塑性加工ってどんな加工？メリットと加工方式の種類を解説

2021年5月20日
コラム, 加工

塑性加工は、物質が力を加えられた際に変形が固定化される「塑性」を利用した加工方法であり、金属やセラミックスなどのさまざまな材料加工に利用されています。塑性加工には、金属を引き延ばす圧延や鉄板を円筒形などの立体形状に変形させる絞り加工など、多くの加工方式があります。

今回は、塑性加工方式のそれぞれの特徴や仕組みを解説し、曲げ加工機や伸線・抽伸機、圧延機などの塑性加工機を開発・製造している主要メーカを紹介します。

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1 １．塑性加工の特徴と加工方式の種類
2 ２．日本塑性学会とは
3 ３．塑性加工機の主要メーカ5選
4 ５．塑性加工機の導入におすすめのメーカ4選
5 ６．製造業のWebマーケティングに関するご相談は株式会社ストラーツへ

１．塑性加工の特徴と加工方式の種類

塑性加工とは、物質に力を加えた後に開放しても変形が残ったままである「塑性」の特徴を活かした加工方法です。

物質には、力を加えられた際に元に戻ろうとする「弾性」があります。塑性加工では、圧延加工や曲げ加工などのさまざまな加工を行うことで、身近な調理器具であるフライパンや、自動車・精密電子機器に使われるような微細な部品の製造も可能です。

塑性加工は加工時の温度によって分類され、加工対象物を加熱して行う「熱間加工」と常温で加工する「冷間加工」、熱間と冷間の間の温度で加工する「温間加工」があります。

（1）塑性加工性とは

塑性加工性とは、各加工方式で発生する割れやキズ、反りなどといった欠陥の発生を抑止ながら、目標の形状をつくり上げる加工のしやすさのことです。

塑性加工では、金属などの常温では硬く高温化では粘性のある材料や、セラミックスのような硬くて脆い材料を用いて、加圧して延ばしたり打ち抜いたりなどさまざまな加工を行います。

そのため、材料に外力を加えた際に発生する「応力」や「ひずみ」などの挙動を、機械条件や加工温度などでコントロールしながら加工を行わなければいけません。

（2）塑性加工法の種類

塑性加工にはさまざまな加工方式があります。ここでは代表的な7つの塑性加工法を紹介します。

①せん断加工

金属プレス加工の一種で、せん断力を利用して硬い金属を分離させる塑性加工法。パンチを被加工材に押し当てながら加圧することで、ダイと直角方向に圧力がかかり刃物のように切断します。

ダイの形状を変えることで、さまざまな形状に切り抜くことができ、金属加工用のブランク材を作ったり、絞り加工品の縁切りなどを行うこともあります。せん断加工では、断面にバリや破断面などが発生するため、パンチとダイのクリアランス調整が非常に重要です。

②曲げ加工

板状や棒・管状の被加工材にパンチで加圧しながら、目的の形に曲げる加工方法。パンチとダイの組み合わせによって、V曲げやL曲げ、U曲げなどさまざまな形に曲げることができ、加熱しながら曲げる場合もあります。

曲げ加工では、弾性回復によって必ず「スプリングバック」が起こり、目標の曲げ角度よりも若干戻りが発生します。スピリングバックの対策としては、戻り量を見込んで余分に曲げを行ったり、曲げ部の外側を圧縮するなどの方法が考えられます。

③絞り加工

絞り加工は、金属の板材を円筒形や角筒形、それ以外の異形筒常に成形する塑性加工方法です。絞り加工には大きく2つの種類があります。

１．プレス絞り加工

被加工材をパンチでプレスしながら、金型に合わせた形状に加工する方法。同時に大量の加工ができるため、精密機器や自動車に用いる微細な部品の製造にも利用されています。

２．へら絞り（スピニング）加工

旋盤などで回転させている被加工材を、ロール（へら）で金型に押し付けながら加工します。プレス絞り加工に比べて複雑かつ大型の製品を作れるため、ロケットのペイロードフェアリングといった大型で精度が求められる製品の加工にも利用されています。

④押出し加工

被加工材（ビレット）をコンテナという容器に充填して、ラムで加圧しながらダイの孔から押し出し成形をする塑性加工法。ラムの進行方向に押し出す「直接押し出し」や、ラムでダイを押しながら進行方向と逆向きに押し出す「間接押し出し」が代表的な加工方式です。

金属のような硬い材料を大きく変形加工でき、コンテナに異種金属材料を充填して押し出すこともできます。

⑤引抜き加工

線や棒状、もしくは管状の被加工材を、ダイの孔に通して引っ張りながら成形する加工法。押し出し加工に似ていますが、引っ張り出した一次成形品を、そのまま次のダイに通してさらに細い形状に成形するといった連続加工が可能なため、押し出し加工よりも細く長尺の加工が行えます。

⑥圧延加工

被加工材の板厚よりも狭いギャップで対に配置したローラの間に、被加工材を回転させながら圧縮して長手方向に延ばす加工方法。被加工材の形状は、板や棒、管などの単純なものだけでなく、H形鋼などの複雑形状にも対応できます。

厚くて強度の高い金属を圧延する際には、ワークロールがたわんでしまい「耳伸び」や「片伸び」といった欠陥が発生するため、バックアップロールの使用が必要になります。

⑦鍛造加工

被加工材の金属を、ハンマーによる打撃力や、加圧による圧縮力によって塑性変形させて加工する方法です。平な工具で挟み込んで加工する「自由鍛造」と、目的の形状に窪ませた型を用いて挟み込む「型鍛造」があります。

被加工材を加熱して行う「熱間鍛造」では、金型に高い圧力がかかって焼き付きなどが発生するため、潤滑剤の使用が必須です。

（3）塑性加工のメリット

塑性加工には、さまざまな加工方法がありますが、一部の例外を除いて以下のようなメリットがあります。

①大量生産に向いている

塑性加工には、スピニング加工のように少量多品種製造に向いたものもありますが、基本的には決められた「型」を用いるため、簡単な工程変更で大量の製品を連続生産できます。

②寸法バラつきが小さく材料歩留まりがいい

塑性加工は、「型」に合わせて材料を変形加工するため、型に変形やキズがない限りは同じ寸法の製品が製造できます。また、切削や研磨加工のように切り屑や削り屑が発生しないため、材料歩留まりも良いという特徴があります。

③金属の強度が向上する

鍛造加工のような「熱間加工」では、鍛錬効果によって金属材料の強度が向上し、冷間加工であっても圧縮や打撃によって硬さが増します。

④新たな性能を付与できる

塑性加工では、加工温度や加工方式、機械条件によって結晶方位や微粒子の分布などを変化させることが可能なため、使用する材料に新たな性能も付与できます。

２．日本塑性学会とは

画像引用：一般社団法人日本塑性加工学会ホームページ

日本塑性加工学会とは、塑性加工学の活性化や人材育成等を目的として、国内外で以下のような取り組みを行っています。

研究発表会やセミナー、講習会、交流会などの実施
会誌や書籍の発行
塑性加工についての研究・調査や表彰
関連する学協会との協力

※その他、詳細は定款を参考

支部は全国に9箇所あり、各塑性加工ごとの分科会も設立しています。塑性加工分野の研究者はもちろん、学生も参加可能で、法人の賛助会員には「トヨタ自動車」や「JFEスチール」など、さまざまな業界が登録しています。

昭和26年4月の「塑性加工研究会」を経て、昭和36年3月おの「日本塑性加工学会」改称日を創立日としています。会誌『塑性と加工』や各種関連書籍を発刊しており、国際会議も平成26年までに11回開催しています。海外の学会との協力関係構築も推進しており、平成24年には中国・台湾・韓国の学会との共催を強化しています。