このガイドでは、主要な板金曲げ加工技術の概要、その利点と欠点、製品設計上の考慮事項について解説するとともに、実用的なツールと材料の選定についても詳しく説明します。最も経済的な板金曲げ加工プロセスを検討することで、よくあるミスや無駄を回避し、DFMプログラムにとってより満足のいく設計ソリューションを実現するための技術をより効果的に活用できます。技術記事についてご不明な点やご質問がございましたら、お気軽に弊社のオンラインエンジニアチームまでお問い合わせください。皆様と深く議論し、意見交換できることを心待ちにしております。
板金曲げとは？
CNC板金曲げ加工は、薄板材料を成形する製造プロセスです。多くのエンジニアは、板金曲げ加工プロセスの柔軟性とコスト効率を過小評価しています。板金加工分野において、曲げ加工は、平らな板金材料を金型の力で塑性変形させ、特定の角度と形状の部品を得る重要なプロセスです。曲げ加工は、シンプルなブラケットから複雑なシャーシシェルまで、様々な業界で広く使用されており、曲げ技術の応用と切り離すことはできません。
このプロセスはCNC曲げ加工機によって完全に自動化されており、非常に効率的なバッチ生産を誇ります。そのため、高価な成形ツールへの投資を必要とせず、非常に短期間で大量の製造注文に対応できます。高い再現性と柔軟性を備えた板金曲げ加工プロセスは、数百から数千単位の中規模バッチ生産に広く利用されています。
板金曲げ加工技術は、広く用いられている板金成形プロセスであり、金属部品の開発者、設計者、エンジニアなどにとって好ましい製造ソリューションとしてよく利用されています。レーザー切断技術と板金曲げ加工技術を組み合わせることで、中量から少量生産の幅広い製造ソリューションに適用でき、特に少量から中量生産やラピッドプロトタイピングプロジェクトに最適な選択肢となります。
カスタマイズされた板金曲げ加工技術を十分に理解することは、製品設計において非常に役立ちます。製品設計エンジニアがこの技術を柔軟に活用できれば、多様な構造や複雑な形状に対応した製品設計ソリューションを費用対効果の高い方法で実現できます。精密に切断、曲げ加工、溶接された金属板を複数の部品や完成品に加工することで、コスト削減、強度向上、軽量化、生産効率の向上といった点で比類のないメリットが得られます。
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板金曲げの種類
使用されるさまざまな成形方法とツールに応じて、一般的な板金曲げ技術は、V曲げ、U曲げ、および多重曲げに分類でき、それぞれの原理、特徴、適用分野、および相互の比較を検討できます。
V曲げ：最も広く使用されている曲げ方法
V曲げの原理： V曲げは、曲げ加工機のV字型上型（パンチ）とV字型下型（凹型）を使用し、上型を下方へ移動させることで、板金材料をV字型凹型内で曲げ変形させ、必要な角度（鋭角、直角、鈍角）と形状の曲げ部品を得る、最も広く使用されている曲げ加工方法です。
V字曲げの特徴： V字曲げは、用途が広く、装置がシンプルで操作が簡単、低コストという利点がありますが、材料の反発効果と補正も考慮する必要があります。さまざまな角度の曲げを実現でき、ほとんどの板金部品の曲げニーズに適しており、必要な装置は通常、曲げ機とV字型金型一式だけで、操作者の技術要件は高くありません。
V字曲げ加工の応用例： V字曲げ加工は、シャーシキャビネット（コンピュータ、サーバーキャビネット、配電盤などの筐体）、家電製品（冷蔵庫、洗濯機、エアコンなどの筐体）、建築装飾（金属製のドア、窓、カーテンウォール、吊り天井など）、自動車製造（車体カバー、構造部品など）など、その他多くの分野で広く使用されています。
U字曲げ：より小さな曲げ半径を実現するプロセス
U字曲げの原理： U字曲げとV字曲げは、曲げ加工機の金型を使用して実現するという点で似ていますが、上型（パンチ）と下型（凹型）の形状がU字型になっています。この特殊な形状の金型を通して、U字曲げは通常、より小さな曲げ半径の曲げ加工を実現するために使用されます。
U字曲げの特徴： U字曲げはV字曲げよりも小さな曲げ半径を実現でき、板金材料と金型の接触面積が大きく、力がより均一になるため、曲げ部品の品質向上、変形や欠陥の低減に役立ちますが、それに伴い曲げ加工機の精度と金型製造精度の要求が高くなり、金型コストも高くなります。
U字曲げの応用例： U字曲げは、電子製品（携帯電話、タブレットコンピュータなどの内部金属ブラケット、コネクタ）、医療機器（手術器具、医療機器の筐体など）、精密機器（光学機器、測定機器などの内部金属構造部品など）など、曲げ半径に特別な要件がある場面で主に使用されます。
多重曲げ：複雑な形状を実現する方法
多重曲げの原理：多重曲げとは、同一の板金部品を複数回曲げることを指し、V曲げ、U曲げなどの異なる曲げ方法と組み合わせることで、複数の曲げ操作を通して様々な複雑な幾何学的形状を実現できます。これは、板金部品の複雑な空間形状を得るための主要な方法です。
多方向曲げの特徴：多方向曲げは設計の自由度が高く、多様な製品のニーズを満たすためにさまざまな複雑な板金部品の設計を実現できますが、プロセスが比較的複雑で、各曲げの角度、位置、順序を正確に制御する必要があり、通常は多ステーション曲げ機または特殊な工具を備えた曲げ機を使用する必要があり、結果として生産効率が比較的低くなります。
多重曲げ加工の応用例：多重曲げ加工は、主に航空宇宙（航空機内部のあらゆる複雑な形状の金属部品など）、自動車製造（自動車ボディ内部のあらゆる形状の部品など）、各種特注品などの複雑な形状の板金部品の製造に使用されます。
V字型、U字型、多重曲げの比較
V字曲げは、適用範囲が広く、設備・工具コストが低く、操作が簡単で、幅広い曲げ角度を実現できるため、最も一般的に使用されている曲げ方法です。一方、U字曲げは、設備・工具コストが高く、工程も比較的複雑ですが、より小さな曲げ半径を実現できるため、曲げ半径に特別な要件がある用途に適しています。多重曲げは、複雑な形状を実現できるという点で独特であり、設計の自由度が高いですが、工程が最も複雑で生産効率が比較的低く、通常はより高度な設備サポートが必要になります。
製品概要
実際の生産において、どの曲げ加工法を用いるかは、板金部品の設計要件、材料特性、生産ロットサイズ、コストといった複数の要因の組み合わせによって決まります。これらの曲げ加工の原理、特性、そして応用を十分に理解することで、エンジニアや技術者は設計・製造プロセスにおいてより賢明な意思決定を行うことができ、製品の品質と生産性を向上させることができます。板金加工技術の継続的な発展に伴い、曲げ加工プロセスはより洗練され、自動化され、インテリジェント化される方向に進み、製造業の持続的な発展をより強力に支えていくでしょう。
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一般的に使用される板金曲げ加工
板金プロセス金属加工工程は、せん断、打ち抜き・切断・複合加工、曲げ、リベット接合、接合、成形などを含みます。主に鋼板、アルミ板、銅板など、厚さ6mm未満の板金を加工対象としています。これらの工程により、均一な厚さと強固な構造を持つ板金製品が製造され、自動車、電子機器など、様々な分野で広く利用されています。
板金加工には、せん断、打ち抜き／切断／コンパウンド、曲げ、リベット打ち、接合、成形など、数多くの工程が含まれます。これらの工程を板金に適用することで、均一な厚さと強固な構造を持つ製品が製造されます。
カスタマイズされた板金部品の製造プロセス。
切断：シャーリングマシンによる切断、レーザー切断、火炎切断などを含み、板金全体を所望の形状に合わせて小さな断片に切断します。
打ち抜き／切断／複合加工：所望の形状の穴、スロットなどは、打ち抜き機またはその他の複合打ち抜き・切断装置によって加工されます。
曲げ加工：曲げ加工機を用いて金属板を曲げ、所望の形状に成形する。
リベット接合：異なる部品をリベットまたはリベット接合装置で接合することで、構造強度を高めます。
溶接：複数の板金部品を組み合わせて溶接し、複雑な構造物を形成する。
成形：板金材料を、延伸や曲げなどの技術を用いて、必要な複雑な形状に加工する。
曲げ工程の手順
材料の準備：適切な金属板を選び、表面を清掃する。
装置のセットアップ：曲げ加工の要件に応じて、曲げ加工機と金型を調整します。
力を加える：板金を金型の間に挟み込み、曲げ加工機を通して力を加えて曲げる。
品質チェック：曲げ加工された板金を検査し、曲げ角度と形状が要件を満たしていることを確認します。
板金曲げ加工のメリットとデメリット
板金加工における曲げ加工技術は、自動車製造、航空宇宙、家電、電子機器などの製造業で幅広く利用されています。代表的な製品としては、金属製筐体、ブラケット、キャビネット、電子機器筐体などが挙げられます。
板金加工は冷間成形技術ですが、金属板を成形する際に技術と創造性を駆使して3D構造物を作り出すために用いられます。自動車製造からスペースシャトル、精密電子機器から環境に優しい医療機器まで、板金曲げ加工は曲げられる金属の種類と厚さに関して非常に柔軟性が高く、自動車、輸送機器、家電製品、家具、産業機器など、幅広い業界向けの板金部品やアセンブリの製造に用いられています。
多くの場合、高精度レーザー切断機やCNC曲げ加工機の登場により、一枚の金属板から短時間で完成部品を製造できるようになりました。溶接やリベット留めといった製造技術と組み合わせることで、一枚の金属板から部品全体を容易に製造でき、コストと生産時間を大幅に削減できます。
優位性
材料選択の柔軟性 -板金加工では、冷間圧延鋼板、熱間圧延鋼板、亜鉛メッキ鋼板、銅、アルミニウム、ステンレス鋼など、さまざまな種類の金属材料を使用でき、お客様のニーズに応じて特定の仕様や材料の製品を製造できます。
製造スピード- 設計とプログラミングが決定すれば高度に自動化できる先進的なCNC板金曲げ加工機を活用することで、板金試作品部品を非常に迅速に製造できるだけでなく、大量注文の需要にも対応できます。
高い加工精度― 板金加工技術は高い加工精度を実現し、高品質かつ高精度な部品や製品の製造を可能にします。場合によっては、±0.05 mmの精度レベルに達することもあります。バッチごとの再現性を適切に管理することが、高い精度を確保する上で最も有利です。
後処理工程の削減― 冷間加工金属の製造技術として、高温による歪みや材料特性の変化を起こすことなく、製品表面を滑らかに仕上げることができます。芸術的で美しい外観を実現するためには、塗装または化学めっきのみが必要です。
軽量化- 板金曲げ加工技術は、製品構造の剛性と強度を確保するだけでなく、部品の重量を可能な限り軽減します。これにより、使用中の製品の良好な機械的特性の維持に役立ち、輸送や過酷な使用環境への対応にも役立ちます。
低コスト、高額な工具投資不要- 板金曲げ加工の製造工程では、特注の成形工具や多くの製造設備を必要とせず、材料利用率を高め、ある程度生産コストを削減できます。
部品の複雑さの軽減- 板金曲げ加工は製造工程が少なく、そのほとんどはCNC曲げ加工装置で行われるため、手作業による製造工程は不要です。これにより、時間、エラーの可能性、故障箇所、調達の複雑さが軽減されます。
デメリット
すべての製造プロセスと同様に、板金曲げには、以下に示すようにいくつかの欠点があります。
厚みの制限-板金曲げ加工は、薄い板金材料に柔軟に適用できます。厚さが10mm以上の板金の場合、曲げ半径の法則に従い、変形、ひび割れ、曲げ角の丸みなどに関して、金属材料の曲げ加工に注意する必要があります。
厚みの均一性の必要性- 材料の厚みが異なると、曲げ加工装置が曲げ加工を実行できなくなるため、フランジやその他の部品を含む製品設計を避ける必要があります。
製造コスト- 板金曲げ加工は、少量から中量生産において最もコスト効率の高い方法です。数百個、数千個といった少量生産であれば低コストで対応できますが、大量生産の場合は、プレス加工の方が経済的かつ効率的な製造プロセスであると考えています。特にプログレッシブダイプレス加工は、1回の工程で複数の曲げ加工や複数の部品を製造できます。これは、板金曲げ加工では実現できない低コストのメリットです。（プログレッシブダイ精密プレス加工の製造技術ガイドの詳細はこちらをご覧ください）
変形しやすい -板金加工中、金属材料の熱膨張・収縮などの物理的特性により、加工物が変形し、製品の品質と精度に影響を与える可能性があります。これは、曲げ部付近に穴、スロット、その他の形状が存在する場合に特に顕著で、これらの形状は歪みが生じやすいためです。
表面痕跡- 多くの場合、曲げ加工された板金部品の表面に、曲げ加工後に直線状の筋状のへこみが生じます。製品の品質要件でこのような筋状の跡が許容されない場合は、金型内部に板金曲げ用シリコーンフィルムを追加し、金型と金属材料との直接接触を遮断することで、曲げ痕を効果的に改善します。
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板金曲げの設計上の考慮事項
板金曲げ設計とは、設計部品、部品の取り付け、構造、製造工程、取り付けアクセサリといった製造細部の設計と最適化を指します。これらの設計要素は、製品の機能、品質、外観に直接影響を及ぼします。曲げ加工機で加工する部品は、最初から曲げ加工の特性と限界を考慮する必要があります。
上記の影響要因を分析し、お客様が遭遇する問題を解決したいと考えています。
詳細については、「シート メタル設計ガイド」を参照してください。
曲げ半径
金属板を曲げたり折り曲げたりすると、外側の面は引き伸ばされ、内側の面は圧縮されて曲面になり、曲げた部分に丸い角が現れます。これを曲げ半径 R と呼びます。
曲げ半径が小さすぎると、外面が過度に引き伸ばされ、金属の引張強度を超えると亀裂が発生します。これは一般的な品質問題であり、特に材料の引張強度が悪く、硬度が高い場合、亀裂の深さが増加して破損に至ります。
曲げ半径が大きすぎると、材料が十分に押し出されず変形せず、内部の剛性が消失すると同時に外部圧力によって材料が跳ね返り、正確な曲げ角度を構築できなくなります。
そのため、曲げ半径の適切な設計は非常に重要な作業であり、材料の種類によって曲げ半径の要件も異なります。例えば、軟鋼の場合、最小曲げ半径は約0T、真鍮とアルミニウムの場合、最小曲げ半径は約6T、中炭素鋼の場合、最小曲げ半径は約5Tです。
曲げ長さ
もう一つの重要な変数は曲げ長さです。必要な曲げ長さは通常、板金部品の設計仕様によって異なります。ワークピースを曲げる際、その品質を確保するためには、曲げ製品の直線端の高さhが、曲げ端の最小高さhmin以上であることを確認する必要があります。この高さは、以下の式で計算できます。
h ≥ hmin = r + 2t
ここで、r は曲げフィレット角度、t は曲げ部品プレートの厚さです。
曲げから曲げまでの距離
2 つの連続した曲げを持つ構造を設計する場合、U 字型構造が曲げツールのアクセスに対応できるかどうかを考慮する必要があります。距離が小さすぎると、曲げツールの適用圧力が妨げられ、製品が変形することになります。
製品の機能要件により、近接した曲げ構造の必要性が制限される場合は、溶接やファスナーリベットなどの補助的な材料結合プロセスを実装して、正しい形状を得ることができます。
曲げ線からの穴までの距離
穴付きブランクを曲げ加工する際には、穴代の管理に注意する必要があります。穴位置が曲げ端面に近すぎると、曲げ加工中に穴の形状が歪む可能性があります。そのため、穴面から曲げ端面までの距離Lは、以下の条件を満たす必要があります。
t < 2 の場合、L ≥ r + t
t ≥ 2のときL ≥ r + 2t。
同様に、rとtはそれぞれ曲げフィレット角度と曲げ部品プレートの厚さを表す。
曲げ加工スロットまたは穴
局所的なエッジで曲げ加工を行う場合、応力集中による交差点での裂け目を防ぐために、曲げ応力が大きい曲げコーナー部に加工スロットまたは穴を設計し、材料の押し出し強度を分散させたり、材料が受ける応力を解放したり、曲げ線を特定の距離に移動させたりする必要があります。
曲げ断面の変形
狭縁曲げ加工では、変形部における断面形状が変化し、内面の幅が拡大し、外面の幅が縮小します。この現象は、板幅bが板厚tの3倍未満の場合に特に顕著です。曲げ部の幅bに高い精度が要求され、膨らみが許容されない場合は、曲げ線に事前に加工カットを入れることが特に重要です。
曲げスプリングバック
曲げ加工においては、塑性変形と弾性変形が共存します。外部荷重が除去されると、弾性変形は消失し、スプリングバックが発生します。スプリングバック量は、材料特性、相対曲げ半径r/t、および曲げ角度と密接に関連しています。ワークピースの精度を確保するためには、曲げ加工においてリバウンド現象を十分に考慮する必要があります。
スプリングバックを低減するためには、金型の補修、スプリングバック方向の異なる部品の使用、三角リブの局所的な増加など、様々な方法があります。また、凹型金型構造における揺動ブロックの使用も、スプリングバックを低減する効果的な手段です。
リバウンドにはいくつかの要因が影響します。
- 引張強度が高い材料は、スプリングバックが大きくなります。
- 通常、曲げ半径が急な場合は、スプリングバックが少なくなります。
- 金型の開口部が広いほど、スプリングバックが大きくなります。材料の厚さに対する曲げ半径が大きいほど、スプリングバックが大きくなります。
- メーカーは、スプリングバックを計算し、精度が求められる場合に補正してより厳しい許容誤差を達成する方法をより深く理解するために、K 係数をよく使用します。
大角度曲げ工法
曲げ半径が著しく大きいワークピースの場合、従来の曲げ加工方法では要求を満たすことが困難な場合が多くあります。これらのワークピースは弾性変形が大きいため、従来の方法では要求される正確な形状と寸法を得ることができません。このような場合に、曲げ加工技術が役立ちます。
曲げ加工に先立ち、板材に軸方向張力を加えます。この張力は、ブランク部の応力が材料の降伏点をわずかに上回る値です。その後、張力の連続作用下で曲げ加工を行います。この方法は、大きな曲げ半径を持つワークピースの成形制御に効果的です。
複雑形状部品の曲げ加工方法
複雑な形状の曲げ部品の場合、一度に全ての曲げ加工を行うことはできません。このようなワークピースは、所望の形状を得るために複数回の曲げ加工が必要になります。工程の順序としては、通常、最初に外角を曲げ、次に内角を曲げるという順序に従います。後者の曲げは、前の曲げによる変形を妨げないようにするためです。ワークピースの複雑さに応じて、曲げ回数は2回、3回、またはそれ以上になる場合があります。
安定した位置決め設計
曲げ加工において、ブランクのオフセットはワークの精度に影響を与える重要な要素です。たわみを防ぐため、曲げ加工を開始する前にブランクの一部を金型にしっかりと固定する必要があります。部品に用意された穴を位置決めに利用できますが、適切な穴がない場合は、追加の加工穴を設けることで正確な位置決めを実現できます。
長尺材の曲げ加工方法
長尺材は、長手軸を中心に曲げ加工する場合、通常の曲げ加工法には適していません。ロール成形技術は、より適切な代替手段です。ロール成形では、長尺材を前後に一直線に並んだ成形ローラーに挿入します。ローラーが回転すると、材は前方に送られながら、軸方向に順次曲げ加工されます。この方法は、複雑な断面形状の部品を製造でき、成形ローラーは比較的製造が簡単で安価であり、長寿命です。
処理許容範囲
板金曲げ加工では、高度な CNC 曲げ加工機を使用することで非常に精密な寸法精度を実現できますが、複雑な構造や超精密曲げ部品の場合は、わずかな寸法の変化でも製品の品質や使用に影響を及ぼします。
CNC 板金曲げ機は、曲げ工程を制御するためにコンピュータ プログラムされていますが、手作業が関与する部分が多く、金属材料の組成、材料の厚さ、固定材料、および工程間の作業の連結が作業品質に影響を与える重要な要素であるため、人的要因によって生じる誤差が必然的に発生します。
以下に経験則をいくつか示します。
最小曲げ半径： R=T.
曲げ角度: ±1°.
曲げ長さ: ±0.20 mm（0.010インチ）。
製品概要
板金曲げ加工は、他の板金加工方法に比べて、歩留まりの向上、コストの削減、そして設計の柔軟性といった大きな利点があります。また、溶接やリベット接合といった組立工程に伴う多くの困難も解消します。設計プロセスにおける綿密な検討と最新技術の活用により、曲げ加工は従来の製造方法と比較して、板金部品をより強固に、より軽量に、そしてより迅速に製造することが可能になります。
Supro MFGは過去20年間、カスタム板金曲げ加工部品の製品供給を専門とし、お客様に幅広い板金加工ソリューションを提供することに積極的に取り組んでまいりました。お客様の製品の製造における実現可能性についてご相談させていただき、用途のニーズを満たすよう製品設計と製造プロセスを最適化することで、お客様のプロジェクトが経済的に有利な立場を維持できるようお手伝いいたします。
