粒子サイズ、パート I: 板金曲げでは材料の粒子サイズが重要です

シートメタルとプレートは、特にプレスブレーキで成形される場合、非常に予測不可能になる可能性があります。 ゲッティイメージズ

質問：教科書やコラムなど、毎月素晴らしい情報を提供していただきありがとうございます。 私は、これほど雑草の中に冒険をして、板金成形に関するこれほど詳細な知識を実際に適用することになるとは思いもしませんでした。 これからもいい結果を出し続けてください。

結晶粒の方向とそれがプレスブレーキの成形に与える影響について何度も書いていることは承知しています。 あるシートでは木目の方向が見つけやすいのに、他のシートでは木目の方向が見えにくいのはなぜですか?

また、結晶と粒子の違いは何ですか？ 粒度は成形性にどのように影響しますか? そして、これらの変化する特性を持つ量産部品を実行するときに生じる変動にどのように対処すればよいでしょうか?

答え：以前は雑草の中にいたと思ったかもしれませんが、振り返って窓の外を見てください。 地平線まで続く雑草畑が見えますか？ さて、そこが私たちが行く場所です、雑草の中のはるか遠くです。 それで、ブーツを履いてください。 これは面白い旅になるはずです！

シートメタルとプレートは、特にプレスブレーキで成形される場合、非常に予測不可能になる可能性があります。 空気成形部品は、認識できる理由もなく、あらゆる種類の予期しない方向に歪むことがあります。 長年の経験を経て、優れたプレスブレーキ技術者は、材料と機械の微妙な違いを理解しており、この歪みを制限することができます。

プロジェクトで最高の結果を達成するために、高度な技術を持った木工職人は、作業を開始する前に木の木目や質感を研究します。 高度なスキルを持ったブレーキオペレーターが板金でも同様の作業を行います。 彼らは、粒子の方向やその他の材料特性が曲げ角度、曲げ半径、曲げ許容値、および曲げ控除にどのような影響を与えるかを知ることによって、プログラムと機械を適応させます。

すぐにわかるように、結晶サイズは主に金属の製造プロセスの関数であり、ひいては粒子サイズが変化するため、時間の経過とともに曲げの一貫性に影響を与える可能性があります。 たとえば、曲げの半径の外側で亀裂が入っている場合、曲げが弱くなり、成形に必要な圧力が少なくなり、フランジが過剰に曲げられる原因になります。

木の木目と同様に、金属の木目も作品の動作に影響を与えます。 シートごと、バッチごとに異なる粒子特性の変化により、多くの予期せぬ課題が発生します。 金属が冷間圧延または冷間加工されている場合、結晶は圧延方向に伸びます (「図1 ）。 この変形により結晶が薄くなり、私たちが目にする粒子が形成されます。 新しく形成された粒子は方向性を持ちます。

一部の材料では、木目に沿って（長手方向に）曲げると、亀裂の可能性が高まり、必要なトン数が低下し、スプリングバックが変化し、場合によっては引き裂きにつながります。 用途によっては、特に特定のタイプの材料の最小半径よりも小さい内側の曲げ半径を形成しようとする場合、木目を使って曲げると、曲げの外側にオレンジ色の剥がれが発生する可能性があります。 特に曲げが木目方向に沿って縦方向である場合は、内側の曲げ半径を曲げの最小値以上に保つことがベスト プラクティスです。 曲げ線を木目に対して横切る（垂直）または斜めにする場合、必要に応じて内側の曲げ半径をわずかに小さくすることができます。

これらおよびその他の変数によって部品の成形寸法が変化する可能性があり、下流で問題が発生します。 溶接工や組立工は、部品を組み立てるために手作業で部品を微調整するため、さらに時間がかかります。 最終アセンブリの品質は低下し、コストは上昇します。

図1金属が冷間圧延または冷間加工されると、結晶は圧延方向に伸びます。

問題を最小限に抑えるために、プレス ブレーキのオペレーターは材料の違いを見つけ、それに対抗するのではなく変化に対処する方法を学ばなければなりません。 そうすることで、頭痛の種を高品質の部品に置き換えることができます。 したがって、次のいくつかのコラムでは、金属の粒子、それが何であるか、そしてそれがどこから来たのかを見ていきます。

成形中、シート メタルは曲げの外側で膨張し、曲げの内側で圧縮されます。 金属が (他の要因の中でも特に) 膨張と圧縮にどの程度うまく対処できるかによって、予期せぬ変形の量が決まります (「図2）。

板金成形時の変形に影響を与える主な要因は 8 つあり、その多くは材料粒子に関係します。 それぞれは金属がどのように変形するかによって影響を受け、それは金属の特性と成形力に対する金属の反応に依存します。 これらの要因を研究、理解、監視することで、部品ごとのばらつきを減らす修正措置を講じることができます。 もちろん、最高のオペレーターでもエラーが発生することはあります。 しかし、これら 8 つの要素に注意を払うことで、オペレーターはエラーが減少し、製品の品質が向上することがわかります。

1. 加工硬化。塑性変形により金属の構造内に転位が生じ、さらに転位が発生します。 転位の数が増えるほど、転位はより多く相互作用し、固定されます。 この固定により転位の移動性が低減され、同時に金属が強化されます。このプロセスは冷間加工として知られています。 冷間加工により変形が生じ、加工硬化（またはひずみ硬化）を伴うことで金属の強度が高まります。 これは、冷間加工が最終加工段階である場合に発生します。

曲げの発生速度を変えることで、加工硬化をある程度制御できます。 曲げ加工が遅いほど加工硬化量は大きくなります。 逆に、板金を早く曲げるほど、ワークピースの加工硬化は少なくなります。 もちろん、以前に加工硬化された材料を曲げるには、より大きな曲げ圧力が必要になります。

これらの概念を理解するには、ペーパー クリップを手に取ってください。 次に、それを広げ、広げたワイヤーの一部を同じ場所で前後に数回曲げます。 同じ場所に金属を複数回形成することがいかに難しいかに注目してください。 毎回やるのが難しくなります。

ワイヤーを前後に曲げると、転位が発生して絡み合ったひずみ硬化領域が形成され、材料の強度が向上します。 冷間加工によって材料の強度を高めると、それに応じて延性が失われます。 ワイヤーを前後に曲げ続けると、転位の帯が積み重なり、最終的にはワイヤーに亀裂が入り、破損します。

2. 硬度の変化。鉄鋼メーカーは、硬度の許容範囲内で板金を製造します。 これは、一見同一に見える 2 つのシートが完全に異なるスプリングバック特性を持っている可能性があることを意味し、プレス ブレーキのオペレーターはこれを認識する必要があります。

3. 厚さのバリエーション。特定の材料ゲージに対応する公差ゾーン内で指定された材料の厚さについても同じことが当てはまります。 したがって、繰り返しになりますが、曲げ用途でこれが考慮されていない場合、一見同一に見える 2 枚のシートから完全に異なる部品が製造される可能性があります。 寸法が複数の曲げにわたって取得される場合、結果が大きく異なることが特に一般的です。 厚さの変化もスプリングバックの変化につながります。

4. 曲げ線の位置。曲げ付近のフィーチャによって、金属の膨張、圧縮、変形の方法が変化します。 フィーチャーや穴の引っ張りや歪みを避けるために、曲げの中心線は穴やフィーチャーの端から材料の厚さの少なくとも 2.5 ～ 3 倍離れている必要があります。

図2曲げ時の圧縮と膨張 (伸び) により、引張と圧縮の両方の応力と歪みが発生します。

5. 成形方法。プレスブレーキの一般的な曲げ方法は、エアフォーミング（またはエアベンディング）、ボトミング（またはボトムベンディング）、およびコイニングです。 ボトミングはコイニングと同じではないことに注意してください。 詳細については、2015 年 9 月から 12 月までのシリーズ「プレス ブレーキ曲げの大統一理論」を含む、thefabricator.com の「曲げの基礎」アーカイブを参照してください。最新のプレス ブレーキと工具を使用している場合には関係なく、精密板金工場では、おそらくエアベンディングを行っているでしょう。

6. 曲げの長さ。曲がりの長さは、曲がりを作るのに必要なトン数に比例します。 1 平方インチあたりの曲げ量が多すぎると、プレス ブレーキ ラムとサイド フレームがたわむ可能性があります。 プレス ブレーキの中心線荷重制限を超える位置までラムを偏向させると、ラム アプセットと呼ばれるプレス ブレーキに永久的な損傷が発生する可能性があり、プレスがまっすぐに曲がらなくなります。

7. 木目の方向。工場で金属のインゴットをシートに変えるプロセス中に、金属は一連のローラーの間に押し込まれます。 このプロセスにより金属結晶が引き伸ばされ、金属粒子が形成されます (これについては後で詳しく説明します)。 これらの粒子は、冷間圧延時に方向性があり、熱間圧延された材料では方向性が部分的にのみ異なります。

8. 粒度。材料内の粒子は強度に影響します。 粒子間の境界は転位の動きに対する障壁のような役割を果たします。 隣接する粒子の向きが異なるため、結果として生じる「滑り」が軽減されます。 粒子が小さいほど、粒子が特定の滑り面に沿って移動する距離が短くなります。これが、粒子が小さいほど材料の強度が向上する理由です。 工場では、材料の粒の大きさと数は、液体から固体への凝固速度によって制御されます。

プレートまたは金属板を取り出してきれいにし、顕微鏡または高倍率の虫眼鏡で表面を見ると、次の画像のようなものが見えるはずです。図3。

木目の方向を常に確認できるとは限りませんが、シートによっては拡大する必要がまったくない場合もあります。 それにもかかわらず、粒子サイズは、材料の降伏強度から曲げ部の外側表面に発生する可能性のある亀裂の程度に至るまで、あらゆるものに影響を与えるため、考慮すべき最も重要な要素の 1 つです。

再結晶が起こると、さまざまな粒子のグループが合体して結晶を形成し、冷間圧延すると、材料中に粒子と定義されるものが形成されます。 溶解中に多くの粒子が同時に形成されると、冷却された金属から多数の粒子が生成されます。 しかし、確立される結晶の数が少ない場合、結晶が成長する余地がより多くなり、より大きな粒径と少数の粒が生成されます。

結晶は形成中に互いに滑り、劈開面と呼ばれる領域で滑ります。 結晶がより緊密に結合すると、材料がより硬くなります。 これにより、プレス ブレーキで材料を成形するのに必要なトン数が増加し、金属に亀裂やオレンジ色の剥がれが発生しやすくなります。

結晶構造の特定の領域内には、対称的な結晶構造の一部ではない余分な粒子が存在します。 これらの領域は粒界と呼ばれ、結晶構造の一部ではなく、劈開面を持ちません。 これにより、これらの境界が強化されます (「図4）。

図3顕微鏡や虫眼鏡で板金の表面を見ると、木目の方向がわかるはずです。

動きは結晶の劈開面に沿って起こり、結晶間の境界領域内では起こりません。 結晶粒径が小さくなるにつれて、境界領域（結晶粒界）の密度と数が増加します。 これにより、移動が発生する前に道を譲らなければならない境界線の数が増加します。

これは、なぜ強度の高い材料の粒子が小さいのかを説明します。 したがって、粒子が大きい材料は延性が高く、弱くなり、成形が容易になります。 とはいえ、粒子の特性やその配置方法によっては、小さな粒子の材料も形成しやすい場合があります。 来月はこれについてさらに詳しく説明します。

もちろん、これはすべて氷山の一角にすぎません。 しかし、これまで見てきたように、プレス ブレーキでの曲げに関しては、材料の粒度が非常に重要です。 また、製造業者が粒度を操作することも一般的です。 実際、プレス ブレーキのオペレーターが成形前に材料を加熱するためにバラのつぼみトーチを手に取るたびに、材料の粒子に影響を与えています。

2 番目のパートでは、材料の焼きなましと正規化の方法、粒径、応力、ひずみの情報をプレス ブレーキ成形に適用する方法など、さらに詳しく掘り下げます。

Steve Benson は、国際製造業者協会® の精密板金技術評議会の会員であり、前会長でもあります。 彼は ASMA LLC の社長です ([email protected])。 ベンソンはまた、全国各地で開催される FMA の精密プレス ブレーキ認定プログラムも実施しています。 詳細については、fmanet.org/training にアクセスするか、888-394-4362 までお電話ください。 著者の最新の書籍『Bending Basics』は、FMA ブックストア (fmanet.org/store) で入手可能です。

図4オレンジピーリングは、非常に鋭い半径に曲げるなど、厳しい成形後に発生する可能性があります。 粒界は若干隆起したままである。