私が初めてプログレッシブメタルスタンピングショップを経営し始めたとき、金型の磨耗は、冬の寒さや決してスムーズに動かない機械のように、スタンプラーなら誰でも対処する仕事の一部にすぎないと思っていました。その後、大量の自動車関連の契約を締結しました金属プレス部品そして、ダイの開始は予想される実行速度の半分で失敗しました。突然、その「通常の」摩耗が 1 万 2,000 ドルの問題になりました。ダウンタイム、急ぎの再研磨、そして 1 年にわたる注文をほぼ免れたクライアントです。そのとき、私は金型の摩耗を当然のこととして扱うのをやめ、それを解決可能なエンジニアリング パズルとして扱うようになりました。あなたが（私のような）進歩的なスタンピングのサプライヤー、またはプログレッシブ金属スタンピング大量生産で公差が厳しい部品の場合、これは単なる技術的な詳細ではなく、生産ノルマを達成するか、収益性の高い作業を失うかの違いです。金型の耐摩耗性を段階的に向上させる方法について、私が試行錯誤の末に学んだことを以下に示します。
私が最初に買うのをやめたのは、安い工具鋼でした。初期の頃は、D2 や S7 工具鋼はどれも同じ間違いだと思っていたので、ポンドあたりの価格が最も安いものを選択していました。すべての工具鋼が均等に熱処理されるわけではなく、その小さな違いが摩耗に大きな影響を与えます。これを詳しく説明しましょう。D2 は高炭素、高クロムの工具鋼で、耐摩耗性に優れていますが、適切なロックウェル C (HRC) 範囲 (用途に応じて通常は 58 ～ 62) まで硬化した場合に限ります。熱処理装置がプロセスを急いで HRC 55 までしか到達しない場合、金型の摩耗は 30% 早く、簡単になります。昨年、当社はスタンピング金型を専門とする現地の熱処理装置に切り替え、早期摩耗の原因となる残留オーステナイト（鋼中の柔らかく不安定な相）を引き出す焼き戻し後の極低温凍結という前処理ステップを追加しました。また、より微細な粒子構造を持つ工具鋼も指定しています。鋼マトリックスの炭化物が小さいほど、時間の経過とともにチッピングや摩耗が少なくなります。他のショップがこれを省略し、10万個の部品ごとに金型を再研磨する必要があるのを見てきました。当社の D2 ダイセットは、最初の研削前に 250,000 以上の部品を稼働させ、6 か月で金型のメンテナンスコストを 40% 削減します。
次に、スタンプするパーツのブランクのデザインと材料の取り扱いを調整しました。多くのスタンプラーは、金型の摩耗は工具によってのみ発生すると考えていますが、被削材自体が大きな要因です。高強度低合金 (HSLA) 鋼、ステンレス鋼、さらには表面に厚いコーティングを施した真鍮をプレス加工する場合、これらの材料は標準の冷間圧延鋼 (CRS) よりも摩耗性が高くなります。昨年、私たちはすべての新しい製品について材料の表面仕上げのテストを開始しました。ハードウェアスタンピングまたはプレス部品研磨材を使用する注文: 材料をサンプリングし、小さなプロトタイプの金型で摩耗テストを実行し、接触点での摩擦を減らすためにブランクの設計を調整します。たとえば、建設クライアント向けに亜鉛メッキ鋼製ブラケットのスタンピングを開始したとき、亜鉛コーティングが金型のパンチに付着してかじり、微小摩耗を引き起こしていました。この問題は、パンチの入口点にわずかな半径を追加することで修正しました。鋭いエッジがコーティングに食い込む代わりに、ブランクが半径上を滑ります。また、手動の材料フィードから、毎回一貫した平らなブランクを提供するサーボ制御のロールフィードに切り替えました。不均一なブランクはストロークのたびに金型のキャビティのエッジにこすれ、工具鋼をいくら使っても修正できない不要な摩耗を加えます。展示会でベテランのスタンプラーから学んだコツの 1 つは、別のバッチからのサンプルではなく、常に製造注文と同じ厚さと仕上げの材料をテストすることです。ブランクをわずかに厚くすると、ダイ圧力が 15% 以上増加し、時間の経過とともに摩耗が早くなります。
表面処理は私たちが長期的に最大の成果を上げてきた分野であり、私たちが何年も見逃してきたステップです。以前はダイスに油を塗るだけで「潤滑」と呼んでいましたが、それは初心者向けの表面処理です。現在は、アプリケーションに応じて階層化されたアプローチを使用します。当社の順送金型のほとんどでは、金型の機械加工および熱処理後に、窒化チタン (TiN) またはダイヤモンドライク カーボン (DLC) による物理蒸着 (PVD) コーティングを行っています。 TiN は安価で、硬度は約 2,500 HV で、CRS やアルミニウムなどの低摩耗材料に最適です。 DLC は硬度が高く (最大 4,000 HV)、摩擦が低いため、ステンレス鋼などの研磨材をスタンピングする際の熱やかじりも少なくなります。私たちは自動車分野に挑戦したときに DLC を使い始めました。金属プレス部品先ほど述べた順序と、その 1 つの変更により、ダイの稼働寿命が 2 倍になりました。しかし、コーティングだけでは不十分であることもわかりました。コーティングの前に金型の表面を仕上げる必要があります。工具跡や粗さが Ra 0.8 の金型は、より多くの破片を保持し、コーティングに傷を付け、摩耗につながります。現在、PVD コーティングの前にすべてのダイ接触面に微細研磨を行っており、粗さを Ra 0.2 以下に抑えています。違いは昼と夜です。当社のコーティングされたダイの表面は、何十万回のストロークの後でもかじりにくく、滑らかで非粘着性になっています。ダイのコーナーやパンチの先端などの摩耗しやすい部分には、溶射溶接を使用してタングステンカーバイドのオーバーレイを適用し、最も重要な部分に硬度の層を追加します。これは、ダイセット全体を時期尚早に交換する必要をなくす、対象を絞った表面処理の一種です。
ダイのクリアランスとストロークの調整は小さいですが、多くの進歩的なスタンプラーが手を抜いている部分です。金型のパンチと金型キャビティの間のクリアランスが小さすぎると、材料が圧縮されすぎて、過剰な摩擦と熱が発生し、金型が摩耗します。多すぎるとバリが発生し、材料がダイの側面にこすれ、エッジの摩耗が発生します。順送金型の場合、クリアランスは材料の種類と厚さによって異なります。経験則として、きれいな切断には材料の厚さの 8 ～ 10% を使用しますが、高強度材料 (10 ～ 12%) やハード コーティングのある材料の場合はそれを調整します。また、50,000 個の部品ごとに金型ストロークのアライメントの監視も開始しました。時間の経過とともに、プレスのたわみによりダイの位置がずれることがあり、パンチがキャビティの中心に完全に配置されなくなります。これにより、不均一な摩耗が発生し、パンチの片側がもう一方の側よりも早く摩耗し、最終的には金型でバリや寸法誤差のある部品が製造され始めます。現在では、定期メンテナンス中にダイヤルインジケーターを使用してアライメントをチェックし、10万ストロークごとにプレスのギブを調整しています。もう一つ、ダイハイトの調整方法を変更しました。セットアップ時に一度金型を設定して忘れるのではなく、材料バッチを変更するたびに小さな調整 (通常は 0.001 インチ) を行います。柔らかい材料の場合はダイの高さをきつめにするとスロップが減少し、硬い材料の場合は高さをわずかに緩めると過度の圧力がかかるのを防ぎます。私のショップのデータによると、これらの小さな調整を合計すると、ダイの寿命が 20% 長くなります。
事後対応の修正ではなく、予測メンテナンスがパズルの最後のピースです。私たちの多くは、部品にひどいバリ、表面の傷、寸法の変化が見られるようになって初めて金型の摩耗に気づきます。その時点までに、金型の硬度はすでに 5 ～ 10% 失われており、すでに生産が遅れています。現在、すべてのダイ セットで 2 つのこと、つまり実行数と部品検査データを追跡しています。金型を稼働させるたびに、生産された部品の数を記録し、10 ～ 15 個の部品のバリの高さ、寸法精度、表面仕上げをチェックします。バリ高さのわずかな増加 (0.0005 インチから 0.001 インチ) が見られる場合は、金型の完全な交換に移行する前に、部分的な研削またはタッチアップを計画します。また、ポータブル型硬度計を使用して、50,000 個の部品ごとに重要な表面の硬度をチェックします。 D2 鋼の硬度が HRC 57 を下回った場合は、金型が磨耗して固定できなくなるまで待つのではなく、再熱処理と研磨をスケジュールします。前四半期、ダイ キャビティのエッジの硬度が低下し始めているダイ セットを発見しました。5,000 ドルで交換する代わりに、800 ドルでタッチアップしました。これは、金型の摩耗を予期せぬコストのかかるものから、計画的かつ低コストのメンテナンス手順に変える、一種の積極的なアプローチです。
これを読んで、「それは高すぎる。なぜ冷凍処理、DLC コーティング、予知保全に投資する必要がある?」と言うスタンプラーもいるでしょう。計算してみましょう。新しいプログレッシブ ダイ セットの費用は、複雑さに応じて 4,000 ドルから 15,000 ドルです。ダイが交換が必要になるまでに 100,000 個の部品を使用した場合、部品あたりのダイのコストは 0.04 ～ 0.15 ドルになります。工具鋼の熱処理、DLC コーティング、およびマイクロ研磨に 1,500 ドルを投資し、同じ金型で 250,000 個の部品を実行すると、金型のコストは部品あたり 0.016 ドルから 0.06 ドルに下がります。これは、100 万個の部品の注文で最大数千ドルの直接的なコスト削減になります。さらに、ダウンタイムも回避できます。ダイが摩耗すると、交換または修理を待つために 4 ～ 8 時間シャットダウンすることになります。大量のプレス加工では、1 時間あたり数百個の部品が失われることになり、納期を逃し、顧客が不満を抱くことになります。
結局のところ、金型の耐摩耗性の向上は 1 つの大きな「コツ」ではなく、工具鋼の選択からメンテナンスに至るまで、プロセス全体にわたる小さな一貫した変更が重要です。使用している場合プログレッシブ金属スタンピング部品にとって、ダイセットは最も貴重な資産であり、それらを大切に扱うことで、操業の収益性と信頼性が向上します。
一貫した高品質を実現するために金型の寿命を優先する進歩的なスタンピングパートナーをお探しの場合金属プレス部品、ハードウェアスタンピング、 またはプレス部品生産のお手伝いをさせていただきます。プロジェクトの要件や、金型の長寿命とコスト効率を最適化する方法についてご相談ください。
参考文献:
- アスタホフ副社長 (2006)。金属切削のトライボロジー。エルゼビア。
- デガーモ、EP、ブラック、JT、コーザー、RA (2011)。製造における材料とプロセス (第 11 版)。ジョン・ワイリー＆サンズ。
- ショー、MC (1996)。金属切削の原則 (第 2 版)。オックスフォード大学出版局。
- Tschätsch, H.、Dietrich, J. (2012)。応用トライボロジー: 原則と実践 (第 2 版)。スプリンガー。