塑性加工（そせいかこう）は、鍛造・圧延・押出し・せん断など多様な工法が含まれる金属加工の基盤技術です。ただし、各工法の違いや適用条件を体系的に理解するには、ある程度の専門的な理解が必要です。
本コラムでは、塑性加工の基本的な考え方から、製品形状や用途に応じた加工法の選定ポイントまでを整理して解説します。
目次
塑性加工とは
塑性加工は、製造現場で広く活用されている代表的な金属加工法のひとつです。本章では、その基本的な定義や他の加工法との違いについて整理します。
塑性加工の定義と特徴
塑性加工とは、金属やプラスチックなどの材料に力を加えて、材料の形を変える加工方法です。材料が弾性限界を超えて変形し、その変形が永久に残るのが特徴です。金属が持つ「塑性」という性質を利用し、材料を削り取らずに変形させて製品を作り上げます。
塑性加工の特徴は、他の加工方法と比較して加工時間が短く、材料のロスが少ないことです。切削加工のように切りくずが発生しないため、材料の歩留まりが良く、効率的な製造が可能です。このような材料ロスの少ない成形方法は、ネットシェイプと呼ばれています。
塑性加工と他の加工法との違い
金属加工にはいくつかの手法があり、目的や製品形状に応じて使い分けられています。中でも塑性加工と対比されることが多いのが、切削加工と鋳造です。ここでは、それぞれの特徴を整理し、塑性加工との違いを確認します。
切削加工
金属や樹脂などの素材から不要な部分を削り取り、目的の形や寸法に仕上げる加工方法です。旋盤やフライス盤、マシニングセンターなどの工作機械を用い、回転する工具や刃物で材料の本体を加工します。切削加工の大きな特徴は、高精度かつ複雑な形状の部品が製作できる点です。また、金型が不要なため、多品種少量生産や試作に向いています。ただし、加工の際には削りカスが生じるため材料ロスが発生し、大量生産ではコストや工程の面で他の加工法に劣る場合があります。
鋳造
高温で溶かした金属を鋳型に流し込み、冷やして固めることで目的の形状に成形する加工方法です。鋳型の長期使用が可能であり、複雑な形や中空構造も比較的容易に製作できるため、大量生産に適しています。自動車や機械部品など幅広い分野で使われていますが、鋳型の製作コストや寸法精度、気泡などの欠陥が課題となることもあります。
加工対象となる金属素材と性質
塑性加工では、延性や展性に優れた金属が選ばれるのが一般的です。代表的な素材としては、以下のようなものが挙げられます。
- 鉄鋼材料：炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼
- 非鉄金属：アルミニウム、銅、チタン、マグネシウムなど
- 特殊合金：超合金、形状記憶合金など
これらの材料は、力を加えても割れにくく、滑らかに変形する性質を持っているため、塑性加工との相性が良好です。なお、変形のしやすさは、結晶構造や加工時の温度条件にも左右されるため、素材の選定時には加工環境も考慮する必要があります。
塑性変形と弾性変形の違い
金属に力を加えた際の変形には、大きく分けて「弾性変形」と「塑性変形」の2つがあります。
弾性変形
力を取り除くと元の形状に戻る可逆的な変形です。ばねのように、一定の範囲内では力に比例して変形し、力を除去すると完全に復元します。
塑性変形
力を取り除いても元に戻らない非可逆的な変形です。材料内部の結晶構造が変化し、新しい形状が維持されます。
塑性加工では、この塑性変形を意図的に発生させることで、目的の形状を得ています。材料に加える力が降伏点を超えると、弾性変形から塑性変形に移行します。
塑性加工の種類と工法
塑性加工には鍛造、圧延、プレス加工などの代表的な工法があり、製品の要求に応じて最適な方法が選択されます。
代表的な塑性加工の種類
鍛造（たんぞう）
金型や工具で材料に圧縮や打撃を加え、密度や強度を高めながら成形する方法です。特に自動車や航空機など、高強度が求められる部品に多く使われます。
- 自由鍛造：型を使わず、職人の技術で形状を整える手法。少量・多品種に適します。
- 型鍛造：精密な金型を使って成形する方法で、大量生産に向いています。
鍛造について詳しくは「鍛造とは？種類・メリット・鋳造との違いまで基礎からわかりやすく解説」をご覧ください。
プレス加工
プレス機と金型を使って、板材などを目的の形に加工します。さまざまな成形方法があり、自動車ボディなどに多く利用されます。
- せん断加工：材料にせん断力を加えて切断・分離する加工です。板材を所定のサイズに切り出す工程などに使われます。
- 曲げ加工：板材を一定の角度に曲げて形状を付ける加工です。ブラケットや補強部品のような立体形状に多く活用されます。
- 絞り加工：平らな板材を金型の力で押し込み、カップや容器のような立体形状に成形する加工です。円筒形状や皿形状の製品に適しています。
圧延（あつえん）
回転するロールの間に材料を通し、板状・棒状に延ばす加工です。寸法精度が高く、連続生産に向いており、鋼板やH形鋼、レールなどの素材製造に使用されます。
- 平圧延（ひらあつえん）：金属板を均一な厚みに延ばす基本的な圧延法。鋼板やアルミ板の製造で多用されます。
- 形鋼圧延（けいこうあつえん）：断面がH型やT型などの形鋼を成形する方法で、建築構造材の製造に適しています。
押出し（おしだし）
金属をダイス（金型）に押し当て、断面形状を保ったまま連続的に成形する方法です。アルミサッシやヒートシンクなど、一定断面の長尺製品の製造に適しています。
- 前方押出し：材料の流れ方向と押出し方向が同じで、一般的な押出し形態です。
- 後方押出し：押し出す方向とは逆に材料が流れ、空洞形状などの成形に用いられます。
- 側方押出し：横方向へ材料を押し出す手法で、複雑な分岐断面にも対応できます。
転造（てんぞう）
表面に凹凸のあるダイスやローラーを押し付けて、材料表面にねじやギヤの歯形などを成形する加工です。切削に比べて表面粗さが小さく、疲労強度も高まるのが特長です。ねじ、歯車、ローレット加工に用いられます。
引抜き加工（ひきぬきかこう）
材料を小さなダイス穴に引き通し、断面形状や寸法を精密に仕上げる加工です。線材やパイプなど、細長い製品の高精度成形に適しています。表面品質にも優れ、後加工の軽減にもつながります。
以下に代表的な加工法を比較表にまとめています。
塑性加工の種類と特徴
| 加工法 | 寸法精度 | 表面品質 | 材料利用率 | 適用製品例 |
|---|---|---|---|---|
| 鍛造 | 高 | 良好 | 高 | ボルト、歯車、 クランクシャフト |
| 圧延 | 高 | 良好 | 高 | 鋼板、形鋼 |
| 押出し | 高 | 良好 | 中 | アルミサッシ |
| プレス加工 | 高 | 良好 | 高 | 自動車ボディ、缶 |
| 転造 | 極高 | 極良 | 高 | ねじ、歯車 |
| 引抜き | 極高 | 極良 | 中 | ワイヤー、パイプ |
加工温度による分類
材料に加える力だけでなく、加工時の温度も製品品質に大きく影響します。用途や材質に応じて、適切な加工温度を選定することが重要です。
冷間加工
常温（室温）で行う加工で、高い寸法精度と良好な表面仕上げが得られます。ただし、加工硬化により材料が硬くなるため、大きな変形には限界があります。
温間加工
材料を600〜850℃（再結晶温度以下）に加熱して行う加工です。冷間加工と熱間加工の中間的な特性を持ち、寸法精度と加工性のバランスが取れています。
熱間加工
材料の再結晶温度以上（スチールでは1100〜1250℃）で行う加工です。大きな変形が可能で加工力も小さくて済みますが、寸法精度は劣り、表面酸化が発生します。
塑性加工のメリット・デメリット
塑性加工は、材料ロスの少なさや高い生産性といった多くの利点を持つ一方で、設計や適用条件によっては対応が難しい場面もあります。
本章では、塑性加工の主なメリットとともに、実際の選定時に意識しておきたいデメリットについても整理します。
塑性加工のメリット
材料の強度・靭性が向上
加工時に材料内部に加工硬化が生じ、強度や靭性が高まります。これにより、構造部品など強度が求められる用途に適しています。
材料歩留まりが良い
切削加工のように削り屑が出ないため、原材料の無駄が少なく、コスト削減や環境負荷の低減につながります。
生産性が高い・大量生産に適している
金型や専用設備を用いて短時間で同一形状の製品を大量に安定して生産可能です。自動車部品や家電製品など量産品に最適です。
複雑形状や一体成形も可能
金型や加工技術を工夫することで、従来は複数の部品に分けて組み立てていたような複雑な曲面や立体的な形状、変化の激しい断面を持つ部品も、一体で成形できる場合があります。
塑性加工のデメリット
設備投資・初期コストが大きい
強い力や高温での加工には、大型の設備や精密な金型が必要になるため、初期投資や維持コスト、メンテナンス費用が一定の負担となるケースがあります。少量生産では、製品単価が割高になる可能性もあります。
寸法精度が限定される
加工過程で材料に「ばね戻り」や「歪み」が発生することも多く、切削加工ほどの高精度は出しづらい場合もあります。高精度を要する箇所では、大まかな形状を塑性加工で整えて細部を切削加工で仕上げるといった複合的な方法が必要になることがあります。
加工できる形状の制約
アンダーカットや複雑な三次元形状では、金型や手法の都合で限界がある場合があります。複雑な内部構造や急激な断面変化を持つ製品の製造は困難で、材料の流動性を考慮した設計が必要となります。
材料特性に応じた制限
脆性材料や特異な合金など、全ての材料が塑性加工に適応できるわけではありません。脆性材料や延性の乏しい材料は塑性加工に適さず、材料選択の自由度が制限される場合があります。
塑性加工で作られる製品例
製品形状や使用環境に応じて、塑性加工はさまざまな産業分野で活用されています。ここでは、代表的な製品例を業界別に整理します。
自動車部品
自動車は高回転・高負荷の環境で長期間使用されるため、エンジン部品には疲労強度、ボディ部品には軽量化と成形性が重視されます。
部品ごとに求められる性能に応じて、鍛造やプレス、圧延などの加工法が使い分けられています。
| 製品例 | 加工法 | 選定理由 |
|---|---|---|
| クランクシャフト | 鍛造 | 高回転・高負荷に耐える疲労強度が必要 |
| コネクティングロッド | 鍛造 | 軽量化と高強度の両立が要求される |
| ボディパネル | プレス | 複雑曲面を高精度かつ短時間で大量成形する必要があるため |
| エンジンフード | プレス | 軽量かつ剛性を両立させるため、板材成形が可能なプレス加工が最適 |
| 薄鋼板（素材） | 圧延 | プレスや溶接など後工程で均一な成形性が求められるため |
航空機部品
航空機エンジンは、1,000〜1,500℃の高温環境下で稼働し続けるため、部品には極限の耐熱性と軽量性、高い信頼性が求められます。
タービンブレードやエンジンディスクなどの主要部品には、高強度・高精度な鍛造技術が適用されています。
| 製品例 | 加工法 | 選定理由 |
|---|---|---|
| タービンブレード | 鍛造 | 1,500℃前後の高温下でも変形せず軽量化を両立するため |
| エンジンディスク | 鍛造 | 高圧・高温環境での耐久性と寸法精度の両立が求められるため |
産業・建設機械
建設機械や産業機械では、駆動部や接合部、構造フレームなど、各部位に応じて異なる形状や機能が求められます。過酷な使用環境や取り付け条件に対応するため、強度・精度・形状の複雑さに応じた加工法が用いられています。
| 製品例 | 加工法 | 選定理由 |
|---|---|---|
| ベベルピニオン | 鍛造 | 動力伝達部として高負荷がかかるため、繰返し応力に耐える高強度材の一体成形が必要 |
| ブラケット | プレス | 多数の取付穴や曲げ形状を効率よく成形するため、板材加工に適したプレスが用いられる |
| 機械フレーム | 押出し | 軽量化と部品の一体化を図るため、複雑な断面形状を連続成形できる押出しが適している |
建設・建材分野
建築物や橋梁などの構造物では、長期間にわたる安全性が求められ、使用される部材には高い強度、寸法の均一性、耐候性が必要とされます。構造用途や設計要件に応じて、材料の特性を活かした加工法が選ばれます。
| 製品例 | 加工法 | 選定理由 |
|---|---|---|
| H形鋼 | 圧延 | 高層建築の柱・梁で使用されるため、長尺材に対し強度と直線性が必要 |
| 厚鋼板 | 圧延 | 橋梁や床材など大面積構造で厚み・強度の均一性が求められるため |
| アルミサッシ | 押出し | 軽量かつ耐食性が求められ、断面形状も多様であるため |
機械・装置分野
各種産業機械や設備に用いられる機械要素部品は、装置の性能や信頼性を左右する重要な役割を担っています。とりわけ、ねじや歯車、ワイヤーなどは高い寸法精度や繰返し荷重への耐性が求められるため、精密な塑性加工法が用いられます。
| 製品例 | 加工法 | 選定理由 |
|---|---|---|
| 精密ボルト | 転造 | 長寿命化のため高精度なねじ形状と疲労強度が必要 |
| 歯車 | 転造 | 高負荷下でも滑らかな動力伝達が必要で、精密な歯形が求められる |
| ワイヤー | 引抜き | 機械内部の安定稼働のため、線径のばらつきが許容されないため |
塑性加工は、自動車や航空機、建設機械、電子部品など多様な分野で重要な製造技術の一つです。部品ごとに求められる性能や形状に応じて、鍛造・プレス・圧延・転造などの加工法が使い分けられており、最終製品の品質・信頼性を左右する重要な役割を担っています。
塑性加工の特徴を理解し、製品に適した工法を選択しよう
塑性加工は、材料の塑性を活用して高精度・高強度な形状に成形できる優れた加工技術です。切削加工と比べて材料ロスが少なく、歩留まりや生産性の向上にも寄与することから、多くの製造業で活用されています。一方で、形状の複雑さや性能要件に応じて、鍛造・プレス・圧延・転造・押出しといった多様な工法から適切な方法を選定し、工程設計まで含めて最適化することが重要です。
こうした塑性加工の導入・活用を検討する際には、加工技術そのものの特性だけでなく、金型設計力やシミュレーション、試作・量産への対応力などを、総合的に判断することが求められます。
鍛造技術のプロフェッショナルによるトータルエンジニアリング
ニチダイは、塑性加工をはじめとする金属加工領域において、最適な工法提案から金型製作、量産支援までを一貫して行う技術開発型メーカーです。
弊社では、金属、主に鉄やアルミ素材に力を加え、材料の塑性を活用して最終製品形状に近づけるプレス加工用の金型を製作しています。特に、冷間塑性加工の中でも冷間鍛造を得意としています。
もちろん、温間鍛造・熱間鍛造の工程検討から金型設計・製作も対応しています。
CAE解析を活用した工法開発から金型設計、試作、量産立ち上げまでを社内で一貫対応しており、複雑形状や高精度が求められる部品に対しても、設計段階から実現性を見据えた技術支援が可能です。限界と思われた形状や精度にも挑戦し、塑性加工の現場で数多くの成果を上げてきた技術力と飽くなき探求心をもとに、製造現場の要件に応じた最適な加工技術と設計をご提供します。
塑性加工に関する技術検討や金型開発でお困りの際は、ぜひお気軽にご相談ください。
