プレス金型部品

　コイル材からの自動プレス加工をするときには、【図1】に示すような設備構成が必要です。 　コイル材を保持し、材料を巻きほぐすアンコイラ。材料を型内に一定量送り込む送り装置。送り装置はプレス機械に取り付けられる場合と、金型に取り付ける場合があります。このような素材用の送り装置を『一次送り装置』と呼びます（ブランク抜きされたような材料を送る装置を『二次送り装置』と呼びます）。プレス機械に金型が取り付けられ、作業可能状態となります。 　異常発生が予想される部分を見ていきます。 1．材料関係異常 　コイル材そのものに関するものや巻きほぐすとき、及びアンコイラと送り装置間の材料のたるみ異常等があります。

　ハット曲げのような形状を普通構造の金型で曲げると、割れ等の問題が起きることがあります。その対策として、可動ダイとすることで問題を解決することができます。その1例が【図1】に示したリンクを使った曲げ構造です。 　加工前の状態は『（a）加工前』で示すように開いた曲げダイの上にブランクを乗せ、ブランクに拘束がかからない状態で曲げが進行するように工夫されています。『（b）加工途中』の状態を見ることで、材料拘束が少ないことが分かると思います。『（c）加工完了状態』になると、パンチとダイの間でブランクがきれいに曲げられているのとがうかがえると思います。 　この構造では、支点で支えられたダイが特徴です。旋回するダイはプレッシャピンで下から保持されています。初期の曲げはこの下からの圧力で曲げられますから、プレッシャピンにかける圧力源はダイクッション等のしっかりしたものが必要です。 　戻り工程では曲げられた製品から離れるようにダイが開きますから、製品の取り出しは容易です。しかし、【図1】に示したようなパンチですと、製品がパンチに付いてしまうことがありますから、パンチにはキッカーピン等のエジェクト機能を設けておく必要があるでしょう。

　金型の前に付けられるストックガイドは、材料を金型に案内する部品として使われます。通常ストックガイドは、材料幅にあわせて作られます。そのときのガイド幅は、材料の幅公差を考慮して広めに作り、スムーズな材料の動きを実現します。しかしこのようにすることで、材料はガイド幅内で動き、金型内での加工に影響を与えることがあります。 　【図1】は材料の片側がつながっている形状加工例です。このような製品では材料がストックガイド内で動くと、つながり部分の幅が変動してしまいます。そこで材料を片側に押しつけて、つながり部分の変動がないようにする方法が考えられます。【図1】に示すストックガイドは、リンクの一端にローラを取り付け、この部分で材料を押さえることで一方に押しつけて、材料の誤差を片側に寄せてしまうようにした構造の１例です。

　曲げ加工では、材料がダイ肩半径（またはパンチ肩半径）部を滑りながら移動して曲げられます。このときに肩半径が小さいと材料にかかる負担が大きくなり、キズを発生させることがあります。この現象は材料の板厚が厚くなるほど顕著になります。また、めっき付き材料等でも同様です。加工キズを減らすには肩半径を大きくすることも対策となりますが、材料が肩半径上を滑ることをなくすことはできません。 　【図1】に示すＶ曲げ構造は、材料が肩半径上を滑ることなく加工できる構造です。ノックアウトに取り付けられたヒンジが特徴です。【図1】（a）に示すように、材料はヒンジの上に置かれます。パンチが材料にあたるとノックアウトが押されて下がります。このとき材料はヒンジと一緒にダイ肩上を滑り閉じるように移動し、曲げを進行させ【図1】（b）の形で加工完了します。材料はヒンジの上にあるため、ダイ肩を滑ることなく曲げられるため、曲げキズが発生しません。金型構造は少し複雑なりますが、きれいな製品を作ることができるようになります。

　順送りプレス加工では、ときどき間欠加工（数回置きに加工したり、しなかったりすること）がしたくなるときがあります。例えば、数ピッチ送って材料を切断するような加工です。間欠加工では加工回数をカウントして定期的に出力信号を得て、加工します。プレス機械に取り付けられているプリセットカウンターを利用して信号を得る方法もありますが、金型内に組み込んで利用したいこともあります。 　このようなときに使える方法の一つが【図1】に示すような爪歯車（ラチェットギヤ）です。構造は爪歯車とレバーに仕込まれた送り爪及び逆止爪から構成されます。動作は送り爪のついたレバーを押し棒（金型の上型等に組み込み）で押すことで爪歯車１刃分送りをします。この動作を繰り返します。必要送り回数に合わせて割り出しピンを立てることで出力が得られるようにします。

　プレス加工では、プレス機械スライドの上下運動だけでは製品加工が難しいことがあります。このようなときには上下運動を方向変換して利用することになります。その代表的な方法がカム機構ですが、その他にもいくつかの方法があります。 　【図1】はレバーを利用した方向変換です。レバーに溝を設けて、その溝を案内として駆動軸、従動軸が動くようになっている機構です。このようにすることで戻しばねが一つでも動くようになります。戻し機構に工夫を加えれば、レバーに溝は必要なく、単に駆動軸でレバーを押せば従動軸も同様に動くようになります。駆動、従動のレバーの長さを変えることで運動量の拡大、縮小もできます。

　金型内で製品に横から加工をしようとするときにはカム機構を思い浮かべることが多いですが、大きなスライド量が欲しいときは、カム機構ではカムドライバが大きくなり、構造のまとめが難しくなります。このようなときに【図1】に示すようなリンク機構を利用すると、下型内で運動機構を作ることができます。リンクの中央を上型に取り付けた「押し棒」で押すことで、山形をしたリンクが直線に近づきスライドを押します。スライド部分に穴抜きパンチや曲げパンチを取り付けておけば製品の側面に穴抜きや曲げを加工することができます。この機構では、スライドは比較的滑らかな動きが得られます。

　斜面を利用することで運動の方向を変えるのがカム機構です。【図1】はカム機構の基本的な形を示しています。構成は運動を与えるカムドライバ（ドライバ）と斜面で受けた運動の方向を変えて伝えるカムスライダ（スライダ）からなっています。 　カム機構の成立は角度Kが45°より小さいことが必要です。角度Kが45°のときドライバとスライダは1：1の動きをします。角度Kが小さくなると、ドライバ移動距離＞スライダ移動距離となります。 　【図1】のドライバとスライダの斜面は常に接しています。そのため、ドライバの動きに比例してスライダも動くようになります。大きな力を伝えたいときには斜面の接触面積が大きいので有利です。 　【図2】は一定量の移動をスライダにさせたいときに有利な構造です。大きな力をスライダに伝えるには不向きです。

　小さなこう配を持った斜面は「くさび」とも呼ばれるものです。こう配の角度は5度前後のイメージです。単純なものですが用途はいくつかあります。 （1）部品の固定 　【図1】に示すように、斜面を利用して締め込むことで部品Aを固定することができます。「くさび」の基本的な使い方です。軸と穴のはめあいで圧入状態とする方法がありますが、【図1】の方法では基準面を正しく作っておけば、部品Aは多少誤差があっても「くさび」によって圧入と同じような状態を作りだすことができます。

　金型では調整などで微小な動きを必要とすることがあります。このようなときに使う機構の一つが、ここに示す差動ねじと呼ばれるものです。差動ねじは2つのねじのピッチの差を利用して、微小送りを実現するものです。 　【図1】は、太いねじ（a）と細いねじ（b）が一体になった軸が本体部分に取り付けられ、細いねじ（b）にスライダが取り付けられた構造です。スライダは回転しないように取り付けられています。 　ハンドルを1回転すると、ねじ（a）は矢印イの方向にピッチAだけ前進します。スライドも一緒に矢印イの方向に動いています。このとき、細いねじも1回転することで、スライドは矢印ロの方向にピッチBだけ動きます。ピッチAの動きに対して戻るような動きとなり、ピッチA＞ピッチBの関係から、スライドはピッチAとピッチBの差分だけ矢印イの方向に動くことになります。具体的には、ピッチA＝1.5mm、ピッチB＝1.0mmとすれば、ねじ1回転でスライドは矢印イの方向に0.5mm動くことになります。

　金型は製品加工に必要なパンチ、ダイの動き以外にも、補助的な機構を必要とすることがあります。今回はスライダとその位置決めに関する内容を紹介します。 　【図1】は、金型内の部品を上下運動させる機構の例です。スライダは一定位置で固定されなければなりません。その方法として、V溝とボールを用いた例です。V溝とボールは２点接触で固定されます。V溝をねじで直接押さえるより安定した位置決めを得ることができます。V溝を持ったスライダは穴の中にありますから、V溝の位置が分かりません。スライダには位置確認用の目印をつけて位置を識別できるように工夫します。調節ねじを外したときにボールが落ちて紛失しやすいのが欠点です。

　金型を構成する部品の組み付け方によって、金型の組立・分解作業が変化します。 　【図1】は配慮のない金型部品の組み付け例です。3本のパンチがありますが、それぞれ固定方法が違います。 　（a）のパンチを外すためには、止めねじ、ダウエルピンを外して、金型を分解しなければ外すことができません。 　（b）のパンチでは、ストリッパボルトを外してからストリッパプレートを外し、上型を反転して、パンチ止めねじを外してパンチを取り外しします。 　（c）のパンチは、ストリッパボルト、ストリッパプレートを外して、上型を反転することなくパンチを外すことができます。 　このように、1つの金型の中にいろいろな固定方法が存在すると、作業が混乱してトラブルを起こすことがあります。 　金型の性質を考慮して、組立・分解の方法統一した考え方で金型設計するとよいです。

　金型を構成するプレートのねじ止めは問題が無いように思えますが、金型の組立やメンテナンスの際に作業がしずらいとのクレームが入ることがあります。 　なぜかを考えてみます。【図1】で解説します。ねじ止めの標準といえる形が上型、下型共に（a）で示すものであろうと思います。小さな金型であれば上型、下型の分離や反転は容易に行えますから（a）の形で問題はありません。 　金型が大きくなってくると、上型や下型の分離や反転が大変になります。ときには2人作業となることもあります。このような状態のときに、下型の止めねじが（a）の形だと反転して、ねじ締め作業を行うこととなります。このような状態で作業をしなければならないとき、作業がしづらいといわれることになります。そこで、（b）または（c）の止め方にすると、反転することなく作業ができるようになります。

　丸パンチの植え込み部（軸＝D）は、パンチプレートの穴に入れられ保持されます。保持の方法には【図1】に示す固定ストリッパ構造（可動ストリッパ構造でパンチの先端をストリッパでガイドしない場合も含む）の場合と、【図2】に示すパンチ先端を可動ストリッパでガイドする構造の２つのタイプに分かれます。説明します。

　リフター（ストックガイドリフタを含む）は、被加工材のダイ面からのレベルを保つために用いる部品です。必ずスプリング、スクリュープラグとセットで使われることが多い部品です。したがって、リフター本体、スプリング及びスクリュープラグをセットで、穴との関係を整理しておくと使いよいです。 　【図1】はリフターと穴の関係を示した例です。解説します。 　リフターの軸（D）に対して、穴（D1）寸法はあまりガタを持たせないようにします。軸と穴のガタが大きすぎると、軸が振れ被加工材保持が不安定となります。ガタが小さすぎると、小さなゴミの侵入でリフターの動きが悪くなります。多少の変動があってもリフターが滑らかに動くようにします。 　頭部寸法（A）とスクリュープラグ寸法（SW）との関係は、スクリュープラグ用のタップ下穴径（D2）が最もA寸法に近いスクリュープラグを選んでいます。スプリング（SP）はA寸法に最も近いサイズを選んでいます。

　ストリッパボルト、コイルスプリング及びスクリュープラグは密接な関係があります。それぞれの部品に関係する穴寸法を整理しておくと、金型設計や金型加工が楽になります。 　【図1】がその内容をまとめた例です。解説します。 　ストリッパボルトでは、軸寸法（D）と頭部寸法（A）及びねじサイズ（M）がポイントです。金型のプレートサイズとのバランスから、ストリッパボルトの軸寸法とねじサイズを基準に選択します。その際に、使いたいコイルスプリングの径があれば考慮します。その後は、頭部寸法との関係からコイルスプリング径やスクリュープラグ寸法が決まります。 　頭部寸法（A）とコイルスプリング径（SP）は、ほぼ同じ寸法がよく、極端にSP寸法が大小に変化するのはよくありません。 　スクリュープラグはM10以上はねじピッチが1.5mmに統一されています。これをポイントにしてA寸法＋2mm以上で最小のスクリュープラグを選択すれば、ストリッパボルトとスクリュープラグの最小の関係がつかめます。【図1】はこの考え方で作られています。スクリュープラグ下穴（d2）寸法は、スクリュープラグ径-1.5mm（ねじピッチ寸法）として算出しています。SP寸法はD2穴に入る最も大きい寸法を選んでいます。

　金型に使われる丸部品と呼ばれるものは、現在では製作することが少なく、標準部品として購入して使用することが多いと思います。そのために、プレートに埋め込まれる部分の寸法（植え込み部寸法、ここでは軸寸法と呼びます）は整理されています。整理の方法は標準数（JIS Z 8601）を基にしています。標準数にはR5、R10、R20及びR40と呼ぶ基本数列があります。【図1】に示すような丸部品では、R20の基本数列を参考に軸寸法が決められています。 　決められた過程はともかくとしても、この軸数値を頭に入れておくと金型設計は楽になることが多いです。プレス加工する製品の大きさから金型のプレートサイズが決まります。その後に、プレートの空間にさまざまな軸部品を配置しますが、プレートの大きさと軸寸法のバランスを取りながら決めていきます。この作業が楽になると言うわけです。

　【図1】は順送金型内の上曲げ加工を行うダイ部分の構造を示したものです。図の（a）、（b）は曲げ加工の前後を示しています。上曲げダイはダイプレート面より凸（s寸法）になっています。一体で作るより、図に示すように厚さ（s）のスペーサを入れることで、上曲げダイ、ノックアウトの厚さをダイプレートの厚さ（T）に揃えることができ、部品加工を容易にすることができます。一体式のダイプレートの場合、このようにすることでメンテナンスの際に上曲げダイを外し、スペーサを抜き取り、上曲げダイを反転して元に戻し、再研削することで（s）寸法を一定に保つことができ、メンテナンスも楽になります。

　金型製作では組立・分解がしやすく、組立・分解を繰り返しても金型精度に変動が無いことが求められます。例えば【図1】のような入れ子部品は、プレートの穴に圧入されることが多いですが、組み込み導入部（0.01mmほど周囲に段をつける）が無いと、穴に対して入れ子が傾き圧入がうまくいかず、穴の側面を傷つけてしまうことがあります。

　製品加工の工程設計を終えると金型の大きさが見えてきます。一般的には【図1（a）】のように1枚のプレートで金型を作りたいと考えます。【図1（a）】に示すA、B寸法が、工作機械の加工限界以内であれば問題は無いのですが、注意を払わずに設計すると、工作機械の加工限界を越えてしまう問題が起きます。プレートの加工では、粗加工用のフライス盤、面加工用の平面研削盤、穴加工用のフライス盤やマシニングセンタ及びワイヤ放電加工機などの工作機械の関わりが考えられます。それぞれの工作機械には、最大加工寸法や積載重量制限といったものがあります。金型を構成するプレートの大きさや重量が工作機械の制限範囲内となるように設計することが、作りやすくメンテナンスしやすい金型とすることができます。プレートの最大寸法を決めておくと、工程設計段階で分割位置を考慮した設計とすることができ、【図1（b）】のようにバランスの取れた金型とすることができます。