材料成形加工のマスター：主要プロセスと力学の完全ガイド

これまで様々な基本成形加工の概要と分析を説明してきました。読者の皆様にはこれらのプロセス、特に関わる力学について一定の理解が得られたことでしょう。しかし、これらには大小様々なバリエーションが存在します。本記事ではそれらと関連する技術的側面について議論します。

成形加工：材料の成形操作

操作 #1. 圧延

最終断面を一工程で達成することは稀です。一般に圧延は複数のパスで、異なる圧延設備を用いて連続的に行われます。工場全体を通常圧延工場と呼びます。平板圧延では、同じロール組みで連続段階を実行可能です。

上ロールは通常、各パス後に隙間を制御するために調整されます。大量の材料ハンドリングを避けるため、ロール回転方向を反転できる構造が望まれます。その結果、ワークは連続パスで前後運動します。スペース最適化には三段式圧延機が用いられることもあります。

熱間圧延では、ワークが連続的に冷却されるため時間経過を最小限に抑える必要があります。これは圧延工場レイアウトの主要考慮事項です。通常、ワーク移動は支承ロールで円滑化されます。十分に長く柔軟なワークの場合、三段式圧延機に第一パス完了前に第二パスへ供給する装置を設けることができます。これがいわゆるループ式圧延機です。

ループは、屈曲管やトロフ（リピータと呼ばれる）を用いて機械的に行えます。適切に圧延設備を配置し、1つのロールパスを他の近くに配置することで、柔軟で長いワークの連続多パス圧延も可能です。

与えられた面積縮小（いわゆるドラフト）に対して、ロールを曲げようとするロール離反力は、式（3.20）によりロール半径Rに比例して増加します。

したがって、大径駆動ロールを用いてもロール曲げ変形を効果的かつ経済的に制御することは困難です。ロール変形を低減するより良く経済的な方法は、バッキングロールを使用することです。

図にはバッキングロールの使用方法が2通り示されています。ロール離反力は駆動ロール半径に依存するため、駆動ロールは常に小径に保ち、バッキングロールには大径を与えて剛性を高めます。

しかし一定量のロール曲げは避けられません。これは非円筒形ロール（図3.36a）を用いることで対処でき、ロール離反力により曲がってロール間に均一な隙間を生み出します（図3.36b）。図3.36aのロールを凸キャンバー付きロールと呼びます。キャンバーなしロールでは、圧延ストリップ中央部が厚くなります（図3.36c）。ロールを両端支持の厚い短い梁と見なせば、中央たわみは以下で表せます。

幅lのストリップではλ₁=1.0、λ₂=0.2、幅l/2のストリップではλ₁=0.5、λ₂=0.1が典型的値です。

圧延工場への投入材は通常矩形断面で、サイズによりブルームまたはビレットと呼ばれます。圧延後に異なる断面を得るには、徐々に形状を変える成形ロールで複数パスを経る必要があります。例えば図3.37は、角ビレットから円形細棒を生産する際の2ロール間隙の幾何学的変化を示しています。

ロールは通常鋳鉄または鍛鋼製です。コスト削減のため合金鋳鉄も使用されます。特殊合金鋼を用いれば優れた強度と剛性が得られますが、コスト高となります。熱間ロールはワークへの噛み込みを良くするため粗面（場合によってノッチ付き）にし、冷間ロールは研磨して良好な仕上げ面をワークに与えます。

圧延の主要パラメータは、(i) 温度範囲（熱間圧延）、(ii) 圧延速度スケジュール、(iii) 各パスへの圧下割り当てです。これらは製品の寸法精度、物理的・機械的特性に影響します。

操作 #2. 鍛造

基本的な鍛造操作には多くのバリエーションがあり、最も一般的なのは以下です：

(i) 自由鍛造（スミス鍛造）

スミス鍛造はおそらく最も古い金属加工プロセスです。加熱したワークを手持ち工具とハンマーで所望の形状にします。現在では動力ハンマーで繰り返し打撃を与えます。アンビルとハンマーは概ね平らで、打撃間でのワーク操作により所望形状（種類は限られる）を得ます。

(ii) 型鍛造（ドロップ鍛造）

型鍛造では、上下2半分の閉鎖ダイで形成されるキャビティを埋めるため、ワークに衝撃荷重（打撃）を与えて金属流動を起こさせます。完全充填を確実にするため通常余分な材料を用意し、これが周方向に流出してフラッシュとなり、後でトリミングされます。製品形状が複雑な場合、最終形状を得るために一組のダイが必要になることがあります。

(iii) プレス鍛造

繰り返し打撃の代わりに漸進的な力を加えます。しかしジョブの複雑さに応じて、最終製品を得るために一組のダイが必要な場合があります。ここではダイの上下半分の位置合わせ問題がドロップ鍛造より軽微です。1ストロークで完結するため、空気と余分なダイ潤滑剤の逃げ道を設ける必要があります。

(iv) アップセット鍛造

ワークの一部分のみを鍛造する場合が多々あります。一般的な例はロッド端部のボルトヘッド鍛造です。このような局所的鍛造をアップセッティングと呼びます。アップセット操作は閉鎖式と開放式があります（図3.38a、b）。明らかに棒鋼の縦方向圧縮を伴います。

したがって、座屈防止のため、鍛造する無支持長について以下のルールを守ります：

(a) 開放操作では、無支持部長さ(l)はワーク径(d)の3倍を超えないこと。
(b) lが3dを超える場合は、ダイ径D ≤ 1.5dで閉鎖操作を行うこと。
(c) 閉鎖操作中、無支持長がダイキャビティからl₁だけ突出する場合（図3.38c）、l₁ ≤ dとすること。

(v) スウェージング

スウェージングは、成形ダイの径方向運動により繰り返し打撃を与える衝撃鍛造の特殊変種です。棒材や管材の径減少とテーパー加工に一般的に用いられます。

(vi) ロール鍛造

ロール鍛造は、2本の平行軸に保持された半円形溝付きロール2個で行います。棒材の径減少に用いられます。加熱ワークをオープン位置でダイ間に置き、ロール半回転後に取り出し、より小さい溝に入れて所望寸法まで続けます。

ダイは鍛造作業で最も重要な構成要素の一つであり、プロセスの成否はダイ設計に大きく依存します。

鍛造ダイが備えるべき基本的特徴は以下の通りです（図3.41も参照）：

(i) 金属がコーナー周りを流れやすくするため、適切なフィレット半径を常に設けること。これによりダイ摩耗とコーナー付近の金属破損も防止できます。
(ii) 鋳型パターンと同様、すべての垂直面に適切なテーパー（抜き勾配）を与え、ワークのダイからの取り出しを容易にすること。
(iii) 余分な材料（フラッシュ）を受けるスペースをダイ周囲に設け、フラッシュガターを設けることが推奨されます。

熱間鍛造では、鍛造品は通常後続の全体仕上げ加工を受けないため、ダイ寸法には収縮許差（冷却後の収縮補償）を含める必要があります。鍛造ダイは通常高炭素または中炭素合金鋼製で、大きな負荷を受けるため硬度（Rc）は通常45～60の範囲です。

操作 #3. 引き抜き（ドローイング）

引き抜き加工は主に棒線の径減少に用いられます。引き抜き速度は大径で10m/min、極細線で1800m/minまで変化します。操作開始のため、材料先端をスウェージングして小径にし、ダイへの容易な導入を図ります。

衝撃作用を防ぐため、低速で開始します。大幅な減面の場合は複数パスで行います。連続冷間加工で発熱が大きいため、ダイを水冷する必要がある場合もあります。管材を引き抜きダイで加工する場合はシンキングと呼ばれます。

大型ダイは通常高炭素鋼またはハイス鋼、中型ダイには超硬合金、極細線引き抜きにはダイヤモンドダイが使用されます。

操作 #4. 深絞り

深絞りプロセスの力学から、板金をできるだけダイ内に引き込むべきであることがわかります。これによりカップ壁の薄肉化を最小限に抑えられます。結果としてブランク外周が縮小し、圧縮フープ応力が生じます。これが限度を超えるとカップフランジの塑性皺が発生します。これらの皺は後で除去できませんが、ブランクホルダーを使用すれば防止可能です。

しかし、過度なブランクホルダー圧力は材料のダイへの引き込みを阻害します。絞り比（rⱼ/r_d）が1.2以下ならブランクホルダーなしでも可能です。ブランク厚とダイ形状によりより高い絞り比も達成可能です（図3.43）。

ブランク径と最終カップ径の比が大きすぎる場合、複数段階で行います。最初の後の連続絞り操作を再絞りと呼びます。図3.44a、bに典型的な再絞りを示します。図3.44bの操作は逆再絞りと呼ばれ、最初に絞ったカップを裏返して行います。この操作は従来の再絞りより材料への加工度が激しく見えます。

しかし実際は逆です。従来の再絞り（図3.44a）では材料がブランクホルダーとダイコーナーで逆方向に曲がります。一方、逆絞り（図3.44b）では外側と内側のダイコーナーに沿って一方向にのみ曲がります。極端な場合、ダイに丸みを持たせると（図3.44c）、材料への加工がより穏やかになります。

初期加工で加工硬化が生じるため、再絞り前に焼鈍（延性回復）を行うのが一般的です。

一般に金属流動はワーク全体で均一ではなく、多くの場合ドロー部品はトリミングが必要です。これは手動操作または専用トリミングダイで行えます。

パンチからワークをストリッピングするには、ドローダイ下面にわずかなリセスを加工します。復帰ストロークでパンチ圧力がカップから解除されると、ドローカップはスプリングバックしようとします。この作用により、リセスがパンチ上昇時にドローカップがパンチと共に動くのを防止します。

操作 #5. 曲げ

これまで説明した曲げ解析は、板金にコーナーを作る場合にのみ適用可能です。しかしより複雑な形状もこの操作で得られます。一般に複数段階が必要です。複雑な形状生成には、輪郭を持つ一連のロールを用いて連続的に曲げ加工を行います。必要に応じてアイドルローラーで側面からワークを押さえながら形状を生産します。

管材や他の中空断面も、ワイパーロールを用いてワークをフォームブロックに巻き付けることで曲げられます。ワイパーロールが一定曲率なら、生産する曲率の中心でヒンジ接合できます。図3.48は管曲げ操作を説明しています。管内部に砂などの充填材を入れることで潰れを防止できます。自明な図解で管曲げ操作を示します。

操作 #6. 押出し

押出しは最も潜在力と有用性の高い金属加工プロセスの一つで、適用モードに多数のバリエーションがあります。熱間・冷間の両方で可能です。熱間押出しは作業負荷を低減します（特に高強度材料）が、冷却装置と急速なダイ摩耗という問題を生じます。

単純な前進押出しプロセスの分析から明らかなように、この直接プロセスではビレット全体が前進する必要があり、大きな摩擦損失と高い作業負荷を生じます。その結果、容器は高い径方向応力を受けます。

これらの困難は、ビレットが静止する後進押出しプロセスで回避できます。これによりビレットと容器間の摩擦力がなくなり、ダイ・容器界面でのみ作用します。その大きさは前進押出しの摩擦力よりはるかに小さく、作業負荷が低減し、ビレット長に依存しなくなります。

マンデルをラムと共に使用すれば管状断面も押出し可能です（図3.51）。初期ブランク形状により開口（図3.51a）と閉口（図3.51b）の両製品が得られます。マンデルはラムに固定するか、別体に取り付けます（図3.51c）。

薄肉缶はインパクト押出しで得られます。このプロセスは軟らかく延性のある材料に限定され、通常冷間で行われます。

ラムでビレットに直接荷重を加える代わりに、流体媒体を使用できます（図3.53a）。これを静水圧押出しと呼び、ビレット・容器界面の摩擦損失を排除します。

このプロセスのわずかな変形で、比較的脆性材料の押出しも可能になります。ビレットに大きな静水圧を加えるだけでなく、受け側チャンバーの製品をより低い圧力（ビレット加圧の約半分）で保持します。図3.53bのように、材料はより低い歪み勾配を受けます。このプロセスでは非常に大型製品も生産可能ですが、本質的に遅いため用途は限定されます。

非均一断面の複雑な形状製品を生産するには、割れダイを用いた閉鎖キャビティ押出しが使用できます。これは閉鎖型鍛造に類似し、図3.53cに示されています。

すべてのビレットは通常酸化皮膜で覆われています。通常の押出しでは、塑性変形時に層流が保証されない限り、この酸化層が製品コアに引き込まれ（強度特性を低下）、製品表面をビレット外表面がスキンとして形成する原理は、高強度材料の熱間押出しやクラッド製品にも応用されています。

鋼の熱間押出し時のビレット温度範囲は1200～1500℃です。ダイは過度な摩耗を避けるため約200℃の低温に保ちます。ガラス繊維（または粉末）が潤滑剤として通常使用され、ガラスの粘度は温度に敏感だからです。したがってダイ表面では粘度が高く、ダイ摩耗を良好に防止し、製品にガラススキン（約0.025mm厚）形成を促進します。同時にビレット・容器界面ではガラス粘度がはるかに低いため作業負荷が低減します。

このクラッドプロセスのもう一つの有用な応用は、ウランやトリウムなどの放射性核燃料棒の製造です。ロッドは銅や黄銅で缶詰めされ、これらは大気ガスに対して低反応性で、燃料ロッドを酸化や他の汚染から保護します。ビレットはクラッド材で被覆して準備します。

操作 #7. 穴あけとブランク加工

穴あけとブランク加工は、金属ストリップのせん断を伴う最も一般的な板金操作ですが、他に類似操作として、(i) 切り欠き、(ii) ランシング、(iii) スリッティング、(iv) ニブリング、(v) トリミングがあります。

切り欠きでは板金側面から材料を除去し、ランシングではスクラップを出さずに部分的に切り込みを入れます。ランシングは曲げと組み合わせてタブ形成に頻繁に用いられます。スリッティングはコイル板金を長手方向に切断して狭いストリップを生産する操作です。

ニブリングでは、外周または穴あけ穴から重なり合う切り欠きを生成して板金から複雑な形状を切り出します。特殊工具を使わず、小型の単純な丸または三角パンチを固定位置で往復させ、板金をガイドして所望の切断形状を得ます。トリミングはフランジやフラッシュの余分な材料除去を指します。

作業時間とコスト削減のため、ブランク加工用のダイとパンチ設計は極めて重要です。典型的なシンプルなダイ・パンチ組み合わせ。ガイドポストセットでパンチとダイの正確な相対位置を維持します。ストリッパーは復帰ストローク時にワークをパンチから離し、スプリングロード式プッシュオフピンがブランクをパンチ面から離します。ストリッパーはドローイング防止のためブランクホルダーとしても機能します。

スペースと時間を最適化するため、同一アセンブリ内に複数のダイ・パンチセットを用いて1ストロークで複数操作を行えます（図3.56）。これを複合ダイと呼びます。図3.56ではブランク用パンチとダイが逆位置にあることに注意してください。明らかに内穴の穴あけをブランク加工前に行う必要があります。場合によってはドローイング（または曲げ）とブランク加工の組み合わせも経済性で用いられます。

上記では1箇所で複数操作を行いますが、異なる位置に一連のダイ・パンチ要素を配置することも可能です。各ステーションで1操作を行い、金属材料を次のステーションへ送ります。これにより連続操作が可能になります。このようなダイ組み立てを順送ダイと呼びます。

ブランク加工のもう一つの重要な側面は、最適レイアウト設計（ネスティングとも呼ばれる）によるスクラップ最小化です。これは図3.58に概略的に示されています。レイアウト制約は図3.58bに示されています。ブランク端とストリップ側面の最小隙間はg = t + 0.015hで与えられます（tはストリップ厚、hはブランク幅）。

2つの連続ブランク端部間の隙間(b)はストリップ厚tに依存します。表3.1にbの各種値を示します。場合によっては、圧延ストリップを素材とする際の結晶粒流れ方向とブランクの相対方向が指定されます。その場合、ネスティングの自由度はほぼ失われます。

円形ブランクでは、複数列配置の選択によりのみスクラップ削減が可能です。

操作 #8. 高エネルギー速度成形プロセス

これまで議論したすべての金属成形プロセスでは従来のエネルギー源が使用されます。これに加え、化学、磁気、電気放電などのエネルギー源も使用可能です。これらすべてのプロセスではエネルギー流の速度が桁違いに高いため、高エネルギー速度（HER）プロセスと呼ばれます。運動エネルギーは速度の2乗に比例するため、比較的小さな物体を高速で動かすことで大量のエネルギーを供給できます。

例えば、500kNのプレスが0.15m移動すると75kJのエネルギーを供給します。ほぼ同量のエネルギーを、42kNのハンマーが6m/secでワークに打撃しても供給できます。しかし、わずか26Nの水フロントを爆薬で240m/secまで加速させれば、同じエネルギーを供給できます。この原理は小型機械・装置の製造に利用できます。

前述の3ケースのエネルギー放出率を考えます。第1ケースの典型的時間は約0.5秒で、出力150kW。ドロップハンマーは約0.06秒で停止し、出力1.25MW。爆発操作は約0.0007秒で完了し、出力107MW。最後のケースが最もコンパクトかつ最も強力な機械になることがわかります。高速成形操作（爆発成形、電気放電成形）はこの原理に基づきます。

ここでは3つの一般的なHERプロセスについて議論します：

i. 爆発成形

図3.60に爆発成形の2つの方式を示します。両方とも、流体媒体（通常水）中で爆薬を爆発させ衝撃波を発生させます。

小型部品では衝撃波前面全体を密閉空間で利用し、大型物体では波前面の一部のみを利用します。非密閉操作は効率が劣ります。しかし、爆発成形では制御が必然的に困難なため、密閉操作ではダイ破損の危険性が高まります。

典型的な爆薬には、高エネルギー用のTNTとダイナマイト、低エネルギー用の火薬があります。高爆薬をワーク直上に配置すると、最大35kN/mm²の圧力が発生可能です。低爆薬では350N/mm²に限定されます。

水を伝達媒体とする場合、得られるピーク圧力pは以下で与えられます。

爆薬と水自由表面の距離（非密閉成形では）は、スタンドオフ距離の少なくとも2倍必要です。そうでなければ多くのエネルギーが失われ、操作効率が低下します。様々な工具を用いて多様な形状を成形できます。一般に材料特性への影響は従来成形と類似です。

ii. 電気油圧成形

爆薬の代わりに、火花形態の電気放電で流体中に衝撃波を発生させることもできます。この原理を用いた操作を電気油圧成形と呼びます。このプロセスの特性は爆発成形と非常に類似しています。コンデンサバンクを充電回路で充電し、スイッチを閉じると電極ギャップ内で火花が発生しコンデンサが放電します。

このプロセスのエネルギーレベルは爆発成形より低いです。ワーク上に発生するピーク圧力は、火花を通じて放電されるエネルギー量とスタンドオフ距離の関数です。

iii. 電磁成形

電気油圧成形と同様、電磁成形でも電気エネルギーをまずコンデンサバンクに蓄えます。このエネルギーをスイッチを閉じてコイルを通じて放電します。コイルは磁場を生成し、その強度は電流値に依存します。金属ワークがこの時間変化する磁場内にあるため、ワークに電流が誘導され、独自の磁場を生成します。

これらの磁場の方向は、固定されたコイルがワークをダイへ反発させるようになっています。ワークは導電性である必要がありますが、磁性である必要はありません。コイル寿命が短いことがこの操作の主要な問題です。

操作 #9. 刻印（コイニング）

コイニングは、薄く平らなワークに横方向拘束により所望の厚み変化を与える閉鎖型鍛造操作です。名前が示す通り、このプロセスは硬貨製造に広く用いられ、ダイ面の明確な転写を必要とする類似物体の製造にも使用されます。

操作 #10. ねじ転造

ボルト、ネジなどのねじ付き物体の大量生産には、2枚の平らな往復ダイ（または逆回転するねじロール）を用いて、ワークに塑性変形でねじを形成できます。これは基本的に圧延操作であるため、ねじ転造と呼ばれます。

操作 #11. 管ピアッシング

シームレス管の生産は非常に重要で、一般に管ピアッシング操作で達成されます。この操作では、固体棒材を、逆回転する2本の傾斜ローラーにより一端からマンデル上に流動させます。ローラーの速度と傾斜量が供給速度を決定します。この操作は熱間で行われます。

ロールの同時圧縮と回転作用により材料が楕円形に変形し、長軸に沿って亀裂が発生します。変形材料の更なる回転により亀裂が拡大し孔となり、最終的にマンデルにより形状と寸法が整えられます。

操作 #12. スピニング

スピニングプロセスでは、板金から回転面を持つ物体を生産します。ブランクをフォームダイに押し付けて保持し、このダイを回転させ、特殊形状の工具またはローラーを用いて板金ブランクをダイ上に載せます。操作中に板金の同時薄肉化が生じる場合、せん断スピニングと呼ばれます。

操作 #13. ストレッチフォーミング

板金曲げ操作では圧縮応力が常に発生し、状況により局部座屈や皺の原因となります。このような問題は、操作中に金属ストリップを引張り状態に保つことで回避できます。この同時伸張と曲げのプロセスをストレッチフォーミングと呼びます。