汎用ツールによる金型レスの逐次曲げ成形技術の開発
広島県立総合技術研究所 西部工業技術センター 生産技術アカデミー部長 安部 重毅
（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017033）

製品設計研究部

キーワード：ベンディング，インクリメンタル，薄板鋼板

１． 研究の目的と背景
薄板鋼板の板金成形では，金型を使用したプレス成形が２．研究方法と成果
2・1

逐次曲げ加工の基本機構主流であるが，金型の製作費が高い，製作期間がかかる，逐次曲げ加工では曲げ加工に特化した汎用ツールを使大型のプレス機が必要等の観点から，金型レスもしくは金用する．この曲げツールは，上側に配置する上側治具と，型数削減への要望が強い．

下側に配置する下側治具の 1 組のツールで構成し，一方のこれらの要望に対し，インクリメンタル成形やスピニン治具を相手側治具に押込むことで，局所的なＶ曲げを行う．

グ成形といった“逐次成形法”がある．逐次成形法とは，曲げの機構を具体的に示す．図２の概念図の例から，曲1 つの汎用ツールを使って張出し等の局所加工を行いなげ機の機構により，上側治具を下側治具に押し付けると，がら，加工部位を移動させることで，金型レス（もしくは上側治具の押込みローラがワークを経由して，下側治具の金型数削減）にて，多様な複雑形状の板金成形を可能にす

受けパッドを押し込む．パッドの下降により，下型治具のる成形方法である．

リンク機構を介して，受けパッド先端を中心に 1 組の肩ロ筆者らは，この逐次成形法に注目し，張出し等の加工にーラがＶ字を形成するように傾斜しながら持ち上がる．ワ

代わり局所的な“曲げ”加工を行いつつ，加工部位を連続ークは，こうして持ち上がった 1 組の肩ローラと押込みロ的に移動制御することで，板金成形を行う“逐次曲げ加工”ーラ間の３か所の接触部で曲げられる．

方法を提案する．

図２左のように，押込みローラを微少量だけ押し込むと，本提案方法により，従来のベンディングマシンでは，同肩ローラの傾斜は少なく，浅い曲げとなる．一方，押込み一の曲げ角度，かつ曲げ中心を結ぶ線（以下，曲げ経路）量を増やすと，図２右のように，より深い曲げに加工できが直線でしか加工できなかったものが，曲げ角度を任意にる．

変更でき，曲げ経路を曲線とする加工が可能になる（図１参照）．

逆に押込み量を減らすと，内挿バネ力による復帰機構により，受けパッドを初期位置の状態へ戻そうとする力が働

本報では，このような加工を実現するために，要となる汎用“曲げツール”と，曲げツールとワーク間の相対制御

く．これにより，1 組の肩ローラは深いＶ字から浅いＶ字に移行する．

を行う“曲げ機”の開発を行い，これらを用いて曲線経路提案する逐次曲げ加工では，ワークを任意の曲げ経路にに沿って薄板鋼板を曲げる加工を実現したので，これを報沿って移動させつつ，順次曲げを加える．そのため，曲げ告する．

経路の移動中に押込み量を増加，減少させる制御を行うことで，ワークの曲げ経路の任意の部位で，深い，浅いといった“曲げ角度を調整”した加工ができる．
なお，この曲げツールは，加工力低減やこすれ傷防止のために，Ｖ曲げ時にワークと接触する３か所の部位は，摩擦抵抗の少ない“ローラ構造”を採用する．

図１

従来の曲げと提案する逐次曲げ

図２

提案する曲げツールの概念図

2・2

直線曲げ加工機の開発

逐次曲げ加工では，曲げツールを曲げ機に組み込んで使用する．この曲げ機は，曲げツールを規定値だけ押し込む

2・3

曲げツールの開発

図２で想定した曲げツールをベースに，次の３点を改善した曲げツールを製作した（図４参照）．

機能と，ワークもしくは曲げツールを曲げ経路に合わせて

１点目は，剛性不足対策として全体に補強を加えた．

移動させる機能を有する．

２点目は，受けパッドでのこすれ傷が顕著に発生するこ曲げ機開発にあたり，初期検討段階から複雑な曲げ加工とから，ローラ構造のセンタローラに変更した．

ができる曲げ機を試作するのはリスクが高い．理由は２つ

３点目は，内挿バネでは受けパッドの下支え力を調整であり，１つは，逐次曲げ加工が未知の技術領域であるため，きないことから，エアシリンダ式に変更し，さらに電空レ

基本的な曲げ加工さえできない可能性があること，もう１ギュレータでエア圧を調整することで，加工中での下支えつは，複雑な経路上を移動させる機構は難易度が高く，ト力の変更を可能にした．

ライ加工に至るまでに多大な時間を要することである．
そこで，初期検討用として曲げ経路を直線に限定した曲げ機（以下，直線曲げ機）を開発し，基本の逐次曲げ加工の可否を判断する．可能であれば，複雑な経路も加工できる曲げ機（以下，曲線曲げ機）の開発に着手する．
図３に開発した直線曲げ機を示す．本機は従来のベンディングマシンと同様に曲げ経路は直線に限定されるが，曲げ経路上の曲げ角度は，逐次変更できる．
また，本研究で開発する曲げ機については，機構を簡略化できることから，曲げツール側を固定し，ワークを移動させて加工位置を制御する仕組みとする．対象となるワー
クの最大寸法は幅 300mm を想定した.
直線曲げ機の構成を図３に示す．曲げツールの押込みには電動シリンダ RCP6-WRA（IAI 社製），ワークの移動制御には電動スライダ RCP6-WSA（IAI 社製）を使用し，これらの機器は PLC FX-5U（三菱電機製）を使い，一括制御する．
なお，初期の直線曲げ機は，曲げツールの押込む機構に図４エアシリンダを使用し，供給圧力を変更することで曲げ角製作した曲げツール

度の調整をこころみた．しかし，曲げ加工の開始点，中央，終了点で変形抵抗が変わるため，供給圧力を一定にしても2・4均一の曲げ角度に成形できないことが分かった．そこで，初期検討トライの結果，基本的な曲げが可能であること押込み機構についても，電動スライダの押込み量制御に変を確認するとともに，曲げ品質に関して重要な知見を複数更した．

得た．その１つが，一度に深く曲げると，成形品の不要な直線曲げ機による加工トライ

なお，曲げ機および曲げツールの開発には，
3 次元 CAD ソ

部位に折れや傷が発生し，曲げ品質が悪化することである．

フ ト ウ エ ア の Solid Works( 米 ， Dassault Systems

これは，同じ経路を複数回通りながら徐々に曲げ角度を大SolidWorks Corporation 社，米)を使用した．

きくすることで改善できる．
例えば，最終押込み深さ 12mm，押込みピッチ 2mm の場
合は，まず，押込み深さの規定量を 2mm に設定して曲げ経路にそって加工を行う．次に押込み深さの規定量を 4mmに増やして同経路の加工を行う．これを規定押込み深さが最終押込み深さ 12mm になるまで全部で 6 回繰り返し，徐々に曲げ角度を大きくして，目的の曲げ深さ形状にする．
加工トライの共通条件を示す．ワーク形状は 120×250mm，材料は板厚 0.6mm の軟鋼板（SPCC）とする．加工は押込みピッチ 1mm，曲げ経路はワークの長手方向中央を通る直線経路とし，ワークの加工速度は 40mm/sec とする．
加工トライは，最終押込み深さを 2mm，4mm，6mm…，18mmに変えた 9 条件を実施する．なお，最終押込み深さを 18mmとした加工品の夾角がおよそ 90 度になる．

図３

直線曲げ機

加工後に三次元測定器 Vectron (東京貿易テクノシステ

ム製）で形状計測を行い，長手方向断面の形状評価を行う．
図５に，最終押込み深さを変えた場合の中央断面における夾角をプロットしたグラフを示す．夾角と最終押込み深さはほぼ比例関係となった．
最終押込み深さ 18mm の加工品に対して，長手方向の断面位置における夾角をプロットしたグラフを図６に示す．
加工品の形状内での最大ずれ角度量は 2.83deg であった．
固定側端部付近での曲げが浅くなるのは，曲げ機の構造上，ワーク固定機構と曲げツールが衝突するため，ワークの端部まで加工ができないことが原因である．

図７

曲げ角を徐変する押込み経路とその加工品

次に，最終押込み深さ 14mm，押込みピッチ 1mm として，急激に押込む経路１と，緩やかに押込む経路２の異なる２種類の押込み経路の加工を実施した．
押込み経路１を図 8 上に，経路１で加工した加工品形状を図８左に示す．また，経路２を図 8 下に，経路２で加工した加工品形状を図８右に示す．なお，図８に示す加工品

図５

最終のローラ押込み深さと夾角の関係

形状は，三次元測定器で計測し，計測結果データを等高線表示したものである．
押込み経路により傾斜を示す等高線が大きく変わり，形状に変化を持たせることができた．

図６

曲げ角度の変化

次に，従来のベンディングマシンでは加工できない曲げ角度を徐変する加工トライを行う．
曲げツールの押込み深さは，経路の開始端から 70mm 地点までは 0mm とし，そこから徐々に押込み深さを増やし，110mm 地点までに規定押込み深さにする．この規定押込み深さのまま 30mm 進むとまた押込みを徐々に減らし，押込み深さを 0mm にもどす加工経路とする．

図８

押込み経路による加工品形状の影響

押込みピッチは 1mm，最も押込みが深い部位の最終押込み深さは 6mm，8mm，10mm，12mm，14mm の 5 条件とする．

2・5各条件における繰り返しの最後に通る押込み経路を図７

直線曲げ機によるトライ結果から，曲線曲げ加工も可能上に示す．

曲線曲げの解析と判断し，曲線曲げ機の開発に着手した．開発の前段階と図７下に加工品を示す．最終押込み深さを大きくするほして，曲線曲げ特有の課題を洗い出すために，曲線曲げのど，最深部での曲げ角度は深くなった．また，最終押込み加工計算を行う．この計算には，有限要素解析のソフトウ

深さが 6mm と浅い曲げでも，浅いエッジが立ち，キャラク

エア PAM-STAMP（仏，ESI 社製）を使用する．

タラインのような特徴のある曲げを局所的に付与できた．

計算で使用する曲げツールモデルを図９に示す．これは

図４の曲げツールをもとにワークと接触する部位だけを計算条件を次に示す．ワーク形状は 250×250mm，材料取り出し，この部位に剛体要素を張り付けたものである．

は板厚 0.6mm の軟鋼板（SPCC）とする．曲げ経路は図 10

この曲げツールモデルは，押込みローラ，センタローラ，の S 字経路とし，押込みピッチ 2mm，最終押込み深さを 10mm

肩ローラなどで構成する．押込みローラに下向きの強制変の加工を想定した計算を行う．

位を与えるとワークを経由して，センタローラが押込まれ，最終押込み深さを２mm，４mm，６mm，８mm，10mm としそれに伴いリンク機構により肩ローラが傾斜姿勢をとる．

た計算結果に対して，等高線表示したものを図 11 に示す．

ワークは，この押込みローラと 1 組の肩ローラにより，局

この計算結果から，曲線経路の加工も可能であり，押込量所的な３点曲げ加工を受ける．

を増やしつつ，曲げ経路を繰り返し通過することにより，次に計算における加工の様子を説明する．

曲げ角度を大きくできることを確認できた．

製作する曲げ機では，曲げツール側を固定，ワークを移次に，曲線曲げにおいても，徐々に曲げ角度を深くしつ動制御するが，その場合，ワークを進行方向に対して接線つ曲げ角度を深くする加工の方が，高い曲げ品質の成形が方向を保ちつつ移動させる必要があるため，移動と姿勢変できるかを計算で検証する．

更を同時に設定する必要がある．そのため，計算では，製初期位置で 10mm 押込み 1 回経路を通過して加工を完了

作する曲げ機とは異なるが，ワーク側を位置固定し，曲げした計算結果（押込みピッチ 10mm）を図 12 左に，押込みツールを強制移動させる方法で加工を模擬する．

ピッチ２mm として，経路を５回通過して加工した結果をはじめにワーク端部となる初期位置で押込みローラを図 12 右示す．

規定量だけ押込み，初期曲げを付与する．ついで，押込み前者の加工では，図 12 左の矢印部の S 字経路の凸側部深さは規定量のままで，曲げツールを曲線経路に沿って移位において，肩部ローラがワークへ食い込む現象がおき，動させることで，S 字経路全体に曲げを付与する．経路の窪みが生じた．これは，もともと平板形状から急激な曲げ終端位置に至ると，工具の押込みを解放する（図 10 参照）．

変形を付与することが原因で，極端なゆがみが生じやすい．

曲げ経路を複数回通過して，徐々に深く加工をする場合

一方，複数回の加工に分散した後者は滑らかな等高線となは，工具の押込みを解放した後に，もう一度初期位置に戻り，極端な歪みが発生しないことを確認できた．

る．ついで，初期位置にて，前回の規定値以上に曲げツー以上のように，曲線経路の曲げ加工の計算においても，ルを押込み，その曲げ角度を維持しながら，同じ経路を通複数回に分けて曲げ加工を行う方が品質的に望ましいこ過して曲げ角度を深くする．とを確認できた．

図９

曲げツールの解析用のモデル

図 11

図 10

S 字状の曲げ経路

図 12

曲線経路の曲げ計算の結果繰りかえし経路の影響（等高線図）

2・6

曲線経路の曲げ機による加工

2・7複数の曲げを付与した加工

直線曲げトライアルと計算結果から得られた知見をも最後に，１つの薄板鋼板に浅い曲げ加工を等ピッチで複とに，新たに曲線曲げ機を製作した．曲げツールは，直線数回入れた加工トライを行った．なお，浅い曲げとはいえ，曲げ機と同型ツール（図４参照）とし，曲線曲げ機中央に繰り返すとワーク全体に反りが生じるため，後行程にて周固定して使用する．

囲のたて壁をたてて，加工面を平面状に補正した．加工品

曲線曲げ機におけるワークの経路生成方法を次に示す．
まず，曲げ経路を CAD 上に自由曲線で定義する．その曲線上に点群を配置して，各点群の位置座標を加工開始点からを図 15 に示す．
このように曲げを繰り返すことで，立体的な凹凸模様を浮き出す意匠的な製品への展開もはかれる．

終了点まで順番に出力する．次にワーク上の加工開始点に曲げツールがくるように各電動スライダの位置を逆算する．この逆算を加工終了点に至るまで順番に行い，曲線曲げ機の制御用 PLC に取り込む．後は，取り込んだデータを順番に実行処理させる．
試作した曲線曲げ機を用いて，トライアルを実施した．
加工条件は前節の計算と同様で，曲線経路は図９の経路，ワーク初期形状は 250×250mm，材料は板厚 0.6mm の軟鋼板（SPCC）とする．押込みピッチを 1mm で固定し，最大押込み深さを 3mm，6mm，9mm，12mm の 4 条件の加工をした．
各条件の加工品を図 13 に示す．このように，計算と同様に曲線に沿った薄板鋼板の曲げ加工ができた．

図 15

複数回浅い曲げを入れた加工品

また，C 字形経路を生成し，この経路に沿って同様の加工を施した加工品を図 14 に示す．C 字形経路では，深く曲げるとワーク固定部でゆがみが生じたが，経路を変更するだけで多様な曲げができた．
今回のトライアルから，曲げツールの押込みを深くする

３．結論
薄板鋼板を対象に，自由度の高い曲げ加工を実現する逐
次曲げ加工方法を提案するとともに，当該加工方法を実現する試作加工機を制作して，加工トライを行った．と肩ローラでの折れが顕著になる，ワーク固定部付近でゆ

その結果，汎用ツールの加工経路を変えるだけで，自由がむ，曲げ加工の繰り返しの途中で曲げ経路がずれるなど度の高い複雑な曲げ加工を実現することができ，本提案方の課題を確認できた．

法が有効であることが分かった．
今回得られた知見は次のとおりである．
１）逐次曲げ加工に特化した曲げツールを用いることで，曲げ深さを徐々に変更する加工や，曲線経路に沿った曲げ加工が可能である．
２）曲げ経路のパス情報を変更することで，１つの汎用曲げツールで，多様な曲げ加工ができる．
３）逐次曲げ加工を模した計算予測ができる．これにより，机上での加工の可否の事前検討ができる．
今後の課題として，さらなる曲げ品質の向上，曲げ加工に要する時間の短縮，強度の高い材料への対応などがあり，解決を目指す．

謝
図 13

S 字経路に沿って曲げた加工品

辞

本研究は，公益財団法人天田財団の研究助成（AF-2017033）の支援のもと実施しました．また，研究の推進にあたり，広島大学 日野隆太郎先生には多くのご助言を賜り，広島県立総合技術研究所の岡野仁主任研究員と岩谷稔主任研究員には制御系の開発等に尽力いただきました．ここに，深く感謝の意を表します．

図 14

C 字経路に沿って曲げた加工品