建設現場の前を歩いたり、鋼鉄の橋の上を車で渡ったり、金属フレームのキッチン用品を使用したことがあるなら、高強度金属、つまり耐久性、重量耐性、耐荷重能力において通常の鋼、アルミニウム、さらには標準合金を上回るように設計された材料に遭遇したことがあるでしょう。航空宇宙、産業機械、エネルギー生産など、カスタム金属部品に依存する企業にとって、私が最もよく受ける質問は、「金属曲げサービスは実際にこれらの丈夫で高強度の金属を扱えるのか?」というものです。 10 年以上特殊金属を扱う金属曲げサービスのオーナーとして、私はここで、何の意味もない業界用語を使わずにこれを正直に説明し、品質や安全性を犠牲にすることなくこれらの材料の曲げ加工をどのようにマスターしたかを共有したいと思います。
まず、すべての「強い」金属が同じではないため、高強度金属とは何かを明確にしましょう。たとえば、高強度低合金鋼 (HSLA) は、従来の炭素鋼よりも 20 ～ 30% 強度が高く、同じ重量であるため、トラックのフレームや構造用梁に最適です。次に、航空宇宙部品によく使われる 7075 アルミニウムは、高い引張強度と軽量特性で知られています。また、標準的な 304/316 ステンレスの 2 倍の耐食性を持ち、化学処理装置に使用される二相ステンレス鋼も使用しています。これらと通常の金属の主な違いは降伏強度です。降伏強度とは、金属が永久に変形する前に受けることができる力の量です。 HSLA 鋼の場合、降伏強度は 50,000 psi (ポンド/平方インチ) に達する可能性がありますが、7075 アルミニウムの T6 焼き戻しバージョンでは約 50,000 psi、二相ステンレスの場合はさらに高く、最大 80,000 psi に達する可能性があります。これは大きな数字であり、そのため、標準的なプレス ブレーキを使用してボタンを押すほど曲げるのが簡単ではありません。
金属が「硬い」ほど曲げやすいと多くの人が考えていますが、それは一般的な誤解です。硬度は引っかき傷やへこみに対する耐性のことであり、降伏強度は曲げや伸びに対する耐性のことです。高強度金属の中には、実際には想像以上に延性があり、壊れることなく変形できるものもありますが、より脆いものもあります。そのため、曲げるのが速すぎたり、間違った温度で曲げたりすると、亀裂や破損が発生します。これが、優れた金属曲げサービスがアマチュアと専門家を区別する理由です。私たちはすべての金属に同じ方法を使用するだけではありません。特定の金属の種類、厚さ、希望の曲げ角度に基づいてプロセスを調整します。
ここで科学が登場するため、高強度金属の曲げに使用する中心的な方法について説明しましょう。最も一般的な方法は、パンチとダイを使用して金属を特定の形状に強制するプレス ブレーキ曲げです。通常の鋼の場合、これは室温でうまく機能しますが、厚い HSLA プレートや二相ステンレスのような高強度金属の場合、室温でプレス ブレーキを曲げると「スプリングバック」が発生する可能性があります。これは、金属が曲げられた後にわずかに跳ね返る現象であり、最終的な角度はプログラムしたものと正確には一致しません。これを修正するには、ボトミングと呼ばれるプロセスを使用します。このプロセスでは、パンチをダイに完全に押し込んで曲げを永続的に設定するか、スプリングバックを考慮して部品をわずかに過剰に曲げます。たとえば、厚さ 1/2 インチの二相ステンレスを 90 度曲げる必要がある場合、金属は 2 ～ 3 度跳ね返るため、室温で 92 ～ 93 度に曲げる必要があると計算されます。
しかし、室温での曲げが常に答えになるとは限りません。マレージング鋼 (航空宇宙部品に使用される) などの一部の超高強度金属は、室温では延性が非常に低いため、冷間で曲げると亀裂が発生します。これらの場合、金属を特定の温度 (マレージング鋼の場合は約 1,500°F) に加熱して柔軟性を高める熱間曲げを使用します。これにより、曲げに必要な力が軽減され、スプリングバックが最小限に抑えられますが、注意が必要です。過熱により高強度金属の強度が失われる可能性があるため、高温計で温度を監視し、曲げ後に制御された速度で部品を冷却して、その特性を維持します。
複雑な形状に当社が使用するもう 1 つの方法は、3 つのローラーを使用して金属を円弧または円柱に曲げるロール曲げです。これは、小型航空機のアダプティブタイプのラムエアインテークなどの部品に最適です。待ってください、それは当社の金属曲げサービスで製造されたカスタム部品の 1 つですよね?アダプティブタイプのラムエアインテークは高強度かつ軽量な7075 T6アルミニウム製で、高速航空機の空気の流れを維持するのに最適です。この部品のロール曲げには、薄いアルミニウムの歪みを避けるため、正確なローラー圧力と速度が必要です。ここでの小さなミスでもインテークのパフォーマンスに影響を与える可能性があるため、当社はクライアントのエンジニアリング チームと緊密に連携して、曲げ半径が正確に必要なものであることを確認します。
高強度金属を扱う他の金属曲げサービスでよく見られる間違いは、曲げ半径を考慮していないことです。曲げ半径は、曲げの中心から金属の内端までの距離であり、高強度材料にとって重要です。曲げ半径が小さすぎると (つまり、曲げが鋭すぎると)、金属が脆い場合は特に、金属に亀裂が生じます。ほとんどの高張力鋼では、金属の厚さの 3 ～ 5 倍の最小曲げ半径を推奨します。7075 アルミニウムの場合はさらに大きく、厚さの約 6 ～ 8 倍です。同じ金属でも熱が異なると曲げ要件がわずかに異なる可能性があるため、金属サプライヤーからの材料データシートを使用して曲げ計算を常にチェックします。たとえば、ある工場からの HSLA 鋼のバッチの曲げ半径は厚さの 4 倍である一方、別の工場からの別のバッチの曲げ半径は 3 倍である可能性があるため、それに応じて調整します。
次に、厚さについて話しましょう。高強度金属は、耐久性の高い用途では厚い部分に使用されることが多いためです。良い例は、工業用ポンプやパイプライン用に当社が製造するフランジ プレート キットです。フランジ プレートは、漏れることなく 2 本のパイプを接続するのに十分な強度が必要であるため、これらには厚さ 1 インチの二相ステンレス鋼を使用しています。厚さ 1 インチの板を曲げるのは、厚さ 1/8 インチの板を曲げるのとは異なります。より大きな力、より大きな工具、場合によっては複数の手順が必要になります。このために、当社では厚い高張力金属を扱うのに十分な500トンの油圧プレスブレーキを使用していますが、工具も曲げや欠けがなく力に耐えることができる高級工具鋼で作られていることを確認しています。厚さ 1 インチの HSLA プレートに通常の工具鋼パンチを使用すると、工具が曲げの途中で変形し、部品が破損し、クライアントへの納期が遅れてしまいます。
熱処理は、高強度金属を扱う際のもう 1 つの重要なステップです。 7075 アルミニウムなどの一部の金属は、溶体化熱処理と時効 (T6 焼き戻し) と呼ばれる熱処理プロセスによって強度が得られます。このアルミニウムを熱処理後に曲げると、曲げによって応力が生じるため、曲げた部分の強度が低下する可能性があります。これを解決するには、アルミニウムを熱処理する前に曲げ、曲げた後に溶体化熱処理と時効処理を行うことで、部品全体の強度を回復します。これは当社が航空宇宙部品に使用する一般的な手法であり、当社の顧客が重要なコンポーネントの金属曲げサービスを信頼している理由です。
皆さんの中には、これだけの科学があるにもかかわらず、地元の金属曲げサービスが航空宇宙や産業の大手サプライヤーと本当に競争できるのか、と考えている人もいるでしょう。答えは「はい」ですが、それは適切な設備、専門知識、品質管理を備えている場合に限ります。私たちにとって、それは、私たちが曲げるすべての高強度金属部品が厳格な検査プロセスを通過することを意味します。当社では三次元測定機 (CMM) を使用して ±0.5 度以内の曲げ角度をチェックし、磁粉検査を行って曲げ領域の隠れた亀裂を探します。これは高応力環境で使用される部品にとって特に重要です。また、金属の種類、厚さ、曲げ方法、検査結果など、製造したすべての部品の詳細な記録を保持しているため、お客様は注文のあらゆる段階を追跡できます。
これを説明するために最近行った実際のプロジェクトを見てみましょう。鉱山業界のクライアントは、新しい鉱石処理ユニット用に、高強度 HSLA 鋼で作られた厚みのあるタンク壁の粉砕ボウルを必要としていました。ボウルは直径 8 フィートで、端の周りが 45 度曲がっている必要があり、動作中に 100,000 ポンドを超える圧力に耐える必要がありました。お客様は当初、ボウルは大きな製鉄所で作らなければならないと考えていましたが、同様の部品の当社の仕事を見て、当社の金属曲げサービスを見つけました。私たちはエンジニアと協力して曲げ半径を計算し、最終的に HSLA プレートの厚さの 4 倍になりました (厚さ 1.5 インチなので、曲げ半径は 6 インチ)。曲げを滑らかにしてスプリングバックを軽減するために、予熱工程を伴うロール曲げを使用し、曲げ後に応力除去処理を行って曲げの内部応力を除去しました。最終パーツはクライアントのすべての圧力テストとストレステストに合格し、1 年以上問題なく稼働しています。これは、プレスや工具だけでなく、高強度金属を理解している金属曲げサービスによって得られる結果です。
当社が製造したもう 1 つの部品は、高強度の熱処理可能な鋼である 4140 合金鋼で作られたコンベア システムの位置決めシャフトです。シャフトはコンベアのフレームに取り付けるために一端を 90 度曲げる必要があり、一定の振動と重荷重に耐える必要がありました。スプリングバックを考慮した角度でシャフトを曲げ、HRC 40 ～ 45 に熱処理して強度を高め、用途に最適なシャフトに仕上げました。お客様は別のサプライヤーの部品を使用していましたが、6 か月後に亀裂が発生しましたが、当社の位置決めシャフトは 2 年以上問題なく稼働しています。
もちろん、高強度金属の加工には課題がないわけではありません。適切な材料を調達する必要があり（すべての金属サプライヤーが高強度合金を在庫しているわけではありません）、エンジニアリングとテストに時間を費やす必要があるため、リードタイムが長くなる可能性があります。部品によっては曲げ加工後の機械加工や溶接などの二次加工が必要な場合もありますが、当社施設内で対応可能です。しかし、当社のお客様にとっては、トレードオフにはそれだけの価値があります。より長持ちし、より優れた性能を発揮し、経験のない曲げによる欠陥のない部品を手に入れることができます。
では、最初の質問に答えると、「金属曲げサービスは高強度金属を扱えますか?」簡単に言うと「はい」ですが、それはサービスが正しく行うための専門知識、設備、品質管理を備えている場合に限ります。それは派手なプレスブレーキを使用することではありません。それぞれの種類の高強度金属がどのように動作するかを理解し、それに応じて曲げプロセスを調整し、すべての部品を検査して必要な仕様を満たしていることを確認することが重要です。
航空宇宙、産業機械、建設、その他の業界向けのカスタムコンポーネントであっても、高強度の金属部品を必要とするプロジェクトに取り組んでいる場合、当社の金属曲げサービスは提供できる経験と能力を持っています。当社は、航空機の小さな吸気部品から大きなタンクの壁に至るまで、大小さまざまなプロジェクトに取り組んできました。お客様の用途に適した部品の入手をお手伝いする準備ができています。カスタム曲げが必要な場合でも、アダプティブタイプのラムエアインテーク、フランジプレートキット、肉厚タンク壁研削ボウル、位置決めシャフトなどの既成部品が必要な場合でも、当社はお客様の強度、品質、納期のニーズを満たすソリューションを提供できます。
すべての金属を同じように扱う金属曲げサービスに満足しないでください。今すぐお問い合わせいただき、プロジェクトについてご相談ください。高強度金属部品が正しく、安全に、正確な仕様に従って曲げられていることを確認しましょう。
参考文献
- ジョージア州ディーター (1986)。機械冶金学 (第 3 版)。マグロウヒル教育。
- ASMインターナショナル。 （2008年）。金属ハンドブック: 第 14 巻: 成形と鍛造 (第 9 版)。 ASMインターナショナル。
- 航空宇宙材料アドバイザリーグループ。 （2015年）。高強度アルミニウム合金の設計および製造ガイドライン。自動車技術会。
- 国際標準化機構。 （2019年）。 ISO 16610-21: 幾何製品仕様 (GPS) – フィルタリング – パート 21: 線形プロファイル フィルタ。 ISO。