特集 自動車づくりを支える最新の金型・成形技術

Part 2 自動車部品サプライヤーにおける生産技術の進化

冷間鍛造における深穴の張力負荷押出し加工の開発
㈱ニチダイ

村井映介＊

自動車の燃費向上を図るため、部品のさらなる軽量

当社ではパンチの座屈を解決する目的で張力負荷に化が求められている。トランスミッションの場合、多よる押出し加工法（補助張力押出し）の開発を行ってくの長尺シャフト部品が使用されているため、シャフいる。本稿では、開発段階で得られた試験結果およびト部品の軽量化は非常に重要となっている。

実用部品に適用した事例を紹介する1）。

長尺シャフト部品などの中空部品の深穴はガンドリ

当社の現状ルによる切削が一般的であるが、加工時間が長く、また材料歩留まりも低い。そのため、歩留まり向上と生

図 1 は当社で受注した中空部品について示したも産性向上のためにも冷間鍛造による深穴成形は必要でのであり、穴の細長比（長さ L /直径 D ）と工程数ある。しかし、深穴の冷間押出しではパンチ面圧が高の関係にまとめたものである。1 工程および 2 工程でくなり、成形の初期で簡単に座屈してしまうため、成の最大の細長比は約 5 であり、3 工程の場合には最大形できる穴深さには限界がある。座屈を防止するためで 7 まで実施した例があるが、ほとんどが 5 以下のの対策はあるが、大きな効果は期待できないのが現状ものである。

である。このように冷間鍛造で中空部品の深穴を成形することは非常に困難である。

冷間鍛造におけるパンチの座屈
冷間鍛造で深穴を成形する方法として最も一般的に*Eisuke Murai：技術部 開発課 主任〒610−0201 京都府綴喜郡宇治田原町禅定寺塩谷 14TEL（0774）
88−6317

使用されているのが後方缶押出しである。鉄鋼材料の後方缶押出しでは図 2 に示すようにパンチの座屈が8.07.06.05.04.03.02.01.00.0ある。
φDL

細長比 L/D発生してしまうため、細長比 5 以上の成形は困難で

012
工程数34

図 1 穴の細長比と工程数の関係（当社受注の中空関係アイテム）０４６

図 2 座屈によって破損したパンチ［パンチの（長さ/直径）＝12．
7］

特集

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パンチ
製品長さとパンチ長さは同じ
d
Ld

L

L

素材
ダイ（a）成形前（b）成形後（c）成形品（a）自由図 3 座屈が発生しないときのパンチと成形品の寸法
関係

（b）回転

図 4 考えられる座屈モード

図 3 は後方缶押出しでの金型と深穴成形品の関係を示したものである。この場合、得られる最大の穴深4,000は座屈が発生しないパンチ長さとなる。
軸方向の圧縮応力がσb、パンチのヤングが E のとき、座屈が発生しないパンチの長さ/直径（Lcr/d）はオイラーの座屈条件式より次式のように得られる。
Lcr
π＝Cd2Eσb

パンチ面圧（MPa）

さはパンチの長さ L に等しい。パンチは長くなると初期に座屈するため、後方缶押出しで得られる穴深さ（c）固定

04

穴の細長比
812163,5003,0002,5002,000
後方押出し1,5001,000500（1）0020406080100120

式（1）の係数 C は座屈モード（図 4）によって得ら穴深さ（mm）れる。押出しに使用されるパンチの場合、パンチの一

図 5 パンチ面圧と座屈なしで成形できる長さ（φ7．
1）の関係

端は完全に固定され、もう一端は成形条件によって変化する。
図（4 a）の場合、パンチの先端は自由端であり、C＝と比較すると成形できるパンチ長さは約 30 mm、細0．
25 となる。図 （4 b）
はパンチの横の動きが制限され長比は 4 程度である。押出しで 8 以上の細長比を得回転端となり、C＝0．
7 となる。図 （4 c）
は固定端であるには、パンチ先端が回転端か固定端となるような成り、C＝4 である。このようにパンチの座屈限界はパ形条件にする必要である。

ンチ先端の条件によって大きく変化する。通常の後方押出しのパンチは図 （4 a）
で、座屈なし成形できるパンチ長さは非常に短い。

パンチの座屈を防止する方法
1．パンチの偏心

図 5 は直径φ7．
1 の粉末ハイス製パンチ（ヤング

パンチの先端が図 （4 a）のような自由端の場合、座率：230 MPa）を使用した場合の座屈応力をオイラー

屈は押出しの初期で簡単に発生する。パンチの座屈限の式で計算した結果である。図 5 は穴深さ（細長比）

界を伸ばすためには図 （4 b）（、c）のようにする必要がとパンチ面圧の関係を示したもので、パンチの先端がある。また、パンチの限界の長さ/直径を伸ばすため自由端の場合［図 （4 a）］の座屈応力は破線、回転端にもパンチ先端を回転端か固定端にする必要がある。の場合は太線、固定端の場合は細線によって得られる。 図 6 は座屈を防止する方法を示したものである。図 6
断面減少率 50％ の中炭素鋼を後方押出しで成形し（a）
は成形前の素材にパンチ先端のガイドとなるへそた場合のパンチの面圧は約 2，500 MPa であり、破線をあらかじめ入れる方法であり、図 （6 b）
はスリーブ型技術

第 ３０ 巻 第 ２ 号 ２０１５ 年 ２ 月号

０４７

へそP2P1

スリーブ

パンチ

多段ベア

Ap

素材σtAbダイ（b）スリーブによるガイドと多段ベア（a）成形前のへそ

図 6 パンチ座屈の防止方法
穴入れパンチPb

P0（a）後方押出し（b）補助張力押出し

図 8 後方押出しと補助張力押出しの応力状態

Ap、試験片の断面積を Ab、パンチに作用する面圧をP1、カウンターパンチに作用する面圧を P0、押出し張力比を R＝Ab（/ Ab−Ap）として、摩擦力を無視した場合、P1は力のつり合いにより次式によって得られる。

ダイ

P1＝RP0（/ R−1）

（2）

補助張力におけるパンチに作用する面圧を P2、押出し部に負荷された引張応力σt とすると、P2 は力のカウンターパンチ
背圧

図 7 補助張力押出しつり合いにより次式によって得られる。
RPb＋σt＝（R−1）P2，P2＝（RPb＋σt）（/ R−1）（3）

補助張力押出しでカウンターパンチに作用する面圧によりパンチをガイドする方法である。小さいクリアを Pb とすると、σt と P0 との間に次式の関係が成立

ランスであれば初期の座屈を防止することができる。

する。

また、パンチが素材の押し出された部分によってガイドできるように多段ベアを設ける方法もある。
2．補助張力押出し
図（6 a）
あるいは同図（b）によってパンチの初期の座屈を防止することはできる。押出しが進むとスリーブによるパンチのガイドができないため、図 （5 b）のように多段ベアを設けるが、押出し中のパンチの座屈をPb＋σt＝P0

式
（3）と式
（4）
から後方押出しと補助張力押出しのパンチ面圧の関係は次式によって得られる。
P2＝｛RP0−（R−1）σt ｝（/ R−1）＝P1−σt（5）

補助張力のパンチ面圧が後方押出しより張力σt だけ低減する。

完全に防止することはできない。そのため、パンチの試面圧を低減させることが必要である。
篠崎と工藤2）は図 7 のように捕助張力を与えること（4）験

1．試験条件によって押出し圧力を低減する方法を提案している。

補助張力押出しについて試験を行う際は当社保有のこの方法はフランジつきのビレットをダイの端に引っ3 軸油圧プレス HED−800 を使用した。上側のメインかけることによって押し出された部分に張力を発生さ軸でスリーブを動かし、サブ軸でパンチを動かした。

せ、パンチ圧力を後方押出しより低くする。

パンチの速度は 20 mm／s で行った。試験片は焼なま

3．補助張力押出しと後方押出しのパンチ面圧比較しした SCM415 を使用し、潤滑剤には二硫化モリブ

図 8 に示すように後方押出しのパンチの断面積をデンを使用した。試験片の変形抵抗は 750 MPa、形０４８特集

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φ7.1 (＝φD）

穴/細長比
04812160.20.18
同軸度（mm）

110（＝L）

0.16
0.14
0.120.1
0.08
0.06
0.040.02
φ10.1（a）背圧：499MPa（b）背圧：
624MPa0020406080100120

穴深さ（mm）（c）背圧：749MPa

図 10 補助張力押出しの同軸度

図 9 補助張力押出しのサンプル（背圧）状は直径φ10×70、フランジはφ15 で厚みが 4 mmである。
2．実験結果試験は断面減少率 50％ で行った。図 9 は異なる背圧で試験を行った結果である。背圧が低い場合（449MPa）、細長比 12 で側壁が破断した。624 MPa では
細長比 14 で、図 （9 b）のように側壁に割れが発生した。
749 MPa では細長比 15 でも内面の割れは発生しなかった。これらの結果からわかるように、カウンターパンチによる背圧はこの工法の重要なポイントである。

素材

穴入れと打ち抜きスプライン

図 11 補助張力押出しの実用サンプル

補助張力によって細長比 15 までの成形が可能であることは示したが、細長比 11 を超えると同軸度が低あり、これらの課題は解決しなければならない。

下する傾向が見られた。図 10 は図 （9 c）の同軸度を示☆

している。穴深さ 80 mm（細長比約 11）
で 0．
01〜0．
02の同軸度である。

中空成形についての当社の現状と課題を示し、補助3．製品例

張力押出しを用いた深穴成形についての開発を紹介し

図 11 は捕助張力押出しによって成形した実際の製た。背圧を負荷しながら補助張力押出しを用いれば、品例である。1 工程でフランジを据込みによって成形穴の細長比 4〜11 の深穴の成形が可能であることをし、2 工程で補助張力押出しにより穴入れ、3 工程で示した。課題を解決するために現在も開発に取り組んスプラインの成形を行っている。

でいる。

課

題

補助張力押出しで深穴成形時の荷重を低減できることが明らかになり、穴の精度向上につながった。しかし、深穴成形では表面積拡大率が高いため、潤滑切れを起こしやすく、焼付きなどが発生しやすい状態とな

参 考 文 献１）村井映介：深穴の押出し加工（張力負荷押出し加工）の技術動向と進展、プレス技術、Vol．
52、No．
7（2014）、pp．
36−38２）篠崎吉太郎、工藤英明：補助張力付き後方せん孔押出し法、塑性と加工、Vol．
14、No．
151（1973）、pp．
629−636る。このほかにも量産化に向けてはいくつかの課題が型技術

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