金型製作は、自動車部品から家電製品まで、幅広い製品の正確で効率的な生産を可能にする基礎となります。金型製作は、金型製作または金型製造とも呼ばれます。 金型製作は、金属、プラスチック、複合材料などの材料を目的の形状に成形するために使用される金属または非金属の金型と鋳型の設計、構築、および保守を伴います。
この記事では、金型ツールの複雑さを詳しく調べ、その基本原理、種類、設計上の考慮事項、製造プロセス、そして現代の製造業で果たす重要な役割について説明します。
工具・金型メーカーとは何ですか?
工具および金型メーカーは、製造プロセスで使用される工具、金型、および鋳型の設計、製造、および修理を専門とする熟練した職人です。金型製作には、厳しい許容差を維持し、一貫した製品品質を確保しながら、繰り返しの生産サイクルの厳しさに耐えることができるカスタム設計の金型と鋳型の作成が含まれます。金型は、スタンピング、鍛造、鋳造、 射出成形、および押し出し。
工具・金型メーカーの主な責任
- 設計: エンジニアと協力して、ツールや金型の設計図を作成します。
- 製作フライス加工や研削などの加工技術を使用して、鋼鉄やアルミニウムなどの材料から工具を作成します。
- アセンブリ: 適切な機能を確保するためにコンポーネントを取り付けて位置合わせします。
- テストツールと金型を評価し、精度を維持するために必要に応じて調整します。
- メンテナンスツールを修理およびメンテナンスして、寿命を延ばします。
スキルと資格
- 機械加工および製造技術に精通していること。
- 技術図面を読み解く能力。
- 優れた問題解決能力と細部への配慮。
工具および金型メーカーのほとんどは、見習いプログラムを修了するか、機械加工、工具および金型技術、または関連分野の技術学位を取得します。特定の工具や技術を実際に体験できるため、実地研修も一般的です。
金型の種類
金型ツールにはいくつかの種類があり、それぞれ特定の用途に適しています。
プレス金型
板金成形に使用されるスタンピング ダイは、金属板をプレスまたはパンチングして平面または立体的な形状を作成します。操作の複雑さと関連するステーションの数に基づいて、プログレッシブ ダイ、複合ダイ、およびシングル アクション ダイに分類できます。
鍛造金型
これらの金型は、熱間または冷間鍛造プロセスで使用され、高圧下で金属ビレットを複雑な形状に成形します。鍛造金型は、極端な温度と圧力に耐えられるように設計する必要があります。
射出成形金型
プラスチック製造でよく使用される射出成形金型は、溶融プラスチックを高圧下で金型のキャビティに注入して、中空または固体のプラスチック部品を作成します。射出成形金型は 2 つの半分 (コアとキャビティ) で構成され、これらが組み合わさって最終製品の形を形成します。
ダイカスト金型
金属鋳造に使用されるこれらの金型は、耐熱性材料で作られており、溶融金属の流れに耐えられるように設計されています。滑らかな表面と複雑なディテールを備えた精密な金属部品を製造します。
押し出しダイス
金属やプラスチックの押し出し加工で使用される押し出しダイは、材料を圧力をかけて成形された開口部（ダイ開口部）に押し込むことで成形します。結果として得られる製品は、連続した形状にすることも、特定の長さに切断することもできます。
金型加工に使用されるプロセス
金型加工には、製造に使用される精密金型やツールの製造に不可欠ないくつかのプロセスが含まれます。各プロセスは、高い精度、効率、品質を保証するように調整されています。金型加工で使用される主な加工プロセスは次のとおりです。
1. フライス加工
フライス加工は、回転カッターを使用してワークピースから材料を除去するために金型加工で使用される基本的な加工プロセスです。金型製造では、フライス加工は次の目的で使用されます。
- プロファイルカット: 金型で複雑な形状と輪郭を作成します。
- 表面処理: 金型の性能にとって重要な滑らかな表面を実現します。
- ポケット加工: 金型内に空洞や特徴を作成するために材料を除去します。
フライス盤は垂直型または水平型があり、 CNCフライス盤 高い精度と再現性を実現します。
2. ターニング
旋削では、旋盤でワークピースを回転させながら、切削工具で材料を除去します。このプロセスは、金型コンポーネントに円筒形の特徴を作成する場合に特に便利です。主な用途は次のとおりです。
- シャフトとピンの作成: 金型アセンブリに適合する円筒形の部品を製造します。
- 面取りとテーパリング: エッジに角度やテーパーを追加して機能性を向上させます。
CNC 旋盤は、旋削によって製造される部品の精度と複雑さを高めます。
3. 放電加工（EDM）
EDM は、放電を利用してワークピースから材料を除去する非伝統的な加工プロセスです。これは、硬い材料や複雑な形状に特に有利です。EDM プロセスには次のものがあります。
- ワイヤ放電加工機: 細いワイヤーを電極として利用し、複雑な形状を高精度に切断します。
- シンカーEDM: ワークピース内に空洞を形成する成形電極を使用し、細かい特徴を作成するのに最適です。
EDM は、複雑な細部を製造し、厳しい許容差を維持するための金型製作に不可欠です。
4. 研削
研削 研磨ホイールを使用して材料を除去し、表面仕上げを向上させ、正確な寸法を実現する仕上げプロセスです。金型加工では、研削は次の目的で使用されます。
- 表面研削: 金型部品の平坦な表面を実現します。
- 円筒研削加工: 円筒形の部品を厳しい公差で仕上げます。
- 工具研削金型加工で使用する切削工具の研磨・成形。
このプロセスは、金型コンポーネントが厳しい品質要件を満たすことを保証するために非常に重要です。
5. レーザー切断
レーザー切断は、集束した光線を利用して材料を溶かしたり気化させたりすることで、非常に正確できれいな切断を可能にします。このプロセスは、金型加工において次のような利点があります。
- 複雑なプロファイルの作成従来の機械加工では実現が難しい複雑なデザインを切削します。
- 材料効率: 材料シート上で部品を密にネストできるようにすることで、無駄を最小限に抑えます。
レーザー切断は、プロトタイプの開発や少量生産に特に役立ちます。
6. ウォータージェット切断
ウォータージェット切断 研磨剤を混ぜた高圧水を使用して、さまざまな材料を切断します。このプロセスは、次のような理由から金型加工に効果的です。
- 多才: 材料特性を変える可能性のある熱を加えることなく、金属、プラスチック、複合材料を切断できます。
- 複雑な形状ツールを必要とせずに複雑なデザインを作成する機能。
ウォータージェット切断は、熱影響部を回避する必要がある試作品や部品の製造に最適です。
金型に使用される一般的な材料
金型の材料の選択は非常に重要です。一般的な材料には工具鋼、超硬合金、アルミニウムなどがあり、それぞれに独自の利点があります。
工具鋼
工具鋼は、硬度、靭性、耐摩耗性が優れているため、金型で最も一般的に使用される材料です。通常は、特性を高めるためにタングステン、モリブデン、バナジウムなどの元素と合金化されます。工具鋼にはさまざまなグレードがあり、それぞれ特定の用途に合わせて調整されています。
- D2スチール: 耐摩耗性と刃先の保持力に優れた高炭素・高クロム鋼。主にスタンピングや成形金型に使用されます。
- A2スチール: 靭性と寸法安定性に優れた空気焼入れ鋼で、耐衝撃性が要求される金型に多く使用されます。
- O1スチール: 切削性と耐摩耗性に優れた油焼入れ鋼で、少量生産金型に適しています。
アプリケーション工具鋼は、高い耐久性と精度が求められるスタンピングダイ、金型、その他の工具部品によく使用されます。
Advantages:
- 高い耐摩耗性
- 優れた硬度と強度
- 良好な切削性
デメリット:
- 他の素材に比べて高価になることがある
- 適切に処理しないと腐食しやすい
ステンレス鋼
ステンレス鋼は耐腐食性に優れ、適度な強度を備えているため、金型が過酷な環境にさらされる用途に適しています。一般的なタイプは次のとおりです。
- AISI 304 および 316: 耐腐食性に優れていることで知られるこれらのグレードは、清潔さが最も重要となる食品加工や医療用途でよく使用されます。
- S440ステンレス鋼: 硬度と耐食性の両方が求められる特定の用途に使用される高強度ステンレス鋼。
アプリケーション: ステンレス鋼は、環境要因 (湿気や腐食性物質など) がツールの性能に影響を及ぼす可能性がある用途でよく使用されます。
Advantages:
- 優れた耐食性
- 優れた強度と靭性
- 高温用途に最適
デメリット:
- 一般的に炭素鋼よりも高価
- 靭性が高いため、機械加工がより困難
アルミ
アルミニウムは、工具鋼や超硬合金に比べて硬度と強度が低いため、大量生産の金型にはあまり使用されません。ただし、試作、少量生産、軽量金型の用途には役立ちます。アルミニウムは加工しやすく、熱伝導性が高く、耐腐食性があります。
- 6061アルミニウム: 優れた加工性と適度な強度により、プロトタイプのツールとして人気があります。
- 7075アルミニウム7075 アルミニウムは、高い強度対重量比で知られており、軽量化が重要な用途に使用されます。
アプリケーションアルミニウムは、軽量性と加工のしやすさが重要な考慮事項となる仮金型、プロトタイプツール、低応力アプリケーションによく使用されます。
Advantages:
- 軽量で機械加工が簡単
- 良好な熱伝導率
- プロトタイプ作成にコスト効率が良い
デメリット:
- 鋼や炭化物に比べて強度と硬度が低い
- 摩耗が懸念される大量生産には適していません
青銅および銅合金
青銅および銅合金は、優れた熱伝導性と耐摩耗性（摩擦による摩耗）が求められる特定の金型用途で使用されます。これらの材料は鋼鉄よりも柔らかいですが、特定のプロセスでは独自の利点があります。
- ベリリウム銅この合金は、高い強度と優れた熱伝導性を兼ね備えており、サイクルタイムを改善するために効率的な熱放散が必要な射出成形金型に最適です。
- アルミニウムブロンズアルミニウム青銅は耐摩耗性と強度に優れていることで知られており、高摩擦を伴う用途の金型によく使用されます。
アプリケーション: 青銅および銅合金は、ダイカスト金型、射出成形金型、および生産性と部品の品質を維持するために効率的な冷却が不可欠な用途に使用されます。
金型設計における考慮事項
効果的な金型設計には、製造プロセス、材料特性、部品の形状を総合的に理解することが必要です。主な考慮事項は次のとおりです。
- 耐摩耗性: 工具鋼 (ロックウェル硬度最大 65 HRC) または超硬合金 (最大 90 HRA) などの材料を選択します。
- 靭性: 約 13 ～ 10 フィートポンドの靭性を備えた H15 工具鋼などの材料を使用して、鍛造などのプロセスで高い耐衝撃性を確保します。
- 熱安定性: 鍛造用途では、最高 13°C の温度で H1000 などの熱間工具鋼を使用します。
- 許容限界精密金型では、特に自動車産業や航空宇宙産業の高精度部品の場合、±0.005 mm の許容誤差が求められることがよくあります。
- ツール摩耗補正: 大量生産時の摩耗を最大 0.01 mm まで補正できる調整可能なダイの設計。
- 鋭い角: 応力集中を避けるために、少なくとも 0.5 mm の半径を設けて鋭角を最小限に抑えます。
- アンダーカットとサイドアクション: 複雑なアンダーカットのある部品にサイドアクションを追加します。スムーズな動きを確保するには、通常、最小 0.25 mm のクリアランスが必要です。
- 冷却チャネル: 直径 6 ～ 8 mm のチャネルを組み込むことで、プラスチック射出成形金型の効率的な冷却が可能になり、サイクル時間が最大 30% 短縮されます。
- 加熱要素: ホットスタンプや鍛造などのプロセスで金型温度を 200°C ～ 500°C に維持する加熱システムを設計します。
- モジュラーコンポーネント: 材料の摩耗に応じて 10,000 ～ 50,000 サイクルの寿命を持つ交換可能なインサートを組み込みます。
- 摩耗モニタリング: 予防保守のために、5,000 サイクルごとに重要なコンポーネントを検査するためのアクセス ポイントを含めます。
- 抜き勾配角度: プラスチック射出成形金型では、特に深い部品（1 mm 以上）の場合、部品の取り出しを容易にするために、少なくとも 3 ～ 20° の抜き勾配を設けてください。
- 流路: ランナーとゲートの設計を最適化して材料の流れを均一にし、充填速度を 50 mm/s 未満に維持して欠陥を防止します。
- ガイドピン: ダイ半分間の位置合わせを維持するために、許容誤差 ±0.002 mm の精密研磨ガイドピンを使用します。
- 登録機能: 一貫した部品形成のために、プログレッシブ ダイ ステーションの位置が ±0.01 mm の精度で調整されていることを確認します。
- 排出システム: エジェクタピンを設計して、エジェクタ時間を 1 秒未満に短縮し、全体のサイクル時間を部品あたり 20 ～ 40 秒に最小限に抑えます。
- 冷却時間最適化された冷却チャネルを使用して冷却時間を 10～20% 短縮し、生産速度を向上させます。
まとめ
金型の種類、材料の選択、設計上の考慮事項、技術の進歩を理解することで、 金型メーカー ツール戦略を最適化して生産性を向上させ、高品質の製品を提供することができます。
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この記事は、BOYI チームのエンジニアによって執筆されました。Fuquan Chen は、ラピッドプロトタイピング、金型製造、プラスチック射出成形の分野で 20 年の経験を持つプロのエンジニア兼技術専門家です。
