頭部成形の限界：小さいねじの頭のほうが、かえって作りにくい理由

upset ratio とは何か

冷間鍛造で頭を作ることは、型から突き出した線材の一区間を押し縮めて太らせることです。 突き出した長さを線径で割ったものが upset ratio です。

上限を超えるとどうなるか。二通りあります。

• 座屈——突き出しが長すぎると曲がり、曲がったまま鍛えられた頭は偏ります
• 折れ込みまたは割れ——材料が急に押されすぎると、頭と軸の境で重なるか、裂けます

ですから頭の大きいねじは工程を増やします。 軸径に対して頭径がずっと大きいねじは、たいてい先に予成形してから成形します。 実際に何工程要るかは、頭の高さ、頭の形、穴の体積、支持にもよるので、 径の比だけでは決まりません—— 同じ一本のねじでも、頭の形を変えることが型を一つ替えることにもなれば、 工程全体の組み直しになることもあるのはそのためです。

小さい寸法で限界が厳しくなる理由

直感では、成形は幾何の問題なので、比例して縮めば同じはずです。実際は違います。 微細成形の分野はこれを寸法効果と呼びます—— 部品の寸法が材料の結晶粒の寸法に近づくと、材料の振る舞いが変わります。

• 結晶粒の数が減ります。巨視的な部品の断面には何千もの粒があって統計的に均一ですが、微小な部品の断面では数十個ということがあります。一つの粒の方位と強度が、全体の結果に効き始めます
• 表面の粒が占める割合が上がります。表面の粒は内部より拘束が弱く、流れ方が違います。部品が小さいほど、この「拘束されていない」粒の割合が高くなります
• 結果としてばらつきが大きくなります。同じロットの線材、同じ型でも、微小な部品の成形結果は巨視的な部品より揃いません

では先に解析を——解析はその部品が手に入ることを保証しません

業界は Cockroft-Latham の延性破壊条件を有限要素解析と組み合わせ、 型を起こす前に割れを予測します。 M2.6×5 のヘキサロビュラねじ（SUS304）を扱った研究では、 第一工程の予成形上型の頂部の突起形状を変えたところ、 着目点の破壊値が 0.594 から 0.392 へ、およそ 34 % 下がりました。

型は、一件の注文で消費されるものではありません

特注の話になると、最もよく出る懸念は「型の費用が高いのでは」です。 見るべきなのは、その型で何本作れるかで、型そのものの値段はその次です。

この表によれば、一万本の注文が使うのは型寿命のおよそ 0.3 % から 6.7 %。 つまり型はふつう、一件の注文で消費されません。

供給者に何を尋ねるか

• この頭形を、この寸法で、何工程で成形しますか。 工程数は型の数と納期に直結します。高い工程数が返ってきたら、型の予算より先に頭形そのものを見直す価値があります—— 座面の面積と力の入り方は頭形の制約の一つで、面一の要求、工具の到達性、空間と並びます。 その工程数を受け入れる前に、そのうちどれが本当に動かせないのかを確かめてください
• upset ratio の上限をいくつに取っていますか。巨視の値ですか、小さい寸法向けに調整していますか
• 成形解析はしていますか。しているなら、案の比較に使っていますか、保証として使っていますか
• パンチは超硬ですか、高速度鋼ですか。寿命が 10 倍から 20 倍違い、費用の構造がまったく別になります
• 型は定期交換ですか、壊れてから交換ですか。ショット数を追っていますか。摩耗は徐々に進むので予定に組めますが、疲労破壊は突然で、ラインを止めます

参考資料

• Padfield & Bhupatiraju, “Cold Heading,” ASM Handbook, Vol. 14A, 2005
• Talangkun, “Design of the semi-closed die for shaping thick coin-like carbon steel parts in a single operation,” SN Applied Sciences 5, 176 (2023)
• Seo et al., “Design of Cold Heading Process of a Screw for Storage Parts,” Transactions of Materials Processing 20(1), 2011
• Ran, Fu, Chan & Kwan, “The influence of size effect on the ductile fracture in micro-scaled plastic deformation,” International Journal of Plasticity 41 (2013)
• Nickel Institute — Cold Forming Stainless Steel Bar and Wire

一部の文献は全文が有償です。本頁が引く数値は各研究のその条件での結果であって、汎用の設計値ではありません。 実際の工程条件は試作と供給者への確認によってください。

この記事は手順 3、頭部を扱います。全体の順序は相手材、ねじ、頭部、駆動部、表面処理、書類で、これを崩すと微調整ではなく手直しになる理由はねじの決め方にあります。

よくある質問

冷間鍛造で一度にどれだけ頭を太らせられますか。

一般的な鋼材で、一工程の upset ratio はおよそ 2.25 から 2.3、二工程でおよそ 4.5 がよく使われる指針です。ただしこれは設計の指針であって規格の規定ではなく、型の支持、自由長、材料の状態、摩擦、予成形の形状で動きます。上限を超えると、突き出しが座屈して頭が偏るか、材料が頭と軸の境で折れ込むか裂けます。

小さいねじのほうが頭を作りにくいのはなぜですか。

寸法効果です。部品の寸法が結晶粒の寸法に近づくと、断面に含まれる粒の数が数十個まで減り、一つの粒の方位と強度が全体の結果に効き始めます。表面の粒が占める割合も上がり、拘束が弱いぶん流れ方が変わります。結果として同じ線材、同じ型でもばらつきが大きくなり、微細成形の研究では到達できる upset ratio が巨視のおよそ 2.3 から 1.6 程度まで下がったと報告されています。

成形解析をすれば割れないと保証できますか。

できません。Cockroft-Latham の破壊条件と有限要素解析は案の相対比較に使えますが、SUS304 の M2.6×5 を扱った研究の著者自身が、実験で臨界値を取っていないためこの数字だけでは割れの判定ができないと書いています。さらに従来の延性破壊条件は結晶粒の寸法と表面の粒の効果を取り込んでいないため、較正せずに微小部品へ外挿するのは信頼できません。

特注ねじの型費は、注文のたびにかかりますか。

技術的には、型は一件の注文で消費されません。平ダイスは平均で 200 万本超、超硬のパンチは 150 万から 300 万ショットという桁なので、一万本の注文が使うのは寿命のおよそ 0.3 % から 6.7 % です。ただし請求するかどうかは契約条項で、型の所有、保管、修理、廃棄を誰が負担するかは会社ごとに違います。一回で請求か単価に織り込みか、リピートでも請求するか、保管年数、破損時の負担を確認してください。