金属板材的成型方法及成型装置 |
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| 申请号 | CN201480021914.4 | 申请日 | 2014-04-24 | 公开(公告)号 | CN105142815B | 公开(公告)日 | 2017-03-08 |
| 申请人 | 丰田纺织株式会社; | 发明人 | 平田和之; | ||||
| 摘要 | 在本 发明 中，通过使用设置有冲模和冲头(26、29)的成型模具(23、24)的多个工序在金属板材上成型多个突出部。后工序使用的冲模和冲头(29)中的用于成型突出部的凸部(291)与凹部和冲头(26)中的用于成型突出部的凸部(261)与凹部(262)之间的配置 节距 (ρ1)窄。(292)之间的配置节距(ρ2)比前工序使用的冲模 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种成型金属板材的成型方法，所述成型方法通过使用具有冲模和冲头的成型模具经过多个工序在金属板材成型多个突出部， |
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| 说明书全文 | 金属板材的成型方法及成型装置技术领域[0001] 本发明涉及金属板材的成型方法及成型装置，其中金属板材借助于分别具有冲模和冲头的成型模具被成型为具有突出部。 背景技术[0002] 形成燃料电池隔板的金属板材形成有多个褶裥形状的突出部。邻接的突出部之间形成有供诸如氢气或氧气等的气体或处理水流过的流路。通常地，当制造燃料电池隔板时，通过使用具有冲模和冲头的成型模具的冲压成型来形成突出部。然而，当形成突出部时，局部存在材料的延伸差，因此容易在成型品上发生翘曲或起伏。特别是在通过压延金属材料和使金属材料平坦化来成型突出部的情况下，材料内部的周长的延伸变大，容易发生翘曲或起伏。 [0003] 为了解决该问题，已提出了专利文献1至专利文献3公开的方法。专利文献1公开了在塑性加工成型的金属板材的凹凸部分处形成细密压痕的隔板。该隔板具有由成型突出部导致的在隔板的里外之间的延伸量的差。因此，在隔板的里外之间也存在残留应力的差，容易在隔板上发生翘曲或起伏。在该方面，根据该文献公开的发明，细密压痕的形成能够抑制在隔板上发生翘曲或起伏。 [0004] 专利文献2公开了这样的隔板：金属板材的中央形成有多个突出部并且金属板材的外周缘部形成有肋。在这种隔板中，通过肋提高了金属板材的周缘部的刚性，因此抑制了由成型突出部而产生的翘曲。 [0005] 在专利文献3公开的成型方法中，首先，在第一工序中在金属板材的中央形成用于气体流路的多个突出部。之后，在第二工序中固定平行于突出部的长度方向的金属板材的周边部。之后，沿与压延突出部和使突出部平坦化的方向相同的方向仅拉伸与突出部的长度方向垂直的周边部。根据该方法，金属板材在第二工序中被拉伸和伸长，因而能够修正由第一工序的压延/平坦化操作而产生的变形。 [0006] 然而，专利文献1公开的隔板难以形成细密压痕。另外，由于压痕产生的凹凸，导致平坦度降低。另外，由于作为龟裂的起点的压痕，将发生疲劳破损的可能性变高。 [0007] 专利文献2公开的隔板需要在金属板材的外周缘部形成肋。因此，设计的自由度降低。另外，担心在形成肋的同时将会发生其它翘曲。另外，通过形成肋，使得金属板材的外周缘部的强度更高。因此，周长的延伸集中在金属板材的中央，容易发生起伏。 [0008] 在专利文献3公开的成型方法中，通过拉伸和伸长金属板材的周边部来减少周长的延伸。然而，根据该方法，由于拉伸和伸长周边部，具有突出部的金属板材的中央附近也发生延伸。因此，降低了尺寸精度。另外，金属板材的周边部产生残留应力，因此也容易发生翘曲。 [0009] 现有技术文献 [0010] 专利文献 [0011] 专利文献1：日本特开2000-138065号公报 [0012] 专利文献2：日本特开2002-175818号公报 [0013] 专利文献3：日本特开2003-249241号公报 发明内容[0014] 发明要解决的问题 [0015] 本发明的目的是提供一种能够在抑制在金属板材上发生翘曲或起伏的同时成型突出部的金属板材的成型方法。 [0016] 用于解决问题的方案 [0017] 为了解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供了一种成型方法，所述成型方法通过使用具有冲模和冲头的成型模具经过多个工序在金属板材成型多个突出部。在该方法中，使得后工序使用的冲模和冲头的用于成型突出部的凹部与凸部之间的配置节距比前工序使用的冲模和冲头的用于成型突出部的凹部与凸部之间的配置节距窄。 [0018] 为了解决上述问题，根据本发明的第二方面，提供了一种成型装置，所述成型装置通过使用具有冲模和冲头的成型模具在金属板材成型突出部。在该方法中，使得后工序使用的冲模和冲头的用于成型突出部的凹部与凸部之间的配置节距比前工序使用的冲模和冲头的用于成型突出部的凹部与凸部之间的配置节距窄。 [0019] 存在当在后工序中通过使用成型模具压延和平坦化来成型突出部时突出部的材料沿着周长延伸的情况。在此方面，根据该成型方法，能够通过减小成型模具的配置节距来对沿着突出部的材料的周长的延伸进行修正。因此，能够抑制由成型突出部而产生的翘曲或起伏。附图说明 [0020] 图1是示出了通过根据本发明的实施方式的金属板材的成型方法成型的成型品的立体图。 [0021] 图2是沿图1的线2-2的部分截面图。 [0022] 图3是示出了成型方法的第一工序的部分截面图。 [0023] 图4的(a)和图4的(b)是顺序地示出第一工序的成型过程的部分截面图。 [0024] 图5是示出了成型方法的第二工序的部分截面图。 [0025] 图6的(a)和图6的(b)是顺序地示出第二工序的成型过程的部分截面图。 [0026] 图7是示出了成型方法的第三工序的部分截面图。 [0027] 图8的(a)和图8的(b)是顺序地示出第三工序的成型过程的部分截面图。 [0028] 图9是示出了第一工序至第三工序中的每一个的成型模具的冲头的部分截面图。 具体实施方式[0029] 以下将参照图1至图9说明采用根据本发明的金属板材的成型方法来制造燃料电池隔板的实施方式。 [0030] 如图1和图2所示，在做成燃料电池隔板的金属板材21的两面形成有多个突出部22。突出部22被成型为以褶裥形状等间隔地隔开。诸如钛、钛合金或不锈钢等的耐腐蚀性优异的材料被用作金属板材21。在本实施方式中使用钛。 [0031] 如图3所示，成型加工前的平坦金属板材21的厚度α1是总体均匀的。厚度α1在从0.06mm到0.20mm的范围内，在本实施方式中，厚度α1为0.10mm。如图2所示，成型加工后的金属板材21的厚度α是总体均匀的。厚度α在从0.04mm到0.18mm的范围内，在本实施方式中，厚度α为0.08mm。突出部22的配置节距(pitch)ρ在从0.50mm到2.00mm的范围内，在本实施方式中，配置节距ρ为1.30mm。突出部22的底面与顶面之间的高度β在从0.40mm到0.80mm的范围内，在本实施方式中，高度β为0.60mm。 [0032] 如图2所示，每个突出部22均包括顶部221和在顶部221的两侧倾斜的侧壁部222。突出部22的截面为大致的梯形。每个突出部22均具有相对于邻接的其它突出部22上下颠倒的形状。在面向下的突出部22中，顶部221为底部。该底部在下文描述为顶部221。顶部221包括位于在宽度方向上的中央处的平坦部223和位于在宽度方向上的两端处的弯曲部224。弯曲部224沿圆弧延伸。弯曲部224的内表面侧的曲率半径δ在从0.08mm到0.15mm的范围内，在本实施方式中，曲率半径δ为0.10mm。侧壁部222相对于平坦部223的角度θ在从10度到30度的范围内，在本实施方式中，角度θ为15度。 [0033] 通过使用图3和图9示出的第一成型模具23的第一工序工序、使用图5和图9示出的第二成型模具24的作为后工序的第二工序和使用图7和图9示出的第三成型模具31的作为后工序的第三工序，对金属板材21进行突出部22的成型。 [0034] 如图3所示，第一工序中使用的第一成型模具23包括冲模25和冲头26，冲头26能够与冲模25接触并且能够与冲模25分离。凹部251和凸部252被等间隔隔开地交替形成于冲模25的上表面。凸部261和凹部262被等间隔隔开地交替形成于冲头26的下表面。凸部261和凹部262被定位成分别与凹部251和凸部252对应。 [0035] 如图3和图9所示，凹部251和凸部252的配置节距ρ1或凸部261和凹部262的配置节距ρ1比突出部22的配置节距ρ略窄。凹部251或262的深度，即凸部252或凸部261的高度β1比从图2示出的突出部22的高度β减去金属板材21的厚度所得到的值小。凸部252、261的前端形成圆弧状的截面。凹部251和凹部262的截面为椭圆形。 [0036] 如图5和图6所示，第二工序中使用的第二成型模具24包括冲模28和冲头29，冲头29能够与冲模28接触并且能够与冲模28分离。凹部281和凸部282被等间隔隔开地交替形成于冲模28的上表面。凸部291和凹部292被等间隔隔开地交替形成于冲头29的下表面。凹部 281、凸部282、凸部291和凹部292的截面均为梯形。凸部291和凹部292被定位成分别与凹部 281和凸部282对应。凹部281、292的形状近似于突出部22的外表面的形状。凸部282、291的形状近似于突出部22的内表面的形状。凹部281、292的两端的曲率半径δ3比突出部22的外表面侧的两端的曲率半径δ略小。凹部281、292的配置节距ρ2，即凸部282、291的配置节距ρ2比图3示出的第一成型模具23的配置节距ρ1略窄。 [0037] 如图7和图8所示，第三工序中使用的第三成型模具31包括冲模32和冲头33，冲头33能够与冲模32接触并且能够与冲模32分离。凹部321和凸部322被等间隔隔开地交替形成于冲模32的上表面。凸部331和凹部332被等间隔隔开地交替形成于冲头33的下表面。凹部 321、凸部322、凸部331和凹部332的截面均为梯形。凸部331和凹部332被定位成分别与凹部 321和凸部322对应。凹部321、332和凸部322、331的配置节距ρ3比第二成型模具24的配置节距ρ2略宽并且比第一成型模具23的配置节距ρ1略窄。如图6的(b)和图8的(b)所示，第三成型模具31的冲模32和冲头33中的凹部321、332和凸部322、331的每个侧壁面的倾斜角度θ3比第二成型模具24的倾斜角度θ1小。第三成型模具31的其它尺寸与第二成型模具24的尺寸大致相同。在冲头33的下死点(bottom dead center)的位置，冲模32和冲头33的凸部322、 331的侧壁面之间的间隙比第二成型模具24对应的间隙略窄。 [0038] 接下来，将说明本实施方式的成型方法。首先，将说明本成型方法中的第一工序。 [0039] 如图3所示，在第一工序中，具有0.10mm厚度的金属板材21在平坦状态下被设置在第一成型模具23的冲模25上。在这个状态下，如图4的(a)和图4的(b)所示，冲头26接近冲模25。于是，金属板材21的背面和正面以冲头26的凸部261和凹部262以及冲模25的凹部251和凸部252之间的预定间隔隔开地交替突出。以这种方式成型具有波形形状的初期突出部27。 当初期突出部27成型时，初期突出部27的顶部271被冲头26和冲模25的凸部261、252挤压，侧壁部272形成于初期突出部27的两侧。在冲头26的下死点的位置，冲模25和冲头26的凹部 251、262的内底部可以与金属板材21以不会压延金属板材21的程度轻微接触，或可以与金属板材21不接触。 [0040] 这时，如从图4的(b)明显看出，第一成型模具23的凸部261、252的曲率半径比凹部262、251的曲率半径小。因此，在侧壁部272与凹部262的内表面之间以及在侧壁部272与凹部251的内表面之间分别形成空间265和空间255。空间255和空间265的形成不是必要的。冲头26和冲模25可以与金属板材21的整个表面接触，如果是这样，则需要冲头26和冲模25以避免压延金属板材21的程度轻微接触金属板材21。因此，如图4的(b)的箭头所示，顶部271的部分被拉延，顶部271的材料移动到侧壁部272。结果，顶部271被减薄至大约0.09mm。 [0041] 如图5所示，在第二工序中，具有初期突出部27的金属板材21被设置在第二成型模具24的冲模28上。在这种状态下，冲头29接近冲模28。于是，如图6的(a)所示，借助于冲头29和冲模28的凸部291、282，初期突出部27的顶部271被向冲模28和冲头29的凹部281、292挤压。因此，初期突出部27被进一步变窄并被拉延。在这种情况下，金属板材21的从成型加工开始时的平坦状态起的拉延量为40％或更小并优选为20％或更小。 [0042] 其后，如图6的(b)所示，初期突出部27的侧壁部272被冲头29和冲模28的凸部291、282的侧壁面压延并且被冲模28和冲头29的凹部281、292的侧壁面压延。因此，侧壁部272的厚度变小至0.08mm，突出部22成型。此时，突出部27的顶部271位于凸部291、282和凹部281、 292之间。在这种状态下，突出部27的顶部271与凸部291、282的前端面接触以及与凹部281、 292的内表面接触。然而，借助于凸部291、282以及借助于凹部281、292的力几乎不会作用在顶部271上。因此，顶部271的厚度不会减小。 [0043] 此外，在这种状态下，基于金属板材21的刚性，在凸部291、282的基端与金属板材21之间以及在凸部291、282的前端中央与突出部27的顶部271之间分别形成空间276和空间 275。空间275和空间276的形成不是必要的。换言之，虽然可以使得冲头29和冲模28与金属板材21的整个表面接触，但需要冲头29和冲模28以不会使金属板材21变形的程度轻微接触金属板材21。此外，当侧壁部272的厚度被压延减少时，侧壁部272的材料移动到突出部22的顶部271，如图6的(b)的箭头所示。结果，已被图6的(a)示出的阶段的变窄加工而减小的顶部271的厚度被来自侧壁部272的材料移动补偿。在这种情况下，从侧壁部272向顶部271的材料移动被空间275和空间276圆滑地执行。如图6的(b)的箭头所示，初期突出部27的侧壁部272的材料向顶部271移动，结果，突出部22的顶部221和侧壁部222被成型为厚度变得均匀并略大于0.08mm。 [0044] 如上所述，突出部22交替地形成于金属板材21，金属板材21被成型和减薄至预定厚度。在第一工序中，通过拉延金属板材21来执行减薄和成型。在第二工序中，通过由压延金属板材21导致的材料移动来执行减薄和成型。 [0045] 如图7所示，在第三工序中，具有突出部22的金属板材21被设置在第三成型模具31的冲模32上。在这种状态下，冲头33接近冲模32。随即，如图8的(a)和图8的(b)所示，借助于冲头33和冲模32的凸部331、322的侧壁面以及借助于冲模32和冲头33的凹部321、332的侧壁面，突出部22的侧壁部222被压延并被整形成竖立的形状。结果，突出部22的侧壁部222的倾斜角度θ3变小，突出部22的顶部221在宽度方向上扩展。 [0046] 此时，基于金属板材21的刚性，在凸部331、322的基端与金属板材21之间以及在凸部331、322的前端中央与突出部22的顶部221之间分别形成空间276和空间275。空间275和空间276的形成不是必要的。换言之，虽然可以使得冲头33和冲模32与金属板材21的整个表面接触，但需要冲头33和冲模32以不会使金属板材21变形的程度轻微接触金属板材21。此外，当侧壁部222的厚度被压延减小时，侧壁部222的材料移动到突出部22的顶部221。结果，已被图8的(a)示出的阶段的顶部221在宽度方向上的扩展而减小的顶部221的厚度被来自侧壁部222的材料移动补偿。因此，顶部221的厚度不会变得极端薄。此外，顶部221将被拉延的可能性几乎不存在。因此，使得突出部22的厚度均匀在0.08mm。在这种情况下，从侧壁部222向顶部221的材料移动以与第二工序中相同的方式通过空间275和空间276圆滑地执行。 [0047] 在第一工序到第三工序中，第二成型模具24的冲头29中的凸部291和凹部292的配置节距ρ2比第一成型模具23的冲头26中的凸部261和凹部262的配置节距ρ1窄。同样地，第二成型模具24的冲模28中的凹部281和凸部282的配置节距ρ2比第一成型模具23的冲模25中的凹部251和凸部252的配置节距ρ1窄(未示出)。 [0048] 在第二工序中，初期突出部27的侧壁部272被第二成型模具24压延，初期突出部27的材料沿周长延伸。然而，初期突出部27的延伸量通过使冲模28和冲头29的凹部281、292和凸部282、291的配置节距ρ2的变窄来修正。换言之，预期第二工序中的初期突出部27的延伸量，初期突出部27的侧壁部272被配置节距ρ2已经减小的凹部281、292和凸部282、291压延。结果，突出部22的翘曲或起伏被抑制。 [0049] 在第三工序中使用第三成型模具31。第三成型模具31的冲模32和冲头33的凹部321、332和凸部322、331的配置节距ρ3比第二成型模具24的冲模28和冲头29的凹部281、292和凸部282、291的配置节距ρ2宽。第三成型模具31的冲模32和冲头33的凹部321、332和凸部 322、331的配置节距ρ3比第一成型模具23的冲模25和冲头26的凹部251、262和凸部252、261的配置节距ρ1窄。 [0050] 在第三工序中，借助于冲模32和冲头33，突出部22的侧壁部222被整形成几乎没有被压延的竖立的形状。因此，突出部22的材料不会沿周长大量地延伸。因此，通过将第三成型模具31的配置节距ρ3设定为在第二成型模具24的配置节距ρ2与第一成型模具23的配置节距ρ1之间的值，能够使得突出部22的最终配置节距接近于第一成型模具23的配置节距ρ1。 [0051] 因此，根据本实施方式，能够得到以下效果。 [0052] (1)在第一工序中，借助于第一成型模具23，初期突出部27被形成于金属板材21，使初期突出部27的顶部271比其它部分薄。在第二工序和第三工序中，初期突出部27的侧壁部272被第二成型模具24压延，突出部22成型。 [0053] 在第二工序和第三工序中，当初期突出部27的侧壁部272被第二成型模具24和第三成型模具31压延时，侧壁部272的材料向顶部271移动。因而除了初期突出部27的成型之外，通过压延实现金属板材21的突出部22的拉延成型。换言之，在第一工序中执行拉延成型，在其它工序中执行压延工序。因此，拉延成型的比率变小，因此能够防止金属板材21被破断。因此，即使突出部22高或者即使顶部271的宽度大，也能够在不破断金属板材21的情况下使金属板材21成型。以突出部22较高的方式和以顶部271的宽度较大的方式生产的燃料电池隔板在引导冷却水、气体等功能上具有优越性。 [0054] (2)金属板材21的拉延成型仅在第一工序中执行。在第二工序中和第二工序之后，通过压延金属板材21，金属板材21被减薄。因此，能够防止金属板材21被破断。此外，在第一工序中，金属板材21仅被拉延其全长的20％。此外，在第二工序的压延中，材料向被拉延的部分移动，因此能够进一步防止金属板材21被破断。根据传统的工业方法，由诸如针孔或破裂等破断的发生而导致的不良率为10％至20％，而根据本实施方式的工业方法，不良率降至0.02％。 [0055] (3)已被压延的侧壁部272的材料供给到已被拉延的突出部27的顶部271。因此，能够使已被拉延的顶部271的材料返回，并且能够使突出部22成型为具有均匀的厚度。因此，缓和了应力的集中，并且良好地平衡了成型品的强度分布和应力分布。因此，能够改善破断强度，并且抑制了成型品的翘曲或变形。因此，能够生产高质量的成型品。 [0056] (4)多个突出部22以褶裥形状形成于金属板材21的两面。当本成型品被用作燃料电池隔板时，能够借助于突出部22在隔板的两面形成气体流路。 [0057] (5)在第三工序中，借助于第三成型模具31，突出部22的侧壁部222被整形成竖立的形状。当本成型品被用作燃料电池隔板时，由于突出部22的侧壁部222处于竖立状态，因此能够使在隔板上形成的气体流路的截面积扩大。 [0058] (6)在第三工序中，突出部22的顶部221被第三成型模具31扩大。在这种情况下，突出部22的顶部221被扩大，因此与其它接合板的接合面积变大，能够改善隔板之间的接合强度。结果，隔板与设置在隔板内侧的发电部件之间的表面压力被分散。因此，使得难以破断发电部件。此外，在隔板上设置的用于气体、冷却水等的流路的截面积被扩大，因此也改善了发电效率。 [0059] (7)第二成型模具24的冲模28和冲头29的凹部281、292和凸部282、291的配置节距ρ2比第一成型模具23的冲模25和冲头26的凹部251、262和凸部252、261的配置节距ρ1窄。如此减小了第二成型模具24的配置节距ρ2，这使得能够在第二工序中通过压延侧壁部272而对沿着材料周长的延伸进行修正。结果，能够抑制成型品的翘曲或起伏。 [0060] (8)第三成型模具31的冲模32和冲头33的凹部321、332和凸部322、331的配置节距ρ3比第二成型模具24的配置节距ρ2宽，并且比第一成型模具23的冲模25和冲头26的凹部251、262和凸部252、261的配置节距ρ1窄。因此，能够以预期的第二工序中金属板材21的延伸来成型金属板材21。因此，改善了产品的尺寸精度。 [0061] 前述实施方式可以变更如下。 [0062] 金属板材21可以被用于除了燃料电池隔板以外的用途，例如，可以用于散热板的用途。 [0063] 在完成第三工序之后，可以执行第四工序或其他随后的工序。在第四工序和随后的工序中，突出部22的侧壁部222可以被进一步竖立，或者可以在预定位置开孔。 [0065] 前述实施方式的成型方法可以被应用于仅形成有单一突出部的金属板材。 [0066] 突出部可以被用于除了前述实施方式以外的用途。例如，突出部可以被实施为与其它邻接构件形成密封部的突部。 [0067] 冲头和冲模可以相互替换。 |
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