知って得する鍛造加工のいろは

はじめに

まさにその字の表すごとく、力を加えて鍛えながら金属を形づくっていく鍛造は、最も古い金属加工法の1つです。
紀元前15世紀頃のエジプトの王の墓の壁画には、石の型(ダイ)の上に置かれた金塊を、手に持った石(ハンマー)で打ち伸ばしている男の姿が力強く描かれています。
わが国の刀剣や甲冑も鍛造加工でつくられており、切る・守るという機能はもちろんのこと、美術工芸品としての精悍な美しさも合わせもっています。
このように鍛造加工では、強靭で、かつ美しい形と肌をもつ金属製品を生み出すことができるのです。
今日では、発電タービンローターや原子炉圧力容器などの大型製品や、自動車や電子機器の精密部品など、多種多様な製品が鍛造加工でつくられ、社会のインフラを支え、経済活動の要を担っています。
ここでは、鍛造加工法の種類、特徴、適用できる材料とその特性、鍛造加工部品の例などを紹介していきます。

鍛造加工の概要

鍛造加工とは

日本工業規格(JIS)による鍛造の定義は、「工具、金型などを用い、固体材料の一部または全体を圧縮または打撃することによって、成形および鍛錬を行なうこと」となっており、塑性加工法の1つです。
圧縮・打撃といった力を材料にかけることによって、金属内部の気泡などの欠陥を圧着させ、結晶を微細化し、結晶方向を揃えつつ望みの形をつくっていきます。その結果、高い強度と靭性をもつ適切な形状の製品を得ることができます。
金属加工法は、「1.金属材料を金属素材に加工」、「2.金属素材に施す加工(材料から半製品)」「3.プレス加工・機械加工(半製品から製品)」の3つに大きく分けられますが<図1>、鍛造加工は2の範疇に入ります。ただし、精度が高く鍛造後の機械加工が軽微なニアネットシェイプ加工、さらには後加工が不要でそのまま製品として利用できるネットシェイプ加工もあります。

<図1>金属加工の種類
*概要をイメージするための区分として作成。
 厳密には最終製品の要求スペックによって原料、素材、半製品に対して適した加工方法を使い分ける

鍛造加工の種類

鍛造加工にも色々な種類があります。加工時の素材の温度によって熱間鍛造、温間鍛造、冷間鍛造の3つに分けられます。熱間は温度が高く柔らかい状態の素材が対象になります。
冷間はほぼ室温の素材が、温間は熱間と冷間のあいだの温度域の素材が対象となります。
また、工具を用いる自由鍛造と、金型(ダイス)を用いる型鍛造に大きく分けられます。型鍛造は、熱間、温間、冷間のどの温度域でも行いますが、自由鍛造は熱間のみです。

型鍛造

型鍛造は、圧延鋼材から適当な長さに切断された素材(ビレット)を、製品の寸法・形状に合わせた一対の金型に入れて、圧力をかけ、製品をつくる方法です。
寸法精度が高く、複雑な形状の製品を迅速に生産でき、小型品の大量生産に向いています。たとえば、クランクシャフト、コネクティングロッドなどさまざまな自動車用部品の製造に使われています。
熱間型鍛造では、再結晶温度以上に加熱するので、大きく変形させることができ、複雑な形状をつくることができます。<写真1>

<写真1>
<写真1>

その反面、鍛造温度からの冷却による熱収縮や加熱による黒色酸化鉄被膜(スケール)の発生により、寸法精度が落ち、表面がきれいではないという欠点があります。一方、冷間型鍛造では、熱収縮やスケールが生じないので、寸法精度のよい、肌のきれいな製品ができ、鍛造後の機械加工がほとんど要りません。自動車部品のボルト、ナット、歯車などの製造に使われています。ただし、素材の変形抵抗が大きく、金型の破損に繋がることもあります。素材の変形量も小さいので、複雑な形状の場合は、一度に複数個の金型が必要になり、大量生産でないと採算性が悪くなります。温間鍛造は、熱間と冷間それぞれの長所を生かし短所を補おうと始められたものです。最近では、熱間や温間鍛造を施した後で、冷間鍛造加工で仕上げるという複合鍛造も行われています。
型鍛造にも3種類あります。バリを生じる半密閉鍛造と、バリを生じない密閉鍛造と閉塞鍛造です<図2>。

<図2>半密鍛造と閉塞鍛造の概要
<図2>半密鍛造と閉塞鍛造の概要

<写真2>半密閉鍛造では、一対の金型でビレットを押し付けて、高さを低くしたり、薄く伸ばしたり、一部を盛り上げたりします。金型細部にまでビレットをきちんと流し込んで欠肉を防ぎつつ、バリの体積を極小にするという技術が重要になります。

<写真2>
<写真2>

密閉鍛造では、上金型または下金型を上下金型間の隙間が無くなるまで動かして、ビレットに圧力をかけて成形します。成形形状が丸物に限られ、ボルトの頭部形状(円、四角、六角など)の作成などに使われます。
閉塞鍛造では、金型に入れられたビレットを、パンチと呼ばれる工具で押し込んで圧力をかけ、金型全体に流動させます。パンチの形状を工夫することによって複雑な形状の部品をつくることができます。複数のパンチを用いればより複雑な形状を実現できます。丸物に複数の軸が付いたクロスや、フランジが付いたハブフランジなどがつくられ、自動車の車軸の継手部品などを鍛造する技術として活躍しています。
型鍛造では、金型やパンチを介してビレットに適切な圧力をかけていくためにハンマー装置やプレス装置が使われます。

回転鍛造

ハンマーやプレス装置のような往復運動ではなく、回転や揺動運動する工具を使って、局所的に加圧成形する回転鍛造という加工法もあります。これには、揺動鍛造、リングローリング、クロスローリング、ロータリースエージング、ボール転造、ねじ転造などの種類があります。

揺動鍛造は円錐形の工具の揺動によって、局所的に加圧成形を行うもので、色々な形状をつくることができます。リングスリーブはその名の通りリング状部品の加工法で、望みの肉厚、幅、高さをもつリング部品を、高い材料歩留で得ることができます。クロスローリングでは、回転するロールの間に丸棒素材を入れ、1個ないし複数個の段付き軸部品をつくります。ロータリースエージングでは、棒状素材を2~4個の金型(ダイス)ではさみます。各ダイスは往復と回転の運動を同時に行うので、素材の半径方向に均一に圧力がかかり、金型間でのバリの発生無しに、素材が伸長されます。ボール転造では、半円形断面の孔をらせん状に表面に設けた2個のロールの間に棒状素材を入れ、ロールの回転によってバリ無しで連続的に球を形成します。ねじ転造は、棒状素材にねじ山を形成する加工法です。

熱間自由鍛造

熱間では、型を使わない自由鍛造も行われます。インゴット(鋼塊)素材から船舶用クランク軸、発電用タービンローター、原子炉圧力容器、圧延機のロールなど大型製品が自由鍛造でつくられます。多品種極少量生産に合う加工法です。
金敷という表面が平面あるいは単純局面をした工具を用います。金敷あるいは素材を動かしたり回転させたりしながら、素材の一部に金敷を介して圧力をかけて成形していきます。素材の断面積を広げたり、棒状素材の長さを伸ばしたり、中空にしたり、穴を広げたり、平面状素材の長さや幅を広げたりすることができます。
自由鍛造では、素材をつかんで位置を制御するマニピュレーター操作や油圧プレスなどの大型プレス装置の操作などに高度な熟練技術が必要とされます。

用いられやすい材料と材料の特性

鍛造が難しい材料は、変形抵抗が大きく工具が損傷されやすいもの、延性が低く加工中に割れの発生するもの、工具と焼付き(凝着)を起こしやすいものなどです。以下に材料と鍛造可能な温度領域を示しましたが、各材料にはJIS規格によるいろいろな種類があり、種類によってはその温度領域での鍛造加工ができないものも多々あります。また、鍛造所によっては、独自のノウハウで、一般的には鍛造が難しい材料でも鍛造できる場合もあります。

熱間鍛造 冷間鍛造 温間鍛造
黄銅系
銅系
アルミニウム系
ステンレス系
鉄系
ニッケル基超合金
純チタン系
チタン合金系
マグネシウム合金系

 

黄銅 加工しやすい反面、若干強度が不足する場合もある。
粘りがあるので高度な鍛造技術が要求される。
アルミニウム 加工温度が低く、金型への負担が大きい。
ステンレス いったん焼付くと急激に発熱する。
熱間鍛造に高度な製造ノウハウが求められる。
変形抵抗が大きく、金型寿命を保たせることが難しい。
純チタン・チタン合金 他の金属との親和力が強いため焼付きやすい。
マグネシウム合金 加工性に乏しく、冷間鍛造はほとんど不可能である。

他の記事では、金属・非鉄金属材料について、種類別の主な特性や、主な用途についても紹介しています。そちらも合わせてご参考下さい。

鍛造のメリット・デメリット

鍛造加工のメリットは、何といっても素材の強度と靭性が増すことです。たとえば、鋳物をつくる鋳造加工では溶融した材料を型に入れて形成しますが、圧力をかけないので強度は増しません。
そのため鋳物加工を鍛造加工に置き換えると、肉厚を薄くできる、一部を中空にできるなど、材料費を低減させられる場合が多々あります。また、従来は2つの部品をつくってねじ止めなどで繋いていたものを一体化してつくることも、鍛造加工を使えば強度的に可能になる場合もあります。実際に、鋳造でつくっていた2つの部品を鍛造で一体化してつくるようになった例はいろいろとあります。
仕上がり表面の美しいことも鍛造加工のメリットで、エンブレムや施設内の装飾などにも使われています。ネットシェイプとしてそのまま使うことも可能ですし、研磨すれば美しい光を帯び、メッキ塗装やクリア塗装をしても映えます。<写真3>

<写真3>
<写真3>

鍛造は金属を対象とするので、できた製品をほぼ完全にリサイクできるのも大きなメリットです。黄銅(真鍮)などは黄銅製品のスクラップを混ぜないと切削加工性能が上がりません。

鍛造部品の具体的紹介例

自動車と航空機のジェットエンジンに使われる鍛造部品の例を下記に記します。さまざまな材料からなる多様な形と機能をもつ鍛造部品が、いかに現代の先端産業を支えているかを感じて頂けるでしょう。

自動車の鍛造部品例:クランクシャフト(熱間、バナジウム添加鋼)、コネクティングロッド(熱間、バナジウム添加鋼)、トランスミッションギア(熱冷複合、クロム鋼)、ステアリングシャフト(冷間、炭素鋼管)、各種ジョイント・ボルト(冷間・温冷複合など、クロムモリブデン鋼、炭素鋼など各種の鋼)など。

また、ジェットエンジンに用いられる構造材料にも、チタン合金、ニッケル基合金を鍛造加工された部品が多用されています。

まとめ

ここでは、鍛造加工の基礎知識として、鍛造加工法の種類を中心に説明してきました。
それぞれの鍛造加工法に適応できる金属材料についても少し触れましたが、材料と加工法の組み合わせについては、形状やコスト面との関わりも大きいので、専門家の意見が重要となってきます。以下の記事では、鍛造のプロが語る試作加工についてのお話を紹介します。

また、以下の記事では、鍛造加工以外の塑性加工全般について、その特徴を解説しています。こちらも合わせてご参考下さい。

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