冷間圧造に向く部品とは ― 実行できる5つの判定基準

1. 問いを 5 つのゲートに分解する

「この部品は冷間圧造できるか」は、答えられる回数よりはるかに多く問われる質問です。返答はたいてい両極端になります。「冷間圧造なら何でもできる」か、「ダイスを切って試せば分かる」かです。前者は無責任で、後者は高くつきます。

実際にはこの問いは定量化できます。計算または照合が可能な 5 つのゲートに分ければ、答えはたいてい自明になります。

ゲート	答えるべき問い	判定基準
1	材料はこの変形に耐えられるか	変形度 q がその材料の許容値以下か
2	折り込みや割れが出る前に何回打てるか	自由据込み比 S = L/D を 1・2・3 回の限界と比較
3	軸部が長すぎて曲がる、または抜けないか	細長比 l/d を突き出し方式・ダイス形式と比較
4	寸法が機械能力を超えていないか	線径、切断長、成形荷重
5	購入したままの線材で仕様を満たせるか	入荷技術要件と据込み試験

順序が重要です。まず作れるか、次に作る価値があるか。最初の 4 つのゲートのどれかが明らかに超過しているなら、旋削などの別工法へ直行します。ゲート 5 は「作れるが再現できない」の典型的な原因であり、冷間圧造の歩留り問題の多くは金型ではなく入荷線材に根があります。

2. ゲート 1：変形は材料の能力内か

変形度は、1 回の成形工程で材料がどれだけ変化したかを表します。据込みでは、成形前後の断面積の差を成形後の断面積で割った値が標準的な定義で、高さや径で等価に表せます。

ここで d は元の線径、D は据込み後の径、h は高さです。体積一定の条件下では 3 つの式は等価なので、使いやすいものを使ってください。

たとえば φ5 mm の線材を φ10 mm の頭部に据込むと、q = 1 − (5/10)² = 75% になります。これは大きな変形であり、成立するかどうかは材料だけで決まります。

要点はこうです。すべての材料に変形の上限があり、炭素量と合金量が増えるほど急に下がります。以下のデータは冷間圧造に関する古典的な実験文献によるものです。

材料	条件	達成可能な q	コメント
低炭素鋼、C ≤ 0.45%	D₀/H = 2.0	60–70%	大きな変形が可能。冷間圧造の主力
中炭素鋼、C 約 0.5%	3 回打ち、中間焼なましなし	65–85%	炭素量は 0.5% を超えないこと。超えると加熱が必要
高炭素工具鋼、Y10 / Y12、C 1.0–1.2%	—	わずか 20–30%	多くの部品形状には不足
40Cr などの合金構造鋼	—	状態による	冷間圧造で最も広く使われる合金鋼。合金元素は炭素ほど延性に影響しない
軸受鋼、GCr15 系、C 0.9–1.1%	1 回打ち	低い	ボールなど低変形の製品に限られる
オーステナイト系ステンレス	—	可能	加工硬化が強い。段階的な変形とパス管理が必要
非鉄：黄銅、銅、アルミニウム	—	ほとんど困難なし	冷間成形性が良好

表の使い方：目標形状を q に換算し、その材料の許容値と比較します。超過している場合、道は 2 つです。

• 変形を分割します。1 回で最終寸法まで据込まず、焼なましを挟んで延性を回復（再結晶軟化）させ、続きを成形します。1・2・3・4 回打ちの冷間フォーマが存在する理由はまさにこれです。
• 入荷状態を変えます。線材を球状化焼なましすれば延性は目に見えて改善します。工程が 1 つ増えるコストはかかりますが、高炭素鋼を冷間成形する唯一の方法であることも多いです。

変形に上限がある理由：冷間圧造は定義上、加工硬化そのものです。変形が大きいほど降伏点、弾性限、極限強さは押し上げられ、伸びと絞りは下がります。延性を消費しているのです。消費し尽くして変形を続けられなくなれば、材料は割れます。「もっと強く押せばいい」は姿勢の問題ではなく、物理の問題です。

3. ゲート 2：ブランク数はいくつか

このゲートは機械の形式――1 回打ちか多段打ちか――とダイスステーション数を決めます。判定基準は自由据込み比 S、すなわち変形させる長さを線径で割った値です。

自由据込み比 S = L/D	必要なブランク数	コメント
S ≤ 2.5	1 回	自由状態で制御可能。割型でないダイスでは通常 2–2.5 に抑える
2.5 < S ≤ 4.5	2 回	粗成形＋仕上げ成形。典型的な 2 回打ち 1 ダイスの構成
4.5 < S ≤ 6.5	3 回	3 回打ち機または 3 ステーションが必要。摺動パンチ支持を使えば 6.5 は 2 回でも到達可能
S > 6.5	さらに増やす、または多段化	多段はステーション数で制限される。円錐パンチキャビティや摺動円錐ダイスなどの金型で範囲を広げられる

制御しないと壊れる理由：パンチがブランクに触れた瞬間、変形させる長さは支持のない状態でダイスから自由に突き出しています。長すぎれば据込まずに座屈し、金属が自分自身の上に折り重なります。これがコールドシャットと呼ばれる状態で、外側には折れ目、内側には不連続が生じます。後工程の熱処理や荷重下で亀裂の起点になるため、冷間圧造で最も危険な欠陥です。

S が示す以上にブランク数を増やす要因が 2 つあります。

• 大きく薄い頭部、高い D₁/H₁。L/D は小さくても、1 回の粗据込みで頭部の縁が破れるため、段階成形が必要になります。
• 厳しい表面要件と複雑な頭部形状。金属をより緩やかに流すため、追加のブランク数が必要になります。

また見落とされやすい絞り（押出し）の基準があります。これは据込みではなく、太い線材を細い軸部へ絞る加工です。

押出し形式	1 パスあたりの最大断面減少率	最大ダイス角	用途
開放押出し（ブランクを小さいダイスへ押し込む）	≤ 30%	≤ 30°	最も一般的。ボルト、ねじ、段付軸
密閉押出し（ブランクを完全に囲う）	最大 75%	—	大きな頭部／軸部比。ナット、スリーブ、中空リベット

この 2 つを組み合わせるのが定石です。太めの線材から始め、1 回目のブランクで軸部を絞りながら頭部を粗成形し、2 回目で頭部を仕上げます。「軸部を絞ってから頭部を据込む」という順序です。これにより、1 回据込みの 2–2.5 という制限に縛られず、大きな頭部／軸部比が得られます。

4. ゲート 3：軸部の長さと細長さ

軸部がきれいに抜けるかどうかは、冷間圧造の設計で最も見落とされる構造ルールであり、その帰結はすぐに現れます。

ケース	限界	帰結と対策
全体の自由据込み比	S = L/D を 9.5–10 未満に保つ	それを超えると軸部に大きな圧造荷重がかかり、縦方向に座屈する
突き出しピン付きの割型でないダイス	軸部は径の約 8 倍以下	8d を超えるとダイス外の突き出しピンの非支持長が長くなりすぎ、突き出し時に曲がる。開放ダイス、分割式、カム開き式に変更する
細い軸部	突き出しピン径は 1.5–2 d 程度	細すぎるとピンが座屈する。1 パスあたりの絞りを減らし、ステーションを追加する
非常に長い軸部	—	開放ダイスを使うか、2 工程＋二次加工にする。旋削も評価する

真直性に関する関連ルールがひとつあります。ブランクがダイス軸から外れると、その偏心は成形によって 3～5 倍に増幅されます。したがって切断面の直角度と線材の真直性は、そのまま完成品の同軸度に現れます。これはダイス設計ではなく線材管理の問題です。

5. ゲート 4：寸法限界と機械能力

同じ形状でも、大きくなれば不可能になります。根底にある理由は成形荷重です。面積は寸法の 2 乗で増えるのに、プレスの能力は有限です。

限界	古典的な参考範囲	現代の多段機の能力	コメント
線径（ボールなど）	22–26 mm を超えると加熱棒材か斜め圧延が必要	切断径で約 41 mm まで冷間圧造可能	硬い鋼はより高い圧力が必要なため、限界が早く来る
切断長	ステーション数と突き出しストロークで制限	最大 355–432 mm	長い部品は開放ダイスと多段配置が有利
成形可能な断面減少率	開放で 1 パス 30%	密閉で 1 パス最大 75%	ゲート 2 を参照
機械クラス	1 回、2 回、3 回打ち	最大 7 ステーション、200 t 超の機械	ステーション数と線径範囲が 2 大選定パラメータ

よくある誤解がひとつあります。機械能力は線径と切断長で表され、「どのくらいの大きさの頭部が作れるか」では表されません。φ12 mm の線材から φ30 mm の頭部を作ると q ≈ 84% になり成立しませんが、同じ頭部でも φ20 mm の線材からなら q ≈ 55% で容易です。つまり「この頭部を作れますか」は無意味な問いで、本当の問いは「どの線材から、何回で打つのか」です。

6. ゲート 5：線材は仕様を満たすか

最初の 4 つのゲートを通過すれば、その部品は幾何学的に実現可能です。再現性をもって生産できるかは線材で決まり、その要求は多くの人の想定より厳しく、そして試験可能です。

焼なまし冷間圧造用鋼線の古典的な要求値です。圧痕径はブリネル球の圧痕直径で、値が大きいほど軟らかいことを意味します。

鋼種	圧痕径 最小（mm）	硬さ 最大 HB	引張 σb 最大（kgf/mm²）	伸び δ 最小（%）	絞り ψ 最小（%）
10	5.2	131	45	26	60
15	5.1	137	48	23	55
35	4.8	156	55	18	50
45	4.7	163	60	15	50
40Cr	4.5	179	60	14	50
15CrV などの低合金	5.0	143	45	20	60

受入の方法：通常の引張試験に加えて、冷間圧造には専用の試験があります。据込み試験です。高さが径の 2 倍の試験片を、その半分の高さまで据込み（q = 50%）、割れや割れ目が出ないことを確認します。より大きな変形が必要な部品では、実際の変形度に合わせて圧縮量を上げます。

表面と成分にも厳格な要求があります。

項目	要求	理由
表面	清浄でスケールがないこと	スケールは切断時に剥がれ、カッタとダイスの間に挟まり、研粒のように摺動面を削って焼付きを起こす
内部欠陥	ポロシティ、折り込み、割れ、バリがないこと	圧造で開口し、部品を破断させる
硫黄	一般の冷間圧造では 0.045% まで。ナットでは 0.08–0.12% を許容	硫黄をやや増やすと切削ねじの切り屑分断性が向上する。意図的な添加であり、製鋼不良ではない
マンガン	硫黄の 5 倍以上、かつ 0.9% 以下	マンガンは硫黄による熱間脆性のリスクを相殺する
焼なまし硬さ	圧痕径は望ましく 4.2–4.6。降伏 σT 28–34 kgf/mm²、σb 48–60 kgf/mm²、δ 15–20%	軟らかすぎるとブランクが変形してダイスを満たさず、硬すぎると据込めずダイス寿命が崩壊する
表面処理	冷間圧造と冷間押出しを組み合わせる場合はりん酸塩処理を施す	りん酸塩皮膜が潤滑剤を保持し、ダイスと金属を分離して摩耗を減らす

りん酸塩処理について：典型的な順序は、脱脂 → 冷水・温水洗浄 → 90 °C 以上のりん酸塩浴に 4–12 分 → 冷水・温水洗浄 → 石灰・石けん浸漬 → 乾燥・給油です。石けん層が潤滑剤を保持し、圧造時の金属流動を助けます。

7. 形状の境界：冷間圧造が得意なもの

5 つのゲートを通過した後にも、より細かい問いが残ります。形状そのものが冷間成形部品らしいかどうかです。冷間圧造は金属流動でダイスキャビティを満たすため、境界は明確です。

冷間圧造が得意なフィーチャー

フィーチャー	コメント
円筒と段付軸	多段機は軸部の絞りと頭部の据込みを組み合わせ、1 部品に複数の径を作れる
大きな頭部／軸部比	従来ダイスで 2–2.5、密閉ダイスで約 3、押出しとの組み合わせでさらに大きくできる
止まり穴と貫通穴	後方押出しで成形する。ナット、スリーブ、中空リベットで一般的
偏心・非対称の胴部	可能だが、ダイス設計と支持に一層の注意が必要
転造ねじ	冷間成形部品は通常そのまま転造ねじを施す。メタルフローが連続し、切削ねじより強度が高い
ニアネットシェイプ	後工程の穴あけ、旋削、トリミングを削減できる

冷間圧造が苦手、または割高になるフィーチャー

フィーチャー	問題	代替
非常に薄く大径のフランジ	縁が破れる。段階成形と追加ステーションが必要	板金プレスまたは旋削
深く細い軸方向穴	後方押出しのストロークに限界があり、パンチが折損する	浅い座ぐりを成形し、その後穴あけ
側面ボス、横方向の溝	突き出し方向と相反する。冷間圧造は軸方向に成形する	二次加工または設計変更
非常に長い軸部、割型でないダイスで 8d 超	突き出しピンが座屈する。開放ダイスが必要	開放ダイス、または旋削
非常に厳しい公差、±0.0025 mm 級	冷間圧造の保持精度は約 ±0.025 mm。それ以上は二次加工が必要	ニアネットに冷間成形し、仕上げ旋削または研削
閉じた内部空洞	冷間圧造はバルク成形であり、閉じた空洞は作れない	複数部品の組立、鋳造、切削

8. 経済性：どの数量なら成立するか

実現可能と経済的は別です。冷間圧造は初期負担が大きく単価が低い構造を持ちます。金型と段取りは一時費用で、単価は数量とともに急速に下がります。

説明のための試算です。実際の数値に置き換えてください。冷間圧造に 12,000 元の金型・段取り費が必要で、旋削に対して 1 個あたり 0.65 元を節約できるとします。損益分岐は 12,000 ÷ 0.65 ≈ 18,500 個です。年間数量がこれを下回れば金型費は回収できず、大きく上回れば節約分はそのまま利益になります。

計算に加えるべき項目が 3 つあります。

• 材料歩留り：冷間圧造は除去ではなく成形なので、歩留りは通常 95% を超えます。旋削はスクラップ率が高く、ある中実ピンでは旋削ルートが冷間圧造ルートの 8～10 倍の材料を消費します。
• 二次加工：冷間成形部品は転造ねじ、熱処理、表面処理が依然として必要なことが多く、二次加工の比重が大きいと優位性が削られます。
• ダイス寿命：硬い材料ではダイス寿命が生産コストを左右する変数のひとつです。変形が材料限界に近いほどダイス摩耗は速くなります。

9. 10 項目のチェックリスト

図面を 1 枚持ってきて、この 10 項目を流してください。10 分で、案件を開く価値があるかが分かります。

#	チェック	合格基準
1	変形度 q を計算	材料の許容値以下。超過なら段階変形または球状化焼なましを計画
2	自由据込み比 S = L/D を計算	≤ 9.5–10。2.5 / 4.5 / 6.5 の限界からブランク数を設定
3	頭部／軸部の径比を確認	従来は 2–2.5。それを超えるなら密閉ダイスか押出しとの組み合わせ
4	1 パスあたりの断面減少率を確認	開放で ≤ 30%。超えるなら密閉押出しに変更
5	軸部長さと突き出しを確認	割型でないダイスで ≤ 8d。超えるなら開放ダイス
6	線径と切断長を確認	機械の許容範囲内
7	炭素量を確認	中間焼なましなしの 3 回打ちで 65–85% の変形なら C ≤ 0.5%
8	入荷線材の状態を確認	焼なまし済みでスケール、ポロシティ、折り込み、割れなし。q = 50% の据込み試験で割れなく合格
9	公差要求を確認	冷間圧造の能力、約 ±0.025 mm 以内。それ以上は二次加工へ
10	数量を損益分岐と比較	年間使用量が損益分岐数量を明確に上回る

10. まとめ

冷間圧造の適性は、実は経験の問題ではありません。物理的な制約の組み合わせです。材料がどれだけ変形できるか、支持なしでどれだけ据込めるか、ダイスが抜けるか、機械に能力があるか、入荷線材が裏切らないか。それぞれに明示的な基準があり、順に当てはめれば答えが出ます。

購買と設計にとって最も有用なのは、これらの基準を設計段階へ移すことです。形状が固まりダイスを切った後では変更コストは何倍にもなりますが、図面の上なら「大きな薄い頭部に 9 倍の軸部」を「7 倍の軸部を 2 ステーションで成形」に変えるのは無料です。

11. 出典と規格

• 金属冷間圧造技術（B. M. Misuzhnikov 著、第一機械工業部総合機械研究所 訳）：変形度 q の定義と 3 つの表現、材料別の許容変形（低炭素鋼で D₀/H = 2.0 のとき 60–70%、Y10/Y12 でわずか 20–30%、C 0.5% までの鋼で 3 回打ちにより 65–85% を含む）、ブランク数と炭素量の関係、入荷線材の要件、q = 50% の据込み試験、りん酸塩処理、還元用 400–500 °C と再結晶用 550–650 °C の焼なまし段階、ブランク径とダイスボアの決定。
• 冷間成形の基礎：産業用締結部品：割型でないダイスにおける制御された据込み限界は約 2–2.5 径、2 回打ちで 4.5、摺動パンチを用いた 2 回打ちで 6.5。開放押出しは 1 パスあたり最大 30%、密閉押出しは最大 75% の断面減少。ダイス角は最大 30°。多段での押出しと据込みの組み合わせ。
• 冷間圧造部品の据込み回数とプリフォーム設計の決定：据込み比 S = L/D の区分は、1 回打ちで ≤ 2.5、2 回で 2.5–4.5、3 回で 4.5–6.5。非支持の軸部長さは L/D < 9.5–10。割型でないダイスでは軸部 ≤ 8d と開放ダイスの条件。偏心の増幅は約 3–5 倍。円錐プリフォームパンチでは 2β = 12–15° で金属流動が最良。
• ISO 898-1:2013 炭素鋼および合金鋼製締結部品の機械的性質 第 1 部：強度区分と炭素量の上限――4.6 と 4.8 は C ≤ 0.55%、6.8 は C ≥ 0.15%、焼入れ焼戻しの 8.8 は C ≤ 0.55% かつ 425 °C 以上の焼戻し。