冷間曲げ加工法の基礎…⑴H1912-03《特集：パイプの曲げ加工のいろいろ》

冷間曲げ加工法の基礎＜配管用曲げ技術を現場的発想で基礎から解説＞㈱山本水圧工業所

福村 卓巳

1．はじめに流体の輸送手段としてパイプが使用されたのは、中国で使用された竹菅が始まりとされ、以後幾多の改良を経て現在多種多用のパイプが製造されている。日本での鋼によるパイプ製造は1905（明治38）年呉海軍工廠が製造した艦艇装備用のものが最初であった⑴。当時このパイプを曲げる手段としては、砂又は松脂などを詰め加熱曲げを行っていたが、戦後まもなくアメリカから心金を挿入して冷間で曲げる方法が伝わり、それ以来曲げ技術が飛躍的に向上した。
パイプは同一重量なら剛性が大きく重量軽減につながることから自動車、建築、家具など多業種多種多用に使用されているが、本章では配管曲げに絞りこの分野で一番多く使用されている冷間引き曲げ技術の基礎について解説する。

2．曲げについて

2−1

曲げの基本方式

パイプの曲げ方法には応用を含めれば千差万別な方法があるが、ここでは基本の５方式について簡単に述べる（第１図参照）。
⑴ プレスベンディング

第１図 曲げ方式の種類

ベンディング型がプレスラムに取付けられ、プレッシャー型（ウィング型）が対峙してパイ可動ローラーの加圧により、モーメントが与えプを保持する。ラムの加圧力でパイプを押し下られ曲げられる。

げ、プレッシャー型がベンディング型に沿いな⑶ コンプレッションベンディング

がら揺動しパイプが曲げられる。

ベンディング型は固定されておりパイプはク⑵ ロールベンディング

ランプ型によりベンディング型に固定され、プ２個の回転駆動付きローラーが対峙し、上下レッシャー型がベンディング型にパイプを押さ
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冷間曲げ加工法の基礎…⑵

えつけるように洽いながら回転しベンディング型に巻き付けて曲げる。
⑷ ロータリードローベンディング

ベンディング型、クランプ型共に回転しパイプはクランプ型によりベンディング型に固定されスライド式プレッシャー型で押えた後ベンディング型を回転し型に沿って引きながら巻き付けるように曲げる。
⑸ ストレッチベンディング

材料の両端をチャック装置で掴み、長手軸方

第２図 通常曲げ

向に引張り力を加えながらベンディング型を押し付けベンディング型の形状を転写するように曲げる。
それぞれの手法の特徴を第１表にまとめる。
第１表 各曲げ方式の特徴

第３図 引張曲げ

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パイプ曲げの基本

第４図 押し曲げ

第２図に示すようにパイプを曲げれば外側では引張応力により減肉し、内側では圧縮応力に厚部にも引張応力が加わり圧縮応力は、引張応より増肉するので、当然応力±0となる点が存力分軽減され座屈応力が小さくなる。その結果在する。この点を連ねた線を中立軸（Neutral

座屈応力にて発生するパイプ内側のしわが出難axis）と呼ぶ。中立軸は圧縮と引張の抵抗違いくなる。逆に曲げと同時に外部より圧縮力を加でパイプ中心線より少しずれるが、値は小さくえると、中立軸が第３図に示すように外側に移

中立軸とパイプの中心は一致するとしてよい。

動し、外側の肉厚部に圧縮応力が加わり引張応曲げと同時に外部より引張力を加えると、中立力は圧縮応力分軽減される。その結果減肉を小軸が第３図に示すように内側に移動し、外側のさくすることが出来る。他方内側の肉厚部にも肉厚部に更に引張応力が加わる。他方内側の肉圧縮応力が加わり圧縮応力は更に増大し増肉す

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冷間曲げ加工法の基礎…⑶る。これらの現象を使い分けることで、目的の形状に曲げることが出来る。
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材料の伸びと曲げ半径の関係

材料によって伸び率が違い限界曲げ半径が変わる。伸びと曲げ半径の関係は第２図において曲げ半径Rの周長は変化せず、曲げパイプ径Dの外側周長が最大伸びとなる故伸び率 e %は式⑴となる。例えば口径Dのパイプを曲げ半径
第５図 へん平化

R=2Dで曲げるとすれば
…⑴…⑵

計算上では25%の伸びが必要であるが、実際はタンゼントポイント（曲げ接線位置）でメタ

ここで、曲げた後ハイドロフォーミングなどルフローが断絶する訳ではなく、曲げ始め及び二次加工を施す場合は、へん平率を意図的に大曲げ終わり前後より一部材料が取り込まれるのきくし減肉を防いだ上で二次加工を行うことがと、へん平の影響を受け計算値より値は小さくある。ベンダーで曲げる場合は、構造的に金型なる。最近の配管省スペース化要求に応得るたで全面拘束されないので、へん平率をコントロめ、曲げ半径が小さくなっており、1D曲げも行ールするのは難しい。へん平率を上げなければわれるようになってきた。この場合は50%の伸ならない時は、心金やワイパーダイ（後述する）びが必要となり不足するので、ブースター装置等金型の組合せを工夫する必要がある。へん平（後述する）を使用して減肉を防止しながら曲率は一般的に美観を重視する製品で5%以下、流げを行うケースが増えてきた。
2−4

曲げの品質評価

パイプ曲げの品質評価は内外面に傷がないこ

体輸送に使用する製品で10%以下だが客先と合意しなければならない。
⑵ 減肉率との他に、へん平率（Flattening）又は、楕円圧力配管の肉厚は曲げ後の減肉率を見込んで化率（Ovality）減面率（Area reduction）、減厚くして決められる。そのため多量生産品又は肉率（Wall thinning）としわ（Wrinkles）の発直管長さが非常に長い製品は、減肉率により重生有無などで行われるので説明する。

量が大きく左右される。減肉率h tは肉厚係数aと⑴ へん平率又は楕円化率

曲げ係数 b で決まり一般的には式⑶⑵となり、薄へん平率と楕円化率は同意語で、どちらも使肉小曲げ半径のときは式⑷⑵ になる。これらを用されているが本章ではへん平率で記載する。

グラフにすると第６図のようになり肉厚係数、２−２節で述べたように曲げパイプ外周には曲げ係数共に小さい程大きくなる。

引張力が作用し、円弧が直線になろうとして第５図のように楕円状にへん平化する。どの程度

…⑶変形したかを変形後の長、短径の差と素管径との割合で表され式⑵となる。へん平率は曲げ半…⑷

径が小さい程、肉厚が薄い程大きくなるが、へん平率を上げると減肉率が大きくなるので注意

ここで t：素管肉厚 t1：減肉後肉厚が必要である。
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冷間曲げ加工法の基礎…⑷Zは肉厚tに対して次の値をとる。
t>0.06Dのとき Z=0.1（D4−d4）/D
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t<0.06Dのとき Z=0.8t（D−t）⑶ 減面率（Area reduction）

また m は次の係数である。

減面率は通常問題にならないが、ボイラーチm =1.0（心金なし）

ューブなど小曲げ半径で曲げ数が非常に多い場

m =2.0（プラグ心金、潤滑良好）

合、減肉を防ぐため通常ブースター装置を付け

m =3.0（ボール心金、潤滑良好）て押し曲げを行う。

m =5～8（心金使用、潤滑不良）

4．曲げ金型

4−1

金型の種類

ドローベンディングの全金型装備は第７図に示す。Bend die、Clamp dieとPressure dieは必須であるが、Wiper dieとMandrelについては曲げの難易度に応じて使い分ける。
① 曲げ金型（Bend Die）：溝の断面は通常半円であるが、楕円形としパイプを変形させ潰れ難くすることで、心金をなくし作業

第６図 曲げ半径に対する減肉率性を高める方法も取られる。
② クランプダイ（Clamp Die）：パイプが滑そのため曲げ内側の増肉が増え内径断面が小らないようクランプと受けダイ（Insert）さくなり圧力損失が増え重量に影響する。減面とで挟み込み曲げ金型に固定する。クラン率h Aは式⑸で表される。

プ長さが短いとパイプが滑りしわの原因となるので注意が必要である。曲げ半径と肉…⑸厚によりおおよその基準があるので第２表に記載しておく。

ここでA0：素管面積 A1：曲げ後の面積③ プレッシャーダイ（Pressure Die）：曲げ時パイプの反力を受け止めると同時に、パ

3．曲げトルク

イプにフープ応力を与えへん平としわを防曲げトルクの計算式は心金の摩擦、潤滑、加止する。スライド式プレッシャーの長さは曲工硬化、へん平などを伴うため正確に解くのは難しい。文献にもいろいろな式が紹介されているが、本文では日本塑性加工学会編チューブフォーミングより引き曲げにおける実験式式⑹ ⑵を紹介する。
…⑹

ここで、 D：パイプ外径 d：パイプ内径
R ：曲げ半径 s b：引張強さ

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第７図 金型全装備図

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冷間曲げ加工法の基礎…⑸第２表 クランプダイ基準長さ D＝パイプ外径

緒に曲げてへん平を防ぐ。ケーブル式はボール式のピッチが大きい欠点を補う方式
で、超薄肉の曲げなどに使用される。パイ
プ内径と心金の隙間はへん平と減肉に大きな影響を与えるが、心金の出し量で調整を行い、出し過ぎると減肉し、引き過ぎるとへん平が大きくなる。幾何学的に求めた出し量の計算は式⑺で行う（第９図参照）。

げ角度に対する周長長さ＋2～3D必要であり長いものになる。このため干渉領域が問⑺

題となる場合があり、このような場合はリトラクトプレッシャーダイにするのがよい。
④ ワイパーダイ（Wiper Die）：曲げ金型曲率とパイプの接線（Tangent point）間に第９図 マンドレル出し量できる隙間をワイパーダイで埋めてしわを防止する。ワイパーダイの先端は第８図に示すように薄くなり、加工が難しくなる。

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そのため先端の良否により曲げの良否が左

金型の選択は曲げ係数と肉厚係数のパラメー右されることがある。
⑤ 心金（Mandrel）：パイプの内部に挿入金型の選択

ターでグラフ第10図と第３表の金型選定表により選択する。上記金型選定は経験によるものでしへん平力の反力でパイプ内側肉厚を押さえてしわの発生とへん平を防止する。第８図に示すように心金にはいろいろな種類がある。プラグ式は先端が球面で最も簡単。
フォーム式は曲げ外側肉厚の内面曲率に沿う曲面を有する。１ボール式は自在首振りのボールが埋め込まれており、比較的難易度の高い領域で使用する。マルチボール式
は難易度に応じてボールの数を増やして使用する。ラミネート式は主に角管などに使用されスプリング板を重ねて、パイプと一第10図 金型選定グラフ

第３表 金型選択表

第８図 心金の種類

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冷間曲げ加工法の基礎…⑹第11図 曲げトラブル一覧

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材料の機械的性質、ブースターの有無など考慮していないので目安である。

5．ブースター装置
近年省スペース化で曲げ半径が小さくなっており、ブースター装置を使用して曲げるケースが増えている。ブースター装置にはプレッシャーダイを外部より押し込むサイドブースタ方式（第12図）とパイプを直接クランプして押し込

第13図 クランプブースター

むクランプ方式（第13図）の２種類がある。
それぞれの特徴は⑴ サイドブースタ装置

6．曲げのトラブル

サイドシリンダでプレッシャーダイを押し込

パイプを曲げる難しさは金型で全面拘束されむので引張応力範囲のみに圧縮応力が作用し、ることなく塑性を行わなければならないところ減肉と増肉共に抑制される利点がある。反面圧にある。拘束されない部分は気まま勝手に動く

縮力はプレッシャーダイとパイプの摩擦力で決傾向にあり、これをわずかな金型でコントローまるため、目荒らしなどの摩擦力を増やす工夫

ルを行わなければならず、いろいろなトラブルが必要であるが装置が簡単で作業性が良いためが起る。主な現象と対策を以下に列記する。

多量生産に向いている。

7．おわりに種々の曲げ手法より、最も精密に曲げられるドローベンディングを主として紹介した。一概に、曲げ加工と言っても近年は様々な用途により要望が異なり尚且つ、難度の高い曲げ仕様に応じた曲げ手法を用いて曲げているが、本稿では曲げの基礎的な事項を著者の経験も交えて記載した。したがって配管技術の購読の専門諸氏
第12図 サイドブースター⑵ 管クランプブースターには易しい内容となったが容赦願いたい。
＜参考文献＞⑴ 下川義雄・著：日本鉄鋼技術史⑵ 日本塑性加工学会編，チューブフォーミング2019

パイプを直接クランプしパイプ自身を押し込むため、引張応力領域、圧縮領域共に大きなブースター力が伝達され、減肉抑制効果が大きい。
反面増肉も大きくなるため減面率に注意が必要である。高圧配管など減肉を重視するボイラー
チューブや小R曲げで伸びが不足する曲げに使用される。ブースターシリンダーに背圧を加えればブレーキ力となりストレッチ曲げも可能である。

【筆者紹介】
福村卓巳㈱山本水圧工業所

顧問

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