深絞り加工におけるしわ防止方法

直接的な回答：深絞り加工におけるしわは、板材の座屈破壊です。ブランクのフランジはパンチによって内側に押し込まれますが、ブランクの円周は絞りカップの円周よりも大きいため、フランジ材には接線方向の圧縮応力が作用します。その圧縮応力が板材の座屈抵抗を超えると、リム部に波状のしわ（フランジしわ）が発生し、またはそれが壁部に伝播して（壁しわ）となります。これを防ぐには、以下の8つの変数を制御することが重要です。特に、ブランクホルダー力、絞り比、工具アール、材料の異方性が重要であり、工具に手を加える前に、どの変数が適正範囲を外れているかを診断することで、しわを修正できます。

深絞り加工でしわが発生する原因は何ですか？

絞り加工中、フランジには径方向の引張応力（材料をダイキャビティに向かって引っ張る力）と、接線方向の圧縮応力（円周が縮小する力）が同時に作用します。接線方向の圧縮を受ける薄肉材料は、圧縮を受ける柱のように挙動します。すなわち、臨界応力以下では安定していますが、臨界応力を超えると波状に座屈します。金属が消滅するわけではなく、折りたたまれるのです。その折りたたみがフランジに留まるか、壁部に引き込まれるかは、拘束が失われる位置とタイミングによって決まります。この臨界応力を決定するのは、以下の8つのプロセスおよび工具関連の変数です。

1. ブランクホルダー力

ブランクホルダー（プレッシャーパッド）はフランジをダイフェースに押し付け、円周方向の座屈に抵抗する摩擦力を発生させます。力が小さすぎるとフランジが浮き上がり波打ちます。逆に大きすぎると材料が内側へ流動できず、板厚が減少しパンチ肩部で破断が生じます。新しい絞りダイの場合、軟鋼の計算上の絞り力の約20～30%から開始し、トライアル中に調整します。再現性があり調整可能な圧力プロファイルが必要な場合は、窒素、油圧、またはサーボクッションを使用してください。一定の保持力に調整されたものは、フランジ面積が変化する部品を制御できません。

2. 絞り比

絞り比 m = d/D（製品直径÷ブランク直径）は、ブランクがどれだけ縮む必要があるかを示す指標です。m が小さいほど、フランジ部の接線方向の圧縮応力が高くなり、破断を起こさずにしわを抑えることが難しくなります。すべての材料には、1回の絞り工程で実現可能な限界絞り比が存在します。例えば低炭素鋼の場合、おおよそ m ≈ 0.50～0.55（単純なカップ形状で深さ/直径比が約0.9～1.0）です。製品が1回の絞りでこの深さを超える場合は、材料に無理をさせるのではなく、再絞り工程を追加してください。

3. ダイス肩半径とポンチ肩半径

ダイス肩半径は、フランジがキャビティ内に曲がり込む際の挙動と、ブランクホルダーが材料を保持し続ける範囲を左右します。半径が小さすぎると曲げ応力が増大し、側壁に割れが生じる可能性があります。逆に大きすぎると、フランジがブランクホルダーから早期に離脱し、拘束されない材料が側壁にしわとなって発生します。鋼板カップの場合、ダイス肩半径は板厚の約6～10倍、ポンチ肩半径は板厚の約4～8倍を初期値とし、その後トライアルで検証してください。また、ポンチとダイスは材料の流れを妨げるピックアップを防ぐため、絞り方向に沿って研磨する必要があります。

4. 材料の異方性

板金は均一ではありません。圧延によって方向性が生じます。垂直異方性比r（ランクフォード値）は、板の面内収縮に対する減肉抵抗性を表します。r値が高いほど、材料は座屈するよりもむしろ厚くなろうとするため、しわ抵抗性が向上します。深絞り用グレードは、成形性と安定したr値に基づいて選定されます。鋼板ではDC04/DC06またはSPCE、アルミニウムでは5052-O、ステンレスでは深絞り用304が一般的です。限界グレードの材料で毎回しわが発生する場合、より高品質なグレードに変更することで、金型の修正よりも低コストで解決できることがよくあります。

5. 潤滑

潤滑には相反する2つの役割があります。ダイR部とパンチでは、低摩擦により壁部の滑りを可能にし、破断リスクを低減します。フランジ側では、ある程度の摩擦が望ましいです。ブランクホルダーが材料を拘束するのは、この摩擦によるものです。したがって、フランジ部の潤滑が不均一または過剰だと、しわの発生を促進します。一方、潤滑が少なすぎると破断を促進します。材料に適した絞り潤滑剤（絞り油、ドライフィルム、ポリマーコーティング）を、管理された均一な被膜で使用し、部品ごとに塗布状態を一定に保ってください。

6. 板厚

耐しわ性は板厚に強く依存します。板厚が厚いほどフランジ部の座屈応力が大幅に高くなるため、同じしわ押さえ力であれば、薄い部品は厚い部品よりもはるかに早くしわが発生します。板厚公差も重要です—公差範囲の下限にあるコイルは、あたかも異なる材料のように挙動します。薄板の部品で断続的にしわが発生する場合は、受入時の板厚を確認し、より厳しい公差を指定するか、同じ板厚で同等の性能を確保できる高強度材の採用を検討してください。

7. ブランク形状

ブランクの形状とサイズは、フランジ部への荷重がどれだけ均一に分布するかを決定します。円筒カップ用の完全な円形ブランクは対称的に荷重を負荷しますが、非対称または過大なブランクはしわ押さえに不均一に荷重をかけ、荷重の小さい領域で最初にしわが発生します。ブランクは加工可能な最小の輪郭にトリミングし、材料フローをバランスさせてください。また、不規則な形状の部品には、便宜上の長方形や円形ではなく、展開されたブランク形状を使用してください。

8. 絞り速度

速度はひずみ速度を変化させ、摩擦仕事を介してダイス肩部の温度にも影響を与えます。ほとんどの鋼材ではその影響は小さいですが、アルミニウム、オーステナイト系ステンレス鋼、および被覆鋼板では、破断やしわの発生へとプロセスを移行させる可能性があります。トライアル中はプレス速度とクッションタイミングを一定に保ち、一度に一つの変数だけが変化するようにし、生産速度はプロセスシートに記録してください — 毎分10ストロークで検証された金型は、毎分25ストロークでは異なる挙動を示す可能性があります。

しわ発生の診断方法

波が発生している位置に注目してください。単に存在するかどうかだけではありません。

• フランジ外周部の均一な波— ブランクホルダーのクランプ力が不足しています（力が低すぎる、クッション圧力の喪失、またはホルダーが十分早く接触していない）。
• 壁部に引き込まれたしわ— ストローク終了前に拘束が失われる：絞り比が過大、ダイRが大きすぎる、またはドロービードがない／浅すぎる。
• 部品の片側のみに発生するしわ— 工具が平行でない（ホルダーまたはダイ面の水平度が不足）、ブランクが中心からずれている、またはクッションが不均一である。力を変更する前に感圧フィルムで確認すること。
• 小さなコーナー半径やフィーチャー周辺に発生する微細なシワ— 局所的な材料過剰：周囲の形状が、そのフィーチャーが吸収できる以上の材料を供給している。局所的なビードを追加するか、ブランク外形を変更すること。

分解点検が役立ちます。プレスをストローク最下点で停止し、フランジがホルダーから最初に浮き上がる箇所を確認してください。その箇所がしわの発生起点です。

金型の修正方法

一度に一つの変数だけを変更するため、以下の順序で作業してください。

1. プレスとクッションが公称力を発揮していることを確認する。窒素クッションの劣化や油圧回路の漏れは、前日まで問題なかった金型に、一晩でしわを再現させる。
2. ブランクホルダー力を小さな段階で増加させる。(5～10%)リムの波打ちが消えるか、壁の減肉が始まるかの、いずれか先に達するまで。
3. ドロービードを追加または深くするしわが止まる前に、力だけで部品が破断する場合に適用します。浅いビードから始めてください。深すぎるビードは、しわの問題を割れの問題に変えてしまいます。
4. ダイ entering 半径とクリアランスを再確認してください。壁面にバニッシュ（光沢面）や引き裂きが見られる場合のみ半径を大きく調整してください。フランジが早期に逃げる場合は半径を小さくするか、入口に小さな段差やビードを追加してください。
5. 平行度と芯合わせを修正してください。— プレッシャーフィルムで片側に荷重がかかっている場合は、ホルダーを再研削して再取り付けしてください。
6. プロセス入力の変更は最後に行います：潤滑剤の種類と量、ブランク外形、材料グレードまたは板厚、その後に絞り速度を変更します。
7. 絞り比が材料のLDRを超えている場合は、調整をやめて再絞り工程を追加してください。いくらしわ押さえ力を加えても、物理的に不可能な1回の絞りを安定させることはできません。

事例

1.2 mm DC04から円筒モーターケーシングを絞り加工した際、トライアウトの最初の40個にリム部のしわが発生しました。絞り比は許容範囲内（m ≈ 0.58）であり、ダイ入口Rも十分な大きさ（≈ 8 × t）でした。感圧フィルムによる調査で、窒素クッションのチャージ低下により、1象限でクッションが公称力の60%しか負荷できていないことが判明しました。クッションを再チャージして均等化したところ、同じ力の設定でリム部の波うちは解消されました。その後の改善策として、生産リリース前にプロセスウィンドウを広げるため、浅いドロービードを追加しました。教訓：工具を修正する前に、まず機械を測定すること。

エンジニアリングチェックリスト

• 絞り比 m = d/D が材料の1工程限界を超えていませんか？超えている場合は、再絞りを計画してください。
• フランジ面積と材料から設定されたブランクホルダー力で、再現性のあるクッションを使用していますか？
• ダイ進入半径は6～10 × tの初期範囲、ポンチ半径は4～8 × tですか？
• 工具面は平行で、クッション力はトライアウト時に感圧フィルムで確認されていますか？
• フローの抑制と過度な延伸防止を両立するドロービードのサイズ設定は？
• 十分なr値と安定した板厚公差を備えた材料グレードですか？
• 均一で適切な潤滑剤の塗布 — フランジ部に過剰塗布されていませんか？
• 材料の流動バランスを考慮してブランク外形をトリミングしましたか？
• プレス速度とクッションタイミングは工程パラメータとして記録されていますか？
• 初品と工程表は生産開始前に一緒にレビューされましたか？

Balfordの深絞り加工サービス

Balfordは、深絞り金型の設計・製作を自社で行い、25 t から 350 tまでのプレス機を保有しています。大量生産には順送金型、試作品や中量生産には単発金型に対応しています。当社のエンジニアは、DFMおよび型試しの際に上記と同じ診断手順を適用します—深絞り金属プレス加工の能力プレス機の範囲と部品サイズの制限をご覧ください。関連する技術ガイド：深絞り加工と順送金型スタンピング、アルミニウム深絞り部品, および深絞りソレノイドバルブハウジング。

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