鍛造におけるルールベースのDFM分析

オープンダイ鍛造では、円筒形のビレットを一対の平型ダイまたはプラテンの間で据え込み加工します。摩擦のない均一な変形により、円筒の高さは減少し、直径は増加します。シャフト、ディスク、リングなどの鍛造は、オープンダイ鍛造技術を使用して行われます。このプロセスにより、正方形の鋳造インゴットが円形に加工されます。オープンダイ鍛造は、コギング、フルリング、エッジングの 3 つの主要なタイプに分類されます。^{[ 8 ] [ 9 ]}

印象鍛造とも呼ばれるこの方法では、一対の金型で型押しが行われます。これらの型押しは、変形中にワークピースに転写されます。金型間にはフラッシュガターと呼ばれる小さな隙間が設けられており、余分な金属がガターに流れ込んでフラッシュを形成します。フラッシュは、金型キャビティ内でのワークピースの変形において重要な役割を果たします。フラッシュガターは長さと厚さの比率が高いため、隙間内の摩擦が非常に大きくなります。そのため、フラッシュガター内の材料には高圧がかかり、流れに対する抵抗が大きくなります。これにより、金型キャビティへの効率的な充填が促進されます。熱間鍛造では、フラッシュのサイズが小さいため、より速く冷却されます。これにより、フラッシュ材料の変形抵抗が高まります。その結果、ワークピースの大部分が強制的に変形され、金型キャビティをより効率的に充填します。金型キャビティの複雑な部分も充填されます。

熱間鍛造とは、金属を再結晶温度以上に加熱して加工することと定義される。熱間鍛造の主な利点は、金属が変形する際に、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ある。^{[ 12 ]}

冷間鍛造とは、金属を再結晶温度以下、通常は室温付近で加工することと定義される。^{[ 13 ] [ 14 ]}

長さ、幅、高さの公差、不一致公差、残留バリ（およびトリミング後の平面）公差、および穴あけ公差。

厚み公差およびエジェクターマーク公差。

真直度および平面度の公差、ならびに中心間寸法の公差。

フィレットおよびエッジ半径の公差、バリの公差、表面公差、抜き勾配面の公差、深穴の偏心公差、貫通穴の偏心公差、同心ボスの公差、未鍛造材の公差、およびせん断端部の変形の公差。

長さ、幅、高さ、厚さの公差は、寸法の許容範囲だけでなく、以下の形状偏差も対象とします。a) 真円度、b) 円筒度からの偏差、c) 平行度からの偏差、d) 指定された輪郭からのその他の偏差。偏差は、公差で定められた限界を超えてはなりません。極端な場合、供給者と購入者の間で別途合意がない限り、偏差は公差の全範囲に及ぶことがあります。形状偏差の制限が合意されている場合は、図面にその旨を記載する必要があります。

鍛造サプライヤーが金型や工具の設計、鍛造検査手順の確立においてその経験を最大限に活用できるよう支援するため、購入者は以下の情報を提供することが有益である。^{[ 15 ]}

• 加工済みの完成図面。
• 加工箇所の詳細および寸法（これらの位置点に変更が生じる場合は、事前に通知する必要があります）
• 部品の加工工程および機能に関するその他の関連情報。

偽造業者が購入者に提出する図面は、偽造品を準備して承認を得るため、また必要に応じて共同協議を行うために、偽造業者が作成することが推奨されます。

購入者が寸法入りの鍛造図面を自ら作成する場合であっても、完成した機械加工部品の図面および上記で言及したその他の情報を供給者に提供することは同様に必要である。

抜き勾配面に関する場合を除き、本規格に示されている公差は、合意された鍛造図面に具体的に示されている寸法にのみ適用されることに留意することが不可欠である。

このため、鍛造図面における寸法表示方法は、鍛造品の寸法管理に極めて重要な意味を持つ。

鍛造図面に示されていない寸法の公差は、規格から取得するのではなく、必要に応じて、合意された鍛造図面に既に示されている寸法と公差に基づいて計算によってのみ決定することができる。

すべての鍛造図面には、「特に明記されていない限り、公差はIS:3469（パートII）-1974に準拠する」と記載する必要があります。

鍛造図面の適切な承認のためには、図面の下部に以下の形式で公差を記載することが推奨されます。

カテゴリ: 1.長さと全体の直径 2.幅 3.高さ 4.不一致 5.残留バリとトリミング後の平面度 6.厚さ 7.真直度 8.平面度 9.フィレットとエッジ半径 10.表面

特定の寸法にのみ適用される公差は、図面上の該当寸法の横に明記しなければならない。エジェクターマーク公差およびバリ公差は、鍛造図面上の該当箇所に明示しなければならない。購入者と供給者の間で合意された特別な公差は、鍛造図面上に明確に示し、可能な限り該当寸法の横に記入しなければならない。

購入者が承認した鍛造部品の図面は、鍛造部品の検査に有効な文書である。この図面は、未加工の鍛造部品の公差に関する唯一の有効な文書でもある。

自由鍛造は鍛冶鍛造とも呼ばれます。自由鍛造では、ハンマーが下降して、固定された金床の上に置かれたワークピースを変形させます。自由鍛造という名称は、ダイ（ワークピースを収縮させる鍛造の作業面）がワークピースを囲んでいないため、ダイに接触している部分以外ではワークピースが流動することから来ています。そのため、作業者はワークピースの向きと位置を調整して、目的の形状を得る必要があります。ダイは通常は平らな形状ですが、特殊な作業のために特殊な形状の表面を持つ場合もあります。例えば、ダイは円形、凹面、凸面を持つ場合や、穴を開ける工具、切断工具として使用される場合があります。自由鍛造は少量生産に適しており、芸術的な鍛造や特注品に適しています。また、自由鍛造は、インゴットを粗成形して、後工程の準備に用いる場合もあります。これにより、必要な方向の結晶粒の向きを調整して強度を高めることもできます。

型打ち鍛造は、密閉型鍛造とも呼ばれます。型打ち鍛造では、金属を鋳型に似た金型に入れ、それを金床に取り付けます。通常、ハンマー金型も成形されています。次に、ハンマーをワークピースに落とすと、金属が流れて金型の空洞を満たします。ハンマーがワークピースに接触する時間は通常ミリ秒単位です。部品のサイズと複雑さによっては、ハンマーを素早く複数回落とすことがあります。金型の空洞から余分な金属が押し出されます。これをバリと呼びます。バリは他の材料よりも早く冷却されます。この冷却された金属は金型内の金属よりも強度が高いため、さらなるバリの発生を防ぐのに役立ちます。また、これにより金属が金型の空洞を完全に満たすようになります。鍛造後、バリはトリミングされます。

商業的な型鍛造では、通常、ワークピースは金型内の一連のキャビティを通過して、インゴットから最終形状へと加工されます。最初の型は、後のキャビティの要件に応じて金属を粗い形状に分配するために使用されます。この型は、エッジング型、フルリング型、または曲げ型と呼ばれます。次のキャビティはブロッキングキャビティと呼ばれ、ワークピースは最終製品にますます似た形状に加工されます。これらの段階では通常、ワークピースには大きな曲げと大きなフィレットが付けられます。最終形状は、最終型または仕上げ型キャビティで鍛造されます。少量生産の場合は、金型に最終型キャビティを設けずに、最終形状を機械加工する方が経済的である場合があります。

近年、金型鍛造は、誘導加熱、機械式供給、位置決めおよび操作、鍛造後の部品の直接熱処理などを含む自動化の進展により、さらに改良されてきた。

型鍛造の一種に、フラッシュレス鍛造、または真の密閉型鍛造と呼ばれるものがあります。このタイプの鍛造では、金型キャビティが完全に閉じられているため、ワークピースにバリが発生するのを防ぎます。このプロセスの主な利点は、バリによる金属損失が少ないことです。バリは、原材料の20～45%を占めることがあります。このプロセスの欠点としては、金型設計がより複雑になるためコストが増加すること、より適切な潤滑とワークピースの位置決めが必要になることなどが挙げられます。

金型鍛造を取り入れた部品成形方法には他にもいくつかあります。その一つは、溶融金属から鍛造用プリフォームを鋳造する方法です。鋳造されたプリフォームは、固化後、まだ熱いうちに取り出されます。その後、単一キャビティの金型で仕上げ加工されます。バリをトリミングした後、室温まで急冷して部品を硬化させます。

別のバリエーションでは、上記と同様のプロセスに従いますが、成形されたコレクターに金属液滴を噴霧堆積させることでプリフォームが製造されます（オスプレイプロセスに類似）。

密閉型鍛造は、金型製作や金型キャビティの設計作業が必要となるため、初期費用が高額になります。しかし、部品1個あたりの製造コストは低いため、生産量が増えるほど鍛造品のコスト効率が向上します。これが、自動車産業や工具産業で鍛造品が広く用いられている主な理由の一つです。また、これらの産業分野で鍛造品が普及しているもう一つの理由は、鍛造品は一般的に、同じ材料の鋳造品や機械加工品に比べて、強度対重量比が約20%高いことです。

鍛造金型は通常、高合金鋼または工具鋼で作られます。金型は耐衝撃性、耐摩耗性、高温下での強度維持、そして急速な加熱と冷却のサイクルに耐える能力を備えている必要があります。より優れた、より経済的な金型を製造するためには、以下の規則に従う必要があります。

1. 可能であれば、金型は単一の平面に沿って分割する必要があります。そうでない場合は、分割面は部品の輪郭に沿う必要があります。 2. 分割面は、鍛造品の中心を通る平面である必要があり、上端または下端の近くにあってはなりません。 3. 適切な抜き勾配を設ける必要があります。目安としては、アルミニウムの場合は少なくとも 3°、鋼の場合は 5° ～ 7° です。 4. 十分なフィレットと半径を使用する必要があります。 5. リブは低く幅広くする必要があります。 6. 金属の流れの極端な違いを避けるために、さまざまなセクションのバランスを取る必要があります。 7. ファイバーの流れ線を最大限に活用する必要があります。 8. 寸法公差は必要以上に厳しくしてはなりません。 印象金型鍛造法を使用して製造された鋼部品の寸法公差は、以下の表に示されています。 分割面の寸法は金型の閉鎖によって影響を受けるため、金型の摩耗と最終バリの厚さに依存します。単一の金型セグメントまたは半分内に完全に収まる寸法は、より高い精度で維持できます。鍛造時には、摩擦と摩耗を低減するために潤滑剤が常に使用されます。また、ワークピースから金型への熱伝達を制限する熱バリアとしても使用されます。最後に、潤滑剤は、部品が金型の1つに固着するのを防ぐ離型剤として機能します。^{[ 16 ]}

プレス鍛造は、ハンマー鍛造の一種です。ハンマー鍛造とは異なり、プレス鍛造は連続的な圧力または力を加えることでゆっくりと加工を行います。金型が加工対象物に接触している時間は秒単位で計測されます（ハンマー鍛造の場合はミリ秒単位）。プレス鍛造の主な利点は、ハンマー鍛造と比較して、加工対象物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に接触してい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していることに起因します。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します。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生産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。

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など、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、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るのが一般的です。また、プレス鍛造は金型を一度閉じるだけで済む場合が多く、自動化が容易です。

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。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。アップセット鍛造は通常、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。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、一部の機械は直径25 cm (9.8インチ)までの棒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に対して長手方向に移動し、キャビティに押し込みます。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最適です。^{[ 17 ]}  

アップセット鍛造プロセスを用い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、ネジ、その他の締結部品などが挙げられる。

据え込み鍛造を行う部品を設計する際には、以下の3つの規則を遵守しなければならない。

• 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、アップセット加工の直径が材料の直径の1.5倍以下であれば、正常にアップセット加工を行うことができる。
• 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、室温の機械の一端からミル長の鋼棒（通常7mまたは23フィート）を供給し、もう一方の端から熱間鍛造された製品が出てきます。このプロセスは非常に高速で行われ、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6kg （13ポンド）、直径は最大18cm （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費を20～30%削減できます。最終製品は1,050 ℃（1,920 °F）で一定に保たれるため、空冷後も容易に機械加工が可能です（鍛造後の焼きなましが不要という利点があります）。公差は通常± 0.3mm （0.012インチ）で、表面は清浄で、抜き勾配は0.5～1°です。接触時間が約6/100秒であるため、工具寿命は従来の鍛造のほぼ2倍になります。          

このプロセスの欠点は、小型の対称部品にしか適用できないこととコストです。初期投資は 1,000 万ドルを超える場合があり、このプロセスを正当化するには大量生産が必要です。プロセスは、高出力誘導コイルを使用して 60 秒未満で棒を1,200 ～ 1,300 °C (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に移送します。この段階で、据え込み、予備成形、最終鍛造、および穴あけ (必要に応じて) が行われます。このプロセスは、高速冷間成形操作と組み合わせることもできます。一般的に、冷間成形操作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、冷間加工の利点を活用できます。  

この製法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、ステンレス鋼製カップリングフランジ、LPガスボンベ用ネックリングなどが挙げられる。マニュアル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一例である。

ロール鍛造とは、丸棒または平棒の厚みを減らし、長さを増やす加工方法です。ロール鍛造は、それぞれに複数の溝が刻まれた2つの円筒形または半円筒形のロールを用いて行われます。棒材をロールに挿入し、ストッパーに当たるとロールが回転し、棒材は機械から押し出される際に徐々に成形されていきます。

加工物は、次の溝に移されるか、または反転させて同じ溝に再び挿入されます。この工程は、所望の形状とサイズが得られるまで繰り返されます。このプロセスの利点は、バリが発生しないことと、加工物に良好な結晶構造が付与されることです。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、板ばねなどがあります。

このプロセスは精密鍛造とも呼ばれます。このプロセスは、鍛造後の工程に伴うコストと無駄を最小限に抑えるために開発されました。そのため、精密鍛造で製造された最終製品は、最終加工がほとんど、あるいは全く必要ありません。材料の使用量が少なく、スクラップも少なくなるため、コスト削減につながります。また、エネルギー消費量も全体的に減少し、加工工程も削減または排除されます。精密鍛造では、1°から0°の抜き勾配も必要ありません。このプロセスの欠点はコストが高いことであり、大幅なコスト削減が見込める場合にのみ採用されます。