WO2014175390A1

WO2014175390A1 - プレス加工方法及び成形装置

Info

Publication number: WO2014175390A1
Application number: PCT/JP2014/061592
Authority: WO
Inventors: 平田　和之; 晴嵩小田
Original assignee: トヨタ紡織株式会社
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2014-10-30
Also published as: JP2014213344A

Abstract

　金属板材よりなるワーク（１１）の加工予定部の周縁を保持した状態で、パンチ（１５）の成形凸部（１５１）をダイ（１３）の成形凹部（１３１）に向けて移動させる。こうして、ワーク（１１）をプレス加工し、ワーク（１１）に凸部（１２）を形成する。パンチ（１５）の下死点位置では、凸部（１２）の傾斜した側壁部（１２２）が圧潰される。この場合、側壁部（１２２）のワーク材料がワーク（１１）の他の部分に移動する。

Description

プレス加工方法及び成形装置

　この発明は、金属板材よりなるワークをプレス加工して凸部を成形する方法及び成形装置に関する。

　従来、燃料電池用セパレータを製造するため、金属板材よりなるワークをプレス加工して突状部を形成する場合、プレス加工品に反りが発生する虞がある。このような反りを抑制するため、特許文献１～特許文献３に開示の技術が提案されている。

　特許文献１は、金属プレス品を絞り成形するためのプレス加工方法を開示する。この方法によれば、パンチとダイとを用いて、ハット頭部と、ハット頭部から直角に折り曲げられた縦壁部と、縦壁部から外側に直角に折り曲げられたフランジ部とを有する金属プレス品が形成される。この方法では、パンチをダイに押し込み縦壁部を成形する際、フランジ部の長手方向に延びるビード（突条）がフランジ部に形成される。ビードを形成した部分は、フランジ部から縦壁部への材料の流れ込みを拘束する。ビードを形成しない部分は、材料の流れ込みを促進する。これにより、金属プレス品の縦壁部に発生する反りが抑制される。

　特許文献２は、平面部の周縁をほぼ直角に折り曲げてフランジ部を形成すると共に、平面部上に絞りビードを形成するプレス加工方法を開示する。この方法によれば、フランジ部の端縁の線長を縮めるため、複数の三角ビードがフランジ部の端縁に形成されている。これにより、平面部に発生する反りが矯正される。

　特許文献３は、金属プレートのプレス加工により形成したガス流路用の凹凸を備える金属セパレータを開示する。この金属セパレータでは、プレス加工による伸び量がセパレータの表と裏とで異なる。このため、セパレータの表裏で残留応力が異なり、セパレータに反りやうねりが生じ易い。この反りやうねりを抑制するため、多数の圧痕が、セパレータの塑性加工を受けた凹凸付近に形成されている。

　これらの従来技術には、次のような問題があった。
　特許文献１に記載のプレス加工方法では、フランジ部にビードが存在する部分と存在しない部分とが形成される。このため、成形時に、フランジ部から縦壁部への材料の流れ込みがアンバランスになる。これにより、縦壁部やフランジ部に生じる応力がアンバランスになり、縦壁部にうねりが発生し易い。また、フランジ部にビードを形成する必要があるため、フランジ部の形状や大きさが制約され、設計の自由度が低下する。

　また、特許文献２に記載のプレス加工方法では、平面部周縁のフランジ部に、複数の三角ビードを形成する必要がある。つまり、三角ビードの位置が平面部周縁に限定されるため、設計の自由度が低下する。

　更に、特許文献３に記載のプレス加工品では、精密な圧痕の形成が困難である。また、圧痕による凹凸に起因して圧痕周辺部の平面度が低下する。また、圧痕が亀裂の起点となり、疲労破損の可能性が高くなる。

特開２００６－２８１３１２号公報特開平１１－２７７１５５号公報特開２０００－１３８０６５号公報

　この発明の目的は、設計の自由度や強度を確保でき、金属板材よりなるワークをプレス加工して凹部を形成する際に凸部の側壁部の厚さを他の部分の厚さと同等にすることができ、反りの発生も抑制されるプレス加工方法を提供することにある。

　上記課題を解決するため、本発明の第一の態様によれば、金属板材よりなるワークをプレス加工して膨出部を成形するプレス加工方法が提供される。この方法は、第１型と第２型とを接近させて、第１型の成形凹部と第２型の成形凸部との間で、ワークを張出し加工して膨出部をワークに形成する工程と、平行に配置される第１型の壁面と第２型の壁面との間で、膨出部の傾斜した側壁部を圧潰する工程とを備える。

　上記課題を解決するため、本発明の第二の態様によれば、成形凹部を有する第１型と、成形凸部を有する第２型とを備え、第１型と第２型とを接近させて、第１型の成形凸部と第２型の成形凹部との間で、ワークを張出し加工して膨出部をワークに形成すると共に、平行に配置される第１型の壁面と第２型の壁面との間で、膨出部の傾斜した側壁部を圧潰するようにした成形装置が提供される。

　このプレス加工方法では、第２型の成形凸部と第１型の成形凹部とを接近させることで、ワークがプレス成形されて、膨出部が形成される。また、このとき、膨出部の傾斜した側壁部が、成形凸部と成形凹部との間で圧潰される。この場合、まず、張出し加工時に、ワーク材料が、膨出部の底壁部及び周縁部から側壁部に流れ込む。その結果、側壁部の厚さが、他の部分の厚さよりも大きくなる。続いて、側壁部の圧潰によって、ワーク厚さのアンバランスが矯正される。よって、ワーク厚さのアンバランスによるプレス加工品の反りが抑制される。また、圧痕等が不要であるため、設計の自由度が向上し、プレス加工品の強度も向上する。

本発明の一実施形態に係るプレス加工方法により加工した加工品を示す平面図。図１の２－２線に沿った部分断面図。（ａ）～（ｃ）はプレス加工方法を順に示す部分断面図。変形例のプレス加工方法により加工した別の加工品を示す部分断面図。（ａ）及び（ｂ）は変形例のプレス加工方法を順に示す部分断面図。

　以下、本発明のプレス加工方法及び成形装置を燃料電池用のセパレータの製造に適用した一実施形態について、図１～図３（ｃ）に従って説明する。
　図１及び図２に示すように、金属板材よりなるワーク１１の周縁には、シール部としての溝状の凸部１２が形成されている。凸部１２は、ワーク１１をプレス加工して形成される。金属板材の材料として、チタン、チタン合金、ステンレススチール等が挙げられる。

　成形後のワーク１１は、全体的に均一な厚さを有している。ワーク１１の厚さαは、０．０８ｍｍである。膨出部としての凸部１２は、ワーク１１の周縁に形成されている。凸部１２は、底壁部１２１と、底壁部１２１に連なる傾斜した側壁部１２２とを備えている。凸部１２の断面は、ほぼ逆台形状である。側壁部１２２は、底壁部１２１に対して１５～２０度の傾斜角度θを有している。

　図３（ａ）～図３（ｃ）に示すように、プレス加工に用いられる成形装置は、以下のように構成されている。即ち、第１型としてのダイ１３は、環状の溝からなりかつ底面が平面である成形凹部１３１を有している。ダイ１３は、成形凹部１３１の周囲に平面部１３３を有している。成形凹部１３１の周縁には、円弧部１３５が形成されている。成形凹部１３１の底壁の周縁には、円弧部１３４が形成されている。

　第２型としての昇降可能なパンチ１５には、成形凸部１５１及び平面部１５３が形成されている。成形凸部１５１は、成形凹部１３１と対応するように配置されている。成形凸部１５１の先端面は平面である。平面部１５３は、平面部１３３のワークの中央部分、即ち、成形凹部１３１に囲まれた部分と対応するように配置されている。成形凸部１５１の基端には、円弧部１５５が形成されている。円弧部１５５は、成形凹部１３１の円弧部１３５よりも大きい曲率半径を有している。成形凸部１５１の先端面の周縁には、円弧部１５４が形成されている。円弧部１５４は、成形凹部１３１の円弧部１３４よりも小さい曲率半径を有している。成形凹部１３１の側面には、傾斜壁１３６が形成されている。成形凸部１５１の側面には、傾斜壁１５６が形成されている。傾斜壁１３６は、傾斜壁１５６と平行に配置される。傾斜壁１３６，１５６は、成形凹部１３１の底面に対して１５～２０度の傾斜角度θを有している。

　図３（ａ）～図３（ｃ）に示すように、パンチ１５の外周側には、押さえ部材１４が単独で昇降可能に配置されている。押さえ部材１４には、平面部１４３が形成されている。平面部１４３は、ダイ１３の成形凹部１３１よりも外周側の平面部１３３と平行に配置されている。押さえ部材１４は、全体として環状をなしている。押さえ部材１４の内周側には、パンチ１５が配置されている。押さえ部材１４の内周縁には、断面円弧状の円弧部１４５が形成されている。

　次に、厚さαが０．１０ｍｍのワーク１１をプレス加工して凸部１２を形成する方法について、図３（ａ）～図３（ｃ）に従って説明する。
　図３（ａ）に示すように、成形凹部１３１を有するダイ１３上に、ワーク１１が載置される。次に、ワーク１１の凸部１２となる加工予定部の周縁が、押さえ部材１４によりダイ１３に対し押圧される。これにより、加工予定部の周縁が、押さえ部材１４とダイ１３との間に保持される。このとき、ワーク１１の周縁を保持する圧力は、凸部１２の加工時にワーク材料が加工予定部の周縁から凸部１２に流れ込むことのできる程度に小さく抑えられている。この場合、ワーク１１とダイ１３の平面部１３３との間に、隙間を設けてもよい。

　この状態で、図３（ｂ）に示すように、成形凸部１５１を有するパンチ１５が、成形凹部１３１を有するダイ１３に接近する。成形凸部１５１によりワーク１１の加工予定部が成形凹部１３１に押し込まれると、ワーク１１がプレス加工されて、ワーク１１の加工予定部に凸部１２が成形される。この場合、凸部１２の先端である底壁部１２１が伸ばされる。しかも、底壁部１２１の外側の部分が、底壁部１２１の内側の部分よりも伸ばされる。更に、ワーク１１の加工予定部では、成形凸部１５１の円弧部１５４に当接した部分がより大きく伸ばされる。従って、凸部１２には、伸び量の差に起因する応力分布の大きなアンバランスが生じる。このとき、押さえ部材１４は、ワーク材料の移動を阻害しない程度に軽くダイ１３に対し押圧されている。このため、図３（ｂ）の矢印で示すように、凸部１２の底壁部１２１と凸部１２の周縁の平面部１２３とから、ある程度の量のワーク材料が側壁部１２２に流れ込む。この場合、張出し成形によるワーク１１の伸び量は、ワーク１１全長の２０％以内であることが好ましい。

　その後、図３（ｃ）に示すように、パンチ１５が下死点直前位置から下死点位置に達すると、凸部１２の傾斜した側壁部１２２が、成形凸部１５１の傾斜壁１５６と成形凹部１３１の傾斜壁１３６とによって圧潰される。このとき、押さえ部材１４は、材料の移動を阻害しない程度に軽くダイ１３に対し押圧されている。また、成形凸部１５１の先端面と成形凹部１３１の底面とによる狭圧力も、材料の移動を阻害しない程度に小さく抑えられている。この場合、成形凹部１３１の底面とワーク１１との間に、隙間が形成されてもよい。この段階では、凸部１２が、傾斜壁１３６，１５６間に付与される圧力によって成形される。

　このため、図３（ｃ）の矢印で示すように、ワーク材料が、側壁部１２２から底壁部１２１と平面部１２３とにそれぞれ戻される。即ち、図３（ｂ）に示す段階では、側壁部１２２にワーク材料が流れ込むことによって、側壁部１２２が他の部分よりも厚くなる。続いて、図３（ｃ）に示す段階では、図３（ｃ）の矢印で示すようにワーク材料が流れることによって、ワークの厚さは矯正される。例えば、厚さαが０．１０ｍｍのワーク１１から厚さαが０．０８ｍｍのプレス加工品を成形する場合を想定する。図３（ｂ）に示す段階では、凸部１２の側壁部１２２の厚さは、元の厚さよりも薄いが、ワーク材料の流れ込みにより０．０９ｍｍ程度になる。続いて、図３（ｃ）に示す段階では、傾斜壁１３６，１５６により側壁部１２２が圧潰されるため、凸部１２の側壁部１２２の厚さは、他の部分と同等の０．０８ｍｍに矯正される。この場合、押さえ部材１４の内周縁には、円弧部１４５が形成されている。これにより、図３（ｃ）に示すように、押さえ部材１４とダイ１３と押さえ部材１４との間には、隙間１６０が形成されている。このため、押さえ部材１４が下死点位置に配置された状態で、ワーク材料の流れ込みが円滑に行われる。

　セパレータの製造時、加工開始時には、張出し成形によって、凸部１２やその周辺に歪みが生じたり、応力分布がアンバランスになることがある。或いは、ワーク１１の厚さαが不均一になることもある。このような場合、側壁部１２２の圧潰された部分の材料がワークの薄くなった部分に移動するため、ワークの歪みや応力分布のアンバランスを解消することができる。この場合、薄くなった部分や応力分布がアンバランスである部分にワーク材料が移動して、ワーク１１の厚さや応力分布の偏りが是正される。このことから、ワーク１１の厚さが全体的に均一になり、また、ワーク１１の応力分布も均等になる。このため、歪み等のアンバランスによるワーク１１の反りを抑制することができる。また、ワーク１１の歪みの偏在や厚さαの不均一も解消される。このため、スプリングバックや反りの発生を更に抑制することができる。更に、側壁部１２２が圧潰されるため、側壁部１２２の強度が向上し、寸法精度及び形状保持性が向上する。

　従って、この実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
　（１）凸部１２の成形時、凸部１２の底壁部１２１及び平面部１２３から側壁部１２２にワーク材料が流れ込む。その結果、側壁部１２２の厚さが他の部分の厚さよりも大きくなる。この点、本実施形態によれば、パンチ１５の下死点付近及び下死点位置では、凸部１２の傾斜した側壁部１２２が圧潰される。この側壁部１２２の圧潰によって、ワーク厚さのアンバランスが矯正される。よって、ワーク厚さのアンバランスによる反りやスプリングバックが抑制される。また、プレス加工品の強度も向上する。また、従来構成とは異なり、材料の流れ込みを拘束する部分や三角ビード等が不要である。このため、設計の自由度も損なわれない。

　（２）成形凸部１５１が成形凹部１３１に接近すると、ワーク１１がプレス加工されて、凸部１２がワーク１１に形成される。この点、本実施形態によれば、凸部１２の加工時、押さえ部材１４は、ワーク材料の流れが阻害しない程度の圧力によって、ダイ１３と共に、ワーク１１の加工予定部の周縁を保持する。このため、ワーク材料を容易に流すことができ、凸部１２を支障なく成形することができる。

　（３）反りやスプリングバックがなく、高強度で、高精度な金属板材が得られる。このような金属板材を燃料電池のセパレータに用いた場合、セパレータの機能が有効に発揮されるため、高機能の燃料電池を実現することができる。

　この実施形態を、次のように変更してもよい。
　・図４に示すように、ワーク１１に加工される凸部１２を、底壁部１２１から両側壁部１２２にかけて断面円弧状を有するように形成してもよい。この場合、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、成形装置のダイ１３及びパンチ１５には、断面円弧状の成形凹部１３１及び成形凸部１５１が形成される。

　・押さえ部材１４を用いなくてもよい。この場合、前記実施形態とほぼ同様な効果を得ることができる。
　・凸部１２を張出し成形する型と、側壁部１２２を圧潰する型とを別々に用意してもよい。この場合、張出し成形と圧潰とが別々の工程で行なわれる。

　・凸部１２を、ワーク１１の周縁部以外の部分に加工してもよい。

Claims

金属板材よりなるワークをプレス加工して膨出部を成形するプレス加工方法において、
　第１型と第２型とを接近させて、第１型の成形凹部と第２型の成形凸部との間で、ワークを張出し加工して膨出部をワークに形成する工程と、
　平行に配置される第１型の壁面と第２型の壁面との間で、前記膨出部の傾斜した側壁部を圧潰する工程と
　を備えることを特徴とするプレス加工方法。
請求項１記載のプレス加工方法において、
　前記ワークの加工予定部の周縁を保持した状態で、前記張出し加工及び圧潰を行なうことを特徴とするプレス加工方法。
請求項１又は２記載のプレス加工方法において、
　圧潰加工によって、前記ワークの全体を均一な厚さに形成することを特徴とするプレス加工方法。
請求項１～３のうちのいずれか一項に記載のプレス加工方法において、
　前記膨出部を加工する際にワーク材料が膨出部に流れ込むことのできる程度の圧力によって、前記ワークの加工予定部の周縁を保持することを特徴とするプレス加工方法。
請求項１～４のうちのいずれか一項に記載のプレス加工方法において、
　前記ワークはチタンからなることを特徴とするプレス加工方法。
請求項１～５のうちのいずれか一項に記載のプレス加工方法において、
　前記膨出部を、前記ワークの周縁に加工することを特徴とするプレス加工方法。
請求項１～６のうちのいずれか一項に記載のプレス加工方法において、
　前記膨出部は突条であることを特徴とするプレス加工方法。
成形凹部を有する第１型と、成形凸部を有する第２型とを備え、前記第１型と前記第２型とを接近させて、前記第１型の成形凸部と前記第２型の成形凹部との間で、ワークを張出し加工して膨出部をワークに形成すると共に、平行に配置される第１型の壁面と第２型の壁面との間で、前記膨出部の傾斜した側壁部を圧潰することを特徴とする成形装置。
請求項８記載の成形装置において、
　前記ワークの材料の流れを阻害しない圧力によって、前記ワークの加工予定部の周縁を保持することを特徴とする成形装置。