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切削鍛造法の開発    
切削鍛造法の開発

東海国立大学機構 岐阜大学工学部機械工学科
教授 王 志剛（平成  年度重点研究開発助成 %$)）

Z. Wang
キーワード：塑性加工，板鍛造，荷重低減

王志剛 *キーワード：塑性加工，板鍛造，荷重低減

１．研究の背景と目的

ダイ

被削材

素材

板鍛造技術は中厚板材に深絞りなどの板成形工法と据

切りくず込みや押出しなどの冷間鍛造工法を併用し，切削仕上げとパンチ同程度の形状および肉厚精度をもつ製品の製造技術とし工具

て，国内では広く使われており，海外のキャッチアップもȋȌせん断加工活発である 1)．国際冷間鍛造グループの年次大会 ICFG2014，ICFG2016 および ICFG2017 では板鍛造が中心的なトピッȋȌ切削加工

図１ せん断加工と切削加工の比較 7)

クスとして扱われ，欧州や中国からの論文の数が増えている 2)-4)．

２．切削モードによる鍛造の基本概念と力学

板鍛造に適した製品形状は，シャープエッジ，半抜き部切削モードを用いる鍛造方法（以降，切削鍛造と呼ぶ）

位をもつ平面形状，絞り品をベースとするカップ形状などの概念を，図 (a)に示す軸対称モデルを用いて説明する．

を挙げられ，精密せん断品を除けば，ほとんどカップ形状

上端が固定された被加工材を下側パンチが速度 V で上方である 5)．複雑な形状を成形しようとすると，大きな材料に移動して切削する．切削除去された材料は切りくずと同流動を発生させる必要があり，工具圧力が過大となりやす様にウェブに流れ込む．せん断面 AB 上でせん断変形を生い 6)．このため，板鍛造は現状では，複雑形状，直径と板じ，図 (a)の速度線図からせん断による相当ひずみ ε は次厚比の大きい形状および高強度材の成形が困難である．

式によって算出される．

板鍛造の適用範囲を広げるためには，低い加工圧力で被𝜀𝜀 = (𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝜑𝜑 + 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜑𝜑)/√3

加工材を流動させる成形原理の開発が不可欠である．精密鍛造の加工終期では，被加工材は広範な領域において金型と接触し，複雑な変形が引き起こされ，工具圧力が極端に大きくなる．
単純な変形モードで加工の目的を実現する加工法とし（1）

被加工材のせん断変形抵抗を𝑘𝑘，切込み深さを𝑡𝑡0，切りくず厚さを𝑡𝑡𝑐𝑐，パンチの直径を𝑑𝑑とすると，加工に必要なエネ

ルギーからパンチ圧力𝑝𝑝は次のようになる 7)．て，図１(a)に示すせん断加工がある．せん断加工では 2 つの工具の刃先間の線上 AB でせん断変形が生成され，塑性ひずみの蓄積によって最終的に分離が実現される．同様の

(b)に示すように，切りくずは A 点と B 点の間のせん断域 AB から移動するため塑性変形の蓄積はなく，被削材の材質と切削条件によっては連続した切りくずが生成される．

通常, tan 𝜑𝜑 は 0.1-1.0, 𝜇𝜇 は 0.1-0.3 の範囲内にあり,𝑝𝑝/2𝑘𝑘 = (3~12)𝑡𝑡𝑐𝑐 /𝑑𝑑となる．さらに， 𝑡𝑡𝑐𝑐 /𝑑𝑑 の常用範囲は0.01-0.1 であり, 𝑝𝑝/2𝑘𝑘 は 1.0 より小さい．
カウンターパンチ

本研究では，鍛造荷重と工具圧力を低減させるために，金属切削の変形モードを鍛造加工に適用することを試みる．適用例として，絞り－しごきで作製したカップの一部を動かし，断面が H 型のダブルカップやフランジ付き有底カップの成形について調べる．

* 東海国立大学機構

岐阜大学

工学部

ウェブ




パンチ

𝑡𝑡𝑐𝑐



𝑑𝑑/2

被加工材

𝑡𝑡𝜑𝜑

せん断面
ダイ

ȋȌ切削モード

機械工学科

（2）



せん断変形モードは，金属の切削加工にも見られる．図変形によって生成されるが，変形後の材料はせん断変形領

𝑝𝑝4𝑡𝑡𝑐𝑐 (tan 𝜑𝜑 + 0.5 cos −2 𝜑𝜑)== 4𝑡𝑡𝑐𝑐 /𝑑𝑑 𝑓𝑓(𝜑𝜑)2𝑘𝑘𝑑𝑑(1 − 𝜇𝜇 tan 𝜑𝜑)

図  切削鍛造の力学 7)

教授- 16 -𝑐𝑐𝜑𝜑ȋȌ速度図

３．シミュレーションによる成形方法の検討ͳǤ͸━ シミュレーション━ 体積一定則による理論値

ウェブ厚さ tcȀtcͲ シミュレーションの条件
切削鍛造が可能な範囲を図  の軸対称モデルのシミュͳǤ͵

レーションで調べた．被加工材は SPCC 軟鋼板とし，変形抵抗曲線を𝜎𝜎=𝐶𝐶𝐶𝐶𝑛𝑛で近似し，C = 501MPa，𝑛𝑛 = 0.24 とͳした．C を変形抵抗の代表値とする．背圧を pb/C = 0.0050.05，摩擦係数を 0.1-0.5 の範囲で変化させた．

ͲǤ͹ 工具圧力カウンターパンチにより pb/C = 0.005 の背圧を加えて切削鍛造するときの H 字型ダブルカップの成形工程を図Ͳ

𝜎𝜎 = 501𝜀𝜀 .2 ǡ𝑝𝑝 ∕ ൌͲǤͲͲͷǡ𝜇𝜇 ൌͲǤͳ𝑡𝑡 ൌͲǤͺͷǡ 𝑐𝑐𝑐 ൌͲǤͳǡ𝑡𝑡𝑐𝑐𝑐 ൌʹǤͲ ͳʹ͵
パンチストローク sȀtcͲ(d) ウェブ厚さの推移Ͷͷ

図  切削鍛造の成形過程 7)

(a)，(b) に示し，加工中のパンチ圧力の変動を(c)に示す．
図 (a)における点 A，B および C は，図 (c)の同じ記号の位置に対応する．上下パンチの角の間のせん断変形によっ

図 (c)のようにパンチ圧力は初期に急激に上がる．パンてカップ状素材の底部は上方に動かされてウェブになる．

チストロークが大きくなるとせん断領域がパンチの縁にウェブはほぼ平坦に保たれ，シミュレーションの条件内で達する B 点からは圧力上昇は緩やかになる．図 (d)に示バルジ変形は発生しない．図 (b)のようにウェブ厚さはカすように，ウェブの厚さは直線的に増加し，カウンターパウンターパンチの角でわずかに薄くなり，ウェブの厚さがンチの角部のウェブの厚さが中心付近よりも小さいため，薄い領域はパンチストロークの増加とともにカップ中心体積一定と仮定した予測結果よりもわずかに大きくなる．に向かって広がる．
リングパンチȋ固定Ȍ

𝑑𝑑𝑐𝑐𝑐 = 𝑑𝑑

カウンターパンチ

𝑐𝑐 = 𝑐𝑐𝑐

パンチ

切削鍛造前

𝑝𝑝

𝑡𝑡𝑐𝑐𝑐

𝑑𝑑𝑡𝑡𝑐𝑐(2)から p = 90.7 MPa，p + pb = 94.2 MPa と予測される．

ダイ𝑡𝑡

図  の条件では，tanφ は 0.425，せん断変形による相当ひずみ ε は 1.6，せん断変形抵抗 k は 323.8MPa で，式この値は，図 (c) のシミュレーション結果である 94.5

被削材

MPa (p/C = 0.19)とほぼ同じ大きさである．

𝑡𝑡

切削鍛造中

図  にウェブ形状に及ぼすカウンターパンチによる背圧の効果を示す．背圧が 10 倍変化しても製品形状の変化はほとんど認められない．

図  絞りカップの底面を移動する模式図 7)

図  に示すように，切込み深さ t0 が増すとパンチ圧力が高くなるが，切込み深さ t0 が 0.5tc0 であってもパンチ圧力ひずみ速度 s −͵Ͳ

p/C は 0.3 以下である．

ʹͲ点

ͳͲ

(a) 鍛造プロセス

ʹͲ点

点

相当ひずみ͵

ȋȌ𝑝𝑝 /𝐶𝐶 =ͲǤͲͲͷͳȋȌ𝑝𝑝 /𝐶𝐶 =ͲǤͲͷ図  ウェブ形状に及ぼす背圧の影響 7)点(b) パンチ角近傍の拡大図

ͲǤ͵

ͲǤʹ
ͲǤͳ

ͲǤͲ

Ͳ



0.3点

パンチ圧力 p/C

パンチ圧力 pȀC点


ͳ

ʹ
͵
パンチストローク sȀtcͲ(c) パンチ圧力の推移

0.2
0.10.0𝜎𝜎 = 501𝜀𝜀 .2  𝑝𝑝 ∕ ൌͲǤͲͲͷ𝑡𝑡 ൌͲǤͺͷ𝑐𝑐𝑐 ൌͲǤͳ𝑡𝑡𝑐𝑐 ൌʹǤͲ 𝜇𝜇 ൌͲǤͳͶͲ

0𝜎𝜎 = 501𝜀𝜀 .2 ǡ𝜇𝜇 ൌͲǤͳ𝑝𝑝 ∕ ൌͲǤͲͲͷǡ 𝑐𝑐𝑐 ൌͲǤͳ1━ 𝑡𝑡 ∕𝑡𝑡𝑐𝑐𝑐 αͲǤͷ━ 𝑡𝑡 ∕𝑡𝑡𝑐𝑐𝑐 αͲǤʹͷ

23
パンチストローク s/tc04

図  パンチ圧力に及ぼす切込み深さの影響（シミュレーション）7)

ͷ- 17 -5

４．実験結果

 材料の動き
鍛造中の材料流れを調べるために，被加工材の内壁面，実験には低炭素鋼(SPCC)の冷延板材を用いた．この材底面の下面，パンチの移動経路上の数点をトレースする．

料の変形抵抗曲線は𝜎𝜎 = 501𝜀𝜀0.24MPa である．図  は，絞図  に示すように，鍛造の進行に伴い，被加工材の内壁面り－しごきカップの切削鍛造後の垂直断面の形状である．

上の点はウェブの上面に移動し，パンチの移動経路上の点

絞りカップの内側の角半径は，しごき加工により 0.1mm にはウェブの下面にシフトする．大きな塑性ひずみが，ウェ整形されている．
カウンターパンチブの材料に残されている．切削による加工硬化は，ウェブの耐圧性などの製品強度に影響を与える可能性がある．

𝑐𝑐𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑎𝑎 𝑎𝑎 2𝑎𝑎2𝑎𝑎
𝑎𝑎 𝑎𝑎 2 𝑎𝑎 𝑎𝑎 𝑎𝑎

𝑐𝑐

𝑐𝑐2

切削鍛造前

相当ひずみ
͵

𝑐𝑐

2𝑐𝑐

𝑐𝑐2

しぼり後

ʹ𝑐𝑐

切削鍛造中

図  切削鍛造中の材料の動き 7)

切削鍛造後

図  各成形段階後の被加工材垂直断面形状 7)

ͳ𝑐𝑐

しごき後




パンチ

図  は，パンチストロークによるパンチ圧力の変化である．FEM シミュレーションの摩擦係数が 0.17 の場合，

Ͳ測定されたパンチ圧力はシミュレートされたパンチ圧力と同じ大きさである．
図  は，せん断変形領域におけるファイバーフローを ひけ欠陥

示す．せん断変形は，パンチの刃先とカウンターパンチの図  に示すように，カウンターパンチの角でウェブの厚角部間の線上で生じていることが分かる．せん断変形領域

さが小さくなり，この挙動がひけ欠陥を生じさせる．図 とウェブ形状は，図  に示すシミュレーション結果に似ては，ひけ欠陥の成長過程を示す．カウンターパンチの角半いる．

径が大きい場合，切削開始時にカウンターパンチの角付近

図  は，せん断変形領域周辺のビッカース硬さの分布で材料不足が発生する．初期せん断開始点の図中の a は変である．せん断された部分の硬さはカップの壁の 2 倍以上形の進行とともに上パンチから離れて沈み込む．最大ひけである．

陥を防ぐために，切込み t0 の深さは図  のように十分に大きくする必要がある．ひけ欠陥を防ぐための最小の切込み深さは次式によって与えられる．
𝑡𝑡 ⁄𝑡𝑡𝑐𝑐 = 0.068 𝑐𝑐𝑐 + 0.22𝑡𝑡 ⁄𝑡𝑡𝑐𝑐 = 1.6 𝑐𝑐𝑐 − 4.7𝑐𝑐𝑐 = 2ー= Ͳfor 𝑐𝑐𝑐 < 3.2} （3）for 𝑐𝑐𝑐 ≥ 3.23 1 

図  ひけ欠陥の成長過程

𝜎𝜎 = 501𝜀𝜀 .2a
𝑝𝑝 /𝐶𝐶 = 0.005
𝜇𝜇 = 0.1ǡ𝑡𝑡𝑐𝑐𝑐 = ʹtͲȀtcͲͳǤͲͲǤͺͲǤ͸ͲǤͶͲǤʹͲǤͲͲͳ

ひずみ速度 s −͵Ͳ6 7)

ͲǤ͵
ͲǤʹ
ͲǤͳ
ͲǤͲ

Ͳ

ͳ

ʹ
͵
パンチストローク sȀtcͲͶ

図  パンチ圧力の解析値と実測値の比較  ͷ

Ͳ

ͳ

͵

━ 実験 ━ シミュレーション

𝜎𝜎 = 501𝜀𝜀 .2
aǡ𝑡𝑡 ∕𝑡𝑡𝑐𝑐𝑐 αͲǤʹ͹𝑝𝑝 ∕ ൌͲǤͲͷͲǡ 𝑐𝑐𝑐 ൌͲǤͳ ǡ 𝜇𝜇 ൌͲǤͳ͹ͳͲ

失敗（ひけ）図  ひけ発生の臨界条件 7)

ͲǤͶ

ʹͲ

成功

ʹrcp パンチ圧力 pȀC

深さは約 0.2mm で，ウェブ厚さは約 1/10 である．ひけ欠Ͷ

図  せん断変形領域の鍛流線(t0/tc0 = 0.55)

168 224297242195

217 283234237276242 229

251309301

ͳ

110176 117

図  せん断変形領域周辺のビッカース硬さ分布 7)- 18 -

図  は，鍛造品の表面性状を示す．図  の A，B，C，D は，図  に示す位置に対応している．ウェブの上面は溝状の構造であり，ウェブの下面は鏡面で，切削加工の切りくず表面と似ている．内壁面 D はパンチで強く平滑化されているが，焼付きは生じていない．

軸方向

半径方向
(b) パンチの温度分布

点
半径方向

点
軸方向

図 15 切削鍛造による温度上昇ͳ 

図 16 はパンチ刃先付近の圧力分布である．切れ刃のごく狭い領域においてはかなり高い値となっており，工具材料の耐圧強度と耐摩耗性に注意を要する．

点

点

また，図 14(d)の鍛造品表面にパンチによる掘り起し傷ͳ が見られ，量産におけるパンチの耐焼付き性能が問題となる可能性が高く，被加工材の材質に合うパンチ表面コーテ
ィングを選択することが重要である．

図  切削鍛造品の表面状態 (t0/tc0 = 0.55)7)

５．切削鍛造のトライボ条件
 切削鍛造において，被加工材の動きと変形量は切削加工と類似である．しかし，プレスによる切削鍛造の加工速度はせいぜい 10～100 mm/s 程度で，切削加工と大きく異なる 8)．
図 15 は切削鍛造による被加工材と工具の温度上昇のFEM シミュレーション結果である．FEM シミュレーションの条件は前章の実験条件に合わせた．工具と被加工材間
図 16 パンチ刃先の接触圧力の熱伝達係数を 40 kW/(m2K)とし，実験室の環境温度を20℃とした．パンチ速度が 10 mm/s の場合，パンチ刃先の温度は 70 ℃程度であるが，パンチ速度が 100 mm/s と大６．切削鍛造法の活用事例

きくなると，パンチ刃先の温度は 170 ℃に上昇する．しか 上述したように，絞り－しごきカップの底面は切削鍛造し，切削加工の刃先のような高温にならず，温度上昇に起によって自由に移動することができる．被加工材の一部を因する潤滑・冷却・工具摩耗などの諸課題に関しては，切自由に移動させることができる切削鍛造法の特長を利用

削鍛造は切削加工よりも対処しやすいと考えられる．

することによって，複雑形状の部品を簡易な工程で成形可能となる．
 図  のトリプルカップは大豊精機㈱の開発事例である．
切削鍛造法を用いて，カップの片側に中空軸をもつプリフォームから中空軸を移動させて，カップ両側に軸をもつ形状を成形している．
 このように，切削鍛造法を塑性加工技術体系の中に組み込むことにより，塑性加工技術の競争力が大幅に向上する．
しかし，切削鍛造法は提案されて間もない新技術であり，(a) 被加工材の温度分布未解明な点が多い．力学的には切削加工との類似点が多い
が，トライボロジー的にはかなり異なる．今後，材料学，加工学，トライボロジーなど多くの側面からの比較研究が進展されることを期待したい．
- 19 -

謝 辞本研究の遂行にあたり，公益財団法人天田財団の平成29 年度重点研究開発助成 % をいただいた．ここに記して深く感謝の意を表します．また，実験の遂行に岐阜大学助教箱山智之氏，岐阜大学大学院修士課程生遠藤喜紀氏，伊藤健司氏，日本学術振興会外国人特別研究員の董文正氏の協力をいただいた．さらに実験結果の討議を通して，大阪大学の小坂田宏造名誉教授，静岡大学の中村保名誉教授に数多くの助言をいただいた．
参考文献

図  切削鍛造によるトリプルカップ成形品 9)1） 西野創一郎ほか：プレス加工による板鍛造成形技術，
塑性と加工，51-594(2010), 642-646.

７．結言
鍛造荷重と工具圧力を下げるために「切削鍛造」と呼ば

2） M. Merklein, et. al.: Plastic flow and its control in sheetbulk metal forming of thin-walled functional components,れる新しい鍛造方法を提案し，絞り・しごきで作製された鋼カップから断面が H 字型のダブルカップの成形に適用した．

Annals of the CIRP, 64(2015), 245-248.
3） T. Schiemann, et. al.: Mechanisms of fold formation during
flange upsetting of tubular parts, AIP conference(1) 切削鍛造の工具圧力は，被加工材料の変形抵抗の 1/2以下と非常に低い．
(2) 切削鍛造により，深絞り・しごきカップの底面をカッProceedings, 1532(2013), 284-290.
4） X.Y. Wang, et. al.: Stamping-forging hybrid forming of
double layer cup with different wall thicknesses, Materials

プの高さ方向に自由に移動できることを示した．
(3) ウェブの角のひけ欠陥を防ぐために，深絞り・しごきカップの底部厚さに対する切込み深さの比率は，しごきカップの角半径により決まる限界値よりも大きくする必要がある．

research innovations, 15(2011), S435-S438.
5） 中野隆志：板成形と鍛造の複合技術，塑性と加工，42484(2001)，388-392．
6） 王志剛：板鍛造の技術要点，精密工学会誌，80-12（2014），1049-1052.
7） Z.G. Wang, et. al.: Annals of the CIRP, 68 (2019), 273-276.
8） T.H.C. Childs, et. al.: Metal machining -Theory andapplications, Elsevier Ltd, (2000), 247.
9） 高橋智正ほか: 中空軸付きカップ部品のシンプル工法の開発，素形材，63-1(2022)，15.

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