鍛造

以下の鍛造プロセスはすべてさまざまな温度で実行できますが、一般的には金属温度が再結晶温度より高いか低いかによって分類されます。温度が材料の再結晶温度より高い場合は熱間鍛造、温度が材料の再結晶温度より低いが再結晶温度の 30% より高い (絶対値で) 場合は温間鍛造、再結晶温度の 30% より低い (通常は室温) 場合は冷間鍛造とみなされます。熱間鍛造の主な利点は、より迅速かつ正確に実行でき、金属が変形すると再結晶プロセスによって加工硬化効果が打ち消されることです。冷間鍛造では、通常、部品の加工硬化が発生します。^{[ 5 ] [ 6 ]}

ドロップ鍛造とは、ハンマーを上げてワークピースに「落とし込む」ことで、金型の形状に合わせてワークピースを変形させる鍛造プロセスです。ドロップ鍛造には、オープンダイ式ドロップ鍛造とインプレッションダイ式（またはクローズドダイ式）ドロップ鍛造の2種類があります。名前が示すように、両者の違いは金型の形状にあり、前者はワークピースを完全に覆わないのに対し、後者は完全に覆います。

オープンダイ鍛造

オープンダイ鍛造は、鍛冶鍛造とも呼ばれます。^{[ 7 ]}オープンダイ鍛造では、ハンマーが固定された金床の上に置かれたワークピースを叩いて変形させます。オープンダイ鍛造という名前は、ダイ（ワークピースと接触する面）がワークピースを囲んでいないため、ダイと接触している部分以外ではワークピースが流動するという事実から来ています。そのため、作業者は、目的の形状を得るためにワークピースの向きと位置を調整する必要があります。ダイは通常、平らな形状ですが、特殊な作業のために特殊な形状の表面を持つものもあります。たとえば、ダイは、丸い、凹面、凸面を持つ場合や、穴を開ける工具、切断工具である場合があります。^{[ 8 ]}オープンダイ鍛造では、ディスク、ハブ、ブロック、シャフト（段付きシャフトやフランジ付きを含む）、スリーブ、円筒、平らな面、六角形、丸い面、プレート、およびいくつかのカスタム形状などの形状に加工できます。^{[ 9 ]}オープンダイ鍛造は、ワークピースが非常に大きい場合、または少量のバッチサイズしか必要とされない場合によく使用されます。^{[ 10 ]}オープンダイ鍛造は小ロット生産に適しており、美術工芸やカスタムワークに適しています。場合によっては、オープンダイ鍛造を使用してインゴットを粗成形し、後続の工程に備えることがあります。オープンダイ鍛造は、必要な方向の強度を高めるために結晶粒の向きを調整することもできます。^{[ 8 ]}

プレス鍛造は、ドロップハンマー鍛造のほぼ瞬間的な衝撃とは異なり、連続的な圧力または力をゆっくりと加えることによって機能します。金型がワークピースに接触している時間は秒単位で測定されます（ドロップハンマー鍛造のミリ秒単位と比較）。プレス鍛造作業は、冷間または熱間で行うことができます。^{[ 15 ]}

プレス鍛造の主な利点は、ドロップハンマー鍛造と比較して、ワークピース全体を変形させることができる点です。ドロップハンマー鍛造では、通常、ハンマーとアンビルが接触するワークピースの表面のみが変形し、ワークピースの内部は比較的変形しません。このプロセスのもう一つの利点は、新しい部品のひずみ速度を把握できることです。プレス鍛造の圧縮速度を制御することで、内部ひずみを制御することができます。

このプロセスにはいくつかの欠点があり、そのほとんどは、ワークピースが金型に長時間接触することに起因します。工程の数と長さのため、この作業は時間がかかります。金型がワークピースに接触しているため、ワークピースはより速く冷却されます。金型は周囲の雰囲気よりもはるかに多くの熱を伝達するからです。ワークピースが冷却されるにつれて、強度が増し、延性が低下するため、変形が続くと亀裂が発生する可能性があります。そのため、熱損失を減らし、表面の流れを促進し、より細かいディテールとより厳しい公差での加工を可能にするために、通常は加熱金型が使用されます。ワークピースを再加熱する必要がある場合もあります。

高生産性で実施する場合、プレス鍛造はハンマー鍛造よりも経済的です。また、この工程ではより厳しい公差が得られます。ハンマー鍛造では作業の大部分が機械によって吸収されますが、プレス鍛造では作業の大部分がワークピースで使用されます。もう1つの利点は、プレス鍛造機のサイズに制限がないため、この工程を使用して任意のサイズの部品を作成できることです。新しいプレス鍛造技術により、より高いレベルの機械的完全性と配向性を実現できるようになりました。部品の外層への酸化の抑制により、完成部品における微小亀裂の発生レベルが低減されます。^{[ 15 ]}

プレス鍛造は、オープンダイ鍛造やインプレッションダイ鍛造を含むあらゆる種類の鍛造に使用できます。インプレッションダイプレス鍛造は通常、ドロップ鍛造よりも抜き勾配が少なく、寸法精度が優れています。また、プレス鍛造は多くの場合、ダイを一度閉じるだけで完了するため、自動化が容易です。^{[ 18 ]}

アップセット鍛造は、ワークピースの長さを圧縮することで直径を大きくします。^{[ 18 ]}生産される部品の数に基づくと、これは最も広く使用されている鍛造プロセスです。^{[ 18 ]}アップセット鍛造プロセスを使用して製造される一般的な部品の例としては、エンジンバルブ、カップリング、ボルト、ねじ、その他のファスナーなどがあります。

アップセット鍛造は通常、クランクプレスと呼ばれる特殊な高速機械で行われます。これらの機械は通常、ワークピースをあるステーションから次のステーションへ素早く交換できるように水平面で動作するように設定されていますが、アップセットは垂直クランクプレスや油圧プレスでも行うことができます。最初のワークピースは通常、ワイヤーまたはロッドですが、一部の機械では直径25cm （9.8インチ）までの棒材と1000トンを超える容量を受け入れることができます。標準的なアップセットマシンは、複数のキャビティを含む分割ダイを使用します。ダイはワークピースが1つのキャビティから次のキャビティに移動できるように十分に開きます。次にダイが閉じ、ヘッディングツールまたはラムが棒材に対して長手方向に移動し、キャビティにアップセットします。すべてのキャビティが各サイクルで利用される場合、各サイクルで完成部品が生産されるため、このプロセスは大量生産に有利です。^{[ 18 ]}  

アップセット鍛造する部品を設計する際には、以下の規則に従わなければなりません。^{[ 19 ]}

• 損傷を与えるような座屈を起こさずに一撃で変形させることができる、支持されていない金属の長さは、棒の直径の3倍に制限されるべきである。
• 直径の3倍を超える長さの材料でも、加工後の直径が材料の直径の1.5倍以下であれば、加工に成功することができる。
• ストックの長さがストックの直径の3倍を超えるアップセット加工において、キャビティの直径がストックの直径の1.5倍以下である場合、ダイの面から突き出た支持されていない金属の長さは、棒材の直径を超えてはならない。

自動熱間鍛造プロセスでは、室温の状態で、通常7メートル（23フィート）の長さの圧延鋼棒を機械の一端から投入し、熱間鍛造された製品をもう一方の端から排出します。このプロセスはすべて高速で行われ、小型部品は毎分180個（ppm）、大型部品は毎分90個の速度で製造できます。部品は中実または中空、円形または対称形で、重量は最大6キログラム（13ポンド）、直径は最大18センチメートル（7.1インチ）まで対応可能です。このプロセスの主な利点は、高い生産速度と低コスト材料に対応できることです。機械の操作に必要な労力はごくわずかです。      

バリが発生しないため、従来の鍛造に比べて材料を 20 ～ 30% 節約できます。最終製品は1,050 °C (1,920 °F)で一定であるため、空冷しても加工しやすい部品が得られます (利点は、鍛造後に焼きなましが不要なことです)。公差は通常 ± 0.3 mm (0.012インチ)で、表面はきれいで、抜き勾配は 0.5 ～ 1° です。接触時間が 0.06 秒程度であるため、工具寿命は従来の鍛造のほぼ 2 倍です。欠点は、このプロセスは小型の対称部品にしか適用できず、コストがかかることです。初期投資は 1,000 万ドルを超える可能性があるため、このプロセスを正当化するには大量生産が必要です。^{[ 20 ]}    

このプロセスは、高出力誘導コイルを使用して棒材を60秒以内に1,200～1,300 ℃（2,190～2,370 °F）まで加熱することから始まります。次に、ローラーでスケールを除去し、ブランクにせん断し、いくつかの連続した成形段階を経て、据え込み、予備成形、最終鍛造、および（必要に応じて）穴あけが行われます。このプロセスは、高速冷間成形作業と組み合わせることもできます。一般的に、冷間成形作業は仕上げ段階を行うため、自動熱間鍛造の高速性を維持しながら、冷間加工の利点を得ることができます。^{[ 21 ]}  

このプロセスで製造される部品の例としては、ホイールハブユニットベアリング、トランスミッションギア、テーパーローラーベアリングレース、ステンレス鋼カップリングフランジ、液化プロパン（LP）ガスボンベのネックリングなどがあります。^{[ 22 ]}手動トランスミッションギアは、冷間加工と併用される自動熱間鍛造の例です。^{[ 23 ]}

ロール鍛造は、丸棒または平棒の厚みを減らし、長さを増やすプロセスです。ロール鍛造は、それぞれ1つ以上の成形溝を持つ2つの円筒形または半円筒形のロールを使用して行われます。加熱された棒がロールに挿入され、特定の場所に当たるとロールが回転し、棒は機械内を転がりながら徐々に成形されます。その後、ワークピースは次の溝セットに移されるか、反転して同じ溝に再び挿入されます。これは、目的の形状とサイズが得られるまで続きます。このプロセスの利点は、バリがなく、ワークピースに好ましい結晶構造を与えることです。^{[ 24 ]}

この方法で製造される製品の例としては、車軸、テーパーレバー、板ばねなどが挙げられる。

精密鍛造とも呼ばれるこの方法は、鍛造後のコストと廃棄物を最小限に抑え、最終加工がほとんど、あるいは全く不要になるように開発されました。材料の使用量を減らし、スクラップの発生量を減らし、エネルギー消費量を減らし、追加の加工をほとんど、あるいは全く行わないことでコストが削減されます。精密鍛造では、1°から0°の低い抜き勾配も必要となります。このプロセスの欠点はコストであり、大幅なコスト削減が可能な場合にのみ実施されます。^{[ 25 ]}

上記のプロセスとは異なり、誘導鍛造は使用する加熱方式の種類に基づいています。上記のプロセスの多くは、この加熱方法と組み合わせて使用​​できます。

多方向鍛造とは、ワークピースを複数の方向に一度に成形する工程である。多方向成形は、工具の構造的な工夫によって実現される。プレスラムの垂直方向の動きは、くさびを用いて方向転換され、鍛造プレスの力を水平方向に分散・方向転換する。^{[ 26 ]}

等温鍛造とは、材料と金型を同じ温度（ iso-は「等しい」という意味）まで加熱するプロセスです。断熱加熱は材料の変形を促進するために使用され、ひずみ速度が厳密に制御されます。この技術は、鋼よりも鍛造温度が低いアルミニウムの鍛造によく使用されます。アルミニウムの鍛造温度は約430 ℃（806 °F）ですが、鋼や超合金は930～1,260 ℃（1,710～2,300 °F）になります。    

利点：

• ニアネットシェイプは加工要件を低減し、結果として不良率を低減する。
• 部品の再現性
• 熱損失が少ないため、より小型の機械で鍛造を行うことができる。

デメリット：

• 高温高圧に対応するための金型材料コストの上昇
• 均一な暖房システムが必要です
• 金型や材料の酸化を抑制するための保護雰囲気または真空
• 生産率が低い

成形温度に応じて、鋼の鍛造品は以下のように分類できます。^{[ 27 ]}

• 鋼の熱間鍛造
  • 再結晶温度を超える鍛造温度（950～1250  ℃）
  • 優れた成形性
  • 低い成形力
  • 加工部品の引張強度が一定であること
• 鋼の温間鍛造
  • 鍛造温度は750～950  ℃
  • 加工物表面のスケールの発生が少ない、または全くない
  • 熱間鍛造よりも狭い公差を実現可能
  • 熱間鍛造に比べて成形性が限られ、成形力も高くなる。
  • 冷間成形よりも低い成形力
• 鋼の冷間鍛造
  •  室温条件下での鍛造温度は、成形エネルギーにより最大150℃まで自己発熱する。
  • 達成可能な最小公差
  • ワークピース表面にスケールは付着していない。
  • 加工硬化による強度増加と延性低下
  • 低い成形性と高い成形力が必要

工業プロセスにおいては、鋼合金は主に高温で鍛造される。真鍮、青銅、銅、貴金属およびそれらの合金は冷間鍛造によって製造され、それぞれの金属によって必要な鍛造温度が異なる。

•  アルミニウムの鍛造は350～550 ℃の温度範囲で行われる。
• 550℃を超える鍛造温度は 合金の固相線温度に近すぎるため、さまざまな有効ひずみと相まって、ワークピースの表面に好ましくない変化が生じ、部分的な溶融や折り目形成につながる可能性があります。^{[ 28 ]}
•  350 ℃未満の鍛造温度では、降伏応力が増加するため成形性が低下し、金型の充填不足、ワークピース表面の亀裂、金型力の増加につながる可能性があります。

温度範囲が狭く熱伝導率が高いため、アルミニウムの鍛造は特定のプロセスウィンドウでのみ実現可能です。良好な成形条件を得るには、ワークピース全体に均一な温度分布が必要です。したがって、工具温度の制御はプロセスに大きな影響を与えます。たとえば、プリフォームの形状を最適化することで、局所的な有効ひずみに影響を与え、局所的な過熱を低減してより均一な温度分布を実現できます。^{[ 29 ]}

•  マグネシウムの鍛造は290～450 ℃の温度範囲で行われる^{[ 31 ]。}

マグネシウム合金は、塑性が低く、ひずみ速度に対する感度が低く、成形温度範囲が狭いため、鍛造がより困難です。^{[ 31 ]} 3スライド鍛造プレス（TSFP）を使用した半開放ダイ熱間鍛造は、航空機ブラケットの成形によく使用されるMg-Al合金AZ31の新しい鍛造方法となっています。^{[ 32 ] [ 33 ]}この鍛造方法は引張特性を向上させることが示されていますが、結晶粒径が均一ではありません。^{[ 34 ] [ 35 ]}航空宇宙産業および自動車産業ではマグネシウム合金の使用が毎年15～20%増加していますが、特殊なダイを使用してマグネシウム合金を鍛造するのは高価であり、大量市場向けの部品を製造するには実現不可能な方法です。代わりに、産業用のマグネシウム合金部品のほとんどは鋳造法で製造されています。

プレス鍛造には、プレスプレス（単にプレスと呼ばれることが多い）が使用されます。プレスプレスには、機械式と油圧式の2種類があります。機械式プレスは、カム、クランク、トグルなどを使用して、あらかじめ設定された（ストロークの特定の位置であらかじめ決められた力）再現可能なストロークを生成します。このタイプのシステムの性質上、ストロークの位置によって異なる力が得られます。機械式プレスは油圧式プレスよりも高速です（毎分最大50ストローク）。その能力は3～160 MN（300～18,000ショートトン力）です。4ダイ式装置などの油圧式プレスは、流体圧力とピストンを使用して力を発生させます。油圧式プレスの機械式プレスに対する利点は、柔軟性と能力の高さです。欠点としては、動作が遅く、大型で、コストが高いことが挙げられます。^{[ 15 ]}

ロール鍛造、据え込み加工、自動熱間鍛造といった工程はすべて、専用の機械を使用する。

• Degarmo, E. Paul; Black, JT; Kohser, Ronald A. (2011). Materials and Processes in Manufacturing (11th  ed.). Wiley. ISBN 978-0-470-92467-9。
• ドージ、E. Behrens, B.-A.: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen、Technologien、Maschinen (ドイツ語)、第 2 版、Springer Verlag、2010、ISBN 978-3-642-04248-5
• Ostermann, F.: Anwendungstechnologie Aluminium (ドイツ語)、第 3 版、Springer Verlag、2014 年、ISBN 978-3-662-43806-0