JP6486774B2 - 金属板の成形方法及びこれに用いる成形装置 - Google Patents

Description

本開示は金属板の成形方法及びこれに用いる成形装置に関する。

プレス加工は金属板から種々の成形体を製造する方法であり、成形体を最も効率的に大量生産できる加工法の一つである。例えば、車搭載用の燃料電池に使用されるセパレータとして、従来、黒鉛材料を加工したものが利用されていたが、セパレータの薄型化、加工性、低コスト化等の観点から、金属板をプレス加工したものが利用されている。

燃料電池に使用される薄板金属セパレータには、ガスを流すための流路が多数形成されている。この流路の成形には、雄型と雌型が対峙的に配置された金型が使用される。一回のプレス加工によって金属板を最終形状とすることができれば、生産性が高く効率的である。しかし、流路が密で複雑な形状の場合、金属板の延びが成形に追従できず、金属板が破断する場合がある。プレス加工における金属板の破断を抑制するため、金属板を最終形状とする本成形に先立って予備成形を実施することが知られている（特許文献１）。

特開２００３−２４９２３８号公報

本発明者らの検討によると、平坦な頂部を有する凸部と平坦な底部を有する凹部の繰り返しパターンを有する金属板を製造する場合、従来の方法では本成形に先立って予備成形を実施したとしても、その過程で金属板に破断が生じる可能性がある。図１２を参照しながら、その理由を説明する。

図１２（ａ）は原材料の金属板８０を予備成形金型（上型４５及び下型５５）内に配置した状態を模式的に示す断面図である。図１２（ｂ）は予備成形後の金属板８０を本成形金型（上型６５及び下型７５）内に配置した状態を模式的に示す断面図である。図１２（ｃ）は本成形金型によって本成形を実施した後の金属板８０を模式的に示す断面図である。図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）において実線の丸で囲った箇所は、予備成形において金属板８０が集中的に延ばされた箇所（頂部８１ａと底部８１ｂ）である。これらの箇所は、必然的に肉厚が薄くなっており且つ応力が集中している。図１２（ｃ）において破線の丸で囲った箇所は、本成形において金属板８０が集中的に延ばされた箇所（角部８１ｃ）である。予備成形によって肉厚が薄くなっており且つ応力が集中している箇所（頂部８１ａと底部８１ｂ）が角部８１ｃの形成のために再び延ばされると角部８１ｃ又はその近傍に破断が生じやすい。

本開示は、平坦な頂部を有する凸部と平坦な底部を有する凹部の繰り返しパターンを有する金属板をプレス加工によって製造する際、金属板に破断が生じることを十分に抑制できる成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。

本開示に係る金属板の成形方法は、金属板をプレス加工することによって、丸みを帯びた頂部を有する凸部と丸みを帯びた底部を有する凹部の繰り返しパターンを金属板に形成する第１予備成形工程と、第１予備成形工程後、金属板を更にプレス加工することによって、平坦な頂部を有する凸部と平坦な底部を有する凹部の繰り返しパターンを金属板に形成する本成形工程とを含み、本成形工程において形成される繰り返しパターンのピッチＰの間に、丸みを帯びた頂部又は丸みを帯びた底部が複数形成されるように第１予備成形工程を実施し、第１予備成形工程後の金属板において丸みを帯びた頂部及び底部であった箇所の間に、本成形工程において平坦な頂部及び底部のそれぞれの両端部を構成する角部を形成する。

上記成形方法においては、上述のとおり、第１予備成形工程後の金属板において丸みを帯びた頂部及び底部であった箇所の間に、本成形工程において角部を形成する。これにより、予備成形工程によって肉厚が薄くなっており且つ応力が集中している箇所が本成形によって角部となることを十分に防止でき、その結果、金属板に破断が生じることを十分に抑制できる。

第１予備成形工程によって形成される丸みを帯びた頂部及び底部の位置と、本成形工程によって形成される角部の位置とが重ならないように、第１予備成形工程において以下のような工夫をすることが好ましい。
・第１予備成形工程において形成されるパターンのピッチＰ１を、本成形工程において形成される繰り返しパターンのピッチＰの１／ｎ（ｎは２以上の整数）とする。
・第１予備成形工程において形成する繰り返しパターンを、高さが互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成する。
・第１予備成形工程において形成する繰り返しパターンを、幅が互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成する。

上記成形方法は、第１予備成形工程後であり且つ本成形工程前に、金属板を更にプレス加工することによって、丸みを帯びた頂部を有する凸部と丸みを帯びた底部を有する凹部の繰り返しパターンを金属板に形成する第２予備成形工程を更に含んでもよい。この場合、第２予備成形工程によって形成される繰り返しパターンのピッチは、本成形工程によって形成される繰り返しパターンのピッチと同一とすればよい。本成形工程の実施に先立って第２予備成形工程の実施によって金属板のピッチを本成形工程後の金属板のピッチと同一にすることで、本成形工程の実施に伴って金属板に破断が生じることをより一層確実に抑制できる。

本開示に係る金属板の成形装置は、丸みを帯びた頂部を有する凸部と丸みを帯びた底部を有する凹部の繰り返しパターンを金属板に形成する第１予備成形金型と、第１予備成形金型によるプレス加工後の金属板に、平坦な頂部を有する凸部と平坦な底部を有する凹部の繰り返しパターンを形成する本成形金型とを備え、第１予備成形金型は、本成形金型によって形成される繰り返しパターンのピッチＰの間に、丸みを帯びた頂部又は丸みを帯びた底部が複数形成されるように構成され、本成形金型は、第１予備成形金型によって形成される丸みを帯びた頂部及び底部であった箇所の間に、平坦な頂部及び底部のそれぞれの両端部を構成する角部を形成するように構成されている。

上記成形装置によれば、上記成形方法を実施できる。すなわち、第１予備成形金型によって第１予備成形工程を実施でき、本成形金型によって本成形工程を実施でき、これにより、金属板から上記形状の成形体を製造する過程において金属板に破断が生じることを十分に抑制できる。

第１予備成形金型によって形成される丸みを帯びた頂部及び底部の位置と、本成形金型によって形成される角部の位置とが重ならないように、第１予備成形金型の構成に関し、以下のような工夫をすることが好ましい。
・第１予備成形金型によって形成されるパターンのピッチＰ１を、本成形金型によって形成される繰り返しパターンのピッチＰの１／ｎ（ｎは２以上の整数）とする。
・第１予備成形金型によって形成される繰り返しパターンを、高さが互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成する。
・第１予備成形金型によって形成される繰り返しパターンを、幅が互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成する。

上記成形装置は、第１予備成形金型によるプレス加工後であり且つ本成形金型によるプレス加工前に、丸みを帯びた頂部を有する凸部と丸みを帯びた底部を有する凹部の繰り返しパターンを金属板に形成する第２予備成形金型を更に備えてもよい。この場合、第２予備成形金型によって形成される繰り返しパターンのピッチは、本成形金型によって形成される繰り返しパターンのピッチと同一とすればよい。上記成形装置が第２予備成形金型を更に備えることで、上記第２予備成形工程を実施できる。これにより、金属板から目的とする上記形状の成形体を製造する過程において金属板に破断が生じることをより一層確実に抑制できる。

本開示において、第１予備成形工程（第１予備成形金型）で金属板に形成される凸部及び凹部の高さＨ１と、本成形工程（本成形金型）で金属板に形成される凸部及び凹部の高さＨは、以下の条件式（１）を満たすことが好ましい。
０．６／ｍ≦Ｈ１／Ｈ≦１．５／ｍ…（１）
式中、ｍは２以上の整数であって、本成形工程（本成形金型）によって形成されるピッチＰの間に、第１予備成形工程（第１予備成形金型）によって形成される凸部及び凹部の数のうち、数の大きい方を示す。なお、当該凸部の数と当該凹部の数の数が同じである場合、ｍはその数である。

上記高さの比Ｈ１／Ｈを条件式（１）の範囲とすることで、金属板から目的とする上記形状の成形体を安定的に製造できる。高さの比Ｈ１／Ｈが条件式（１）の下限値以上であれば第１予備成形工程において金属板が十分に延伸されており、第２予備成形工程又は本成形工程において金属板を延伸すべき量を十分に少なくでき、これにより、第２予備成形工程又は本成形工程における金属板の破断をより一層確実に抑制できる。高さの比Ｈ１／Ｈが条件式（１）の上限値以下であれば第１予備成形工程において金属板に破断が生じることを十分に抑制できる。

本開示によれば、平坦な頂部を有する凸部と平坦な底部を有する凹部の繰り返しパターンを有する金属板をプレス加工によって製造する際、金属板の破断を十分に抑制できる。

図１は燃料電池用の金属セパレータの一例を模式的に示す斜視図である。 図２（ａ）は図１に示すＩＩ−ＩＩ線における断面図であり、図２（ｂ）は燃料電池スタックの構成の一部を模式的に示す断面図である。 図３（ａ）は第１実施形態（ｎ＝２）に係る第１予備成形工程を実施するための金型の間に金属板を配置した状態を示す断面図であり、図３（ｂ）は第１予備成形工程を実施している様子を示す断面図である。 図４（ａ）は第１実施形態に係る第２予備成形工程を実施するための金型の間に第１予備成形工程後の金属板を配置した状態を示す断面図であり、図４（ｂ）は本成形工程を実施するための金型の間に第２予備成形工程後の金属板を配置した状態を示す断面図であり、図４（ｃ）は本成形工程によって成形された金属セパレータを示す断面図である。 図５（ａ）は第１実施形態に係る第１予備成形工程後の金属板を示す断面図であり、図５（ｂ）は第２予備成形工程後の金属板の断面図であって第１予備成形工程で形成された凸部及び凹部の位置を示す断面図であり、図５（ｃ）は第１予備成形工程で形成された凸部及び凹部と本成形工程で形成された角部との金属板における位置関係を示す断面図である。 図６は第１実施形態に係る第２予備成形金型内における金属板の配置の他の例を示す模式図である。 図７（ａ）は第２実施形態（ｎ＝３）に係る第１予備成形工程を実施するための金型の間に金属板を配置した状態を示す断面図であり、図７（ｂ）は第１予備成形工程を実施している様子を示す断面図である。 図８（ａ）は第２実施形態に係る第２予備成形工程を実施するための金型の間に第１予備成形工程後の金属板を配置した状態を示す断面図であり、図８（ｂ）は本成形工程を実施するための金型の間に第２予備成形工程後の金属板を配置した状態を示す断面図であり、図８（ｃ）は本成形工程によって成形された金属セパレータを示す断面図である。 図９（ａ）は第２実施形態に係る第１予備成形工程後の金属板を示す断面図であり、図９（ｂ）は第２予備成形工程後の金属板の断面図であって第１予備成形工程で形成された凸部及び凹部の位置を示す断面図であり、図９（ｃ）は第１予備成形工程において形成された凸部及び凹部と本成形工程において形成された角部との金属板における位置関係を示す断面図である。 図１０は第２実施形態に係る第２予備成形金型内における金属板の配置の他の例を示す模式図である。 図１１は第１予備成形工程後の金属板の他の例を示す断面図である。 図１２（ａ）は予備成形を実施するための金型の間に金属板を配置した状態を示す断面図であり、図１２（ｂ）は本成形を実施するための金型の間に予備成形後の金属板を配置した状態を示す断面図であり、図１２（ｃ）は本成形によって成形された金属セパレータを示す断面図である。

図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

＜燃料電池用の金属セパレータ＞
図１は燃料電池用の金属セパレータの一例を模式的に示す斜視図である。金属セパレータ１０は、厚さ０．０５〜０．３ｍｍ程度（好ましくは０．１〜０．２ｍｍ程度）の金属板をプレス加工することによって得られたものである。プレス加工の種類としては、張り出し加工が挙げられる。なお、金属セパレータの形状によっては絞り加工を採用してもよい。金属板の種類としては、軟鋼材（例えば、冷間圧延材、熱間圧延材）、高張力鋼板及びこれらの板材の表面に貴金属層をコーティングしたものなどが挙げられる。

図１に示すとおり、金属セパレータ１０は矩形の板状部材であり、外周に沿って形成されたフレーム部１１と、フレーム部１１によって囲われた溝形成領域１２とを有する。金属セパレータ１０が車載用燃料電池のセパレータである場合、金属セパレータ１０の一辺の長さは例えば１００〜７００ｍｍ（好ましくは２００〜３００ｍｍ）である。なお、図１には便宜上、５つの凸部１２ａを有する溝形成領域１２を図示したが、実際の金属セパレータは極めて微細な凸部及び凹部によって形成される多数の溝を有する。

図２（ａ）は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線における断面図である。金属セパレータ１０は、金属板１からなり、平坦な頂部１０ａを有する凸部１２ａと平坦な底部１０ｂを有する凹部１２ｂの繰り返しパターンを有する。これらの凸部１２ａ及び凹部１２ｂによって複数の溝が構成される。繰り返しパターンのピッチＰは、金属板１の厚さなどによるが、例えば１．５〜５ｍｍであり、０．５〜１．０ｍｍであってもよい。平坦な頂部１０ａの両端部及び平坦な底部１０ｂの両端部はそれぞれ角部１０ｃによって構成されている。金属セパレータ１０の凸部１２ａ及び凹部１２ｂの高さＨ（図２（ａ）参照）は、例えば０．３〜１．２ｍｍ（好ましくは０．５〜１．０ｍｍ）である。

角部１０ｃの曲率半径は、好ましくは０．０３〜０．３ｍｍであり、より好ましくは０．１〜０．２ｍｍである。角部１０ｃの曲率半径が０．０３ｍｍ未満であると角部１０ｃにおいて金属板１が破断しやすい。他方、角部１０ｃの曲率半径が０．３ｍｍを超えると頂部１０ａ及び底部１０ｂの幅が狭くなる傾向にあり、これにより、金属セパレータ１０の電気的導通が不十分となりやすく、また、ガス（燃料ガス及び空気）用流路の流路断面積が小さくなり圧力損失が増大しやすい。

図２（ｂ）は、燃料電池スタックの構成の一部を模式的に示す断面図である。この図に示すとおり、隣り合う二枚の金属セパレータ１０，１０の間に、燃料極８ａ、電解質層８ｂ及び空気極８ｃの積層体からなるセル８が配置されている。金属セパレータ１０とセル８との組み合わせを多数積層することで、燃料電池スタックが構成される。本実施形態においては、凸部１２ａと燃料極８ａの表面とによって燃料ガス用流路１０Ａが形成され、他方、凹部１２ｂと空気極８ｃの表面とによって空気用流路１０Ｃが形成されている。凸部１２ａの頂部１０ａから燃料極８ａに向かうにしたがって燃料ガス用流路１０Ａの幅が広がるように側面１０ｄが形成されている。換言すれば、凹部１２ｂの底部１０ｂから空気極８ｃに向かうにしたがって空気用流路１０Ｃの幅が広がるように側面１０ｄが形成されている。

＜金属セパレータの製造方法＞
（第１実施形態）
次に、金属セパレータ１０の製造方法（金属板１の成形方法）について説明する。本実施形態に係る製造方法は、第１予備成形工程と、第２予備成形工程と、本成形工程とをこの順序で含む。

第１予備成形工程は、原材料である金属板１をプレス加工することによって、丸みを帯びた頂部１ａを有する凸部２ａと丸みを帯びた底部１ｂを有する凹部２ｂの繰り返しパターンを金属板１に形成する工程である。図３（ａ）は上型２０と下型３０との間に原材料である金属板１を配置した状態を示す断面図であり、図３（ｂ）は上型２０及び下型３０（第１予備成形金型）によって金属板１をプレス加工している様子を示す断面図である。上型２０及び下型３０は、金属板１に形成すべき凸部２ａと凹部２ｂとの繰り返しパターンに応じた形状（凸部２０ａ、凹部２０ｂ、凸部３０ａ、凹部３０ｂ）を有する。

図４に示すように、本実施形態においては第１予備成形工程で形成される繰り返しパターンのピッチＰ１は、金属セパレータ１０のピッチＰの１／２（二分の一）である（ｎ＝２）。また、本成形工程で形成される繰り返しパターンのピッチＰの間に、第１予備成形工程によって、２つの凹部２ｂが形成される（ｍ＝２）。なお、ピッチＰの境界線（図４において紙面の上下方向に互いに平行して延びる２本の一点鎖線参照）と交差する凸部又は凹部は、ピッチＰの間の凸部又は凹部としてカウントしないものとする。すなわち、図４に示す２本の一点鎖線と交差する２つの凸部２ａはピッチＰの間の凸部２ａとしてカウントせず、図４のピッチＰの間の凸部２ａの数は１つである。

第１予備成形工程で金属板１に形成される凸部２ａ及び凹部２ｂの高さＨ１と、本成形工程で金属板１に形成される凸部２ａ及び凹部２ｂの高さＨは、以下の条件式（１ａ）を満たすことが好ましく、以下の条件式（１ｂ）を満たすことがより好ましい。
０．３≦Ｈ１／Ｈ≦０．７５…（１ａ）
０．４≦Ｈ１／Ｈ≦０．６…（１ｂ）

本実施形態において、Ｈ１／Ｈの値が０．３以上であれば第１予備成形工程において金属板１が十分に延伸されており、第２予備成形工程及び本成形工程において金属板１を延伸すべき量を十分に少なくでき、これにより、第２予備成形工程又は本成形工程における金属板１の破断をより一層確実に抑制できる。他方、高さの比Ｈ１／Ｈが０．７５以下であれば第１予備成形工程において金属板１に破断が生じることを十分に抑制できる。

第２予備成形工程は、第１予備成形工程後の金属板１をプレス加工することによって、丸みを帯びた頂部３ａを有する凸部４ａと丸みを帯びた底部３ｂを有する凹部４ｂの繰り返しパターンを金属板１に形成する工程である。図４（ａ）は上型４０と下型５０との間に第１予備成形工程後の金属板１を配置した状態を示す断面図である。上型４０及び下型５０（第２予備成形金型）は、金属板１に形成すべき凸部４ａと凹部４ｂとの繰り返しパターンに応じた形状（凸部４０ａ、凹部４０ｂ、凸部５０ａ、凹部５０ｂ）を有する。

第２予備成形工程において形成される繰り返しパターンのピッチ（図４（ａ）に示すピッチＰ２）は、金属セパレータ１０のピッチＰと同一である。この工程で金属板１に形成される凸部４ａ及び凹部４ｂの高さＨ２と、本成形工程で金属板１に形成される凸部１２ａ及び凹部１２ｂの高さＨは、以下の条件式（２ａ）を満たすことが好ましく、以下の条件式（２ｂ）を満たすことがより好ましい。
０．８≦Ｈ２／Ｈ≦１．２…（２ａ）
０．９≦Ｈ２／Ｈ≦１．１…（２ｂ）

Ｈ２／Ｈの値が０．８以上であれば第２予備成形工程において金属板１が十分に延伸されており、本成形工程において金属板１を延伸すべき量を十分に少なくでき、これにより、本成形工程における金属板１の破断をより一層確実に抑制できる。他方、高さの比Ｈ２／Ｈが１．２以下であれば第２予備成形工程において金属板１に破断が生じることを十分に抑制できる。

本成形工程は、第２予備工程後の金属板１を更にプレス加工することによって、平坦な頂部１０ａを有する凸部１２ａと平坦な底部１０ｂを有する凹部１２ｂの繰り返しパターンを金属板１に形成する工程である。図４（ｂ）は上型６０と下型７０との間に第２予備工程後の金属板１を配置した状態を示す断面図である。上型６０及び下型７０（本成形金型）は、金属板１に形成すべき凸部１２ａと凹部１２ｂとの繰り返しパターンに応じた形状（凸部６０ａ、凹部６０ｂ、凸部７０ａ、凹部７０ｂ）を有する。

本成形工程を実施することで、図４（ｃ）に示す金属セパレータ１０が得られる。本成形工程を実施するにあたっては、下型７０の凸部７０ａの位置と金属板１の凸部４ａの位置とが一致し、上型６０の凸部６０ａの位置と金属板１の凹部４ｂの位置とが一致するように、上型６０と下型７０との間に第２予備工程後の金属板１を配置する（図４（ｂ）参照）。金属板１をこのように配置することにより、プレス加工時に金型内において金属板１の位置がずれることを十分に抑制できるとともに金属板１に破断が生じることを十分に抑制できる。本成形工程後、必要に応じて実施される仕上工程などを経て金属セパレータ１０が製造される。

本実施形態に係る方法によれば、金属セパレータ１０を製造する過程において金属板１に破断が生じることを以下の複数の理由によって十分に抑制できる。図５を参照しながら、これらの理由について説明する。

図５（ａ）は第１予備成形工程後の金属板１を示す断面図である。頂部１ａ及び底部１ｂは、金属板１の他の部分と比較し、第１予備成形工程におけるプレス加工によって延ばされた箇所（実線の丸で囲った箇所）である。しかし、第１予備成形工程によって金属板１に形成される底部１ｂから頂部１ａまでの高さＨ１は金属セパレータ１０の高さＨと比較して十分に低いため、第１予備成形工程において、頂部１ａ又は底部１ｂに破断が生じることを十分に抑制できる（第１の理由）。

図５（ｂ）は第２予備成形工程後の金属板１の断面図であって第１予備成形工程で形成された頂部１ａ及び底部１ｂの位置（実線の丸で囲った箇所）を示す断面図であり、図５（ｃ）は第１予備成形工程で形成された頂部１ａ及び底部１ｂ（実線の丸で囲った箇所）と本成形工程で形成された角部１０ｃ（破線の丸で囲った箇所）との金属板１における位置関係を示す断面図である。図５（ｃ）に示すとおり、第１予備成形工程で形成された頂部１ａと底部１ｂとの間に、本成形工程において複数の角部１０ｃが形成される。このため、本成形工程において頂部１ａ又は底部１ｂが再び延ばされることを十分に抑制でき、これにより、本成形工程において、角部１０ｃ又はその近傍に破断が生じることを十分に抑制できる（第２の理由）。

なお、本実施形態においては、図４（ａ）に示すように、下型５０の凸部５０ａの頂部の位置と金属板１の頂部１ａの位置とが一致し、上型４０の凸部４０ａの頂部の位置と金属板１の底部１ｂの位置とが一致するように、上型４０と下型５０との間に第１予備成形工程後の金属板１が配置されている。金属板１をこのように配置することにより、プレス加工時に金型内において金属板１の位置がずれることを十分に抑制できる。金属板１の位置のずれをパイロット孔（不図示）などによって十分に抑制できるのであれば、図６に示すように、下型５０の凸部５０ａの頂部の位置と金属板１の底部１ｂの位置とが一致し、上型４０の凸部４０ａの頂部の位置と金属板１の底部１ｂの位置とが一致するように、上型４０と下型５０との間に第１予備成形工程後の金属板１を配置してもよい。

（第２実施形態）
上記第１実施形態においてはピッチＰとピッチＰ１の比（Ｐ／Ｐ１）が１／２（二分の一）である場合を例示したが、本実施形態においてはピッチＰとピッチＰ１の比（Ｐ／Ｐ１）が１／３（三分の一）である場合について説明する。

図７（ａ）は上型２０と下型３０（第１予備成形金型）の間に原材料である金属板１を配置した状態を示す断面図であり、図７（ｂ）は上型２０及び下型３０（第１予備成形金型）によって金属板１をプレス加工している様子を示す断面図である。図８に示すように、本実施形態においては第１予備成形工程で形成される繰り返しパターンのピッチＰ１は、金属セパレータ１０ＢのピッチＰの１／３（三分の一）である（ｎ＝３）。また、本成形工程で形成される繰り返しパターンのピッチＰの間に、第１予備成形工程によって、３つの凹部２ｂが形成される（ｍ＝３）。なお、図８に示す２本の一点鎖線と交差する２つの凸部２ａはピッチＰの間の凸部２ａとしてカウントせず、図８のピッチＰの間の凸部２ａの数は２つである。

第１予備成形工程で金属板１に形成される凸部２ａ及び凹部２ｂの高さＨ１と、本成形工程で金属板１に形成される凸部２ａ及び凹部２ｂの高さＨは、以下の条件式（１ｃ）を満たすことが好ましく、以下の条件式（１ｄ）を満たすことがより好ましい。
０．２≦Ｈ１／Ｈ≦０．５…（１ｃ）
０．２５≦Ｈ１／Ｈ≦０．４…（１ｄ）

本実施形態において、Ｈ１／Ｈの値が０．２以上であれば第１予備成形工程において金属板１が十分に延伸されており、第２予備成形工程及び本成形工程において金属板１を延伸すべき量を十分に少なくでき、これにより、第２予備成形工程又は本成形工程における金属板１の破断をより一層確実に抑制できる。他方、高さの比Ｈ１／Ｈが０．５以下であれば第１予備成形工程において金属板１に破断が生じることを十分に抑制できる。

図８（ａ）は上型４０と下型５０（第２予備成形金型）の間に第１予備成形工程後の金属板１を配置した状態を示す断面図である。第２予備成形工程において形成される繰り返しパターンのピッチ（図８（ａ）に示すピッチＰ２）は、金属セパレータ１０のピッチＰと同一である。この工程で金属板１に形成される凸部４ａ及び凹部４ｂの高さＨ２と、本成形工程で金属板１に形成される凸部１２ａ及び凹部１２ｂの高さＨは、以下の条件式（２ａ）を満たすことが好ましく、以下の条件式（２ｂ）を満たすことがより好ましい。
０．８≦Ｈ２／Ｈ≦１．２…（２ａ）
０．９≦Ｈ２／Ｈ≦１．１…（２ｂ）

Ｈ２／Ｈの値が０．８以上であれば第２予備成形工程において金属板１が十分に延伸されており、本成形工程において金属板１を延伸すべき量を十分に少なくでき、これにより、本成形工程における金属板１の破断をより一層確実に抑制できる。他方、高さの比Ｈ２／Ｈが１．２以下であれば第２予備成形工程において金属板１に破断が生じることを十分に抑制できる。

図８（ｂ）は上型６０と下型７０（本成形金型）の間に第２予備工程後の金属板１を配置した状態を示す断面図である。本成形工程後、必要に応じて実施される仕上工程などを経て金属セパレータ１０Ｂが製造される。

本実施形態に係る方法によれば、金属セパレータ１０Ｂを製造する過程において金属板１に破断が生じることを以下の複数の理由によって十分に抑制できる。図９を参照しながら、これらの理由について説明する。

図９（ａ）は第１予備成形工程後の金属板１を示す断面図である。頂部１ａ及び底部１ｂは、金属板１の他の部分と比較し、第１予備成形工程におけるプレス加工によって延ばされた箇所（実線の丸で囲った箇所）である。しかし、第１予備成形工程によって金属板１に形成される底部１ｂから頂部１ａまでの高さＨ１は金属セパレータ１０Ｂの高さＨと比較して十分に低いため、第１予備成形工程において、頂部１ａ又は底部１ｂに破断が生じることを十分に抑制できる（第１の理由）。

図９（ｂ）は第２予備成形工程後の金属板１の断面図であって第１予備成形工程で形成された頂部１ａ及び底部１ｂの位置（実線の丸で囲った箇所）を示す断面図であり、図５（ｃ）は第１予備成形工程で形成された頂部１ａ及び底部１ｂ（実線の丸で囲った箇所）と本成形工程で形成された角部１ｃ（破線の丸で囲った箇所）との金属板１における位置関係を示す断面図である。図９（ｃ）に示すとおり、第１予備成形工程で形成された頂部１ａと底部１ｂとの間に、本成形工程において複数の角部１ｃが形成される。このため、本成形工程において頂部１ａ又は底部１ｂが再び延ばされることを十分に抑制でき、これにより、本成形工程において、角部１ｃ又はその近傍に破断が生じることを十分に抑制できる（第２の理由）。

金属セパレータ１０Ｂは、上記第１実施形態に係る金属セパレータ１０と比較し、平坦な頂部１０ａ（及び平坦な底部１０ｂ）と側面１０ｄとのなす角が直角に近い。製造すべき金属セパレータの形状に応じて、第１予備成形工程のピッチＰ１及び高さＨ１を設定すればよい。すなわち、本成形工程において形成される角部１ｃの位置と、第１予備成形工程によって形成される頂部１ａ及び底部１ｂの位置とが一致しないように、第１予備成形工程のピッチＰ１及び高さＨ１を設定すればよい。

なお、本実施形態においては、図８（ａ）に示すように、下型５０の凸部５０ａの頂部の位置と金属板１の頂部１ａの位置とが一致し、上型４０の凸部４０ａの頂部の位置と金属板１の底部１ｂの位置とが一致するように、上型４０と下型５０との間に第１予備成形工程後の金属板１が配置されている。金属板１をこのように配置することにより、プレス加工時に金型内において金属板１の位置がずれることを十分に抑制できる。金属板１の位置のずれをパイロット孔（不図示）などによって十分に抑制できるのであれば、図１０に示すように、下型５０の凸部５０ａの頂部の位置と金属板１の底部１ｂの位置とが一致し、上型４０の凸部４０ａの頂部の位置と金属板１の頂部１ａの位置とが一致するように、上型４０と下型５０との間に第１予備成形工程後の金属板１を配置してもよい。

＜金属セパレータの製造装置＞
次に、金属セパレータを製造するための装置（金属板１の成形装置）について説明する。本実施形態に係る製造装置は、第１予備成形工程と、第２予備成形工程と、本成形工程とをそれぞれ実施するための複数の金型を備える。すなわち、本実施形態に係る製造装置は、丸みを帯びた頂部１ａを有する凸部２ａと丸みを帯びた底部１ｂを有する凹部２ｂの繰り返しパターンを金属板１に形成する第１予備成形金型（上型２０及び下型３０）と、第１予備成形工程後の金属板１をプレス加工することによって、丸みを帯びた頂部３ａを有する凸部４ａと丸みを帯びた底部３ｂを有する凹部４ｂの繰り返しパターンを金属板１に形成する第２予備成形金型（上型４０及び下型５０）と、第２予備工程後の金属板１を更にプレス加工することによって、平坦な頂部１０ａを有する凸部１２ａと平坦な底部１０ｂを有する凹部１２ｂの繰り返しパターンを金属板１に形成する本成形金型（上型６０及び下型７０）とを備える。

上述のとおり、上型２０及び下型３０は、金属板１に形成すべき凸部２ａと凹部２ｂとの繰り返しパターンに応じた形状（凸部２０ａ、凹部２０ｂ、凸部３０ａ、凹部３０ｂ）を有する。上型４０及び下型５０は、金属板１に形成すべき凸部４ａと凹部４ｂとの繰り返しパターンに応じた形状（凸部４０ａ、凹部４０ｂ、凸部５０ａ、凹部５０ｂ）を有する。上型６０及び下型７０は、金属板１に形成すべき凸部１２ａと凹部１２ｂとの繰り返しパターンに応じた形状（凸部６０ａ、凹部６０ｂ、凸部７０ａ、凹部７０ｂ）を有する。上記実施形態においては、第１予備成形金型によって形成される繰り返しパターンのピッチＰ１は、本成形金型によって形成される繰り返しパターンのピッチＰの１／２又は１／３であり、第２予備成形金型によって形成される繰り返しパターンのピッチＰ２は、本成形金型によって形成される繰り返しパターンのピッチＰと同一である。図５及び図９に示したとおり、本成形金型は、第１予備成形金型によって形成される頂部１ａと底部１ｂとの間に角部１０ｃが形成されるように構成されている。

上記構成の製造装置によれば、第１及び第２予備成形金型によって第１及び第２予備成形工程をそれぞれ実施でき、その後の本成形金型によって本成形工程を実施できる。これにより、金属板１から金属セパレータ１０，１０Ｂを製造する過程において金属板１に破断が生じることを十分に抑制できる。

以上、本開示の一実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、第１予備成形工程によって形成される複数対の凸部１２ａ及び凹部１２ｂの高さＨ１が全て等しい場合を例示したが、図１１に示すように、第１予備成形工程において、高さが互いに異なる凸部１２ａ，１２ｃの組合せによって構成させる繰り返しパターンを形成してもよい。図１１に示す高さＨ１ｃ及び高さＨ１ａの比Ｈ１ｃ／Ｈ１ａは以下の条件式（３）を満たすことが好ましい。
１．１≦Ｈ１ｃ／Ｈ１ａ≦１．４…（３）

高さが互いに異なる凸部及び／又は凹部の組み合わせることで、第１予備成形工程によって金属板１が延ばされる位置をある程度調整することができる。あるいは、特に図示しないが、第１予備成形工程において、幅が互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成させる繰り返しパターンを形成してもよい。これらにより、形成可能な金属セパレータの形状にバリエーションを持たせることができる。

上記実施形態においては、二段階の予備成形（第１及び第２予備成形工程）の後に本成形を実施する場合を例示したが、金属板１の加工性又は金属セパレータの形状によっては一段階の予備成形又は三段階以上の予備成形の後に本成形を実施してもよい。

上記実施形態においては、燃料電池用の金属セパレータを製造する場合を例示したが、これ以外の用途に使用される凹凸溝付き金属板の製造に本発明を適用してもよい。

１…金属板、１ａ…頂部、１ｂ…底部、１ｃ…角部、２ａ…凸部、２ｂ…凹部、３ａ…頂部、３ｂ…底部、４ａ…凸部、４ｂ…凹部、１０，１０Ｂ…金属セパレータ、１０ａ…頂部、１０ｂ…底部、１０ｃ…角部、１０ｄ…側面、１２ａ，１２ｃ…凸部、１２ｂ…凹部、２０…上型（第１予備成形金型）、３０…下型（第１予備成形金型）、４０…上型（第２予備成形金型）、５０…下型（第２予備成形金型）、６０…上型（本成形金型）、７０…下型（本成形金型）、Ｐ…ピッチ、Ｐ１…ピッチ、Ｐ２…ピッチ

Claims (12)

1. 金属板をプレス加工することによって、丸みを帯びた頂部を有する凸部と丸みを帯びた底部を有する凹部の繰り返しパターンを前記金属板に形成する第１予備成形工程と、
   前記第１予備成形工程後、前記金属板を更にプレス加工することによって、平坦な頂部を有する凸部と平坦な底部を有する凹部の繰り返しパターンを前記金属板に形成する本成形工程と、
   を含み、
   前記本成形工程において形成される前記繰り返しパターンのピッチＰの間に、丸みを帯びた前記頂部又は丸みを帯びた前記底部が複数形成されるように、前記第１予備成形工程を実施し、
   前記第１予備成形工程後の前記金属板において丸みを帯びた前記頂部及び前記底部であった箇所の間に、前記本成形工程において平坦な前記頂部及び前記底部のそれぞれの両端部を構成する角部を形成する、金属板の成形方法。
2. 前記第１予備成形工程において形成される前記繰り返しパターンのピッチＰ１は、前記本成形工程において形成される前記繰り返しパターンのピッチＰの１／ｎ（ｎは２以上の整数）である、請求項１に記載の成形方法。
3. 前記第１予備成形工程後であり且つ前記本成形工程前に、前記金属板を更にプレス加工することによって、丸みを帯びた頂部を有する凸部と丸みを帯びた底部を有する凹部の繰り返しパターンを前記金属板に形成する第２予備成形工程を更に含み、
   前記第２予備成形工程において形成される前記繰り返しパターンのピッチＰ２は、前記本成形工程において形成される前記繰り返しパターンのピッチＰと同一である、請求項１又は２に記載の成形方法。
4. 前記第１予備成形工程において形成される前記凸部及び前記凹部の高さＨ１と、前記本成形工程において形成される前記凸部及び前記凹部の高さＨは、以下の条件式（１）を満たす、請求項１〜３のいずれか一項に記載の成形方法。
   ０．６／ｍ≦Ｈ１／Ｈ≦１．５／ｍ…（１）
   ［式中、ｍは２以上の整数であって、前記本成形工程によって形成される前記ピッチＰの間に、前記第１予備成形工程によって形成される前記凸部及び前記凹部の数のうち、数の大きい方を示す。］
5. 前記第１予備成形工程において形成される前記繰り返しパターンは、高さが互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の成形方法。
6. 前記第１予備成形工程において形成される前記繰り返しパターンは、幅が互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の成形方法。
7. 丸みを帯びた頂部を有する凸部と丸みを帯びた底部を有する凹部の繰り返しパターンを金属板に形成する第１予備成形金型と、
   前記第１予備成形金型によるプレス加工後の前記金属板に、平坦な頂部を有する凸部と平坦な底部を有する凹部の繰り返しパターンを形成する本成形金型と、
   を備え、
   前記第１予備成形金型は、前記本成形金型によって形成される前記繰り返しパターンのピッチＰの間に、丸みを帯びた前記頂部又は丸みを帯びた前記底部が複数形成されるように構成され、
   前記本成形金型は、前記第１予備成形金型によって形成される丸みを帯びた前記頂部及び前記底部であった箇所の間に、平坦な前記頂部及び前記底部のそれぞれの両端部を構成する角部を形成するように構成されている、金属板の成形装置。
8. 前記第１予備成形金型によって形成される前記繰り返しパターンのピッチＰ１は、前記本成形金型によって形成される前記繰り返しパターンのピッチＰの１／ｎ（ｎは２以上の整数）である、請求項７に記載の成形装置。
9. 前記第１予備成形金型によるプレス加工後であり且つ前記本成形金型によるプレス加工前に、丸みを帯びた頂部を有する凸部と丸みを帯びた底部を有する凹部の繰り返しパターンを前記金属板に形成する第２予備成形金型を更に備え、
   前記第２予備成形金型によって形成される前記繰り返しパターンのピッチＰ２は、前記本成形金型によって形成される前記繰り返しパターンのピッチＰと同一である、請求項７又は８に記載の成形装置。
10. 前記第１予備成形金型によって形成される前記凸部及び前記凹部の高さＨ１と、前記本成形金型によって形成される前記凸部及び前記凹部の高さＨは、以下の条件式（１）を満たす、請求項７〜９のいずれか一項に記載の成形装置。
    ０．６／ｍ≦Ｈ１／Ｈ≦１．８／ｍ…（１）
    ［式中、ｍは２以上の整数であって、前記本成形金型によって形成される前記ピッチＰの間に、前記第１予備成形金型によって形成される前記凸部及び前記凹部の数のうち、数の大きい方を示す。］
11. 前記第１予備成形金型によって形成される前記繰り返しパターンは、高さが互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成されている、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の成形装置。
12. 前記第１予備成形金型によって形成される前記繰り返しパターンは、幅が互いに異なる凸部及び／又は凹部の組合せによって構成されている、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の成形装置。

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