多点ベンド排気システムにおけるシワ発生を防ぐ方法

マルチベンド排気システムは、チューブ製造における最も複雑な成形工程の一つです。単一の直角曲げではなく、排気経路における複数の曲げにより、局所的な応力集中、圧縮および材料の乱流が大幅に生じます。シワを単なる外観上の欠陥と軽視してはなりません。これは、曲げ部の内側半径に現れる、不快で目立つしわ状の皺であり、排気ガスの流れ、乱流、バックプレッシャー、さらには熱疲労の発生点に悪影響を及ぼします。シワの発生を体系的に抑制するためには、金型、機械パラメーター、材料挙動、工程順序など、あらゆる要素を総合的に検討する必要があります。宝瑞（バオルイ）を含むすべてのメーカーは、シワのないマルチベンド排気アセンブリを提供するための一貫したアプローチを採用しています。すなわち、輸送中に部品をまっすぐに保つことです。当社宝瑞を含むすべてのメーカーは、顧客に対してシワのないマルチベンド排気アセンブリを提供するという点で一貫したアプローチを取っており、そのために輸送中に部品をまっすぐに保つ必要があります。

各曲げに対してマンドレルの設計および配置を最適化

しわの発生を防ぐ最も効果的な『防御策』は、適切に設計され、正確な位置に配置されたマンドレルです。複数の曲げを含むシステム（例：曲げ部の後に短い直管部が続く場合など）では、マンドレルは、曲げ変形領域全体においてチューブ内面から受ける圧縮力を十分に耐えられる強度を備えていなければなりません。このような小半径曲げには、可動式のボール・マンドレル（複数の関節構造を持つ柔軟なボール型マンドレル）が必要であり、これにより曲線に沿って追従し、材料の内側への座屈を防止します。ただし、ボール・セグメントの絶対数、ボールとチューブ内径とのクリアランス（直径差）、およびマンドレル先端と曲げ接線の相対位置は、各曲げ位置ごとに個別に調整する必要があります。問題点その1は、しわの発生がすべてマンドレルの引き込み量が過大であることに起因しており、圧縮を受ける部分が無支持状態となることです。当社宝瑞では、排気管の各曲げ角度に印を付けてから、CNC制御装置を用いて各曲げごとにマンドレルのストロークを個別に調整しています。また、管径／排気管の壁厚ごとに専用のマンドレルセットを別途用意しており、汎用マンドレルを使用することは、内部に波状のしわ（リップル）が発生する確実な原因となります。

制御フィードレートとドウェルタイムを高精度で調整

シワは速度に関連する現象です。ベンドアームが速すぎると、材料が塑性流動できず、内側半径部に材料の堆積（ピールアップ）が生じます。一方、速度が遅すぎると、材料の応変硬化が不均一になる可能性があります。多段ベンドシステムでは、各ベンドごとに最適な送り速度を、前段ベンドによる加工硬化の影響も考慮して決定する必要があります。オペレーターは、高度なCNC油圧パイプベンダーで、ベンド終了直前の減速など、可変の送りプロファイルを設定できます。さらに、ストローク終了時の制御された滞留時間（ドウェルタイム）を設けることで、材料が弾性記憶を緩和する時間を確保し、ストローク終了時に発生するスプリングバックによるシワを最小限に抑えることができます。当社の製造現場では、トルクをリアルタイムで監視することで、圧縮不安定性が発生する前に検知し、機械が自動的に適切なクランプ力を選択し、送り速度を低減するように調整します。これにより工程の安定性が確保され、この動的調整によって、当社の多段ベンド排気管製品におけるシワ欠陥は実質的に解消されています。

適切な潤滑剤を選択し、ダイクリアランスを拭き取る

積み重ね摩擦は、しわの発生を招く目に見えない原因です。管の外側（エクストラドス）における高い摩擦は、材料の不均一な配列を引き起こし、内側（イントラドス）における圧力ダイを通じた材料の自然な流れに抵抗を生じさせる可能性があります。このような力の差異を最小限に抑えるには、管表面およびマンドレルの両方に高性能曲げ潤滑剤を塗布することが有効です。しかし、さらに重要なのは、ワイパーダイと管とのクリアランス設定です。ワイパーダイはベンドダイに追随し、成形中に材料の内側半径部を「拭き取る」役割を果たします。ワイパーダイのクリアランスが狭すぎると管を「削り取る」ことになり、広すぎると「しわが逃げてしまう」ことになります。複数の曲げ工程を有するシステムでは、管の外径に合わせてワイパーダイの接触面をカスタマイズしたリリーフ加工を行うことを推奨します。当社（宝瑞）では、ワイパーダイの設置ごとにフィーラーゲージによる検査を実施しており、クリアランスは材料の硬度に応じて0.05～0.10mmとしています。また、曲げ点間に計量噴霧システムを用いて、潤滑剤を自動的に供給しています。これは、間欠的なしわ発生の最も見落とされがちな原因の一つです。

シーケンス曲げを戦略的に行い、加工硬化を考慮する

最後に、複数の曲げを実施する順序がしわの発生に与える大きな影響について説明します。一般的な排気系部品（3～4か所の曲げがある場合）において、設計者が守るべき基本原則は、最も重要または最も困難な曲げを最初に実施することです。この際、材料はまだ完全にアニール処理されており、延性が十分に保たれています。つまり、最初に実施されるのは最もきつい曲げであり、その後の曲げ工程では、既に前の曲げ工程で材料が伸長されているため、圧縮領域での後続の曲げには適さない可能性があります。また、曲げ間の距離にも注意が必要です。2つの曲げが互いに近すぎると、「加工硬化領域」が他の曲げの「変形領域」と重なり合い、曲げ部の強度が低下し、しわが発生しやすくなります。曲げの順序および中間の直線部長を最適化するために、当社宝瑞の技術チームでは、設計段階で有限要素法（FEM）シミュレーションを活用しています。単一のチューブ上で合計の曲げ角度が180度を超える場合、冷間加工量が180度を超えることによるしわ発生リスクが高いため、中間工程として応力除去アニールを実施します。上記の3つの制御手法に加え、曲げ内径の制御を組み合わせることで、すべての曲げ部が滑らかで連続した形状で仕上がるようにします。

多方向曲げ排気システムにおけるしわの防止の鍵は、単一の万能な解決策ではなく、マンドレル支持、曲げ速度制御、潤滑、工具クリアランス、および曲げ順序という5つの要素を統合した一貫したプロセスです。これらの5つの技術分野は相互に関連しており、当社バオルイでは過去20年にわたりそれらを最適化してきました。その結果、流体性能と耐久性の両方を発揮できる部品を一貫して製造しています。曲げ箇所でのしわを完全に除去することで、現場での問題を未然に防ぐことができます——これこそが優れた製造の最も確かな証です！