ステンレス鋼管の曲げ加工：方法、ツール、およびアプリケーション

1.0 ステンレス鋼管の曲げ加工入門

1.1 ステンレス鋼の材料特性と曲げ適応性

ステンレス鋼は、その高い強度、耐腐食性、優れた延性により、工業製造において重要な材料です。

硬いが成形可能: 適切なプロセスにより、ステンレス鋼は複雑な形状に曲げることができるため、カスタマイズされたプロトタイプや精密部品に適しています。

業界の利点:

• 耐久性: 耐腐食性と耐酸化性を備えているため、過酷な環境に最適です。
• 弾力性と強度: 構造的安定性と成形柔軟性の両方を実現します。

1.2  ステンレス鋼管曲げ加工の主な産業用途

2.0 ステンレス鋼管曲げ加工における課題と解決策

2.1 材料特性と曲げ難度

• 高い強度と延性：ステンレス鋼は高い強度と優れた延性を兼ね備えており、構造部品や産業機器に適しています。
• 課題:高強度 → より大きな曲げ力が必要となり、機械負荷が増大します。高延性 → スプリングバックが発生しやすく、成形精度に影響します。
• 耐腐食性:曲げ加工時の表面損傷（傷、へこみなど）により耐食性が低下する可能性があるため、過度の摩擦は避ける必要があります。

2.2 ステンレス鋼のグレードによる加工の違い

3.0 曲げ加工方法の概要

ステンレス鋼管の曲げ加工は、パイプのサイズ、材料特性、精度要件に応じて様々な方法で行うことができます。適切なプロセスを選択することは、成形精度、表面仕上げ、そして構造信頼性に直接影響します。

このセクションでは、手動、油圧、CNC、ロール曲げ、熱間曲げの 5 つの一般的な曲げ技術を紹介し、それぞれの適切な用途、装置の種類、標準的な操作手順を強調します。

3.1 手動パイプ曲げ機（手動パイプベンダー）

適用可能なシナリオ:少量生産、小径パイプ（通常 ≤25mm）、精度要件は低い。

装置：手動パイプベンダー（各種サイズのダイス付き）。

操作手順:

• ダイを選択:パイプの外径（OD）に応じて適切な曲げダイを選択します。
• パイプを修理する:パイプをベンダーに挿入し、一方の端が位置決めブロックに接し、曲げ開始点がダイの中心に揃っていることを確認します。
• 曲げ位置をマークします。マーカーを使用して、曲げを開始する位置を示します。
• 手動操作:ハンドルをゆっくり引いて、ダイの周りのパイプを希望の角度まで曲げます (角度スケールを参照)。
• スプリングバック補正:ステンレス鋼は弾力性があるため、スプリングバックを相殺するためにわずかに曲げ過ぎます（2°～5°）。
• パイプを取り外す:クランプを解除し、曲げ角度と真円度を確認します。

3.2 油圧パイプ曲げ機（油圧パイプ曲げ機）

適用可能なシナリオ:中～大口径パイプ（DN15～DN150）、中～高精度要件。

装置：油圧式パイプ曲げ機（油圧ポンプ、ダイス、クランプ装置付き）。

操作手順:

• ダイスのインストール:パイプ径に合わせて曲げダイス、クランプダイス、加圧ダイスを取り付けます。
• パラメータを設定します:曲げ角度（例：90°）と速度（速度を遅くするとしわが寄りにくくなります）を設定します。
• パイプを修理する:パイプを機械に置き、クランプダイで固定し、パイプの端が曲げダイと揃っていることを確認します。
• 油圧ポンプを起動します:ボタンを押すと油圧シリンダーが作動し、曲げ金型が軸を中心に回転してパイプを曲げます。
• 保持圧力:スプリングバックを抑えるために、2～3秒間圧力をかけ続けます。
• パイプをリセットして削除:油圧システムを解放し、パイプを取り外して、へこみや楕円形の変形がないか確認します。

3.3 CNCパイプ曲げ（CNCパイプ曲げ機）

適用可能なシナリオ:複雑な 3D 曲げ、大量生産、高精度 (例: 自動車の排気システム)。

装置：CNC パイプ曲げ機 (PLC 制御システムで駆動するサーボ モーター)。

操作手順:

• プログラミング： コントロール パネルから曲げパラメータ (角度、半径、送り速度) を入力するか、CAD 図面をインポートします。
• パイプをクランプする: パイプを積載ラックに送り込むと、機械が自動的にパイプをクランプして位置合わせします。
• 自動曲げ：
  • クランプダイがパイプを所定の位置に保持し、曲げダイがプログラムに従って回転します。
  • マンドレルはパイプの潰れを防ぎ、ブースターはしわを防ぎます。
  • 各曲げの後、供給ユニットはパイプを次の曲げ点まで移動します。
• リアルタイム監視: レーザーセンサーは実際の曲げ角度を監視し、スプリングバックを自動的に補正します。
• 製品出力: 曲げ加工後、パイプは自動的に排出され、品質検査（パススルーゲージテストなど）が行われます。

3.4 ロール曲げ

3ローラー曲げ機

構造上の特徴: 3ローラーレイアウト: 上部ローラー 1 個 (アクティブ プレス ローラー) + 下部ローラー 2 個 (固定サポート ローラー)。

調整方法： 上部のローラーは垂直に移動し、下部のローラーの間隔は固定または調整可能です。

適用可能なシナリオ:

• パイプの種類: ステンレス丸管、角管、平鋼等（中肉厚）。
• 曲げ半径: 大きな半径の円弧（ガードレール、手すり、円形構造物など）に適しています。

操作手順:

• 上部ローラー圧力を調整する: パイプの直径と壁の厚さに基づいて、上部ローラーの下向きの圧力を設定します。
• パイプの供給と位置合わせ: パイプを 3 つのローラーの間に通し、開始端がローラーと揃っていることを確認します。
• 初期プレベンド:
  • 機械を始動すると、上部のローラーが押し下げられ、パイプが転がって最初の曲線が形成されます。
  • パイプの端が曲げられない場合（直線エッジ効果のため）、必要に応じてダイを使用して端を事前に曲げます。
• プログレッシブ ベンディング:
  • 目標のアークが達成されるまで、上部ローラーの圧力を徐々に調整しながら、ローリングパスを繰り返します。
• 丸みをチェック: アークテンプレートまたはレーザー測定装置を使用して、曲げの一貫性を検証します。

5ローラー曲げ機

5つのローラーレイアウト: 固定された下部ローラー 2 個 (サポート) + サイド ローラー 2 個 (ガイド) + 上部ローラー 1 個 (アクティブ プレス)。

利点: 3 ローラー設計よりも安定しており、高精度で複雑なアーク曲げに適しています。

適用可能なシナリオ:

• 高精度のニーズ: 自動車の排気管、航空機の導管、精密機械部品など。
• 薄肉パイプのしわ防止： サイドローラーは変形を軽減し、へこみを防止します。

操作手順:

• ローラー間隔を調整する:
  • 中央揃えを確実にするために、パイプの直径に応じて下部ローラーとサイドローラーの位置を設定します。
• 事前曲げ端部（オプション）:
  • パイプの端を曲げる必要がある場合は、金型または油圧プレスを使用して事前に曲げます。
• パイプの供給と位置合わせ:
  • パイプを 5 ローラー システムに挿入し、すべてのローラーと均等に接触することを確認します。
• プログレッシブローリング：
  • 上部ローラーで押し下げ、サイドローラーでガイドし、繰り返し転造することでパイプを成形します。
• ダイナミック調整:
  • 曲げ半径をリアルタイムで監視し、サイドローラーの圧力を微調整してスプリングバックを制御します。
• 最終検査： 真円度、円弧の滑らかさ、寸法公差を確認します。

7ローラー曲げ機

7ローラーレイアウト:

下部ローラー 3 個 (メイン サポート) + サイド ローラー 2 個 (ガイド) + 上部ローラー 2 個 (プレス)。

利点: 効率が高く、特大径 (> 300 mm) または厚肉パイプ (> 10 mm) に最適です。

適用可能なシナリオ:

• 大型構造部品: 石油パイプライン、船体フレーム、鉄骨構造の橋梁など。
• 厚肉パイプの変形制御： 複数のローラーが圧力を分散し、局所的なストレスを回避します。

操作手順:

• ヘビーパイプの位置:
  • 吊り上げ装置を使用してパイプを 7 ローラー システムに送り込み、水平方向の位置合わせを確保します。
• ローラー圧力を分散する:
  • 過負荷やパイプの平坦化を回避するために、各ローラーの油圧を調整します。
• セグメントローリング：
  • 最初の曲げを実行し、徐々に圧力を上げて、複数のパスで大きな半径の成形を完了します。
• 同期制御:
  • 7 つのローラーはすべて PLC システムを通じて同期して動作し、均一な動きを保証してねじれを防止します。
• ストレス解消:
  • 曲げ後、残留応力を減らすためにアニーリング（約 600°C に加熱し、ゆっくり冷却する）が必要になる場合があります。

比較の概要

選択に関する推奨事項

• 少量生産/シンプルなアーク→ 使用 3ローラーマシン （費用対効果が高く実用的）
• 高精度・薄肉パイプ→ 使用 5ローラーマシン （優れた変形防止能力）
• 特大径・重工業→ 使用 7ローラーマシン （マルチローラー設計により圧力が均等に分散されます）

3.5 熱間曲げ加工（誘導パイプ曲げ機）

適用可能なシナリオ:厚肉パイプ（≥ 6mm）、大口径（≥ 200mm）、または特殊合金。

装置：中周波誘導パイプ曲げ機（誘導コイル、冷却システムを含む）。

操作手順:

• 加熱ゾーンをマーク: 曲げ部分をマークします（幅≒パイプ径の3倍）。
• 局所加熱: 誘導コイルに通電して、ゾーンを 900 ～ 1100°C (オレンジがかった赤) に加熱します。
• 曲げ： 油圧アームが加熱部分を固定された金型の周りに押し付け、水冷により形状が固まります。
• アニーリング（必要な場合） パイプ全体を約 500°C まで加熱し、ゆっくり冷却して内部応力を軽減します。

4.0 ステンレス鋼管の曲げに関する考慮事項

ステンレス鋼管の曲げ加工工程を計画する際には、寸法精度と構造の完全性を確保するために、いくつかの重要な要素を考慮する必要があります。最も重要な考慮事項は以下のとおりです。

4.1 キー管理プロセス

材料評価→最小曲げ半径を計算する→設備と金型を選択 →プロセスパラメータ（速度/温度）の設定 →変形防止対策を実施する →トライアルベンディング＆アジャストメント →後処理と検査

4.2 材料特性

1. ステンレス鋼のグレード：

オーステナイト系 (例: 304、316): 加工硬化しやすいので、割れを防ぐために曲げ速度を制御します。

マルテンサイト （例：410）： 硬度が高いため、予熱が必要な場合があります (熱間曲げを推奨)。

2. 直径厚さ比（D/t）

薄肉パイプ（D/t ≥ 20） 簡単に崩壊します。マンドレルまたは砂の充填でサポートします。

厚肉パイプ（D/t≤10） より大きな曲げ力が必要です。

ステンレス鋼管の曲げ半径表

4.3 曲げ半径

最小曲げ半径（R）：

冷間曲げ： R ≥ 1.5 × パイプ径

熱間曲げ： R ≥ 1.0 × パイプ径

半径が小さいと薄くなったり、しわができたりする可能性がある

実験式:R = K × D （Kは材料定数；304ステンレスの場合、K ≈ 2～3）

4.4 曲げ速度と温度

冷間曲げ：加工硬化による割れを避けるため、低速（油圧：5～10°/秒）を推奨します。

熱間曲げ：

• 加熱温度：オーステナイト系ステンレス鋼の場合900～1100℃
• 局所的な過熱を防ぐために均一な加熱を確保する
• 厚肉パイプの場合、十分な浸漬時間

4.5 変形防止対策

マンドレルの選択:

剛性マンドレル（スチール）： 高精度曲げ加工

フレキシブルマンドレル（ボールチェーンタイプ）： 複雑な肘の場合

スプリングバックを補正するために、マンドレルの先端は曲げ点より1～2mm先にある必要があります。

サポート方法:

薄肉パイプにロジン、低融点合金、または砂を充填する（特に熱間曲げ加工時）

しわ抑制ダイ（圧力パッド）を使用して内壁のしわを抑制します

4.6 金型と装置のパラメータ

ダイマッチング:

• 曲げダイスの溝半径はパイプ外径と一致する必要があります（許容差±0.1mm）
• クリアランスが大きすぎると楕円形に変形する可能性がある

クランプ力:油圧クランプ圧力 ≥ パイプの降伏強度の1.5倍

スプリングバック補正:

• ステンレス鋼のスプリングバック：通常2～5°
• 金型またはCNCプログラム修正によるオーバーベンド

4.7 潤滑と表面保護

潤滑剤:

• 摩擦を低減するための高粘度グリースまたはMoS₂ベースのペースト
• 塩素含有潤滑剤の使用は避けてください（応力腐食の原因となります）

表面保護:熱間曲げ加工時に傷やスケールを防ぐためにPEフィルムまたは高温酸化防止コーティングを塗布します。

4.8 後処理要件

ストレス解消:冷間曲げステンレス鋼は300～400℃で焼鈍処理する必要がある（特に厚肉パイプの場合）

丸み補正:楕円度が5%を超える場合は、機械式エキスパンダーまたは油圧成形を使用して円形を復元します。

5.0 よくある問題と解決策

参考文献: