⚡ 要点
- 冷間圧造は締結部品製造の中核工程です。 線材を常温でパンチにより据込み、毎分 100〜300 個を成形します。
- 冷間圧造では金型がコストの中心です。 1 組の金型で 5 万〜500 万個を成形し、材料と設計がコストと歩留りの両方を決めます。
- 金型材は 3 階層です。 汎用のハイス SKH-9、中荷重向け冷間用 DC53、長寿命の超硬合金。
- 金型故障の約 80% は疲労と摩耗であり、 破断ではありません。
- 設計 3 原則： 応力集中を下げる、潤滑を十分に保つ、金型材を変形量に合わせる。
- 多段圧造は成形・穴あけ・縮径を各ステーションに分割し、それぞれに専用のダイスを持たせます。
- 金型費は締結部品コストの 10〜30% です。 ロットに按分されるため、小ロットでは重く、大量生産では無視できる水準になります。
1. 割れ続けたパンチ
2022 年、中国東部の締結部品工場で、10B21 材の M6 × 20 六角穴付きボルトを生産していました。シフト開始から 2 時間でパンチが割れました。交換して 1 時間後、また割れました。5 本連続です。
調査で 3 つのことが分かりました。
- パンチは SKH-9 でしたが、成形の縮径率が過大で、頭部の据込み比が約 3:1 でした。
- パンチに逃げテーパもコーナー R もなく、応力が破断位置にそのまま集中していました。
- 潤滑が不足し、パンチが高温になって先端の硬さが低下していました。
対策は、超硬合金パンチ（YG20C）への変更、R 0.5 の逃げ、油噴霧頻度の増加でした。金型寿命は 2 万個から 50 万個になりました。
教訓は、冷間圧造の金型は「硬ければよい鋼」という問題ではないということです。材料、形状、潤滑のシステムです。本稿は VDI 3355、冷間圧造金型の専門書、および 20 年の生産経験に基づいています。
2. 冷間圧造の仕組み
冷間圧造はコイル状の線材を常温で多段フォーマに送り込みます。
- 送りと切断： 線材を自動送りし、一定長にせん断します。
- 据込み（スクエアアップ）： 第 1 ステーションで切断端を平坦にします。
- 成形： 第 2 ステーションで頭部を据込み、六角・円筒・皿形に成形します。
- 穴あけ： 第 3 ステーションで六角穴を打ち抜きます。
- 縮径： 第 4 ステーションで軸部をねじ径まで絞ります。
すべて常温で行われるため、鋼は塑性流動します。変形量が大きいほど金型にかかる荷重は高くなります。
据込み比
据込み比 ＝ 頭部断面積 ÷ 線材断面積です。経験則は次のとおりです。
- 2:1 まで — 標準的な金型で安全。
- 2:1〜2.5:1 — 中程度。金型品質が効き始めます。
- 2.5:1 超 — 過酷。超硬合金か 2 段成形が必要です。
3. 3 種類の金型材
| 材料 | 硬さ | 寿命（千個） | 相対コスト | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|
| SKH-9（ハイス） | 62〜64 HRC | 50〜200 | 1× | 汎用、小ロット |
| DC53（冷間用金型鋼） | 60〜62 HRC | 100〜300 | 1.5× | 中荷重、複雑形状 |
| YG20C（超硬合金） | 88 HRA | 500〜3,000 | 5〜10× | 大量生産、長寿命 |
| ASP23（粉末ハイス） | 64〜66 HRC | 300〜1,000 | 4× | 厳しい形状 |
選び方
- 10 万個未満： SKH-9 で十分であり、トータルコストも最も低いです。
- 10 万〜100 万個： DC53 または ASP23。硬さと靭性の向上分がコストを回収します。
- 100 万個超： 超硬合金。初期費用は高いですが、1 個あたりでは最も安くなります。
損益分岐は固定ではありません。部品形状、線材硬さ、機械の保守状態で動きます。3 直運転で潤滑管理が甘い工場では、超硬合金の理論寿命は出ず、経済性も変わります。
4. 金型の構造
4.1 主ダイス（めす型）
頭部の外形を成形します。穴の精度が部品の外観を決めます。通常は超硬合金または DC53 を、焼嵌めした鋼製ケースに組み込みます。
4.2 パンチ（おす型）
前方から形状を押し込みます。最も頻繁に破損する部品であり、毎ストロークの繰返し荷重を全身で受けます。
4.3 突き出しピン
成形品をダイスから押し出します。小物では突き出しピンが弱点となり、横荷重で折損します。
4.4 六角穴パンチ
六角穴を打ち抜きます。偏心荷重を受け、パンチの案内精度が低いと折損しやすくなります。
5. 寿命と故障モード
| 故障モード | 原因 | 対策 |
|---|---|---|
| 欠け・割れ | 応力集中と衝撃 | R の付与、靭性の高い鋼種への変更 |
| 摩耗 | 繰返しの摺動接触 | TiN などのコーティング、超硬合金 |
| 疲労亀裂 | 繰返し荷重 | 表面粗さの低減、ショットピーニング |
| 凝着・かじり | 潤滑不足 | 給油量の増加、線材のりん酸塩処理 |
| 穴径の拡大 | 摩耗と熱膨張 | 超硬インサート、冷却の強化 |
6. 重要な設計原則
6.1 応力集中を下げる
- すべての内角に R 0.3 mm 以上の丸みを付けます。
- パンチに 1° 以上の逃げテーパを設けます。
- 断面の急変を避け、長さ方向になだらかに変化させます。
6.2 潤滑
冷間圧造では線材にりん酸塩＋石鹸皮膜を施すか、ダイス部に油性潤滑剤を供給します。潤滑不足は金型故障の最大の原因であり、同時に最も安価に改善できる項目です。
6.3 材料をワークに合わせる
ステンレスは炭素鋼よりはるかに加工硬化し、金型荷重は約 1.5 倍になります。ステンレスでは中量産でも超硬合金の採用が正当化されることがほとんどです。
7. コスト、判断フロー、よくある質問
ステップ 1：ロットサイズはいくらか
10 万個未満なら SKH-9。10 万〜100 万個なら DC53。100 万個超なら超硬合金です。
ステップ 2：ワーク材料は何か
炭素鋼なら標準金型。ステンレスなら超硬合金。アルミなら標準金型で、凝着に注意します。
ステップ 3：形状はどの程度複雑か
大縮径の多段成形なら超硬合金。縮径の小さい単純形状なら SKH-9 です。
よくある質問
Q：パンチがすぐ割れるのはなぜですか。 10 回中 9 回は、過大な縮径率と応力集中の組合せです。縮径率を下げ、R を付け、形状を変えられないなら超硬合金に切り替えます。
Q：超硬合金の金型は本当に得ですか。 コストは 5〜10 倍、寿命は 10〜20 倍です。およそ 100 万個を超えるとトータルコストは明確に下がり、それ未満では按分が合いません。
Q：冷間圧造か熱間鍛造か。 小型の炭素鋼部品なら冷間圧造です。高速で、表面性状が良く、公差も安定します。大型で冷間変形できない材料は熱間鍛造によります。
Q：金型は修理できますか。 摩耗したダイスは再研削・再コーティングが可能です。割れたパンチは廃却です。亀裂の経路を確実に除去できないからです。