プレス加工外注で深絞り品の耳発生を抑える5つの材料選定ポイント

深絞り加工を外注した際、成形品の開口部に波状の高低差が生じ、後工程でのトリミング量が増えたり、製品高さが安定しなかったりすることがあります。この現象は「耳発生」と呼ばれ、板材の圧延方向による塑性変形特性の違いが主な原因です。耳発生が大きくなると、材料歩留まりの低下だけでなく、切断工程の負担増加、寸法不良、組立工程への影響につながる可能性があります。

プレス加工を外注する実務担当者にとって、耳発生への対策は金型や加工条件の調整だけで十分とは限りません。材料の種類、塑性異方性、圧延方向、板厚、調質状態などを適切に選定し、外注先と必要な条件を共有することが重要です。特に、同じ材質名や板厚であっても、製造条件や材料ロットによって成形時の挙動が異なる場合があります。

また、深絞り性に優れた材料が、必ずしも耳発生の少ない材料とは限らない点にも注意が必要です。破れにくさと耳の発生しにくさは、関連しながらも異なる材料特性によって評価されるためです。

例えば、試作段階では問題なく成形できた深絞り部品でも、量産時に材料の供給元や調質条件が変更されると、耳の高さや発生位置が変化する可能性があります。材料仕様に十分な取り決めがない場合、発注側と加工会社の間で原因の切り分けが難しくなり、品質改善に時間がかかることも考えられます。

深絞り品の耳発生を抑えるには、材料の力学的特性だけでなく、金型形状、ブランク形状、しわ押さえ条件、潤滑状態、後工程の要求精度まで考慮することが重要です。材料を変更するだけで問題が解決する場合もありますが、加工条件との組み合わせによって最適な材料が変わる場合もあります。

こうした問題を防ぐには、設計段階から耳発生の許容範囲を明確にし、材料選定、試作検証、加工条件の調整、量産時の変更管理までを一体的に進める必要があります。

本記事では、プレス加工外注で深絞り品の耳発生を抑えるために確認したい5つの材料選定ポイントを詳しく解説します。材料特性の基本から、外注先への確認方法、試作評価、量産時の品質管理まで、製造業の設計・調達・生産技術・品質管理担当者が実務で活用できる考え方を紹介します。

深絞り加工で耳が発生する仕組みと外注時の課題

深絞り加工とは、板状の金属材料をパンチとダイなどの金型を使って塑性変形させ、底のある容器状や筒状の形状に成形するプレス加工方法です。円筒容器、角筒部品、金属ケース、機器用カバーなど、さまざまな製品の製造に利用されています。

深絞りでは、平らな板材から切り出したブランクを金型に配置し、パンチで押し込みながら材料を金型内部へ流入させます。このとき、ブランクの外周部分では周方向の圧縮変形や半径方向の引張変形が生じ、製品側壁が形成されます。

理想的な円筒深絞りでは、材料が周方向に均等に流入し、開口部の高さがほぼ一定になります。しかし、実際の金属板材では、圧延方向とそれに直交する方向、斜め方向で塑性変形特性が異なることがあります。

この方向による塑性変形の違いを塑性異方性といいます。

圧延によって製造された金属板材では、結晶粒の状態や結晶方位の分布が製造工程の影響を受けます。特定の結晶方位が多くなる集合組織が形成されると、方向によって材料の変形しやすさに差が生じる場合があります。

その結果、深絞り加工中に材料の流入量が方向によって異なり、成形品の開口部に高い部分と低い部分が形成されます。これが耳発生の基本的な仕組みです。

典型的な円筒深絞りでは、圧延方向に対して0度と90度の位置、あるいは45度方向の位置に耳が形成されることがあります。ただし、材料の集合組織や成形条件によっては、6か所や8か所など、より複雑な耳の分布になる場合もあります。

耳発生は、単なる外観上の問題ではありません。

例えば、深絞り後に一定の製品高さへ切り揃える工程では、耳の高低差が大きいほど、必要なトリミング位置や切除量の検討が重要になります。材料の利用効率に影響するほか、形状によっては切断時の安定性や後工程の作業性にも影響します。

特に、完成品として必要な高さを確保するには、耳の最も低い部分でも十分な成形高さが残っている必要があります。耳の高い部分だけを基準に加工条件を決めると、トリミング後に必要な高さを確保できないおそれがあります。

製品によっては、耳が発生した位置で開口端の形状が不均一になり、組立やかしめ、溶接、端面加工などの工程に支障をきたすこともあります。

また、耳と混同しやすい現象として、フランジ部分のしわや側壁の局所的な変形があります。しわは、材料の圧縮変形に対する拘束不足などによって生じる場合があり、耳発生とは主な発生機構が異なります。

そのため、開口部に凹凸があるという理由だけで材料の異方性を原因と判断するのは適切ではありません。耳が圧延方向に対して一定の位置に規則的に現れるのか、それとも局所的で不規則な変形なのかを確認する必要があります。

プレス加工を外注する場合、発注側は完成品の寸法や外観だけでなく、耳発生に影響する材料条件も確認しておくことが重要です。

例えば、外注先に「耳をできるだけ少なくしてほしい」と伝えるだけでは、判断基準が曖昧になります。成形直後の開口高さの最大値と最小値の差を管理するのか、トリミング後の製品高さを保証するのか、あるいは材料歩留まりまで改善対象とするのかによって、適切な対策は変わります。

要求事項を明確にするには、製品の必要高さ、耳の許容高低差、トリミングの有無、加工後に必要な端面品質、材料変更時の承認方法などを外注先と共有すると効果的です。

さらに、耳発生による影響は製品形状によって異なります。比較的浅い容器ではトリミングで対応できても、深さの大きい容器や複数回の絞り工程を必要とする製品では、途中工程の高さ分布が次工程の成形安定性に影響する可能性があります。

複数工程で成形する場合は、最終工程の耳高さだけではなく、各工程での材料流入や板厚分布も確認する必要があります。途中工程で生じた不均一な形状が後工程で拡大したり、局所的な引張負荷につながったりすることも考えられるためです。

耳を完全になくすことが難しい場合でも、発生量を一定の範囲に抑えられれば、後工程を安定させやすくなります。そのため、材料の選定段階から加工条件と品質要求を一体で検討することが、深絞り品の品質確保につながります。

材料選定ポイント1：面内異方性を確認して耳発生の少ない材料を選ぶ

深絞り品の耳発生を抑えるうえで、最初に確認したいのが材料の面内異方性です。面内異方性とは、板材の平面内で測定方向を変えたときに、塑性変形特性がどの程度異なるかを示すものです。

金属板材は一般的に圧延工程を経て製造されるため、すべての方向で同じ変形特性を持つとは限りません。特に深絞り加工では、ブランクの周囲から材料が流れ込むため、方向ごとの特性差が製品の開口高さに現れやすくなります。

この違いを評価する指標の一つが、塑性ひずみ比を表すr値です。

r値は、通常、板材の引張試験で生じる幅方向の塑性ひずみと板厚方向の塑性ひずみの比として評価されます。圧延方向を基準として0度、45度、90度方向の試験片を用意し、それぞれのr値を求める方法が広く用いられます。

これらは一般的にr0、r45、r90と表されます。

耳発生との関連を検討するときには、これらの値から計算する面内異方性の指標であるΔrが参考になります。

Δrは、一般的に「（r0＋r90－2×r45）÷2」で表されます。

単純化した評価では、Δrの絶対値が小さいほど、方向による塑性変形特性の差が小さく、耳発生を抑えやすい材料と考えられます。

また、Δrが正の場合には圧延方向に対して0度と90度付近に耳が形成されやすく、負の場合には45度付近に耳が形成されやすい傾向があります。

ただし、これは典型的な四耳形状を考える際の目安です。実際の耳の高さや位置は、材料の集合組織、方向ごとの降伏特性、成形条件などによって変わります。Δrだけで、すべての材料や複雑な耳形状を正確に予測できるわけではありません。

例えば、同じ材質名で販売されている2種類の板材があったとします。一方はr0、r45、r90の差が比較的小さく、もう一方は45度方向だけ異なる特性を示している場合、円筒深絞りで形成される耳の形状が異なる可能性があります。

このような場合、引張強さや伸びだけを比較しても、耳発生の違いを十分に判断できないことがあります。

外注先へ材料選定を依頼するときは、材質記号と板厚の確認だけで終わらせず、必要に応じて方向別のr値や面内異方性に関する情報を確認することが重要です。

ただし、一般的な材料証明書に方向別のr値が必ず記載されているとは限りません。必要なデータがない場合は、材料供給元に確認するか、候補材を使った引張試験や深絞り試験によって比較する方法が考えられます。

試験では、同じ材料ロットから採取した試験片であっても、採取方向を間違えると比較結果の意味が変わります。圧延方向を基準として記録し、試験片の採取位置や試験条件を統一することが大切です。

例えば、最初の候補材では圧延方向から正確に45度の試験片を採取したものの、別の候補材では圧延方向の表示が不明確だった場合、両者の測定結果を同じ条件で比較できません。材料の切り出し段階で方向を識別できるようにし、試験が終了するまで記録を維持する必要があります。

また、r値は試験時の塑性ひずみ量や評価方法にも影響されることがあります。異なる試験機関の数値を比較する場合には、適用した試験方法や測定条件を確認し、比較可能なデータか判断することが重要です。

さらに、試験結果を比較するときには、Δrの数値だけでなく、実際に成形したカップの耳形状との対応を確認します。複数の候補材を同じ金型と加工条件で成形し、耳の高さと発生位置を記録すれば、材料特性と成形結果の関係を判断しやすくなります。

面内異方性が比較的小さい材料であっても、成形条件との組み合わせによっては要求品質を満たさない場合があります。したがって、材料の測定値は候補選定のために利用し、最終的には実際の部品形状で評価することが重要です。

また、試作で良好だった材料については、単に材質名を記録するだけでなく、使用した材料のロット情報や方向別の特性を可能な範囲で残しておくと、量産時の品質比較に役立ちます。

実務上は、耳高さの許容範囲に余裕がある製品と、わずかな高さ変化でも後工程に支障が出る製品とで、必要な材料管理の水準を変えることも検討できます。要求が厳しい製品ほど、方向別の特性値を確認する必要性が高まります。

耳発生を抑えるための材料選定では、面内異方性の小ささを重要な判断材料としながら、実際の成形性や後工程の要求も含めて総合的に評価する必要があります。

材料選定ポイント2：平均r値と加工硬化特性を組み合わせて評価する

深絞り加工用の材料を選定するときには、面内異方性だけでなく、平均r値や加工硬化特性を組み合わせて評価することが重要です。

深絞り加工では、耳発生を小さくできても、加工途中で側壁が破れたり、底部付近に局所的な板厚減少が生じたりすると、要求品質を満たせません。

そのため、耳発生の少なさと、必要な深さまで安定して絞れることを両立させる必要があります。

平均r値は、板材の板厚方向への変形に対する抵抗特性を評価する際に用いられる指標です。一般的には、0度、45度、90度方向のr値から「（r0＋2×r45＋r90）÷4」で求める平均値が利用されます。

平均r値が高い材料は、一定の条件下で板厚減少が抑えられ、深絞り成形に適した傾向を示すことがあります。

ただし、平均r値が高いことと、耳発生が少ないことは同じ意味ではありません。

例えば、方向別のr値がすべて比較的高く、互いの差も小さい材料であれば、深絞り性と耳発生の両面で有利になる可能性があります。一方、平均r値が高くても方向による差が大きければ、耳発生が目立つ場合があります。

したがって、平均r値だけを材料選定基準にするのではなく、Δrと組み合わせて確認することが効果的です。

さらに、材料の加工硬化特性にも注目する必要があります。

加工硬化とは、金属材料が塑性変形するにつれて変形抵抗が増加する現象です。この特性を評価する指標として、加工硬化指数であるn値が用いられます。

一般に、n値は材料が塑性変形中にひずみを分散させる能力を考える際の参考になります。一定の条件では、n値が高い材料ほど局所的なくびれやひずみ集中が起こりにくい傾向があります。

ただし、n値が高ければ必ず耳発生が小さくなるわけではありません。n値は主として変形の均一性や局所的なひずみ集中に関係する指標であり、耳の方向性を直接示すものではないためです。

深絞り品では、材料が均一に変形することと、周方向に均等に流入することを分けて評価する必要があります。

例えば、面内異方性が比較的小さく耳発生を抑えやすい材料であっても、加工硬化特性や延性が製品形状に適していなければ、絞り深さを増やした際に破れが発生する可能性があります。

逆に、深絞り性が良好で深い容器形状を成形できる材料でも、面内異方性によって開口部に明確な耳が生じることがあります。

この違いを理解せずに材料を選ぶと、耳を減らすために変更した材料で別の不良が増えるという問題が発生しかねません。

材料選定の際には、引張強さ、降伏特性、伸び、平均r値、Δr、n値などを、必要な範囲で確認することが望まれます。ただし、すべての材料について同じ指標が同じ程度に有効とは限らないため、材質や加工方法に応じた評価が必要です。

また、深絞りではブランク径とパンチ径の関係も成形性に影響します。一般に、ブランク径をパンチ径で除した絞り比は、成形の難易度を検討する際の一つの指標になります。

ただし、実際の成形限界は材料特性だけで決まるわけではありません。金型の肩半径、潤滑、しわ押さえ条件、板厚、成形速度などによっても変化します。

外注先と材料を比較するときには、必要な製品深さに対して成形余裕があるか、破れが生じやすい位置はどこか、成形後の板厚分布が許容範囲に収まっているかを確認することが重要です。

実際の試作では、耳高さが小さくなったという結果だけで採用を決めず、側壁の板厚減少、底部の変形、表面状態、割れの有無なども同時に評価します。

特に、試作では問題がなくても、量産時の加工条件の変動によって成形余裕が不足する場合があります。成形限界に近い条件で成立している材料よりも、ある程度の工程変動に対応できる材料のほうが安定生産に適する場合があります。

材料選定では、耳発生を最小化することだけを目的とせず、製品の機能、成形安定性、後工程への適合性を含めた総合評価を行うことが重要です。

材料選定ポイント3：圧延方向と板取り方向を適切に管理する

深絞り加工で耳発生を管理するためには、材料の圧延方向とブランクの板取り方向を明確にすることが重要です。

圧延材には、材料を圧延した方向を基準とする方向性があります。材料の塑性異方性によって耳の発生位置が変わるため、圧延方向と製品形状の関係を把握する必要があります。

例えば、円筒状の深絞り品では、材料によって圧延方向に対して0度と90度付近に耳が生じたり、45度付近に耳が生じたりすることがあります。

このような耳の位置を評価するには、ブランクの圧延方向が分かっていなければなりません。

材料の板取り工程で圧延方向を管理していない場合、試作品ごとに耳の位置関係が不明確になり、原因分析が難しくなることがあります。

特に、外注先で材料の切断とプレス加工を別工程として管理している場合は、切断時の材料方向情報が成形工程まで正しく引き継がれるようにする必要があります。

ただし、円形ブランクを軸対称の円筒金型で成形する場合には、ブランクを回転させるだけで耳の高低差そのものを小さくできるとは限りません。材料の異方性が変わらなければ、耳の位置が金型に対して回転するだけになることがあります。

この点は、板取り方向を変更する際に注意したい重要なポイントです。

一方、角筒形状や非対称形状の深絞り品では、材料方向と製品形状の関係によって、各部の材料流入やひずみ分布が変化する可能性があります。

そのため、圧延方向を製品の長手方向に合わせる場合と、直交方向に合わせる場合などで成形結果を比較する方法が考えられます。

例えば、長方形の容器を深絞りする場合、長辺側と短辺側では金型形状や材料流入の状態が異なることがあります。圧延方向との組み合わせによって、角部の板厚減少や開口部の高さ分布が変わる可能性があるため、試作段階で確認することが効果的です。

また、板取り方向を変更すると、耳の発生位置だけでなく、局所的な割れやしわの発生状態が変化する場合もあります。

そのため、耳発生のみを評価して板取り方向を決定するのではなく、製品全体の成形状態を比較する必要があります。

実務では、材料の圧延方向を基準に、ブランクの配置方向と製品の基準方向を図面や加工指示書で明確にすると管理しやすくなります。

例えば、材料の圧延方向を示す矢印を工程図に記載し、製品の長手方向や位置決め基準との関係を指定する方法があります。

ただし、材料表面に直接マーキングする場合は、製品の外観や表面品質に影響しない方法を選ぶ必要があります。識別が必要な工程と、識別を終了してよい工程をあらかじめ決めておくと、管理上の混乱を防ぎやすくなります。

コイル材を使用する場合は、材料の送り方向と圧延方向の関係にも注意が必要です。一般的には両者が一致することが多いものの、材料の供給形態や切断工程によっては方向の取り扱いを確認する必要があります。

また、同じ製品で複数の板取りパターンを採用している場合、方向の違いが品質ばらつきの原因になっていないか確認することも重要です。

試作で良好な結果が得られた場合には、使用したブランクの方向を記録し、量産でも同じ条件を再現できるようにします。

板取り方向を変更して改善効果を比較する際は、材料ロット、金型、潤滑、しわ押さえ条件などをできるだけそろえ、方向変更による影響を判断できるようにすることが望まれます。

さらに、材料歩留まりを改善する目的でブランクの配置方向を変更する場合も、成形性への影響を確認する必要があります。板取り効率が向上しても、不良率やトリミング負担が増える場合には、工程全体として不利になる可能性があるためです。

圧延方向と板取り方向の管理は、それ自体が材料の異方性をなくす対策ではありません。しかし、耳発生の再現性を確保し、材料変更や加工条件改善の効果を正しく評価するために欠かせない管理項目です。

材料選定ポイント4：板厚精度と材料特性のばらつきを確認する

深絞り品の品質を安定させるためには、材料の公称板厚だけでなく、実際の板厚精度や材料特性のばらつきを確認することが重要です。

深絞り加工では、板厚が金型との接触状態、しわ押さえの作用、材料の流入抵抗などに影響します。

そのため、同じ材質と公称板厚の材料であっても、実際の板厚や特性が異なれば、成形結果に差が生じる可能性があります。

ただし、板厚のばらつきそのものが、塑性異方性に起因する耳発生の主原因とは限りません。耳の典型的な方向性は材料の面内異方性に強く関係します。

板厚精度の確認は、耳の直接的な原因を調べることに加え、板厚変動による成形不安定を防ぐための対策として位置付ける必要があります。

例えば、同じ金型としわ押さえ条件で加工している場合、材料の板厚が変わると、材料と金型の接触状態や拘束条件が変化することがあります。

その結果、材料の流入状態が変化し、耳の高さ分布や側壁の板厚減少、しわの発生状態に影響する可能性があります。

特に、薄板を使用する深絞り加工では、わずかな板厚差であっても、製品精度や加工安定性に影響する場合があります。

外注先に材料選定を依頼する場合は、まず製品図面に指定された板厚と許容差を確認し、候補材が要求範囲に入っているか判断します。

その際、公称板厚だけでなく、材料規格上の許容差や、必要に応じた実測値も確認することが効果的です。

また、板厚を測定する位置にも注意が必要です。材料の幅方向や長手方向で板厚が一定とは限らないため、代表的な位置だけの測定では、実際のばらつきを十分に把握できない場合があります。

例えば、幅の広い板材から複数のブランクを切り出す場合、幅方向の位置によって板厚や材料特性に差がある可能性があります。

特定の位置から切り出した試作品だけで量産適性を判断すると、別の位置から採取した材料で成形結果が変わることがあります。

このような問題を防ぐには、必要に応じて材料の幅方向や長手方向の異なる位置から試験片を採取し、板厚や成形結果を比較します。

さらに、板厚だけでなく、材料の引張強さや伸び、塑性異方性などのばらつきも確認することが望まれます。

同じ材料規格を満たしていても、規格の許容範囲内で特性値に差が生じる場合があります。特に、成形限界に近い条件で加工している製品では、このような差が品質に影響する可能性があります。

試作段階では、使用した材料ロットの特性が量産時にも安定して得られるかを考慮することが重要です。

例えば、試作で使用した材料が規格範囲内でも特に成形しやすい特性を持っていた場合、量産時に別のロットへ切り替わると、同じ加工条件では成形余裕が不足することがあります。

そのため、試作結果が良好であっても、材料規格の範囲内で想定される特性変動を確認し、量産条件に十分な余裕があるか判断する必要があります。

外注先との協議では、材料の受入検査方法や、ロット変更時に確認する項目も重要になります。

材料の受入時にすべての特性を測定することが難しい場合は、材料証明書の確認、板厚測定、必要に応じた抜取試験などを組み合わせる方法が考えられます。

また、材料特性の変動が大きいと判断された場合には、加工条件の管理範囲を見直したり、材料供給元と仕様について協議したりすることも必要です。

重要なのは、材料のばらつきを完全になくすことではなく、製品品質に影響する変動を把握し、許容できる範囲で管理することです。

板厚精度と材料特性のばらつきを確認することで、耳発生の原因分析がしやすくなり、試作から量産への移行時に発生する品質変動を抑えることにつながります。

材料選定ポイント5：調質状態と製造履歴を確認して材料品質を安定させる

深絞り加工用の材料を選定するときには、材質や板厚だけでなく、調質状態と製造履歴を確認することが重要です。

調質状態とは、材料が受けた加工や熱処理などによって決まる組織や機械的特性の状態を指します。

同じ金属材料であっても、焼なましの有無、冷間加工の程度、熱処理条件などによって、強度、延性、加工硬化特性、塑性異方性が変化することがあります。

特に、深絞り加工では材料の変形能力が重要になるため、調質状態の違いが成形結果に影響する可能性があります。

例えば、冷間加工によって加工硬化が進んだ材料は、焼なましを受けた材料と比較して、一般に強度や延性などの特性が異なります。

そのため、材質名が同じという理由だけで別の調質材へ変更すると、必要な絞り深さを確保できなかったり、割れやすくなったりする場合があります。

また、熱処理や圧延の条件は材料の集合組織にも影響するため、耳発生の傾向が変わる可能性があります。

ただし、焼なましを行えば必ず耳発生が減少するわけではありません。耳の発生量は、熱処理前の加工履歴、結晶方位の分布、再結晶の状態などによって変わるためです。

材料によっては、調質条件の変更が面内異方性を改善する方向に働く場合もあれば、別の耳形状を生じさせる場合もあります。

したがって、調質状態を変更する際には、一般的な延性の変化だけでなく、実際の耳形状や方向別の材料特性を確認する必要があります。

さらに、材料の結晶粒の状態も成形品質に関係します。

結晶粒の大きさや分布は、材料の変形挙動や表面状態に影響することがあります。材料や加工条件によっては、結晶粒が粗いことで成形後の表面に粗れが目立つ場合があります。

一方、結晶粒を細かくすればすべての深絞り特性が改善するという単純な関係でもありません。強度や延性、集合組織などを総合的に考慮する必要があります。

材料選定では、用途に応じて必要な調質状態を指定し、同じ状態の材料が継続的に供給されるか確認することが重要です。

また、材料の製造履歴を把握することも品質安定化に役立ちます。

材料の供給元が変わった場合、材質記号や機械的特性の規格が同じであっても、製造工程の違いによって成形特性が変化する可能性があります。

例えば、試作時と量産時で材料供給元が異なり、量産開始後に耳高さが変化した場合、金型やプレス条件だけを確認しても原因が特定できないことがあります。

こうしたとき、使用した材料ロットや製造履歴が記録されていれば、材料変更と品質変動の関係を調べやすくなります。

外注先との取り決めでは、材料の材質、調質、板厚、供給元、製造ロットなどについて、どの範囲まで記録を残すか決めておくことが効果的です。

特に、厳しい成形条件を必要とする製品では、材料の変更を加工会社の判断だけで実施するのではなく、発注側の確認や承認を必要とする仕組みを設けることも検討できます。

ただし、すべての変更について同じ確認を求めると、管理負担が大きくなる可能性があります。

そのため、材質や調質の変更、供給元の変更、材料規格の変更など、成形品質に影響しやすい変更を重点的に管理することが合理的です。

また、材料の保管状態にも注意が必要です。

材料表面に汚れや腐食、傷などがある場合、金型との接触状態や潤滑状態に影響することがあります。これらが耳発生の直接原因になるとは限りませんが、成形時の材料流入や表面品質に影響する可能性があります。

長期間保管した材料や、保管環境が異なる材料を使用する場合には、必要に応じて表面状態や機械的特性の変化を確認することが望まれます。

材料の取り違えを防ぐためには、保管場所や識別方法、使用ロットの記録方法を明確にすることも重要です。

試作で良好だった材料を量産でも安定して使用するには、材料の名前だけでなく、その状態を再現するための情報を残す必要があります。

調質状態と製造履歴の管理は、耳発生を直接抑える材料選定だけでなく、品質変動が生じた際の原因追跡や再発防止にも役立つ重要な取り組みです。

プレス加工外注先と進める試作評価と品質確認の方法

深絞り品の耳発生を抑える材料を選定した後は、実際の加工条件で試作評価を行うことが重要です。

材料の特性値が良好であっても、製品形状や金型条件によって成形結果は異なります。そのため、材料データだけで量産採用を判断せず、実際の製品を想定した試作を通じて品質を確認する必要があります。

最初に行いたいのは、耳発生の評価基準を明確にすることです。

例えば、成形直後の開口部における最大高さと最小高さの差を耳の高低差として管理する方法があります。

この場合、製品の基準面を決め、同じ方法で高さを測定する必要があります。測定基準が曖昧なままでは、測定者や測定設備によって結果が異なる可能性があります。

円筒形状の製品では、周方向の複数位置で開口高さを測定し、最大値と最小値を確認する方法が考えられます。

また、圧延方向に対して0度、45度、90度などの位置を確認することで、耳の発生位置と材料の方向性との関係を調べやすくなります。

ただし、測定位置を限定しすぎると、実際の最大高さや最小高さを見落とす可能性があります。必要に応じて周方向全体の高さ分布を測定することが重要です。

評価結果を割合で表す場合は、どの高さを分母にするかを明確にする必要があります。耳率には評価方法による定義の違いがあるため、外注先と共通の計算方法を取り決めておくことが望まれます。

次に、試作条件を記録します。

使用した材料の材質、板厚、調質状態、ロット、ブランク寸法、圧延方向、金型条件、潤滑条件などを記録しておくと、後から成形結果を比較しやすくなります。

特に、複数の候補材を比較する場合は、材料以外の加工条件をできるだけ統一することが重要です。

例えば、候補材ごとにしわ押さえ条件まで大きく変更してしまうと、耳発生の改善が材料特性によるものなのか、加工条件によるものなのか判断しにくくなります。

最初は同じ加工条件で材料を比較し、その後、必要に応じて各材料に適した条件を検討すると、改善の方向性を整理しやすくなります。

ただし、同一条件では成形できない材料がある場合には、無理に条件を固定するのではなく、成形可能な条件範囲を確認することも必要です。

試作評価では、耳高さ以外の品質項目も同時に確認します。

例えば、側壁の板厚分布、割れやしわの有無、底部の変形、表面傷、開口部の真円度などです。

耳高さが小さくても、側壁が局所的に薄くなっている場合や、後工程で必要な寸法が確保できない場合には、材料選定を見直す必要があります。

また、成形後にトリミングを行う製品では、耳高さだけでなく、切断後の必要高さが安定して確保できるかを確認します。

耳の最も低い位置が必要な切断高さに近すぎる場合、材料ロットや加工条件の変動によって完成寸法を満たせなくなる可能性があります。

そのため、トリミング前の最低高さと、切断後に必要な製品高さとの関係を評価することが重要です。

さらに、試作数量にも注意が必要です。

1個だけの試作で良好な結果が得られても、連続加工時に同じ品質が維持されるとは限りません。

プレス加工では、金型温度、潤滑状態、材料供給状態などが連続生産によって変化する場合があります。

量産を想定する場合は、必要に応じて連続加工による試作を行い、耳高さや寸法のばらつきを確認することが望まれます。

また、材料ロット間の変動が品質に影響しやすい製品では、複数ロットでの評価も検討します。

試作結果を整理する際には、良品だけでなく、不良品や境界的な結果を示した製品の記録も残すことが重要です。

例えば、耳高さが大きくなった製品について、発生位置、材料方向、使用ロット、加工条件を記録しておけば、改善策を検討しやすくなります。

外注先から試作品を受け取る場合は、測定結果だけでなく、成形直後の状態が分かる写真や加工条件の記録も共有してもらうと効果的です。

ただし、写真だけで耳の高低差を正確に判断することは難しいため、寸法評価には適切な測定器を使用する必要があります。

試作評価の目的は、単に合格品を作ることではありません。どの材料と加工条件の組み合わせで、どの程度の品質が安定して得られるかを確認することです。

試作結果を基に、使用材料、加工条件、検査方法、許容範囲を外注先と共有することで、量産移行後の品質管理を進めやすくなります。

材料を変更しても耳発生が改善しない場合の対策

材料の面内異方性や調質状態を見直しても、期待したほど耳発生が改善しない場合があります。

このようなときは、材料特性だけでなく、金型や加工条件を含めて原因を確認する必要があります。

まず確認したいのは、実際に発生している開口部の凹凸が、材料の塑性異方性による耳なのかという点です。

例えば、圧延方向との関係が明確で、周方向に規則的な高低差が生じている場合には、材料の異方性が関係している可能性があります。

一方、特定の一部分だけが大きく変形している場合や、加工のたびに凹凸の位置が変わる場合には、金型の偏りや材料の位置ずれ、局所的な潤滑不良なども考えられます。

原因を判断する際には、成形品の形状だけでなく、金型の状態や加工条件の記録を確認することが重要です。

次に、しわ押さえ条件を確認します。

深絞り加工では、しわ押さえによってブランクの流入を制御します。拘束が不足するとしわが生じやすくなり、過度に拘束すると材料が流入しにくくなって破れにつながる可能性があります。

しわ押さえ条件が適切でない場合、周方向の材料流入が不均一になり、開口部の高さ分布に影響することがあります。

ただし、しわ押さえ力を増減させれば必ず耳が減少するわけではありません。材料の異方性に起因する耳そのものを、加工条件だけで完全に解消できるとは限らないためです。

そのため、しわ押さえ条件を変更する場合は、耳高さとともにしわや割れの有無も確認し、成形全体の安定性を評価する必要があります。

また、金型の肩半径やクリアランス、パンチとダイの位置関係も確認対象になります。

金型の形状や位置関係が適切でない場合、材料の流入や接触状態が偏り、局所的な変形が生じる可能性があります。

特に、長期間使用した金型では、摩耗や損傷によって成形条件が変化する場合があります。

試作段階では耳発生が小さかったにもかかわらず、量産を続けるうちに高さ分布が変化した場合には、材料ロットとともに金型の状態も確認することが重要です。

さらに、潤滑状態も深絞り加工の安定性に影響します。

潤滑が不均一な場合、材料と金型の摩擦状態に差が生じ、材料流入が偏る可能性があります。

その結果、局所的な板厚減少や成形不良が発生する場合があります。

潤滑条件を変更する際には、潤滑剤の種類だけでなく、塗布量や塗布位置、材料表面の状態などを確認する必要があります。

また、ブランク形状の見直しも有効な場合があります。

円形ブランクから成形した際に耳が発生する場合、成形後の高さ分布を考慮してブランク外周形状を調整することで、トリミング前の高さ差を小さくできる可能性があります。

ただし、ブランク形状を変更すると、材料流入や局所的な変形状態も変わります。そのため、耳高さだけでなく、割れ、しわ、板厚分布などを再評価する必要があります。

また、ブランク形状の最適化は、材料の異方性そのものをなくす方法ではありません。特定の製品形状や加工条件に合わせて、成形後の高さ分布を調整する対策です。

製品によっては、最終的なトリミング工程で必要な寸法を確保することが合理的な場合もあります。

耳発生を完全に抑えるために材料や金型条件を大幅に変更するよりも、耳の発生量を管理し、安定して切断できる工程を設計するほうが適している場合があります。

このように、材料変更だけで改善しない場合には、材料、金型、加工条件、ブランク形状、後工程を組み合わせて検討することが重要です。

外注発注時に決めておきたい材料仕様と品質管理の取り決め

深絞り品の耳発生を安定して管理するには、試作で得られた知見を外注発注時の仕様に反映させることが重要です。

材料選定の考え方が発注側の担当者だけにとどまり、外注先へ十分に共有されていない場合、量産時に材料や加工条件が変更されても、その影響を把握できない可能性があります。

まず明確にしたいのは、材料仕様の範囲です。

材質、板厚、調質状態などの基本条件に加え、必要に応じて材料の供給元、方向別の材料特性、圧延方向の取り扱いなどを指定します。

ただし、必要以上に条件を細かく限定すると、材料の調達や生産管理が難しくなる場合があります。

そのため、品質に大きく影響する項目を優先し、どの条件が必須で、どの条件が参考情報なのかを整理することが望まれます。

次に、耳発生に関する品質基準を決めます。

例えば、成形直後の耳高さを管理するのか、トリミング後の製品高さを保証するのかによって、検査方法が異なります。

成形直後の耳高さを管理する場合は、測定基準面、測定位置、最大高さと最小高さの求め方、許容範囲などを明確にする必要があります。

トリミング後の製品品質を重視する場合は、完成高さ、端面形状、切断面の品質なども確認対象になります。

重要なのは、発注側と外注先が同じ基準で合否を判断できる状態にすることです。

例えば、発注側が開口高さの最大差を重視しているのに対し、外注先がトリミング後の寸法だけを管理している場合、認識の違いによって品質上の問題が発生する可能性があります。

そのため、発注前の打ち合わせで、耳発生そのものを管理対象とする理由を共有することが効果的です。

また、検査頻度についても取り決めが必要です。

初回品、材料ロット変更時、金型調整後、量産中の定期確認など、どのタイミングで測定するかを決めておくと品質管理が安定しやすくなります。

検査頻度は、製品の重要度、工程能力、材料特性のばらつき、不良発生時の影響などを考慮して設定する必要があります。

量産初期は確認頻度を高め、工程が安定していることを確認したうえで管理方法を見直すことも考えられます。

さらに、材料変更時の承認手順を明確にしておくことが重要です。

例えば、同じ材質記号であっても、調質状態や材料供給元を変更する場合には、事前に発注側へ連絡する取り決めが考えられます。

変更内容によっては、材料証明書の確認だけでなく、再試作や追加検査が必要になる場合もあります。

一方、成形品質に影響しないと判断できる変更については、簡易的な確認方法を設定することも可能です。

変更管理では、すべての変更を禁止するのではなく、品質への影響を評価して適切に判断する仕組みを作ることが重要です。

また、品質不良が発生した際の原因調査に備えて、材料ロットと製品の対応関係を記録しておくことも効果的です。

例えば、特定の材料ロットで耳高さが増加した場合、製造時期、加工条件、金型状態、検査記録などを確認できれば、原因の切り分けを進めやすくなります。

逆に、材料ロットが分からない場合、材料特性の変動が関係しているか判断しにくくなります。

外注先が複数ある場合や、切断、プレス加工、トリミングなどの工程を異なる会社が担当する場合には、工程間の情報共有も重要です。

例えば、材料の切断工程で圧延方向を確認していても、その情報がプレス加工工程へ引き継がれていなければ、板取り方向の管理が不十分になる可能性があります。

工程ごとに必要な情報を整理し、どの担当者が記録し、誰が確認するのかを明確にすると、管理上の抜け漏れを減らしやすくなります。

品質記録については、材料証明書、加工条件、検査成績、現場写真などを必要に応じて関連付けて管理することが望まれます。

特に、加工条件の変更前後で製品状態を比較する場合には、同じ角度や条件で撮影した写真が役立つことがあります。

ただし、外観写真は定量的な寸法測定の代わりにはなりません。耳高さなどの数値管理には適切な測定器を使用し、写真は発生位置や形状の特徴を補足する資料として活用することが重要です。

プレス加工外注で安定した品質を確保するには、加工会社の技術力だけに依存せず、発注側も材料特性と品質要求を理解し、双方で管理基準を共有することが必要です。

材料仕様、加工条件、検査方法、変更管理の取り決めを明確にすることで、耳発生による品質問題を早期に発見し、継続的な改善につなげやすくなります。

まとめ｜材料選定と加工記録の共有で深絞り品の品質を安定させる

プレス加工外注で深絞り品の耳発生を抑えるためには、材料の塑性異方性を理解し、適切な材料選定と加工条件の管理を組み合わせることが重要です。

特に、面内異方性、平均r値と加工硬化特性、圧延方向と板取り方向、板厚精度と特性ばらつき、調質状態と製造履歴という5つの観点は、材料選定時に確認したい基本項目です。

面内異方性の評価では、方向別のr値やΔrを確認することで、耳発生の傾向を把握しやすくなります。ただし、これらの指標だけで実際の耳高さを完全に予測できるわけではありません。

平均r値や加工硬化特性についても、耳発生の少なさと深絞り性を区別して評価する必要があります。耳が小さくても割れやすい材料では、安定した製品品質を確保できない可能性があります。

また、圧延方向と板取り方向を管理することは、試作結果の再現性を高めるうえで重要です。特に非対称形状の製品では、材料方向と製品形状の関係が成形結果に影響する場合があります。

板厚精度や材料特性のばらつきについては、材料ロットや採取位置による変動を確認し、量産時にも必要な品質が得られるか評価することが求められます。

調質状態や材料の製造履歴を確認することも、試作から量産への移行時に生じる品質変動を抑えるうえで役立ちます。

ただし、耳発生を材料だけで完全に解決しようとするのではなく、金型、しわ押さえ、潤滑、ブランク形状、トリミング工程なども含めて検討することが重要です。

外注先との打ち合わせでは、耳の許容高低差、製品の必要高さ、材料変更時の確認方法、試作時の評価条件、量産時の検査方法を明確にしておくと、品質上の認識違いを防ぎやすくなります。

さらに、材料選定や加工条件を改善した際には、その結果を記録として残すことが重要です。試作時の材料ロット、加工条件、耳の発生位置、検査結果などを整理しておけば、後から品質変動が発生した場合にも、原因を追跡しやすくなります。

特に、複数の工場や担当者が関わる製造工程では、現場の状況を正確に共有する仕組みが品質管理の効率化につながります。

こうした現場情報の整理には、現場写真・位置情報・施工記録を管理するLRTK Phoneの活用も検討できます。例えば、設備の据付や金型の立ち上げに関わる現場写真、作業場所の情報、現場での施工・作業記録を整理し、関係者が状況を確認する際の補助資料として利用する方法があります。

深絞り品の耳高さや板厚などの寸法測定は適切な測定器で行い、材料証明書や検査成績書と合わせて管理することが基本です。そのうえで、LRTK Phoneで管理する現場写真や位置情報、施工記録を必要に応じて関連付けることで、設備や作業現場の状況を共有しやすくなります。

プレス加工外注では、材料選定、試作評価、加工条件の管理、品質記録の共有を継続的に行うことが大切です。

耳発生の原因を正しく把握し、材料と加工工程の両面から対策を進めることで、深絞り品の寸法品質を安定させ、後工程の負担や材料の無駄を抑えることにつながります。