ハイテン材用プレス金型の材料選定｜摩耗・かじり・欠け対策

ハイテン材のプレス加工で起こる金型損傷

ハイテン材を抜き・曲げ・絞り加工する金型には、繰り返しかかる力に耐え、刃先や摺動面の形を保つ性質が求められます。摺動面とは、加工中に鋼板と金型が接触しながら滑る面です。材料の選定では、加工する鋼板の引張強さ、板厚、めっきの有無と、金型のどの部分が傷むかを確認します。

主な損傷の状態と、対策を検討する際の着眼点を表に示します。

かじりは、金属同士が接触して結び付く「凝着」に伴う損傷です。凝着した部分がはがれると摩耗が進むため、削れた部分と付着した部分の両方を観察します。曲げや絞りの金型だけでなく、穴抜きパンチにも発生します。

既存金型の改善では、損傷した位置の写真と、発生までの加工数を残します。製品の傷やバリがどの刃先・摺動面に対応するかを調べると、修正する箇所を特定しやすくなります。

穴抜きパンチに付着物と欠けがある場合

次は、パンチ側面に付着物があり、刃先にも欠けが見つかった場合の検討例です。側面では付着した位置、皮膜の剥がれ、加工油が届く箇所を確認します。刃先では欠けの起点と変形、パンチとダイのすきま、力が偏ってかかる箇所を調べます。観察した損傷に応じて、材料・熱処理の変更と、皮膜・潤滑・金型形状の修正を検討します。

金型材料・熱処理・表面処理の選び方

工具鋼に求める耐摩耗性は、削れにくさを表します。欠けや割れに対する粘り強さが靭性です。金型材料は、摩耗を抑える硬さと、破損を防ぐ靭性を併せて検討します。

SKD11は、プレス金型に広く使われる冷間ダイス鋼です。現在の金型で摩耗や欠けが早く起こる場合は、硬さや靭性を高めた冷間ダイス鋼、マトリックスハイス、粉末ハイスなどを比較します。カタログでは、熱処理後の硬さ、耐摩耗性、靭性に加え、金型を製作・修正するときの加工のしやすさも確認してください。

工具鋼に含まれる硬い炭化物は、摩耗を抑える働きをします。一方、粗大な炭化物を減らすと靭性が向上する鋼種があります。高張力鋼板の穴抜き試験では、刃先の局部的な変形も確認されており、硬さと炭化物の量・分布を含めて欠けへの強さを検討しています。鋼種ごとの硬さ、耐摩耗性、靭性を比較してください。

焼入れ・焼戻しは、使用時に必要な硬さと靭性を得るための熱処理です。同じ鋼種でも熱処理条件で性質が変わるため、鋼種名と使用硬さを組み合わせて選定します。コーティングする金型では、処理時の加熱による硬さや寸法の変化も確認します。

コーティングは金型の表面に皮膜を設け、摩耗やかじりを抑える方法です。下地の工具鋼が加工中に変形すると、皮膜が剥がれることがあります。皮膜の種類と、下地となる材料・硬さ・表面の仕上げを組み合わせて検討します。窒化を組み合わせる場合は、使用する鋼種と熱処理後の硬さ、後に行う皮膜処理を伝えます。鋼種の成分によって窒化層の深さや硬さが変わるため、具体的な鋼種に適した処理条件を確認してください。

加工油は鋼板と金型の間の摩擦を抑え、凝着を防ぐ役割を持ちます。かじりが発生した面に油が届いているか、連続加工中に供給が途切れていないかを確認してください。穴抜きではパンチとダイのすきまを表すクリアランスも損傷に関係するため、皮膜や潤滑の変更と併せて、刃先の状態と製品の切断面を確認します。

金型寿命を確かめる試作と量産評価

材料や表面処理を変えた効果は、加工を繰り返したときの金型と製品の変化から評価します。決めた加工数ごとに、金型の摩耗・付着・欠けと、製品の寸法・傷・バリを確認します。品質基準を満たす製品を、再研磨や交換までに何個作れるかが、寿命を比較する目安になります。

評価では、再研磨や交換を行う理由を製品の品質基準と結び付けます。例えば、穴の寸法、バリ、表面傷のうち、どの項目が基準を外れたかと、その時点までの加工数を残します。金型を取り外して観察する部位と、寸法や傷を調べる製品の位置も記録します。加工数は金型で加工した回数で、品質基準に合格した良品数とは区別します。

試作で製品を数個作れただけでは、量産時の寿命は確かめられません。連続加工による変化を追い、再研磨・交換が必要になったときの損傷と加工数を記録します。材料規格、板厚、めっき、潤滑条件なども記録し、結果が得られた加工条件を明らかにします。

試作や小ロットの金型では、材料費と納期に加え、試作後に修正・補修できることも確認します。量産金型では、金型の製作費、再研磨費、交換部品の費用、プレス機を止めて金型を交換・補修する時間を含めて検討してください。

例えば材料費が増えても、再研磨や交換の回数が減れば、量産期間全体の費用を抑えられる場合があります。材料・熱処理・皮膜の費用と、評価で分かった加工数を使って比較します。