鍛造製造性のための主要設計原則

要点まとめ

部品を鍛造製造性に適した形で設計するには、金属鍛造プロセスを円滑に進めるために幾何学的形状を戦略的に計画する必要があります。これには、分割線、抜き勾配、隅の曲率半径、肉厚などの主要な特徴を慎重に制御し、材料の流れをスムーズにし、欠陥を防止するとともに、金型からの取り外しを容易にすることが含まれます。適切な設計により、コストを最小限に抑え、後加工工程を削減し、鍛造部品が本来持つ強度を最大限に引き出すことができます。

鍛造製造性設計（DFM）の基本

鍛造製造性設計（DFM）は、部品の設計を鍛造工程に最適化することに特化した工学的手法です。主な目的は、機能的な部品を作成するだけでなく、生産が効率的でコスト効果が高いようにすることです。設計段階から鍛造の制約や能力を考慮することで、エンジニアは生産コストを大幅に削減し、完成品の品質を向上させ、機械加工などの追加工程の必要性を最小限に抑えることができます。専門家が詳述しているように、鍛造では金属の結晶粒の流れが部品の形状に沿って整えられ、疲労強度や衝撃靭性といった機械的特性が向上します。 このプロセスにより、鋳造や切削加工と比較して優れた強度と耐久性を持つ部品が得られます .

鍛造におけるDFMの主な目的には以下が含まれます：

• 複雑さの低減： シンプルで対称的な形状は鍛造が容易であり、より複雑な金型を必要とせず、欠陥も少なくなります。
• 材料の流動の確保： 設計では、金属がスムーズに流れ、空洞や重なり（laps）を生じることなく金型キャビティを完全に充填できるようにする必要があります。
• 部品の標準化： 可能な限り標準的な寸法や特徴を使用することで、金型コストと製造時間を削減できます。
• 廃棄物の最小化： 初期のビレットサイズや部品形状を最適化することで、鍛造後に切り取り除去される「フラッシュ」を含む材料のロスを削減できます。

これらの原則を無視すると、重大な課題が生じる可能性があります。不適切な設計選択は、製造上の欠陥、金型の摩耗増加、材料の無駄の増大、そして最終的にはより弱く高価な完成品につながります。自動車や航空宇宙など厳しい要件が求められる業界においては、知識豊富な製造業者と提携することが極めて重要です。例えば、「 シャオイ金属技術 」などの自動車用ホットフォージングの専門企業は、金型製造および生産プロセスに関する専門知識を活かし、試作から量産まで、性能と効率の両面で最適化された設計を実現しています。

基本的な幾何学的考慮事項1：分割線と抜き勾配

鍛造設計において最も重要な要素の一つに、分割線と抜き勾配があります。これらの特徴は金型の複雑さ、材料の流れ、および完成品を工具から取り出す容易さに直接影響します。これらの側面について適切に計画することは、成功し効率的な鍛造作業にとって不可欠です。

分割線

分割線とは、鍛造金型の二つの半分が接する面のことです。その位置は設計プロセスにおける重要な決定事項であり、鍛造図面には明確に示されるべきです。理想的には、分割線は単一の平面上にあり、部品の最大投影面積の周辺に配置されるべきです。これにより、材料の均等な流れが保たれ、部品を鍛造する際に必要な力が最小限に抑えられます。これは engineers Edgeのガイドラインによると 適切に配置された分割線は、流れの方向を制御し、金型から部品を押し出すことが不可能になるアンダーカットを防ぐのにも役立ちます。

ドラフト角度

抜き勾配（ドラフト角）とは、鍛造時にダイの動きと平行なすべての垂直面に設けられる小さなテーパーのことです。その主な目的は、成形後の部品をダイから容易に取り出すことを可能にすることです。十分なドラフト角が確保されていないと、部品がくっついてしまい、部品自体や高価なダイを損傷する可能性があります。必要なドラフト角は、部品の複雑さや使用される材料によって異なりますが、 鋼材の鍛造品における一般的なドラフト角は3〜7度の範囲です ドラフト角が不足していると、欠陥が生じたり、ダイの摩耗が増加したり、生産サイクルが遅くなる可能性があります。

コアの幾何学的考慮事項2：リブ、ウェブ、および肉盛り部（半径）

全体の形状を超えて、リブ、ウェブ、および角やフィレットの半径などの特定の特徴の設計は、製造可能性において不可欠です。これらの要素は、材料のスムーズな流れを促進し、一般的な鍛造欠陥を防止するとともに、最終部品の構造的完全性を確保するように設計しなければなりません。

リブとウェブ

リブとは、重量を過度に増加させることなく部品に強度と剛性を与えるためによく用いられる狭く盛り上がった特徴です。ウェブとは、リブやその他の特徴を接続する薄い部分の材料のことです。これらを設計する際には、寸法比率の管理が極めて重要です。高さがあり、幅の狭いリブは材料で完全に充填するのが難しく、欠陥を引き起こす可能性があります。一般的な経験則として、リブの高さはその厚さの6倍を超えないようにすることです。さらに、加工上の問題を防ぐため、リブの厚さは理想的にはウェブの厚さ以下または同等であるべきです。

角およびフィレット半径

鍛造設計における最も重要なルールの一つは、鋭い内角および外角を避けることです。鋭い角部は金属の流れを妨げ、材料が折り重なるラップや冷隔といった欠陥を引き起こします。また、金型および完成品の両方に応力集中を生じさせ、疲労寿命の低下を招く可能性があります。十分な内側フィレット（内部）半径および外側コーナー（外部）半径を設けることが不可欠です。こうした丸みを帯びたエッジは、金属がダイキャビティ全体にスムーズに流れるのを助け、完全な充填を確保し、応力をより均等に分散させます。これにより、部品の強度が向上するだけでなく、金型の摩耗や割れのリスクを低減することで、鍛造用金型の寿命も延ばすことができます。

材料の流れの管理：断面厚さと対称性

鍛造の基本的な物理現象は、固体金属を所望の形状に厚い流体のように流動させることです。したがって、この材料の流れを制御することは、欠陥のない部品を作成する上で極めて重要です。そのための鍵は、断面の厚さを一貫して保ち、可能な限り対称性を活用することにあります。

壁の厚さが急激に変化すると重大な問題を引き起こす可能性があります。金属は常に抵抗の最も小さい経路に沿って流れますが、厚い部分から薄い部分への急激な遷移は流れを制限し、薄い部分が完全に充填されなくなることがあります。これは冷却時に熱勾配を生じさせ、反りや割れを引き起こす原因にもなります。理想的な鍛造設計では、部品全体で均一な壁厚を維持します。変更が避けられない場合は、滑らかでテーパー状の緩やかな遷移を設けるべきです。これにより圧力が均等に分布し、金属が金型のすべての領域に均一に流れることが保証されます。

対称性も設計者にとって強力なツールの一つです。対称的な部品は、材料の流れが均等になりやすく、金型設計が簡素化されるため、本質的に鍛造が容易です。力がより均等に分散され、部品は鍛造中およびその後の冷却中に変形しにくくなります。用途が許す限り、シンプルで対称的な形状を設計すれば、ほぼ常に、より堅牢でコスト効率に優れた製造プロセスと高品質な最終部品につながります。

後加工工程の計画：機械加工余裕寸法と公差

鍛造は最終形状に非常に近い部品（ニアネット形状）を製造できる一方で、厳密な公差や特定の表面仕上げ、あるいは鍛造では成形できない特徴を実現するためには、多くの場合、二次的な機械加工が必要となります。製造しやすい設計を行う上で重要なのは、こうした後加工工程を最初から念頭に置いて計画することです。

「加工余裕量」とは、後で機械加工を行う予定の鍛造品の表面に意図的に追加される余分な材料のことです。これにより、最終的な正確な寸法を得るために除去すべき十分な材料が確保されます。一般的な加工余裕量は、各表面に対して約0.06インチ（1.5 mm）程度ですが、部品の大きさや複雑さによってこの値は異なります。設計者は、この余裕量を指定する際に、最も厳しいケースでの公差の累積および抜型勾配（ドラフト角）を考慮に入れる必要があります。

鍛造品の公差は、自然と精密機械加工に比べて緩めになります。鍛造品に対して現実的な公差を設定することは、コスト管理において極めて重要です。必要以上に厳しい鍛造公差を要求すると、金型コストや不良率が大幅に増加する可能性があります。その代わりに、設計では機械加工を行う重要な面と、鍛造後のままでも問題ない非重要面を明確に区別すべきです。図面でこれらの要求事項を明確に示すことで、設計者は生産性と機能性を両立した部品を作成でき、未加工の鍛造品と完成部品との間のギャップを埋めることができます。

よく 聞かれる 質問

1. 鍛造における設計上の考慮点は何ですか？

鍛造のための主な設計上の考慮事項には、適切な材料の選定、金属の流れを促進するための部品形状の定義、および主要な特徴の仕様設定が含まれます。これには、分割面の位置、部品の脱型に十分な抜き勾配、応力集中を避けるための十分な肉盛り半径や角部半径、均一な肉厚の維持が含まれます。さらに、設計者は鍛造後の機械加工に対する加工余裕および現実的な公差も計画する必要があります。

2. 製造向けの部品設計はどのように行いますか？

製造向け設計（DFM）とは、複雑さとコストを削減するために設計を簡素化することです。主な原則には、部品総数の削減、可能な場合は標準部品の使用、多機能部品の設計、および加工が容易な材料の選定が含まれます。特に鍛造の場合、均一な材料の流れを考慮した設計、鋭い角の回避、二次加工工程の必要性の最小化が求められます。

3. 製造性設計（DFM）の特徴は何ですか？

製造性設計（DFM）とは、設計段階の初期から製造プロセスを考慮する前向きなアプローチが特徴です。その基本的な原則には、部品の加工のしやすさ、コスト効率、品質の最適化が含まれます。つまり、材料の選定、工程能力、標準化、複雑さの最小化などの要素に注力し、最終製品が確実かつ効率的に生産できるようにすることを意味します。