JP5950118B2

JP5950118B2 - プレス成形方法

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Publication number: JP5950118B2
Application number: JP2013112966A
Authority: JP
Inventors: 野畑　安浩; 安浩野畑; 雄吾堤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: JP2014231075A

Description

本発明は、プレス金型を使用して金属薄板に交互に連続する凹凸を張出し成形する方法に関する。

例えば、燃料電池のセパレータは、板厚が０．１ｍｍ程度のチタン製の板材（金属薄板）が使用される。このようなセパレータは、典型的に、交互に連続する凹凸によって形成される流路を備える。セパレータの流路を絞り成形（張出し成形）する先行技術として、特許文献１には、予備張出工程で金属薄板に凹凸部の概形を形成した後、潰し工程で凹凸部の溝縦壁部を潰して予備張出工程時に溝縦壁部に引き込まれた材料を元に戻すことにより、成形時における材料の局部的な伸びに起因する破断を防止するようにした金属薄板の製造方法が開示されている。

ところで、張出し成形は、フランジ部からの材料の流入を期待しないで材料の伸びだけで変形させるため、材料に局部的な伸びが生じた場合、板厚が局部的に薄くなる部分、所謂くびれが発生する。上記特許文献１の製造方法においては、予備張出工程時に、下型に形成された凸部の頂部周辺の材料が溝縦壁部に引き込まれて局部的に伸び、その結果、金属薄板にくびれが発生して、材料がくびれ部分で破断するおそれがある。

特開２０１０−１６７４４１号公報

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、金属薄板に凹凸を張出し成形する時の材料の局部的な伸びに起因する破断を抑止することが可能なプレス成形方法を提供することを課題としてなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明のプレス成形方法は、プレス金型を使用して金属薄板に交互に連続する凹凸を張出し成形する方法であって、前記方法は、第１工程と第２工程とによって構成され、前記第１工程では、前記凹凸に対応する凹部と凸部とが交互に形成された第１成形型が使用され、前記第１成形型は、少なくとも前記凸部の断面プロファイルを、複数本の直線で形成して隣接する直線間の交差部を小Ｒで繋いだ断面プロファイルとし、成形時には、前記金属薄板を、前記第１成形型の凸部の頂部から、順次、連続する前記小Ｒと前記直線とに接触させながら、前記金属薄板に、前記凹凸に対して周長を略一致させた断面が波形状の前記凹凸の予備形状を成形し、前記第２工程では、前記凹凸の予備形状が形成された前記金属薄板を、第２成形型を使用して前記凹凸の目的形状に成形する、ことを特徴とする。

このように構成することにより、第１工程では、金属薄板は、第１成形型の凸部の頂部から、順次、連続する小Ｒと直線とに接触される。換言すると、金属薄板は、第１成形型の凸部の頂部から、当該第１成形型の断面プロファイルの、小Ｒ→直線→小Ｒ→直線→・・・に順次接触される。ここで、金属薄板は、第１成形型（例えば、上型および下型）の断面プロファイルが直線によって形成される部分（以下、直線部）に面接触されるため、金属薄板の直線部と面接触されている成形済みの部分が第１成形型に密着し、金属薄板と第１成形型との間に摩擦抵抗が発生する。
これにより、第１工程では、金属薄板は、第１成形型の凸部の頂部で伸ばされ、直線部に面接触して次の小Ｒで折り曲げられると、直線部に面接触した部分の伸びが抑制され、小Ｒで伸ばされ、さらに次の直線部に面接触して次の小Ｒで折り曲げられると、直線部に面接触した部分の伸びが抑制され、小Ｒで伸ばされ、・・・、というように、伸ばされる部分を第１成形型の凸部の頂部から順次移動させるようにして成形されるため、伸ばされる部分を分散させることができる。
このように、第１工程では、金属薄板の局部的な伸びを抑制しながら、金属薄板に、凹凸の目標形状（製品形状）に対して周長を略一致させた断面が波形状の凹凸の予備形状が形成される。これにより、次の第２工程では、第１工程によって形成された凹凸の予備形状を第２成形型に押し込むようにして、必要最小限の伸び（例えば、第１工程によって形成された凹凸の周長に対して１〜２％程度の伸び）で凹凸の目的形状を成形することが可能である。
よって、本発明のプレス成形方法では、金属薄板に凹凸を張出し成形する工程を、第１成形型を使用して金属薄板に凹凸の予備形状を成形する第１工程と、第２成形型を使用して予備形状を凹凸の目的形状に成形する第２工程と、によって構成し、第１工程では、金属薄板の伸ばされる部分を第１成形型の凸部の頂部から順次移動させるようにして、目的形状に対して周長を略一致させた予備形状を金属薄板に成形し、第２工程では、予備形状に成形された金属薄板を第２成形型に押し込むようにして、目的形状を金属薄板に成形するので、材料の局部的な伸びを抑制することが可能であり、張出し成形時のくびれに起因する材料の破断を防止することができる。

本発明によれば、金属薄板に凹凸を張出し成形する場合における材料の局部的な伸びに起因する破断を抑止することが可能なプレス成形方法を提供することができる。

本実施形態の説明図であり、第１絞り形状と第２絞り形状とを重ねて示す図である。本実施形態の説明図であり、図１における軸Ｙ０−Ｙ１間を拡大して示す図である。本実施形態の説明図であり、第１工程における成形過程を示す第１成形型および金属薄板の横断面図である。本実施形態の説明図であり、第１工程における成形過程を示す第１成形型および金属薄板の横断面図である。本実施形態の説明図であり、第１工程における成形完了の状態を示す第１成形型および金属薄板の横断面図である。本実施形態の説明図であり、第２工程における成形過程を示す第２成形型および金属薄板の横断面図である。本実施形態の説明図であり、第２工程における成形過程を示す第２成形型および金属薄板の横断面図である。本実施形態の説明図であり、第２工程における成形完了の状態を示す第２成形型および金属薄板の横断面図である。

以下、プレス金型を使用して、金属薄板に交互に連続する凹凸を張出し成形する方法を説明する。
本発明のプレス成形方法は、第１工程と第２工程との２つの張出し成形（絞り成形）の工程によって構成される。第１工程では、図３〜図５に示される第１成形型１１を使用して、金属薄板１に連続する凹凸の予備形状（以下、予備形状、図５参照）を張出し成形する。次の第２工程では、図６〜図８に示される第２成形型２１を使用して、予備形状が形成された金属薄板１を、連続する凹凸の目的形状（以下、目的形状、図８参照）に張出し成形する。

ここで、図１に一点鎖線で示されるのは、予備形状のプロファイル（中立軸、以下、第１絞り形状）である。また、図１に破線で示されるのは、目的形状のプロファイル（中立軸、以下、第２絞り形状）である。また、図１は、説明の便宜上、第１絞り形状の頂点と第２絞り形状の対応する頂点とを重ねて示した図である。なお、図１において、軸Ｙ１は、第１絞り形状および第２絞り形状の頂点Ａ１を通過して絞り深さ方向（図１における上下方向）へ延びる軸、軸Ｙ２は、第１絞り形状および第２絞り形状の頂点Ａ２を通過して絞り深さ方向へ延びる軸、および軸Ｙ０は、第１絞り形状の頂点Ａ０を通過して絞り深さ方向へ延びる軸であるとともに軸Ｙ１−Ｙ２間における第１絞り形状および第２絞り形状の対称軸である。

図２に示されるのは、図１における軸Ｙ０−Ｙ１間の第１絞り形状および第２絞り形状を拡大して示す図である。前述したように、第１絞り形状および第２絞り形状は、図１における軸Ｙ１−Ｙ２間において対称軸Ｙ０で左右対称であるため、ここでは、説明を簡潔にすることを目的に、図２に示される軸Ｙ０−Ｙ１間の第１絞り形状および第２絞り形状のみを説明する。

図２に示されるように、第１絞り形状は、複数本（図２おいては１２本）の直線Ｌ１〜Ｌ１２を各交点Ｐ０〜Ｐ１２で小Ｒで繋いて連続させることにより形成される。そして、第１絞り形状の周長、ここでは、小Ｒを無視した各直線Ｌ１〜Ｌ１２の長さを合計した長さは、第２絞り形状の周長、すなわち、図２における軸Ｙ３−Ｙ０間の破線に沿った長さ、に対して略一致するように設定され、典型的に、第１絞り形状の周長は、第２絞り形状の周長に対して１〜２％だけ短い長さに設定される。なお、小Ｒは、第１成形型１１によって成形することが可能な最小Ｒであり、例えば、０．２ｍｍである。

第１絞り形状は、絞り深さ（図２におけるＤ１）の１／２の深さに位置する交点Ｐ６、換言すると、交点Ｐ０と交点Ｐ１２との間の絞り深さ方向（図２における上下方向）の距離の１／２の距離（深さ）に位置する交点Ｐ６で、第２絞り形状と交差するように形成される。そして、図２から理解できるように、第１工程における絞り深さＤ１は、第２工程における絞り深さＤ２よりも深くなる。換言すると、第１絞り形状の交点Ｐ０と交点Ｐ１２との間の絞り深さ方向の距離Ｄ１は、第２絞り形状の絞り深さ方向の高さＤ２よりも長く設定される。

また、第１絞り形状の分割数、すなわち、第１絞り形状を構成する直線Ｌの数量は、材質、板厚等の材料特性に基づき、隣接する直線が基本的に一定の交差角度で交差することで円滑な波形が得られるように、解析装置（ＣＡＥシステム）によって算出される。すなわち、解析装置は、入力された材料特性値をデータテーブル上で演算処理して第１絞り形状の分割数を出力するように構成される。さらに、第１絞り形状は、交点Ｐ６−Ｐ５間の絞り深さ方向の距離と交点Ｐ６−Ｐ７間の絞り深さ方向の距離、交点Ｐ６−Ｐ４間の絞り深さ方向の距離と交点Ｐ６−Ｐ８間の絞り深さ方向の距離、交点Ｐ６−Ｐ３間の絞り深さ方向の距離と交点Ｐ６−Ｐ９間の絞り深さ方向の距離、交点Ｐ６−Ｐ２間の絞り深さ方向の距離と交点Ｐ６−Ｐ１０間の絞り深さ方向の距離、交点Ｐ６−Ｐ１間の絞り深さ方向の距離と交点Ｐ６−Ｐ１１間の絞り深さ方向の距離、および交点Ｐ６−Ｐ０間の絞り深さ方向の距離と交点Ｐ６−Ｐ１２間の絞り深さ方向の距離が等しくなるように形成される。

なお、第１絞り形状の図２におけるＹ１−Ｙ３間の距離（直線Ｌ０の長さ）を調節することにより、凹凸の幅を調節することができる。また、直線Ｌ０と直線Ｌ１とは、交点Ｐ０において小Ｒで繋がれている。

次に、本発明のプレス成形方法の作用を説明する。ここでは、板厚０．１ｍｍのチタン製の金属薄板１に１．５ｍｍ間隔（ピッチ）で深さ０．５ｍｍの凹凸を張出し成形（絞り成形）することで、例えば、燃料電池のセパレータに交互に連続する凹凸を張出し成形（絞り成形）する方法を説明する。

第１工程に先立ち、前述した解析装置を使用して、第１成形型１１の断面プロファイル（横断面形状）が決定される。まず、解析装置は、凹凸の設計値（例えば、ＣＡＤデータ）に基づき、図１および図２に破線で示される第２絞り形状を作成する。次に、解析装置は、得られた第２絞り形状に基づき、図１および図２に一点鎖線で示される第１絞り形状を作成する。図２に示されるように、第１絞り形状は、複数本の直線の交点を小Ｒ（第１成形型１１で成形可能な最小Ｒ）で繋ぐことにより構成される。また、解析装置は、作成された第１絞り形状に基づき、第１成形型１１の断面プロファイルを決定する。

次に、解析装置によって決定された断面プロファイルに基づき、第１成形型１１が製作される。ここで、第１成形型１１の下型１２の断面プロファイルは、第１絞り形状を構成する直線および小Ｒに対応する直線および小Ｒによって構成される。すなわち、第１成形型１１の下型１２の凸部１３の断面プロファイルは、複数本の直線で形成されて隣接する直線間の交差部を小Ｒで繋いて連続させることにより形成される。同様に、第１成形型１１の上型１５の断面プロファイルは、第１絞り形状を構成する直線および小Ｒに対応する直線および小Ｒによって構成される。すなわち、第１成形型１１の上型１５の凸部１６の断面プロファイルは、複数本の直線で形成されて隣接する直線間の交差部を小Ｒで繋いて連続させることにより形成される。

なお、第１成形型１１の下型１２および上型１５の周長、すなわち、下型１２および上型１５の断面プロファイルにおける、小Ｒを無視した各直線の長さを合計した長さは、第２成形型２１の下型２２および上型２５の周長、すなわち、下型２２および上型２５の断面プロファイルの全長、に対して略一致するように設定される。特に、本実施形態では、第１成形型１１の下型１２および上型１５の周長は、第２成形型２１の下型２２および上型２５の周長に対して、１〜２％だけ短い長さに設定される。また、本実施形態において、小Ｒは、例えば、０．２ｍｍである。

（第１工程）
第１工程では、第１成形型１１を使用して、金属薄板１を張出し成形（絞り成形）する。第１工程では、成形の過程で、図３に示される状態から図４に示される状態を経由して図５に示される状態へ移行する。また、第１工程では、金属薄板１は、第１成形型１１の下型１２の凸部１３の頂部１３Ａから、順次、連続する小Ｒと直線とに接触する。換言すると、金属薄板１は、下型１２の凸部１３の頂部１３Ａから、断面プロファイルにおける、小Ｒ→直線→小Ｒ→直線→・・・に順次接触する。

これにより、金属薄板１は、凸部１３の頂部１３Ａで伸ばされ、凸部１３の断面プロファイルが直線によって形成される部分（以下、直線部）に面接触して次の小Ｒで折り曲げられると、直線部に面接触した部分の伸びが抑制され、小Ｒで伸ばされ、さらに次の直線部に面接触して次の小Ｒで折り曲げられると、直線部に面接触した部分の伸びが抑制され、小Ｒで伸ばされ、・・・、というように、伸ばされる部分を凸部１３の頂部１３Ａから順次移動させるようにして成形される。

同様に、第１工程では、金属薄板１は、第１成形型１１の上型１５の凸部１６の頂部１６Ａから、順次、連続する小Ｒと直線とに接触する。換言すると、金属薄板１は、上型１５の凸部１６の頂部１６Ａから、断面プロファイルにおける、小Ｒ→直線→小Ｒ→直線→・・・に順次接触する。これにより、金属薄板１は、凸部１６の頂部１６Ａで伸ばされ、直線部に面接触して次の小Ｒで折り曲げられると、直線部に面接触した部分の伸びが抑制され、小Ｒで伸ばされ、さらに次の直線部に面接触して次の小Ｒで折り曲げられると、直線部に面接触した部分の伸びが抑制され、小Ｒで伸ばされ、・・・、というように、伸ばされる部分を凸部１６の頂部１６Ａから順次移動させるようにして成形される。
なお、第１工程で得られる予備形状の周長、すなわち、第１絞り形状の周長は、第２工程で得られる目的形状の周長、すなわち、第２絞り形状の周長に対して、１〜２％だけ短い。

（第２工程）
次の第２工程では、第２成形型２１を使用して、予備形状が形成された金属薄板１を張出し成形（絞り成形）する。第２工程では、成形の過程で、図６に示される状態から図７に示される状態を経由して図８に示される状態へ移行する。この第２工程では、第１工程で得られた予備形状の周長、すなわち、第１絞り形状の周長が、第２工程で得られる目的形状の周長、すなわち、第２絞り形状の周長に略一致されているため、金属薄板１を、第２成形型２１に押し込むようにして最小限の歪（伸び）で目的形状（製品形状）に成形することが可能である。

この実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、プレス成形型を使用する張出し成形（絞り成形）を第１工程と第２工程とによって構成し、第１工程では、金属薄板１を、第１成形型１１の凸部１３および１６の頂部１３Ａおよび１６Ａから、順次、凸部１３および１６の断面プロファイルにおける連続する小Ｒと直線とに接触させるので、金属薄板１は、凸部１３および１６の頂部１３Ａおよび１６Ａで伸ばされ、直線部に面接触して次の小Ｒで折り曲げられると、直線部に面接触した部分の伸びが抑制され、小Ｒで伸ばされ、さらに次の直線部に面接触して次の小Ｒで折り曲げられると、直線部に面接触した部分の伸びが抑制され、小Ｒで伸ばされ、・・・、というように、伸ばされる部分を凸部１３および１６の頂部１３Ａおよび１６Ａから順次移動させるようにして成形される。これにより、金属薄板１の伸ばされる部分を分散させることが可能であり、金属薄板１の局部的な伸び（材料の流動）を抑制することができる。
また、第１工程で得られた予備形状の周長、すなわち、第１絞り形状の周長が、第２工程で得られる目的形状の周長、すなわち、第２絞り形状の周長に略一致されているため、第２工程では、金属薄板１を、第２成形型２１に押し込むようにして、最小限の歪（伸び）で目的形状（製品形状）に成形することが可能であり、金属薄板１の局部的な伸びを抑制することができる。
よって、本発明のプレス成形方法では、張出し成形時のくびれに起因する材料の破断を防止することができる。

１金属薄板、１１第１成形型、２１第２成形型

Claims

プレス金型を使用して金属薄板に交互に連続する凹凸を張出し成形する方法であって、
前記方法は、第１工程と第２工程とによって構成され、
前記第１工程では、
前記凹凸に対応する凹部と凸部とが交互に形成された第１成形型が使用され、前記第１成形型は、少なくとも前記凸部の断面プロファイルを、複数本の直線で形成して隣接する直線間の交差部を小Ｒで繋いだ断面プロファイルとし、成形時には、前記金属薄板を、前記第１成形型の凸部の頂部から、順次、連続する前記小Ｒと前記直線とに接触させながら、前記金属薄板に、前記凹凸に対して周長を略一致させた断面が波形状の前記凹凸の予備形状を成形し、
前記第２工程では、
前記凹凸の予備形状が形成された前記金属薄板を、第２成形型を使用して前記凹凸の目的形状に成形する、ことを特徴とするプレス成形方法。