CAEの鍛造・切削・熱処理の一貫解析でシャフトの曲がりを解明

鍛造から切削、そして熱処理まで —— 工程をまたぐ一貫製造の中で、最終的な製品に歪みや曲がりが出ても、その原因がどの工程にあるのかは一目ではわからないことが多いはずです。

鍛造条件が影響しているのか、切削による加工が要因なのか、それとも熱処理での変化なのか…。現場では各工程が独立して最適化される一方で、工程間の“つながり”が見えず、原因究明が長引くケースは少なくありません。

もし、その見えない“つながり”を可視化し、数値と理論で根拠を示せたら —— 。
ここでは、そんな多工程の品質課題に対し、DEFORMによるCAEシミュレーションで答えを導き出す事例をご紹介します。

CAEで追う、鍛造・切削・熱処理に潜む品質要因

鍛造から切削、そして熱処理まで ——

二輪駆動系部品の一つであるインプットシャフトを想定し、その一貫製造プロセスをシミュレーションで再現しました。

という流れです。
本事例では、最終的に製品が曲がってしまうという現場課題を背景に、各工程でどのような力や応力の状態が生まれ、それがどのように変化・伝播していくのかを可視化することを目的としました。

工程間のつながりを踏まえたCAEシミュレーション

解析は大きく3つのステップで構成しました。

このように、一貫製造の各工程には、それぞれ応力集中や分布変化、熱影響による組織変化など、解析で評価できる要素が多く存在します。工程間のつながりを踏まえたシミュレーションは、製品品質や加工安定性の向上に向けた多角的な検討材料となるでしょう。

異なる製造工程をシームレスにつなぐDEFORMの解析環境

一貫製造プロセスのシミュレーションで重要なのは、各工程を個別に評価するだけでなく、前工程で生じた応力や変形の状態を、次の工程へ引き継いでいくことです。
鍛造で生じた残留応力は、その後の切削や熱処理によって変化していくため、こうした加工履歴を連続して考慮することで、より実際の製造現象に近い解析が可能になります。

DEFORMの特長の一つが、こうした複数工程をシームレスにつなげて解析できる点です。

「オペレーションエディター」では、鍛造・切削・熱処理といった異なる工程を一つの画面上で連続したプロセスとして設定できます。各工程には解析設定を行いやすくするテンプレートが用意されており、例えば鍛造解析で得られた形状や応力状態を、そのまま後工程の切削や熱処理解析へ引き継ぐことが可能です。

これにより、工程ごとに解析条件を一から作り直すのではなく、実際の製造工程と同じ流れで加工履歴を積み重ねながら評価できるため、多工程が影響し合う品質問題の予測や原因究明を、より現実に即した形で行うことができます。

熱処理での曲がりの原因は？CAEで解き明かす

今回の事例では、「鍛造」から「切削」までの工程では、目立った曲がりは確認されませんでした。変化が現れたのは「熱処理」工程に入ってからです。

「熱処理」工程では、まずシャフト全体を900℃まで加熱しますが、この段階では材料が全体的に膨張するだけで、形状が曲がるような変形は起きません（誇大表示30倍）。

ところが、加熱後に急冷して「焼入れ」を行うと、そこから曲がりが発生します。

その理由とは、切削工程で加工した「横穴」にあります。
切削を経た横穴部分では、冷却時にマルテンサイト変態が起こり、「焼き」が入ってしまうのです。マルテンサイト化は体積膨張を伴うため、この部分に引張応力が発生し、結果として反対側に曲がるという現象が起こります。

実際、マルテンサイトの体積分率分布（下図）を見ると、横穴側は緑色となり変態が進んでいるのに対し、穴のない反対側はグレーのままで、変態が起こっていないことがわかります。

このように、一貫製造の中で生じる形状変化は、複数工程の影響が重なって発生することがあります。
本事例は、DEFORMによるCAEシミュレーションを用いることで、熱処理後の曲がりが横穴加工とマルテンサイト化に起因することを理論的に証明できた好例となりました。

真因の特定から始めるシャフト製品の曲がり対策

今回の解析では、熱処理前に加工した横穴が、焼入れ時のマルテンサイト変態と曲がりに影響していることが明らかになりました。
例えば、横穴加工を熱処理後に行うことで、曲がりを抑制できる可能性も考えられます。

一方で、製造工程そのものを変更することは、特に自動車産業では4M変更などの観点から、容易に実施できるものではありません。だからこそ重要なのが、製品・工程設計の早い段階から、CAEによって複数工程をまたいだ影響を事前に検証しておくことです。

鍛造・切削・熱処理といった異なる工程をつなげて評価できることは、DEFORMが得意とする解析領域です。
問題が発生してから原因を探るだけでなく、工程変更の自由度が高い段階でリスクを予測し、より有効な対策を検討するためにも、一貫解析は大きな意味を持ちます。

DEFORMが支える現代のものづくり｜試作ゼロの工程最適化

DEFORMは、鍛造・切削・熱処理といった複数工程をまたぎ、それぞれで生じた歪みや残留応力などの加工履歴を正確に引き継ぎながら解析できる数少ないCAEツールです。これにより、多工程が絡み合う品質課題でも、その真因を理論的かつ定量的に突き止めることが可能になります。

そして今、ものづくりの現場では「いかにものを作らずして、ものを作るか」が求められる時代になっています。

試作や実機検証を繰り返す従来の方法では、コスト・時間・リソースの負担が大きく、競争力を削いでしまう恐れがあります。だからこそ、まずはCAEによるシミュレーションで徹底的に条件を突き詰め、最適解に近づけた上で、最後に実機製作へと進む —— これが現代のものづくりの新しいベーシックです。

DEFORMは、そのプロセスを現実的なものにし、無駄を削ぎ落とした効率的かつ確実な製造を支える強力な武器となります。

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