底端面18cとパンチ17の先端面19cとの間で突部3の底壁3aが圧延されるとともに、ダイ16の基端面18aとパンチ17の基端面19aとの間で隣接する突部3の間の部位22が潰されて、完成状態の燃料電池用セパレータ1が得られる。
(5)実験例及び比較例について
次に、上記実施例において、ダイ8の傾斜面の傾斜角度θ1及びパンチ9の傾斜面の傾斜角度θ2を変更した実験例1、2及び比較例1、2について説明する。各傾斜角度θ1,θ2を12度とした比較例1では、パンチ9のスライド速度に拘わらず、パンチ9の先端面11cが張出し部20の底壁20bに接触した状態で張出し部20の側壁20aが圧延されて突部3のやぶれが観察された。また、各傾斜角度θ1,θ2を27度とした比較例2では、プレスの加圧力が大きくなりすぎず、第1プレス型7の変形が観察された。これに対して、各傾斜角度θ1,θ2を15度とした実験例1及び各傾斜角度θ1,θ2を25度とした実験例2では、突部3のやぶれ及び第1プレス型7の変形等は観察されなかった。
(6)実施例の効果
以上より、本実施例の燃料電池用セパレータの製造方法によると、パンチ9の先端面11cで板材5が押圧されて張出し部20が形成され、その後、ダイ8の傾斜面10bとパンチ9の傾斜面11bとの間で張出し部20の側壁20aが挟まれつつ圧延されて突部3が形成され、複数の突部3を有する燃料電池用セパレータ1が得られる。このように、一度のプレス加工において、張出し成形により張出し部20を形成してから、その張出し部20の側壁20aを圧延して突部3を形成するようにしたので、張出し部20の側壁20aの圧延により材料の移動が効果的に行われる。そのため、開口幅wに対して十分に大きな高さhで且つ大きな先端側面積の突部3を有する燃料電池用セパレータ1を効率良く且つ突部3のやぶれ等を抑制して確実に得ることができる。その結果、板材5の材料伸び率に左右されずに、燃料電池用セパレータ1において、突部3の高さを高くすることでガス流路を大きくできるとともに、突部3の先端側面積を大きくすることで集電効率を高めることができる。
また、本実施例では、第1プレス型7において、ダイ8の傾斜面10bの傾斜角度θ1及びパンチ9の傾斜面11bの傾斜角度θ2を約20度としたので、張出し部20の側壁20aの圧延による材料の移動がより効果的に行われ、やぶれ等をより確実に抑制して突部3の高さh及び先端側面積をより大きくすることができる。また、プレスの加圧力が大きくなりすぎず、ダイス8及びパンチ9にかかる力を抑えてそれらの変形、損傷等を防止することができる。
また、本実施例では、型締め状態のダイ8の傾斜面10b及びパンチ9の傾斜面11bの間隔sと板材5の板厚tとの比(s/t)を約0.3としたので、張出し部20の側壁20aの圧延による材料の移動がより効果的に行われ、やぶれ等をより確実に抑制して突部3の高さh及び先端側面積をより大きくすることができる。また、プレスの加圧力が大きくなりすぎず、ダイス8及びパンチ9にかかる力を抑えてそれらの変形、損傷等を防止することができる。
また、本実施例では、ダイ8の基端面10aと傾斜面10bとを連絡する円弧面12の半径r1を約0.1mmとし、パンチ9の先端面11cと傾斜面11bとを連絡する円弧面13の半径r2を約0.1mmとしたので、張出し部20の底壁20b及び隣接する張出し部20の間の部位21の長さ(面積)を大きくできるとともに、突部3のやぶれ等をより確実に抑制することができる。
また、本実施例では、ダイ8及びパンチ9が張出し部20の底壁20b及び隣接する張出し部20の間の部位21に接触しない状態で張出し部20の側壁20aを圧延するようにしたので、張出し部20の側壁20aの圧延の際に、張出し部20の底壁20b及び隣接する張出し部20の間の部位21側への材料の移動がより効果的に行われ、やぶれ等をより確実に抑制して突部3の高さh及び先端側面積をより大きくすることができる。
さらに、本実施例では、第1プレス型7を用いて張出し部20の側壁20aを圧延して突部3を形成し、その後、第2プレス型15を用いて突部3の底壁3a及び隣接する突部3の間の部位22を圧延するようにしたので、突部3の底壁3a及び隣接する突部3の間の部位22の長さ(面積)を大きくできる。
尚、本発明においては、上記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。すなわち、上記実施例では、本体2の平面方向に沿って複数の突部3を並設してガス流路4をなす燃料電池用セパレータ1を例示したが、これに限定されず、例えば、図11に示すように、本体2’の一方向に沿って複数の長尺状の突部3’を並設してガス流路4’をなす燃料電池用セパレータ1’としてもよい。
また、上記実施例では、平面形状が多角形の突部3を例示したが、これに限定されず、例えば、平面形状が円形、楕円形の突部としてもよい。また、平面形状の異なる突部を組み合わせて設けるようにしてもよい。
また、上記実施例では、第1及び第2プレス型7,15を用いる二度のプレス加工で完成状態の燃料電池用セパレータ1を得るようにしたが、これに限定されず、例えば、第2プレス型15を廃止して、第1プレス型7での一度のプレス加工で完成状態の燃料電池用セパレータを得るようにしてもよい。また、第1及び第2プレス型7,15に更に他のプレス型を加えて三度以上のプレス加工で燃料電池用セパレータを得るようにしてもよい。
また、上記実施例では、第1プレス型7のパンチ9として先端側が平面状のものを例示したが、これに限定されず、例えば、先端側が凸状のパンチとしてもよい。また、上記実施例では、第1プレス7のダイ8として底端側が平面状のものを例示したが、これに限定されず、例えば、底端側が凹状のダイとしてもよい。
さらに、上記実施例では、張出し部20の側壁20aの圧延の開始と略同時又は直後にダイ8及びパンチ9が張出し部20の底壁20b等から離間するようにしたが、これに限定されず、例えば、張出し部20の側壁20aの圧延の開始から所定時間の経過後にダイ8及びパンチ9が張出し部20の底壁20b等から離間するようにしてもよい。
前述の例は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施形態の例を挙げて説明したが、本発明の記述および図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく説明的および例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その形態において本発明の範囲または精神から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料および実施例を参照したが、本発明をここにおける開示事項に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。
本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。
突部を有する成形体を製造する技術として広く利用される。特に、複数の突部を有する燃料電池用セパレータを製造する技術として好適に利用される。
1,1’;燃料電池用セパレータ、3,3’;突部、5;板材、8;ダイ、9;パンチ、10b;ダイの傾斜面、11b;パンチの傾斜面、20;張出し部、20a;側壁、20b;底壁、θ1;ダイの傾斜面の傾斜角度、θ2;パンチの傾斜面の傾斜角度、s;型締め状態のダイ及びパンチの間隔、t;板材の板厚。

Claims (5)

  1. 板材をダイ及びパンチによりプレスして突部を有する成形体を製造する方法であって、
    前記パンチの先端面で前記板材を押圧して張出し部を形成し、その後、前記ダイの傾斜面と前記パンチの傾斜面との間で前記張出し部の側壁を挟みつつ圧延して前記突部を形成し、
    前記ダイ及び前記パンチは、前記張出し部の底壁及び前記板材の隣接する前記張出し部の間の部位から離間した状態で前記張出し部の側壁を圧延することを特徴とする成形体の製造方法。
  2. 前記ダイの傾斜面の傾斜角度(θ1)は15〜25度であり、前記パンチの傾斜面の傾斜角度(θ2)は15〜25度である請求項1記載の成形体の製造方法。
  3. 型締め状態の前記ダイの傾斜面及び前記パンチの傾斜面の間隔(s)と、プレス前の前記板材の板厚(t)との比(s/t)は0.2〜0.8である請求項1又は2に記載の成形体の製造方法。
  4. 前記ダイ及び前記パンチが前記張出し部の底壁及び前記板材の隣接する前記張出し部の間の部位から離間した状態は、前記ダイ及び前記パンチの型締めまで維持される請求項1乃至3のいずれか一項に記載の成形体の製造方法。
  5. 前記突部が形成された後に、他のダイ及びパンチにより、該他のダイ及びパンチが前記突部の側壁から離間した状態で、前記突部の底壁及び前記板材の隣接する前記突部の間の部位が圧延される請求項1乃至4のいずれか一項に記載の成形体の製造方法。
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