成形プロセスの理解：種類、用途、メリット

成形は現代エンジニアリングにおける重要な製造技術の一つです。日常生活で使用されるほぼすべてのオブジェクトが成形方法やプロセスで製造されています。

例：ボールペンのボール、油圧・空気圧バルブ、歯磨き粉容器、調理器具、チェーン、ファンブレードなど。

金属成形は、コスト効率、機械的特性向上、高強度、生産性向上、材料節約などの利点により世界中で広く使用されています。航空宇宙、自動車、防衛産業など多くの分野で応用されています。典型的な自動車には、ホイールリム、ボディ、シャーシ、バルブなどが成形法で製造された部品として使用されています。

本記事では、成形とは何か、成形プロセスの種類について詳しく学び、次に利点、欠点、用途も見ていきます。

成形プロセスの歴史

紀元前8,700年頃、イラク北部で発見された銅製ペンダントが、最初の既知の産業的金属採掘・加工操作として確立されています。アメリカ大陸では紀元前4,000〜5,000年頃、ミシガン湖で銅採掘が記録されています。

金属は時代とともに各文明で重要性を増し、建設作業に不可欠となり、金属加工は社会の重要な構成要素となりました。金属加工の技術は現在、幅広い職業と産業を包含しています。金属成形・成形は多くの人の専門分野です。古代から技術は大幅に進化し、現在では機械が金属成形の大部分を実行しています。

例えば、ロールフォーミングは高品質ロールフォーミング装置で実現されます。ロールフォーミングは連続金属ストリップを特定形状に曲げる方法です。ロールフォーミング機は、金属を連続運動で形状に曲げる一連のロールで構成されます。ロールの各ペア（ストランドとも呼ばれる）が金属のわずかな部分のみを曲げ、要求を満たすまでロールされます。ロール製造技術の進化は、ロールフォーミング機やその他のロールフォーミング装置の使用例として、金属加工産業が時間とともにどう進歩したかを示しています。

成形プロセスとは

金属成形とは、材料を追加または除去することなく、圧縮力、曲げ力、せん断力、引張力、またはこれらの組み合わせを適用して、材料を塑性変形させ、所望形状の部品を製造するプロセスです。

成形プロセスの種類

成形プロセスは2グループに分類されます：バルク成形と板金成形。

上記レイアウトに示す通り、さらに詳細な分類が存在します。すべての種類を詳細に見ていきます。

1. バルク成形

バルク成形は、表面積が体積比より小さい大量製品を製造する方法です。 加工には引張力、圧縮力、せん断力、または任意の2つの組み合わせが処理されます。工具とダイスを備えた機械で実施されます。工具とダイスの使用自体が、ダイスが生産される出力と同形状であり、工具がダイスに押し付けられて材料に形状を生成することを理解させます。バルク成形には、圧延、鍛造、押出し、引抜きが作業プロセスとして含まれます。

1.1 圧延

圧延は、棒材、板材、厚板などの半製品や、アングル、U字プロファイル、プロファイルなどの完成品を製造する典型的な成形プロセスです。熱間・冷間両方で実施可能。

このプロセスでは、スラブ形状のビレットが逆方向に回転する2ロール間で圧縮され、ビレット厚が減少し新形状に加工されます。回転ロールがスラブを隙間に引き込み圧縮し、最終製品はビレットの縮小サイズとなります。

時代とともに様々な圧延機が進化し、異なる形状製品の生産に対応してきました。以下に各タイプを説明します。

1.2 2ロール圧延機

2ロール圧延機は、水平に積み重ねられた2本のロールを持つ3つの独立スタンドで構成されます。このタイプでは1本または両方のロールが調整可能。操作時、同速度で逆方向に回転する2ロール間を金属が通過します。

1.3 3ロール圧延機

3ロール圧延機では、3本のロールが垂直に積み重ねられています。単一パスで2本のロールを使用し、ロール方向は変更されません。上部2ロールで第1圧延後、シートを下部2ロールに移動させてさらなる減厚を行います。所望の減少が達成されるまでこのサイクルを繰り返します。

1.4 4ロール圧延機

4ロール圧延機は、厚み減少用の2本の小径作業ロールと、それらを支持する2本の大径バックアップロールで構成されます。小径ロールによりロール・シート接触面積が減少するため必要ロール力が低減。大径バックアップロールは、シート通過時の小径ロールの弾性たわみを軽減するために必要です。

1.5 クラスターミル

クラスターミルは、2本の作業ロールと4本以上のバックアップロールで構成されます。必要なバックアップ/支持ロール数は、作業（小径）ロールに必要な支持量によって決定されます。クラスターミルは通常冷間圧延操作で使用されます。

1.6 リングローリング

リングローリングは、厚肉で小径のリング部品を薄肉で大径のリングに圧延する成形方法です。厚肉リングが圧縮されると、変形材料が伸長しリング径が増大します。

1.7 鍛造

鍛造は、工作物またはビレットに圧縮力と引張力を加え、ダイスとパンチと呼ばれる一対の工具を用いて最終製品に加工するバルク成形方法です。オープンダイスまたはクローズドダイスを使用可能。ほとんどの場合、オープンダイ鍛造は原材料を後工程の成形や機械加工に適した形状に整形するために使用されます。ビレットを2つのダイス間で圧縮し、ダイスに最終製品に生成される形状輪郭が含まれます。ビレットを一対のダイス間で圧縮することで形状がビレットに転写され、最終製品が得られます。

1.7.1 オープンダイ鍛造

引き出し、薄肉化等の操作には、平面対向ダイスのペアでオープンダイ鍛造を実施。オープンダイ鍛造は多様な産業で重要な技術です。金属、特に鋼と鋼合金の荒仕上げと仕上げ形状を可能にします。工作物がヒット時に横方向に自由に動ける開放側を持つダイスが必要で、非常に大きな工作物の鍛造も可能です。

1.7.2 クローズドダイ鍛造

クローズドダイ鍛造は、原材料ビレットを2つの成形ダイス間で形成されるキャビティに圧縮することで達成されます。ダイスキャビティの形状が製品成形により達成されます。バルブ部品、ポンプ部品、小型ギア、コネクティングロッド、スパナ等の製造に使用されます。

1.7.3 刻印（コイニング）

コイニングは、エンボッシングパンチから独特の形状を付与するために原材料表面に圧縮応力を適用するプロセス。例：金属貨幣、メダル。

1.7.4 インプレッションダイ鍛造

インプレッションダイ鍛造では、ダイス面に形状があり圧縮時に工作物に転写され、金属流動が大きく制限されます。ダイスインプレッション外の追加変形材料をフラッシュと呼び、後で除去されます。 インプレッションダイ鍛造は厳しい公差製品の製造には不向き。必要精度達成には通常機械加工が必要。鍛造で基本形状を作り、精密仕上げが必要な部分（穴、ネジ等）を後加工します。

1.7.5 フラッシュレス鍛造

フラッシュレス鍛造技術では、工作物がダイス内で完全に拘束されフラッシュが発生しません。初期工作物量をダイスキャビティ体積と正確に一致させるよう厳密に管理する必要があります。要求事項により、基本的・対称的な部品形状、Al、Mgおよびそれらの合金等の作業材料に適しています。

1.7.6 ロール鍛造

ロール鍛造は、所望完成品形状に対応した溝を持つ対向ロールセットを円筒または矩形ロッドに通すことで断面を減少させる成形方法。圧延と鍛造を組み合わせるが、鍛造操作として分類されます。ロールは変形度に応じて部分的に回転。ロール鍛造製品は同一品目の機械加工品より強く、要求される結晶構造を持つことが多いです。

1.7.7 オービタル鍛造

オービタル鍛造では、円錐形上部ダイスが同期的に回転・押し込みされながら工作物に形状を付与。下部ダイスが工作物を支持。円錐の傾斜軸により、成形工程のどの時点で工作物表面の微小部分のみが圧縮されます。圧縮領域が上部ダイス回転とともに周回します。成形工程のどの段階でも部分的応力接触によりプレス荷重要求が大幅に低減されます。

1.7.8 等温鍛造

等温鍛造は、成形プロセス中に工作物を高温に保つ熱間鍛造技術。鍛造ダイスも同高温に保たれます。冷たいダイス面に工作物が接触する冷たさを排除することで、金属がより容易に流れ、必要力が低減されます。従来鍛造よりコスト高で、チタン、超合金、複雑部品形状等の鍛造困難材料に通常使用。ダイス材料の急速酸化防止のため、真空または不活性環境で実施されます。

1.8 押出し

押出しは、工作金属をダイス穴を通じて強制または圧縮し、所望の断面形状を生成するバルク成形手順。押出しは通常2つの作業様式に分配されます：直接/前進押出しと間接/後退押出し。

1.8.1 直接/前進押出し

直接押出しでは、金属ビレットをまず容器に装填。容器には形状輪郭を持つダイス穴があります。ラムを用いて金属ビレットをダイス穴を通じて強制し製品を生成。押出し製品にはチューブ、缶、カップ、小型ギア、シャフト等があります。毎回押出し終了時にビレットの一部が残り、バットと呼ばれます。

1.8.2 間接/後退押出し

容器ではなくラムにダイスを取り付けます。ラムによって圧縮される際、金属はラム側のダイス穴をラム移動と反対方向に流れます。ビレットと容器間に相対運動がないため接触摩擦がなく、ラム力は直接押出しより小さいです。

1.9 線引き（ワイヤードローイング）

線引きプロセスは、ロッドから引張力により径を減らし長さを伸ばして小径ワイヤーを製造するために使用されます。楽器弦の製造に使用。チューブ引きでシームレスチューブを作成可能。ロッドまたはバーをダイス穴を通じて引き抜き、所望のワイヤー厚を形成し断面積を減らします。

2. インパクト押出し

インパクト押出しは常に冷間で実施。後退インパクト押出しでは極薄肉が可能。例：歯磨き粉チューブ、電池ボックス。高速・短ストロークで実施。圧力を加える代わりにインパクト圧力でビレットをダイスを通じて押出し。ただし、前進・後退または両方の組み合わせでインパクト可能。

2.1 静水圧押出し

静水圧押出し技術では、プロセス中ビレットが容器内で流体に囲まれ、ラムの前進運動で流体が加圧されます。流体により容器内摩擦がなく、ダイス穴での摩擦も最小限。高温作業時は特殊流体と方法が必要。材料に静水圧がかかり摩擦がないと延性が上昇。従来押出しでは脆すぎる金属にも適用可能。延性金属に使用、大きな減面比が可能。

2. 板金成形

板金成形は、引張力とせん断力を適用し、工具セットを用いてシート、厚板、ストリップを所望可能形状に加工します。パンチとダイスが加工工具として使用されます。板金成形は、曲げ、引抜き、せん断、ブランク、パンチング等の操作に関連し材料を生成します。板金成形方法は、深絞り、切断、曲げ、ヘミング、フランジング、カーリング、ストレッチフォーミング/ストレッチング、スタンピング等の塑性シート変形技術を使用します。

2.1 深絞り

深絞りは、シート金属を引張力と圧縮力で厚みを変えずに中空カップ形状に強制する板金プロセス。シートをダイス開口部上に置き、パンチで押し込みます。ブランクホルダーでシートをダイス面上に平らに保持。多くの場合、要求される変形が大きい（引き比が非常に高い）。このような場合、部品の完全成形には複数の深絞りステップが必要。追加の深絞りステップをリドローイングと呼びます。

2.2 板曲げ

板曲げは、直線軸周りの金属歪みと定義されます。曲げ操作中、中立面の内側エッジの金属は圧縮され、外側エッジの金属は引き伸ばされます。シート金属の厚みは曲げによって変化しません。

2.3 ストレッチング/ストレッチフォーミング

ストレッチフォーミングは、シート金属を意図的に引き伸ばしながら同時に曲げて形状を変える板金成形プロセス。シートを両端でジョーまたはドロービーズで保持し、パンチで引き伸ばし、降伏強度以上に応力を与えて所望形状に加工。ひずみ解放時に金属は塑性変形済み。引き伸ばしと曲げの複合効果によりスプリングバックが低減されます。

金属成形プロセス動画講義

（動画埋め込み：Metal forming Processes Edit Lesson）

金属成形プロセスの用途

• シームレスチューブ、ロッド、タービンリングの製造
• セメントキルンの製造
• ベアリング、プレート、鋼板、自動車用多数部品の製造
• ミサイル・航空機部品、ヒンジ、ボルト、釘の製造

金属成形プロセスの利点

• 強度向上した製品
• 材料廃棄が非常に少ない
• 高強度の小型部品製造可能
• 寸法精度の高い製品
• 均一な成形速度
• 優れた表面仕上げ
• 従来の金属除去法と比較して機械加工時間が短い
• 機械的特性の向上

金属成形プロセスの欠点

• 必要動力が大きい
• 高い機械的力が必要
• 工作物の加工硬化が成形量の限界となる
• 脆性材料はこのプロセスで製造不可
• 金属成形で熱処理プロセスを使用することもある