プレス加工用の材料には様々な種類があり、近年ではチタンやマグネシウムなどの従来は難加工材とされていた材料の使用も増えてきている。
さらに、各製鋼メーカーではJIS類似鋼種や独自鋼種など、多種多様な特徴を備えた商品を随時開発して世に送り出していることから、金型設計並びにプレス加工においては、素材が持つ様々な特性を考慮し、その特性を存分に活かす方法を考え出すことが重要となる。

熱間・冷間圧延鋼板

圧延鋼板には熱間圧延と冷間圧延があり、熱延鋼板はいわゆる黒皮材で価格面において優れるが、高い寸法精度が必要とされる場合には冷延鋼板を使用する。
板厚精度が高く、表面が美麗かつ平滑でプレス成形性にも優れた冷延鋼板は、自動車・家電・建材などの幅広い分野で使用される最も需要の高い鋼板である。
JISでは「冷間圧延鋼板及び鋼帯(JIS G 3141)」と「自動車用加工性冷間圧延高張力鋼板及び鋼帯(JIS G 3151)」の2種類が規定されているが、その他にも、超深絞り鋼板や耐候性鋼板、ほうろう鋼板など、様々な特徴をもつ冷間圧延鋼板が製造されており、使用用途を考慮して適した鋼材を選定する。
材料の選択において、曲げ加工やせん断加工には一般用のSPCCを用いるのが通常であるが、深絞り加工に適した材料について成形性を見極めて選ぶ場合には、部品形状や成形方法などから核となる成形様式を判断した上で、最適な模型的成形試験を実施し、試験結果に則した特性値を備えた材質を選択する。
なお、鋼板の表面仕上げにはダル仕上げとブライト仕上げがあり、プレス加工においては擦り傷が付きづらく、潤滑油の保持力に優れたダル仕上げが適しているが、クロムめっき等の光沢のある金属めっきを施すなど、用途が外観部品となる場合には、表面が美麗で面粗さが小さいブライト仕上げを選択するのが適切である。

熱間圧延鋼板の主な種類と特性
SPHC 一般用 熱延鋼板の中で最も多く使用されており、主として平板や曲げ加工品に用いられる。
SPHD 絞り用 SPHEに次いで絞り加工性に優れた鋼板。
SPHE 深絞り用 材質が均一で深絞り加工に適している鋼板。
冷間圧延鋼板の主な種類と特性
SPCC 一般用 抜き及び曲げ加工や浅い絞り加工に適した鋼板で、加工度の少ない単純な形状の部品に使用される。
SPCD 絞り用 SPCEに次いで絞り加工性に優れた鋼板。
SPCE 深絞り用 深絞り性に優れた鋼板で、冶金学的に結晶粒を調整しているため、絞り加工後も綺麗な表面が保たれる。
冷間圧延高張力鋼板(ハイテン)の主な種類と特性
SPFC390,440,490,540,590 一般加工用 曲げ加工等の変形量が少ない加工用途に適している。
SPFC340,370 絞り加工用 絞り加工性に優れた鋼板で、幅広い加工用途に適している。
SPFC490Y,540Y,590Y,780Y,980Y 低降伏比型 高強度で低降伏点を有する鋼板で、加工性にも優れている。
SPFC340H 焼付硬化型 塗装焼付により降伏点が上昇する特性を有し、耐デンツ性が求められる用途に使用。

冷延鋼板の絞り加工事例

角絞りの側面に複数の突起がある形状で、突起の数が多い上に外側へ突き出ているため、突起加工の金型部品を組み込むためのスペースに十分な余裕が確保できないことから、その対策として、非常に複雑な特殊形状の部品を金型に組み込んで成形をしています。

材質:SPCE、板厚:t=0.3
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表面処理鋼板

表面処理鋼板は普通鋼板の欠点である錆の発生を防ぐために、溶融亜鉛メッキや電気亜鉛メッキなどの表面処理が施されているもので、プレス加工後の表面処理工程が省けることから、リードタイム短縮やコスト削減などに寄与するコストパフォーマンスの高い材料である。
なお、表面処理鋼板のプレス加工において注意を払うべき点として、以下のような事項がある。

  • 皮膜の損傷及び剥離による成形品の表面欠陥
  • 皮膜の損壊による耐食性の劣化
  • 剥離被膜の金型固着による潤滑不良
  • 機械的特性の変化による成形性低下
表面処理の主な種類と特性
電気めっき 入手性が良く加工性にも優れるため、家電や自動車向けなどに広く使われているが、摩擦係数が比較的高く被膜が剥離しやすい。
溶融めっき 比較的低コストで耐食性に優れるが、皮膜が脆くパウダリングが出やすいため、加工後の表面状態に注意を払う必要がある。
塗装 塗膜の種類により特性は様々であるが、大概は摩擦係数は低いが皮膜が脆いため、変形度合の大きな加工には不向きである。

表面処理鋼板の絞り加工事例

中央のバーリング部分は軸受け箇所となるために大変厳しい公差が設定されている上、内径の寸法精度を出すためにしごき加工を入れていることから、素材板厚がバラつくとバーリング高さが大きく変化するため、適正な加工条件の設定が必要な製品です。

材質:SECE、板厚:t=0.8
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ステンレス鋼板

ステンレス鋼とは耐食性を向上させる目的で、Cr又はCrとNiを含有させた合金鋼であり、一般にはCr含有量が約11%以上の鋼である。
ステンレスは組成上から、マルテンサイト系・フェライト系・オーステナイト系の3種に分類され、この内プレス加工に広く使用されているのは、SUS430に代表されるフェライト系とSUS304に代表されるオーステナイト系の2種類となる。
普通鋼板より高価な材料であるが、耐食性が高く、表面が美麗であることから、耐久性や意匠性が求められる用途において重宝されている。
なお、ステンレス鋼は高強度に加えて熱伝導率が低く、熱膨張係数が高いために焼付きや型カジリを起こしやすいため、特に深絞り等の負荷が高い加工では、耐型カジリ性に優れた金型材質の選定や、油膜強度が高く冷却性能に優れた潤滑油の選定が重要になる。

①フェライト系ステンレス鋼の特性

  • フェライト系ステンレス鋼は17%CrのSUS430が基本の鋼種で、体心立方格子構造を持ち強磁性である
  • 機械的性質は普通鋼板に類似しているが、オーステナイト系ステンレス鋼に比べ全伸びが低く張出し性に劣る
フェライト系ステンレス鋼の主要鋼種
SUS410 SUS430より耐食性が劣るが、低Cかつ低Crのため成形性に優れることから、自動車排気系部品などに使用される。
SUS430 フェライト系ステンレス鋼を代表する17Cr鋼で、張出し性はSUS304に劣るものの、円筒深絞り性は同等で価格は割安。

②オーステナイト系ステンレス鋼の特徴

  • オーステナイト系ステンレス鋼は18%Cr-8%NiのSUS304が基本の鋼種で、面心立方格子構造を持ち非磁性である
  • 常温での加工によりマルテンサイト相に変態し著しく加工硬化するが、大きな均一伸びを示すため張出し性は良い
オーステナイト系ステンレス鋼の主要鋼種
SUS301 加工誘起マルテンサイト変態を最大限利用するために、SUS304よりNi量を低くしC量を増加した鋼材で張出し性に優れるが、時効割れが比較的発生しやすい性質であることから、過酷な絞り加工には適さない。
SUS304 プレス加工用ステンレス鋼の基本となる鋼種で、深絞り性・張出し性・伸び性がいずれも良好なため、幅広い用途に使用される。但し、普通鋼に比べて加工硬化が大きく、また高強度材であることからスプリングバックが大きいため、寸法精度を出しにくいのが欠点。

ステンレス鋼板の絞り加工事例

SUS305の薄板を使用する絞り加工品ですが、板厚が薄い上に素材が持つ異方性が高いことから、円筒形状に歪みが生じやすいため、絞り径の寸法精度を維持するのが非常に難しい製品です。また、ステンレスは加工硬化しやすく工程が増えるほど硬くなるため、金型材質の選定も重要です。

材質:SUS305、板厚:t=0.25
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アルミニウム(合金)

アルミニウムは表面状態が美しく耐食性に優れ、比重が小さいという特性を有しており、さらに一部の合金系を除いて展性や延性に優れ加工性も良いことから、飲料缶や住宅用サッシから航空機や鉄道車両部材まで、幅広い分野において活用されている。
近年では、環境問題意識の高まりによる自動車等の輸送機械における燃費対策の推進により、アルミニウムは軽量化素材として採用が増加している。
なお、アルミニウム材料には展伸用材料と鋳造用材料があり、展伸用アルミニウム合金は主要な添加元素により、1000系から8000系に分類される。

アルミニウム合金の主な種類と特性
1000系 純アルミニウム 純度99%以上の工業用純アルミニウム材料で、強度は低いが加工性や溶接性に優れ、耐食性や熱伝導性も良い。
2000系 Al-Cu系 時効硬化を利用した熱処理合金で強度が高く、ジュラルミンの名称で知られており、航空機用部材などに用いられる。
3000系 Al-Mn系 純アルミニウムの優れた加工性と耐食性を保持しつつ強度を向上させた合金で、絞り加工性に優れ、飲料缶などに使われている。
4000系 Al-Si系 耐熱性が低く熱膨張が大きいというアルミニウムの欠点を解消するために開発された合金で、熱交換機やなどに使われている。
5000系 Al-Mg系 中強度で加工性や溶接性が良く、耐海水性や耐応力腐食性に優れた合金であり、船舶や建材など多方面に使われている。
6000系 Al-Mg-Si系 中強度で押出し性を改善したアルミニウム合金で、板材ではないがアルミサッシに多量に使用されている。
7000系 Al-Zn-Mg系 航空機用として開発され、超々ジュラルミンの7075合金はアルミニウム合金中で最も強度が高く、スポーツ用品にも多く使われる。
8000系 その他 上記の添加元素以外の元素を添加した合金で、航空宇宙分野の部材に用いられるAl-Li合金などがある。

 

アルミニウム板の絞り加工事例

A1100を使用する絞り製品ですが、アルミニウムは他の素材と比べて強度が低く、加工時にカスも発生しやすいことから、傷や打痕の発生防止に配慮した工程にする必要があります。また、側面の丸孔が大きいため、そのスクラップが詰まらないよう排出方法にも工夫をしています。

材質:A1100、板厚:t=1.0
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黄銅板

日本では五円硬貨の素材として使用されており、仏具にも多用される他、紙幣の印刷機や弾薬の薬莢など幅広い用途に使われている。
黄銅は銅と亜鉛の合金で成形性は良好だが、加工硬化が激しい点に注意を払う必要があり、多工程での加工においては中間焼鈍を要する場合がある。
また、材質の選択にあたっては成形性に優れた質別Oまたは1/4Hを選ぶのがよく、特に絞り加工においては質別Oを採用するのが最適である。

黄銅板の主な種類と特色
C2600 展延性や絞り加工性に優れており、めっき性も良好で端子コネクターなどに使用される。
C2680 展延性や絞り加工性に優れており、めっき性も良好でスナップボタンやカメラ、魔法瓶などの深絞り部品に使用される。
C2720 展延性や絞り加工性に優れており、主に浅絞り用の材料として使用される。
C2801 展延性があり強度が高いため、打ち抜き又は曲げ加工により配線器具部品やネームプレートなどに使用される。

 

黄銅板の絞り加工事例

外形が他部品との嵌め合い箇所になるため、相手部品の寸法次第で外径寸法を調整する必要が生じる繊細な製品です。
なお、黄銅は加工油等が付着した状態で放置すると短時間で変色を起こすことがあるため、加工後は速やかに脱脂洗浄を行い、洗浄液が残らないよう確実に乾燥させる必要があります。

材質:C2600、板厚:t=0.8
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