Review

型曲げにおける板鍛造援用による曲げ角度およびスプリングバック制御メカニズムの解明
型曲げにおける板鍛造援用による曲げ角度
京都工芸繊維大学 機械工学系
およびスプリングバック制御メカニズムの解明

准教授 飯塚高志

（平成  年度一般研究開発助成 $)）T. Iizuka 曲げ，板鍛造，スプリングバック
キーワード：V飯塚高志 *キーワード：V 曲げ，板鍛造，スプリングバック

１．研究の目的と背景依存すると説明することができるが，底部の鍛圧によって

 金属薄板の型曲げにおける曲げ角度制御は除荷時のス生じる材料流れやそれによって生じる形状変化と関連付プリングバックの影響があるため，理論的な予測が困難でけて説明しようとする試みは少ない．これについて考えてあり，現場において見込み金型の使用，決め押し，リストみると，例えばボトミングでは曲げ後にパンチによってダライクなどの経験的な手法によって行われている．これら

底部の材料にパンチを押し込む加工を施すが，この時ダイ経験的な手法の効果については，詳細なメカニズムは説明

底部の素材に塑性変形を与えることが重要と考える．パン

できていない．

チ押込みによる塑性変形は板厚方向への一軸圧縮変形にスプリングバックを抑制する方法として，ボトミングやなると考えられることから，パンチ底部の材料の変形はコイニングといった方法がある．これらの手法では，曲げ「曲げ」から「据込み」へと移行すると考えらえる．この加工の終期において曲げ部に圧縮力による追加工を行う

据込み加工は板厚方向に一様な変形となるため，この変形のがポイントと考えられるが，これらは板鍛造の一種と捉だけを見れば除荷後の曲げ角度の変化を生じない加工でえることができる．したがって，これら板鍛造援用の手法あると考えられる．
一方，ボトミングに関しては，一般にダイ中央部の隙間をより積極的に利用することによって，さらに効果的・合理的に曲げ角度およびスプリングバックの制御ができるに材料を押し出す加工と考えれば，「曲げ」から「押出し」と考えられる．

へ加工形態が変化することになる．この押出し加工は，板そこで本研究では，  ダイと不整合のパンチを用いた

厚方向に一様な板長手方向の平面ひずみ圧縮変形に近い

9 曲げとその後の板鍛造によるスプリングバックの抑制と考えられることから，やはり板厚方向に一様な変形とな効果，  板鍛造を援用した 9 曲げにおけるスプリング抑り，この変形だけを見れば除荷後の曲げ角度の変化を生じ制効果への材料特性の影響および )(0 解析を用いたスプない加工であるといえる．したがって，「決め押し」によリングバック抑制効果のメカニズムの検討を行った．

るスプリングバック低減は，引張曲げや圧縮曲げのような曲げ加工中の応力状態を調整することによるものではな

２．板鍛造を援用した V 曲げ時の曲げ角度およびスプリングバック制御手法の検討

く，曲げ加工後の塑性加工形態の変化によって引き起こされていると考えることもできる．
このような観点から，曲げ加工後に曲げ部に鍛圧（板鍛 ・ 板鍛造援用によるスプリングバック抑制法に関す造）を施し，材料を流動させる（塑性変形させる）ことがる基本コンセプト
 9 曲げ加工後にパンチを押し込むことによって，曲げ角できれば，「曲げ」から「板鍛造」へと加工形態が変化し，度を設計した角度に近づける方法は「決め押し」と呼ばれこれによってスプリングバックを抑制できる可能性があており，広く用いられている．この「決め押し」に関してると考えた．また，この「板鍛造」の方法については，恐は，ボトミングやコイニングと呼ばれる方法がある．この

らく「据込み」や「押出し」に拘る必要はないものと考えうち，コイニングは主にダイ底の素材にパンチを押込む加られる．そこで，本研究では，まずダイと曲率が不整合の工，ボトミングはダイ底部の隙間にダイ底の素材を押出す

パンチを用いることによって，材料に流れる空間を与え，加工として捉えることができる，しかしながら，これら「決そこに板鍛造によって材料を流すことによって，「曲げ」め押し」に関する詳細なメカニズムは明らかにされていなから「板鍛造」に加工形態を変化させることでスプリングい．基本的には，いずれの場合もスプリングバック抑制はバックを抑制する可能性について検討した．


曲げ部の板厚方向に荷重をかけることによって，曲げ部内側の圧縮応力と外側の引張応力を減少させることによっ ・ 実験方法て生じると考えられているのが現状である ．
一般にスプリングバックの抑制は除荷前の弾性状態に* 京都工芸繊維大学

機械工学系

図  に実験装置の概略を示す．パンチとダイをダイセットに設置し，ダイセット上部にオートグラフ 島津製作所

准教授- 40 -

製 $*N1 により圧縮荷重を与えることで試験片に底部の角度が °になるような 9 曲げを施した．試験片は$+ 材を使用し，試験片寸法は W×× とした．試験片の上下面には曲げ内側および曲げ外側の形状を測定する基準として  本の標線を PP 間隔で罫書いた．
図  に実験手順を示す．ダイ上に試験片を配置し，9 曲げはエアベンドで施す．曲げ後は，パンチをそのまま用いて板鍛造へと移行する．パンチ押込みによって板鍛造へと図  パンチ先端形状

移行する際に，荷重が急上昇し始める．そこで，便宜上，

荷重が N1 に達した点を押込み  の状態と定義することにした．その後，パンチ押込み量を PP ずつ PP まで増加させる．各パンチ押込み量において，パンチ荷重，スプリングバック量および試験片底部の形状を測定した．
パンチとしては図  に示す  種類を使用した．ダイの隅半径は PP としたため，初期板厚が PP の場合の整合性が取れる角半径 PP のパンチを通常パンチとして用意した．また，効果的にパンチを押し込むために，図  E お
よび F のような半径の小さい一コブパンチ（コブ半径
図  曲げ角部の形状測定方法

PP）および二コブパンチ（コブ半径 PP）を用意して，板鍛造の効果を比較する．二コブパンチのコブ半径は一コ
実験後に，予め試験片に罫書いた標線間の形状を測定しブパンチのプロフィルとほぼ同じ長さになるように設計た．標線間距離の測定にはレーザ変位センサを .(<(1&(されている．
実験後の試験片の曲げ角度の測定にはベベルプロトラ製/- を使用した．図  にレーザ変位計による形状測クター 7UXVFR 製 73' を用いた．荷重負荷中の形状定方法を示す．レーザ変位センサにより試験片形状に沿っはこの方法では測定できないため，試験中に撮影した写真た高さ分布が等間隔  μP ピッチ で出力される．それから画像解析ソフトウェアを用いてベベルプロトラクタ

ぞれ曲げ内側および外側からパンチ押込み方向に曲げ線ーによる測定と同様な方法となるようにして測定した．に平行に変位を測定し，それぞれの曲げ角部形状とした．

 ・ 実験結果
 図  に  種類のパンチによって加工を施した後の試験片形状を示す．通常パンチに関しては，加工荷重の関係で押込み量 PP の状態までした加工できなかったため，この状態の写真を示している．一方で，コブパンチによる加工に関しては，押込み量 PP まで板鍛造を施した加工試験

片を示している．図より，パンチ角部（曲げ内側）におい

図  9 曲げ・板鍛造加工冶具および試験片形状
て，コブパンチを用いた加工では，通常パンチには見られ図   種類のパンチによる加工試験片（PP 押込み）

図  実験手順

- 41 -ないくぼみが形成されていることがわかる．これは主にボチ押込みでは，いずれも伸びに転じていくことがわかる．

トミング加工の効果と考えられる．また，曲げ角度につい

ここで，スプリングバックがおよそ °になる押込み量ては通常パンチによる加工では設定角度よりも大きな角PP までは内側，外側ともに長さの変化が生じていない度となっており，スプリングバックが生じている結果となことが興味深い．逆に PP 以降ではいずれも明らかな伸っているが，二つのコブパンチによる加工では逆に曲げ角びとなっており，このことは曲げ角部で一軸圧縮変形が生度が °より小さくなっていることが確認できた．

じていることを示唆していると考えられる．

 次にパンチ押込みに伴うスプリングバック量の変化を純粋な一軸圧縮の場合には，曲げ内側と外側で伸び量が図  D に示す．スプリングバック量はいずれの場合も正等しくなると考えられる．そこで，曲げ外側の長さに対すから負へと変化する傾向を示し，°となる押込み量が存る曲げ内側の長さの比の変化を調べてみた．図  D にパ在することがわかる．このことはコブパンチによる板鍛造ンチ押込みに伴う曲げ長さ比の変化を示す．図  で見たよによってスプリングバックの抑制が可能であることを示うに，標線間長さの変化の少ないパンチ押込み量 PP ましていると考えられる．このスプリングバック量が °とでは長さ比 ～ の間でほぼ一定を保っているパン

なる押込み量はおよそ PP の押込みであった．


チ押込み量がさらに大きくなると，パンチ押込み量 ～PP の間で変化し，その後はほぼ一定もしくは一コブパンチで増加，二コブパンチで減少の傾向を示しているように見える．スプリングバック量とこの曲げ長さ比の関係を図にすると図  E のようになる．図からスプリングバッ
ク量の減少は長さ比がほぼ一定の状態で生じ，°になった後は変形の形態に依存した関係になると思われる．

 D スプリングバック量   E 最大加工荷重図  押し込み量に伴うスプリングバック量および最大加工荷重の変化また，加工中の最大加工荷重の変化を図  E に示す．
図から押込み量がおよそ PP になるまでは荷重増加率


図  測定した曲げ角部形状の例（一コブパンチ）


が高く，その後低下する傾向を示した．初期の高い荷重増加率はほぼ一定であり，コブの数による影響も小さいように見える．一方，荷重増加率の変化点以降では一コブパンチによる加工の方が荷重増加率は高かった．この荷重増加率の変化点はスプリングバックが °となる点におよそ一致していることから，スプリングバックが °となった後に加工形態が変化したのではないかと考えられる．
 図  に曲げ角部の形状の例を示す．図は一コブパンチを用いて PP のパンチ押込みを行った試験片を測定した



結果である．図から曲げ外側は滑らかな曲率を持った形状となっており，曲げ内側はパンチによって押し込まれた部

図  パンチ押込みに伴う標線間距離の変化
分でパンチ形状に沿ったくぼみが形成されていることが確認できる．この測定した形状について，代表量として曲げ内側と外側の標線間距離の変化量を比較してみることとした．
パンチ押込みに伴う曲げ内側および外側の標線間距離の変化を一コブおよび二コブパンチのそれぞれで比較した図を図  に示す．図にはぞれぞれのパンチ押込み量がPP のときの標線間距離を細線で示している．図を見ると
エアベンド後に曲げ内側では約 PP の縮みが，曲げ外側では約 PP の伸びが生じていたことがわかる．その後のパンD 曲げ長さ比の変化    

E 曲げ長さ比とスプ        
リングバック量

図  曲げ長さ比の変化とスプリングバック量の関係

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３．スプリングバック制御に及ぼす素材特性の影響 ・ 実験方法

 ・ スプリングバック量と材料特性の関係

この実験においても， 章の実験で用いたものと同じダイ

 実験に使用した金型および試験片形状を図  に示す．
および試験片を使用する．ただし，今回の実験では図

材料特性が曲げ角度に与える影響は式  で与えられるような式で表されることが報告さている  ．W Δθ) θ
Q   ( ρ F に示すようなパンチ幅 PP で先端半径 5 が ～PP の 種の板状パンチを用いて実験を行った．その他の実験装Q  

置および実験・測定手順は第  章で説明したものと同じである．


ただし，この式においてΔθはスプリングバック量，θは曲げ角度，ρは中立面の曲率である．この式によれば，スプリングバック量は材料の力学的特性のうち，ヤング率 (，塑性係数 ) および加工硬化指数 Q に強く依存するといえる．このうち，)( は塑性ひずみが  の時の弾性ひずみ量
図  金型および試験片形状と捉えることができ，関係式のスケールパラメータのような意味合いとなるだろう．したがって，関係式の形状は加工硬化指数の大きさに大きく依存するものと考えられる．

 ・ 実験結果

 ここではアルミニウム合金（$+），軟鋼 63&& ステ まず，アルミニウム合金について得られたパンチ押込みンレス鋼 686 を対象に板鍛造を援用したスプリング量とスプリングバック量の関係を図  に示す．図  にバック抑制を試み，その材料特性からの影響について検討は，第  章で一コブパンチを用いた実験で得られた結果もする．

パンチ半径 PP として示している．図からエアベンドによ 実験結果などを参考に各材料に関するヤング率 *3D ，る曲げ試験片のスプリングバック量（押込み量 PP）につ塑性係数（03D）および加工硬化指数を，$O（），いて，パンチ先端半径が大きくなるほど小さくなる傾向を63&&  および 686（）として，示した．スプリングバック量はいずれのパンチ先端半径の式  から算出した加工硬化指数と °の 9 曲げを行った

場合もパンチ押込み量の増加とともに減少し，この方法に際のスプリングバック量の関係を計算すると図  のようよってスプリングバック量を °にできることがわかっになる．ただし，板鍛造実験を想定して，板厚は $O およた．この減少はパンチ押込み量にほぼ線形で，パンチ先端び 686 に関しては PP，63&& に関しては PP として計半径の増加によって，スプリングバック量が小さい側にほ算している．また，中立面の曲率は通常パンチを想定してぼ平行にシフトするような結果となった．ただし，先端半PP としている．図には実験から求めた加工硬化指数の径が PP 以上ではパンチ先端半径による差が小さくなっ値を丸印で示している．

た．

グラフは，いずれの場合も加工硬化指数が増加するほど，スプリングバックが低減される傾向を示した．ステンレスが最もスプリングバックが高く，ヤング率に比べて降伏応力の高いアルミニウム合金が中間の位置を取った．63&&については，スプリングバックはほとんど生じない傾向となると予想される．実際の加工硬化指数について丸印の位置を比較すると，加工硬化指数が大きいステンレスはアルミニウム合金とほぼ同程度のスプリングバックを示すこ
図  パンチ押込み量とスプリングバックの関係（$O）とが予想された．


図  パンチ押込み量とスプリングバックの関係（686）

図  加工硬化指数とスプリングバック量の関係

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

きさは異なると考えられ，その後のパンチ押込みよってその隙間において曲げ戻しや押出しが生じることで加工形

態が変化し，スプリングバック量が抑制できると考えらえる．したがって，今後は加工のメカニズムや材料流動を明らかにすることで，どのような加工形態がスプリングバッ

ク量の低減に効果的であるかを検討する必要がある．









図  パンチ押込み量とスプリングバックの関係（63&&）


同様にパンチ押込み量とスプリングバックの関係について，ステンレス鋼と軟鋼について得られた結果を図 および図  にそれぞれ示す．押込み量については，ステ

ンレス鋼で PP まで，軟鋼で PP までとしている．結果を見ると，ステンレス鋼に関しては押込み量  でほぼア
図  曲げ長さ比とスプリングバック量の関係

ルミニウム合金の場合を同じ傾向を示したことがわかる．
これは図  で見たスプリングバック量の予測量がほぼア

ルミニウム合金の場合と同じだったことが関連している

４．)(0 解析によるメカニズムの検討と考えられる．ただし，アルミニウム合金の場合と比較す ・ 解析および評価の方法

ると，パンチ押込みに伴うスプリングバックの減少率はや

この章では，解析ソフト VLPXIDFWIRUPLQJ を使用や高い傾向であった．一方で軟鋼について見ると，図 

して，第  章で取り扱った一コブおよび二コブパンチを用で予想された通り，元々他の材料と比べてスプリングバッいた 9 曲げ後の板鍛造によるスプリングバック低減のメク量が少ない傾向にあった．他の素材の場合と同様にパンカニズムについて検討した．解析に用いた材料特性は実験

チ押込みによってスプリングバック量は減少する傾向をから得られたものを使用し，工具条件および加工方法は実示し，押込み量が小さい段階でスプリングバック量が０°験と同様にして解析を行った．表  に本解析の条件を示となった．これらの結果から，いずれにしてもパンチ押込す．また，メッシュ形状を図  に示す．この形状では，みによってスプリングバック量の低減が可能であり，また板厚方向に  層の立方体となるメッシュを採用した．

今回調べた条件範囲では，パンチ先端半径が大きくなるほどスプリングバック量が小さく，°となるパンチ押込み    表  解析条件

量も小さくなることがわかった．

 最後にパンチ押込み後の形状によるスプリングバック

量変化への影響に関して考えるために図  E と同様に曲

げ外側の標線間距離に対する曲げ内側の標線間距離の比

（曲げ長さ比）を測定し，スプリングバック量との関係を調べた結果を図  に示す．図にはパンチ先端半径が PPおよび PP の結果のみを抜粋して示している．図を見ると

                図  メッシュ形状ステンレス鋼と軟鋼の場合には曲げ長さ比が一定の状態

を保ちながらスプリングバック量が °まで減少する傾スプリングバックには曲げ負荷時の曲げモーメントお向を示している．この傾向は第  章で見られた傾向と一致よびその分布が大きく影響していると考えることができするものである．一方で，アルミニウム合金に関しては曲る．そこで，解析結果から式  を用いて曲げモーメントげ長さ比が増加しながらスプリングバック量が °に向の算出を行った．式において，曲げ応力 σ には曲げ線にかう傾向を示している．このことは，曲げ内側の長さを増沿った応力（主応力）を用いた．また，中立面からの距離加させながらスプリングバック量を減少させていることを U，その位置の微小断面積を G$ として示している．曲を示している．曲げ長さ比の増加によるスプリングバックげモーメントは長手方向に PP 間隔で算出を行った．

量の減少は，パンチ先端半径の増加によって緩やかとなるM    rdA 傾向となっている．曲げ後の板鍛造の効果はエアベンド時 に形成される形状とダイに接触する状態によって大きく変化すると考えられる．ダイと不整合のパンチによる曲げ式  を用いた曲げモーメントの計算では，中立面の特定によって形成される形状によって，ダイ接触時にパンチおが必要となる．しかしながら，9 曲げ後にコブ押込み加工

よびダイと素材の間に形成される微小な隙間の位置や大を施すため，垂直に断面が保持されないことや各断面で板- 44 -

厚が異なる，曲げ内側と外側の面が平行でないといった問

きいものの減少し，パンチ押込み量 PP 以降では複雑な題があり，中立面の同定法は検討の余地がある．今回は便分布となることがわかる．しかしながら，ダイ中央部の角宜的に各断面の応力の平均値 σDYU を算出し，応力の偏差度変化の影響は小さく，基本的にはパンチ押込みによって量が  となる面を中立面と設定して，モーメントの計算を周辺部（±PP～±PP）の回転角度が大きく減少し，パ行った．また，実際にどこでスプリングバックによる回転

ンチ押込み量  でおよそ °となる．その後，パンチ押が生じているのかを確認するために曲げ中央部からの距込み量 PP 以降で逆回転に転じることが確認できた．
離（[ 座標）とその位置の回転角度の関係についても調査した．
 ・ 解析結果
 図  にパンチ押込みによるスプリングバック量の変化について調べた結果を示す．結果から一コブ，二コブのいずれの場合もパンチ押込みによるスプリングバック量低減の実験結果が再現された．ただし，スプリングバック量

が °になった以降については解析結果においてより大図  スプリングバックによる回転角度分布

きなスプリングゴーとなる結果となった．


これらの結果から，板鍛造が始まると加工部では曲げが促進されるものの，そこで生じる材料流れによって曲げ周辺部に曲げ戻しが生じることで，スプリングバックの低減が行われると考えられる．周辺部の曲げ戻しがほぼ完了する頃には，加工部は曲げ変形から一軸圧縮変形へ移行することで曲げモーメントが非常に小さい状態が達成される．
その後，一軸圧縮が進行することで，それによって生じる材料流れによって次の変形形態に進むと考えられる．
５．結言



 本研究では，9 曲げに板鍛造を援用することでスプリン

図  パンチ押込みによるスプリングバック量の変化

グバック低減を試みた．さらに材料特性がスプリングバッ
次に図  に計算結果から得られたダイ穴の幅間に位置ク低減効果に及ぼす影響を検討した．また，)(0 解析を用する材料の曲げモーメント分布を示す．図を見ると当初ダいて，この加工によるスプリングバック低減効果のメカニ

イ中央から±PP の範囲でモーメントの大きいなだらかズムを検討した．これらの結果から，以下の結言を得た．

な丘形状の分布であることがわかる．パンチ押込みが始まると，まずダイ中央のモーメントが大きくなるとともにそ9 曲げ後に曲げ部に板鍛造を施すことでスプリングバックを低減できることを確認した．の周辺（±PP～±PP）のモーメントが急減していき，急斜な山形状へと発達する．その後，押込み量 PP で中板鍛造によるスプリングバックの低減の傾向は材料に央の高いモーメントが急減しておよそ  となり，その後は関係なく生じる現象と考えらえるが，その効果や最適条複雑な形状となるが中央部ではおよそモーメント  の状件などは材料特性に依存する．

態を保つことになる．逆に曲げ周辺部は押込み量 PP 以

スプリングバック低減は，板鍛造によって鍛圧部に生じる材料流れによってその周辺部の曲げ戻し効果が主な降増加に転じる傾向となった．

要因で，鍛圧部の曲げから一軸圧縮変形への変形形態変図  にスプリングバックによる回転角度分布を示す．
図を見るとダイ中央部（PP～PP）まででは，初期的に大化によって達成されると考えられる．
謝 辞
 本研究を遂行するにあたり 公財 天田財団より平成  年度一般研究開発助成（$)）をいただ
きました．ここに心より感謝の意を表します．

参考文献
 小川孝行・吉田総仁：塑性と加工  
図  パンチ押込みによる曲げモーメント分布の変化 益田森治：薄板の曲げ加工，  ，，誠文堂新光社．

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