アルミニウム押し出し曲げの謎を解く

製造市場は低コストと軽量化を求めており、多くの場合湾曲する必要があるアルミニウム押出材がそのニーズに応えています。 効果的に湾曲した適切に設計された押し出し成形品は、構造内にシームレスなリンクを作成し、最終的には曲げ加工の下請け業者、製造業者、および最終顧客にとっての問題の軽減につながります。

技術的に言えば、あらゆるサイズの押出成形品を曲げることができますが、小規模な曲げ加工工場では、高さ 10 インチまたは幅 6 インチのプロファイルが限界であることがよくあります。 製造業者が曲げ加工の下請け業者を探すときは、その企業が同様の押出成形品を曲げ加工した経験を検討する必要があります。 ある曲げ専門家は特定のジョブ属性は許容できると言うかもしれませんし、別の専門家は許容できないと言うかもしれません。

それは、企業特有の押出曲げ加工の経験、そして特に曲げ加工工場が持つ技術に遡ります。 たとえば、工場が大きな構造プロファイルを形成できると言う場合、幅の広い軸心を持つベンディングマシンが必要になります。

下請けを検討する場合でも、社内で作業を実行する場合でも、製造業者は 2 つの基本的な質問から始める必要があります。どのような設計特性により、押出成形品は曲げやすくなりますか? すべての設計に対応できない場合、どのような選択肢がありますか? アルミニウム押出材の曲げプロジェクトを開始する前に、これら 2 つの質問に事前に答えておくと、製造業者が今後の膨大な数の頭痛の種を回避するのに役立ちます。

アルミニウム押出材の成形に関して、設計エンジニアは考慮すべきことがたくさんあります。 これは、重量や押出成形に使用される合金など、大規模プロジェクトでは当然考慮すべき一般的なコスト要素を超えています。

設計エンジニアは、何が押し出し成形品を曲げ可能にするのかについての基本的なアイデアを持っている必要があります。 押し出し成形のさまざまな領域の厚さは、セクションの曲げ性に影響します。 対称性についても同様です。 コストを節約する必要があるため、押し出しが曲げられなくなることがよくあります。

設計者が選択する合金は、押出成形品の強度、耐食性、重量、耐久性だけでなく、曲げやすさも決定します。 他の成形状況と同様に、押出アルミニウムのグレードによっては、他のグレードよりも曲げやすいものもあります。

ほとんどのアルミニウム押し出し曲げには、6000 シリーズ合金が使用されます。これは、これらのアルミニウムが優れた強度と成形性を備えているためです。 理想的な焼き戻しは用途によって異なります。 T6 は最大の強度を提供しますが、成形が最も困難です (「図1 ）。 10D (直径の 10 倍未満の半径) 未満のより狭い半径の場合、設計者は最大焼戻し値 T4 を考慮する必要があります。 T0 は最高の成形性を備えていますが、強度がほとんどなく、取り付けや操作中に損傷を受けやすくなります。 曲げ加工の専門家は、成形された部分を熱処理に送り、プロファイルを人為的に時効処理して焼き戻しを強化することもできますが、これには当然のことながらコストがかかります。

表面処理と仕上げの要件も方程式に含める必要があります。 たとえば、過酷な環境でアルミニウムを保護するための一般的な処理である陽極酸化された押出成形品について考えてみましょう。 断面を狭い半径で曲げると、微小亀裂が延性のない陽極酸化層全体に広がり、表面に「ひび割れ」が生じます。 ひび割れは、基材ではなく、陽極酸化皮膜の蓄積領域で発生します。 これを避けるためには、曲げ加工後にアルマイト処理を行う必要があります。

ただし、曲げ加工後に塗装や粉体塗装を行う必要はありません（図2 ）。 半径がプロファイルの限界近くになるほどきつくなく、断面が比較的対称的である場合、よく準備された塗装または粉体塗装された断面はマーキングなしで形成できます。

図1 6000 シリーズ アルミニウム押出形材の成形性は焼き戻しによって変化します。 9×2.5インチ。 左側の壁厚 1/16 インチのワークピースは T6 材料で、わずかな曲げプロファイルでも波紋が形成されました。 右側では、同じワークピースが、曲げやすい焼き戻し状態ではありましたが、34 インチまできれいに成形されました。 半径。 このプロファイルは、44 インチのマシンで正常に形成されました。 センター。

押し出し形状の複雑さも影響します。 より複雑な形状を作成すると、組み立てに関連するコストなどの一部のコストを削減できますが、同時に、曲げコストなどの他のコストが増加する可能性があります。 さらに、曲げ機械とそのツールが曲げ加工中の押出物の動きを確実に制御できない場合、プロセスの安定性が低下し、コストが高くなり、場合によっては非実用的または完全に不可能になります。

設計者は、押し出しがどのように使用されるかについても考慮する必要があります。 押し出し成形品の特定の面が目に見えて外観上重要な場合、設計者はこれらの面にマーキングが発生しないようにする必要があります。

多くの場合、セクションの設計を少し変更するだけで、曲げ可能になるか、少なくとも必要な半径まで曲げられるようになります。 プロファイルを作成するとき、設計者は曲げ軸に沿って可能な限り対称性を保つように努める必要があります。

断面が非対称の場合、曲げ力に対してねじり（ねじり）力が作用します。 断面の対称性が低いほど、曲げ時のねじり力が大きくなります。 これは多くの場合、予測不可能な力であるため、曲げの際に問題が発生します。 通常、これを制御するには別の軸に圧力を加える必要があり、追加の問題が発生する可能性があります。

図3左側は設計者による最初の押し出しセクションを示し、右側はより狭い半径に曲げるために変更された同じ設計を示しています。 対称性と内部サポートが、曲げ工具が一貫して把握できる形状 (十分に深いフランジなど) と同様に、どのように重要な役割を果たすかに注目してください。 もちろん、押し出し形状にこのような変更を加えることが常に可能であるとは限りません。 このような場合は、より経験豊富な専門家に相談することをお勧めします。

四角い中空部分は、主に 2 つの理由で曲げに問題が発生する可能性があります。 まず、設計者はこれらのセクションを内側の角が四角く作成することが多いため、硬い材料にひび割れや破損を引き起こす可能性があります。 追加コストをほとんど加えず、設計者は角を丸くしてこのストレスポイントを取り除くことができます。

第二に、壁の厚さが適切でない場合、中空セクションの内面が凹面になる可能性があります。 これは、その形状が必要な曲げ力に耐えられないことを示しています。 これは、曲げ中に力が中心に向かって、対称セクションの中央にある中立軸に向かって作用するためです。

これに対抗するために、設計者にはいくつかの選択肢があります。 壁の厚さを増やすこともできますが、コストが高すぎるため、多くの場合それは不可能です。 あるいは、曲げ面に補強材やリブを追加したり、内側のコーナーに半径を追加したり、その両方を行うこともできます (「図4 ）。 補強材と内部半径を追加すると、当然プロファイルの重量が増加しますが、品質が向上するため許容できる場合があります。

非対称性は容易な曲げの敵であり、これがチャネルセクションの形成が非常に難しい理由です（「図5 ）。 著しく非対称な形状のため、曲げる際に大きなねじれ力がかかり、脚は中心軸に向かって移動しようとします。 デザインを変更して、ベースを脚と同じか、脚より少し広いものに変更すると、曲げの専門家がねじれをもう少しうまく制御できるようになります。

チャネルセクションは多くの場合、線路や輸送システムの一部などの目的を果たします。 いくつかの重要な領域で公差が指定されている限り、ほとんどの曲げ専門家は正しく成形できるはずです。 製造業者が作業を下請けしている場合は、すべてが適切に適合することを確認するために、部品または継手を曲げ専門業者に送る必要があります。

図2この塗装済みアルミニウム プロファイルは曲げられてもマーキングがありませんでした

アルミニウム成形の専門家への注文には、そのセクションが設計どおりにアセンブリ内に収まるか、アセンブリ内で自由に移動できるようにするための要件を記載する必要があります。 注文ではギャップ公差（図のNo.1）も指定する必要があります。図6）、トロリーまたはスライドのねじれ許容値（図 6 の No. 2）と、トロリーがプロファイルに衝突しないことを保証するねじれ許容値（図 6 の No. 2）を示します。

アルミニウムの構造形状を考えてみましょう。図7黒い矢印の方向に曲がっています。 すべての脚は中心に向かって強制されます (図の赤い矢印で示すように)。この傾向は、構造的な根太タイプのセクションで特に顕著です。

これが従来の炭素鋼ビームである場合、フランジは反対方向に引っ張られ、ウェブに張力がかかり、ウェブが平らに保たれます。 ただし、この技術は一般にアルミニウムには適していないため、他の技術が役に立ちます。

理想的には、設計者は、成形を容易にするためにプロファイル形状を変更するか、機能を追加します。 しかし、現実の世界では、これが常に可能であるとは限りません。多くの場合、セクション内の必要な機能が大幅な変更を許容しないためです。

曲げ加工会社は、曲げ中にセクションを内部でサポートできる大半径のマンドレル曲げ機を保有している可能性があります。 しかし、これは特殊なプロセスであり、そのような機械を所有している企業は多くありません。

別の解決策は、プロファイルを埋めることです。 適切な材料には、低融点合金が含まれます。 ワックスタイプの水溶性充填剤。 柔軟なナイロン。 そして形を支えるのに役立つ硬めの砂。 各充填材には長所と短所があります。 これらのオプションの一部は、通常、特定の市場の大規模な曲げ専門家によってのみ提供されます。

アルミニウム押し出し材には、その後の製造と組み立てを大幅に簡素化できる特別な機能が備わっている場合があります。 ただし、そのようなフィーチャーを追加する場合、設計者は慎重にフィーチャーを配置し、それらのフィーチャーが曲げにどのような影響を与えるかを考慮する必要があります。

エンドキャップをプロファイルに固定するための時間を大幅に節約できるアイデアであるネジポートは、その代表的な例です (「図8 ）。 設計者がこれらを曲げ半径に対して垂直に配置すると、内部でサポートされていない限り、これらのポートは中心線に移動する可能性が高くなります。 半径に沿って配置すると、ポートは補強リブの効果があるため、曲げが容易になります。 エンドキャップ自体を曲げ加工の専門家に提供し、チェックツールとして使用できるようにすることが不可欠です。

ナットトラックも良い例です。 これらの機能は、押し出されたセクションを一緒に固定するのに役立ちます。 これらは本質的に、ナットまたはボルトの頭を平坦面の間にしっかりと取り付けるように設計された溝であり、ナットまたはボルトの頭が回転するのを防ぎます。

設計者は、図の左側に示すように、ナット トラックが曲げ線内にないことを確認する必要があります。図9 。 軸を中心に曲げる際、力はプロファイル全体に容易に伝達できなければなりません。 可能であれば、図 9 の右側に示すように、プロファイルの片側にネジポートを追加することをお勧めします。

図3左側のアルミニウム押出材はオリジナルのデザインですが、右側はより狭い半径に曲げるために変更されたデザインです。

断面がある程度対称である場合は、プロファイルの端まで曲げることができるため、曲げた後に真っすぐに残った部分を切断する必要がなくなります。 これを効率的かつ繰り返し実行できるかどうかは、押し出しの設計に遡ります。

図 10 の 3 つの異なるプロファイル形状の有限要素解析 (FEA) を考えてみましょう。左側の押し出しは Z 型断面で、赤い (応力がかかった) 領域は、曲げ力がかかった状態で明らかに不均一な領域を示しています。 中央のプロファイルは角度を持ち、これも非対称ですが、片側の応力が小さいため、ねじり力が小さくなります。 一番右のプロファイルは曲げ軸に対して対称であるため、セクションの最後まで均一に曲がります。

適切な計画がなければ、押し出しはそれほどうまく形成されない可能性があり、これらの FEA は重要な点を示しています。つまり、実際には応力を管理することがすべてです。 これは、全体的なプロファイル形状だけでなく、特別な機能やコーティングを設計するときにも当てはまります。 最終的には、押し出しアルミニウム部分が曲げの際に耐える応力が少なければ少ないほど、より良い結果が得られます。

Craig Barnshaw は、英国を拠点とする Inductaflex Ltd. (44-333-939-8888、www.inductaflex.com) のマネージング ディレクターであり、米国では Trilogy Machinery (メリーランド州ベルキャンプ、410-272-3600、www.trilogymachinery) が代表を務めています。コム。