塑性加工の種類と鍛造・圧延・プレス加工の特徴

塑性加工の種類と各加工法の特徴

塑性加工の鍛造における型鍛造と自由鍛造の違い

 

塑性加工の代表的な種類の一つである鍛造は、金属材料に圧力や打撃を加えて成形する技術です。鍛造は加工方法によって「型鍛造」と「自由鍛造」の2種類に大別されます。

 

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型鍛造は、最終形状に近い金型を用いることで高い寸法精度を実現する加工法です。金型の形状に材料を圧縮・変形させるため、量産に適しており、自動車のクランクシャフトやエンジン部品などの製造に使用されます。一方で金型製作コストがかかるため、大量生産向きの加工方法といえます。

 

参考）鍛造とは？鍛造のメリットと種類
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自由鍛造は、ハンマーや金敷などの汎用性の高い工具を使用して材料を圧縮・変形させる加工法を総称します。金型の形状に依存しないため、コストを抑えられ、大型品や試作・少量生産に適しています。船舶部品や大型シャフトなど、一品生産や特注品の製造に向いている反面、寸法のばらつきが出やすく、型鍛造より精度は落ちるという特徴があります。

 

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自由鍛造の基本的な工程には、金属を上下から叩いて高さを減少させる「据込み」、長さを伸ばす「鍛伸」、薄く広げる「展伸」などがあり、これらを組み合わせて目的の形状を作り出します。

 

参考）鍛造とは？熱間鍛造／冷間鍛造と切削・鋳造・プレスとの比較
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塑性加工における圧延とプレス加工の種類

圧延は、回転するローラー（圧延ロール）の隙間に材料を通して、潰しながら延ばして目的の形状にする塑性加工の種類です。圧延加工には圧延機と呼ばれる機械が用いられ、板材、形材、棒・線材、管材などを大量に高精度で高速に生産できる特徴があります。潰して延ばすという加工の性質上、板状や棒状の形に加工する際に適しています。

 

参考）金属加工の方法はどのようなものがある？基礎の基礎からお伝えし…
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プレス加工は、被加工材の塑性変形を利用した塑性加工の一種で、被加工材を金型に当て、加工機で圧力を加えて材料を金型の形にする加工方法です。加工の種類には「切る（せん断加工）」「曲げる（曲げ加工）」「絞る（絞り加工）」があります。

 

参考）塑性加工とはどんな加工？ 代表的な種類とメリット・デメリット…
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絞り加工は、被加工材に引張力を加え、プレス機の「パンチ」と「ダイ」で被加工材を挟んで加工する方法で、金属やプラスチックでできたコップやボールなどの製造に使用されます。曲げ加工は板、棒、管などの素材に曲げ変形を与えて目的形状を得る加工法です。

 

参考）プレス加工
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多くの場合、1つの被加工材を加工する時間は数秒で、低コストでの大量生産に向いているため、自動車部品や家電製品の筐体など、幅広い製品に活用されています。

 

参考）https://www.witc.co.jp/blog/blog-20220405/
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塑性加工の押出し・引抜き・転造の種類と特徴

押出し加工は、材料を圧力に耐えられる小部屋（コンテナ）に閉じ込め、ダイスとよばれる製品の断面形状の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に成形を行う塑性加工の種類です。加工には押出しプレスが使用され、アルミサッシのフレームや航空機の部品などが製造されます。

 

参考）【今月のまめ知識　第34回】 押出し加工と引抜き加工::NI…
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押出し加工には「直接押出し」と「間接押出し」の2種類があります。直接押出しは、ダイスとコンテナが固定されていて、プレス機のステムが材料の押し出される向きと同じ方向に移動する方法で、通常のアルミニウム押出し形材はほとんどこの方法で製作されています。間接押出しは、固定されたダイスに対し、コンテナが材料の押し出される向きと同じ方向に移動し、ビレット外周とコンテナ内面の摩擦抵抗が少なく押出し圧力が安定するという特徴があります。
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引抜き加工は、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に成形を行う加工法です。加工には伸線機や抽伸機などが使用され、ワイヤーや角材、パイプなどの製品が製造されます。

 

参考）https://jp.meviy.misumi-ec.com/info/ja/howto/metal-machining/19392/
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転造加工は、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塑性加工の種類です。加工には転造盤などが使用され、ねじやギアの歯面の成形などに活用されています。
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塑性加工における熱間加工と冷間加工の種類

塑性加工は、加工時の温度によって「熱間塑性加工」と「冷間塑性加工」の種類に分類されます。この温度による分類は、鍛造をはじめとする多くの塑性加工技術に適用されます。

 

参考）【鍛造事典】鍛造の種類Ⅰ（金型および変型方式・加工温度）
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熱間塑性加工は、材料の再結晶温度以上の高温（約900～1,200℃）で加工を行う方法です。金属は熱すると抵抗が小さくなり、引き伸ばしやすくなるという性質を利用して、小さな力で加工を行うことができます。硬度が高く、熱さないと変形が難しい素材でも用いられる方法で、素材の変形抵抗が比較的小さく、冷間加工では成形が難しいような大型部品を加工できるという点がメリットです。一方で、温度変化によるワークの寸法変化が大きいため、寸法公差や面粗度をはじめとする精度が冷間加工に劣るという点がデメリットになります。

 

参考）冷間鍛造と熱間鍛造の違いとは？ - 冷間鍛造・VA/VEセン…
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冷間塑性加工は、再結晶温度以下の常温で行う加工方法です。冷間鍛造の特徴は、①塑性加工であるため切削と異なり材料ロスが少ない、②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い精度を出せる、③ニアネットシェイプ加工、ネットシェイプ加工ができるため二次加工が不要となりコストを抑えられるという点が挙げられます。
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以下の表は熱間加工と冷間加工の主な違いをまとめたものです。
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項目	冷間塑性加工	熱間塑性加工
加工温度	常温（再結晶温度以下）	900～1,200℃（再結晶温度以上）
変形抵抗	大きい	小さい
寸法変化	小さい（高精度）	大きい（精度が劣る）
加工可能サイズ	小～中型部品	大型部品も可能

塑性加工と鉱石由来金属材料における加工硬化のメリット

塑性加工には、鉱石から精錬された金属材料の品質を向上させる独自のメリットがあります。素材が塑性変形することにより、当初存在していた材料内部欠陥の消滅や、加工硬化による強度増加などの材料改善が見込めます。
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加工硬化とは、金属材料が塑性変形を受けると、結晶構造における転位が増加し、更なる転位形成が抑制されることで硬度や強度が増大する現象です。材料が加工硬化されると、材料が新たな転位でますます飽和していくにつれ、更なる転位が凝集により防止され、この転位形成の抵抗が塑性変形の抵抗として表れます。

 

参考）加工硬化 (Work hardening)
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特に、鍛造、押出し、圧延などの塑性加工では、材料に静水圧が作用し、大気圧下に比べて大きな変形を与えることが可能になります。この結果、組織が緻密となり、鋳造に比べて鋳巣（空洞）ができにくいので引張り強度・硬さに優れた粗形材をつくることができます。

 

参考）鍛造 - Wikipedia
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塑性加工の応用例として、航空機の構造部材には高強度アルミ合金、ゴルフクラブのヘッドには鍛造アルミまたはチタン、自動車のクランクシャフトには鍛造鋼が使用されています。また、自動車産業、航空宇宙産業、建設業、家電製造業など、さまざまな分野で日用品から特殊な製品まで、幅広く活用されています。

 

参考）TNKメディア
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マグネシウム合金やアルミニウム合金などの軽量金属材料においても、塑性加工技術は重要な役割を果たしており、輸送機器の軽量化を促進させる材料として注目されています。鉱石由来の金属材料に対して適切な塑性加工を施すことで、材料の性能を最大限に引き出すことが可能です。

 

参考）マグネシウム合金連続鋳造材の鍛造プロセス開発
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圧延や鍛造などの塑性加工技術の詳細について解説されています（塑性加工の種類と特長）
鍛造の種類と型鍛造・自由鍛造のメリットについて詳しく紹介されています
押出し加工と引抜き加工の違いや加工プロセスの詳細が解説されています

 

 

チューブフォーミング- 軽量化と高機能化の管材二次加工 - (新塑性加工技術シリーズ 13)