オフセットローラー曲げ加工法の実用化研究
神奈川工科大学 自動車システム開発工学科
助教 加藤俊二（平成 21 年度一般研究開発助成ＡＦ－2009007）
キーワード：曲げ加工、アルミニウム・スペースフレーム、オフセットローラー、低周波振動
１. まえがき
地球環境を守るという観点から炭酸ガスの削減と省エ

Aluminum space frame

ネルギーは極めて重要な問題であり、自動車の軽量化が求められている.

Guide rollers

自動車の軽量化に対し、アルミニウム・スペースフレームの採用が注目されているが、自動車への適用に際し、最大の技術的課題はその曲げ加工である.
アルミニウム・スペースフレームに用いられている形材のDirection of曲げに対し、従来の曲げ加工では十分には対処できない．

vibration

即ち、従来の加工法は、形材を一定の曲率に、比較的精度よくかつ効率的に曲げることができるが、スペースフレー

Bending roller

ムの曲げ加工では、自動車の設計に合わせて、軸方向に曲率を変えて曲げる必要がある．
軸方向に曲率可変の曲げ加工法として押通し曲げの一種である村田らによる M O S 曲げ１）がある.

この曲げ加図１

O R 曲げ装置（試作４号機、曲げ型）

工法は３次元の曲げが可能であるが加工精度の再現性に問題がある．スペースフレームとして使用されるアルミニ
ウム押出し形材では、押出し時の熱等に起因する、軸方向の材料特性や寸法精度にバラツキが生じ、これらのバラツ
キは曲げ後の曲率のバラツキをもたらす．これは自動車用のフレームとしては致命的な欠陥であり、何らかの寸法の補正をする必要があるが、M O S 曲げでは、インプロセスでの補正が難しいと思われる．
そこで著者らは M O S 曲げを少し変えたオフセットローラー曲げ（以下 O R 曲げという）加工を提案した．この加工法は、スペースフレームをガイドローラーに通し、図２

O R 曲げ装置（試作４号機、押込み装置）オフセットされたローラー（曲げローラー）に当て、曲げを行う.

曲げローラーの位置を変えることにより、曲率

２．試作４号 O R 曲げ装置の概要
図 1 および図２に試作４号機の概略を示す．O R 曲げ装を変えることができる．
これまでに試作機を３台製作し、実用的な寸法形状の角置は被加工材を押込む部分と曲げ型からなる. 曲げ型に管を加工できるが２）‐６）、実用化のためには加工限界の向は右から順にガイドローラー、オフセットローラーが取り上および加工精度の向上を図る必要がある．

付けられている．被加工材である角管はボールねじに取りそのため低周波振動を付与することよって加工限界の付けられた押込みヘッドにより押込まれ、２対のガイドロ向上を試みる．また、アルミニウム押出し形材の押出し時ーラーを通過し、オフセットローラーに当り、曲げが行わの熱等に起因する軸方向の材料特性や寸法精度のバラツれる． 押込み荷重はヘッドに取り付けられた荷重計によキを補正して所定の曲率に曲げるために、インプロセスでって測定され、ストロークはサーボモーターのエンコーダ加工後の曲率計測を行い、補正ローラーによる加工精度のーから測定できるようになっている. また、押込みヘッド保証を図る手法の開発を行い、実用化のための基礎的な知と曲げ型の間に押込み荷重による被加工材の座屈を防ぐ見を得ることを目的とした.

ためにレール上を移動可能なガイドが取り付けられている.実用的な長さ（2500ｍｍ）の被加工材を曲げ加工できるようになっている.

ー 41 ーオフセットローラーを曲げ加工中にその位置を移動させると、軸方向に曲率を変化させることができる．

図３にオフセット量が設定値に達したのち、途中から振動（振動数１Ｈｚ、振幅０.２５mm）を加えて曲げ加工実試作３号機のオフセットローラー位置決め用として取験を行った試験片の例を示す．(a)と(b)は同一の設定曲率り付けられていたサーボモーターを位置決め制御しながで曲げ加工を行っているが、曲げ後の曲率の違いはプリンら振動を加えられる高出力、高応答のものに交換した．

グバック量の違いによる．図４はこのときのストロークパルス列を出力するインターフェイスボードをパソコン（横軸）と設定曲率および測定曲率（縦軸）の関係を表しに組み込み、任意のパルス列を出力できるユーザーインタてものである．この図から振動の有無に関らず一定の曲率ーフェイスを備えたプログラムを開発した．このパルス列に曲げ可能であり、振動の有無はスプリングバック量に影をサーボモーターに入力することによりオフセットロー響しないことがわかる．

ラーを位置決め制御をしながらオフセット方向に振動さ4Roller positionせることができるようにした．

increases

３・１

実験方法

オフセットローラーを位置決め制御しながら振動を加え、振動振幅、振動数、軸方向曲率を変化させながら曲げ

Curvature [1/m]３．低周波振動を付与した曲げ加工実験

Setting curvature

32

Measured curvature1

加工を行った．曲げの実験には４０ｍｍ角のアルミニウム

Spring backRoller position is constant

合金（A6063-O、A6063-T5、肉厚ｔ＝３mm）を用い、試験

0

片を押込みながらオフセット量を増させ設定値に達した

0100

200

あと一定とし、一定曲率に曲げる加工を行った．曲げ加工
後に３次元座標測定器により曲げ加工後の試験片長手方

図４向の曲率分布、スプリングバック量、曲げ内側に生じるし

300

Stroke [mm]600With vibration

Load [N]7000

た．

5007500

較して振動の効果について検討した．
振幅を０.２５、０.５、１.０、２.０および４.０mm とし400

振動付与による曲率への影響

わおよび横断面形状を測定し、振動を付与しない場合と比振動条件は振動数を１、２、２.５、３および４Hz とし、

Roller vibrates

Without vibration

6500
6000

３・２

Average curve of load

実験結果
5500
450

460

470

480490Stroke [mm]
試験片先端

図５

振動付与よる押込み荷重の低減（A6063-T5、振動数１Ｈｚ、振幅０.５mm）
図５は上記の実験においてオフセットローラーに上下振動を付加する前後におけるストロークと押込み荷重の(a) A6063-O関係について示したものである．この図から振動を加えると平均押込み荷重が減少することがわかる．この結果より、振動を加えながら曲げを行うと押込み荷重が減少し、加工試験片先端限界の向上が期待できる．
図６は曲げ加工後の角管（A6063-T5、振動なし、設定曲率５.５[1/m]）の断面の写真である．曲げ外側におけるそりを定量的に評価するために図に示すように座標系を定義した．図７は振動を加えない場合（Ｃａｓe１）と振動を加えた場合（Ｃａｓe２、振幅 0.25mm、振動数 2.0Hz）(b)
図３

A6063-T5の断面形状を比較した図である（設定曲率５.５[1/m]）．

曲げ後の角管（振動数１Ｈｚ、振幅０.２５mm）

この図から振動を加えとそりが著しく減少するのがわかる．

ー 42 ーｙの結果より振動数を増加させることは効果的であるが、振幅には有効な範囲があると考えられる．

ｘ
そり深さ [mm]

2.5
21.5
10.5

図６0

試験片のそりと座標の定義（A6063-T5、振動なし）

01

図９
曲げ外側の断面変形量 Y(mm)Case 12
振幅 [mm]34

振幅とそり深さの関係（A6063-T5、振動数１Ｈｚ）

Caes 20.50

そり深さ-0.5-1-1.5-2-2.5-20-1001020

断面中央からの距離 X (mm)
図 10

試験片外側のそり深さの比較

図８は A6063-T5 に振幅 0.25mm の振動を与えて曲げた場
合の振動数とそり深さの関係である．この図から振動数の増加とともにそりが減少すると考えられるが、４Ｈｚのとき増加する理由については現時点では不明である．

そり深さ [mm]2.521.5

曲げ内側からの変形量 [mm]図７1-100-50050100

試験片長手方向の距離 [mm]0.5010.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1-150

試験片内側に生じるしわ

図 1101234

図 10 は曲げ内側に生じた試験片のしわの写真である．

振動数[Hz]図８

試験片内側長手方向の表面形状試験片内側の長手方向に断面中央部を測定し、曲率半径を考慮して表面上の凹凸のみを抽出した．

振動数とそり深さの関係

図 11 にＡ６０６３－Ｔ５振動なしの場合の長手方向の（A6063-T5、振幅０.２５mm）

測定結果を示す．この図における山の高さの平均値と谷の
図９は振動数を 1Hz とし、振幅とそり深さを表した図で深さの平均値の差をしわ深さとした．

ある．振動を付与する効果はみられるが振幅が大きくなる

図 12 はしわの深さと振動数の関係を表した図である．にしたがってそりが大きくなっていることがわかる．上記

この図から振動数の増加とともにしわ深さが減少するとー 43 ー

４．試作５号機の概要考えられる．
図 13 は振動数を 1Hz とし、しわの深さと振動振幅の関

図 14 に試作５号 O R 曲げ装置の概略図を示す．オフセ係を表した図である．振動を付与する効果はみられるが、ットローラー（以下 OR 1 と略す）によって曲げられたス

振幅が大きくなるにしたがってしわが深くなっているこ

ペースフレームに生じるスプリングバックを補正するたとがわかる．上記の結果より、しわ深さについてもそりとめにオフセットローラー前方に補正ローラー（以下 OR 2

同様の傾向があり、振動数を増加させることは効果的であと略す）を取り付けた．

しわ深さ[mm]

るが振幅には有効な範囲があると考えられる．
1.8
1.6
1.4
1.2
10.8
0.6
0.4
0.2
0OR2 はガイドレール上に取り付けられ、サーボモーターとボールねじによって位置決め制御できるように取りつけられている．レーザー変位計をオフセットローラーによって曲げが行われた被加工材の出口側下部（曲げ外側）に取りつけた．レーザー変位計は速度・位置決め可能な自動テーブルに取り付けられており、被加工材の長手方向に高速に移動できる．被加工材がオフセットローラーを通過後、レーザー変位計により被加工材の長手方向外周の座標値を計測し、出力信号をＡ／Ｄ変換ボードを介してパソコ

0123ンに取り込む．計測したデータから最小二乗法により曲率4の実測値を求めることができる．

振動数[Hz]振動数としわ深さの関係

図 12

試作４号機は一定速度での押込みしかできなかったが、しわ深さ [mm]（A6063-T5、振幅０.２５mm）
1.8
1.6
1.4
1.2
10.8
0.6
0.4
0.2
0

試作５号機では押込み用モーターを位置および速度制御可能なサーボモーターに交換し、パソコンから直接パルス列で制御できるように改造した．

５．補正ローラーによる曲率補正の実験
５．１実験方法実 験 に は ４ ０ ｍ ｍ 角 の ア ル ミ 合 金 A6063-O 、 肉 厚
3.0mm、長さ 2500mm の試験片を使用した．実験条件は以下の通りである．
01234

振幅 [mm]
図 13

実験条件１：OR２による補正を行わない．
実験条件２：試験片が OR２に接触した後、OR２を移動させ、移動量が 100mm に達した後、停止する．

振幅としわ深さの関係（A6063-T5、振動数１Ｈｚ）

図 14

実験条件３：試験片が OR２に接触した後、OR２を移動させ、移動量が 120mm に達した後、停止する．

試作５号 O R 曲げ装置概略図ー 44 ーなお、OR 1 のオフセット量は 0～40mm の値まで増加さでほぼ一定とった。加工後の試験片の曲率は OR2 によるせ、試験片の押込み速度は一定とした．加工後の試験片は補正を行わない場合と比較して、約 14%設定曲率に近づ

O R 曲げ装置に取り付けられているレーザー変位計を用いた．

いて試験片の外周を計測し、最小二乗法を用いて曲率を求めた．

図 16 において実験条件２の荷重が 450mm の縦線の位置から上昇している原因は、ＯＲ２により試験片がさらに曲げられるために大きな押込み荷重が必要となるためであ５．２実験結果

る．上記の結果から、ＯＲ２を駆動させ、その移動量を増

図 15（ａ）にＯＲ２による補正を行わない場合の実験、（ｂ）加させると押込み荷重は増えるが、曲率は設定曲率に近づにＯＲ２による補正を行った場合の実験の写真を示す．

くことがわかる．
6000

With OR2 offset：120[mm]5000

Load[N]

4000

With OR2 offset：100[mm]Without OR2

3000

2000

1000

0（ａ）ＯＲ２による補正を行わない場合

0100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Stroke[mm]図 16

押込み荷重－ストロークの関係

65Setting curvatureWith OR2Offset:120[mm]With OR2
Offset:100[mm]Curvature[1/m]

4

Measured
curvature

Without OR2

3Max.
Ave.
Min.

Without OR2
With OR2
Offset:100[mm]2Spring backcurvatureWith OR2Offset:120[mm]1（ｂ）ＯＲ２による補正を行った場合
図 150

補正ローラーの効果

0102030405060

Measured region[mm]

図 17

図 16 に押込み荷重－ストロークの関係を示す．図中の測定曲率の比較

210mm の縦線は OR1 の停止位置を示し、450mm の縦線の違いによる測定曲率を比較したグラフである．なお、横６．ステップ状に設定曲率を変化させた場合の加工特性

軸の距離はレーザー変位計が取り付けられた自動テーブ設定曲率を急激に変化させた場合の特性を調べるため

は OR2 が試験片に接触した位置を示す．図 17 は実験条件に、軸方向に数段階にステップ状に曲率を増加させて実験ルの移動距離で図 16 のストロークとは異なる．
実験条件１では押込み荷重は OR1 が停止した後、約を行った．オフセット量を変更する部分で押し込みを停止

4000N でほぼ一定となった．加工後の試験片の曲率は、し、オフセットローラー（ＯＲ１）の移動のみで曲げを行

比較のための基準データとした．実験条件２では押込み荷った．

重は OR2 が停止した後、約 4300N でほぼ一定となった．

曲げ後の試験を図 18、設定曲率と加工後の測定曲率の加工後の試験片の曲率は OR2 による補正を行わない場合関係を図 19 に示す．押し込みを停止してＯＲ１の移動のと比較して、約 9%設定曲率に近づいた．

みで曲げを行った部分では局所的に曲率の変化率が極め

実験条件３では押込み荷重は OR2 が停止した後、5000Nて大きくなるが、座屈を起こさず曲げられていることが分ー 45 ー70

かる。この理由は試験片に曲げモーメントのみが作用し、験では、オフセット量を変更する部分で押し込みを停止し、軸方向の圧縮力が働かないため曲げ外側に働く引張り応オフセットローラーの移動のみで曲げを行った結果、曲率力が大きくなり塑性変形が進みやすくなるためだと考えの変化を大きくすることができる．

られる．

８．今後の課題（１）加工力（押込み力）の低減および加工限界の向上のために最適な振動条件について検討する必要がある.
（２）曲げ曲率を変化させる場合、押込み速度を下げると荷重は減少し、曲げ内側に生じるしわの発生抑止に効果があると考えられる．そこで、オフセットローラー位置変更時の押し込み速度を数段に変化させて、しわの深さ、発生ピッチおよび横断面形状の測定を行い、押し込み荷重の減少による加工限界の向上について検討する必要がある．
（３）計測した曲率からスプリングバック補正を行うための補正ローラーの位置・速度制御に関してして検討を行う必要がある．
図 18

曲げ後の試験片

謝辞
65
曲率（１/ｍ）

本研究は天田金属加工機械技術振興財団の助成によっ設定曲率て実施されたことを付記するとともに、同財団に深く感謝

測定曲率4いたします.

3

参考文献

2１）村田眞、植村幸生、鈴木秀雄：塑性と加工、31-357、（1990）、1202-1207．

1２）遠藤順一、加藤俊二、安西哲也：平成 12 年度塑性加00200

400

600

800

1000

1200

工春期講演会、（2000）、249-250.
３）遠藤順一、加藤俊二、安西哲也：第 51 回塑性加工連

試験片先端からの距離（ｍｍ）

合講演会、（2000）、103-104.

設定曲率と測定曲率の関係

４）加藤俊二、遠藤順一、安西哲也：第 52 回塑性加工連

図 19

合講演会、（2001）、375-376．

７. まとめ５）加藤俊二、遠藤順一、安西哲也：第 53 回塑性加工連（１）オフセットローラーをオフセット方向に振動させな合講演会、（2002）、401-402．

がら曲げ加工を行うことで下記の結果が得られた．

６）星野清輝、加藤俊二、遠藤順一：第 54 回塑性加工連

１）振動を加えることによって加工力（押込み力）が減合講演会、（2003）、445-446.

少した．
２）曲げ内側に生じるしわ深さは振動を加えることによって減少させることができた．この理由は押し込み力が減少することによって、座屈の発生する加工曲率半径が小さくなったためであると考えられる．同様にそりもり減少した．
（２）曲げ加工中に被加工材の局所的な曲率の測定が高速で可能になった．
（３）補正ローラーを設置し、ローラーの位置を制御することでオフセットローラーによる曲げ加工後のスプリングバック量を減少させることができることを確認した．また、補正ローラーの移動量を増加させることでスプリングバック量を減少させることが可能である．
（４）軸方向に数段階にステップ状に曲率を増加させた実ー 46 ー