せん断強度とは？金属加工で重要な要素

せん断強度は金属加工、特にプレス加工において重要な特性です。

適切に理解し活用することで、加工効率の向上や製品品質の改善につながります。

本記事では、せん断強度の基本概念から金属加工での応用まで、実務に役立つ知識を解説します。

せん断強度とは？

せん断強度は、せん断強さとも言い、切断や打ち抜き加工に直接関わる重要な特性です。

ここでは、定義と他の強度特性との関係をみてみましょう。

せん断力の定義

せん断強度(N/mm2)とは、材料がせん断力（物体を平行にずらす力）に耐えうる最大の強さです。

この特性は、材料が破壊されずに耐えることができる最大のせん断応力を表しています。

せん断強度を知ることは、金属加工において非常に重要です。

なぜなら、材料の切断や打ち抜きに必要な力を予測し、適切な加工条件を設定するために必要だからです。

また、製品設計においても、部品や構造物が使用中に受けるせん断力に耐えられるかどうかを判断する際に重要な指標となります。

他の強度特性との関係

せん断強度は、引張強度や圧縮強度などの他の強度特性と密接に関連しています。

一般的に、せん断強度は引張強度の約0.5〜0.8倍のことが多いですが、当然のことながら材料によって異なります。

せん断強度だけでなく、他の特性も理解することで総合的な強度特性を把握し、最適な加工方法を選択できます。

主要な金属のせん断強度の比較

主要な金属のせん断強度について比較表をみてみましょう。

金属材料	せん断強度 (N/mm2)
軟鋼	200-400
炭素鋼	300-600
ステンレス鋼	400-800
アルミニウム合金	100-350
銅合金	200-500
チタン合金	400-1000
ニッケル合金	500-1200

これらの値は参考値であり、材料の具体的な組成や処理条件によって大きく変動します。

特に、合金の成分や処理によってこれらの値が大きく変わることがあるため、特定の用途に使う際には、実際の仕様書やメーカー提供のデータを確認する必要があります。

せん断強度の測定と影響因子

主な測定方法

せん断強度の測定には、主に以下の方法が用いられます。

パンチ試験

パンチ試験は、主に薄い金属板に適用されます。

パンチを使って穴を開ける際に材料が破断する力を測定します。

プレス加工に関連が深く、加工性やせん断強度を簡易的に評価できます。

ただし、板厚が厚くなると正確なせん断強度を測定するのが難しくなります。

ねじり試験

ねじり試験は、試験片にねじりの力を加えることでせん断応力を発生させます。

材料が均一な状態でせん断されるため、純粋なせん断応力を得ることが可能です。

ただし、ねじり試験は試験片の準備が難しく、正確な結果を得るためには試験片の形状や加工精度が非常に重要です。

二面せん断試験

二面せん断試験は、試験片を二つの平行な面でせん断することで、せん断強度を測定します。

シンプルで標準的な試験方法ですが、材料の断面が均一に破断することを前提としています。

これらの試験方法を適切に選択し、正確にせん断強度を測定することが高品質な加工を実現する第一歩となります。

材料特性と加工条件の影響

せん断強度は、以下の要因によって変化します。

・材料の組成と結晶構造
・熱処理履歴
・加工硬化の程度
・温度
・ひずみ速度

例えば、冷間加工された材料は加工硬化によってせん断強度が上昇します。

また、高温下では一般的にせん断強度が低下します。

これらの影響を考慮に入れ、加工条件を最適化することが重要です。

金属加工におけるせん断強度の応用

プレス加工での重要性

プレス加工、特に打抜きや剪断加工において、せん断強度は極めて重要な役割を果たします。

適切なせん断強度の理解は、以下の点で役立ちます。

・必要なプレス機の能力決定
・金型の設計と寿命予測
・加工部の品質（バリやだれの程度）の予測

せん断強度を考慮した加工設計の例

①クリアランスの最適化：材料のせん断強度に基づいて金型のクリアランス(パンチとダイの隙間)を調整し、切断面の品質を向上
②段付け加工：せん断強度が高い材料に対して、段階的に加工を行うことで必要な加工力を分散
③温度管理：せん断強度の温度依存性を利用し、加工温度を制御することで加工性を改善

他の金属加工法との比較

せん断加工は、レーザー切断や放電加工などの他の金属加工法と比較し、大量生産に適しています。

しかし材料のせん断強度が高い場合、以下の点に注意が必要です。

・工具の摩耗が早くなる可能性
・加工時のエネルギー消費が増加
・加工部の変形や残留応力が大きくなる傾向

これらの点を考慮し、製品要件や生産効率に基づいた最適な加工法の選択が重要になります。

まとめ

せん断強度は、金属加工、特にプレス加工において極めて重要な材料特性です。

金属加工に携わる技術者や設計者は、せん断強度の基本概念を理解し、実際の加工設計や条件設定に活かすことで、より高度な製品開発や生産プロセスの最適化が実現できます。

常に新しい材料や加工技術が登場する中、せん断強度に関する知識を更新し続けることが、競争力維持のために重要です。

弊社は、曲げ加工を専門に行っている鉄工所です。

他社で不可能と言われた事例がありましたら、ぜひ一度お問い合わせください。