金属プレス金型設計ガイドライン：エンジニアリングマニュアル

要点まとめ

金属プレス金型設計ガイドラインとは、部品が量産可能で、コスト効率が高く、寸法的に安定することを保証するためのエンジニアリング上の制約です。基本的な「ゴールデンルール」として、最小特徴サイズの多くは材料厚さ（MT）によって決まります。たとえば、最小穴径は一般的に延性金属の場合で 1.2x MT 、ステンレス鋼の場合は 2x MT 以上必要です。重要な間隔に関する規則として、膨れを防ぐために穴は任意のエッジから少なくとも 2x MT 離して配置する必要があります。また、最小曲げ半径は一般的に 1x MT とするべきです。最終的には、成功した金型設計とは、これらの部品形状の制約と、力の分布やストリップの安定性といった金型力学とのバランスを取ることで、大量生産における再現性を確実にすることです。

製造性設計（DFM）：部品形状の規則

スタンプ加工部品の設計では、材料の特性から導かれる数学的な制約を厳密に遵守する必要があります。これらのガイドラインを無視すると、工具の破損、過度なバリ発生、または部品の変形が生じる可能性があります。最も効果的な設計では、材料厚さ（MT）を他のすべての寸法が算出される主な変数として扱います。

エンジニアリング制約マトリクス

CADモデルを確定する前に、この参照表を使用して部品の幾何学的形状を検証してください。これらの比率は、製造可能性を確保するための業界で広く受け入れられている標準です。

穴、スロット、および間隔

スタンプ部品の完全性は、各特徴間で十分な材料を維持することに依存しています。これは Xometryの設計基準 エッジに穴を近すぎに配置すると（2xMT未満）、材料が外側に流れ出し、「膨れ」が生じる可能性があり、これを除去するために高価な二次加工が必要になる場合があります。同様に、スロットは少なくとも1.5xMT以上の幅が必要です。これより狭いと、パンチが圧縮荷重で破損するリスクが著しく高まります。

曲げ形状と組織方向

金属の曲げ加工は単なる紙を折る作業ではなく、特定の結晶構造を伸ばしたり圧縮したりするプロセスです。 Keats Manufacturing 曲げは、材料の組織方向に対して理想的には直角に行うべきであると強調しています。組織方向に平行に曲げると、特にステンレス鋼や焼入れアルミニウムのような硬質合金において、割れが生じやすくなります。設計で小さな曲げ半径（約1xMT）が必要な場合は、ストリップ上の部品配置を「組織に横断する」ように設定することが、構造的強度にとって極めて重要です。

ダイの設計および構造：性能に関する10の法則

DFMは部品に注力しますが、金型自体は安定性、メンテナンス性、耐久性を考慮して設計されなければなりません。優れた設計の金型は単に部品を生産するだけでなく、プレス機を保護し、ダウンタイムを最小限に抑えるものです。

安定性と力の管理

最も堅牢な金型は、物理学および力学の基本法則に従っています。「 The Fabricatorの『金型設計の10か条』 」でよく言及される主要な原則の一つは、 ストリップの浮き上がりを最小限に抑えること です。工程間でストリップが過剰に持ち上がると、振動や摩耗が増加します。設計者は切断パンチを段階的に配置し、適切なサイズのリフターを使用して、ストリップを水平かつ安定した状態に保つべきです。さらに、プレスのランプ下での力のバランスを取ることは絶対条件です。工具の右側で強い成形を行う場合、ランプが傾いてガイドピンやブッシュが破損するのを防ぐために、左側にバネやダミーステーションなどのバランス用荷重を設ける必要があります。

メンテナンスを最優先した設計

保守が困難な金型は、設計が不十分な金型です。 ポカヨケ （ミス防止）はツールのアセンブリ自体に適用されるべきです。切断および成形部は逆向きや上下逆さに取り付けられないような設計とすべきです。明確なサービス手順はツール部品に直接エッチングまたはスタンピングすることで記載し、メンテナンス時に「暗黙知」を必要としないようにすべきです。

こうした高度な金型戦略を実行するには、工学面での深い専門能力を持つ製造パートナーが必要です。複雑な自動車部品や産業用部品の場合、 シャオイ金属技術 などの専門業者と協力することで、こうした厳しい設計基準が満たされることを保証できます。IATF 16949認証を取得しており、600トンプレス作業に対応可能なため、迅速な試作から量産までのギャップを埋めることができ、最も複雑なダイ設計であっても、数百万サイクルにわたり確実に性能を発揮できます。

材料選定および公差基準

金型材質と被加工材質の相互作用が、工具の寿命および部品の精度を決定します。適切な工具鋼を選定することは、生産数量と被加工材の硬度に基づいた計算された判断です。

工具鋼の選定

大量生産の場合、 Dramco Tool d2やA2などの耐摩耗性に優れた高強度の工具鋼の使用を推奨します。ステンレス鋼や高強度合金など摩耗性の高い材料をパンチングする極端なケースでは、切断刃に炭化物（サーメット）インサートが必要になる場合があります。炭化物は高価で脆いものの、標準的な工具鋼を急速に鈍化させる摩耗に対して優れた耐性を発揮します。

公差の理解

エンジニアは、スタンピング加工における特徴に対して現実的な期待値を設定しなければなりません。「精度」というのは、材料の板厚に対する相対的なものです。たとえば、穴径の標準公差は±0.002インチ程度ですが、これはダイのクリアランスによって変化する可能性があります。切断エッジにバリが発生することは、業界全体で一般的な現象です。バリに関する業界標準の受入基準は通常 材料の厚さの10% です。設計上でバリのないエッジが必要な場合は、二次的なバリ取り工程やプログレッシブダイ内に特別な「シェービング（削り）」工程を指定する必要があります。

設計別にみる一般的な欠陥とトラブルシューティング

多くのスタンピング欠陥は、設計段階で予測および防止が可能です。こうした潜在的な故障モードを早期に解決することで、量産立ち上げ時の時間とコストを大幅に削減できます。

まとめ

金属プレス金型設計の習得とは、さまざまな制約のバランスを取る技術です。材料の板厚が幾何形状にどう影響するか、力の分布が金型寿命にどう作用するか、材料特性が最終的な精度にどう関係するかを深く理解する必要があります。最小比率を守り、メンテナンス性を考慮した設計を行い、材料の挙動を予測することで、エンジニアは機能的であるだけでなく、量産において本質的に製造可能でコスト効率の高い部品を作成できます。