製品を造る加工方法は多岐にわたりますが、金属製品の加工方法のひとつ「鍛造」をご存じでしょうか。鍛造は幅広い製品に使われています。
今回は鍛造について、概要メリット、製造工程など幅広くご説明します。金属製品の製造工程や鍛造加工について知りたい方は、ぜひ参考にしてください。
鍛造とは
鍛造（たんぞう）とは、金属を叩くことで成形する加工方法です。「叩く」作業を「鍛える」ということから、鍛えて造る手法を「鍛造」と呼ぶようになりました。
鍛造の作業では、ハンマーやプレス機を使って金属を叩きます。これによって内部の空気の隙間をなくし、結晶を細微化して方向を整えられるので強度が高まります。
特に鉄は叩くことで介在物の除去につながり強度が増します。鍛造によって作られるものには、自動車や航空機の部品、身近なものであれば包丁やペンチなどが挙げられます。
鋳造との違い
鍛造と似ている用語に、鋳造（ちゅうぞう）があります。鋳造とは、金属を溶かして型に流し込む加工方法です。鍛造、鋳造ともに同じ形の製品を造ることができますが、見た目が同じであっても性質が異なります。
鋳造は液体にした金属を型に流し込むため、形状が複雑でも容易に加工ができます。ただし、強度を高めるためには厚みを出す必要があり、鍛造に比べると重量が重くなります。
コストが安く済む一方で、内部応力が残ってしまい割れの原因になるなど、鍛造とは異なるデメリットがあります。
また、鋳造はさまざまな素材を加工できますが、鋳鉄や鋳鋼などそれぞれ素材の特性によって何がつくられるのか、用途が異なります。
切削加工との違い
切削加工とは、ドリルやフライスなどを使って金属を削る加工方法です。切削加工ではどのような材料でも加工できます。精度の調節を自在にできる点がメリットです。
ただし、鍛造よりも加工に時間がかかったり、製品を肉薄化することが難しかったりデメリットもあります。材料を削ることからロスが出る点も否めません。
鍛造のメリット
鍛造にはさまざまなメリットがあります。具体的なメリットをまとめましたので、以下をご覧ください。
強度が高い
鍛造は叩くことで材料の粒子が微細化されて粒子の大きさも均一化できるため、強度を上げることが可能です。鋳造は型に流し込む手法なので、空気をうまく排出しないと空洞ができることがあり、強度が下がってしまいます。強度の点においては鍛造がほかの加工方法よりも優れています。
鍛流線により粘り強さが出る
鍛造はほかの加工方法よりも金属の粘り強さを出すことができます。金属には布や木材でいう繊維方向のようなものがあり、製品形状に沿ったメタルフロー（鍛流線）と呼ばれます。メタルフローは木の年輪と同じく縞模様であり、加工品の粘り強さを高めます。
材料費の削減につながる
鍛造ではあらかじめ製品の完成形に近い形で加工を行うため、切削する金属の量が少ないです。そのため、材料費の節約につながります。切削作業の手間も省けるため、作業の効率化も図れます。
大量生産が可能
製品形状の金型を使った型打ち鍛造であれば、製品の大量生産が可能です。さらに、圧縮によって金属が緊密になり、安定的な品質を得ることができます。
以上のように鍛造にはさまざまなメリットがあります。ただし、どの金属加工においても鍛造が適するわけではないため、鋳造などほかの加工方法の特徴を考えて製品に合う加工方法を選んでください。
鍛造の分類：加工温度による分類
ここからは鍛造について、さらに細かく見ていきます。まずは加工温度による分類をご説明します。
熱間鍛造
熱間鍛造とは、約1,000〜1,200度の高温に熱した金属をプレス金型成形することで強度と靭性を高める加工方法です。具体的には、金属が真っ赤になるまで熱して柔らかくした状態で、プレス機で圧力をかける流れとなっています。
高温で柔らかくした金属を鍛造するため、複雑な構造の製品にも対応できます。また、鋳造部品に比べて強度が高く、軽量であることも特徴です。
熱間鍛造で作る部品は、ガス器具や高圧シリンダー、高圧バルブ、バッテリー端子などがあり、さまざまな分野で活用されています。
温間鍛造
温間鍛造とは、約300〜850度に加熱して鍛造する加工方法です。前述の熱間鍛造と後述する冷間鍛造の中間に位置する加工方法となります。そのため、熱間鍛造と冷間鍛造では加工できない製品を造る際に使われます。
温間鍛造では押出方式、バリ出し方式、密閉方式の成型方法があります。加工のしやすさから金型の消耗が比較的少なく、コストの削減につながる点がメリットとして挙げられます。熱間鍛造で失われやすい寸法精度の面でも優れているのが温間鍛造です。
一方で、温間鍛造は電気で素材を加熱することから、温度管理が難しい側面があります。そのため機材への設備投資が増える可能性が考えられます。
なお、温間鍛造は車のリバースギヤやアイドルギアなどの製造に用いられる加工方法です。
冷間鍛造
冷間鍛造とは、金属に熱を加えずに常温で圧力を加える加工方法です。冷間鍛造はほかの鍛造部品と比べて成形時の寸法の精度が高くなります。また、表面は熱間鍛造や温間鍛造よりも良好な状態ででき上がるため、仕上げの加工が不要な場合があります。
仕上げ加工が不要な場合は、中間焼きなましや潤滑処理を行うと、大型製品の製造も可能です。ほかにも最小限の材料で成形できる点もメリットでしょう。
しかし、成形圧力が高いことから金属材料へのダメージが大きくなります。金型破損、摩耗などのトラブルが起こることも考えられます。加工には高度な技術や経験が必要な点も覚えておきたいところです。
溶湯鍛造
溶湯鍛造とは、金型内の溶解・半溶解状態にある金属に圧力をかけて加工する方法です。1930年代の旧ソ連で最初に導入されました。高圧凝固鋳造法、半融鍛造法などとも呼ばれています。
溶湯鍛造は寸法精度の高さが特徴です。軽合金や銅合金などにも採用される加工方法で、大型軽合金部品やフランジ鋳鋼などの生産で用いられます。
鍛造の分類：加工方法による分類
ここからは、加工方法による分類をご説明します。鍛造にはさまざまな加工方法がありますが、ここでは5つをご紹介します。
自由鍛造
自由鍛造とは、平らな工具を使用して材料を潰して加工する、最も単純な加工方法です。鍛冶屋で金属をハンマーで叩くシーンをイメージするといいでしょう。
自由鍛造には材料の高さを縮めたり材料を引き伸ばしたりするなどの手法があります。角柱や円柱、円板、リング状に加工する際に適した手法といえるでしょう。ほかのメリットとしては、金型が不要であり初期投資がかからないことが挙げられます。
一方で加工に時間がかかるため、製品の大量生産が難しいです。一つひとつ加工していく作業となるため、製造コストがかかる点も注意が必要です。また、複雑な加工が必要な部品の製造には適していません。
型鍛造
型鍛造とは、金型を使用して金属素材に圧力をかける加工方法です。同一形状の製品を大量生産するときに用いられます。前述した自由鍛造との違いは、金型を使用するかどうかです。
型鍛造は自由鍛造よりも寸法精度が高いことから、複雑な形状の製品を効率よく作ることができます。
一方で型鋳造の短所は、仕上がった製品のバリを取り除く作業が必要な点です。バリができる分だけ自由鍛造より歩留まりが悪くなります。なお、型鍛造は自動車部品や農業機械、高山機械、土木建築機械などの部品製造に使われます。
密閉鍛造
密閉鍛造とは、金属材料を押し切った際に上型と下型をしっかりと閉じて金属材料を密閉する加工方法です。メリットは、完成形状とほぼ同等の質量の材料を使うため、バリが発生せずコストダウンにつながることです。また、バリ取り工程がないため製造時間の短縮や効率化にもつながります。
デメリットは、材料を押し切る際に上型と下型の隙間を生じさせないよう大きな圧力をかける必要があるため、鋳造荷重が増大することです。そのため金型の負担が大きくなり、危険を伴う加工方法となります。
閉塞鍛造
閉塞鍛造とは、型鍛造と同様に金型の内部に材料を閉じ込めて圧力をかけます。密閉鍛造も似たような加工方法ですが、両者には違いがあります。
密閉鍛造は閉じた金型の中に素材を入れて押し込みます。閉塞鍛造は上下の金型の間に材料を入れて閉じ込めたあとに、成形ピンや方を動かして圧縮し、半径方向に押し出して型に材料を充満させます。
したがって、閉塞鍛造は密閉鍛造のようにすべての材料が金型と接するわけではありません。しかし、バリ取りが発生しないことにより、材料費の削減や作業工程の効率化というメリットは同じです。
圧力をかけるパンチと呼ばれる工具の形状を工夫すれば、複雑な形状の製品を造ることが可能です。車のギア類などに用いられる加工方法です。
回転鍛造
回転鍛造とは、型工具と材料の両方、もしくは一方を回転させながら成形する加工方法です。局所成形の一種で、大規模な工具を必要としない点が特徴です。なお、回転鍛造には、ロール鍛造やクロスローリング鍛造、リングローリング鍛造などがあります。
ロール鍛造は、2個のロールの間に加熱した金属材料を入れて、ローラーを回転させることで材料に圧力をかけます。プレスで圧力をかけるため、前工程で利用されることが多いです。
クロスローリング鍛造は、上下のドラム状の金型を1回転させて圧力をかけることで金属材料を引き伸ばす加工方法です。鋳造の歩留まりが良く、従来の加工方法よりもコストが削減できます。
回転鍛造にはさまざまな手法があるため、製品の特徴に応じて選ぶ必要があります。
鍛造の主な工程
ここからは鍛造の主な工程をご紹介します。鍛造では以下の4つの工程によって加工が行われます。
切断・加熱
まずは金属材料を規定の寸法に切断します。密閉鍛造や閉塞鍛造の場合は、材料の正確な把握が必要であるため寸法精度の高いノコ切断を使用することがほとんどです。
金属材料を切断した後は、加熱炉で材料全体を適切な温度まで昇温させます。
このとき温度にムラが出ないように注意しなければなりません。温度にムラがあると製品の不具合につながります。
加工
金属材料の加熱が終わったら加工に入ります。鋳造ではハンマーもしくはプレスを利用します。
ハンマーは圧縮空気などを利用して打撃力によって成形します。一方のプレスはモーターによる回転運動を上下運動に変えて荷重をかけます。
後処理
加工後は後処理に入ります。トリミングとして金型からはみ出たバリを、プレスを使用しながら取り除きます。材料の種類によっては熱処理を施すことがあります。
ショットブラストといって、小さな鉄球を当てて加熱で発生した酸化鉄を除去する工程もあります。その後、表面加工や切削加工を行って完成型を目指します。
品質検査
後処理まで完了したら品質検査を行います。品質検査には外観検査や精度検査があります。外観検査では製品の外観をチェックして、キズなどの不具合がないか検査します。
精度検査では、製造した製品の一部抜き取るか、もしくはすべてを対象に精度の検査をします。測定した数値は成績表などとあわせて顧客に届けます。以上の工程を経て、出荷に至るという流れです。
鍛造で使われる素材
鍛造に使われる素材は多岐にわたりますが、大部分は鉄鋼で占められています。ただし、近年では自動車の軽量化やロケットなどの特殊な製品にはアルミニウム合金やチタン合金などの非鉄合金が使われています。
なお、鉄鋼は鋳造の材料では代表的なもので、大きな力が繰り返し作用する環境で高い安全性が求められる部品に使います。具体的には自動車のシャーシなどに使われます。
アルミニウム合金は、特性の異なるさまざまな材質があるため、製品や用途などに合わせて熱処理が施されます。このように、鋳造で使われる素材は、それぞれの特徴などを踏まえて使い分けます。
鍛造で発生する不良
鍛造ではさまざまな不良が発生することがあります。ここでは鋳造で発生する不良の具体例をご紹介します。
- 当てキズ：ほかのものに接触してできるキズ
- しわキズ：表面に現れるしわ状のキズ
- 割れキズ：バリの線上に割れ目が現れるキズ
- 欠肉：鍛造図面寸法に対する肉不足
- 打ち損じ：作業中の打ち損じ
- 寸法不足：鍛造図面の寸法に対する不足
- 寸法過大：鍛造図面の寸法に対する過大 など
以上は鍛造で発生する不良の一例であり、ほかにも不良として現れるケースがあります。それらの不足に対して製造工程の管理が求められます。
まとめ
金属を叩いて成形する鍛造の工程では、主加工品の表面に割れや傷などの不良や欠陥が発生します。不良品の流出を防ぐための外観検査は品質管理に欠かせない工程の一例です。
しかし、人手不足や検査の難化などによって、従来の目視検査に限界を感じている企業は今少なくありません。そこで近年増えているのがAIを活用した品質管理です。品質管理のポイントをまとめた資料がありますのでぜひご覧ください。
