塑性加工の名称と製品名について【技術士キーワード学習】
塑性加工について
参考：塑性（そせい）加工とは | 塑性（そせい）加工 | なるほど！機械加工入門 | キーエンス (keyence.co.jp)
塑性加工とは
塑性加工とは、金属や樹脂などの塑性を利用し、被加工材に型を押し付けて目的とする形状を作るものである。
切削機や研削盤などで削り取って形状を作る除去加工とは異なり、塑性加工では形状を変形するため材料の歩留まりが良くなる傾向がある。また、ファイバーフローが切れることなく連続しているため、比較的強度を持った製品を造ることができることや、切削加工よりも時間が短く大量生産に向いていることが特徴である。
塑性とは
一定の力以上を加えると変形し、元に戻らない性質の事である。
弾性とは
力を加えても元の形状に戻る性質の事で、塑性のある固体でも、一定の力以上までは弾性があることが多い。
塑性加工の名称と製品名
塑性加工の名称
塑性加工の種類には、
- 圧延
- 転造
- 鍛造
- プレス
- 絞り
- 曲げ
- 接合
- 板金
等が存在する。
塑性加工で製作される製品名の例
高い強度を要求される製品は鍛造で作られることが多い。
- スパナ
- ペンチ
- 歯車
- エンジン部品
- 包丁
など
板状・棒状のもの圧延で作られる。
- アルミニウム箔
- 板材
- 棒材
- 管材
など
曲げ加工や、くり抜きの加工はプレスで行われる
- 自動車のボディ
- 硬貨
- スチールラック
など
塑性加工のメリット・デメリット
塑性加工のメリット
- 強度が上がる
- 加工時間が短い
- 材料の歩留まりが良い
塑性加工のデメリット
- コストを下げるために大量生産が必要（金型費や設備費などが高い）
- 切削に比べて精度が低い
- 設計変更の小回りが苦手
本論文では、塑性加工の代表例として金型を使用して加工をする鍛造を取り上げて、その問題点と解決策について記述する。
塑性加工についての問題点と課題
多面的な観点から、塑性加工の問題点3つ
寸法精度や形状精度の設定方法
設計の観点から、ニアネットシェイプまたはネットシェイプ形状として、そのまま製品に組付けができるように、型抜きに必要な抜き勾配を考慮した形状設計が必要である。
生産ロットの小型化
在庫管理の観点から、変種変量生産に対応するために、一度の段取りで製造する製品のロットを小型化し、在庫数を適正化することが必要である。
価格競争力の向上
コストの観点から、鋳造や切削・プレス加工等、他の工法と比較した際の価格優位性を向上するために、製造にかかる原価を低減することが必要である。
最重要課題
鍛造加工は自動車向けなどの大量生産に適しているが、近年ではユーザーニーズの多様化などにより多品種少量生産化が進んでいることから、ロットサイズを小さくして変動する需要に対応することが必要であると判断し、「生産ロットの小型化」を最重要課題と考える。
最重要課題の解決方法
生産効率の向上
生産効率を向上するためには、以下の3つの方策がある。
- サイクルタイムの短縮
- 品質の向上
- 自動生産化
サイクルタイムの短縮
一本の材料から複数の製品を同時に作る、多数個取りを実践することで、ひとつの製品を製造するために必要な時間を短縮する。副次的な効果として、廃棄するバリの量を減らすことができるため、材料の歩留まりが向上する。
品質の向上
製品の寸法はほぼ金型に依存し、品質不良は金型の配置や使用中の移動により起こることが多い。したがってインラインでの測定、品質管理による定期的な傾向調査により事前に補正することで品質を向上し、材料を型に配置する際のズレの縮小、打痕の発生防止等により、外観不良品として廃棄する製品を減少させる。
自動生産化
搬送機と加工設備を組み合わせて生産を自動化することで、24時間休憩せず、夜間などにも生産を行えるようにする。
段取り替え時間の短縮
鍛造の段取り替えでは、鍛造の金型とトリミング用の金型の交換が必要であること、型の微妙な位置修正が必要であること、金型自体の重量が大きいことから、段取り替え回数を減らすことでコストを下げる取組が行われてきた。したがって、段取り替えにかかる時間を短縮することで一日に行う段取り替え回数を増やし、ロットサイズを小さくする。考えられる案として、
- 金型の加熱の外段取り化
- 金型配置治具の作成による一発段取り化
- 金型を固定するコッターの油圧チャック化
- キーハンマーの出力向上
- 金型持ち上げ動作のロボット化
等がある。
金型寿命の延長
鍛造のロットが大きくなる原因として、製品コストに金型費が占める割合が大きいことがある。金型を加工してから次の面下げを行うまでの寿命（命数）を長くすることで、金型の材料費を低減し、コストダウンすることで一回の段取りあたりの必要生産数を低減する。また、金型の重量が軽くなることで段取り替えが行いやすくなるメリットもある。
解決策による波及効果と懸念事項
解決策による波及効果
上記解決策を実行することで、同じ時間及び同じコスト内で段取り替え回数を増やすことができるようになるため、ロットサイズを小さくすることが可能になる。
解決策により新たに生じる懸念事項
鍛造製品の品質は金型に大きく依存するため、段取り替え頻度を増やすことにより金型配置のずれのばらつきが大きくなり、場合によっては大量に不良を発生させる可能性がある。
懸念事項の対策
調整代を見える化することによって、金型の配置を標準化する。
XYの2軸を持つスライダ構造を持たせ、段取り替え後の下型の位置を微調整する。また、スライダの調整機構に目盛を付けることで、移動した量を可視化して、次回の型替え時に参考数値とする。
