転造｜塑性加工でねじ山を高精度量産化

転造

転造は、金属素材を切削せずにダイスで圧下し、塑性流動によって表面形状（ねじ山、スプライン、セレーション、ローレット、歯形など）を形成する塑性加工である。体積一定の原理により材料が山部へ流入し、繊維流れが連続化するため、切削ねじよりも疲労強度と耐摩耗性が高い特徴をもつ。量産適性が高く、チップが出ないためクリーンで歩留まりが良い。代表例はねじ転造で、ブランク外径を有効径近傍に設定し、回転・往復動するダイス間で圧下して短時間に成形する。ボルト・ねじ部品の製造では、ヘッダで頭部を成形後に転造でねじ山を付与する流れが一般的である（例：ボルト）。

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転造

原理と塑性流動

転造は接触面圧とせん断応力により表層から芯部へ塑性ひずみが浸透し、谷底の素材が山側へ押し上げられる。繊維流れ（メタルフロー）が切断されないため、切削と比べて谷底で欠陥が生じにくい。体積一定則により、所定の谷・山の体積差がダイス形状に忠実に転写され、工具の弾性変形とスプリングバックを考慮した補正で精度を確保する。摩擦条件は潤滑油膜と表面粗さで支配され、適正な面圧・速度・潤滑により安定した転造が得られる。

主要な方式と装置

平ダイス型：2枚の平ダイスが相対運動し、ワークが直進回転しながらねじ転造される。段取りが容易で短いねじに適する。
センク型（丸ダイス）：円筒ダイス2枚でワークを挟み連続転造する。量産性が高く、長ねじや一定ピッチのローレットに適用される。
プラネタリ型：固定内歯車と回転キャリア上の複数ダイスで一括転造し、超高スループットを実現する。
スプライン・歯形転造機：専用ダイスでスプライン歯や歯形を成形する。歯元強度・表面硬化の向上が期待できる。

ダイス材質と表面処理

ダイス材は高硬度・高靱性が要求され、粉末ハイスや超硬、工具鋼（SKD系）が用いられる。表面処理はTiN/TiCN/CrNなどのPVDが一般的で、凝着防止と寿命延長に寄与する。ダイス精度（プロファイル、リード、面粗さ）は仕上がりに直結し、温度上昇と摩耗の管理が重要である。高硬度材の転造では潤滑性の高い油剤と低摩擦コーティングの併用が有効である。

材料と適用範囲

適用材は炭素鋼、合金鋼、ステンレス、アルミ、銅合金など広い。一般に冷間域での転造が主流で、素材硬さはHBで中程度以下が望ましいが、塑性指数と加工硬化特性を見て条件を最適化する。浸炭焼入れ前転造や焼鈍後転造→熱処理などのプロセス設計により、表面硬化と寸法安定性を両立させる。

設計指針（ねじ・スプライン等）

ブランク外径は有効径近傍に設定し、山崩れを避けるため先端に面取りや誘い角を設ける（ねじ端末の面取り）。
基材の切欠きを避けるため、谷底半径を確保する形状でダイスを設計し、ねじ底の鋭角化を防ぐ。
ピッチ・リードはダイスの熱膨張と弾性変形を見越して補正し、長尺では累積ピッチ誤差を管理する。
メッキや被膜を前提とする場合はめっき代を考慮してブランク設計し、嵌合公差を確保する。
スプライン・セレーションは側面圧と押し出し量のバランスを取り、歯元に過大なひずみ集中を生じさせない。

品質管理と検査

検査はGO/NO-GOねじゲージ、有効径測定、ピッチ・リード誤差、円筒度、ねじ山形状の輪郭測定、表面粗さなどを行う。残留圧縮応力と硬化層の評価にはX線応力測定や断面硬さ分布が有効である。工程能力指数（Cpk）で寸法安定性を監視し、ダイス摩耗・芯出しずれ・潤滑劣化といった要因と測定結果を相関させてフィードバックする。トレーサビリティを確保し、ロット間の転造条件を履歴化する。

利点と限界

利点：切りくずゼロで材料歩留まりが高い、表面が加工硬化し疲労強度が向上、残留圧縮応力で耐久性向上、表面粗さが良好、量産でタクト短縮。
限界：素材硬度や延性に制約、段差や深い溝など自由形状は不得手、端部処理が必要、ダイス製作コストとリードタイムが発生、厚膜めっきでは嵌合の余裕が必要。

代表的な欠陥と対策

割れ・剥離：素材硬度過多や過大面圧が原因。材料条件の見直し、潤滑強化、圧下量低減で抑制。
山潰れ・バリ：ブランク径過大やダイス摩耗、芯ずれ。ブランク最適化とダイス再研磨、アライメント調整。
偏心・振れ：把持不良や送りムラ。センタリングの改善、送り機構整備で安定化。
リード誤差：熱膨張・弾性変形の未補正。温調管理とダイス補正、機械剛性の確保。