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冷間鍛造とプレス加工の違いとは? それぞれのメリット・デメリットと実際の加工事例をご紹介

塑性加工において、混同されがちな冷間鍛造とプレス加工。熟練の技術者であれば両者の違いは熟知しているかと思いますが、「正直あまり違いが分かっていない、、」という方もいらっしゃるのではないでしょうか?

本記事では、板鍛造・プレス加工のプロフェッショナルが、冷間鍛造とプレス加工の違いや、両者のメリット・デメリットについて実際の加工事例を交えて徹底解説いたします。

<目次>

  • 塑性加工について
  • 冷間鍛造とは?
  • プレス加工とは?
  • 冷間鍛造とプレス加工の違いとは?
  • 当社の加工事例のご紹介
  • 板鍛造やプレス加工なら、当社にお任せください

塑性加工について

まず、冷間鍛造やプレス加工が含まれる塑性加工について解説します。

塑性加工とその分類

塑性加工とは、物質(主に金属)の塑性を利用し材料に大きな力をかけて目的の形状に加工する方法です。通常、物体に外部からの力を加えても、ある程度(降伏点)までであれば力を取り除いた後に元の形状に戻ります。これを弾性、特にこの性質を利用した変形を弾性変形と呼びます。一方、塑性とは、前述の降伏点を超えて力を加えると応力が低下し元の形状に戻らない(永久歪みが残る)性質のことを指します。なお、ガラスやセラミックスのように硬度が高く脆性が高い材料(総称して硬脆材料)は、降伏点が圧倒的に低いため塑性加工は不可能です。

塑性加工には、いくつか種類があります。
・鍛造加工
鍛造加工は、フォーマやヘッダーといった機械に金型を取り付け、上から強い力で材料を変形させる加工方法です。
・プレス加工
プレス加工は、プレス加工機で上から大きな力を加えて材料を金型に圧着させ、金型と同じ形状に変形させる加工方法です。加工システムによって、順送プレス、トランスファープレス、単発プレスに分類することができます。
・板金加工
板金加工は、板厚数mmの金属の板材に対して、切断、穴あけ(抜き)、曲げ、溶接・組立という工程により目的の形状を作り出す加工方法です。切断にはシャーリングやレーザー切断機、穴あけにはタレットパンチプレス(タレパン)、曲げ加工にはベンダーといった機械が用いられます。
・製缶加工(製罐加工)
製缶加工(製罐加工)は、基本的に板金加工と同じ工程ですが、加工するのは板厚が数mm~十数mmと比較的厚い板材になります。タンクや水槽、架台、フレームといった立体構造の大型製品を製造することが多いです。
・圧延加工
圧延加工とは、圧延機を用いて金属材料を2本のローラーで挟み、板状ないし棒状に延ばす加工方法です。
・伸線加工(引抜き加工)
伸線加工とは、金属の線材を細い穴ダイスに通して細長いワイヤー類(針金・鉄筋・電線等)を作る加工方法です。引抜き加工と呼ばれることもあります。
・転造加工
転造加工は、材料を転造盤のダイス(転造ダイス)に挟んだうえで回転させながら表面を変形させ、おねじやローレット形状にする加工方法です。

塑性加工の2つのメリット

金属加工の中には、塑性加工の他にも、除去加工(切削・研削)や鋳造、粉末冶金(金属粉末射出成型:MIM)があります。これらと比較して塑性加工の強みとは一体何でしょうか。

塑性加工の大きな強みは2つあります。

まず1点目は、材料歩留まりが高い点です。塑性加工では、基本的に被加工材を変形させるだけで、加工屑(スクラップ)がほとんど無く材料歩留まりが高いため、切削・研削加工などに比べ材料コストを安く抑えることができます。なお、塑性加工の中にもプレス加工のせん断や板金・製缶加工の切断・穴あけなど加工屑が発生するものもありますが、切削加工で出る切り粉の量に比べればほとんど無視できるレベルです。

2点目は、”加工硬化”による強度・硬度の向上です。加工硬化とは、塑性加工特有の現象で、被加工材の塑性変形において同じ方向から応力を加え続けると、材料内部の結晶密度が増し変形抵抗
が大きくなることで、材料の強度・硬度が増します。鋳造や粉末冶金は、形状の自由度が高く複雑形状部品の製造に向いているものの、一般に強度不足が懸念されます。したがって、自動車や産業機械など高い耐久性が求められる部品を製造する際は、塑性加工が採用されることが多いです。

冷間鍛造とは?

次に、鍛造加工の一つである冷間鍛造について詳しくご紹介いたします。

鍛造とその分類

鍛造加工は、前述の通りフォーマやヘッダーといった圧造機によって耐久性の高い製品を製造する、量産向きの加工方法です。圧造加工と呼ばれることもあります。鍛流線(ファイバーフローまたはメタルフローライン)が形成され、耐久性が飛躍的に向上する(前述の加工硬化が起きる)のが特徴です。これは他の塑性加工と比較しても段違いです。また、これにより中空構造や薄肉化の実現、そして複数部品の一体化といったことも可能なため、切削やプレス加工から工法転換することで工程短縮やコストダウンにつなげることもできます。

鍛造加工は、被加工材温度によって以下のように分類することができます。
・冷間鍛造:常温
・温間鍛造:600~900°C程度の再結晶温度に満たない高温
・熱間鍛造:約900°C~1,200°Cの再結晶温度以上(材料により多少異なる)

ここでは、冷間鍛造について詳しくご説明します。

冷間鍛造とは?

常温の被加工材に対して鍛造加工を施す冷間鍛造(英:Cold Forging)では、まず目的の形状に成型するための金型の設計・製作を行う必要があります。金型を設計する際はCAE解析ソフトや3DCADを駆使して金型の形状・寸法を検討します。この間、試作金型の製作や複数回のトライを経て、金型が完成したのち量産に移行します。

完成した金型をコールドヘッダーやフォーマといった冷間圧造機に取り付け材料を流せば、基本的にすべての工程を一台の圧造機で行うことができます(ただし、切削加工や研磨、タップ加工などの仕上げが必要な場合もある)。したがって、中間在庫が発生しにくいというのも大きな特徴の一つです。なお、鍛造加工メーカーにより異なりますが、比較的単純な形状の部品を製造する場合は、2~3工程すなわち2~3個の金型で成型するヘッダー、それ以上の工程・金型が必要になる複雑形状部品についてはフォーマで加工を行います。

冷間鍛造の強みは、①素材が常温であるため温度変化による寸法変化がほとんど無く高精度を出せる、②ニアネットシェイプあるいはネットシェイプができるためコストダウンと製造リードタイム短縮を実現できるという2つです。欠点としては、被加工材が常温で変形抵抗が高いために形状の自由度が低い、大物の加工には向かないという点が挙げられます。

冷間鍛造と熱間鍛造の違いとは?

冷間鍛造とよく比較されるのが、熱間鍛造です。熱間鍛造は、鉄であれば1,100℃以上、真鍮であれば700℃以上というように、再結晶温度以上に加熱して軟化させた金属材料に対して行う鍛造加工になります。ただし厳密に言うと、再結晶温度以上、かつ固相線温度(物体の一部が液状化する温度)以下の材料です。

熱間鍛造には、①ファイバーフローを断ち切らないため靭性が高い部品を成型できる、②材料が軟化しているため金型設計の自由度が高い、③大物や厚板でも容易に加工できるというメリットがあります。その一方で、①材料を高温に加熱しているため寸法変化が大きく精度が悪い、②同様の理由で内部の不純物がスケールとして浮き出てくるため表面の仕上がりが悪く、外観部品には向かないというデメリットもあります。

以上をまとめると、被加工材温度に起因する冷間鍛造と熱間鍛造の違いは、以下の3点に集約されます。

・冷間鍛造は高精度を出せるが、熱間鍛造は精度が悪い
・冷間鍛造はニアネットシェイプが可能だが、熱間鍛造は仕上げ加工を必要とする
・複雑形状や大物の部品を加工する場合は、冷間鍛造よりも熱間鍛造の方が向いている

順送プレス加工とトランスファープレス加工の違い

トランスファープレスは、単工程型を複数並べ、各工程間で被加工材を搬送し、加工を行う工法です。
順送プレスが一つの金型内に複数工程組み込まれているのに対し、トランスファープレスでは、単発型の金型が、各工程ごとに用意されています。
トランスファープレスは、順送プレスと同じく、大量生産に向いた工法です。
違いは何かというと、生産性と、加工可能な形状、歩留まりになります。

順送プレスが1分間に40~250個(SPM40~250)のところ、トランスファープレスではSPM25~30ほどです。そのため、トランスファープレスが大量生産に向いているとはいえ、順送プレスに生産能力は劣ります。また、トランスファープレスは、プレス機間で被加工材の搬送が必要です。搬送機構が必要なトランスファープレスでは、型の製作費用に加え、設計費用がかかります。
一方で、トランスファープレス加工は、歩留まりのよさがメリットのひとつと言われており、歩留まりは順送プレスより優れています。また、順送加工では、絞りや成形製品において外形が大きく変化するものには適用しづらいところ、トランスファープレス加工は、そのような形状でも加工が可能という強みを持ちます。

プレス加工とは?

プレス加工(英:Press Working)は、金型とそれを取り付けるプレス加工機を用いて行う加工方法です。鍛造・冷間鍛造と同様に量産向きで、一つの設備に複数の金型を取り付けることで様々な形状の部品を製造することができます。

加工システムで分類すると、プレス加工は、①順送プレス、②トランスファープレス、③単発プレスという3つに分類することができます。順送プレスは、3つの中で最も量産に適した工法で生産性が非常に高いものの、金型が複雑なため金型製作にかかる時間とコストがかかる、大物部品の加工には向かないという特徴があります。搬送機構を備えたトランスファープレスは、生産性が順送プレスには及ばないものの、金型の形状の自由度が高く、材料歩留まりがいい、大物部品の加工にも向いているといった特徴があります。単発プレスは、小ロット品の生産に向いています。

プレス加工の加工システムの種類について、詳しくはこちらの記事をご覧ください。

>>順送プレスとは? 単発プレスやトランスファープレスとの違いも解説

また、加工方法によってせん断(ブランキング)、抜き、曲げ、絞り(深絞り)、板鍛造という5つに分類することができます。

プレス加工の加工方法の種類について、詳しくはこちらの記事をご覧ください。

>>プレス加工の種類とその特徴について解説!加工方法と金型、それぞれの種類についてご紹介!

冷間鍛造とプレス加工の違いとは?

ここまで冷間鍛造とプレス加工について詳しくご紹介してきました。一見似ている冷間鍛造とプレス加工ですが、一体何が異なるのでしょうか。

両者の大きな違いは、①材料の板厚が異なる、②材料の材質が異なる、③冷間鍛造の方は加工硬化により途中の工程で焼鈍などの熱処理が必要になる、④材料と製品の板厚の差という4つが挙げられます。

まず、冷間鍛造ではビレットという厚い板材を加工する一方で、プレス加工ではブランクという比較的薄い板材をコイルに巻き、レベラーを通して材料を送ることで加工を行います。そのため、ヘッダー・フォーマとプレス加工機では、基本的には前者の方が加工能力が高い傾向にあります。したがって、金型にかかる負荷も大きくなり破損や摩耗に注意する必要があるため、手入れや金型の耐久性を考慮した設計が重要になります。

次に、材料の材質が異なるという点です。冷間鍛造では冷間鍛造用炭素鋼のSWCH材など強度・硬度が高い材料を、プレス加工では軟鋼(普通鋼)と呼ばれる、軟質で成型性・加工性に優れた特徴をもつSPCC材をそれぞれ使用することが多いです。

そして3つ目は、プレス加工と異なり、冷間鍛造は鍛造後に焼鈍(焼なまし)が必要になるという点です。これは、加工硬化により蓄積した残留応力を除去し、靭性を向上させる目的で行われます。

最後に、材料と製品の板厚の差についてです。簡単に説明すると、冷間鍛造では厚板を潰して部品を加工するため、材料の板厚と加工後の部品のそれとでは大きな差異があります。一方、プレス加工では基本的に材料の板厚を変える加工はしないため、材料と加工後の部品の板厚はほとんど変化がありません。ただし、プレス加工の一つである板鍛造は例外です。

板鍛造(FCF工法)について、詳しくはこちらの記事をご覧ください。

>>板鍛造とは?板金加工・鍛造加工との違いやメリットのご紹介!

冷間鍛造プレス加工
材料の板厚厚板(ビレット)薄板(ブランク)
材質冷間鍛造用炭素鋼(SWCH材など)軟鋼(SPCC材など)
熱処理必要不要
材料と製品の板厚の差差が大きい差がほとんどない

当社の加工事例のご紹介

当社が過去に製造した板鍛造・プレス加工品をご紹介いたします。

>>加工事例の一覧はこちら

プレス加工なら、池田製作所にお任せください

「板鍛造・プレス加工技術.com」を運営する株式会社池田製作所は、金型設計から各種プレス加工、
カシメ、溶接、カチオン電着塗装、高精度検査まで、すべて社内で一貫製造する創業75年の板鍛造・
プレス加工のプロフェッショナルです。
100台以上のプレス加工機に裏打ちされた設備力を背景に、板鍛造・プレス加工の試作から10万個/月
の量産までをワンストップで対応いたします。また、長年培ってきた加工ノウハウと実績にもとづく
図面段階からの設計提案も得意としており、品質向上やリードタイム短縮、コストダウンに関する各
種VA/VE提案を積極的に行っております。
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