製造性設計における金属プレス加工：エンジニアリングハンドブック

要点まとめ

金属プレス加工における設計段階での製造性考慮（DFM）とは、プレス機および金型の物理的特性に合わせて部品形状を最適化する戦略的なエンジニアリング手法です。材料の制約条件に従って設計を行うことで（無理にそれらと対立させるのではなく）、工具費用を最大50％削減し、納期を短縮し、割れやスプリングバックなどの一般的な欠陥を排除できます。

プレス加工におけるDFMの核心は、実績のある幾何学的「黄金律」に従うことにあります。重要な比率としては、 穴の直径を材質の厚さ以上（1T）に確保すること 、 破損を防ぐための最小曲げ半径を1Tに保つこと 、そして特徴的な形状を曲げ領域から少なくとも 1.5T + 半径 の距離を離して配置すること、などが挙げられます。これらの制約をCAD設計の初期段階から採用することが、生産の実現可能性を確保する最も効果的な方法です。

エンジニアリングによるビジネス上の根拠：なぜプレス加工においてDFMが重要なのか

金属プレス加工において、部品のコストは最初の金属板が発注される前までに大きく決定されます。製品の最終的な生産コストの約70％は設計段階でほぼ確定します。「ウォールオーバー」エンジニアリング（設計を事前の相談なしに製造部門に投げ渡すやり方）では、高コストとなる複雑な金型が必要になることが多く、結果としてコストが指数関数的に上昇します。DFM（設計による製造性向上）を考慮せずに設計された部品は、20ステーションからなる複雑なプログレッシブダイと高価なスライド機構を必要とするかもしれませんが、DFMで最適化された設計であれば、よりシンプルな12ステーションの金型で製造可能になります。

協働型DFMは、理想のジオメトリとスチールの冷間成形という現実の間をつなぐ橋渡しの役割を果たします。焦点を「この部品は作れるか？」から「この部品を効率的に作れるか？」へとシフトします。製造パートナーを早い段階で関与させることで、エンジニアは精密研削を必要とする厳しい公差や、二次的なバリ取り工程を必要とする特徴といったコスト要因を特定できます。例えば、非重要部の穴の公差を±0.002インチから±0.005インチに緩めることで、工具寿命を大幅に延ばし、単品あたりの価格を削減できます。

これは、試作から量産へとスケールアップする際に特に重要です。低Volume向けのレーザー切断では問題なく機能する設計でも、高Volume向けのスタンピングプレスでは、異なる応力要因により失敗することがよくあります。このような課題に対して、 シャオイ金属技術 このギャップを埋めることに特化し、試作段階で検証された設計が高速・大量生産用のスタンピングラインにおいて十分な強度を持つようにするためのエンジニアリングサポートを提供しています。こうした専門知識を早期に活用することで、多くの製品立ち上げで問題となる高コストの「金型再設計ループ」を防ぐことができます。

材料選定および結晶粒方向の戦略

スタンピングにおける材料選定は、機能性、成形性、コストの間でのトレードオフとなります。機能性が基本的な合金（例えば、耐食性が必要な場合はステンレス鋼304、軽量化が必要な場合はアルミニウム5052など）を決定する一方で、特定の 怒りの気質 と 繊維方向 は製造可能性を左右します。より硬い材料は高い降伏強度を持ちますが、複雑な成形工程中に割れが発生しやすくなります。

結晶粒方向の重要な役割

薄板金属は圧延によって製造され、このプロセスにより金属内の結晶粒構造が圧延方向に引き伸ばされます。この異方性により、材料は粒の方向に対してどのように成形されるかによって異なる挙動を示します。

• 結晶粒方向に対して直角（横断）に曲げる場合： 最も強い方向性です。繊維構造が引き裂かれるのではなく折りたたまれるため、材料は割れることなくより小さな曲げ半径に耐えることができます。
• 繊維方向への曲げ（繊維に沿った曲げ）: 最も弱い方向性です。特に6061-T6アルミニウムや高炭素鋼などの硬い合金では、外側の曲率部で粒子が容易に分離し、亀裂が生じやすくなります。

厳しい曲げ加工が必要な場合、エンジニアは図面上で繊維方向を明記しなければなりません。部品の形状によって複数の方向への曲げが必要とされる場合、強度と成形性の両方をバランスさせる妥協案として、繊維に対して45度の方向がよく採用されます。

重要な幾何学的ガイドライン：穴、スロット、ウェブ

パンチとダイの接合部における物理的特性により、切断加工された特徴部には厳密な数学的制限が課せられます。これらの比率に違反すると、脆弱なダイ部分が早期に破損し、ダウンタイムやメンテナンスコストが発生します。以下の表は、スタンピング加工における標準的な「経験則」のコンセンサスをまとめたものです。

穴と曲げ部の近接距離： 最も一般的なエラーの一つは、曲げ部に近すぎの位置に穴を配置することです。金属が曲げ半径周辺で引き伸ばされる際、「変形ゾーン」内の任意の特徴（穴など）は歪んでしまいます。設計上、曲げ部近くに穴を必要とする場合は、スタンパが曲げ加工の 後 後に穴をパンチする（工程追加／コスト増加）か、特殊なリリーフカットを使用する必要があります。 穴を円形に保つための標準的な計算式は、穴の端を曲げ部の接線から少なくとも材料厚さの1.5倍に曲げ半径を加えた距離 離すことです。

曲げおよび成形のルール：曲率半径、フランジ、リリーフ

曲げ加工は単なる折り曲げではなく、制御された塑性変形です。破損を防ぎ、一貫した曲げを実現するには、最小曲げ半径、フランジ長さ、および曲げリリーフの3つのパラメータを制御する必要があります。

最小曲げ半径

鋭い内側の角部はプレス成形品の大敵です。半径がゼロ（シャープな角）の場合、応力が集中するポイントが生じ、必然的に割れが発生します。冷間圧延鋼板（CRS）や軟質アルミニウムなどの多くの延性金属では、 最小内曲げ半径は≥1T以上であるべきです 。ステンレス鋼などの硬い材料では、多くの場合≥2T以上が必要です。余裕のあるリブを設計に取り入れることで、金型の寿命が延び、部品の破損リスクが低減されます。

最小フランジ長さ

フランジを正確に曲げるためには、成形工程中、材料が常にダイスと接触している必要があります。フランジが短すぎると、曲げが完了する前にVダイの開口部に滑り込み、歪んだ非平行なエッジとなってしまいます。一般的なルールとして、 フランジ長さは材質厚さの3〜4倍以上である必要があります 。より短いフランジが必要な場合は、プレス業者が長いフランジを形成してから後続工程でトリミングする必要があり、これにより部品コストが上昇します。

ベンディングリリーフ

曲がり線が部品の全幅を覆わない場合, "曲がり線"を補う場合を除き,曲がり線の端にある材料は裂けていきます. 浮き彫りとは,フレンズの底に切断された小さな長方形または半円形のノッチである. この 切断 は 折りたたみ た 材料 を 折りたたみ た 材料 から 隔離 し,裂け 裂け,変形 を 防ぐ. 解像度の深さは,通常,曲線半径+材料厚さを超えておくべきです.

現実とコストを許容する

耐性強度が スタンプ料の最大要因です 現代の精密スタンプは ± 0.001 インチほど狭い容量を達成できるが,部品全体にわたってこれを要求することは不必要で高価である. 耐久性が狭い場合は,より精密な模具部品 (ワイヤEDM切断),より頻繁なメンテナンス (鋭化) と,より遅いプレス速度が必要です.

• ブロックの許容量: 非重要な特徴 (例えば,クリアホール,エア・エンプリー) の場合は,標準ブロックの許容量 (通常は±0.005"~±0.010") を頼りにします.
• 特徴から特徴への次元化: 各特徴間で寸法を指示してください。部品のエッジからではなく、穴同士の相対位置で寸法を取ることで、重要な部分での公差連鎖をより厳密に保つことができます。エッジはトリミング工程で形成されることが多く、貫通穴に比べて変動が大きくなりがちです。
• 重要特性のみ： GD&T（幾何公差）は、組立上絶対に必要な場合にのみ適用してください。フランジ角度公差を±1°から±0.5°に厳しくすると、スプリングバックを制御するためにステンパが金型にリストライク工程を追加する必要が生じ、金型投資が増加します。

一般的な欠陥とその防止（DFMチェックリスト）

エンジニアはCADモデルを確定する前に簡易的なDFMチェックリストを実施することで、よく発生する故障モードを予測し、設計段階で排除できます。

• バリ： すべてのスタンプ加工されたエッジには「破断面」側にバリが発生します。図面に「バリ方向」を明記し、使用者が触れる面に鋭いエッジが来ないよう注意してください。標準的な許容バリ高さは、材料の板厚の10%です。
• スプリングバック： 曲げ後の弾性復元により角度が開いてしまうことがあります。プレス金型でこれを補正することは可能ですが、一貫した材質グレード（特定の高張力低合金鋼など）を使用することで、一貫性を維持できます。生産中に素材サプライヤーを変更するとバラツキが生じるため、避けるべきです。
• オイルキャニング： 薄い金属の広く平らな無支持領域は、オイル缶のようにたわんだり「ポップ」と音を立てたりしやすくなります。リブ、エンボス、段差を追加することで、重量を増加させることなく部品を剛性化でき、この欠陥を防止できます。

効率のためのエンジニアリング

金属プレス成形における設計製造性（DFM）の習得とは、設計意図を妥協することではなく、現実に合わせて洗練させることです。プレス工程の物理的制約を尊重し—最小限の比率を遵守し、適切な材料の繊維方向戦略を選び、公差を適切に適用することで—エンジニアはコストを削減し、長期的な生産安定性を確保できます。プレス機で最適化された部品こそ、利益、品質、スピードの面でも最適化された部品なのです。

よく 聞かれる 質問

1. 金属のスタンピングにおける最小穴径はどれくらいですか？

一般的な原則として、パンチングされた穴の直径は材料の板厚（1T）以上であるべきです。ステンレス鋼などの高強度材料の場合、パンチの破損を防ぐために1.5Tまたは2Tの比率が推奨されることがあります。それより小さな穴が必要な場合は、二次工程としてドリル加工や機械加工を行う必要があります。

2. 材料の繊維方向は曲げ加工にどのように影響しますか？

金属の繊維方向はシートの圧延工程中に形成されます。繊維方向に対して直角（横断）に曲げる場合、強度が高くなり、割れることなくより小さな内半径での曲げが可能になります。一方、繊維方向に平行に曲げると、外側の曲げ部分で割れが生じやすく、強度も低くなります。重要な構造用の曲げ加工では、常に繊維方向に対して横断方向に曲げることが推奨されます。

3. ブランキングとパイアリングの違いは何ですか？

ブランキングは、金属ストリップから部品の外周形状を切り出す工程であり、取り出された部分が有用な部品となる。ピアシング（またはパンチング）は、内部の穴や形状を切り抜く工程であり、取り除かれた部分はスクラップ（スラグ）となる。どちらも切断加工であるが、金型ステーションの工程順序において異なる目的を持っている。