金属加工業者がプロファイル曲げの歪みを管理する方法

イリノイ工科大学で学ぶ学生たちは、静かな環境を楽しんでいます。多数の湾曲した部材で構成される楕円管が、電車の通過音を消します。画像: AISC

ケン・ペチョは、ダウンタウン近くの母校であるイリノイ工科大学（IIT）のキャンパスを散歩するたびに、顔を上げます。 CTA 列車が線路を走行するとき、彼はその静けさを満喫します。確かに、電車は静かではありませんが、ペチョの雇用主であるシカゴ金属圧延製品（CMRP）で形成された一種のマフラーとして機能する楕円形のチューブのおかげで、そうでない場合よりもはるかに静かです。 100 年以上にわたり、プレート、アングル、チューブ、形材、構造梁を形成してきました。 CTA の線路を取り囲む、多数の湾曲した部材で構成される楕円形の構造物が通過する列車の騒音を和らげ、わずか数フィート離れた建物で勉強している IIT の学生たちを大いに安心させました。

ペチョ氏は、セントルイスで開催され、米国鉄鋼構造協会（AISC）が主催した2019年NASCC鉄鋼会議でのプレゼンテーション中にこの話を思い出した。会議でのプレゼンテーション中に、彼は当時 AISC の新しい出版物であった「設計ガイド 33: 曲線部材の設計」を手にしました。

「これは本当に曲がったメンバーのバイブルと考えるべきです」と彼は言いました。「日々のスケジュールで湾曲した金属を製作するのであれば、これはあなたの図書館にあるべきものです。」

この設計ガイドでは、Pecho のプレゼンテーションのトピックについて深く掘り下げています。このトピックは、近年、円形、楕円形、正方形、長方形のチューブを含む湾曲したプロファイルの需要が大幅に急増しているベンダーローラーの作業でますます念頭に置かれるようになりました。オープンプロファイル。そして構造梁。 Pecho のトークでは歪みについて取り上げられました。

「湾曲した金属に関して私たちが目にする最大の懸念は歪みです」と彼は言いました。「しかし、歪みを完全になくすことはできません。それは不可能です。そこで問題になるのは、どのように曲げを設計するかということです。湾曲した部材をうまく仕上げるために何ができるでしょうか。」

CTA の線路を囲む湾曲した楕円形のチューブなど、最も成功したプロジェクトは、歪みを念頭に置いて設計されました。 Pecho 氏は、1 つの長方形の湾曲したチューブを真っ直ぐな長方形のチューブに接合する作業を思い出しました。特に湾曲したチューブの半径が小さいことを考慮すると、歪みの問題がすぐに明らかになる状況でした。

角筒の形状の変化はわずかなので、そのままではワークの歪みは目立ちません。しかし、曲線と直線のワークピースを接合する溶接工には当てはまりませんでした。解決策には妥協が必要でした。ショップはプロファイルを曲げましたが、チューブの端近くに曲げられていない直線部分を数フィート残しました。次に製造者は、カーブ部分の歪み効果が消散するのに十分なスペースであるカーブの数インチ前方でチューブを切り戻し、チューブの直径を公称寸法に戻します。

幸いなことに、この状況では、壁の後ろに隠された接続は見た目上重要ではありませんでした。もしそうなら、設計者は接続タイプや設計を再検討する必要があったかもしれません。繰り返しますが、単独では、湾曲したワークピースの歪みは目立ちませんでした。しかし、ストレートメンバーに接続すると、歪みの影響が明らかでした。このような表面上の欠陥は問題にならない可能性があります。いずれにせよ、金属が曲がる前に、フロントエンドでの歪みを認識し、計画することは理にかなっています。

新しい AISC ガイドでは、さまざまなレベルの歪みがメンバーの強度にどのような影響を与えるかを明確にしています。たとえば、湾曲した I ビームの特定の強度属性を計算するには、歪みによって生じる平坦度からのデルタ (公称値との差) を材料の厚さで割ります。ある時点までの結果では、メンバーの強さに意味のある変化は見られません。しかし、歪みがそれを超えて大きくなるにつれて、メンバーは弱まっていきます。局所的な歪みは特に問題となる可能性があります。もちろん、これらすべての計算はアプリケーションの強度要件に依存しており、AISC 設計ガイドにはすべての詳細が詳しく説明されています。

歪みの問題のほとんどは、構造の完全性や強度に起因するものではありません。 Pecho 氏の説明によると、高品質のベンダーローラー操作では、安全上の危険が生じるほど歪みによって弱くなってしまった曲線部分を送り出すことなど夢にも思わないでしょう。しかし、建築露出構造用鋼材 (AESS) や同様の作業において特に重要な装飾品や接続要件に関しては、問題が発生します。

図 2 この接続は、鋼部材に対する収縮の影響を示しています。左側の長方形のチューブは、狭い半径で湾曲されていたため、曲げ面でチューブの断面がわずかに収縮しました。直線部分に嵌合するまでは、収縮は肉眼ではわかりません。

直線チューブに嵌合する湾曲チューブは、同じエッジプロファイルを持ちません (図 2 を参照)。これは、接続方法と外観上の要件によっては、大した問題にならない場合もあります。しかし、設計者が接合部が完全に溶け込んだ円周溶接を望んでいる場合、部材の取り付けが非常に重要になります。製造業者は、内径に油圧ジャッキを使用して内径をわずかに押し開き、直管と嵌合できるようにすることがあります。これは実行可能ではありますが、時間とコストがかかり、歪みを念頭に置いて作業が設計されている場合は、おそらく完全に不必要です。

金属ワークの格子構造には、成形時に相互作用する滑り面と呼ばれるものがあります。「一定の収率の下では、金属はほぼ流体のような特性を示す傾向がある」とペチョ氏は説明した。

チューブ、ビーム、または開いた部分が曲がると、内側の半径には圧縮がかかり、外側には張力がかかります。特に薄肉のワークピースでは、これらの力が制御されないまま放置されると、内側半径のしわや座屈、外側半径の薄肉化や収縮、全体のプロファイル形状の歪みや楕円形などの局所的な歪みが生じます。

角管は台形に変形する可能性があり、半径の内側の寸法が過度に大きくなり、それに伴い外側の半径と曲げ面の断面プロファイルが縮小します。長方形のチューブを曲げるときに支持されないままにしておくと、特に半径方向の内側の壁が凹面になる可能性があります。構造梁のウェブとフランジが波打つ可能性があります。

経験豊富なプロファイルベンダーは、曲げ中に材料がほぼ流動的な性質を持っていることを認識します。ある意味、圧縮と張力は、一定の降伏下にある金属を特定の方法で特定の拘束されていない領域に「流動」させます。長方形の管の曲げを考えてみましょう。外壁を引っ張る張力によって過剰な伸びが発生すると、外壁が収縮する可能性があり、その結果、金属がどのように「流れる」か、または他の場所に移動するかに影響を及ぼします。金属の成長と収縮は、最も抵抗の少ない経路をたどります。また、サポートされていない状況では、圧縮と張力の反作用力により、この経路は部材の中立軸に向かう可能性があり、多くの場合、曲げの内側にオフセットされます。したがって、外壁も凹面になる可能性があります。これらの張力と内側半径の圧縮が組み合わされて、内側の壁の寸法が増大します。行き場がなくなると、内壁の金属が曲がり、再び凹面になります (図 3 を参照)。

Pecho 氏の説明によると、長方形のチューブは、プロファイルベンダーが機械をセットアップして操作するときに「読み取る」必要がある多くの形状のうちの 1 つにすぎません。ワークピースのどの領域が拡大し、どの領域が縮小するかを予測し、それぞれに対応できるように機械、工具、手順をセットアップする必要があります。繰り返しますが、目標は歪みを除去することではありません。代わりに、オペレータは、機械と工具の選択、および曲げ加工全体の動作を通じて、張力と圧縮力がワークピースにどのように作用するかを制御し、成長と収縮が発生する場所を制御することを目指しています。これらはすべて、完成品の設計意図や強度要件に影響を与えない方法で行われます。

ベンダーローラーは、熱間曲げまたは冷間曲げでプロファイルを形成します。熱間曲げには誘導曲げが含まれます。誘導曲げでは、曲げアームが回転するときに狭い帯域の熱をプロファイルに適用して、(通常は) 半径が非常に狭い曲げを行います。

冷間曲げは、その名の通り、冷たい状態でワークを曲げます。場合によっては、大きなプロファイルの冷間曲げが回転絞り機で行われることがあります。かつては比較的小径の加工に重点を置く管製造業者のみが主に使用していましたが、一部の大型回転絞り機では直径 10、15、さらには 17 インチのワークピースを曲げることができます。たとえば、CMRP には、最大直径 10 インチのチューブとパイプ用のロータリードローマシンがあります。とはいえ、これらの機械には、ワイパーダイ（内側の半径のしわを軽減する）、曲げダイ、場合によっては内部マンドレルを含む広範な工具が必要ですが、これらはすべて安価ではありません。

3 ロールベンダーは業界の主力製品です。この機械には、三角形構成の 3 つの油圧駆動ロールがあります。頭上から見た典型的な水平構成では、材料は 2 つの上部ロールと 1 つの下部ロールの間に、材料の端が遠いロールに接触するまで供給されます。遠いロールの中央と一番下のロールの中央の間の距離はグリップ長と呼ばれます (図 4 を参照)。この距離が、曲げモーメントを生み出すために必要な力を誘発するためのてこの作用を提供します。グリップの長さが長いほど、より大きなてこ作用が得られます。欠点: ほとんどの場合、グリップの長さ内の材料を廃棄する必要があります。これが、ほとんどのベンダーローラーが必要な長さよりも少し長い材料を要求する理由です。

直径20インチ。チューブには 4 フィートが必要な場合があります。ただし、両端のグリップの長さは異なりますが、Pecho 氏が説明したように、グリップの長さはマシンのタイプ、セットアップ、工具などの無数の要因によって異なります。ただし、一般的に言えば、ワークの直径が小さくなるほど、必要なグリップ長は短くなります。セットアップの考慮事項は、ワークピースの方向、つまり、長い方の強い軸に沿って曲げるのが難しい方法であるか、短い方の弱い軸に沿って曲げるのが簡単な方法であるかによっても変わります。

図 3 この極端な例では、制御されていない成長と収縮により、内壁と外壁に顕著な凹みが生じました。

オペレータは、できるだけ少ないパスでワークピースを曲げることを目指します。そのために、非対称曲げまたは対称曲げという 2 つのアプローチのいずれかを選択します。オペレーターが 3 つのロールのピラミッドセットアップ内でワークピースを前後に通過させるときに、オペレーターが 3 つのロールすべてを使用して曲げ力を誘発すると、対称的な曲げが発生します。理想的には、オペレーターは曲げ力を誘発するために最上部と 1 つの下部ロール (したがって「非対称」という用語) に依存するため、非対称曲げは 1 回のパスだけで発生します。オペレーターは、特に珍しい作業や困難な作業を行っている場合には、別のパスでマテリアルを処理する必要がある場合があります。しかし、もし曲がったとしても、その曲がりは通常非常にわずかです。

対称的な曲げには時間がかかりますが、Pecho 氏が説明したように、これははるかに「安全な」プロセスであり、多くの場合、経験の浅いオペレーターによって実行されます。それでも、オペレーターはあまりにも多くのパスを実行することはできません。そうしないと、材料を過剰に加工する危険があります。これらすべての加工硬化により、材料の収縮と成長が変化し、多くの場合、ワークピースに許容できないレベルの断面歪みが残ります。

管状プロファイルの場合、対称的な曲げにより、オペレータがワークピースに挿入できる内部サポートの種類も制限されます。歪みを軽減するために今でも使用されている最も古い技術の 1 つである、ID に砂を詰めることができます。あるいは、他の創造的な方法に頼るかもしれません。 Pecho 氏は、オペレーターが直径の小さいチューブを数本その中に挿入することによって、高くて薄い長方形のチューブを非常に狭い半径に曲げたいくつかの例を説明しました。もちろん、これらの内部チューブは曲げた後に取り外すことはできません。彼らは永遠にそこに閉じ込められています。重量の増加が許容できる限り、ワークピースの設計要件に悪影響を与えるべきではありません。

マンドレルがワークピース内に永久に留まらないように、2 回目のパスではマンドレルを使用できません。これが、経験豊富なオペレーターが非対称の曲げを行う理由の 1 つです (生産性の向上以外)。回転絞り曲げで使用されるマンドレルと同様に、これらは 3 ロールプロファイル曲げで使用され、曲げモーメントが加えられたときにワークピースの ID をサポートし、ディンプル、へこみ、凹面、その他の制御できない歪みの兆候を最小限に抑えます。

半径が変わるたびに、制御できない歪みが発生する可能性が高くなります。もちろん、これには、最初に半径が誘導されたときの初期モーメントが含まれます。ツーリングからの初期圧力は、特に非対称の曲げや、オペレーターが過加工や材料の完全な破損を避けるためにできるだけ少ないパスでプロファイルを曲げる必要があるその他のセットアップの場合に、局所的な力を引き起こします。

グリップの長さが不十分だと問題が悪化する可能性があります。「グリップの長さが不十分な場合、下部ロールが最初に素材に接触した場所にへこみが見られるでしょう」とペチョ氏は言いました。「しかし、十分なグリップ長を用意すれば、へこみを超えて部材を「良好な円弧」に切り戻すことができるため、最終的なワークピースにはへこみが存在しません。」

複合半径を持つワークピースでは、特に半径が徐々に狭くなり、半径が徐々に小さくなる場合、余分な応力が再び発生する可能性があります。「ステップダウンするたびに、通常、プロファイル形状の違いが見られます」とペチョ氏は言います。「違いはごくわずかかもしれません。それはすべて、目的の形状、半径、壁の厚さに依存します。」

目標は、これらの「形状の変化」やその他の歪みの影響をすべて無視できるようにすることです。最初の作業は、理想的には、部材の半径、その寸法と形状の種類、特に壁の厚さの選択など、設計段階で行われます。すべての作業はそれぞれ異なりますが、一般的に言えば、オープンプロファイルであろうとチューブ状プロファイルであろうと、材料が厚いほど歪みの悪影響を軽減できます。

素材の選択も重要です。オペレーターは、一般的なマテリアルに関してより多くの経験を持っています。経験豊富なオペレータが AR 500 などのより硬くて丈夫な耐摩耗性鋼で作られた材料を受け取った場合、通常、そのような材料がどのように形成されるかを知っています。これは、有害な影響を最小限に抑えながら、わずか 1 回のパスで部材を目的の形状に曲げることができる可能性が高いことを意味します。ねじれ。

特に長方形や正方形のチューブの場合、プロファイルの作成方法も重要です。 Pecho が説明したように、チューブによってはコイルから直接形成され、その後長方形に形成されるものもあります。円形に成形し、さらに長方形や正方形に加工するものもあります。

図 4 グリップの長さは、一番上のロールと一番下のロールの間の距離です。グリップの長さが長いほど、機械が曲げを誘発するために必要なてこの作用が大きくなります。対称的な曲げは、複数のパスでワークピースを前後に送ることによって発生します。非対称曲げでは、一番上のロール (この画像の左上) と一番下のロールを使用して、多くの場合 1 回のパスで曲げを誘発します。

この追加の作業により、プロファイル曲げオペレーターが機械をセットアップする方法に影響を与える可能性がある違いが生じます。場合によっては、特定のチューブ製造技術 (直接長方形に成形するのではなく、円形に形成してから長方形に形成するなど) によって生じる余分な加工硬化により、実際にチューブの側壁に冷間加工応力が誘発されます。これが曲げ操作に役立つか妨げるかは、用途によって異なります。場合によっては、加工硬化により、半径が小さい曲げの際の歪みの影響が軽減され、シングルパス曲げが少し容易になる場合があります。一方で、壁が硬いと、オペレータが使用するパスの回数や曲げの程度によっては、材料を酷使する可能性が高くなります。

オペレーターが開いたプロファイルを曲げる場合でも、閉じたプロファイルを曲げる場合でも、ツールの選択は重要です。工具はプロファイルに適合する必要がありますが、ワークピースの収縮や成長に悪影響を与えるほどきつすぎてはなりません。工具がきつすぎると、局所的な歪みが生じ、最悪の場合、実際に材料の表面がえぐられてしまう可能性があります。

オペレーターがアングルやビームなどの開いたプロファイルを曲げる必要がある場合、自由に使える歪み軽減ツールが少なくなります。ベンダーローラーは、工具の選択や取り付けのほかに、適切なサイズの機械、十分な成形トン数と適切なグリップ長を備えた機械を選択する必要があります。これは、歪みを減らすために必要なてこの作用を提供するのに十分ですが、過度に長い犠牲金が必要になるほどの長さではありません。直線部分。最新の 3 ロールベンダーの多くには、変形を軽減するためにビームフランジをサポートするトラクションユニットも装備されています (図 5 を参照)。

オペレーターが管状セクションを扱う場合、マンドレルを使用することを選択する場合がありますが、その場合、マンドレルがどのように適合するかが重要になる可能性があります。ベンダーローラーが材料を受け取ると、オペレーターは通常、ID と OD がミルの公差範囲内であることを確認するために ID と OD を測定し、適合するマンドレルを選択または注文します。

フライス加工公差も複雑さを増します。マンドレルがチューブの公差の下限に適合するように機械加工されているにもかかわらず、受け取った材料が公差の上限にある場合、マンドレルは十分なサポートを提供できない可能性があります。逆に、マンドレルがぴったりすぎると、材料の成長と収縮が阻害され、局所的な歪みが生じる可能性があります。公差が特に重要な場合、マンドレル工具メーカーは、マンドレルが適合するように設計されているかどうかを確認するために、数フィートの材料を要求します。

AISC の設計ガイドでは、湾曲鋼材の標準公差を指定しています。これは、内側の弦と内側の立ち上がり、つまり縦座標の中央の立ち上がりによって計算されます (図 6 を参照)。部材の長さが 10 フィート以下の場合、標準公差では中央縦座標立ち上がりで +/-0.125 インチが許容されます。「しかし、メンバーが長くなればなるほど、その中間縦の上昇で許容される偏差は大きくなります」とペチョ氏は語った。いずれにしても、許容誤差はさまざまな要因に応じて変化する可能性があり、そのすべてが AISC ガイドに詳しく説明されています。

ただし、AISC ガイドは歪み許容値の基準を提供していません。 Pecho が説明したように、歪みの許容範囲は店ごとに異なり、さらには仕事ごとに異なります。一般に、一流のベンダーローラーの多くは、正方形および長方形のチューブおよび開いた形状で 5% の伸びと 5% の収縮という公差 (公称寸法と比較して) を保持すること、および円形の形状で 5% の楕円率を維持することを目指しています (図 7 を参照)。）。チューブサイズが大きくなるにつれて (特に「ジャンボサイズ」チューブの場合)、収縮、成長、楕円率の許容値は 7% ～ 10% になる可能性があり、強度を低下させた計算を行う場合には許容範囲と見なされます。

これらの数値は、ベンダーローラーが宣伝する最大許容歪み許容値ですが、一般的なワークでは、さらに厳しい許容値で成形することもできます。「湾曲した正方形および長方形の中空構造セクションの歪み許容度は、通常 1% ～ 2% であることがわかります」と Pecho 氏は言います。彼は、よく見ると、半径内側の壁にわずかな凹みがあるなど、歪みが確認できると付け加えました。「しかし、それでも構造的には健全な作品です。」

いずれにせよ、構造的完全性は、湾曲した部材の使用適性の真の尺度であるため、AISC 設計ガイドでは、一定量の歪みがワークピースの強度にどのような影響を与えるかを示す方程式を詳細に掘り下げています。強度が確認されたので、残る 1 つの懸念は取り付け要件に関するものです。

金属製造における他の多くの企業と同様に、ベンダーローラーや製造業者は場合によっては「うまく機能させる」ことができますが、そのプロセスにはより多くの時間と費用がかかります。側壁を厚くすれば十分な場合、なぜわざわざ苦労する必要があるでしょうか。場合によっては、たとえ非常に高い材料価格であっても、プロジェクト全体のコスト (成形時間、遅延の可能性など) の節約が、曲げやすく肉厚な材料のコストをはるかに上回ります。設計者、製造者、ベンダーローラーの間でオープンなコミュニケーションを取りながら、最初から湾曲した部材の歪みを考慮することで、多くの不必要な頭痛の種を防ぐことができます。