ミニチュア塑性加工機の開発と技術教育への応用
埼玉大学

教育学部 技術教育講座
准教授 内海能亜（平成 21 年度一般研究開発助成 AF-2009003）
キーワード：塑性加工機，技術教育，教材
１．研究の目的と背景「工業材料」「材料加工」がある．それぞれの目標は各科

本研究では塑性加工を体験的に学ぶことができる教材

目においての知識と技術を習得させ，実際に活用する能としてのミニチュア塑性加工機の開発を試みた．一般的力と態度を育てるとある．具体的に「材料加工」の材料に塑性加工機は大型で高価であり，その取扱いの安全性の加工法では，「金属の塑性加工によって製品を作る方法を十分配慮し，専門的な技能の習得が必要となる．そのを取り上げ，その材料の特性から力や熱を加えて製品をため，専門の教育機関以外では装置の設置は難しく，体作る加工方法について理解させ，実際に加工できるよう験的に塑性加工を学ぶ機会が少なくなる．そこで，各種にする」とある10)．工業高校は大学工学部などの専門教

塑性加工機の動作や加工過程が安全に確認でき，教室な育（特殊な加工や最新の加工を除く）とほぼ同様の教育

どの机上で加工体験ができるミニチュアサイズの機械を内容で，文部科学省著作教科書11)が用いられる．

設計することとした．本研究の期間では一次加工としてその他の教材として，実際の塑性加工が動画として写は圧延機および押出し機，二次加工はロール曲げ機およしだされているビデオやe-learning，設備の整った機関

び絞り・鍛造が体験できるプレス機を製作した．また，であれば実習工場がありプレス機などを備えているわけ

塑性加工に関する教材の必要性，本機の加工特性と利用である．大型機械以外に，人力の塑性加工機として図1

方法，本機を用いた実験授業とその効果について調査しのような加工機がある．それぞれV曲げ機，ひも出しロた 1)～6)のでここに報告する．

ール機，ロール曲げ機，足踏み式せん断機，エキセンプレス，ロールミルなどであり，人力でテコ式またはハン

２．塑性加工に関する教材の必要性
2.1

ドルを回して塑性加工ができる．これらは大型機に比べ安全に取り扱え軽量ではあるが基本的に実習場に固定し中学校と高等学校の技術教育

技術教育に含まれる普通教育としての中学校技術・家て使う機械で，教室などに持ち込み机上で作業ができる庭における技術分野（以降，技術科）の教育では，平成重量ではない．何れにしても実機を有さない教育機関で24 年度から新学習指導要領解説による授業が開始されは，各種塑性加工法を体験する教材は少ない．

る．そこでは，「材料と加工に関する技術」，「エネルギー変換に関する技術」，「生物育成に関する技術」，「情報に関する技術」の 4 つの教育内容が示されている．これらのうち，塑性加工に直接関連する内容は「材料と加工に関する技術」で，材料の特徴を知るために，「木材，金属及びプラスチックなどの生活で利用されている材料を取(a) Ｖ曲げ機

り上げ，かたさ・強度・比重などの測定や，熱・電気・光・音・水などに対する実験や観察からその特徴を気付かせる」とある．また，加工法については，「木材，金属(b) ひも出しロール機

及びプラスチックの切断，切削，金属の鋳造，鍛造など，材料によって使用する工具や加工法が違うことを，実験(c) ロ ー ル 曲 げや観察を通じて知ることができるようにすることが考えられる」とある 7)．近年，脱ゆとり教育で授業時間が見直されてはいるが，技術科の授業時間数は 20 年前に比べおよそ 29％削減されている．また，技術科の教科書は
現在 2 つの出版社から発行（計 2 冊）されているが，過去の内容 8)と比較すれば，塑性加工法の例が少なくなり，実習における具体的な板金製品が記されなくなった 9)．
専門教育あるいは職業教育として位置付けられる工業(d) 足踏みせん断機

高校の学習指導要領解説工業編の科目に「材料製造技術」

図１

ー 25 ー(e) エキセンプレス (f) ロールミル

人力の塑性加工機

2.2

加工や電気の分野に比べその値は低い．実習の具体的内

アンケート調査

異なる複数の大学の学生（男 44 名女 26 名計 70 名）

容は自由記述式で計 179 件挙げられていたが，塑性加工に対して，学部学年不問で中学校技術科に関するアンケに関する実習内容はチリトリの 2 件（約 1％）であった．

ート調査を行った．その内容は次の，a)中学校技術の授さらに，金属加工の授業の中で取り上げていた工具と加業で受けたことのある分野は何ですか（複数選択式），工法を選択式で回答させた結果は，塑性加工に関連するb)実習における具体的な内容を挙げてください（自由複

金切りばさみ，折り曲げ機，打ち木，折り台は 6～19％

数記述式），c)技術科の金属加工に関する授業で取り上げであった．これらの結果より，高校を経て大学に進学しられていた工具と加工法を挙げてください（複数選択式），3 年以上経つ学生らには，金属加工の分野は印象づけらの 3 件とした．アンケート結果を図 1 に示す．大学生がれていないことがわかる．

中学校時に受けた技術科の授業内容として，ほとんどの身のまわりにある様々な金属製品は，その生産性や材学生が木材加工の分野を挙げた．これに対し，金属加工料歩留まりの良さから塑性加工法が適用されている．には 44％と低い値となった．実習で行ったことのある具体もかかわらず，中学校の技術教育の現場では塑性加工の的な内容を分野別に分類すると，金属加工はわずか 5％

紹介や実習などの体験学習が省略されている．学習指導が実習を行ったという結果となった．数年前のことなの

要領解説や教科書の内容の省略，授業時間数削減，安全で忘れている学生もいると推測できるが，明らかに木材性の問題，社会情勢に応じた産業界の経済的な問題のよ
うに複数の原因が考えられるが，近年，塑性加工に関す100る技術教育が軽く取り扱われていることは見逃してはな

91

分野の割合 ％

らない．このような問題を解消する一つの手立てとして，

73

80

易しい作業・安全・安価に体験学習が可能な教材用のミ60

60

ニチュア塑性加工機の開発が必要であると考えた．

4440

３．ミニチュア塑性加工機

232010機械や金属加工の分野におけるこれまでの教材には，4 サイクルなどのエンジンの構造，歯車などの各種機械

0
木工

金工

電気
栽培
分 野（選択式）

情報

機械要素，ロボットの製作を通じてリンク機構や制御を学習するための教材があり，実際にキット化され，販売されa)中学校技術の授業で受けたことのある分野ている．また，金属加工では日常生活に利用できる製品，

403430

分野の割合 ％

例えば，ペン立てや工具などの製作に関する教材が販売

30

されている．その他，実機を使った教材としてのへら絞りに関する研究 12)，工作機械等の安全に関する研究 13)

23がなされているものの，塑性加工機を扱った各種成形法

20の学習に関する研究は少なく，加工機をミニチュア化し，105

これを教材として扱っている教材は見当たらない．

540
木工

金工

電気

生物

情報

機械

3.1

ロール曲げ加工機

3.1.1

加工機の仕様開発した加工機を図 3 に示す．筐体はすべてアクリル

具体的内容の分野（自由記述式）

b) 実習における具体的な内容
806763

回答の割合 ％

604020393330

1992616461360

工具・加工法（選択式）

c) 金属加工に関する授業で取り上げられていた工具と加工法

図2a)

アンケート結果

熱処理なしの筐体

図3ー 26 ーb)

熱処理した筐体

ミニチュアロール曲げ加工機

製で成形過程程が見えるようう設計した．ア
アクリルを切 削す

t=0.33mm
B=15mm○：A5052△：C2801□：A1050：亜鉛鉄板を施すが，公公差の厳しい箇箇所ではその設設計に注意が 必要である．加工
工機の質量は 499ｇで筐体の全長は 1022mm
手のひらに乗乗るサイズで，部品点数は締締結用ネジも 合わ
せ全 22 点， 一般的な工具具で分解組立がが可能である．
3.1.2

弾性域

塑性性域

曲率

透明性を確保保するために（若干，黄色をを帯びる）熱 処理

ρ（㎜）ればすりガララスのように白白色化し透明性性を損ねてし まう．

加 工機による実実験

曲げ加工でで適用した素材
材は中学校技術術科の教科書 や金押込み量
量

属加工分野のの教材として適適用されているる材質を選択 した．
適用した材料
料は A1050，AA5052，亜鉛鉄
鉄板，C2801 ，肉

図4

δ（㎜）

押込み量
量と曲率の関係係

厚 t=0.3～1.2mm，長さ L=150mm，幅 B=10，15，200mmの帯板とした
た．曲げ加工はは図 3 に示す上上ローラと 2 つの下ローラで材材料を挟み込む
む．そして，ネネジで押込み ，ハンドルにて素素材を送り出すす方式となってている．
3.1.3

ラム
ラ

加 工機の特性

パンチホル
ルダ

ネジの押込込み量 δ と素素材の曲率 ρ の関係を図の4 に示

面ファスナナーす．グラフよより押込み量にによって曲率がが変化し，材 質の違いによってても変化するこことが確認でききる．また， 曲率が得られないい弾性域と塑性性域の確認がでできる．さら に，上下ローラととブランク接触
触部 3 点座標かから計算でき る曲

パ ン チ

率と実験で得得た製品の曲率率が異なる現象
象，すなわち ，ス拡大図

プリングバッ
ックを確認するることができる
る．
3.2

プレ ス機

しわ押え筐体がアククリル製のクラランクプレスをを図 5 に示す
す．パンチホルダははボルトでラムムに固定され，，パンチホル ダに接着した面フファスナーでパパンチを取り付付けることが でき，

ダイ

容易にダイのの芯を合わせるることができる
る．加工機は 全長

図5

クラン
ンクプレス機

270×幅 110×奥行き 115mm，オープン
ンハイト 160 mmm，ラムの推力はは設計値でおよよそ 500N，ストローク 85 mmm，質量は 3.3kgg としたので，容易に持ち運運べ，安全に加加工ができる仕様様となっている
る．また，ブラランクはしわ 押えで拘束して絞絞り加工が可能能である．ダイイやしわ押え もア

C1100

クリル材を適適用しているたため，成形過程程が可視化さ れている．
3.2.1A1050a)ししわ押え力が少 ない条件(t=0.33)
れ割れ

A1050， ｔ=0.3

絞り

絞り用のブ
ブランクとしててアルミ二ウム
ム A1050 お よび
径Dタフピッチ銅銅 C1100 を適用し，厚さ t＝＝0.3mm，直径＝30mm としした．ブランクは金切りばささみで切り出しした．
絞 り 用 の 金 型 は 黄 銅 を 適 用 し ， パ ン チ 直 径 Dp ＝SD=1.0mm

13.05mm と した．ダイはは黄銅とアクリリル製の 2 種 類をSD=1.5mm

S D=2.0mm

SD=3.5mmb)しわ押え有有りの条件製作した．ダダイ直径 Dd＝14mm，パンチ
チ先およびダ イ肩図6

絞りによよる不良現象

部半径はそれれぞれ 2mm， しわ押えは絞絞り過程が見 えるようアクリルルプレート（55mm）を適用した．図 6 に 示すかららの取り出しをを容易にするた
ため粘土にワセリンを塗布
布ように絞りにによる典型的なな不良現象としてパンチ肩 部のし成成形した．工程
程は図 7 のよう
うに，下型は同同一の金型（ダダ割れ，しわななどが本機によ
よって確認でききる．

イス
ス穴径 6mm），上型は多段工工程の利点が加加工によってて3.2.2鍛造

確認認できるようにに 2 工程としたた．図 8 は本機機による成形形

鍛造用の素素材には一般的的に市販されてている油粘土 ，加品でで，2 工程のみみの鍛造に比べべ，1，2 工程を経ることにに工硬化の傾向向を示す塑性加加工シミュレーーション用モ デル

よっって座屈の発生生が抑えられるることが観察できる．ただだ材「Floss」（（以降，モデルル材）14)を適用用した．また， 型

し，1，2 工程を経ても若干のの肉の引けが確確認された．

ー 27 ー

φ5.8

ダイ穴径：φ632 ㎜

コンテナ部

190mm
曲がり

ダイス
素材

第 1 工程第 2 工程パンチ径
上 4 ㎜φ7
最下部φ10
全深サ 8mm

パンチ径
φ10 深サ 6.5

チャンネル

丸棒

図9

第 1 工程

押出し加工機第 2 工程

鍛造用金型

材料
280mm

図7引け座屈発生a)１＋2 工程

押出し機

図 9 に円筒形状のアクリル製コンテナとした押出し加工機を示す．コンテナおよびダイス部をアクリルとした
ため，押出し加工で材料が流動する過程を見ることがで363432300

押し出す機構とし，ねじ部を含めないで全長 190mm，×厚さ 2mm）の成形用ダイスの 2 種類を作製した．材料は鍛造と同様にモデル材を適用した．
現在，押出し加工後ダイス出口から曲がりが発生する（㎜）

棒材を成形するダイスとチャンネル形状（高さ 8×幅 1220056○：モデル材
×：油粘土

0肉厚ｔ（㎜）

圧延機

材料が圧延される．上ローラの押込みは，歯車で同期さ4

圧延方向

0

ラは MC ナイロン製の歯車により手動で回転することで3100正が課題となっている．

数は 42 点，質量 4.8kg，アルミニウム合金製の上下ロー

2

ひび割れ

300

ので，直線的な長尺製品を得るためにはダイス形状の修図 10 にモデル材による圧延機を示す．本機の部品点

1400

長さℓ

部品点数は 24 点である．前述した鍛造の素材用にφ5.8○：モデル材
×：油粘土

38

きる．本機の質量は 475g，ミニチュアボールねじにより3.4

圧延機

40（㎜）

3.3

鍛造による不良現象

幅ｂ

図8図 10b) 2 工程のみれた両側のネジで押し込む機構とした．

1234565○：モデル材×：油粘土

43210

素材形状は長さ 76mm，幅 30mm，厚さ 6mm とし，ローラの押込み量δは 1 から 5mm（減肉率 17～83％）の範囲で圧延した．図 11 に油粘土およびモデル材の圧ー 28 ー

0123押込み量δ

図 114（㎜）

加工特性

56延後の寸法値と押込み量δの関係を示す．圧延前の幅30mm から圧延後幅 34mm にほぼ一定値へ増加するが，油粘土ではそのバラツキがモデル材よりも大きいことがNO6%わかる．また，ローラ押込み量の増加に伴って長さおよび肉厚ともに 1 次的に増加していることがわかる．油粘NO
14%

土は押込み量δが 4mm 以上から材料幅両端部にひび割YES94%れ（図 11 参照）が発生し，5mm 以上圧延するとローラに粘土がはりついてしまう．モデル材では，ひび割れなどの不良現象は発生しなかった．

実験授業

工学部機械系，教育学部技術系（中学校技術科教員志

材料の加工法に関連する授業科目の 1 コマ（90 分）で実施した後に，本機についてアンケート調査を行った．そ図 12の結果を図 12 に示す．アンケート結果より，成形過程

40

2 番目の教材に 1 点をつけさせた．その結果を図 13 に示す．工場見学が最も点数が高く，ビデオ教材は最も低いＮ工ができていることがわかる．

30

点数

50

レス機の仕組みや加工法が最も理解できる教材に 2 点，

20

3%
YES
91%

44

43810値となった．工場見学は実機が稼働しているところを見どちらとも言えないプレス機のアンケート結果（平成 23 年度分）が見えることで塑性加工法の理解がしやすく，安全に加この他，本機とビデオ教材や工場見学を比較して，プNO
6%

YES
100%を対象に本プレス機による絞り加工を体験させた．金属

9%

本教材は，安全・安心という面で優れていると思いま
すか．

NO0%

望）の学生（工学部 19 名，教育学部 16 名，計 35 名）

どちらとも言えないYES
77%

本教材の大部分にアクリルを用いましたが，加工が見えることにおいて効果があったと思いますか．

４．実験授業と公開講座
4.1

本教材を使って絞り加工を実践することは，受講者にアルミや銅など金属の性質や特徴を捉えさせることにつながると思いますか．

本教材を使って絞り加工をNO実践することは，受講者が6%
塑性加工法を理解することにつながると思いますか0

ることができるが，時間調整や旅費などの問題がある．
ビデオ教材は実際に体験学習するわけではないので点数

図 13

本機

ビデオ

工場見学

教材の比較（平成 23 年度分）が少なくなったと思われる．
これらの結果より，ミニチュア塑性加工機は塑性加工を実際に安全に机上で体験でき，各種加工法を学習することのできる教材として有効であると考えられる．
4.2

小学生対象の公開講座

さいたま市教育委員会と埼玉大学が連携して，平成 23
年度「金属を変身させよう」という題目で，小学生 5，6年生の児童 50 名を対象にものづくり体験講座を開催した．この中の一部でミニチュアロール曲げ加工機とハンマーによる曲げ加工を比較させた．図 14 に示すように，本学の学生がロール曲げの使い方，ハンマーによる曲げ(a) 小学生に対して指導している様子

加工法を小学生に対して説明し，それぞれの加工を体験させた．加工後，それぞれの加工について児童から感想を述べさせた．その内容を以下に列挙する．
①曲げ加工機を使って金属を曲げてみたい．
②手加工よりも加工機の方が簡単．
③手加工よりも加工機の方が，加工時間が短い．
④加工機の方が材料の表面がきれい．
⑤加工機の方が疲れない⑥手加工の方がいい（自分自身で苦労して作ったから）①は加工機に対する興味関心がうかがえる．②～⑥は加工に対して気付いたことであるが，主に加工機を使う意義が体験授業によって理解できていると判断できる．

(b) 手加工の体験

図 14ー 29 ー(c) 曲げ加工機の体験

ものづくり体験講座（対象：小学校 5・6 年生）

4.3

表1

ミニチュア塑性加工機の利用法

普通教育の中学校技術科教育および工業高校などの職活動内容期待できる効果
加工機を使う意義が確認できる

ロール曲げ加工機

手加工と加工機による加工を比較させる
板材の曲げ加工で押込み量と曲率の相関を求めさせる業・専門教育では，材料の特徴とその利用法，そして，金属材料による塑性加工法を知ることが目的の一部として挙げられている．
実際に，ミニチュア塑性加工機を用いた授業や公開講座での活動内容とその効果について表 1 にまとめる．金圧延機とロール曲げ加工機

各加工機における加工体験させる

属材料の性質や材料の違いによって，加工特性が異なることなどが塑性加工の体験で知ることができる．これら全ての加工機以外に，材料の歩留まりや生産性が高いなどの塑性加工の利点がわかるよう工夫した活動も考えられる．図 15

プレス機

金型や治具の設計製作，試加工をさせる

ロール曲げ加工機，プレス機製品の設計製作を体験させるのように製品ができるまでのプロセスを学ぶこともできる．高校生以上のレベルの高い受講者には，自ら本機で加工できる製品を考えさせ，設計・製作などさせること

塑性加工機の利用法適用する加工機もできる．図に示すたて琴は，実際に学生が考えた作品一次加工例である．

二次加工

金属材料の性質が確認できる
塑性加工には一・二次加工があることを確認できる
塑性加工の典型的な不良現象が観察できる．興味関心を育む
不良現象の抑制方法
を実験によって見つけることができる．
問題解決能力育成
達成感や創造性が養える

製品製作

前素形材

５．おわりに板材

本件の当初計画では，普通教育として技術分野を学ぶ

棒材

中学生および技術科教員目指す大学生を対象にミニチュ

形材

ア塑性加工機を開発していた．しかしながら，研究を進め各種学会，エンジニアの意見を聞いた結果，工学部で図 15の導入教育や製造業の社員研修など専門および職業教育に利用価値があるのではないかという意見が多くあった．
そのため，ミニチュア塑性加工機は広い意味での技術教育の教材として応用が期待できる．
本件の研究成果を以下にまとめる．

参考文献
1)
2)

（１）教材としての塑性加工機の必要性をアンケートなどによって調査し，実際に加工が体験できる教材としての塑性加工機の模型を開発した．本研究期間では，押出し加工機，圧延機，曲げ加工機，プレス機を製作した．

3)
4)
5)

（２）本機の適用によって加工機を使う意義，各種塑性加工法の理解，そして，金属材料の性質を学ぶことができる．また，本機は取り扱い易く安全に加工体験が可能で，軽量で持ち運びができるため教室など机上で体験することができる．
（３）本機を組み合わせることで，前素形材を加工する

6)
7)
8)
9)

一次加工，製品を加工する二次加工が体験できる．また，創造性を養う学習としては，製品設計をさせ実際に本機を用いて加工させる．この他，塑性加工で発生する不良現象を抑制する方法を自ら考えさせ，金型や治具などの設計製作をさせることもできる．

謝

10)
11)
12)

辞

ミニチュア塑性加工機の開発は天田金属加工機械技術振興財団の一般研究開発助成（AF-2009003）によって製品ができるまでの工程

13)14)実施されました．ここに深く感謝の意を表します．

ー 30 ー

譜久村航・内海能亜：日本産業技術教育学会第 53
回全国大会講演要旨集，(2010)，61．
内海能亜：平成 23 年度塑性加工春季講演会講演論文集，(2011)，307-308．
内海能亜：平成 23 年度工学教育研究講演会講演論文集，(2011) ，376-377．
齋藤麻紀子・内海能亜：日本産業技術教育学会第54 回全国大会講演要旨集，(2011)，104．
内海能亜・吉田昌史：日本産業技術教育学会誌，
54-1(2012)，29-34．
内海能亜：塑性と加工，53-616(2012)，404-407．
文部科学省：中学校学習指導要領解説技術・家庭編，(2008)，11-22．
石毛フミ子・林雅子・馬場信雄監：新しい技術・家庭上，(1981) ，57-78，東京書籍.
加藤幸一・永野和男ほか 58 名：技術・家庭技術
分野，(2012)，62-63，東京書籍．
文部科学省：高等学校学習指導要領解説工業編，(2010)，170-181．
文部科学省：高等学校用 材料加工，(2009)，実教
出版．
木田健太・安田健一：日本産業技術教育学会第 53
回全国大会講演要旨集，(2010)，62．
中澤 剛・金井 三十男・川島 俊美・松原 雅昭：
工学教育，59-1(2011)，81-87．
日 本 ハ ー ド ウ エ ア ー 株 式 会 社 ：http://www.jhw.co.jp/product/19.html .