完璧な絞り金型を設計するための基本原則

要点まとめ

絞り加工用金型は、平板状の金属板をシームレスな三次元の中空部品に成形するための専門工具です。この工程では、パンチが金属板を金型キャビティ内に引き伸ばす一方で、ブランクホルダーが材料の動きを制御します。成功した設計には、材料の性質、絞り比、潤滑、バインダー圧力、金型のリード半径などの重要な要因を最適化することで、しわや裂け、破断といった欠陥を防ぎながら、金属の流れを正確に管理することが不可欠です。

深絞り加工の基本を理解する

絞り型の基本原理は、板金の制御された変形である。切断や曲げとは異なり、絞り加工では平らな金属ブランクを伸ばしたり圧縮したりして、継ぎ目がない中空の形状に再形成する。この方法は、自動車のボディパネルやキッチンシンク、調理器具、産業用部品など、幅広い製品の製造に不可欠である。この工程では、巨大な圧力の下で協調動作する一連の工具によって所望の幾何学的形状が得られる。

この工程は、ブランクと呼ばれる金属の平らなシートをダイ面に配置することから始まります。ブランクホルダーまたはバインダーと呼ばれる部品が下降してブランクの端部を固定します。この締付力は、材料がダイに引き込まれる際の制御において極めて重要です。次に、部品の内腔形状を持つパンチが下方に移動し、金属をダイキャビティ内に押し込みます。パンチが下降するにつれて、金属はダイのエントリーラジウス上を延びて流れ込み、平らなシートが3次元の部品へと変形します。この変形を、材料の健全性を損なうことなく達成することが目的です。

このプロセスが正しく機能するためには、いくつかの主要な構成部品が不可欠です。 Alsette の専門家によれば、これらにはパンチ、ダイキャビティ、およびブランクホルダーが含まれます。 パンチ パンチが 金型キャビティ ダイキャビティが ブランクホルダー は、金属の流動を制御するためにブランクの周縁部に適切な圧力を加えます。より複雑な設計では、 ドロービーズ ダイまたはバインダー表面に設けられた小さなリブは、摩擦を加えて特定の領域での材料の流れをさらに制御し、欠陥を防ぐために使用されます。

金属の流れを成功させるための主要な設計要因

深絞り加工の成功は、金属の流れを適切に制御できるかどうかにかかっています。金属が流れすぎるとしわが生じ、逆に流れが強すぎると薄くなりすぎて破断します。このバランスを実現するには、多数の相互に関連する変数に対する深い理解が必要です。安定した繰り返し可能な製造プロセスを確保するためには、金型設計段階でそれぞれの要因を慎重に検討する必要があります。

これらの要因を網羅したリストは、あらゆる設計者にとって不可欠です。以下の記事で詳述されているように、 製造業者 金属の流れに影響を与える主な要素には以下が含まれます：

• 材料の特性： 金属の種類、板厚、グレードが基本となります。厚い材料ほど剛性が高く、より大きく伸ばすことができます。また、加工硬化係数（N値）や塑性ひずみ比（R値）といった特性は、材料の延伸および絞り成形性を決定します。
• ブランクのサイズおよび形状： 大きすぎるブランクは金属の流動を制限する可能性がありますが、最適化された形状は廃材を削減し、欠陥を防止できます。
• 引き寄せ比: これはブランク直径とパンチ直径の関係を指します。この比率が大きすぎると、材料が過度に薄くなりすぎて破断する可能性があります。
• ダイ半径： ダイの入り口部の半径は極めて重要です。半径が小さすぎると破断の原因となり、大きすぎると材料の制御が低下して座屈（しわ）が生じる可能性があります。
• バインダー圧力（ブランクホルダー荷重）： 圧力が不足するとしわが生じ、圧力が過剰だと流れが制限され破断を引き起こします。スタンドオフは通常、材料の厚さの110％に設定され、正確な隙間を維持し、材料の厚み増しに対応するために使用されます。
• 潤滑: 適切な潤滑により、ダイ部品と被加工物との間の摩擦が低減され、傷付きが防止され、材料のスムーズな流動が促進されます。
• プレス速度： プレスラムの速度は、材料に割れることなく十分に流動する時間を与えるために、十分に遅くなければなりません。

これらの要因間の相互作用は複雑です。たとえば、最適なダイ入口半径は、材料の厚さや種類によって異なります。高品質鋼材の円形絞り加工では、小さな半径は破断を引き起こす可能性があり、一方で大きな半径は特に薄板材でしわの発生につながる可能性があります。同様に、必要なブランクホルダー圧力は材料に応じて変化し、高強度鋼材では低炭素鋼の最大3倍の圧力を必要とする場合があります。

ダイ部品の設計：パンチ、ダイ、ブランクホルダー

絵型の物理的構成部品であるパンチ、ダイ、およびブランクホルダーは、設計原則を実践する場です。各部品の幾何学的形状、寸法、および表面仕上げは、最終製品の品質に直接影響します。効果的で耐久性のある金型を作成するためには、正確な計算とベストプラクティスの遵守が不可欠です。

The パンチ と 金型キャビティ これらは互いに協働して製品の最終形状を決定します。この2つの部品間のクリアランスは重要な寸法です。一般的に、 HARSLE Press によると、この隙間は材料の厚さよりやや大きめに設定され、絞り加工中に発生する板厚の増加を考慮しています。隙間が小さすぎると絞り力が増加し、過度の板厚減少や破断を引き起こす可能性があります。一方、隙間が大きすぎるとしわが生じたり、寸法精度が低下したりする恐れがあります。パンチ（rp）とダイ（rd）のフィレット半径も、慎重に選定する必要があります。小さなパンチ半径では応力が集中し、製品底部に割れが生じやすくなります。

The ブランクホルダー は、金属の流動を制御する上で arguably 最も重要な部品です。その主な機能は、ブランクのフランジ部に一定で予め設定された圧力をかけることです。これにより、材料が金型内に絞り込まれる際に周方向に圧縮される中で、しわの発生を防ぎます。ブランクホルダーの表面は、圧力が均等に分布するように、金型表面と完全に平行でなければなりません。自動車業界などにおける複雑な部品では、特に所定の領域に追加の拘束力を生み出すために、ドロービードがブランクホルダーまたは金型に組み込まれており、成形プロセスに対するより高い制御を可能にしています。

こうした複雑な設計を実現するには、エンジニアリングおよび製造に関する高度な専門知識が求められます。高精度金型に特化した企業、例えば Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. 、先進的なCAEシミュレーションと長年の経験を活用し、OEMおよびTier 1サプライヤー向けにカスタム自動車用スタンピング金型を製造しています。構造部品から複雑なボディパネルまで、あらゆる部品の金型開発における取り組みは、量産における効率性と品質を実現するためにこれらの設計原則を習得することがいかに重要であるかを示しています。

欠陥の防止とトラブルシューティングのためのベストプラクティス

注意深い設計を行っても、深絞り工程中に欠陥が発生する可能性があります。しわ、破断、亀裂などの一般的な不良の根本原因を理解することは、トラブルシューティングと予防の鍵となります。ほとんどの欠陥は、金属の流動を制御する力のバランスが取れていないことに起因します。確立されたベストプラクティスに従うことで、エンジニアは歩留まりを改善し、生産の安定性を高めることができます。

以下で指摘されている最も基本的なベストプラクティスの1つは、 Dramco Tool 部品設計において鋭い角を避けることが重要です。鋭いリブは応力を集中させ、材料が破断または破壊しやすい弱点を作り出します。部品およびダイツール双方に十分な大きさの滑らかなリブを設けることで、金属の流動が容易になり、応力をより広い範囲に分散させることができます。さらに、部品の設計意図を理解することは極めて重要です。部品の使用方法を把握しておくことで、公差や重要な特徴に関する意思決定が可能となり、過剰設計を防ぎ、製造上の複雑さを低減できます。

体系的なトラブルシューティング手法を用いることで、大幅な時間とリソースの節約が可能です。以下の表は、一般的な欠陥とそれらの設計に関連する原因、およびこれまでに説明した原則に基づく推奨解決策を示しています。

引き抜き金型設計に関するよくある質問

1. 金型の基本原理とは何ですか？

引き抜き金型の基本原理は、欠陥を生じさせることなく板金の流れを制御して三次元形状を形成することにあります。これには、材料の延び性能の管理、しわ防止のための適切なバインダー圧力の適用、裂け防止のための適切なリブ半径の使用、摩擦低減のための適切な潤滑の確保などが含まれます。最終的な目的は、成形プロセス全体を通じて材料に作用する圧縮力と引張力のバランスを取ることです。

2. 金型設計ルールとは何ですか？

金型設計の重要なルールの一つは、工具の幾何学的形状が材料の滑らかで制御された流動を促進することを確保することです。これには、パンチとダイのクリアランスを材料の板厚の約110%に設定し、ダイのエントリ半径を材料の板厚の4〜8倍とするほか、材料の限界範囲内での絞り比の計算が含まれます。もう一つの重要なルールは、材料の板厚、強度、成形性といった特性を考慮した設計を行うことです。

3. 金型の原理とは何ですか？

金型設計の原理は、製造用の耐久性があり、正確かつ効率的な工具を作成することに重点を置いています。これには、工具自体の適切な材料選定（通常は焼入れ済み工具鋼）、部品の公差を達成するための適正なクリアランスの計算、および生産時の高負荷に耐えうる構成部品の設計が含まれます。また、工具の寿命にわたって一貫して高品質な部品を生産できるよう、摩耗やメンテナンスも設計段階で考慮しなければなりません。

4. 引抜加工の基本原理は何ですか？

引抜加工の基本原理は、パンチによって平板の金属ブランクをダイ空洞内に伸ばし、中空の容器に成形するものです。この工程では、ブランクホルダーによる圧力で制御されたフランジ部からの材料の内向き流動が特徴であり、この制御された流動により、破断することなく所望の深さと形状に部品を成形し、欠陥を防止します。