複動成形技術の動向

解説
2
複動成形技術の動向
㈱ニチダイ
アジアを中心としたモノづくりのグローバル競
争の中で生き残るためには、製品の付加価値を高
村井映介＊
補助張力を利用した中空シャフトの成形について
紹介する。
めることが必要となってくる。複動成形は複数の
金型が独立して駆動することによって成形を行う
閉塞鍛造
加工法であり、鍛造品の高精度化、複雑形状品の
成形が可能である。このことから切削加工の省略
によるコスト削減などの鍛造品の付加価値を高め
る加工法として有効である。
1．閉塞鍛造の概要
閉塞鍛造は上型と下型を締め付けてつくった空
間にパンチで材料を押出す鍛造法である。この方
複動成形に関する報告は従来から多く、閉塞鍛
法により図 1 に示すスパイダー、トリポート、
造によってスパイダーやトリポートの歩留りが向
ボールスパイダーの成形が可能である。この方法
1）
2）
3）
上した事例 、背圧成形によってスクロール の
はそれ以前のバリだし鍛造8）に比べ切削工数の削
歩留まりが向上した事例が報告されている。最近
減と歩留まり向上に効果があり、飛躍的なコスト
4）
では、中空シャフトを成形した事例 、板鍛造の
成形事例5）6）7）が報告されている。
低減を実現した。
図 2 はスパイダーを例に金型の動きを示した
特に板鍛造で複動成形を用いることは工程削減
ものである。上型と下型を締め付けながら上パン
に効果があり、生産設備のコンパクト化、省スペ
チと下パンチを同じ速度で駆動するため、複動プ
ース化につながる。特に設備のコンパクト化は海
レス（図 3）が必要である。
外に設備を移設する際にメリットになる。
2．閉塞鍛造ダイセット9）
本稿では、閉塞鍛造によるスパイダーの成形と
複動プレスを使わずに汎用の機械プレスでも閉
塞鍛造を可能としたダイセット（図 4）が 1990
＊
（むらい えいすけ）：技術・開発部開発課主任
〒610−0201 京都府綴喜郡宇治田原町禅定時塩谷 14
TEL : 0774−88−6317 FAX : 0744−88−6320
年代に開発された。このダイセットは図 5 に示
すようにパンタグラフ機構によってパンチの半分
の速度で上下型を動作させることができ
るため、相対的に図 2 に示した金型の動
きを実現することができる。このダイセ
ットの開発により生産性も向上し、国内
外に普及していった。
（a）スパイダー
（b）トリポート
（c）ボールスパイダー
図 1 閉塞鍛造により成形された鍛造品
2
3．閉塞鍛造スパイダーの精度向上10）
量産されている多くのスパイダーは金
プ レ ス 技 術
■ 特集 ■ 高精度化を実現する冷間鍛造技術
上パンチ
上ダイ
素材
スパイダー
1
0
下ダイ
下パンチ
−1
（各金型の速度比）
（a）成形前
（b）成形後
図 2 閉塞鍛造における金型の動き
パンタグラフ
図 3 複動油圧プレス（HED 800）
素材
a
上パンチ
上ダイ
パンタグラフ
2
2
a/2
1
下パンチ
下ダイ
（各金 型の速 度比）
（a）成 形前
（b）成 形 後
図 5 閉塞鍛造ダイセット
図 4 閉塞鍛造ダイセット
型分割面へのバリの発生が避けられない（図 6）
。
また、成形時に金型軸部のひずみの不均一により
真円度が低下し、鍛造後に機械加工が必要となる。
この機械加工の省略によるコスト削減を目的に縦
バリ発生
分割型閉塞鍛造が開発された。
（1）縦 4 分割金型の概要
軸部のバリおよび真円度を向上されるために金
（a）鍛造品
閉塞力
上ダイ
スパイダー
素材
バリ・ズレ発生
型の分割方法を従来の上下対称 2 分割から図 7
に示すように縦 4 分割に変更された。この縦 4 分
下ダイ
割したダイによって金型を閉塞し、円柱素材を上
下パンチで側方へ軸を押出す。その際、ダイの穴
は内圧によって X 方向に扁平した形状に弾性変
形する（図 8）
。そこで、縦 4 分割したダイの 4
ダイ分割面
（b）金型構造
図 6 上下分割型閉塞鍛造
方向から閉塞力を加え金型分割面に互いに押合う
することが可能となる。また、成形時に発生する
力を発生させ、穴の内面を Y 方向に扁平した形
金型の弾性変形をコントロールすることで真円度
状に変形させることで真円度を制御できる。
縦 4 分割に変更することで、軸部のバリを防止
第 54 巻 第 8 号
（2016 年 7 月号）
向上も可能となる。
（2）閉塞荷重と軸の真円度
3
ダイ
成形力
分割面
型締め
（閉塞）
図7
縦割り閉塞
鍛造の概要
バリなし
（鍛造品）
成形力
スパイダー
（金型構造）
0.05
真円度 /mm
0.04
0.03
0.02
0.01
閉塞
E DC B A
A
B
C
D
E
分割ダイ
Y
0
X
−0.01
−0.02
＋（プラス） −（マイナス）
（真円度測定位置）
−0.03
2,000
2,500
3,000
3,500
閉塞力による変形
成形力による変形
閉塞荷重 /kN
図 9 閉塞荷重と真円度の関係
X
閉塞荷重
2,000kN
2,500kN
閉塞
Y
表 1 各部の真円度
3,000kN
3,500kN
図 8 金型の変形状態
A
0.009mm
−0.005mm
−0.004mm
−0.004mm
図 9 に閉塞荷重と 軸 部 の 真
円度の関係を示す。2750 kN 付
近 で±0．
01 mm と 最 も 良 い 結
B
真
円
度
形
状 C
プ
ロ
ッ
ト
0.018mm
0.012mm
0.002mm
−0.008mm
果 と な る。表 1 は 各 部 の 真 円
度を示したものである。閉塞荷
重 2，
000 kN では X 方向に扁平
した形状、閉塞荷重 2500∼3000
0.034mm
0.002mm
−0.013mm
−0.024mm
kN では真円に近い形状、閉塞
荷 重 3500 kN で は Y 方 向 に 扁
平した形状とな る。A 部 で は
D
閉塞力による変化が小さいが、
0.021mm
−0.004mm
−0.014mm
−0.016mm
ダイ入口に近い C、D、E 部で
は大きな変化を示している。ま
た、閉 塞 力 2000 kN で は 金 型
E
0.044mm
0.012mm
0.007mm
−0.006mm
分割面に バ リ が 発 生 し、2500
kN 以上で発生しない。
鍛
造
品
概
観
4
（3）型構造と金型モーション
4 分割ダイは側方軸方向に可
バリ発生
動できる状態で上型に、閉塞用
プ レ ス 技 術
■ 特集 ■ 高精度化を実現する冷間鍛造技術
穴入れパンチ
上パンチ
閉塞用
カム
張力
4 分割ダイ
引き戻し用
カム
ダイ
下パンチ
図 10 型構造と金型モーション
下パンチ
背圧
カムと引き戻し用カムは下型に配置する。スライ
図 11 補助張力押出し
ドの下降により 4 分割したダイを閉塞カムで内側
によせて閉塞した後、上下パンチによって側方に
工藤と篠崎12）は図 11 のように捕助張力を与え
押出す。成形後はスライド上昇に伴い 4 分割ダイ
ることによって押出し圧力を低減する方法を提案
を引き戻しカムにより強制的に引き戻すことで製
している。この方法はフランジ付きのビレットを
品の取り出しが可能となる（図 10）
。
ダイの端に引っ掛けることによって押出された部
（4）工法の特徴
分に張力を発生させ、パンチ圧力を後方押出しよ
鍛造では金型の弾性変形により金型と同じ形状
り低くする。成形の際は張力の上昇で側壁に割れ
精度を得ることは困難である。成形時の形状変化
が発生しないように下パンチで背圧を負荷しなが
は経験的に予測するか、実際に金型を製作して確
ら成形を行う。
認する。開発した工法では閉塞力で弾性変形を調
2．成形事例
整することができるため、金型を補正する必要が
なくなる。
図 12 は補助張力によって成形した中空部品で
ある。試験片は焼鈍した SCM 415、潤滑剤には
二硫化モリブデンを使用している。プレスは複動
中空化工法
11）
油圧プレスを使用し、パンチ速度 20 mm/sec で
成形している。直径φ10×70 の素材からフラン
長尺シャフト部品などの中空部品の深穴
φ7.1（＝D）
はガンドリルによる切削が一般的であるが、
加工時間が長く、また材料歩留りも悪い。
そのため、歩留り向上と生産性向上のため
110（＝L）
にも冷間鍛造による深穴成形は必要である。
深穴の冷間押出しではパンチ面圧が高く
なり、成形の初期で簡単に座屈してしまう。
座屈を防止するための対策はあるが大きな
効果は期待できないのが現状であり、冷間
鍛造で中空部品の深穴を成形することは非
常に困難である。
1．補助張力押出し
スリーブによるガイドや多段ベアのパン
φ10.1
チも用いても押出し中のパンチの座屈を完
全に防止することはできない。そのため、
（背圧：499MPa）
（背圧：624MPa）
パンチの面圧を低減させることが必要であ
（a）破断
（b）内面割れ
る。
第 54 巻 第 8 号
（2016 年 7 月号）
（背圧：749MPa）
（c）破断なし
図 12 成形事例
5
0
穴細長比
8
4
12
16
0.2
0.18
0.16
同軸度 /mm
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
素材
0.02
0
穴入れと打ち抜き
スプライン
図 14 補助張力押出しの実用サンプル
0
20
40
60
80
穴深さ /mm
100
120
図 13 補助張力押出しの同軸度
ジを成形した後、深穴成形をしている。
図 12 は異なる背圧で成形した結果を示してい
る。背圧が低い場合（449 MPa）
、長さ／直径比
12 で側壁が破断し、624 MPa では長さ／直径比
14 で側壁に割れが発生する。749 MPa では長さ
／直径比 15 でも内面の割れは発生しない。
高い背圧では側壁の割れの防止ができるが、張
力が低くなるため、加工圧力の低減効果は低くな
る。この加工では、破断が防止できる程度になる
べく低く背圧を設定する必要がある。
図 13 は図 11（c）
の穴の同軸度を示したもので
ある。穴深さ 80 mm（長さ／直径比約 11）で 0．
01
∼0．
02 の同軸度である。長さ／直径比 11 を超え
ると同軸度が急激に低下する。
図 14 はより実用的なアイテムに適用した事例
ができる。
参考文献
1）篠崎吉太郎：塑性と加工，33−82（1992），1250−1255．
2）吉村豹治・篠崎吉太郎：塑性と加工，41−477（2000）
，
986−989．
3）吉村豹治，島崎定：素形材，40−2（1999）
，12−16．
4）久保田鐵工所：素形材，51−1，（2010）21．
5）石原貞男，峯功一，鈴村敬：塑性と加工 44−507（2003）
，
409−413．
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7）堀智之，横山尚来：素形材 55−4，（2014）22−26．
8）吉村豹治・島崎定：塑性と加工，24−271（1983），781
−785．
9）村井映介：第 42 回鍛造実務講座テキスト，
（2015）
，
45−52．
10）石原義弘：型技術，26−5（2011）
，34−37．
，46−49．
11）村井映介：型技術，30−2（2015）
12）篠崎・工藤：塑性と加工，14−151（1973）
，629−636．
である。円柱素材からフランジを成形した後、深
穴成形と抜きを 1 工程で行い、最終工程でスプラ
インを成形している。
☆
☆
複動成形の動向として閉塞鍛造によるクロスス
パイダーの成形と補助張力を利用した中空シャフ
トの成形について紹介した。閉塞鍛造ではパンタ
グラフ式のダイセットと縦分割型の閉塞鍛造につ
いて紹介した。中空成形では補助張力押出しにシ
ャフト成形事例を紹介した。これらの技術は製品
の付加価値を高める鍛造法として有効ではある。
本稿では板鍛造についてふれてないが、板鍛造
の複動成形では多軸プレスで各ラムの動きをうま
く制御すれば少ない工程で複雑形状品を得ること
6
プ レ ス 技 術