金属の加工方法：塑性加工とは？

当コラムでは、金属における加工方法の一つである塑性加工について説明します。金属塑性加工.comの視点で、詳しく解説いたします。

塑性加工とは？

金属の塊から板や棒や管を作り、更にそれに塑性変形させて、種々の工業用製品や部品を製造することを。総称して塑性加工といいます。
塑性加工（Deformation　Processing)では、材料に大きな力を加える事により変形させて、目的とする形状に加工します。一般的に、加工時間が短く比較的大きなものにも適応できる事から、広く工業製品の生産に活用されています。

塑性加工の種類

塑性加工には多様な種類があります。まずは、塑性加工の種類についてご説明します。

鍛造加工

金型や工具を用いて、製品の形状に成形を行う加工法です。加工には鍛造プレスやエアハンマーなどが使用されます。製品としては、家庭でも使うスパナなどの工具から、自動車用エンジンの部品、ロケット用の大型部品など、力がかかる製品を中心に、幅広く採用されている加工方法です。

押出し加工

材料を圧力に耐えられる小部屋に閉じ込め、ダイスとよばれる穴があいた金型からところてんのように押し出して、一定の断面形状をもった長い製品を成形する加工法です。加工には押出しプレスが使用されます。製品としては、アルミサッシのフレームや、航空機の部品などが押出し加工により製造されています。

圧延加工

回転する圧延ロールの間に材料を通して、潰しながら延ばして成形を行う加工法です。加工には圧延機が使用されます。製品としては、製鉄所で作られている板材、比較的太い棒材や管材などが圧延加工により製造されています。

引抜き加工

押出しとは逆に、材料をダイスの外側から引っ張ることで断面積を減少させ、一定の断面形状をもった長い製品を成形する加工法です。加工には伸線機や抽伸機などが使用されます。製品としては、ワイヤーや、角材、パイプなどが引き抜き加工により成型されています。

転造加工

転造ダイスとよばれる回転する工具を、同じく回転する材料に押し付けて成形を行う加工法です。加工には転造盤などが使用されます。製品としては、ボルトなどのおねじをもったものや歯車など、強度が要求されるが転造加工により製造されています。

プレス加工

プレス型などを用いて、板材を目的とする形状に成形する加工法です。加工にはプレス機が使用されます。製品としては、スチール製の家具やケース、自動車のボディなど、幅広くあります。

ヘラ絞り加工

「へら」と呼ばれる棒状の工具を、被加工材に押し付ける事でオス型の形状に成形する工法で、被加工材を回転させて加工する為「スピニング加工」とも呼ばれます。生産数量の多い製品には向かず、1品ものが中心となります。ロケットの先端部の加工等にも応用されている加工法です。

バルジ加工

ハイドロフォーミングとも呼ばれる加工方法で、金型にパイプ材をセットし、内部に高圧の液体を充填しながらパイプ両端から軸方向に圧縮することで、パイプ材を金型に彫り込まれた形状に成形する加工法です。自転車が国内生産の最盛期にあったころには、ペダル部分の分岐形状をバルジ加工で成形していました。

塑性加工の加工温度による分類

塑性加工は、加工温度により「熱間加工」「温間加工」「冷間加工」に分類されます。

熱間加工

被加工材（鉄）を約1000~1200℃まで加熱し、金属を軟らかくする事で成形性を高めた後に成形する加工方法です。日本刀をはじめとした刃物の製作が熱間加工により行われています。

温間加工

熱間加工と比較し低い温度である約600~850℃まで加熱し、加工する工法です。材料の再結晶温度以下で加工する事で、加工時における脆性を避けて加工します。加工時の脆性が問題となりやすい高張力鋼板材については、温間加工で成形するホットスタンピング工法により成形性を高め、成形と同時に冷却を行う事で強度の向上を図っています。しかし、材料の余熱が必要であり、製造工程の環境対策も必要な為、導入が難しいといった課題が有ります。

冷間加工

冷間加工は、熱間加工や温間加工と比較し、良好な製品形状や寸法精度が得られる点が特徴となります。プレス加工によりネットシェイプ、ニアネットシェイプといった形状を求める事が可能です。一方で、加工時の変形抵抗が大きく、被加工材の加工硬化が起きる為、加工性が課題となります。

塑性加工の基礎事項

塑性加工は多様なメリットがある加工方法ですが、製品を製作する上で、被加工材の材質、加工設備、加工方法が密接に関係しており、それぞれの条件が結び付けられなければ製作が出来ません。
また、塑性加工を行う際の潤滑・冷却も重要な条件であり、塑性加工を行う場合には金型を構成するパンチ、ダイスといった部品の仕上げ状態と、加工時の加工油の選定も製品の仕上がりに大きく影響を及ぼします。

当社の塑性加工技術

金属塑性加工.comを運営する高橋金属は、塑性加工の研究開発を行っております。私たちの保有する塑性加工技術をご紹介します。

板鍛造加工技術

板鍛造加工技術とは、板鍛造プレス加工を用いて、最終形状を成型する技術です。冷間鍛造技術の一種となり、常温にて被加工材に荷重を掛ける事により材料の塑性流動を促し成型することが可能です。ファイバーフロー（繊維状組織）が切れない事と、圧縮加工による組織の微細化により高強度な製品を得る事が出来ます。ダイキャストや鋳物製品は、切削加工が必要となりますが、切削レスとすることにより、工程短縮によるコストダウン・製造リードタイムの短縮が実現できます。先端金属加工技術研究所では、従来の焼結部品や鋳造部品の代替え工法として、板鍛造加工技術の活用を提案しています。

板鍛造加工技術を活用した加工事例

塑性流動加工技術を活用した事例をご紹介します。

製品名：コントロールレバー　業界：農機

従来、焼結合金を切削し成形を行っていたためコストが高くなっていました。プレス加工による製作に工程変更をすることで、工期の大幅な短縮を可能にし、またコストの低減をも実現致しました。さらに、切削と比較をすると品質のばらつきが減り、安定することで歩留まりも改善することができました。加えて、板厚制御、真円度など、切削品と同等の精度を実現することもできています。

製品名：ガバナウェイサポート　業界：農機

従来は、鋳物＋切削加工により成型され、位置決めキーを有する部品でしたが、プレス加工に工法変換しました。当製品を製作する上では、当社の高度コア技術である塑性流動加工技術が用いられています。
増肉成形3.2㎜→5.8㎜高さ11㎜、同軸度30μm、6穴同時抜き加工、内径部キー凸部プレス成型を実現しています。従来切削工法により生産していた製品を、プレス加工のみで成形することで、リードタイムの短縮、工数削減が可能となりました。

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型内ネジ転造加工技術

機械加工レスにて、プレス1ストロークで転造ネジを製造する技術です。当ネジ転造加工はM20～M50まで対応可能です。高精度プレス機を活用して、SPHC材（熱間圧延鋼板）を使用した板鍛造工法によるネットシェイプ成形が可能となりました。また、プレス機械の上下運動エネルギーをカム機構により水平運動に変換して、３本のネジ転造ダイスがセットされたワークに押し付けることで、製造リードタイムの短縮が可能となります。

型内ネジ転造加工技術を活用した加工事例

型内ネジ転造加工技術を使用した事例をご紹介します。

製品名：ステアリング用プラグ　業界：自動車

製作に当たっては、6㎜のコイル材から成形を繰り返し製品形状と成す板鍛造加工と、おねじを成形する転造加工を複合させた当社独自の板鍛造プレス技術と型内ネジ転造加工技術を応用し製造した事例となります。
新技術は「精密板鍛造プレスによる高精度ネットシェイプ成形」と「カム式金型内ネジ転造システム」を組み合わせたもので、前準備・鍛造加工・後処理・切削・転造加工などの複数工程を一つにすることができます。

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鏡面プレス加工成型技術

特殊冷間プレス加工工法によりプレス加工のみで鏡面部表面粗さRa0.02以下の鏡面成型を実現する技術です。鏡面プレス加工技術は、自社開発の、①プレス加工技術　②プレス加工油　③イオン洗浄水による複合技術です。プレス加工油には、潤滑性・冷却性＋鏡面を維持するための成型性を備えた自社開発の油を使用しています。成型後にプレス加工油などの不純物を除去する洗浄水には、自社開発の電解イオン水洗浄機を用いることで、極めて高い清浄度を得ることが可能となっています。

鏡面プレス加工成型技術を活用した加工事例

鏡面プレス加工成型技術を使用した事例をご紹介します。

製品名：レントゲン集光用リフレクター部品業界：医療機器

医療業界向けに製作を致しましたレントゲンの集光に使用されるリフレクター部品です。材料としては、軽量かつ加工がしやすいという特徴を持つアルミニウムを採用しております。また、製品のサイズは20ｍｍ×20ｍｍ×10ｍｍとなっております。プレス加工のみで製作するため加工工程を減らすことができ、コストダウンも実現することができます。

製品名：家電照明用リフレクター部品　業界：家電

本来であれば鏡面加工をする際は樹脂やアルミ材を樹脂成形・ダイカスト成形を行い蒸着・メッキを行うなど、工数がかかりますが、プレス成型のみで加工しております。面粗さRa0.02を実現し、樹脂成型＋アルミ蒸着メッキを行う工程に匹敵する輝きです。さらに、プレス加工のみで製作するため加工工程を減らすことができ、コストダウンも実現することができます。

鏡面プレス成型技術の応用：奇数鏡面加工技術

奇数鏡面加工技術は、鏡面加工プレス加工技術を活用することで、奇数両面を実現する加工技術です。この奇数鏡面は、特に波長の短い紫外線領域の光でも指向性を持たせて照射することを目的に開発しました。鏡面部の全長を長く取り、さらに狭面を奇数平面鏡とすることで、紫外線領域の光でも指向性を持たせることを可能としています。当、奇数鏡面加工技術を用いたリフレクター成型品は、医療機器をはじめとした不可視光線を照射する機器において、光の均一照射が実現でき新製品開発や既存製品の機能向上に活用できるため、先端製品を扱う皆様より数多くのお問合せを頂戴しております。