曲げ加工（金属加工）

曲げ加工は、延性材料、最も一般的には板金において、直線軸に沿ってV字型、U字型、または溝型の形状を作り出す製造プロセスである。^{[1]一般的に使用される装置には、}ボックスブレーキ、パンブレーキ、ブレーキプレス、およびその他の特殊な機械プレスがある。このようにして作られる典型的な製品は、電気筐体や長方形のダクトなどの箱である。

プレスブレーキ成形では、ワークピースをダイブロック上に配置し、パンチでシートをダイブロックに押し込んで形状を形成します。^{[1]通常、曲げ加工では}引張応力と圧縮応力の両方を克服する必要があります。曲げ加工を行うと、残留応力によって材料が金属板は元の位置に戻るため、適切な曲げ角度にするには、曲げすぎなければなりません。 戻る量は、材料と成形の種類によって異なります。 金属板を曲げると、長さが伸びます。曲げの減少は、曲げの外側の端から測定して、曲げたときに金属板が伸びる量です。曲げ半径は、内側の半径を指します。 成形された曲げ半径は、使用する金型、材料の特性、および材料の厚さによって異なります。

Uパンチは1つのパンチでU字型を形成する。^[1]

プレスブレーキの曲げには 3 つの基本的なタイプがあり、それぞれエンドツールの位置と材料の厚さの関係によって定義されます。これら 3 つは、エアベンディング、ボトミング、コイニングです。これら 3 種類の曲げのツールの構成はほぼ同じです。曲げの内側のプロファイルを配置する丸みを帯びた先端を持つ長いレール フォーム ツールを備えたダイは、パンチと呼ばれます。パンチは通常、クランプによってマシンのラムに取り付けられ、曲げ力を生成するために移動します。フォームの外側のプロファイルを配置する凹型または V 字型の縦方向のチャネルを持つ長いレール フォーム ツールを備えたダイは、ダイと呼ばれます。ダイは通常、固定されており、マシンのベッド上の材料の下に配置されます。場所によっては、2 つの異なる種類のダイ (パンチとダイ) を区別しないことに注意してください。記載されている他の種類の曲げでは、特別に設計されたツールまたはマシンを使用して作業を実行します。

この曲げ加工法では、パンチ (上部ダイまたはトップダイとも呼ばれる) を材料に押し込み、プレス機に取り付けられた下部 V ダイに押し込むことで材料を成形します。パンチは、パンチと V の側壁の間の距離が材料の厚さ (T) よりも大きくなるように曲げを形成します。

底部のダイには、V 字型または四角形の開口部を使用できます (ダイはツールまたは工具と呼ばれることがよくあります)。空気曲げでは曲げに必要な力が小さいため、他の方法よりも小さいツールを使用する傾向があります。

新しい下部ツールの中には調整可能なものもあり、上部ツールと下部ツールの1セットを使用してプレスストロークの深さを変えることで、さまざまなプロファイルや製品を製造できます。さまざまな材料と厚さをさまざまな曲げ角度で曲げることができるため、エアベンディングに柔軟性という利点が加わります。ツールの交換も少なくなるため、生産性が向上します。^[2]

エアベンディングの欠点は、シートが金型と完全に接触しないため、他の方法ほど正確ではなく、ストロークの深さを非常に正確に維持する必要があることです。材料の厚さの変動やツールの摩耗により、製造された部品に欠陥が生じる可能性があります。^[2]したがって、適切なプロセスモデルを使用することが重要です。^[3]

エアベンディングの角度精度は約±0.5度です。角度精度は、V開口部の幅に値を適用することで確保されます。値は、厚さ3mmまでのシートでは6T（材料の厚さの6倍）、厚さ10mmを超えるシートでは12Tです。スプリングバックは材料特性に依存し、結果として生じる曲げ角度に影響を与えます。^[2]

材料特性によっては、スプリングバックを補正するためにシートを過度に曲げる場合がある。^[4]

エアベンディングでは、底部のツールがパンチと同じ半径である必要はありません。曲げ半径はツールの形状ではなく、材料の弾性によって決まります。^[2]

エアベンディングは柔軟性が高く、必要なトン数が比較的少ないため、この方法が人気を集めています。この方法に伴う品質の問題は、角度測定システム、X軸とY軸に沿って調整可能なクランプとクラウンシステム、耐摩耗性ツールによって解決されます。^[2]

以下に示す K 係数の近似値は、成形プロセスに関係する力が低いため、他の種類の曲げよりも空気曲げのほうが正確である可能性が高くなります。

ボトミングでは、シートは下部ツールの V 字型開口部に押し付けられます。U 字型開口部は使用できません。シートと V 字型開口部の底部の間にはスペースが残されます。V 字型開口部の最適な幅は、約 3 mm 厚のシートの場合は 6 T (T は材料の厚さ)、12 mm 厚のシートの場合は最大約 12 T です。曲げ半径は、鋼板の場合、少なくとも 0.8 T から 2 T である必要があります。曲げ半径が大きい場合、ボトミングにはエアベンディングとほぼ同じ力が必要ですが、半径が小さい場合は、エアベンディングよりも最大 5 倍の大きな力が必要です。ボトミングの利点は、精度が高く、スプリングバックが少ないことです。欠点は、曲げ角度、シートの厚さ、材料ごとに異なるツールセットが必要になることです。一般的に、エアベンディングが推奨される手法です。^[2]

コイニングでは、上部ツールが空気曲げの 5 ～ 30 倍の力で材料を下部ダイに押し込み、シート全体に永久変形を引き起こします。スプリングバックはほとんど発生しません。コイニングでは、V 開口部の幅が 5 T で、内側の半径が 0.4 T まで小さくなります。コイニングでは高精度を実現できますが、コストが高いため、あまり使用されません。

3 点曲げは、サーボ モーターで動かされる高さ調節可能な下部ツールを備えたダイを使用する新しいプロセスです。高さは 0.01 mm 以内で設定できます。ラムと上部ツール間の調整は油圧クッションを使用して行われ、シートの厚さの偏差に対応します。3 点曲げでは、0.25 度の精度で曲げ角度を実現できます。3 点曲げは柔軟性と精度が高いですが、コストが高く、すぐに使用できるツールも少なくなります。主に高価値のニッチ市場で使用されています。^[2]

折り曲げ加工では、クランプビームがシートの長い側を保持します。ビームが上昇し、シートを曲げプロファイルに沿って折り曲げます。曲げビームはシートを上下に動かすことができるため、正と負の曲げ角度を持つ部品の製造が可能になります。結果として生じる曲げ角度は、ビームの折り曲げ角度、ツールの形状、および材料の特性によって左右されます。このプロセスでは大きなシートを扱うことができるため、操作を簡単に自動化できます。シートの表面が損傷するリスクはほとんどありません。^[2]

ワイピングでは、シートの最長端をクランプし、ツールを上下に動かして、曲げプロファイルに沿ってシートを曲げます。折り曲げよりも速いですが、ワイピングではツールがシートの表面上を移動するため、シートに傷を付けたり、その他の損傷を与えたりするリスクが高くなります。鋭角が生成されるとリスクが高まります。^[2]

この方法では通常、スプリングバックを克服するために、材料の底部またはコイニングでエッジを固定します。この曲げ方法では、底部のダイの半径によって最終的な曲げ半径が決まります。

ロータリー曲げはワイピングに似ていますが、上型は自由に回転するシリンダーで作られ、その中に最終的な成形形状が切り込まれ、それと一致する下型があります。シートと接触すると、ロールは 2 点で接触し、成形プロセスでシートが曲げられると回転します。この曲げ方法は、通常、塗装済みまたは傷がつきやすい表面に適した「跡が残らない」成形プロセスと見なされます。この曲げプロセスでは、標準的なプレス ブレーキ プロセスで 1 回のヒットで 90° を超える角度を生成できます。

ロール曲げ加工により、棒材や板材のワークピースに曲線が形成されます。適切な事前パンチング代が必要です。

この方法では、底部の V 字ダイの代わりにウレタンまたはゴムの平らなパッドを使用します。パンチが部品を形成すると、ウレタンがたわみ、材料がパンチの周囲に形成されます。この曲げ方法には、いくつかの利点があります。ウレタンが材料をパンチに巻き付け、最終曲げ半径はパンチの実際の半径に非常に近くなります。傷を付けずに曲げることができ、塗装済みの材料や敏感な材料に適しています。半径ルーラーと呼ばれる特殊なパンチを使用し、ウレタンの領域を解放すると、180° を超える U 字曲げを 1 回のヒットで実現できます。これは、従来のプレス ツールでは不可能なことです。ウレタン ツールは消耗品と見なす必要がありますが、安価ではありませんが、専用のスチール ツールに比べるとコストは数分の 1 です。この方法には欠点もあります。この方法では、ボトミングやコイニングと同様のトン数が必要であり、曲がったフランジの端が曲げと平行ではなく、ウレタン パッドに噛み合うほど短い、不規則な形状のフランジには適していません。

ジョグリング^[5]は、ジョグル曲げとも呼ばれ、オフセット曲げ加工の一種で、等しい角度の2つの反対の曲げを1回の動作で形成して小さなS字型の曲げプロファイルを作成し、曲げられていない面と結果のフランジの間に通常5材料の厚さ未満のオフセットを作成します。^[6]多くの場合、オフセットは1材料の厚さであり、1枚の材料の端が他の材料の上に重ねられた重ね継ぎを可能にします。

これらの数式にはさまざまなバリエーションがあり、オンラインで簡単に入手できます。これらのバリエーションは互いに矛盾しているように見えることがよくありますが、それらは常に同じ数式を簡略化または組み合わせたものです。ここで示すのは簡略化されていない数式です。すべての数式では次のキーを使用します。

• Lf = シートの平らな長さ
• BA = 曲げ許容量
• BD = 曲げ減点
• R = 内側曲げ半径
• K = K係数、つまりt / T
• T = 材料の厚さ
• t = 内面から中性線までの距離^[7]
• A = 曲げ角度（材料が曲げられる角度）

中立線（中立軸とも呼ばれる）は、ワークピースの断面に引くことができる仮想的なプロファイルであり、引張応力も圧縮 応力も存在しないがせん断応力が最大となる位置を表します。曲げ領域では、中立線と内側半径の間の材料は曲げ中に圧縮され、中立線と外側半径の間の材料は曲げ中に張力を受けます。材料内の中立線の位置は、部品の成形に使用される力と材料の降伏強度および引張強度の関数です。この理論的な定義は、曲げ部品の断面内の曲げられていないフラットパターン形状を表す平面の幾何学的定義とも一致します。さらに、エア曲げにおける曲げ代（以下を参照）は、主に下型の開口部の幅に依存します。^[8]結果として、曲げプロセスは一見したよりも複雑です。

曲げ控除と曲げ許容差はどちらも、中立線または曲げられていないフラット パターン(曲げる前の材料の必要な長さ) と形成された曲げとの差を表します。両方のフランジの合計長さからこれらを差し引くと、フラット パターンの長さが得られます。どちらを使用するかは、下の 2 つの図に示すように、フランジを定義するために使用される寸法設定方法によって決まります。フラット パターンの長さは、幾何学的変換により、すべてのフランジ長さの寸法の合計よりも常に短くなります。これにより、曲げ中に材料が伸び、曲げ控除と曲げ許容差が各曲げの伸びる距離であるという一般的な見方が生じます。これは便利な見方ですが、関係する数式と応力を注意深く調べると、これが誤りであることがわかります。

ほとんどの3DソリッドモデリングCADソフトウェアには、これらの計算を自動的に実行する板金機能またはアドオンが備わっています。^[9]

曲げ許容差( BA) は、あらゆる材料の曲げの接点間の中立線の円弧の長さです。図の B で寸法指定された各フランジの長さを BA に追加すると、フラット パターンの長さが得られます。この曲げ許容差の式は、曲げが 1) 半径の中心、2) 半径の接点 (B)、または 3) 鋭角曲げの半径の外側の接点 (C) から寸法指定されている場合に、フラット パターンの長さを決定するために使用されます。外側の接点に寸法指定されている場合は、曲げ許容差を追加する前に、材料の厚さと曲げ半径を差し引いて、半径の接点までの寸法を求めます。

BAは経験的K係数を組み込んだ次の式を使用して推定することができます。^[10]

${\displaystyle BA=A\left({\frac {\pi }{180}}\right)\left(R+(K\times T\right))}$

曲げ減算 BD は、フランジ長さの合計 (端から頂点まで) と初期フラット長さの差として定義されます。

外側セットバック（OSSB）は、半径の接点から曲げ外側の頂点までの長さです。曲げ減算（BD）は、外側セットバックの2倍から曲げ許容値を引いたものです。BDは次の式で計算されます。ここで、Aはラジアン単位の角度（=度*π/180）です。^[11]

${\displaystyle BD=2\left(R+T\right)\tan {\frac {A}{2}}-BA}$

90 度の曲げの場合、この式は次のように簡略化されます。

${\displaystyle BD=R\left(2-A\right)+T\left(2-KA\right)}$

K 係数は、中立線の位置と材料の厚さの比率で、t/T で定義されます。ここで、t は中立線の位置、T は材料の厚さです。K 係数の式は、成形応力を考慮せず、単に力を加えた後の中立線の位置を幾何学的に計算したもので、特定の設定におけるすべての未知の (誤差) 要因をまとめたものです。K 係数は、材料、曲げ操作の種類 (コイニング、ボトミング、エアベンディングなど)、ツールなど、多くの変数によって決まりますが、通常は 0.3 ～ 0.5 です。

次の式はK係数と曲げ許容差を関係づける：^[12]

${\displaystyle K={\frac {-R+{\frac {BA}{\pi A/180}}}{T}}.}$

以下の表は「経験則」です。実際の結果は大幅に異なる場合があります。

空気曲げの K 係数の 近似値として、表の代わりに次の式を使用できます。

${\displaystyle K={\frac {\log \min \left(100,{\frac {\max(20R,T)}{T}}\right)}{2\log 100}}.}$

曲げ加工は、少量から中量の生産に使用した場合、コスト効率の高いニアネットシェイプ加工です。部品は通常軽量で機械的特性に優れています。欠点は、一部の加工法が材料特性の変動に敏感であることです。たとえば、スプリングバックの違いは、結果として生じる曲げ角度に直接影響します。これを緩和するために、さまざまな工程内制御方法が開発されています。^[13]他のアプローチには、ブレーキ成形と増分成形を組み合わせる方法があります。^[14]

大まかに言えば、各曲げはセットアップに対応しています（ただし、複数の曲げが同時に形成されることもあります）。セットアップの数が比較的多いことと曲げ中の幾何学的変化により、セットアップ計画中に事前に許容誤差や曲げ誤差に対処することは困難ですが、いくつかの試みが行われています^[15]

• 曲げ（力学）
• チューブ曲げ
• プレスブレーキ
• ブレーキ（板金曲げ）
• 曲げ機械（製造）
• 裾上げと縫い合わせ
• 自動車のヘミング

• ベンソン、スティーブ D.プレスブレーキ技術: 精密板金曲げガイド。製造技術者協会、1997 年。ISBN 978-0-87263-483-1 
• トッド、ロバート H.; アレン、デル K.; アルティング、レオ (1994)、製造プロセスリファレンスガイド、インダストリアルプレス社、ISBN 0-8311-3049-0。
• https://prestigemetals.com/metal-bending-technology/

• ラタン、ポール。「曲げが簡単になる」Fabricating & Metalworking、2010 年 2 月。
• 曲げ許容値と減点計算機