トリミングおよびパンチング金型設計の基本原則

要点まとめ

トリミングおよびパンチング金型設計は、板金を正確に切断および穴あけするための堅牢なプレスタoolsを設計する専門の工学分野です。成功の鍵は、切断力の正確な計算、工具材料の戦略的選定、および高度な設計技術にあります。主な目的は、材料への応力を効果的に制御し、バリを最小限に抑えたきれいな切断を実現し、金型セットの作業寿命と精度を最大化することです。

トリミングおよびパンチング加工の基礎

板金加工の世界では、トリミングとピアシングは部品の最終的な形状を決定する基本的な切断工程です。これらは類似した工程とまとめて扱われることが多いですが、それぞれ異なる機能を持っています。トリミングとは、スタンプ成形された部品の外縁から余分な材料を除去し、最終的な輪郭を得る工程です。一方、ピアシングは、部品の内部に穴やスロットといった内部形状を形成するために、その内側から材料を打ち抜く工程です。どちらの工程もせん断作用に依存しており、パンチとダイの切断エッジに極端な応力が集中することで、材料がきれいに破断します。

機械的に切断されたエッジの品質は、丸み帯（ロールオーバー）、光沢面（バーニッシュ）、破断面（フラクチャー）、バリの4つの領域によって特徴づけられます。これは、 AHSS Guidelines 高強度鋼材において理想的なエッジは、明確なバーニッシュゾーンと滑らかな破断ゾーンを備えており、後続の成形工程での割れを防ぐ上で極めて重要です。これらの基本を理解することは、一貫して高品質な部品を生産できる工具設計への第一歩です。

それらの役割を明確にするために、他の一般的な切断工程と比較するとよいでしょう。ブランキングはパンチングに似ていますが、取り出された材料（スラグ）が目的の部品となる点が異なります。一方、パンチングではスラグは廃材となります。せん断は、2つの刃の間で板金を直線状に切断する一般的なプロセスです。各工程は、望ましい結果や製造工程内での位置に基づいて選択されます。

金型設計の基本原理と主要な計算

効果的な金型設計は、工学的原則に基づいたデータ駆動型のプロセスです。モデリングを開始する前に、設計者は工具が運転時の荷重に耐え、選択されたプレス内で確実に機能することを保証するため、重要な計算を行う必要があります。最も基本的な計算は切断力であり、これによりプレスに必要なトン数が決定されます。この計算式は一般的に次のように表されます。 切断力（F）= L × t × S ここで、'L'は切断周辺の全長、't'は材料の板厚、'S'は材料のせん断強度を表します。

切断力を正確に決定することは、十分なトン数を持つプレスを選び、通常20〜30％の安全余裕を持たせるために不可欠です。もう一つの重要な要因は、パンチとダイ開口部の間の隙間であるダイクリアランスです。 Jeelix によると、最適なクリアランスは、一般的に材料の厚さの片側あたり5〜12％です。クリアランスが不足すると切断力と工具摩耗が増加し、逆にクリアランスが大きすぎるとバリが大きく発生し、切断面の品質が低下します。高強度鋼（AHSS）の場合は、関連する高い応力を制御するために、これらのクリアランスを大きくする必要がある場合が多いです。

金型部品自体の材料選定は、もう一つの基本原則です。パンチやインサートは、摩耗に対する耐性を持つための硬度と、衝撃による欠損を防ぐための靭性の両立が求められます。一般的にはD2やA2の工具鋼が汎用用途に使用されますが、大量生産や研磨性の高い素材を加工する場合は、粉末冶金鋼や炭化物の使用が必要となる場合があります。材料選定ではコストと性能のトレードオフを考慮し、金型の寿命延長とメンテナンス停止時間の最小化を目指します。自動車分野などの複雑な用途では、専門知識の活用が不可欠です。例えば、 Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. 自動車用スタンピング金型に特化しており、高度なシミュレーション技術と材料に関する知見を活かして、堅牢で高効率な金型ソリューションを提供しています。

トリミングおよびピアシング金型セットの構成

金型は単一の鋼塊ではなく、それぞれに特定の機能を持つ相互に依存する部品からなる精密なアセンブリです。この構造を理解することは、効果的な工具の設計、製作、およびメンテナンスにおいて極めて重要です。アセンブリ全体は金型セット内に収められており、これはガイドピンとブッシュによって位置決めされた上側と下側の金型シューズ（またはプレート）で構成されています。この基盤システムにより、高速運転中にツールの上下半分の間でマイクロメートルレベルの正確な位置合わせが保たれ、損傷を防ぎ、部品の一貫性を維持することが可能になります。

主な作業部品はパンチとダイブロック（またはダイボタン／インサート）です。上ダイシューズに取り付けられたパンチは、切断を行う雄型の部品です。下シューズに取り付けられたダイブロックは、パンチが進入する開口部を持つ雌型の部品です。これらの2つの部品間の正確な幾何学的形状およびクリアランスが、穴あけ加工された穴やトリムエッジの最終的な形状を決定します。それらの材質、硬度、および表面仕上げは、工具寿命および製品品質にとって極めて重要です。

もう1つの重要な構成部品はストリッパーです。パンチが材料を貫通した後、板金の弾性復元によりパンチに材料が付着します。ストリッパーの機能は、プレスの上昇行程でパンチから材料を強制的に剥離することです。ストリッパーは固定式またはスプリング式があり、後者の場合、切断工程中に材料を平らに保持するための圧力を提供し、部品の平面精度を向上させます。プログレッシブダイでは、パイロットも不可欠です。これらはストリップ上の既に開けられた穴にかみ合うピンであり、各後続工程での正確な位置合わせを保証します。

金型部品のメンテナンスチェックリスト：

• パンチおよびダイボタン： 刃先の丸み、欠け、または過度の摩耗を定期的に点検してください。きれいな切断を維持し、切断力を低減するために必要に応じて研削を行ってください。
• ガイドピンとブッシング： 適切に潤滑されていることを確認し、ガリングや摩耗の兆候を点検してください。摩耗したガイドは位置ずれや重大な金型破損を引き起こす可能性があります。
• ストリッパプレート： スプリング（該当する場合）に適切な圧力があり、破損していないことを確認してください。接触面の摩耗をチェックしてください。
• ダイセット： 金型シャーに亀裂や損傷がないか点検してください。すべてのファスナーが規定のトルクで締め付けられていることを確認してください。
• 一般的な清掃： 金型内にスラグ、スリバー、その他の異物が残らないようにし、部品の欠陥や工具の損傷を防いでください。

高度な金型設計技術と材料

基本的な原理を超えて、高度な金型設計は性能の最適化、困難な材料の取り扱い、大量生産における工具寿命の延長に重点を置いています。最も重要な進歩の一つはプログレッシブ金型の使用であり、これは単一の工具内で異なるステーションで順次複数の工程（例えばパンチング、トリミング、曲げなど）を実行します。 Eigen Engineering の専門家が説明しているように、プログレッシブ金型設計を習得するには、材料の使用効率を最大化し、ストリップが金型内を進行する際に安定性を保つための高度なストリップレイアウト計画が必要です。

優れた部品の平面性を実現するため、ファインブランキングやカットアンドキャリーなどの技術が採用されます。ファインブランキングは、高圧パッドとVリングを使用して材料を強く締め付ける特殊な工程であり、ほぼ破断ゾーンがない完全にせん断された直線エッジの部品が得られます。同様に、「カットアンドキャリー」法は、ストリップに対して部分的にブランクを行い、後続の工程で押し出される前に圧力パッドで部品を平らに保持する方法です。 製造業者 この切断時の材料制御により、変形を引き起こす内部応力を最小限に抑えることができます。

高強度鋼（AHSS）の加工を設計する際は、その高い強度と低い延性により独特な課題が生じます。これにはより広いダイ間隙、より頑丈な工具構造、および極端な荷重や摩耗に耐えるために粉末冶金鋼や炭化物などの高級工具材が必要となります。さらに、ピunchの幾何学的形状を変更することでピークトン数や衝撃を低減できます。切り刃をスカーフィングまたはベベル加工することで切断動作がわずかに長時間にわたり分散され、必要な加工力が大幅に低下し、ダイやプレス本体を損傷する可能性のある急激な「スナップスルー」現象も軽減されます。

プログレッシブダイと単工程ダイ

• プログレッシブダイの利点： 非常に高い生産速度、労働コストの削減、高い再現性、複数の工程を一つの工具に集約できる点。
• プログレッシブダイの欠点： 初期の金型コストが非常に高く、設計・製作プロセスが複雑であり、大型または深絞り部品への対応における柔軟性に欠ける。
• 単工程ダイの利点： 金型コストが低く、設計がシンプルで、小ロット生産や非常に大型の部品に対して高い柔軟性を持つ。
• 単一工程ダイの欠点： 生産速度が大幅に遅く、部品あたりの労働コストが高く、繰り返しの取り扱いや位置決めによる不一致の可能性がある。

よく 聞かれる 質問

1. 労働力 設計のルールとは?

明確な「絶対的なルール」があるわけではないが、ダイ設計は確立された一連の原則に従う。これには、材料特性に基づいた切断力の計算、パンチとダイの適切なクリアランスの設定（一般的には材料厚さの片側あたり5～12％）、ダイセットの構造的剛性の確保、およびストリップレイアウトにおける作業工程の論理的な順序の計画が含まれる。総合的な目的は、安全で信頼性が高く、常に品質仕様を満たす部品を生産できる工具を作成することである。

2. トリム工具のダイカストとは何ですか？

ダイカストにおけるトリム工具は、板金スタンピングにおけるトリム工具と同様の目的を持ちますが、異なるタイプの部品に対して使用されます。部品がダイカスト（溶融金属を金型に注入して成形する工程）によって作成された後、ランナーやオーバーフロー、バリといった余分な材料が残ります。トリムダイは、この不要な材料を二次的なプレス工程でせん断除去し、きれいな完成した鋳造部品を得るために使用される工具です。

3. ダイカット用のスチールルールとは何ですか？

スチールルールによるダイカットは、通常、紙、段ボール、発泡体、または薄いプラスチックなど、柔らかい材料に使用される異なるプロセスです。これは、所望の形状に曲げられ、平らな台座（多くの場合合板）に埋め込まれた鋭い薄い鋼製の刃（「スチールルール」）を材料に押し込むものです。非金属材や非常に薄い板金材への形状切断において、費用対効果の高い方法です。

4. ダイカットにはどのような種類がありますか？

ダイカットには、さまざまな材料や生産量に応じた複数の方法があります。金属板加工では、主にパンチとダイセットといったハードツールを使用するピアシング、ブランキング、トリミングなどのスタンピング加工を指します。その他の形式には、厚手の材料向けのフラットベッド式ダイカット、ラベルやガスケットの高速生産向けのロータリーダイカット、そして物理的なダイを使用しないデジタル切断法であるレーザー切断やウォータジェット切断が含まれます。