WO2014175391A1 - 金属板材の成形方法及び成形装置 - Google Patents

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a metal plate material forming method and a forming apparatus for forming an overhang portion on a metal plate material using a forming die having a die and a punch.
  • a plurality of bowl-shaped overhangs are formed on the metal plate constituting the fuel cell separator.
  • a channel for flowing a gas such as hydrogen or oxygen or generated water is formed between adjacent overhang portions.
  • Patent Document 1 discloses a separator in which fine indentations are formed on the concavo-convex portions of a plastic-worked metal plate material.
  • the amount of elongation differs between the front and back of the separator due to the formation of the overhang portion. For this reason, the residual stress differs between the front and back of the separator, and the separator is likely to warp and swell.
  • the warp and undulation of the separator are suppressed by the formation of fine indentations.
  • Patent Document 2 discloses a separator in which a plurality of overhang portions are formed in the center of a metal plate material and ribs are formed on the outer peripheral edge portion of the metal plate material.
  • this separator the rigidity of the peripheral portion of the metal plate material is increased by the ribs, so that warpage due to molding of the overhang portion is suppressed.
  • the peripheral portion of the metal plate material is stretched to reduce the elongation of the circumference.
  • elongation also occurs in the vicinity of the center of the metal plate material on which the protruding portion is formed. For this reason, dimensional accuracy falls. Further, since residual stress is generated in the peripheral portion of the metal plate material, warpage is likely to occur.
  • An object of the present invention is to provide a method for forming a metal plate material capable of forming a projecting portion while suppressing warpage and undulation generated in the metal plate material.
  • a forming method for forming a plurality of overhang portions on a metal plate by a plurality of steps using a forming die having a die and a punch is provided.
  • the arrangement pitch of the overhang portion forming recesses and projections in the die and punch used in the subsequent process is narrower than the arrangement pitch of the overhang formation forming recesses and projections in the die and punch used in the previous step.
  • a forming apparatus for forming an overhang portion on a metal plate material using a forming die having a die and a punch.
  • the arrangement pitch of the recessed portion and the convex portion for forming the overhang portion in the die and punch used in the subsequent process is narrower than the arrangement pitch of the concave portion and the convex portion for forming the overhang portion in the die and punch used in the previous step. Is set.
  • the material of the overhang portion may extend along the circumference.
  • the elongation along the peripheral length of the material of the overhang portion can be corrected by reducing the arrangement pitch of the molds. Therefore, the curvature and the wave
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional view taken along line 2-2 in FIG.
  • A) And (b) is a fragmentary sectional view which shows the formation process of a 1st process in order.
  • A) And (b) is a fragmentary sectional view which shows the formation process of a 2nd process in order.
  • A) And (b) is a fragmentary sectional view which shows the formation process of a 3rd process in order.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a punch of a molding die in first to third steps.
  • projection part 22 is formed in both surfaces of the metal plate material 21 used as the separator for fuel cells.
  • the plurality of overhang portions 22 are formed in a bowl shape and at equal intervals.
  • a material excellent in corrosion resistance for example, titanium, a titanium alloy, or stainless steel is used. In this embodiment, titanium is used.
  • the thickness ⁇ 1 of the flat metal plate material 21 before the forming process is uniform as a whole.
  • the thickness ⁇ 1 is in the range of 0.06 to 0.20 mm, and in this embodiment is 0.10 mm.
  • the thickness ⁇ of the metal plate material 21 after forming is uniform as a whole.
  • the thickness ⁇ is in the range of 0.04 to 0.18 mm, and in this embodiment is 0.08 mm.
  • the arrangement pitch ⁇ of the overhang portions 22 is in the range of 0.50 to 2.00 mm, and is 1.30 mm in this embodiment.
  • the height ⁇ between the bottom surface and the top surface of the overhang portion 22 is in the range of 0.40 to 0.80 mm, and in this embodiment is 0.60 mm.
  • each overhang portion 22 includes a top portion 221 and side wall portions 222 inclined on both sides of the top portion 221.
  • the cross section of the overhang portion 22 is substantially trapezoidal.
  • Each overhang portion 22 has an upside down shape with respect to other adjacent overhang portions 22.
  • the top portion 221 is the bottom portion. This bottom portion is also described below as the top portion 221.
  • the top portion 221 includes a flat portion 223 at the center in the width direction and curved portions 224 at both ends in the width direction.
  • the curved portion 224 extends along an arc.
  • the curvature radius ⁇ on the inner surface side of the curved portion 224 is in the range of 0.08 to 0.15 mm, and is 0.10 mm in this embodiment.
  • the angle ⁇ of the side wall portion 222 with respect to the flat portion 223 is in the range of 10 to 30 degrees, and in this embodiment is 15 degrees.
  • the overhanging portion 22 is formed on the metal plate 21 in the first step using the first forming die 23 shown in FIGS. 3 and 9 and the second step using the second forming die 24 shown in FIGS. 5 and 9. 2 steps and a third step which is a subsequent step using the third mold 31 shown in FIGS. 7 and 9.
  • the first mold 23 used in the first step includes a die 25 and a punch 26 that can contact and separate from the die 25.
  • the concave portions 251 and the convex portions 252 are alternately formed on the upper surface of the die 25 at equal intervals.
  • the convex portions 261 and the concave portions 262 are alternately formed on the lower surface of the punch 26 at equal intervals.
  • the convex portion 261 and the concave portion 262 are disposed so as to correspond to the concave portion 251 and the convex portion 252, respectively.
  • the arrangement pitch ⁇ 1 of the concave portion 251 and the convex portion 252, the convex portion 261 and the concave portion 262 is slightly narrower than the arrangement pitch ⁇ of the protruding portion 22.
  • the depths of the concave portions 251 and 262, that is, the height ⁇ 1 of the convex portions 252 and the convex portions 261 is smaller than the value obtained by subtracting the thickness of the metal plate 21 from the height ⁇ of the protruding portion 22 shown in FIG.
  • the tips of the convex portions 252 and 261 are formed in an arc shape in cross section.
  • the cross sections of the recess 251 and the recess 262 are elliptical.
  • the second molding die 24 used in the second step includes a die 28 and a punch 29 that can come into contact with and separate from the die 28.
  • the concave portions 281 and the convex portions 282 are alternately formed on the upper surface of the die 28 at equal intervals.
  • the convex portions 291 and the concave portions 292 are alternately formed on the lower surface of the punch 29 at equal intervals. All of the concave portion 281, the convex portion 282, the convex portion 291, and the concave portion 292 have a trapezoidal cross section.
  • the convex portion 291 and the concave portion 292 are disposed so as to correspond to the concave portion 281 and the convex portion 282, respectively.
  • the shape of the recesses 281 and 292 approximates the shape of the outer surface of the overhang portion 22.
  • the shape of the convex portions 282 and 291 is similar to the shape of the inner surface of the overhang portion 22.
  • the curvature radii ⁇ 3 at both ends of the recesses 281 and 292 are slightly smaller than the curvature radii ⁇ at both ends on the outer surface side of the overhang portion 22.
  • the arrangement pitch ⁇ 2 of the concave portions 281 and 292, that is, the arrangement pitch ⁇ 2 of the convex portions 282 and 291 is slightly narrower than the arrangement pitch ⁇ 1 of the first mold 23 shown in FIG.
  • the third molding die 31 used in the third step includes a die 32 and a punch 33 that can contact and separate from the die 32.
  • the concave portions 321 and the convex portions 322 are alternately formed on the upper surface of the die 32 at equal intervals.
  • the convex portions 331 and the concave portions 332 are alternately formed on the lower surface of the punch 33 at equal intervals. All of the concave portion 321, the convex portion 322, the convex portion 331, and the concave portion 332 have a trapezoidal cross section.
  • the convex portion 331 and the concave portion 332 are arranged so as to correspond to the concave portion 321 and the convex portion 322, respectively.
  • the arrangement pitch ⁇ 3 of the concave portions 321 and 332 and the convex portions 322 and 331 is slightly wider than the arrangement pitch ⁇ 2 of the second mold 24 and slightly narrower than the arrangement pitch ⁇ 1 of the first mold 23.
  • the inclination angle ⁇ 3 of the side walls of the recesses 321 and 332 and the protrusions 322 and 331 in the die 32 and the punch 33 of the third mold 31 is the second molding. It is smaller than the inclination angle ⁇ 1 of the mold 24.
  • Other dimensions of the third mold 31 are substantially the same as those of the second mold 24.
  • the gap between the side walls of the die 32 and the convex portions 322 and 331 of the punch 33 is slightly narrower than that of the second mold 24.
  • a metal plate 21 having a thickness of 0.10 mm is set on the die 25 of the first mold 23 in a flat state.
  • the punch 26 approaches the die 25.
  • the back surface and the front surface of the metal plate material 21 are alternately projected with a predetermined interval.
  • the wave-shaped initial projecting portion 27 is formed.
  • the top portion 271 of the initial overhang portion 27 is pressed by the punch 26 and the convex portions 261 and 252 of the die 25, and side wall portions 272 are formed on both sides of the initial overhang portion 27.
  • the inner bottom portions of the die 25 and the recesses 251 and 262 of the punch 26 may be abutted lightly to the extent that the metal plate 21 is not rolled or may not abut.
  • the radius of curvature of the convex portions 261 and 252 of the first mold 23 is smaller than the radius of curvature of the concave portions 262 and 251. Therefore, spaces 265 and 255 are formed between the side wall portion 272 and the inner side surfaces of the recesses 262 and 251, respectively. The spaces 255 and 265 are not necessarily formed.
  • the punch 26 and the die 25 may be in contact with the entire surface of the metal plate material 21, but in this case, it is necessary to make the metal plate material 21 contact lightly enough not to roll. For this reason, as shown by the arrow in FIG. 4B, the portion of the top portion 271 is extended, and the material of the top portion 271 moves to the side wall portion 272. As a result, the top portion 271 is thinned to about 0.09 mm.
  • the metal plate 21 having the initial projecting portion 27 is set on the die 28 of the second mold 24.
  • the punch 29 approaches the die 28.
  • the tops 271 of the initial projecting portions 27 are pressed toward the concave portions 281 and 292 of the die 28 and the punch 29 by the convex portions 291 and 282 of the punch 29 and the die 28. .
  • the initial overhang portion 27 is further narrowed and extended.
  • the extension amount of the metal plate 21 from the flat state at the start of the forming process is 40% at the maximum, and preferably 20% or less.
  • the side wall of the projecting portion 27 is formed by the side wall surfaces of the convex portions 291 and 282 in the punch 29 and the die 28 and the side wall surfaces of the concave portions 281 and 292 in the die 28 and punch 29.
  • the part 272 is rolled.
  • the thickness of the side wall part 272 is as thin as 0.08 mm, and the overhang part 22 is formed.
  • the top portion 271 of the overhang portion 27 is disposed between the convex portions 291 and 282 and the concave portions 281 and 292.
  • the top portion 271 of the overhang portion 27 is in contact with the tip surfaces of the convex portions 291 and 282 and the inner surfaces of the concave portions 281 and 292.
  • the force due to the convex portions 291 and 282 and the concave portions 281 and 292 hardly acts on the top portion 271.
  • the thickness of the top portion 271 does not decrease.
  • the thickness of the top portion 271 reduced by the drawing process at the stage shown in FIG. 6A is compensated by the material movement from the side wall portion 272.
  • the movement of the material from the side wall portion 272 to the top portion 271 is smoothly performed by the spaces 275 and 276.
  • the material of the side wall portion 272 of the initial overhang portion 27 moves to the top portion 271, so that the top portion 221 and the side wall portion 222 of the overhang portion 22 have a thickness of 0. Molded to be uniform to 08 mm.
  • the overhanging portions 22 are alternately formed on the metal plate material 21, and the metal plate material 21 is thinly formed to a predetermined thickness.
  • the metal plate 21 is thinned and formed by stretching.
  • the metal plate 21 is thinned and formed by material movement due to rolling.
  • the metal plate 21 having the overhanging portion 22 is set on the die 32 of the third mold 31.
  • the punch 33 approaches the die 32.
  • FIG. 8A and FIG. 8B the side walls of the convex portions 331 and 322 in the punch 33 and the die 32 and the side walls of the concave portions 321 and 332 in the die 32 and the punch 33,
  • the side wall portion 222 of the overhang portion 22 is rolled and shaped to stand. Accordingly, the inclination angle ⁇ 3 of the side wall portion 222 of the overhang portion 22 is reduced, and the top portion 221 of the overhang portion 22 is expanded in the width direction.
  • the punch 33 and the die 32 may be brought into contact with the entire surface of the metal plate material 21, but it is necessary to make contact with the metal plate material 21 so lightly as not to deform. Further, when the thickness of the side wall part 222 is reduced by rolling, the material of the side wall part 222 moves to the top part 221 of the overhang part 22.
  • the thickness of the top portion 221 that is reduced by expanding the top portion 221 in the width direction at the stage shown in FIG. 8A is compensated by the material movement from the side wall portion 222. Therefore, the thickness of the top portion 221 does not become extremely thin. Moreover, the top 221 is hardly stretched. Therefore, the thickness of the overhang portion 22 is made uniform to 0.08 mm. Also in this case, as in the second step, the movement of the material from the side wall portion 222 to the top portion 221 is smoothly performed by the spaces 275 and 276.
  • the arrangement pitch ⁇ 2 of the projections 291 and the recesses 292 in the punch 29 of the second mold 24 is larger than the arrangement pitch ⁇ 1 of the projections 261 and the recesses 262 in the punch 26 of the first mold 23. narrow.
  • the arrangement pitch ⁇ 2 of the concave portions 281 and the convex portions 282 in the die 28 of the second mold 24 is also narrower than the arrangement pitch ⁇ 1 of the concave portions 251 and the convex portions 252 in the die 25 of the first mold 23.
  • the side wall portion 272 of the initial overhang portion 27 is rolled by the second mold 24, and the material of the initial overhang portion 27 extends along the circumference.
  • the extension amount of the initial overhang portion 27 is corrected by narrowing the arrangement pitch ⁇ 2 of the concave portions 281, 292 and the convex portions 282, 291 in the die 28 and the punch 29. That is, the side wall portion 272 of the initial overhanging portion 27 is rolled by the concave portions 281 and 292 and the convex portions 282 and 291 in which the arrangement pitch ⁇ 2 is narrowed in anticipation of the extension amount of the initial overhanging portion 27 in the second step. Thereby, the curvature and the wave
  • the third mold 31 is used.
  • the arrangement pitch ⁇ 3 of the concave portions 321 and 332 and the convex portions 322 and 331 in the die 32 and the punch 33 of the third mold 31 is set so that the concave portions 281 and 292 and the convex portions 282 and 291 in the die 28 and the punch 29 of the second molding die 24. Is wider than the arrangement pitch ⁇ 2.
  • the arrangement pitch ⁇ 3 of the recesses 321 and 332 and the protrusions 322 and 331 in the die 32 and punch 33 of the third mold 31 is set so that the recesses 251 and 262 and the protrusion 252 in the die 25 and punch 26 of the first mold 23. , 261 is narrower than the arrangement pitch ⁇ 1.
  • the side wall portion 222 of the overhang portion 22 is shaped so as to stand up by the die 32 and the punch 33 with almost no rolling. For this reason, the material of the overhang
  • the arrangement pitch can be made closer to the arrangement pitch ⁇ 1 of the first mold 23. Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained.
  • the first projecting portion 27 is formed on the metal plate 21 by the first forming die 23, and the top portion 271 of the initial projecting portion 27 is made thinner than the other portions.
  • the side wall portion 272 of the initial overhang portion 27 is rolled by the second forming die 24 to form the overhang portion 22.
  • the stretch forming of the overhang portion 22 of the metal plate material 21 is achieved by rolling except for the initial forming of the overhang portion 27.
  • the stretch forming is performed in the first step, and the rolling step is performed in the other steps. Therefore, since the proportion of the stretch forming is reduced, the metal plate material 21 can be prevented from being broken. Therefore, even if the overhanging portion 22 is high or the width of the top portion 271 is wide, the metal plate material 21 can be formed without breaking.
  • variety of the top part 271 is excellent is excellent in the function which guides cooling water, gas, etc.
  • the stretch forming of the metal plate material 21 is performed only in the first step. After the second step, the metal plate material 21 is thinned by rolling the metal plate material 21. For this reason, breakage of the metal plate material 21 can be prevented. In addition, in the first step, the metal plate 21 is stretched only 20% of the entire length. Further, in the rolling in the second step, the material is moved to the stretched portion, so that the breakage of the metal plate material 21 can be further prevented. According to the conventional method, the defect rate due to the occurrence of ruptures such as pinholes and cracks was 10 to 20%, but according to the method of this embodiment, the defect rate was reduced to 0.02%.
  • the material of the rolled side wall portion 272 is supplied to the top portion 271 of the extended overhang portion 27. For this reason, material can be returned to the extended top part 271, and the overhang part 22 can be formed to a uniform thickness. For this reason, the concentration of stress is relaxed, and the balance of strength distribution and stress distribution of the molded product is improved. Therefore, the breaking strength can be increased, and warpage and distortion of the molded product are suppressed. Therefore, a highly accurate molded product can be manufactured.
  • a plurality of overhang portions 22 are formed in a bowl shape on both surfaces of the metal plate material 21.
  • gas channels can be formed on both sides of the separator by the overhang portion 22.
  • the third mold 31 is shaped so that the side wall 222 of the overhanging portion 22 stands.
  • this molded product is used as a fuel cell separator, since the side wall portion 222 of the overhang portion 22 stands, the cross-sectional area of the gas channel formed on the separator can be expanded.
  • the top portion 221 of the overhang portion 22 is expanded by the third mold 31.
  • the joining area with the other joining plate is increased, and the joining strength between the separators can be increased.
  • the surface pressure of a separator and the electric power generation member provided inside a separator is disperse
  • the cross-sectional area of the flow path of gas or cooling water provided on the separator is expanded, the power generation efficiency is also improved.
  • the arrangement pitch ⁇ 2 of the concave portions 281 and 292 and the convex portions 282 and 291 in the die 28 and the punch 29 of the second molding die 24 is set so that the concave portions 251 and 262 and the convex portions in the die 25 and the punch 26 of the first molding die 23 It is narrower than the arrangement pitch ⁇ 1 of 252 and 261.
  • the arrangement pitch ⁇ 2 of the second mold 24 it is possible to correct the elongation along the circumferential length of the material due to the rolling of the side wall portion 272 in the second step. Thereby, the curvature and wave
  • the arrangement pitch ⁇ 3 of the concave portions 321 and 332 and the convex portions 322 and 331 in the die 32 and the punch 33 of the third molding die 31 is wider than the arrangement pitch ⁇ 2 of the second molding die 24, and It is narrower than the arrangement pitch ⁇ 1 of the concave portions 251 and 262 and the convex portions 252 and 261 in the die 25 and the punch 26. For this reason, the metal plate material 21 can be formed in anticipation of the extension of the metal plate material 21 in the second step. Therefore, the dimensional accuracy of the product is improved.
  • the fourth step or the next step may be executed.
  • the side wall portion 222 of the overhang portion 22 may be further erected or a hole may be formed at a required location.
  • the separate process may be, for example, a polishing process or a drilling process.
  • You may implement the shaping
  • projection part may be used for the use different from the said embodiment.
  • the overhang portion may be embodied as a protrusion that constitutes a seal portion with another adjacent member.
  • the punch and die may be interchanged.

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Abstract

　ダイとパンチ（２６，２９）とを備えた成形型（２３，２４）を用いて、複数の工程により、金属板材に複数の張出し部を成形する。後工程で用いられるダイ及びパンチ（２９）における張出し部成形用の凹部（２９２）及び凸部（２９１）の配列ピッチ（ρ２）を、前工程で用いられるダイ及びパンチ（２６）における張出し部成形用の凹部（２６２）及び凸部（２６１）の配列ピッチ（ρ１）より狭くする。

Description

金属板材の成形方法及び成形装置
　この発明は、ダイとパンチとを有する成形型を用いて金属板材に張出し部を成形する金属板材の成形方法及び成形装置に関する。
　燃料電池用セパレータを構成する金属板材には、複数の襞状の張出し部が形成されている。隣接する張出し部間には、水素や酸素等のガスや生成水を流すための流路が形成されている。燃料電池用セパレータを製造する場合、ダイとパンチとを有する成形型を用いたプレス成形により張出し部を形成することが一般的である。しかしながら、張出し部の成形時には、材料の延びが部分的に異なるため、成形品に反りやうねりが発生し易い。特に、金属材料を圧延して張出し部を成形する場合、材料内部の周長の伸びが大きくなり、反りやうねりが生じ易い。
　この問題を解消するため、特許文献１～特許文献３に開示の方法が提案されている。
　特許文献１は、塑性加工された金属板材の凹凸部分に細密な圧痕を形成したセパレータを開示する。このセパレータでは、張出し部の成形に起因してセパレータの表裏で伸び量が異なる。このため、セパレータの表裏で残留応力も異なり、セパレータに反りやうねりを生じ易い。この点、この文献に開示の発明によれば、細密な圧痕の形成によって、セパレータの反りやうねりが抑制される。
　特許文献２は、金属板材の中央に複数の張出し部を成形し、金属板材の外周縁部にリブを形成したセパレータを開示する。このセパレータでは、リブによって金属板材の周縁部の剛性が高められることで、張出し部の成形による反りが抑制される。
　特許文献３に開示の成型方法では、まず、第１工程で、金属板材の中央に複数のガス流路用の張出し部を成形する。次に、第２工程で、張出し部の長手方向と平行な金属板材の周辺部を固定する。そして、張出し部の長手方向と直交する周辺部のみを、張出し部の圧延方向と同方向に引っ張る。この方法によれば、第２工程で金属板材を引き伸ばすことで、第１工程での圧延により生じた歪みを是正することができる。
　しかしながら、特許文献１に開示のセパレータでは、細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。
　特許文献２に開示のセパレータでは、金属板材の外周縁部にリブを形成する必要がある。このため、設計の自由度が低下する。また、リブの成形と共に、別の反りも発生する虞がある。また、リブの形成により金属板材の外周縁の強度が高くなる。よって、周長の伸びが金属板材の中央に集中して、うねりが生じ易くなる。
　特許文献３に開示の成形方法では、金属板材の周辺部を引き伸ばして周長の伸びを緩和する。しかしながら、この方法によれば、周辺部の引き伸ばしに伴い、張出し部を形成した金属板材の中央付近にも伸びが生じる。このため、寸法精度が低下する。また、金属板材の周辺部に残留応力が生じるため、反りも発生し易い。
特開２０００－１３８０６５号公報 特開２００２－１７５８１８号公報 特開２００３－２４９２４１号公報
　この発明の目的は、金属板材に発生する反りやうねりを抑えて張出し部を成形することのできる金属板材の成形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、ダイとパンチとを有する成形型を用いて、複数の工程により、金属板材に複数の張出し部を成形する成形方法が提供される。この方法では、後工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチを、前工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより狭くする。
　上記課題を解決するため、本発明の第二の態様によれば、ダイとパンチとを有する成形型を用いて、金属板材に張出し部を成形する成形装置が提供される。この装置では、後工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチが、前工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより狭く設定されている。
 
　後工程で成形型による圧延により張出し部を成形する際、張出し部の材料が周長に沿って伸びることがある。その点、この成形方法によれば、張出し部の材料の周長に沿った伸びを、成形型の配列ピッチを小さくすることにより補正することができる。よって、張出し部の成形により生じる反りやうねりを抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る金属板材の成形方法により成形された成形品を示す斜視図。 図１の２－２線に沿った部分断面図。 成形方法の第１工程を示す部分断面図。 （ａ）及び（ｂ）は第１工程の成形過程を順に示す部分断面図。 成形方法の第２工程を示す部分断面図。 （ａ）及び（ｂ）は第２工程の成形過程を順に示す部分断面図。 成形方法の第３工程を示す部分断面図。 （ａ）及び（ｂ）は第３工程の成形過程を順に示す部分断面図。 第１～第３工程の成形型のパンチを示す部分断面図。
　以下、本発明に係る金属板材の成形方法を燃料電池用セパレータの製造に採用した一実施形態について図１～図９に従って説明する。
　図１及び図２に示すように、燃料電池用のセパレータとなる金属板材２１の両面には、複数の張出し部２２が形成されている。複数の張出し部２２は、襞状にかつ等間隔を空けて成形されている。金属板材２１の材質として、耐腐食性に優れた材料、例えば、チタン，チタン合金やステンレススチールが用いられる。この実施形態では、チタンが用いられる。
　図３に示すように、成形加工前のフラットな金属板材２１の厚さα１は、全体的に均一である。厚さα１は、０．０６～０．２０ｍｍの範囲内であり、この実施形態では、０．１０ｍｍである。図２に示すように、成形加工後の金属板材２１の厚さαは、全体的に均一である。厚さαは、０．０４～０．１８ｍｍの範囲内であり、この実施形態では、０．０８ｍｍである。張出し部２２の配列ピッチρは、０．５０～２．００ｍｍの範囲内であって、この実施形態では１．３０ｍｍである。張出し部２２の底面と頂面との間の高さβは０．４０～０．８０ｍｍの範囲内であって、この実施形態では０．６０ｍｍである。
　図２に示すように、各張出し部２２は、頂部２２１と、頂部２２１の両側に傾斜した側壁部２２２とを備えている。張出し部２２の断面は、ほぼ台形状である。各張出し部２２は、隣接する他の張出し部２２と上下逆の形状を有している。下向きの張出し部２２の場合、頂部２２１は底部である。この底部も頂部２２１として、以下に説明する。頂部２２１は、幅方向の中央に平坦部２２３と、幅方向の両端に湾曲部２２４とを備えている。湾曲部２２４は、円弧に沿って延びている。湾曲部２２４の内面側の曲率半径δは、０．０８～０．１５ｍｍの範囲内であって、この実施形態では、０．１０ｍｍである。平坦部２２３に対する側壁部２２２の角度θは、１０～３０度の範囲内であって、この実施形態では１５度である。
　金属板材２１に対する張出し部２２の成形は、図３及び図９に示す第１成形型２３を用いた第１工程と、図５及び図９に示す第２成形型２４を用いた後工程の第２工程と、図７及び図９に示す第３成形型３１を用いた後工程の第３工程とにより行われる。
　図３に示すように、第１工程で用いられる第１成形型２３は、ダイ２５と、ダイ２５に対して接離可能なパンチ２６とからなる。凹部２５１及び凸部２５２は、ダイ２５の上面に等間隔を空けて交互に形成されている。凸部２６１及び凹部２６２は、パンチ２６の下面に等間隔を空けて交互に形成されている。凸部２６１及び凹部２６２は、凹部２５１及び凸部２５２とそれぞれ対応するように配置されている。
　図３及び図９に示すように、凹部２５１及び凸部２５２，凸部２６１及び凹部２６２の各配列ピッチρ１は、張出し部２２の配列ピッチρよりやや狭い。凹部２５１，２６２の深さ、即ち、凸部２５２，凸部２６１の高さβ１は、図２に示す張出し部２２の高さβから金属板材２１の厚さを減じた値より小さい。凸部２５２，２６１の先端は、断面円弧状に形成されている。凹部２５１及び凹部２６２の断面は、楕円形である。
　図５及び図６に示すように、第２工程で用いられる第２成形型２４は、ダイ２８と、ダイ２８に対して接離可能なパンチ２９とからなる。凹部２８１及び凸部２８２は、ダイ２８の上面に等間隔を空けて交互に形成されている。凸部２９１及び凹部２９２は、パンチ２９の下面に等間隔を空けて交互に形成されている。凹部２８１、凸部２８２、凸部２９１及び凹部２９２はいずれも、断面台形状を有している。凸部２９１及び凹部２９２は、凹部２８１及び凸部２８２とそれぞれ対応するように配置されている。凹部２８１，２９２の形状は、張出し部２２の外面の形状と近似している。凸部２８２，２９１の形状は、張出し部２２の内面の形状と近似している。凹部２８１，２９２の両端の曲率半径δ３は、張出し部２２の外面側両端の曲率半径δよりわずかに小さい。また、凹部２８１，２９２の配列ピッチρ２、即ち、凸部２８２，２９１の配列ピッチρ２は、図３に示す第１成形型２３の配列ピッチρ１よりやや狭い。
　図７及び図８に示すように、第３工程で用いられる第３成形型３１は、ダイ３２と、ダイ３２に対して接離可能なパンチ３３とからなる。凹部３２１及び凸部３２２は、ダイ３２の上面に等間隔を空けて交互に形成されている。凸部３３１及び凹部３３２は、パンチ３３の下面に等間隔を空けて交互に形成されている。凹部３２１、凸部３２２、凸部３３１及び凹部３３２はいずれも、断面台形状を有している。凸部３３１及び凹部３３２は、凹部３２１及び凸部３２２とそれぞれ対応するように配置されている。凹部３２１，３３２及び凸部３２２，３３１の配列ピッチρ３は、第２成形型２４の配列ピッチρ２よりやや広く、第１成形型２３の配列ピッチρ１よりやや狭い。図６（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、第３成形型３１のダイ３２及びパンチ３３における凹部３２１，３３２及び凸部３２２，３３１の側壁面の傾斜角度θ３は、第２成形型２４の傾斜角度θ１よりも小さい。第３成形型３１のその他の寸法は、第２成形型２４のそれとほぼ同じである。パンチ３３の下死点位置では、ダイ３２及びパンチ３３の凸部３２２，３３１の側壁面間の隙間は、第２成形型２４のそれよりやや狭くなっている。
　次に、この実施形態の成形方法を説明する。まず、この成形方法における第１工程について説明する。
　図３に示すように、第１工程において、第１成形型２３のダイ２５上に、厚さ０．１０ｍｍの金属板材２１がフラットな状態でセットされる。この状態で、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、パンチ２６がダイ２５に接近する。すると、パンチ２６の凸部２６１及び凹部２６２とダイ２５の凹部２５１及び凸部２５２との間で、金属板材２１が裏面と表面とが所定の間隔を空けて交互に張り出される。こうして、波形状の初期張出し部２７が成形される。この成形時には、初期張出し部２７の頂部２７１がパンチ２６及びダイ２５の凸部２６１，２５２により押圧されて、初期張出し部２７の両側に側壁部２７２が形成される。パンチ２６の下死点位置では、ダイ２５及びパンチ２６の凹部２５１，２６２の内底部は、金属板材２１を圧延しない程度に軽く当接するか、或いは当接しなくてもよい。
　このとき、図４（ｂ）から明らかなように、第１成形型２３の凸部２６１，２５２の曲率半径は、凹部２６２，２５１の曲率半径より小さい。このため、側壁部２７２と凹部２６２，２５１の内側面との間には、空間２６５，２５５がそれぞれ形成される。空間２５５，２６５は、必ずしも形成される必要はない。パンチ２６及びダイ２５は金属板材２１の全面に当接してもよいが、この場合、金属板材２１を圧延しない程度に軽く当接させる必要がある。このため、図４（ｂ）の矢印で示すように、頂部２７１の部分が引き延ばされると共に、頂部２７１の材料が側壁部２７２に移動する。その結果、頂部２７１は０．０９ｍｍ程度までに薄くなる。
　図５に示すように、第２工程において、第２成形型２４のダイ２８上に、初期張出し部２７を有する金属板材２１がセットされる。この状態で、パンチ２９がダイ２８に接近する。すると、図６（ａ）に示すように、パンチ２９及びダイ２８の凸部２９１，２８２により、初期張出し部２７の頂部２７１が、ダイ２８及びパンチ２９の凹部２８１，２９２に向けて押圧される。このため、初期張出し部２７が更に絞られて、引き延ばされる。この場合、成形加工開始時のフラットな状態からの金属板材２１の引き延ばし量は、最大４０％であり、好ましくは、２０％以下である。
　その後、図６（ｂ）に示すように、パンチ２９及びダイ２８における凸部２９１，２８２の側壁面と、ダイ２８及びパンチ２９における凹部２８１，２９２の側壁面とにより、初期張出し部２７の側壁部２７２が圧延される。このため、側壁部２７２の厚さは０．０８ｍｍ強にまで薄くなり、張出し部２２が成形される。このとき、凸部２９１，２８２と凹部２８１，２９２との間には、張出し部２７の頂部２７１が配置される。この状態で、張出し部２７の頂部２７１は、凸部２９１，２８２の先端面と凹部２８１，２９２の内面とに当接している。しかしながら、頂部２７１には、凸部２９１，２８２と凹部２８１，２９２とによる力がほとんど作用しない。このため、頂部２７１の厚さは減少しない。
　また、この状態で、金属板材２１の剛性に基づいて、凸部２９１，２８２の基端と金属板材２１との間、及び凸部２９１，２８２の先端中央と張出し部２７の頂部２７１との間には、空間２７６，２７５がそれぞれ形成される。空間２７５，２７６は、必ずしも形成される必要はない。つまり、パンチ２９及びダイ２８を金属板材２１の全面に当接させてもよいが、金属板材２１が変形しない程度に軽く当接させる必要がある。また、圧延によって側壁部２７２の厚さが減少すると、図６（ｂ）の矢印で示すように、側壁部２７２の材料が張出し部２２の頂部２７１に移動する。その結果、図６（ａ）に示す段階で絞り加工により減少した頂部２７１の厚さは、側壁部２７２からの材料移動によって補われる。この場合、側壁部２７２から頂部２７１への材料の移動は、空間２７５，２７６によって円滑に行なわれる。図６（ｂ）の矢印で示すように、初期張出し部２７の側壁部２７２の材料が頂部２７１に移動することで、張出し部２２の頂部２２１及び側壁部２２２は、それらの厚さが０．０８強ｍｍに均一化するように成形される。
　以上のように、金属板材２１に張出し部２２が交互に形成されると共に、金属板材２１が所定の厚さにまで薄く成形される。第１工程では、金属板材２１の引き延ばしによる薄肉化と成形とが行なわれる。第２工程では、金属板材２１の圧延による材料移動によって薄肉化と成形とが行なわれる。
　図７に示すように、第３工程において、第３成形型３１のダイ３２上に、張出し部２２を有する金属板材２１がセットされる。この状態で、パンチ３３がダイ３２に接近する。すると、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、パンチ３３及びダイ３２における凸部３３１，３２２の側壁面と、ダイ３２及びパンチ３３における凹部３２１，３３２の側壁面とにより、張出し部２２の側壁部２２２が圧延されると共に起立するように整形される。これにより、張出し部２２の側壁部２２２の傾斜角度θ３が小さくなると共に、張出し部２２の頂部２２１が幅方向に拡げられる。
　このとき、金属板材２１の剛性に基づき、凸部３３１，３２２の基端と金属板材２１との間、及び凸部３３１，３２２の先端中央と張出し部２２の頂部２２１との間には、空間２７６，２７５がそれぞれ形成される。空間２７５，２７６は、必ずしも形成される必要はない。つまり、パンチ３３及びダイ３２を金属板材２１の全面に当接させてもよいが、金属板材２１が変形しない程度に軽く当接させる必要がある。また、圧延によって側壁部２２２の厚さが減少すると、側壁部２２２の材料が張出し部２２の頂部２２１に移動する。その結果、図８（ａ）に示す段階で頂部２２１が幅方向に拡げられて減少した頂部２２１の厚さは、側壁部２２２からの材料移動によって補われる。従って、頂部２２１の厚さが極端に薄くなることはない。しかも、頂部２２１が引き延ばされることもほとんどない。よって、張出し部２２の厚さは０．０８ｍｍに均一化される。この場合も、第２工程と同様に、側壁部２２２から頂部２２１への材料の移動は、空間２７５，２７６によって円滑に行なわれる。
　第１～第３工程において、第２成形型２４のパンチ２９における凸部２９１及び凹部２９２の配列ピッチρ２が、第１成形型２３のパンチ２６における凸部２６１及び凹部２６２の配列ピッチρ１よりも狭い。図示しないが、第２成形型２４のダイ２８における凹部２８１及び凸部２８２の配列ピッチρ２も、第１成形型２３のダイ２５における凹部２５１及び凸部２５２の配列ピッチρ１よりも狭い。
　第２工程では、第２成形型２４により、初期張出し部２７の側壁部２７２が圧延されて、初期張出し部２７の材料が周長に沿って伸びる。しかしながら、初期張出し部２７の伸び量は、ダイ２８及びパンチ２９における凹部２８１，２９２及び凸部２８２，２９１の配列ピッチρ２を狭くすることによって補正される。つまり、第２工程での初期張出し部２７の伸び量を見込んで、配列ピッチρ２を狭くした凹部２８１，２９２及び凸部２８２，２９１により、初期張出し部２７の側壁部２７２が圧延される。これにより、張出し部２２の反りやうねりが抑制される。
　第３工程では、第３成形型３１が用いられる。第３成形型３１のダイ３２及びパンチ３３における凹部３２１，３３２及び凸部３２２，３３１の配列ピッチρ３は、第２成形型２４のダイ２８及びパンチ２９における凹部２８１，２９２及び凸部２８２，２９１の配列ピッチρ２より広い。また、第３成形型３１のダイ３２及びパンチ３３における凹部３２１，３３２及び凸部３２２，３３１の配列ピッチρ３は、第１成形型２３のダイ２５及びパンチ２６における凹部２５１，２６２及び凸部２５２，２６１の配列ピッチρ１より狭い。
　第３工程では、ダイ３２及びパンチ３３により、張出し部２２の側壁部２２２がほとんど圧延されることなく、起立するように整形される。このため、張出し部２２の材料が周長に沿って大きくは伸びない。このため、第３成形型３１の配列ピッチρ３を第２成形型２４の配列ピッチρ２と第１成形型２３の配列ピッチρ１との間の値に設定することで、張出し部２２の最終的な配列ピッチが第１成形型２３の配列ピッチρ１に近づけられる
　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）第１工程では、第１成形型２３により、金属板材２１に初期張出し部２７を形成し、初期張出し部２７の頂部２７１を他の部分よりも薄くする。第２工程及び第３工程では、第２成形型２４により、初期張出し部２７の側壁部２７２を圧延して、張出し部２２を成形する。
　第２工程及び第３工程において、第２成形型２４及び第３成形型３１により、初期張出し部２７の側壁部２７２が圧延されるとき、側壁部２７２の材料が頂部２７１に移動する。このように、金属板材２１の張出し部２２の引き延ばし成形が、初期の張出し部２７の成形を除いて、圧延によって達成される。言い換えれば、引き延ばし成形は第１工程で行なわれ、他の工程では圧延工程が行われる。よって、引き延ばし成形の割合が少なくなるため、金属板材２１の破断を防止することができる。従って、張出し部２２が高くても、或いは頂部２７１の幅が広くても、金属板材２１を破断せずに成形することができる。尚、燃料電池のセパレータとしては、張出し部２２が高く、頂部２７１の幅が広い方が、冷却水やガス等を案内する機能に優れている。
　（２）金属板材２１の引き延ばし成形は、第１工程だけで行われる。第２工程以降、金属板材２１の薄肉化は、金属板材２１を圧延して実行される。このため、金属板材２１の破断を防止することができる。しかも、第１工程では、金属板材２１が全長の２０％しか引き延ばされない。また、第２工程の圧延では、引き延ばされた部分に材料を移動させるため、金属板材２１の破断を更に防止することができる。従来工法によれば、ピンホールやクラック等の破断発生による不良率は１０～２０％であったが、この実施形態の工法によれば、不良率が０．０２％にまで低下した。
　（３）引き延ばされた張出し部２７の頂部２７１には、圧延された側壁部２７２の材料が供給される。このため、引き延ばされた頂部２７１に材料を戻すことができ、張出し部２２を均一な厚さに成形することができる。このため、応力の集中が緩和され、成形品の強度分布や応力分布のバランスが良くなる。よって、破断強度を高めることができ、成形品の反りや歪みが抑制される。従って、高精度な成形品を製造することができる。
　（４）金属板材２１の両面には、複数の張出し部２２が襞状に形成されている。この成形品を燃料電池用セパレータとして用いた場合、張出し部２２によって、セパレータの両面にガス流路を形成することができる。
　（５）第３工程では、第３成形型３１により、張出し部２２の側壁部２２２が起立するように整形される。この成形品を燃料電池用セパレータとして用いた場合、張出し部２２の側壁部２２２が起立しているため、セパレータ上に形成されるガス流路の断面積を拡張することができる。
　（６）第３工程では、第３成形型３１により、張出し部２２の頂部２２１が拡げられる。この場合、張出し部２２の頂部２２１が拡げられるため、他の接合プレートとの接合面積が大きくなり、セパレータ間の接合強度を高めることができる。これにより、セパレータと、セパレータの内側に設けられる発電部材との面圧が分散される。よって、発電部材が破断し難くなる。また、セパレータ上に設けられるガスや冷却水等の流路の断面積が拡張されるため、発電効率も向上する。
　（７）第２成形型２４のダイ２８及びパンチ２９における凹部２８１，２９２及び凸部２８２，２９１の配列ピッチρ２は、第１成形型２３のダイ２５及びパンチ２６における凹部２５１，２６２及び凸部２５２，２６１の配列ピッチρ１より狭い。このように、第２成形型２４の配列ピッチρ２を小さくすることによって、第２工程での側壁部２７２の圧延による材料の周長に沿った伸びを補正することができる。これにより、成形品の反りやうねりを抑制することができる。
　（８）第３成形型３１のダイ３２及びパンチ３３における凹部３２１，３３２及び凸部３２２，３３１の配列ピッチρ３は、第２成形型２４の配列ピッチρ２よりも広く、第１成形型２３のダイ２５及びパンチ２６における凹部２５１，２６２及び凸部２５２，２６１の配列ピッチρ１よりも狭い。このため、第２工程での金属板材２１の延びを見込んで金属板材２１を成形することができる。よって、製品の寸法精度が向上する。
　上記実施形態を、次のように変更してもよい。
　・金属板材２１を、燃料電池のセパレータ以外の他の用途、例えば、放熱板の用途に用いてもよい。
　・第３工程後に、第４工程又は更に次の工程を実行してもよい。第４工程以降の工程では、張出し部２２の側壁部２２２を更に起立させたり、所要箇所に孔を開けたりしてもよい。
　・第１工程の前に、別工程を設けてもよい。別工程は、例えば、研磨工程や孔開け工程等であってもよい。
　・単一の張出し部のみを形成した金属板材に、前記実施形態の成形方法を実施してもよい。
　・張出し部を、前記実施形態とは別の用途に用いてもよい。例えば、張出し部を、隣接する他の部材とのシール部を構成する突部に具体化してもよい。
　・パンチとダイとを入れ換えてもよい。

Claims (6)

  1. ダイとパンチとを有する成形型を用いて、複数の工程により、金属板材に複数の張出し部を成形する成形方法において、
    　後工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチを、前工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより狭くすることを特徴とする金属板材の成形方法。
  2. 請求項１記載の金属板材の成形方法において、
    　前記成形方法は、第１～第３工程を備え、
    　第２工程で用いられる張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチを、第１工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより狭くし、
    　第３工程で用いられる張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチを、第１工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより狭くすると共に第２工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより広くすることを特徴とする金属板材の成形方法。
  3. 請求項１又は２に記載の金属板材の成形方法において、
    　襞状の張出し部を、前記金属板材の表面と裏面とに交互に形成することを特徴とする金属板材の成形方法。
  4. 請求項３記載の金属板材の成形方法において、
    　前記襞状の張出し部を、等間隔に形成することを特徴とする金属板材の成形方法。
  5. ダイとパンチとを有する成形型を用いて、金属板材に張出し部を成形する成形装置において、
    　後工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチを、前工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより狭くしたことを特徴とする金属板材の成形装置。
  6. 請求項５記載の金属板材の成形装置において、
    　前記金属板材に張出し部を形成する第１～第３工程の各工程で用いられるダイとパンチを備え、
    　第２工程で用いられるダイ及びパンチの張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチを、第１工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより狭くし、
    　第３工程で用いられるダイ及びパンチの凹部及び凸部の配列ピッチを、第１工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより狭くすると共に第２工程で用いられるダイ及びパンチにおける張出し部成形用の凹部及び凸部の配列ピッチより広くしたことを特徴とする金属板材の成形装置。
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