冷間鍛造の「やってみないと分からない」を解消！DEFORMによる成形検討と提案力強化

今回取材にご協力いただいたのは、開発部 製品開発課 課長のY.M様です。株式會社月星製作所へ入社されて以来、冷間鍛造での製品開発や工程検討に携わってこられました。
同社では、Y.M様が入社する以前から、冷間鍛造工程のCAE解析ツールとしてDEFORMを導入していました。

Y.M様とDEFORMとの接点は、大学4年生の頃にさかのぼります。当時、Y.M様の出身大学と月星製作所様では共同研究が行われており、その研究の中で、DEFORMを用いた解析や検証が進められていました。入社した時点では、社内にはすでにDEFORMが展開されており、Y.M様は入社当初から現在に至るまで、継続してDEFORMに携わってこられました。

入社直後は、ヤマナカゴーキンの千葉県にある工場で3日間のトレーニングを受講いただきました。操作方法や解析の基本的な考え方を学んでいただき、実務の中でDEFORMを継続的に活用いただいています。

【課題ポイント】― ローレット形状の充填不足とバリ発生

具体的な事例の一つが、とある「銅製品」のローレットの冷間鍛造成形です。

一般的な加工条件では、一定の加工率までは材料が金型内へ流入するとされていました。しかし実際には、銅素材が想定通りに金型へ入っていかず、金型入口付近で材料が外側へ盛り上がり、バリとなってしまう不具合が見られました。

さらに、ローレット形状の山部に対しても、金型形状どおりに材料が充填されず、山の先端まで成形できないという課題がありました。本来得たい断面形状に対し、実際の鍛造品では山の高さが不足し、十分な形状精度を確保できない状態でした。

※上記のシミュレーション画像・動画は、実際の製品形状とは異なる類似モデルで再現したイメージです。

改善に向けては、金型入口の形状を複数パターン検証する必要がありましたが、そのすべてを実際の金型でトライするとなると、当然、金型費や検証にかかる時間が膨大になります。
加えて、銅素材は材料費も高いため、実機トライの回数をできるだけ抑えながら、最適な金型入口形状を見極めることが求められていました。

【解決と成果】 ― ヤマナカゴーキンとの共同開発で得た知見を応用

この課題に対して月星製作所様が活かしたのが、以前、ヤマナカゴーキンと共同で取り組んだ「ギヤ製品」の鍛造成形における経験でした。

当時、同社では、ギヤ（歯形）製品を今後の主力製品の一つとして展開したい考えがあり、ギヤ製品の鍛造金型の経験を豊富に持つヤマナカゴーキンとともに、金型設計から試作トライまでを進めていました。

その中で共有されたのが、

という知見です。また、DEFORM上で充填率を確認しながら、金型形状や成形条件を検討することで、実機トライの前に成形性を見極める考え方も得られました。

今回のローレットの冷間鍛造成形においても、その経験をもとに、金型入口の形状を複数パターン作成し、DEFORM上で材料の流れ方や充填状態を検証。単に形状を変えて試すのではなく、どの部分を見れば成形の良否を判断できるのか、充填率をどのように確認すればよいのかといった視点を活かしながら、シミュレーション上で条件を絞り込んでいきました。

その結果、実際に複数の金型を製作することなく、金型形状と鍛造成形条件の最適化をシミュレーション上で検討することができました。金型製作や設計変更にかかるコスト、銅素材を使った実機トライの回数を抑えながら、プロジェクトを進められたことは、大きな成果となりました。

【課題ポイント】― 鍛造を前提としない図面と形状説明の難しさ

冷間鍛造は、切削加工（機械加工）などと比べると、一般的に広く知られた加工方法とはいえません。そのため月星製作所様では、図面の確認や形状提案において、鍛造ならではの難しさに向き合ってきました。

お客様から支給される図面の多くは、切削加工を前提に設計されていることが少なくありません。しかし、鍛造では材料を金型内で塑性流動させながら形状をつくるため、切削加工のように鋭角な形状やシャープなエッジをそのまま再現できない場合があります。

例えば、

といった現象は、鍛造成形では避けにくい要素。そのため同社では、鍛造で成立させるために、図面の見直しや形状変更をお客様へ提案する必要があります。

従来は、これまでの経験や量産実績をもとに、「おおよそこの程度になる」というアバウトな形で説明・提案することが中心でした。しかし近年では、製品機能に関わる重要部位を中心に、

といった、より具体的な数値や根拠を求められる場面も増えています。

つまり、冷間鍛造の現場では、成形できる・できないを判断するだけでなく、その理由や仕上がり形状をいかに分かりやすく、具体的に説明できるかも重要な課題となっていました。

【解決と成果①】― 数値根拠をもとに、鍛造形状の合意形成を支援

こうした場面で、DEFORMによるシミュレーションが大きな役割を果たしています。

例えば、鍛造で発生する角部のダレや、充填しきらない部分について、シミュレーション上で複数の条件を比較。充填率を高めれば形状再現性は向上しますが、その一方で金型にかかる応力は大きくなり、金型寿命への影響も無視できません。
そのため同社では、単に「できるだけ充填させる」のではなく、金型が許容できる応力の範囲と、製品形状として許容できるダレ量のバランスをシミュレーションで見ながら、複数のパターンを検証しています。

そして、その結果をお客様へ提示し、

といった形で、設計段階から具体的な数値を用いてすり合わせを行っています。

では、製品開発の次のステップへ進むことはできません。
だからこそ、DEFORMによるシミュレーションで形状の見通しを可視化し、数値とビジュアルの両面から説明できることは、お客様との合意形成において大きな説得材料となっています。

【解決と成果②】― DEFORMの解析モデルを3Dプリンターで実物化

さらに同社では、DEFORMによる解析結果を、3Dプリンターとも組み合わせて活用しています。

DEFORM上で鍛造成形された形状は、「STLデータ」として出力することができます。そのデータをもとに3Dプリンターで実際に鍛造をする前に鍛造品サンプルを製作し、シミュレーション上で予測された形状を、実際に手に取って確認できるようにしています。

特に、鍛造で生じるダレやエッジ部の丸まりは、図面や画面上だけでは伝わりにくいものです。3Dプリンターで造形することで、「実際にはこのような形状になる」というイメージを、手に取って確認しながら共有できるようになります。

また、同社の鍛造機は横型のパーツフォーマーであるため、成形品の搬送時にロボットアームがどこを保持するか、問題なくつかめる形状かどうかを確認する必要があります。3Dプリンターモデルは、社内においてもこうした搬送・チャッキング位置の検討材料としても活用されています。

さらに、FMEA（故障モード影響解析）など複数部署が参加する検討の場でも、実物に近いモデルがあることで議論が進めやすくなります。解析結果を画面上のデータに留めず、手に取れる形にすることで、設計・製造・品質など、関係者間の認識合わせにも役立てられています。

株式會社月星製作所様は、冷間鍛造をコア技術に、自動車や産業機械向けの特殊精密部品を手がけるメーカー様です。
主なお客様はTier1メーカーであり、近年ではブレーキ関連部品を中心に、ABSユニットに使用される油圧回路部品やリレー部品など、重要機能部品の製造にも力を入れています。

製品の多くは、冷間鍛造をベースに、切削加工や表面処理などを組み合わせて完成品へと仕上げられます。

同社において、図面をいただいた段階から、試作、量産、品質管理、生産サポートまでを一貫して対応。めっきや熱処理など一部工程はグループ会社とも連携しながら、品質に対する窓口は同社が一本化して担っています。

また、生産に必要な設備を自社で設計・製作できる点も大きな特徴です。

例えば、タップ加工を行う専用設備や、熱処理後に生じる製品の曲がりを自動で測定・矯正する装置など、量産品質を支える独自設備を社内で開発しています。
市販設備を導入する場合でも、供給装置や排出機構などの付帯設備を自社で設計し、ライン全体を最適化できる体制があります。

冷間鍛造品をつくるだけでなく、金型設計、設備設計、試作、量産、品質保証までを一貫して支える。その総合力こそが、月星製作所様のものづくりを支える大きな強みです。

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