金型の加工方法とは？種類や材料などの基礎知識や金型製作の流れについて解説！

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、超硬合金は特に高負荷な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、圧縮成形など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。

鋼を主成分として、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。

金型の加工の前に、ます最も重要となる要素である「金型設計」ですが、製品の仕様や機能、製造数、コストなど数々の項目について考慮し、最適な金型を検討する必要があります。こうした検討・決定事項から加工プログラムを準備するまでが金型設計の流れとなります。それでは金型設計の流れをご紹介します。

1. 要件定義：はじめに依頼の仕様書や図面、3Dデータに基づき、製品の最終的な形状や寸法、材質、製造数量から製作時の問題点・注意事項、また、使用する機械の仕様や加工条件なども加味し要件を明確にしながら依頼者と打ち合わせを重ねます。さまざまな要件を余計なコストがかからないよう整理し定義することが重要です。

2. 設計図の作成：要件定義した内容を踏まえ、金型の設計図を作成します。この段階で加工の順序などの製造上の課題も考慮しながら、サイズ公差や表面粗さ、使用する材料、熱処理方法など細かに内容を決定し、金型の構造から成形精度と加工効率のバランスを検討しつつ設計図を作成します。また、順送プレス用金型の場合、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るため、加工後の製品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となります。こうした加工の問題点を含めた設計は豊富な経験を要するものであり、弊社の強みの一つとなっております。
3. 加工データの作成：その後CADソフトを用いた3Dデータから、金型の強度のシミュレーションや樹脂成形の場合は融解樹脂などの流体をシミュレーション・流体解析など、CAE（Computer Aided Engineering）による解析を行い、細部の検証や再検討、再調整を行います。設計図と加工データが完成した後、金型の製造の工程へと移ります。

金型を製造するために、まず最初に行われる工程は「荒加工（前加工）」です。金型はブロック状の金属の塊を削ったり切ったりして成形していきます。実はこの金属の塊には、ブロック状に加工した際に発生した内部応力が残っているのです。そのため、10mm以上の大きな穴をあけたり、切込みを入れたりすることにより、応力を除去し、材料の歪みを取り除く必要があります。

また、この段階で「荒取り」も行われます。荒取りは、金属の不要な部分を大まかに金型の形に削り出す加工で、仕上げ加工時の負担を軽減する重要な工程です。具体的に、仕上げ寸法よりもやや大きく削り出したり、仕上げ寸法よりもやや小さく穴をあけるなどの工程を指します。

金型の加工では、荒取り後熱処理を行います。一般的な機械加工品はすべての機械加工の工程後熱処理を行いますが、高い精度を要求される金型の加工では、形状がわずかに変化する恐れがあるため、熱処理により硬化した範囲の中でマシニングによる精密加工を行えるよう、この段階で熱処理を行うことが一般的です。

金型の鋼材をマシニングセンタで切削し、さらにマシニングセンタでは対応できない複雑な加工や精度の高い加工は放電加工機やワイヤカット放電加工機などで加工されます。

1. 切削加工

マシニングセンタや旋盤、フライス盤、ジグボーラーなどのNC工作機械、必要に応じて汎用工作機械によって加工されます。複雑な3次元加工には5軸加工機などを用いて切削します。この切削加工で主要な部分を切削し、目的の形状に近づけていきます。マシニングによる切削加工は、エッジのついた形状やネジ・ピンなどの細かな加工に不向きなので、マシニングによる切削加工の後放電加工機やワイヤカット放電加工機などで工具などには削れない小さい形状の加工を行う必要があります。

2. 放電加工

より精度の高い金型の加工や、熱処理された金型の加工には「放電加工」や「ワイヤカット」、「プラズマ加工」などの放電加工技術を用いて加工します。放電加工では、金型の鋼材と電極の間でアーク放電することにより、金型の表面を溶かして除去する加工方法です。マシニングによる切削加工では困難な、エッジ部やネジ・ピン穴などの硬く小さな形状の加工に一般的に用いられています。放電加工は切削加工と比べ、比較的加工速度は遅いですが、きれいで滑らかな加工面となるので研磨がしにくい箇所の加工に非常に向いています。

3. プロファイルグラインダー、研削盤、研磨機

治具の加工においては、表面粗さの高精度化が最終製品の品質に大きく影響するため、研削盤、研磨機を用いた表面加工が非常に重要となります。中でも、当サイトを運営する三國工業所では、プロファイルグラインダーを導入しており、高精度な研削加工を実現します。

プロファイルグラインダーは、特に高精度が求められる形状や輪郭の研削加工を行うための専用機械で、ミクロン単位で精度が求められる金型の加工には必要不可欠です。工学システムを用いたプロファイル観察が可能で、研磨にも近い表面粗さや平坦度を精密にすることにより、最終製品の品質を向上させることができます。

また、プロファイルグラインダーによる精密な表面によって、金型（ダイ・パンチ）の摩擦も大幅に軽減することができ、金型の高寿命化に繋げることも可能です。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には、金型の表面の精密さは重要な要素です。

金型は複雑な構造となるため、組み合わせを考慮した金型部品も複雑な形状となります。また、この後に表面の仕上げや組み立てなど多工程になってしまう加工をいかに一貫して行うかの工程設計も重要となります。弊社では、業界トップレベルの設備群を保有しており、一貫して社内で最適な加工を行っており、コスト面でもお客様が安心できるご提案を強みにしております。

金型の形状が完成した後は、磨き・表面仕上げ加工を行い、組み立てていきます。磨き加工では、ダイヤモンドペーストやセラミック砥石などを使用して滑らかな表面や鏡面などに加工します。金型の磨き加工は基本的に手作業で行うため、非常に高度な熟練した技術力が要求されます。必要に応じて顕微鏡を用いるなど、目視や手触りによる細かな調整が必要となる重要な工程です。表面仕上げの後、ピンやスライド、入れ子などの必要な部品を入れ込み、最終的な上下型の干渉やスライド部分のチェックなどを確認しながら組み立てていきます。複雑な形状の金型の場合、当然組み立ても非常に難しい作業となります。こうした慎重な手作業の繰り返しで高品質かつ高精度な金型が仕上がっていくのです。

組み立て後、実際にプレス機に金型をセットし、ファーストトライを行います。この段階ではそれぞれの部位が設計通りに正しく駆動しているか、成形された製品がきれいに金型からはがれているか、製品の排出が問題なく行えているか、成形品が設計通り・不具合がないかなど、様々なチェック項目を基に動作を確認します。動作確認で問題が無ければ金型は完成となります。

設計した3Dデータを基に、金型の内部で流体がどのように動作するのか、どのような形に成形されるのかなどを予測するシミュレーションの活用が近年増加しています。材料の流れや応力集中を事前に確認・調整することにより、金型の寿命を延ばす設計が可能になります。また、実際の加工前にシミュレーションにより不良発生を事前にモデリングすることが可能で、あらゆる問題を事前に解決することができるため、試作の回数やコストの削減に大きく貢献しています。さらに、シミュレーション結果を用いた事前学習により、技術者のスキル向上のツールとして使用されている場合もあります。

シミュレーション技術では主にCAE解析（Computer Aided Engineering）技術を基盤とし、金型製作における様々なパターンを解析できます。主に以下のシミュレーションに使用されています。

• 構造解析：金型にかかる応力や変形をシミュレーションすることにより、耐久性を解析します。
• 流動解析：樹脂や金属の流れをシミュレーションし、充填不良や気泡の発生を回避します。
• 熱解析：冷却効率や熱膨張をシミュレーションすることにより、製品の精度を大幅に向上することが可能です。
• 動的解析：順送型や複合型の金型における部品の動きを解析し、生産性を向上させます。

金型の組み立てや仕上げなどすべての工程の後に、実際にその金型を使ったトライの段階に移行します。トライで製作したサンプルの寸法精度で金型を評価し、必要に応じて金型を微調整し、設計通りの精度が出るまでトライと調整を繰り返す、金型製作の中で重要な工程の一つです。

これまではノギスなどを使った手動での寸法測定や、投影機を用いた輪郭照合などで精度を測定していましたが、時間や工数がかかり負担は大きいものでした。また、人が測定すると誤差は必ず生まれてしまいます。さらに、ワークの形状が複雑・小型の場合、人では物理的に測定が不可能であったり、ミクロン精度を求められる場合では限界があります。金型はその特性上切削よりも肉盛りによる修正に多くの手間がかかるため、測定誤差による削りすぎには最新の注意を払う必要があります。

そこで導入が進められているのが、画像寸法測定器です。特に、弊社が保有しているキーエンス画像寸法測定器IMシリーズは、ステージにワークを置いてボタンを押すだけの簡単操作で、3秒で300か所を瞬間測定することができ、複数の同ワークを一括測定することも可能です。ミクロン単位の高精度な測定が可能で、測定の自動化によりオペレーターの操作ミスを軽減しています。

今まで寸法測定にかかっていた時間の大幅短縮ができ、かつミクロン単位の高精度な測定により測定誤差を解消。オペレーターの熟練度に依存しない、安定した測定が行えるようになりました。