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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Riffelungsformungsvorrichtung
und auf ein Riffelungsformungsverfahren, die zur Ausbildung einer Vielzahl
riefenförmiger
Vertiefungen und Erhebungen (d.h. einer gewellten Form) ausgelegt
ist; insbesondere auf eine Riffelungsformungsvorrichtung und auf ein
Riffelungsformungsverfahren, die zur Ausbildung einer geriffelten
Form auf einer dünnen
Metallplatte ausgelegt sind, sowie auf einen Metallseparator für eine Brennstoffzelle,
der mehrere riefenförmige
Vertiefungen und Erhebungen hat, die durch das Riffelungsformungsverfahren
hergestellt wurden.
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Beschreibung des Standes
der Technik:
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Es
besteht bisher ein Bedarf nach der Entwicklung einer Brennstoffzelle,
die kompakt ist und einen hohen Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Energie
aufweist. Zum Beispiel weist eine Festelektrolytbrennstoffzelle
eine Vielzahl gestapelter Zelleinheiten auf, die jeweils eine Sandwichstruktur
aufweisen, die aus einem Separator, der Brennstoffdurchgänge aufweist,
einer Brennstoffelektrode, einer Festpolymermembran, einer Luftelektrode
und einem Separator mit Luftdurchgängen besteht. In einer solchen
Festelektrolytbrennstoffzelle können
die folgenden Mittel eingesetzt werden, um die Größe der Zelle selbst
zu verringern und den Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Energie
zu verbessern. So besteht zum Beispiel ein Mittel zur Verringerung
der Größe der Zelle
darin, die beiden Separatoren dünner
zu machen. Außerdem
besteht zum Beispiel ein Mittel zur Verbesserung des Energieerzeugungswirkungsgrads
darin, Brennstoff- und Luftdurchgänge mit kleinen Abständen zu
definieren, um so die Reaktion zwischen dem Brennstoff und der Luft
zu beschleunigen.
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Zur
Realisierung der oben erwähnten
Mittel wurden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung
von Separatoren für
Festelektrolytbrennstoffzellen vorgeschlagen, die jeweils am Rand
einen flachen Teil und eine Vielzahl darauf ausgebildeter geriffelter
Vertiefungen und Erhebungen aufweisen, wie zum Beispiel in der japanischen
Patentanmeldungsveröffentlichung
(Kokai) Nr. H2002-313354 gezeigt ist. Die in dieser Veröffentlichung
offenbarte herkömmliche
Herstellungsvorrichtung hat ein Paar Vorformungs-Zugwalzen, das
aus einer oberen und einer unteren Walze besteht, in einer vorderen
Stufe, und ein Paar Abschlussformungszugwalzen, das aus einer oberen
und einer unteren Walze besteht, in einer hinteren Stufe. Die Vorformungszugwalzen
haben Vertiefungen und Erhebungen zum Vorformen eines Materials,
so dass es eine iterative Querschnittsform aufweist, die aufeinander
folgende konvexe Teile und konkave Teile hat. Die Abschlussformungszugwalzen
haben Vertiefungen und Erhebungen zur Endbearbeitung des vorgeformten
Materials, so dass es eine endgültige
iterative Querschnittsform aufweist, die aufeinander folgende konvexe
Teile und konkave Teile hat. Wenn bei der herkömmlichen Herstellungsvorrichtung
das Paar Vorformungszugwalzen und das Paar Abschlussformungszugwalzen
rotiert werden, werden dem Material die Formen der Vertiefungen
und der Erhebungen verliehen, wodurch ein Separator hergestellt
wird, der eine iterative Querschnittsform aufweist, die aufeinander
folgende konvexe Teile und konkave Teile hat.
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Da
bei der herkömmlichen
Herstellungsvorrichtung und dem entsprechenden Verfahren aufeinander
folgende Erhebungen und Vertiefungen jedoch in einem Mittelteil
eines Materials ausgebildet werden, das einen flachen Teil an dessen
Rand aufweist, werden in manchen Fällen beträchtliche Spannungen im Mittelteil
erzeugt und angesammelt (insbesondere am Übergang zwischen dem Mittelteil
und dem flachen Teil), was möglicherweise
zur Erzeugung von Zugrissen führt.
Die Erzeugung dieser Zugrisse wird insbesondere während der
Ausbildung einer feinen Wellenform wahrscheinlich. Daher erfordert
die Ausbildung einer feinen Wellenform während einer gleichzeitigen
Vermeidung von Zugrissen Maßnahmen,
wie zum Beispiel den Einsatz eines aus mehreren Stufen bestehenden
Vorgangs; d.h. eines mehrstufigen Vorformungsvorgangs, was zu einer Erhöhung der
Produktionskosten führen
kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Angesichts
des oben genannten Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Riffelungsformungsvorrichtung und ein Riffelungsformungsverfahren
vorzusehen, welche die Dehnbarkeit eines Materials während der
Ausbildung einer geriffelten Form erhalten, um dadurch eine feine
und exakte geriffelte Form auszubilden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Metallseparator
für eine
Brennstoffzelle vorzusehen, der eine Vielzahl riefenförmiger Vertiefungen
und Erhebungen aufweist, die durch das Riffelungsformungsverfahren
ausgebildet sind. Die vorliegende Erfindung verbessert eine Riffelungsformungsvorrichtung
und ein Riffelungsformungsverfahren, die zur Ausbildung riefenförmiger Vertiefungen
und Erhebungen an einer dünnen
Metallplatte ausgelegt sind, um hierdurch einen Metallseparator
für eine
Brennstoffzelle zu verbessern, der durch das Riffelungsformungsverfahren
hergestellt wird.
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Die
kennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Erfindung sind die folgenden:
eine dünne Metallplatte
(Metallseparatormaterial) wird zwischen ein Paar Formungselemente
eingelegt, die mit einem vorbestimmten Spiel im Eingriff miteinander
laufen, das in einer Dickenrichtung der dünnen Metallplatte vorgesehen
ist, um nacheinander riefenförmige
Vertiefungen und Erhebungen auszubilden, die sich entlang einer
Breitenrichtung der dünnen
Metallplatte (Metallseparatormaterial) erstrecken. Die eingelegte dünne Metallplatte
(Metallseparatormaterial) wird in einer solchen Weise in Vorschub
gebracht, dass unterschiedliche Teile der dünnen Metallplatte nacheinander
in einen Bereich vorgeschoben werden, in dem das Paar Formungselemente
miteinander in Eingriff läuft,
während
das Paar Formungselemente in synchronisierter Art und Weise verschoben
wird, um so riefenförmige
Vertiefungen und Erhebungen an der dünnen Metallplatte (Metallseparatormaterial)
auszubilden. Die dünne
Metallplatte (Metallseparatormaterial), die nacheinander ausgebildete
Vertiefungen und Erhebungen aufweist, wird entfernt. In diesem Fall
werden vorzugsweise riefenförmige
Vertiefungen und Erhebungen nacheinander an der dünnen Metallplatte
(Metallseparatormaterial) ausgebildet, während die dünne Metallplatte in den Bereich
einläuft, an
dem das Paar Formungselemente miteinander in Eingriff läuft; wobei
sie zuerst mit einem des Paares der Formungselemente in Kontakt
gebracht wird. In diesem Fall werden Vertiefungen und Erhebungen mit
gewünschten
endgültigen
Formen nacheinander an der dünnen
Metallplatte (Metallseparatormaterial) ausgebildet, die nacheinander
ausgebildete riefenförmige
Vertiefungen und Erhebungen aufweist. Vorzugsweise ist in diesen
Fällen
die dünne
Metallplatte (Metallseparatormaterial) eine Schmierstahlplatte, die
aus einer Stahlplatte und einer darauf ausgebildeten Schmierbeschichtung
besteht.
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Aufgrund
dieser Merkmale können
Vertiefungen und Erhebungen nacheinander über die gesamte Breite der
dünnen
Metallplatte (Metallseparatormaterial) ausgebildet werden, und es
gibt in der Breitenrichtung keine Grenze zwischen dem geriffelt
ausgebildeten Teil und dem nicht geriffelt ausgebildeten Teil, wobei
lokal erzeugte große
Spannungen verringert werden können.
Es können
daher Zugrisse oder Verwerfungen, die von der Formgebung herrühren, in wirksamer
Weise vermieden werden und eine feine geriffelte Form hergestellt
werden. Da zusätzlich
Vertiefungen und Erhebungen nacheinander durch die synchronisierte
Bewegung der Formungselemente ausgebildet werden können, kann
eine feine geriffelte Form in präziser
Weise ausgebildet werden, ohne dass die dünne Metallplatte dabei unnötig zusammengepresst
wird.
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Außerdem kann
der Formungsschritt in einem Zustand ausgeführt werden, in dem die dünne Metallplatte
mit einem der Formungselemente in Kontakt ist, wodurch ein Anheben
der dünnen
Metallplatte verhindert werden kann. Daher kann die Erzeugung unnötiger Spannungen,
der von Formgebung herrührt,
unterdrückt
werden, wodurch Zugrisse und Verwerfungen wirksam verhindert werden
können.
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Außerdem können nach
einem Entfernen der dünnen
Metallplatte, welche die nacheinander ausgebildeten riefenförmigen Vertiefungen
und Erhebungen aufweist, Vertiefungen und Erhebungen mit der gewünschten
endgültigen
Form nacheinander an der dünnen
Metallplatte ausgebildet werden. (Es kann eine endgültige Pressung
ausgeführt
werden.) Aufgrund dieser Tatsache können zum Beispiel in dem Fall,
bei dem Brennstoffzellen-Metallseparatoren hergestellt werden, die
Brennstoffzellen-Metallseparatoren
präzise
in eine gewünschte
Form gebracht werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei der
Montage der Metallseparatoren durch einen Stapelvorgang verbessert
werden. Zusätzlich kann
ein genügend
großer Kontaktbereich
zwischen den Metallseparatoren sichergestellt werden, wodurch ihre
Elektrizitätsleitleistung
beträchtlich
verbessert werden kann. Demnach kann die Größe der Brennstoffzelle verringert
werden und der Leistungserzeugungswirkungsgrad verbessert werden.
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Da
außerdem
die dünne
Metallplatte eine Schmierstahlplatte ist, kann die Reibung, die
zwischen der dünnen
Metallplatte (Metallseparatormaterial) und den Formungselementen
auftritt, verringert werden. Auf diese Weise werden Spannungen aufgrund
der auftretenden Reibung verringert, was auch Zugrisse und Verwerfungen
wirksam verhindert.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung können das Paar Formungselemente
ein Zahnstangenelement (Zahnstangenwerkzeug) und ein Ritzelelement
(Ritzelelement) sein. In diesem Fall haben vorzugsweise die Zähne des
Ritzelelements in einem Querschnitt senkrecht zu dessen Axialrichtung
jeweils allgemein eine Trapezform, und haben die Zähne des
Zahnstangenelements in einem Querschnitt parallel zu dessen Axialrichtung jeweils
allgemein eine Trapezform. Noch mehr ist vorzuziehen, wenn die Zähne des
Ritzelelements jeweils eine Evolventenform in einem Querschnitt senkrecht
zu dessen Axialrichtung haben und die Zähne des Zahnstangenelements
jeweils eine Evolventenform in einem Querschnitt parallel zu dessen Axialrichtung
aufweisen.
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Aufgrund
dieser Merkmale kann ein Grad der Bearbeitungsbelastung der dünnen Metallplatte
(Metallseparatormaterial) durch die Formungselemente im Vergleich
zu dem Fall verringert werden, bei dem eine dünne Metallplatte in eine rechtwinklige
Form gebracht wird, wodurch eine bei der Formgebung auftretende
Verwerfung verringert werden kann. Außerdem ermöglicht der Einsatz des Zahnstangenelements
der dünnen
Metallplatte, während
eines Zeitraums zwischen dem Abschluss der Formgebung und dem Entfernen
der dünnen
Metallplatte (Metallseparatormaterial) mit den Zähnen des Zahnstangenelements
in Kontakt zu sein. Daher können
Verwerfungen der dünnen
Metallplatte (Metallseparatormaterial) nach der Formgebung wirksam
unterdrückt werden,
und kann zum Beispiel im Fall der Herstellung von Brennstoffzellen-Metallseparatoren
eine Montagefähigkeit
zum Zeitpunkt der Herstellung von Stapeln verbessert werden, wodurch
die Produktivität
erhöht
wird. Außerdem
kann durch die Anwendung von Evolventen-Zahnformen ein Laufen im
Eingriff zwischen den Formungselementen als flüssige Bewegung gestaltet und
eine Bildung von Kratzern oder dergleichen auf der dünnen Metallplatte
verhindert werden.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind das Paar Formungselemente mittels
eines Getriebemechanismus synchronisiert, der Komponenten aufweist,
die als Einheit mit dem Paar Formungselemente laufen. In diesem
Fall weist der Getriebemechanismus vorzugsweise eine Zahnstange
und ein Ritzel auf, die im Eingriff miteinander laufen.
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Da
aufgrund dieses Merkmals das Getriebe miteinander in Eingriff laufende
Komponenten, insbesondere ein Zahnstangengetriebe, aufweist, können Verschiebungen
der Formungselemente zuverlässig synchronisiert
werden, ohne dass dabei ein Spiel entsteht. Dadurch entsteht kaum
eine relative Verschiebung zwischen den Formungselementen, wodurch Verwerfungen
oder Zugrisse der dünnen
Metallplatte (Metallseparatormaterial), die sonst aufgrund einer solchen
relativen Verschiebung auftreten würden, verhindert und feine
Vertiefungen und Erhebungen nacheinander mit großer Genauigkeit ausgebildet werden
können.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Verschiedene
andere Aufgaben, Merkmale und viele der damit einhergehenden Vorteile
der vorliegenden Erfindung sind leicht zu ersehen, da sie anhand
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
bei ihrer Betrachtung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen
besser verständlich
werden. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung, die schematisch eine Riffelungsformungsvorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 eine
Querschnittsdarstellung der Riffelungsformungsvorrichtung von 1,
entlang der Linie II-II von 1;
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3 eine
Querschnittsdarstellung, die ein Laufen im Eingriff zwischen einem
Zahnstangenwerkzeug und einem Ritzelwerkzeug der Riffelungsformungsvorrichtung
von 1 zeigt;
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4 eine
Querschnittsdarstellung, die schematisch einen Pressmechanismus
zeigt, der an der Riffelungsformungsvorrichtung von 1 angebracht
ist;
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Die 5A bis 5D perspektivische
Darstellungen zum Beschreiben eines Verfahrens zur Ausbildung von
Riffelungen durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Riffelungsformungsvorrichtung;
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6 eine
schematische Querschnittsdarstellung zur Beschreibung eines abschließenden Pressschritts;
und
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7A und 7B perspektivische
Darstellungen, die eine Riffelungsformungsvorrichtung gemäß einer
Modifikation der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Es
wird nun eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. 1 und 2 zeigen
eine Riffelungsformungsvorrichtung A gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die zum aufeinander folgenden Ausbilden von Vertiefungen
und Erhebungen an einer dünnen
Metallplatte Z ausgelegt ist. Die Riffelungsformungsvorrichtung
A enthält
einen Tisch 11, der auf einer Grundplatte fest angeordnet
ist, und einen Gleittisch 14, der auf der oberen Oberfläche des Tischs 11 gelagert
ist, um entlang der Längsrichtung des
Tischs 11 über
ein Paar Führungsschienen 12 zu laufen,
die auf der oberen Oberfläche
des Tischs 11 befestigt sind und sich entlang der Längsrichtung
erstrecken, sowie mehrere Führungswalzen 13.
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Ein
Zahnstangenwerkzeug 15, dessen Zähne breiter als die dünne Metallplatte
Z sind, ist mittels Schrauben fest auf der oberen Oberfläche des
Gleittischs 14 angebracht. Ein Ritzelwerkzeug 16,
dessen Ritzelzähne
breiter als die dünne
Metallplatte Z sind, ist so über
dem Zahnstangenwerkzeug 15 angeordnet, dass seine Ritzelzähne mit
den Zahnstangenzähnen
im Eingriff laufen. Für
eine aufeinander folgende Ausbildung riefenförmiger Vertiefungen und Erhebungen
an der dünnen
Metallplatte Z sind, wie in 3 gezeigt,
die Zahnstangenzähne
des Zahnstangenwerkzeugs 15 und die Ritzelzähne des
Ritzelwerkzeugs 16 in gegenseitigem Eingriff mit einem zwischen
ihnen ausgebildeten vorbestimmten Spiel, wobei das Spiel geringfügig größer als
die Dicke der dünnen
Metallplatte Z ist. Außerdem
ist in einem Zustand, in dem die Zahnstangenzähne des Zahnstangenwerkzeugs 15 und
die Ritzelzähne
des Ritzelwerkzeugs 16 miteinander im Eingriff laufen,
ein Spiel, das größer als
die Dicke der dünnen
Metallplatte Z ist, zwischen den Köpfen (bzw. den Füßen) der Zahnstangenzähne und
den Füßen (bzw.
den Köpfen)
der Ritzelzähne
ausgebildet.
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Wie
in 3 gezeigt, sind die Zahnstangenzähne des
Zahnstangenwerkzeugs 15 und die Ritzelzähne des Ritzelwerkzeugs 16 Evolventenzähne. Daher
können
die Zahnstangenzähne
und die Ritzelzähne
in sehr glatt laufender Weise im Eingriff miteinander laufen und üben keine
unnötige
Kompressionsbelastung auf die dünne
Metallplatte Z aus, wenn sie sich voneinander trennen. Das Zahnstangenzähne aufweisende
Zahnstangenwerkzeug 15 und das Ritzelzähne aufweisende Ritzelwerkzeug 16 dienen als
die paarweise auftretenden Formungselemente der vorliegenden Erfindung.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
sind die Zahnstangenzähne
des Zahnstangenwerkzeugs 15 und die Ritzelzähne des Ritzelwerkzeugs 16 Evolventenzähne. In
manchen Anwendungsbereichen können
das Zahnstangenwerkzeug 15 und das Ritzelwerkzeug 16 jedoch
auch Zähne
aufweisen, die flache Flankenflächen
und einen allgemein trapezförmigen
Querschnitt aufweisen.
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt, ist das Ritzelwerkzeug 16 in
einer solchen Art und Weise koaxial auf eine Welle 17 aufgesetzt,
dass das Ritzelwerkzeug 16 relativ zur Welle 17 nicht
verdreht werden kann. Die Welle 17 ist über Lager auf einem Paar stehender
Elemente 18 gelagert, die auf der oberen Oberfläche des
Gleittischs 14 angeordnet sind. Die Welle 17 dreht
sich mit einer Drehung einer Kurbel 19, die auf ein Ende
der Welle 17 aufgesetzt ist. Die stehenden Elemente 18 haben
jeweils eine annähernd
rechtwinklige U-Form; d.h. zwei nach oben stehende Teile. Ein nach
oben stehender Teil stützt
die Welle 17 über
das entsprechende Lager drehbar ab. Der andere nach oben stehende
Teil hält
eine Begrenzungsführung 20 zur
Verhinderung einer seitlichen Verschiebung der dünnen Metallplatte Z, wenn sie
einläuft.
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Eine
Vorschubzahnstange 21 ist an einem Seitenteil (in 2 dem
linken Seitenteil) des Zahnstangenwerkzeugs 15 fest befestigt,
um so den Gleittisch 14 und das Zahnstangenwerkzeug 15 entlang der
Längsrichtung
des Tischs 11 zu bewegen. Die Vorschubzahnstange 21 weist
Zahnstangenzähne auf,
die im gleichen Abstand wie diejenigen der Zahnstangenzähne des
Zahnstangenwerkzeugs 15 ausgebildet sind. Ein Vorschubritzel 22 ist über der
Vorschubzahnstange 21 angeordnet und sitzt koaxial auf der
Welle 17, so dass es neben dem Ritzelwerkzeug 16 in
einer solchen Art und Weise angeordnet ist, dass das Vorschubritzel 22 relativ
zur Welle 17 nicht verdrehbar ist. Das Vorschubritzel 22 hat
Zähne,
die mit der gleichen Teilung wie die Ritzelzähne des Ritzelwerkzeugs 16 ausgebildet
sind, und hat den gleichen Flankendurchmesser wie die Ritzelzähne des Ritzelwerkzeugs 16.
Das Vorschubritzel 22 läuft
mit der Vorschubzahnstange 21 in einer solchen Weise im
Eingriff, dass zwischen ihnen kein Spiel besteht, weshalb eine Drehung
des Vorschubritzels 22 präzise auf die Vorschubzahnstange 21 übertragen
wird. Die Vorschubzahnstange 21 und das Vorschubritzel 22 stellen
den Verschiebungs-Synchronisationsmechanismus
der vorliegenden Erfindung dar.
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Die
Riffelungsformungsvorrichtung A ist mit einem Pressmechanismus B
zum in Kontakt Bringen der dünnen
Metallplatte Z mit dem Zahnstangenwerkzeug 15 ausgerüstet, wenn
die dünnen
Metallplatte Z in einen Bereich eingefahren wird, in dem das Zahnstangenwerkzeug 15 und
das Ritzelwerkzeug 16, die als die paarweise auftretenden
Formungselemente dienen, im Eingriff miteinander laufen. Wie in 4 gezeigt,
enthält
der Pressmechanismus B einen Kontaktteil 31, eine Kontaktwalze 32, eine
Welle 33 und eine Feder 34, die auf einer Seite angeordnet
sind, von der die dünne
Metallplatte Z einläuft.
Der Kontaktteil 31 bringt die dünne Metallplatte Z, die in
den Bereich einläuft,
in dem das Zahnstangenwerkzeug 15 und das Ritzelwerkzeug 16 miteinander
in Eingriff kommen, zuverlässig
mit der Oberfäche
des Zahnstangenwerkzeugs 15 in Kontakt. Die Kontaktwalze 32 bringt
die dünne
Metallplatte Z, die in den Kontaktteil 31 einläuft, mit
der Oberfläche
des Zahnstangenwerkzeugs 15 in Kontakt. Die Welle 33 überträgt die nach
unten drückende
Kraft der Feder 34 auf den Kontaktteil 31 und
die Kontaktwalze 32.
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Der
Pressmechanismus B enthält
ferner eine Druckwalze 35, eine Welle 36 und eine
Feder 37, die auf der Seite angeordnet sind, zu welcher
die dünne Metallplatte
Z ausläuft.
Die Druckwalze 35 bringt die dünne Metallplatte Z, auf der
nacheinander Vertiefungen und Erhebungen ausgebildet wurden, in
Kontakt mit der Oberfläche
des Zahnstangenwerkzeugs 15. Die Welle 36 überträgt eine
nach unten drückende Kraft
der Feder 37 auf die Druckwalze 35.
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Als
Nächstes
folgt anhand der 5A bis 5D die
Beschreibung eines Riffelungsformungsverfahrens zum aufeinander
folgenden Ausbilden von riefenförmigen
Vertiefungen und Erhebungen auf der dünnen Metallplatte Z durch die
Verwendung der Riffelungsformungsvorrichtung A mit dem oben beschriebenen
Aufbau. In der folgenden Beschreibung ist die dünne Metallplatte Z aus einem
Metallseparatormaterial, aus dem ein Metallseparator für eine Brennstoffzelle
hergestellt wird. Ferner ist in der folgenden Beschreibung die dünne Metallplatte
Z eine Schmierstahlplatte mit einer auf ihr ausgebildeten Schmierbeschichtung
und einer Dicke von 0,1 mm.
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Als
Erstes wird ein Werkstückeinlegeschritt beschrieben.
In diesem Werkstückeinlegeschritt wird,
wie in 5A gezeigt, eine dünne Metallplatte Z
einer Streifenform durch die Begrenzungsführung 20 geführt und
wird ein Vorderendenteil der dünnen Metallplatte
Z in einem Einspannmechanismus befestigt, der an einem Ende des
Gleittischs 14 vorgesehen ist. Der Einspannmechanismus
wird hier nicht im Einzelnen beschrieben. Vor diesem Befestigungsvorgang
wird der Gleittisch 14 (insbesondere das Zahnstangenwerkzeug 15)
auf die rechte Seite in 5A bewegt
und sind die Zahnstangenzähne
des Zahnstangenwerkzeugs 15 und die Ritzelzähne des Ritzelwerkzeugs 16 voneinander
gelöst.
Hierdurch kann die dünne
Metallplatte Z leicht durch ein Spiel zwischen dem Zahnstangenwerkzeug 15 und
dem Ritzelwerkzeug 16 laufen, um so den Vorderendenteil
der dünnen
Metallplatte Z mittels des Einspannmechanismus zu befestigen. Da
die dünne
Metallplatte Z auf diese Weise befestigt ist, können Vertiefungen und Erhebungen
nacheinander auf der dünnen
Metallplatte Z ausgebildet werden, wobei ein kleiner flacher Teil
am Vorderendenteil der dünnen Metallplatte
Z verbleibt.
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Als
Nächstes
wird, wie in 5B gezeigt, der Pressmechanismus
B auf der Riffelungsformungsvorrichtung A angebracht. Das heißt, dass
der Pressmechanismus B auf der Riffelungsformungsvorrichtung A in
einem in 4 gezeigten Zustand angebracht
wird. Bei der Anbringung des Pressmechanismus B auf diese Weise
wird die eingelegte dünne
Metallplatte Z in Kontakt mit der Zahnstangen-Zahn-Ausbildungsoberfläche des
Zahnstangenwerkzeugs 15 mittels des Kontaktteils 31 und
der Kontaktwalze 32 gehalten, auf welche die Druckkraft der
Feder 34 über
die Welle 33 übertragen
wird. Wenn, wie unten noch zu beschreiben ist, ein Formungsschritt
in einem Zustand durchgeführt
wird, in welchem die dünne
Metallplatte Z mit der Zahnstangen-Zahn-Ausbildungsoberfläche des
Zahnstangenwerkzeugs 15 in Kontakt ist, wird ein Anheben
der dünnen
Metallplatte Z verhindert und werden daher Vertiefungen und Erhebungen
in korrekter Weise ausgebildet.
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Als
Nächstes
folgt eine Beschreibung eines Formungsvorgangs zum nacheinander
Ausbilden von Vertiefungen und Erhebungen auf der dünnen Metallplatte
Z. Wie in den 5C und 5D gezeigt,
wird dieser Formungsschirtt mittels Drehen der Kurbel 19 in
der durch einen Pfeil angezeigten Richtung durchgeführt. Dieser
Formungsschritt wird nun im Einzelnen beschrieben. Wenn die Kurbel 19 in
der durch den Pfeil angezeigten Richtung gedreht wird, nachdem die
dünne Metallplatte
Z und der Pressmechanismus B in dem oben beschriebenen Werkstückeinlegeschritt
eingestellt wurden, dreht sich die mit der Kurbel 19 verbundene
Welle 17 in der Richtung des Pfeils, so dass sich das Ritzelwerkzeug 16 und das
Vorschubritzel 22 drehen. Zu dieser Zeit laufen die Ritzelzähne des
Ritzelwerkzeugs 16 mit den Zahnstangenzähnen des Zahnstangenwerkzeugs 15 in
Eingriff, während
ein vorbestimmtes Spiel (z.B. 0,12 mm) zwischen ihnen besteht. Währenddessen läuft das
Vorschubritzel 22 mit der Vorschubzahnstange 21 derart
im Eingriff, dass zwischen ihnen kein Spiel besteht.
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Daher
bewegt sich bei einer Übertragung
der Rotation des Vorschubritzels 22 auf die Vorschubzahnstange 21 der
Gleittisch 14 in präziser
Weise entlang der Längsrichtung
des Tischs 11 in dem Zustand, in dem kein direkter Kontakt
zwischen den Ritzelzähnen
des Ritzelwerkzeugs 16 und den Zahnstangenzähnen des
Zahnstangenwerkzeugs 15 besteht. Außerdem bewegt sich der Gleittisch 14,
d.h. das Zahnstangenwerkzeug 15, in exakter Weise mit der
Rotation der Kurbel 19 und haben die Zähne des Ritzels 22 und
diejenigen des Ritzelwerkzeugs 16 den gleichen Flankendurchmesser.
Daher ändert sich
das vorbestimmte Spiel zwischen den Ritzelzähnen des Ritzelwerkzeugs 16 und
den Zahnstangenzähnen
des Zahnstangenwerkzeugs 15 nicht, d.h. die Rotationsverschiebung
der Ritzelzähne 16 läuft synchron
mit der Axialverschiebung des Zahnstangenwerkzeugs 15.
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Da
der Vorderendenteil der dünnen
Metallplatte Z mittels des Einspannmechanismus im Werkstückeinlegeschritt
befestigt wurde, bewegt sich die dünne Metallplatte Z nicht bezüglich des
Gleittischs 14 (insbesondere des Zahnstangenwerkzeugs 15). Wenn
sich daher der Gleittisch 14 bei einer Drehung der Kurbel 19 in
exakter Weise verschiebt, wird die dünne Metallplatte Z in exakter
Weise in einen Bereich geführt,
in dem die Zahnstangenzähne
des Zahnstangenwerkzeugs 15 und die Ritzelzähne des Ritzelwerkzeugs 16 miteinander
in Eingriff laufen. Wie in 3 gezeigt,
werden in dem Bereich, in dem die Zahnstangenzähne des Zahnstangenwerkzeugs 15 und
die Ritzelzähne
des Ritzelwerkzeugs 16 miteinander in Eingriff laufen,
nacheinander riefenförmige
Vertiefungen und Erhebungen auf der dünnen Metallplatte Z ausgebildet,
die während
einer Rotation der Kurbel 19 kontinuierlich vorgeschoben
wird. Da die dünne
Metallplatte Z eine Schmierstahlplatte ist, kann die Reibung in
Kontaktzonen zwischen den Zahnstangenzähnen des Zahnstangenwerkzeugs 15 und
den Ritzelzähnen
des Ritzelwerkzeugs 16 verringert werden. Auf diese Weise
wird die Erzeugung von Verzerrungen, die von einer Reibung nach
einer Bildung der riefenförmigen
Vertiefungen und Erhebungen herrühren,
verringert, wodurch Verwerfungen und Risse wirksam verringert werden
können.
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Die
dünne Metallplatte
Z, die aus dem Bereich ausläuft,
wo die Zahnstangenzähne
des Zahnstangenwerkzeugs 15 und die Ritzelzähne des
Ritzelwerkzeugs 16 miteinander in Eingriff laufen, wird mittels
der Druckwalze 35 des Pressmechanismus B gegen die Zahnstangenzähne des
Zahnstangenwerkzeugs 15 gedrückt. Auf diese Weise wird nach der
Ausbildung von riefenförmigen
Vertiefungen und Erhebungen die dünne Metallplatte Z gehalten,
während
sie gegen die Zahnstangenzähne
des Zahnstangenwerkzeugs 15 gedrückt wird. Auf diese Weise können nach
der Formung auftretende Spannungen bis zu einem gewissen Grad verhindert
werden und können
Verwerfungen und Risse wirksam verringert werden.
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Nach
Abschluss des oben beschriebenen Formungsschritts wird die dünne Metallplatte
Z, an welcher die Formung durchgeführt wurde, entfernt. Auf der entfernten
dünnen
Metallplatte Z wurden nacheinander riefenförmige Vertiefungen und Erhebungen
ausgebildet, von denen jede einen allgemein trapezförmigen Querschnitt
hat, der demjenigen der Zahnstangenzähne des Zahnstangenwerkzeugs
und der Ritzelzähne
des Ritzelwerkzeugs 16 ähnlich
ist. Die dünne
Metallplatte Z, die auf diese Weise vorgeformt wurde, wird mittels
eines abschließenden Pressschritts
nachbearbeitet, durch den ein Metallseparator für eine Brennstoffzelle erhalten
wird. Auch wenn dieser abschließende
Pressschritt unten beschrieben wird, wird eine Beschreibung eines
detaillierten Aufbaus und eines Betriebs dafür weggelassen, weil der abschließende Pressschritt
ein sogenannter Pressformungsschritt ist.
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Der
abschließende
Pressschritt ist ein Schritt zum abschließenden Formen der vorgeformten
dünnen
Metallplatte Z in die Form eines Brennstoffzellen-Metallseparators.
Die vorgeformte dünne
Metallplatte Z wird durch die Verwendung eines oberen Prägestempels
U und eines unteren Prägestempels S
pressgeformt, welche die Form einer flachen Platte haben. Wie in 6 gezeigt,
sind auf dem oberen Prägestempel
U und dem unteren Prägestempel
S mehrere Vertiefungen und Fortsätze
ausgebildet und haben die Vertiefungen und Fortsätze allgemein rechtwinklige
Querschnitte, die der gewünschten Form
des Brennstoffzellen-Metallseparators
entsprechen. Die vorgeformte dünne
Metallplatte Z wird auf den unteren Prägestempel S gelegt, und der
oberen Prägestempel
U wird auf den unteren Prägestempel S
abgesenkt und gegen diesen gedrückt,
wodurch ein Brennstoffzellen-Metallseparator mit der gewünschten
Form erhalten wird. Auch wenn die dünne Metallplatte Z während des
abschließenden
Pressschritts mittels des oberen Prägestempels U und des unteren
Prägestempels
S pressgeformt wird, kann die Bildung von Rissen oder Kratzern wirksam
verhindert werden, weil die dünne
Metallplatte Z eine Schmierstahlplatte ist.
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Wie
aus der obigen Beschreibung hervorgeht, gibt es, da die Riffelungsformungsvorrichtung
A gemäß der vorliegenden
Erfindung Vertiefungen und Erhebungen über die gesamte Breite der
dünne Metallplatte
Z ausbilden kann, keine Grenze zwischen dem mit Riffelungen versehenen
Teil und dem mit Riffelungen nicht versehenen Teil bezüglich der
Breitenrichtung, wodurch größere lokal
erzeugte Spannungen verringert werden können. Daher können Zugrisse
und Verwerfungen, die von der Formung herrühren, wirksam unterdrückt werden
und kann eine feine Riffelungsform ausgebildet werden. Da außerdem Vertiefungen
und Erhebungen durch die synchronisierte Bewegung des Zahnstangenwerkzeugs 15 und des
Ritzelwerkzeugs 16 nacheinander ausgebildet werden können, kann
eine feine Riffelungsform in exakter Weise ausgebildet werden.
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Darüber hinaus
werden nach der Entfernung der dünnen
Metallplatte Z, an der nacheinander Vertiefungen und Erhebungen
ausgebildet wurden, Vertiefungen und Erhebungen jeweils mit einer
endgültigen
Form an der dünnen
Metallplatte Z ausgeführt (d.h.
es wird eine endgültige
Pressung durchgeführt). Wenn
daher Brennstoffzellen-Metallseparatoren hergestellt werden, können die
Brennstoffzellen-Metallseparatoren
in exakter Weise in eine gewünschte Form
gebracht werden. Hieraus ergibt sich, dass eine Genauigkeit bei
der Zusammensetzung von Metallseparatoren durch Stapelbildung verbessert
werden kann und eine genügend
große
Kontaktfläche
zwischen den Metallseparatoren sichergestellt werden kann, wodurch
ihre Elektrizitätsleitleistung
erheblich verbessert werden kann. Dementsprechend kann auch die
Größe einer
dabei entstehenden Brennstoffzelle verringert und der Energieerzeugungswirkungsgrad
verbessert werden. Da außerdem
die dünne Metallplatte
Z eine Schmierstahlplatte ist, kann auch eine Reibung, die während der
Formungsschritte zwischen der dünnen
Metallplatte Z und den Zahnstangenzähnen des Zahnstangenwerkzeugs 15 oder den
Ritzelzähnen
des Ritzelwerkzeugs 16 entsteht, verringert werden. Auf
diese Weise werden aus der Reibung herrührende Spannungen verringert,
was auch von der Formung herrührende
Zugrisse und Verwerfungen wirksam unterdrückt.
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Da
die Zahnstangenzähne
des Zahnstangenwerkzeugs 15 und die Ritzelzähne des
Ritzelwerkzeugs Evolventenzähne
sind, die eine allgemein trapezförmige
Form haben, kann eine Bearbeitungsbelastung der dünnen Metallplatte
Z mittels des Zahnstangenwerkzeugs 15 und des Ritzelwerkzeugs 16 verringert
werden. Daher kann auch eine in der dünnen Metallplatte Z aus der
Formung herrührende Verzerrung
verringert werden. Außerdem
ermöglicht die
Verwendung des Zahnstangenwerkzeugs 15 es der dünnen Metallplatte
Z, während
eines Zeitraums vom Abschluss der Formung bis zur Entfernung der dünnen Metallplatte
Z mit den Zahnstangenzähnen des
Zahnstangenwerkzeugs 15 in Kontakt gehalten zu werden.
Daher kann eine Verformung der dünnen Metallplatte
Z nach der Formung wirksam unterdrückt werden und kann zum Beispiel
im Fall der Herstellung von Brennstoffzellen-Metallseparatoren eine Montagefähigkeit
zur Zeit der Herstellung von Stapeln (Stacks) verbessert werden,
wodurch die Produktivität
gesteigert werden kann.
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Außerdem können durch
den Einsatz eines aus der Vorschubzahnstange 21 und dem
Vorschubritzel 22 zusammengesetzten Getriebes als einem Verschiebungssynchronisationsmechanismus
Verschiebungen des Zahnstangenwerkzeugs 15 und des Ritzelwerkzeugs 16 zuverlässig synchronisiert werden.
Daher können
Verwerfungen oder Zugrisse der dünnen
Metallplatte Z, die sonst aufgrund der relativen Verschiebung zwischen
dem Zahnstangenwerkzeug 15 und dem Ritzelwerkzeug 16 erzeugt würden, verhindert
werden und können
feine Vertiefungen und Erhebungen mit großer Genauigkeit nacheinander
ausgebildet werden. In der oben beschriebenen Ausführungsform
ist die Riffelungsformungsvorrichtung in einer solchen Weise konfiguriert,
dass ein Betreiber die Kurbel 19 dreht, um die Welle 17 zu
drehen. Die Riffelungsformungsvorrichtung kann jedoch auch so konfiguriert
sein, dass die Welle 17 durch die Verwendung eines Elektromotors anstelle
der Kurbel 19 gedreht wird.
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Außerdem kann
die Riffelungsformungsvorrichtung in einer solchen Weise konfiguriert
sein, dass das Zahnstangenwerkzeug 15 unverschiebbar ist
und das Ritzelwerkzeug 16 entlang der axialen Richtung
des Zahnstangenwerkzeugs 15 relativ bewegt wird. In diesem
Fall wird die Vorrichtung so konfiguriert, dass sich die stehenden
Elemente 18 relativ zum Tisch 11 entlang dessen
Längsrichtung
bewegen können.
Insbesondere sind dann die stehenden Elemente 18 am Tisch 11 über Führungsschienen 12 und
die Führungswalzen 13 befestigt
und ist die Vorschubzahnstange 21 daran befestigt. Durch
diese Konfiguration bewegen sich, wenn eine Rotation des Vorschubritzels 22 auf
die Vorschubzahnstange 21 übertragen wird, die stehenden
Elemente 18 relativ zum Tisch 11, so dass sich
das Ritzelwerkzeug 16 relativ zum Zahnstangenwerkzeug 15 bewegt.
Als Ergebnis werden nacheinander Vertiefungen und Erhebungen an
der dünnen
Metallplatte Z ausgebildet.
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Bei
der oben beschriebenen Ausführungsform
verwendet die Riffelungsformungsvorrichtung A das Zahnstangenwerkzeug 15,
um so nacheinander riefenförmige
Vertiefungen und Erhebungen auszubilden, und das Zahnstangenwerkzeug 15 hat
eine flache, plattenartige Form. Um jedoch im Vergleich mit der
Riffelungsformungsvorrichtung A eine größere Produktivität zu erreichen,
ist es wünschenswert, eine
dünne Metallplatte
Z, die in der Form einer Spule aufgewickelt ist, kontinuierlich
vorzuschieben und die riefenförmigen
Vertiefungen und Erhebungen nacheinander an der dünnen Metallplatte
Z auszubilden. In diesem Fall wird, wie in den 7A und 7B gezeigt,
eine Riffelungsformungsvorrichtung A' eines Typs zur kontinuierlichen Formung
verwendet. Auch wenn diese Modifikation im Folgenden beschrieben wird,
sind im Wesentlichen mit denjenigen der oben beschriebenen Ausführungsform
identische Teile mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet und
wird ihre detaillierte Beschreibung weggelassen.
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Die
Riffelungsformungsvorrichtung A' enthält ein Rad 114,
das dem Gleittisch 14 der oben beschriebenen Ausführungsform
entspricht. Das Rad 114 wird mittels eines nicht gezeigten
Elektromotors mit einer konstanten Geschwindigkeit rotiert. Mehrere
(in 7A, 3) Zahnstangenwerkzeuge 115 können in
gewünschten
Abständen
auf dem Außenumfang
des Rads 114 befestigt werden. Wie in 7B in
einem vergrößerten Maßstab gezeigt,
sind beim auf der Riffelungsformungsvorrichtung A' befestigten Zahnstangenwerkzeug 115 im
Gegensatz zum Zahnstangenwerkzeug 15 der oben beschriebenen Ausführungsform,
die Zahnstangenzähne
auf dessen gewölbter
Oberfläche
ausgebildet, was an der Art der Befestigung liegt.
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Ein
Ritzelwerkzeug 116 ist über
dem Zahnstangenwerkzeug 115 angeordnet und hat an ihm ausgebildete
Ritzelzähne,
wobei diese Zähne
mit den Zähnen
des Zahnstangenwerkzeugs 115 im Eingriff laufen. Das Ritzelwerkzeug 116 ist
auf eine nicht dargestellte Welle in einer solchen Weise aufgesetzt, dass
das Ritzelwerkzeug 116 relativ zur Welle nicht verdrehbar
ist. Das Zahnstangenwerkzeug 115 und das Ritzelwerkzeug 116 dienen
als die als Paar auftretenden Formungselemente der vorliegenden
Erfindung. Eine Stützplatte 118,
welche den stehenden Elementen 18 der oben beschriebenen
Ausführungsform
entspricht, ist auf einer Seite des Rads 114 vorgesehen.
Die oben beschriebene Welle und eine Begrenzungsführung 120 sind
auf der Stützplatte 118 befestigt.
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Eine
bogenförmige
Vorschubzahnstange 121 ist einstückig an einem Seitenteil des
jeweiligen Zahnstangenwerkzeugs 115 befestigt. Ein Vorschubritzel 122,
das mit der Vorschubzahnstange 121 im Eingriff läuft, ist über der
Vorschubzahnstange 121 vorgesehen. Dieses Vorschubritzel 122 ist
ebenfalls koaxial auf die oben erwähnte nicht gezeigte Welle in einer
solchen Weise aufgesetzt, dass das Vorschubritzel 122 relativ
zur Welle nicht verdrehbar ist. Die Zähne des Vorschubritzels 122 haben
den gleichen Flankendurchmesser wie die Ritzelzähne des Ritzelwerkzeugs 116.
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Die
Riffelungsformungsvorrichtung A' hat
einen Kontaktteil 131, der dem Kontaktteil 31 des Pressmechanismus
B der oben beschriebenen Ausführungsform
entspricht. Außerdem
hat die Riffelungsformungsvorrichtung A' einen Aufnahmeführungsmechanismus C, der die
geformte dünne
Metallplatte Z aufnimmt und fördert,
ohne dass eine unnötige
Zugkraft an die dünne
Metallplatte Z angelegt wird. Der Aufnahmeführungsmechanismus C ist aus mehreren
Walzen gebildet, die auf der Stützplatte 118 drehbar
angebracht sind.
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Die
Riffelungsformungsvorrichtung A' unterscheidet
sich von der Vorrichtung der oben beschriebenen Ausführungsform
dahingehend, dass die dünne
Metallplatte Z von der Rolle kontinuierlich vorgeschoben wird, und
die Antriebskraft wird auf die Seite des Zahnstangenwerkzeugs 115 übertragen.
Die verbleibenden Teile werden jedoch in der gleichen Art und Weise
wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform betrieben. Daher
können
durch die Ausführung
eines Schritts, der dem Vorformungsschritt der oben beschriebenen
Ausführungsform ähnlich ist,
nacheinander Vertiefungen und Erhebungen auf der dünnen Metallplatte
Z ausgebildet werden. Anschließend
wird die dünne
Metallplatte Z, an der der Vorformungsschritt ausgeführt wurde,
auf eine vorbestimmte Länge
geschnitten und dann einem abschließendem Pressschritt unterzogen,
wodurch ein Brennstoffzellenmetallseparator hergestellt wird. Auf diese
Weise können
Effekte erzielt werden, die denjenigen ähnlich sind, die bei der oben
beschriebenen Ausführungsform
erreicht werden. Da außerdem
die Vorformung an der von der Rolle einlaufenden dünnen Metallplatte
Z kontinuierlich ausgeführt
werden kann, kann die Produktivität erheblich gesteigert werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf die oben beschriebene Ausführungsform
und Modifikation nicht eingeschränkt,
und es sind verschiedene andere Modifikationen möglich.