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金型(かながた、die and mold)とは、工業製品の金属製や樹脂製の部品をプレス加工のような塑性加工や射出成型などにより製造するための型のことであり、模型をさす場合もある。多くが金属製であるが例外もある。また、加工工具の一種とも見られるが、工具が集団的にシステム化し特定の部材成形に特化している点に大きな違いがある。

鋳造でも使われる母型(おもがた)から、砂製を「砂型」、金属製を「金型」と呼んだことが語源と考えられる。

◆ 概論

◇ 製造業での重要資産

金型は、製造業での製品の外観の優劣や品質・性能あるいは生産性を左右する重要な要素であるため、その製作に当たっては時間と費用がかけられ、完成した金型は容易に交換出来ない重要な資産として扱われる。自社で製作する場合と、専門の会社に製作を依頼することもある。設計情報を転写する機能があり、エレクトロニクス分野特にたとえるとメディアとデバイスのデバイスに相当する。そのため精密部品などの金型については、マイクロメートル単位の正確さが求められる。ドイツなどでは「金型は生産工学の王」であるとも表現される。

◇ 材質

金型を構成する標準的な材質は工具鋼が多く、最近ではセラミックスなどが使用される場合も増えている。

主な金属材質は鉄-炭素-クロムをベースとした合金に隠し味としてモリブデン-タングステン等で構成されているダイス鋼(高合金工具鋼SKD)である。冷間鍛造のパンチなどには高速度工具鋼や超硬合金も多用される。鉄の殆どは焼き入れ加工を施すため、加工製品のモデルチェンジなどの際の改造に多くのコストを要するケースが多いとの意見もあるが、切削加工不能な超硬合金よりもコストが低く、形状の複雑さが増すにしたがってその差は開いてゆく。そのためプリハードン鋼と呼ばれる焼入れ不要で、ある程度硬度を持ちながら切削加工が可能な材料を使用する事があるが、これは、安易であるが鋼の特質を上手に利用しているやり方とは言えず、結果的にコスト高を招いている例が散見される。

◇ 耐摩滅性と表面処理

金型は技術の限りを尽くして材質の強化をおこない使用するが、製造数が増える中、摩滅、変形、減耗するため耐久性の問題に関心が集まる。そのため成形によって金型の表面損傷が考えられる場合はあらかじめ硬質クロムめっき、PVD皮膜やCVDによるTiC皮膜処理やTD処理など、様々な表面処理が施される。最近では前述の様にセラミックを使用する事により耐摩耗を改善する努力がされている。しかしセラミックでは硬度が高すぎて、実際に塑性加工する材料によっては破損の危険が高まる。工具鋼とセラミックスの中間的な材質に超硬があり、これは少量使用される。ただし、工具鋼は材料強度の増幅能力の高さを利用して、熱処理前は比較的やわらかく加工でき、熱処理後の耐摩耗性は格段に向上するといった性質を利用した製造法をとっているのに対し、超硬はその方法が出来ないためコスト高になり、限定的な使用にとどまっている。

◇ 日本の製造業

かつて、精密金型製造は日本のお家芸であったが、コスト削減を目的に海外への製造委託が増加し空洞化と騒がれた時期もある。現在は日本主導の戦略的な技術移管、棲み分け、技術開発を通じ問題は沈静化してきている。しかしながら金型職人の高齢化、後継者不足が次なる問題として取り上げられつつある。また、最大の競争相手に成長しつつある中国は、日本製NC加工機械の導入や日本の金型職人による技術指導を通じ、日本的ものづくり文化の影響が拡大して競争力が高まっているのに対し、国内の金型メーカーの9割は20人以下の中小企業で設備面、人材面でも将来不安を抱えており、特にプラスチック金型分野において長期的には楽観できない状況にある。

金型産業という独自の産業分野まで生み出した世界屈指の工業国家である日本の製造業において、それを底辺で支える中小零細工場が持つ短納期能力や同業者間での連帯能力、職人的開発能力といった国家的財産を守り育て、欧米的な金融経済論理やアジアの安価な労働力との国際競争の中で、今度どのようにして優位性を保ち続けてゆくのかが課題として議論されている。

◆ 金型の種類

金型の種類は、大きく分けて2種類存在する。成形荷重が高い金属加工を目的としたDieと、鋳造もしくは樹脂成形を目的とした比較的成形荷重が低いMoldであるが欧米的定義であり金型と工具の違いを理解出来ない欠点がある分類である。また、型を閉じて中に原材料を封入する密閉型(mold)と、材料を上型下型で挟み込む開放型(die)に分けられる。

◇ プレス金型

開放型。主に自動車部品、家電部品の加工で使われる。ほぼ均一な厚みのものを加工するのに適している。金型内で、多くはフープ材と呼ばれる金属の板をコイル状にまとめた金属材料を打ち抜き、曲げ加工を行う。必要に応じてバリ取りや、メッキ、塗装などの表面処理といった後工程を行なう。

主に鉄や銅、アルミニウムを加工するが、樹脂シートの加工用金型もこれに含まれる場合もある。

プレス金型は次の2つに分けられる。

・ 1金型1工程の単型

・ 1金型複数工程の順送型

さらに以下のような小分類に分けられる。

・ 絞り型

・ 曲げ型

・ 抜き型

・ 寄曲型

◇ 鍛造型

開放型、または、密閉型。エンジンのコネクティングロッド(コンロッド)など肉厚が厚く、かつ強度が必要な製品の加工に適している。金型内の金属材料に高い圧力を加えることによる塑性変形により形状を作る。

金型による材料拘束の度合いにより、開放型、半密閉型、密閉型に大別される。後者になるほど、バリの排出量が少なく歩留まりが高く、仕上げ加工も少なくなる(ネットシェイプに近づく)が、鍛造時の加工力(プレス荷重)は大きくなるため、鍛造プレス上の制約や、金型に掛かる負荷は大きい。

金型材料には、熱処理や表面処理によって表面硬度を高めた工具鋼が用いられる。

前出のような自動車部品の製造においては、数工程に分けて基材料を徐々に製品寸法に加工するのが一般的で、その工程の目的に応じて、ロール型、つぶし型、粗成形型、仕上げ型、ピアス型、トリム型などの言い分けも用いられている。また、この各工程は、ひとつの鍛造プレスマシンベッド上に展開されるのが一般的であるが。材料温度が低下しても比較的問題が発生しにくい場合には、ピアスやトリムが別マシンで行われることもある。

加工時の材料や金型温度により、冷間鍛造、熱間鍛造などの加工種類が存在する。一般的に、熱間に比べると冷間時の材料変形能は極端に小さいため、大きな加工力が必要で、金型が受ける荷重も大きい。

鍛造後は工作機械で仕上げ加工を行う場合が特に熱間鍛造では頻度が多くなる。

◇ 鋳造型

密閉型、または、開放型。溶融させた金属(溶湯(ようとう))を直接金型に注ぎ込んで鋳造を行う金型鋳造型と、溶湯を注ぎ込むための鋳型を成型するための鋳型造型型に大別される。前者では、ダイカスト(die casting)型、後者では生砂型がその代表例。自動車などのエンジンブロック、シリンダヘッド、ミッションケースなど、成形自由度が高く、適用範囲は膨大である。

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