プレス加工に用いられる金型とは？基礎知識や材料、設計時のポイントまで解説

高速度鋼は、切削工具や金型に広く使用される鋼材で、特に耐摩耗性や耐熱性に優れた特徴があります。HSSは、高温環境下でも硬度を維持できるため、通常の工具鋼に比べて熱に強く、熱が発生しやすい高速での加工に適しています。このため、金型において、精密な加工かつ量産性を求められる場面で特に重宝されます。
高速度鋼の主成分は、鉄にタングステン、モリブデン、クロムなどの合金元素を加えたもので、これらの成分が耐熱性や耐摩耗性を向上させます。HSSの加工は、鋳造や鍛造、熱処理などを経て行われ、硬度が高いため、寿命が長いという特性もあります。また、HSSは鋼材としての柔軟性があり、加工時の衝撃にも耐えるため、金型としての性能を最大限に引き出すことができます。プレス金型では、特に高速プレス加工において使用され、薄い金属板や高精度な部品を大量生産する際にその利点が発揮されます。高速度鋼の導入により、加工の効率性と品質が向上し、コスト削減にも寄与することができます。

超硬合金は、主にタングステンカーバイドやコバルトを基にした合金で、非常に高い硬度と耐摩耗性を持つ材料です。この特性により、超硬合金は特に過酷な環境での使用が求められるプレス金型や切削工具に多く用いられます。高い圧縮強度を持つため、厚い金属や硬い素材を扱う加工に適しています。また、摩耗性だけでなく、耐熱性や靱性も兼ね備えているため、金型の寿命が長く、頻繁なメンテナンスが不要です。したがって、特に高精度な成形や打ち抜き加工において、超硬合金が使用されます。例えば、自動車部品や電子機器の複雑な部品を大量に生産する際に、優れた精度を保ちながら効率的に加工することが可能です。超硬合金を使用することで、金型の耐久性が向上し、長期間安定した性能を維持できるため、製造コストの削減にも寄与します。一方で、超硬合金の金型を製造するための加工は難易度が上がり、コストも要するため、適切な場面での利用が望ましいです。

鉄にクロムを主成分とする合金を加えた鋼材で、優れた耐腐食性を持っています。この特性により、ステンレス鋼は湿気や化学物質にさらされる環境でも劣化しにくく、金型や工具としての使用が広がっています。ステンレス鋼の耐食性は、クロムの含有量によって変わりますが、一般的には10.5%から30%程度のクロムを含むことで、優れた耐食性を実現します。プレス金型としてのステンレス鋼は、主に食品や医療機器、化学産業など、腐食が懸念されクリーン性も求められる分野で使用されます。耐摩耗性が求められる場合は、耐摩耗性の高いタイプ（例えば、SUS420J2等）が選ばれることが多いです。また、ステンレス鋼は加工性が良く、金型の製作時の高精度化も実現できる場合があります。

プレス金型のクリアランスとは、パンチとダイの間に設ける隙間のことで、これを適切に設計することが部品の精度や金型の寿命に大きく影響します。クリアランスが狭すぎると、加工時に材料が過剰に圧縮され、金型の摩耗が進みやすくなります。これによりパンチとダイの寿命が短くなるほか、加工品にバリ（余剰な材料がはみ出る現象）が発生しやすくなるというデメリットがあります。一方、クリアランスが広すぎると、切断面が粗くなり、製品の精度が低下するリスクがあります。このような問題を避けるためには、材料の特性に応じたクリアランスを設計することが重要です。

一般的に、材料の厚さと硬度に応じてクリアランスが決定され、このクリアランスの決定に設計者のノウハウが用いられます。一般に、軟らかい材料や薄い材料では小さなクリアランスが適していますが、硬度の高い材料や厚みのある材料では、より大きなクリアランスが必要になります。クリアランスの計算には、加工する材料の引張強さや降伏点も考慮し、実際の生産環境に合わせて、テスト加工などを利用した微調整が重要です。また、クリアランスは金型の摩耗状況や使用頻度に応じて定期的に見直すことも大切です。適切なクリアランス設計により、製品品質を向上させるだけでなく、金型のメンテナンスサイクルを延ばし、コスト削減にも寄与します。

金属および樹脂のプレス加工において、材料や製品が金型内に残ることは、作業効率の低下や製品品質の悪化を引き起こす要因となります。特に、金属加工においては製品および金型に深刻なダメージを与える恐れもあります。そのため、加工後の製品やスクラップが円滑に排出されるための仕組みを設計することが非常に重要です。排出方法の設計にはいくつかの手法があり、金型の形状や製品の特性に応じて適切な方法を選択する必要があります。
一般的な排出方法には、エアブローによる排出や、スプリングピン、ストリッパープレートを使用した機械的排出があります。エアブロー方式は、圧縮空気を利用して材料を吹き飛ばすため、特にスクラップが細かく軽い場合に効果的です。一方、機械的な排出方法では、加工された製品や材料を金型表面から物理的に押し出す役割を果たし、重量のある製品や複雑な形状の部品に適しています。
排出機構の設計では、部品がスムーズに取り出されるだけでなく、次の加工サイクルに悪影響を与えないよう、材料が確実に排出されることが求められます。例えば、製品やスクラップが金型内に残ると、金型に損傷を与える可能性があるため、排出の確実性を向上させることは、金型寿命を延ばす観点からも重要です。さらに、排出機構の設計は、メンテナンスや清掃が容易であることも重要です。簡単に分解でき、異物が溜まりにくい構造を設計することで、長期間にわたって安定した性能を発揮できる金型を実現できます。
順送プレスの排出システムでは、上記の排出方法に加え、コンベアを組み合わせることが多く、加工品やスクラップを自動的に次の処理工程やスクラップ処理場に運び出します。これにより、効率的な連続加工が可能となり、人的作業を最小限に抑えることができます。

金型寿命の管理は、生産効率やコスト削減において極めて重要です。金型は摩耗や損傷によって性能が低下しますが、長期的に大量生産を行う場合には寿命を延ばすための対策が必要です。特に摩耗が激しいダイやパンチの加工に作用する箇所は交換可能な設計にすることも行われます。
また、定期的なメンテナンスのスケジュールを組み、摩耗状況を監視することで、寿命を予測し、適切なタイミングで交換や修理を行うことが重要です。もし外注する場合には、外注先の企業のサポート体制に関しても確認を行っておくことが良いでしょう。さらに、金型材料の適切な選定や表面処理（硬化処理やコーティング）を行うことで、摩耗を軽減できます。また、金型を冷却する機構の導入も、加工時の熱による損傷を防ぎ、金型の寿命を延ばす効果があります。適切な管理により、金型の寿命を最大化し、コストパフォーマンスを高めることが可能です。

これは、特にプレス金型の設計及び製作を外注する場合の注意点となります。外注先が円滑なコミュニケーションが可能であるかは、特に重要視すべきポイントです。高品質な金型の製造に向けて、製造を行う企業の実績と知識・技術は非常に重要な要素となり、特に、初期段階で仕様の明確化が出来ていないと、完成した金型が想定外の仕上がりになってしまうリスクが高まり、結果的に再製や修正などコストが増大する恐れがあります。
まず、設計・製作を依頼する前に事前にメールか対面での打ち合わせを要すると考えられます。ここで、外注先企業の実績が製造したい金型と金型の用途に合っているか、技術的に信頼できるかをよく確認しましょう。
また、具体的な要求事項は文書や図面で明確に伝えることも良いでしょう。加工する材料の種類や厚さ、製品の形状、精度要求、耐久性、量産時のサイクルタイムなど、あらゆる条件を詳細に示すことが必要です。この情報に基づいて、外注先が適切な材料選定や加工技術の選択、クリアランスの設定などを行うことができます。また、CADデータや3Dモデルを提供することで、設計意図を視覚的に共有しやすくなり、認識のズレを防ぎます。

順送プレス金型において、ストリップレイアウトが最適になるように設計することは、生産効率や材料費の削減に直結する非常に重要な要素です。ストリップレイアウトとは、コイル状の材料から製品を打ち抜く際の配置を指し、これが適切に設計されていないと、材料の無駄が発生し、生産コストが増大します。材料の歩留まりを最大限高めるためには、製品形状や加工の順序の設計、ピッチ送り速度やピッチ距離など様々な要素を網羅して考案し、最小限の材料で最大数の製品を得られるようレイアウトを設計することが必要です。

製品が複雑な形状の場合、隙間ができやすくなり、その分だけ材料が無駄になる可能性が高まります。そこで、製品が互いに密接した配置になるよう、コンピュータ支援設計（CAD）やシミュレーションを活用して、材料効率を最大化することが重要です。

さらに、ストリップレイアウトの最適化には、工程間の安定した搬送も考慮する必要があります。順送プレスでは、複数の工程が連続して行われるため、製品が適切な位置に移動するためのスペースやピッチ送りの精度を維持することが不可欠です。過度にレイアウトを密集させてしまうと、材料の搬送や加工時の不良によって、加工精度の低下や不良率が向上してしまう恐れがあるため、バランスが求められます。

順送プレス金型の設計において、最終製品の形状や要求精度に応じた工程の分割と統合非常に重要な要素です。順送プレスでは、材料が一つの金型内で複数の工程を経て製品に加工されるため、各工程をどのように配置し、分割・統合するかが、製造の効率と精度を左右します。

工程を過度に分割してしまうと、加工回数（プレス機のストローク回数）が増加し、サイクルタイムが長くなるため、生産効率が低下します。一方で、工程を少なく統合しすぎると、加工時に過度な負荷がかかるなど、寸法誤差や歪みが発生しやすくなります。そのため、適切なバランスが求められます。

工程の分割と統合は、効率的かつ安定した生産プロセスを確立するために重要であり、順送プレス金型の設計屋の実力が試される、精度・品質・コストのすべてに影響を与える要素です。