社会の発展に伴い、カスタマイズ製品の需要が高まり、人々は研究を重ねました。そしてついに、板金は様々な形状に加工できる汎用性の高い素材であることが証明されました。この加工は、金属曲げ加工などのシンプルな板金成形工程を用いることで実現されます。板金は、様々な生産目的に必要な形状に成形することが可能です。
これを実現するには、数多くの工程が関わってきます。板金の曲げ加工を学ぶには、それらに関する基本的な理解が不可欠です。この記事では、板金曲げ加工の重要性、板金加工工程における役割、そして板金の曲げ加工方法について説明します。さらに、鋼板の曲げ加工に役立つ重要なヒントもいくつかご紹介します。
目次
金属曲げとは何ですか?
ほとんどの板金部品は、まず特定のサイズに切断し、正しい形状に曲げ、そして組み立てることで作られていることをご存知ですか？そのため、板金加工において重要な役割を担っています。
板金曲げ加工は、平らな金属板を特定の角度または曲線に変形させる加工です。板厚は変化しませんが、最終的な形状は永久塑性変形によって形成されます。通常、プレスブレーキなどの装置を用いて、直線軸に沿って圧力を加え、金属を所定の角度に曲げます。
基本原理を理解するには、まずパンチとダイの構成を理解する必要があります。パンチは力を用いて金属をダイに押し付け、変形させます。一方、ダイは金属を支え、適切な曲げ角度と半径に成形します。
金属曲げはどのように機能しますか?
ステップ1：初期設計
金属曲げ加工は、完成品の詳細な設計図の作成から始まります。CNC曲げ加工には3Dファイルが必要であり、AutoCADやSolidworksなどのアプリケーションで作成できます。そのため、設計では、許容差、リリーフ、スプリングバックなど、さまざまな要素を考慮する必要があります。
オンラインの曲げ計算ツールを使用すれば、設計上の要素と考慮事項を判断できます。さらに、設計においては正確な寸法と許容差を設定する必要があります。
ステップ2: ファイルの準備
ファイルが適切な形式であること、そしてすべてのGD&Tが製造されていることを確認してください。次に、曲げ線インジケータは、エンジニアと技術者が設計について議論する際に重要なツールです。ソフトウェアやファイルの種類に応じて、実線、破線、あるいは別々の色など、さまざまなシンボルで表される場合があります。
ステップ3：曲げ工程
板金は直線軸に沿って曲げられ、所望の角度または曲率を実現します。金型（ダイ、パンチ、プレスブレーキ）は、お客様のニーズと指定角度に合わせて配置してください。この方法では複雑な形状の部品を製造できますが、130°を超える角度は加工できないという制限があります。そのため、曲げ半径は材料と板厚によって異なります。
ステップ4：仕上げ工程
板金加工では、金型の跡や凹凸など、表面に様々な美観上の欠陥が残ります。これを改善するには、適切な表面処理を施す必要があります。例えば、塗装、粉体塗装、サンドブラスト、メッキなどが挙げられます。ただし、表面が性能に影響を与えず、美観を重視しない場合は、そのままにしておくことも可能です。
金属曲げ加工の種類
板金曲げ加工は、金属構造を必要な形状に変形させることを最終目標とする点で共通しています。しかし、その動作は異なります。板金の曲げ加工方法を理解するには、材料の厚さ、曲げサイズ、曲げ半径に関する知識が必要です。さらに、部品の用途によっても加工方法は異なります。
ここで概説した方法は、板金の曲げ加工方法を説明します。さらに、最良の結果を得るために適切な加工方法を選択する際にも役立ちます。板金の曲げ加工で最もよく使用される加工方法は以下の通りです。
V字曲げ
これは最も一般的に使用される板金曲げ方法です。パンチとVダイを用いて、板金を所定の角度に曲げます。工程全体を通して、曲げパンチはVダイの上に置かれた板金を押さえつけます。
板金に生じる角度は、パンチの圧力点によって決まります。これにより、鋼板の位置を変えずに曲げ加工できるため、手順がシンプルかつ効率的になります。
V 曲げ方法には次の 3 つの種類があります。
底打ち
ボトミングはエアベンディングに似ていますが、パンチがシートをダイに押し込み、中空面に完全に当たるまで押し込む点が異なります。この工程により、エアベンディングに伴うスプリングバックのリスクという欠点を解消できます。
さらに、プライミングは変形力を高めるため、より重いパンチを使用する必要があります。重要なのは、加工完了後もシートを短時間保持できることです。さらに、VダイおよびVダイにも対応しています。
さらに、この工程は他の工程とは異なり、正確なトン数管理を必要としないため、より正確です。そのため、古くて精度の低いパンチやプレスブレーキでもボトミングを行うことができます。
鋳造
コイニングとは、高圧下でパンチとダイの間にシートを挟み込む加工方法です。これにより、スプリングバックの影響を最小限に抑えながら、正確な曲げ角度が得られます。
エンボス加工は精度が高いものの、より大きなトン数を必要とします。また、この工程のサイクルタイムは他の工程よりも長くなります。
エアベンディング
エアベンディング、または部分曲げは、ボトミングやコイニングに比べると精度は劣りますが、そのシンプルさと操作の容易さから広く用いられています。器具を必要としないためです。しかし、エアベンディングは板金の反りの原因となる場合があります。
エアベンディングでは、パンチがダイ開口部の両端に載置された板金に力を加えます。V曲げ加工では、板金がダイの底部に接触しないように、プレスブレーキが頻繁に使用されます。
ロール曲げ
ロール曲げ加工は、2つ、3つ、または4つのローラーを用いて金属板を所望の曲線に成形する方法です。最も一般的な設計は3ローラー構成で、3つのローラーが三角形状に配置されています。上部のローラーは調整可能で、他の2つのローラーは固定されています。
金属板は上部ローラーと2つの固定ローラーの間に案内されます。2つの固定ローラーが回転しながら板を掴み、調整ローラーが下向きの圧力をかけることで、所定の曲線が得られます。4つのロール構成には、さらなるサポートのための追加ローラーが含まれており、高負荷用途に最適です。
このプロセスは、板金加工において円筒形や円錐形、チューブ、シリンダー、タンク、圧力容器、パイプなどの構造物を作成するために一般的に使用されます。
ワイプベンディング
ワイピング曲げまたはエッジ曲げは、ワイピングダイとパンチを用いて行います。シートはダイと保持パッドの間に挟まれ、曲げ加工する部分が露出します。その後、パンチまたはワイピングフランジが下降し、部品のエッジを適切な角度に押し込みます。この方法は、小型の成形品を製造する際にプレスブレーキを使用する代わりに最適な方法です。
この方法により、エッジの全側面を同時に成形できるため、生産性が大幅に向上します。さらに、変形部分における表面割れの発生確率も低くなります。
回転曲げ
チューブやパイプの曲率は1度から180度の範囲にあるのが一般的です。しかし、これは板金の曲げ加工に限ったことではありません。この工程では、曲げダイ、クランプダイ、そして加圧ダイを使用します。曲げダイとクランプダイはワークを所定の位置に保持し、加圧ダイは自由端から基準位置に接線方向の圧力をかけます。この工程では、回転ダイを必要な位置と半径まで回転させます。さらに、チューブやパイプの内側には「マンドレル」が挿入されますが、これは板金加工では必要ありません。
この金属成形法は、平板から曲線形状を製造するのに適しています。また、管材成形にも広く利用されています。工程をより細かく制御できるため、正確で精密な半径を維持できます。±0.5°の許容誤差を容易に達成できます。必要なトン数は50%から80%以下であるため、金属表面のひび割れなどの問題が起こりにくくなります。
金属曲げに使用できる材料
曲げ加工に適した金属や合金には様々な種類があります。しかし、それぞれの材料の質量によって、トン数や反発力などの変数が決まります。そのため、幅広い材料選択肢の中から、求められる機能や性能に最適な材料をお選びいただけます。
さらに、製造可能な金属板の最大厚さは、使用する材料によって異なります。例えば、アルミニウムはチタンよりも成形性が高く、より厚い板に成形できます。
ステンレス鋼
ステンレス鋼は、高い強度、硬度、耐食性を備えた汎用性の高い材料です。さらに、小径部品の成形にも最適です。304、316、430など、様々なグレードのステンレス鋼が広く利用されています。ステンレス鋼は硬度が高いため、成形にはより高い圧力が必要となり、精度を確保するにはスプリングバック効果を慎重に考慮する必要があります。
鋼鉄
A36、1018、4140などの鋼合金種は、高い引張強度、耐久性、コスト効率、そして適応性から、金属曲げ加工に広く使用されています。鋼は複雑な加工には熱処理が必要となる場合もありますが、ステンレス鋼よりも加工が容易です。さらに、軟鋼は特に成形が容易です。
アルミニウム
アルミニウムは延性があり、様々な形状や曲線に容易に成形できます。優れた耐食性と強度対重量比を備えています。アルミニウム曲げ部品は、航空宇宙、自動車、電子機器の分野で広く利用されています。しかし、特に半径が小さい場合、破損しやすい場合があります。
真鍮
真鍮は展性と導電性に優れ、鋼鉄よりも曲げやすい材料です。CZ129/CW611Nなど、様々なグレードの真鍮が板金加工に日常的に使用されています。真鍮は成形が容易で導電性に優れているため、電気、熱、配管などの用途で広く使用されています。
銅
銅は柔らかい物質であり、板材は簡単に曲げることができます。しかし、表面の損傷やひび割れを防ぐため、慎重に、そして適切な力で取り扱う必要があります。さらに、銅は光沢のある外観を持つことから、電気機器などの用途で広く使用されています。
板金曲げ加工の主要概念
板金曲げ加工には様々な概念が存在します。例えば、加工後の寸法に組み込む設計上の考慮事項などです。本題に入る前に、関連する用語をいくつか確認しておきましょう。
- 中立軸中立軸とは、力を加えても伸びたり圧縮されたりしない金属板内の仮想的な線です。
- 緊張地帯張力ゾーンは、曲げの外側で金属が伸びる領域です。
- 圧縮ゾーン圧縮ゾーンは、曲げの内側で金属が圧縮される領域です。
- 曲げ線: 板金を曲げる部分。
- フランジ長さ: 曲げから伸びるまっすぐな部分と平らな部分の長さ。
重要な概念は次のとおりです。
曲げ半径
板金を曲げ加工する際に形成される曲げ半径です。すべての設計はこの重要な変数から始まります。寸法精度、最終的な強度、形状、そして構造の完全性に大きな影響を与えます。
この半径の最小値は、材料の種類と厚さによって決まります。つまり、非常に小さな半径で板金を曲げることはできない、という制限があります。通常、半径は板厚以上である必要があります。
最小曲げ半径(R分)= 厚さ(t)。
ベンド控除
曲げ加工により材料に歪みが生じるため、平面部全体の長さは加工後にわずかに短くなります。そのため、平面部全体の長さを計算するには、曲げ加工から一定の長さを差し引きます。これは曲げ加工からの減寸と呼ばれます。つまり、必要な寸法を得るために、平面板金の全長から減寸しなければならない材料の量を指します。つまり、適切な平面部の長さを得るためには、ある長さを差し引く必要があるということです。
曲げ控除 = 2倍（外側セットバック - 曲げ許容値）
設計において減寸を考慮することは、部品の長さやその他のパラメータを正しく確保するために不可欠です。さらに、板金のゲージ（厚さ）、半径、材料の種類も減寸量に影響します。
曲げ許容値
曲げ代とは、板金の伸縮と曲げに対応するために割り当てられる空間を指す製造用語です。板金が元の平面形状から加工されると、物理的な寸法が変化します。加工時に加えられる力によって、材料は内側と外側の両方で圧縮と伸縮を引き起こします。
この変形により、曲げ部に作用する圧縮力と伸張力の結果として、板金の全体の長さが変化します。しかし、圧縮された内側の面と応力を受ける外側の面の厚さから計算される長さは一定です。これは「中立軸」で表されます。
余裕度は、板金の厚さ、角度、曲げ方法、そしてK係数を考慮に入れます。K係数は通常、材料の伸び定数を推定するために使用されます。これは、曲げの内側の圧縮と外側の張力の比を表します。
板金の内側表面は圧縮され、外側表面は膨張します。そのため、板金を曲げてもK係数は変化しません。K係数（通常0.25～最大0.5）は、設計変数の計算における制御値として使用されます。これは、板金断面をトリミングする前に必要な材料を正確に決定するのに役立ちます。さらに、板金の曲げ半径の計算にも役立ちます。
Kファクター
これは、板金曲げ設計におけるもう一つの重要な特性です。K係数は、様々な曲げ板金形状を特徴づけ、必要な許容値などの他の設計パラメータの計算に役立ちます。K係数は、「中立軸が元の位置から移動した長さと板厚の比」として定義されます。値の範囲は0から1です。例えば、0.2は、中立軸が板厚の20%だけ移動することを示します。また、推奨値は材料の種類と曲げ半径によって異なります。
K係数は、曲げの内側と外側で材料がどの程度伸びて膨張したかを示します。したがって、平面長に関連する設計パラメータを計算することが重要です。
曲げ緩和
リリーフとは、曲げ加工の端部に施す小さな切り込みのことで、材料の歪みや裂けを防ぎます。完成品や製品の構造的な完全性と精度を保つために不可欠です。切り込み、穴、切り欠きなどを入れることができます。
一つのエッジから次のエッジまでの直線曲線については考慮する必要はありません。エッジ以外の平らな材料から分離する必要があるかどうかのみを検討してください。圧縮された材料の直後に材料がある場合は、平らな材料を調整する必要があるためです。
計算のルール:
レリーフの最小幅と深さは、それぞれ厚さ(t)/2と厚さ(t)+曲げ半径(R)+0.5mmに等しくなります。
もう一つの類似した概念は、コーナーリリーフです。これは、曲げ線の接合点で切り取る必要がある長さです。そのため、コーナーでは、適切な位置合わせを確保し、材料の破れを防ぐために、切り欠きを設けることを検討する必要があります。
スプリングバック
金属板の最終的な形状は、通常、力が加えられてから解放されると変化します。金属を正確な曲線に曲げた後に収縮し、寸法精度が損なわれる場合があります。そのため、設計上は、元の形状に戻すための調整が必要になります。
この現象を理解するには、まず永久変形と弾性変形の概念を理解する必要があります。弾性変形は形状を維持しようとするのに対し、永久変形は変形した形状を一定に保ちます。曲げ線周辺の弾性変形した材料の一部は、元の形状に戻ろうとするため、スプリングバックが発生します。スプリングバックは、使用されるプロセス、半径、材料の品質などの要因によっても影響を受けます。
曲げシーケンス
一枚の板材に複数の曲げ加工を干渉や歪みなく施す、系統的なアプローチです。曲げ加工の順序は、曲げ加工をサイズと複雑さに応じて分類することを含みます。従来の順序は、大きく単純なものから始まり、徐々に複雑なものへと進んでいきます。この順序付けは金型と工具にも関連しており、適切な工具（金型とプレスブレーキ）を用いて実現可能でなければなりません。
木目方向
内部的には、すべての金属組織は結晶格子、つまり原子構造が繰り返し配列した構造をしています。その結果、結晶粒は金属内部に特有の結晶領域となります。これらの結晶粒の配向と形状は、材料や成形方法（鍛造、鋳造など）によって異なる場合があります。
プレスブレーキング時の破損リスクを軽減するため、角度や曲率の狭い箇所では、木目方向を考慮してください。また、割れを防ぐため、木目方向は曲げに対して垂直である必要があります。
板金曲げ部品の設計に関する実践ガイドライン
板金設計における単純な見落としやミスが、曲げ加工時に問題を引き起こすことがあります。その結果、あらゆる特徴や細部が最終製品全体の品質に影響を与えます。ここでは、実用的な設計のヒントをいくつかご紹介します。
均一な厚さを維持
ワークシートの厚さは断面全体にわたって均一でなければなりません。均一でないと曲げ半径が不均一になり、割れや反りが発生する可能性が高くなります。通常、0.5～6mmの均一な厚さを選択できます。
曲げ半径と方向
最小曲げ半径には制限があり、材料の種類と厚さによって異なります。「最小半径は少なくとも板厚と等しい必要がある」というのが一般的な目安です。曲げ線に沿って一定の半径を維持し、同一平面上に維持してください。
連続した曲がり角を避ける
曲げ部を狭く設計すると、位置合わせの問題や残留応力の増加につながる可能性があります。そのため、曲げ部と曲げ部の間には、少なくとも板厚の3倍以上の適切な間隔が必要です。これにより、金属部品の曲げ加工に伴う問題を防止できます。
曲げ緩和を使用する
曲げが端に近い場合、強い力によって破れたり砕けたりする可能性があります。これを防ぐには、曲げの始端と終端に小さな切り込みやノッチなどの緩和策を施してください。
適切な穴とスロットの配置
設計に穴やスロットを組み込む場合は、それらの配置に注意する必要があります。例えば、サイズや曲げからの距離などです。穴が曲率線に近すぎると、材料が歪む可能性があるためです。Tは板厚、Rは曲げ半径を表します。
- 最小距離（曲げから穴までの距離）は2.5 t + Rに等しい
- 最小距離（スロットから穴まで）= 4t + R
- 最小距離（エッジから穴まで） = 3t
- 最小穴半径（r min.）は0.5 tに等しい
皿穴設計
これらの機能は、機械加工またはプレスブレーキによる打ち抜き加工によって実現できます。設計におけるこれらの配置については、様々なガイドラインがあります。
- 最大深度は0.6トン
- 曲げからの最小距離: 3t
- 端からの最小距離：4t
- 2つの皿穴間の距離は8tに等しい
正しいカール寸法
カールとは、金属板の端面を円形のロール（中空部分）に曲げる加工方法です。これは、鋭利さを避けながら端面の強度を保つために使用されます。カール加工を施す際には、以下の点にご留意ください。
- 最小外半径は2t
- 最小距離（曲げからカールまで）はカール半径+6tに等しい
- 最小距離（穴からカールまで）は、カール半径の2倍にtを加えた値に等しい。
- 最後に、カールと他の機能の間には重複はありません
裾のデザイン
ヘムとは、板金材の折り返した端のことで、開閉できます。2つのヘムを繋ぐことで留め具として機能する場合もあります。以下の条件を満たしながら板金材を曲げてください。
- 最小内半径は0.5 t
- 閉じた裾の最小戻り長さ: 4t
- 裾の最小折り返し長さ: 4t
- 曲げの内側の端から裾の外側の端までは、5t + 裾の半径の式を使用します。
フランジと面取りの設計
フランジとは、板金製品の本体から通常90°に伸びるエッジのことです。設計にフランジが含まれる場合は、以下の寸法制限を考慮してください。
- 最小フランジ長さは4t
- 最小曲げ半径はt
- 最小曲げからフランジまでの距離は2t
タブとノッチ
接合に最もよく使用される板金部品は、タブとノッチです。タブは端面を少し延長したもので、ノッチは小さな切り欠きです。これらの部品を正しく配置しないと、材料を弱める可能性があります。以下の設計ルールを考慮してください。
- 最小曲げからノッチまでの距離は3t + 半径（R）に等しい
- ノッチ間の最小距離: 3.18 mm。
- 最小ノッチ長さは2t
- 最小ノッチ幅は1.5t
- タブとノッチの最大長さは、タブの幅（w）の5倍に等しい
- ノッチコーナーの半径は0.5 t
板金曲げのヒント
鋼材の曲げ加工は複雑に見えるかもしれませんが、いくつかのポイントを押さえれば簡単にできるかもしれません。以下に、手順に役立つヒントをいくつかご紹介します。
スプリングバックに注意
板材を曲げる際には、規定の角度を超えて曲げる必要があります。これは、板材には元の位置に戻ろうとする弾性力があるためです。そのため、このような状況に備えて、目標位置よりも少しだけ高い位置まで曲げる余裕を持たせる必要があります。
板金の延性は十分ですか?
板金を鋭角に曲げると破損する可能性が高くなります。そのため、可能な限り曲げを避ける必要があります。すべての材料が鋭角への曲げに耐えられるほど柔軟ではないため、鋼板のゲージを評価することをお勧めします。
プレスブレーキを常に活用する
可能であれば、必ず曲げ機を使用してください。曲げ機は板金の曲げを支え、よりきれいに仕上げることができます。さらに、曲げ機を使用することで、板金の曲げパターンが均一になります。
プロセスポジションホールを忘れないでください
曲げ要素に加工位置穴を開けることで、板金が金型内で正確に位置決めされます。これにより、曲げ加工中に板金がずれるのを防ぎ、多数の板金加工において正確な結果が得られます。
曲げ許容値
板金の曲げ加工方法を理解するには、曲げ代を計算する必要があります。これにより、より正確な数値が得られ、完成品の精度が保証されます。
結論
オーダーメイド製品への需要は今後も衰えることはないでしょう。そして、ユニークな金属製品には、板金曲げ加工の知識が不可欠です。そこで、このエッセイでは、板金とは何か、その重要性、そして板金を希望の形状に曲げる方法について知っておくべきことについて解説しました。
プロセスを学ぶだけでは不十分です。自分で試すことができないため、この技術は特に高度なものではありません。Yonglihao Machinery's 金属曲げサービス一方、品質と迅速性を重視するお客様にとっては、まさに金鉱となるかもしれません。当社のエンジニアリングサポートをご利用いただくことで、お客様のアイデアを迅速に実現し、競争優位性を獲得することができます。
よくある質問
板金を曲げるのに最適な方法は何ですか?
最適な板金曲げ加工方法を選ぶのは難しい場合があります。これは、それぞれの加工方法がそれぞれ異なる目的と形状を実現することを意図しているためです。例えば、エアベンディングは柔軟性が高く、様々な材料に使用できるため、幅広い用途に最適です。
一方、ボトミングは精度が高く、厳しい公差が必要な場合に適しています。ロール曲げは、円筒形製品の製造など、大きな半径の曲線を作成するためによく使用されます。したがって、最適な曲げ方法は、材料の用途と必要な形状によって決まります。
板金は簡単に曲がるのでしょうか?
板金の曲げ加工は少し難しいかもしれません。しかし、手順を明確に理解すれば、非常に簡単です。必要な工具と道具を理解しておく必要があります。この記事を読んで、工程について詳しく理解してください。また、Yonglihao Machineryまでお問い合わせください。あらゆるご質問にお答えします。
板金曲げ加工の利点は何ですか?
曲げ加工の主な利点は、ジョイントを必要とせずに複雑な部品を設計できることです。さらに、精度が高く、コストも低く、柔軟性も高いため、様々な産業向けに強度と耐久性に優れた部品を製造できます。
板金曲げ加工の欠点は何ですか?
金属の曲げ加工には特殊な設備と工具が必要です。そのため、段取りコストが上昇します。また、材料によっては曲げ応力を受けると破損する恐れがあります。さらに、残留応力が発生し、構造の完全性が損なわれる可能性があります。