EN
チューブ曲げにおいて、内側のしわは実際の生産現場で大きな問題となります。完成品の外観を損ない、管壁を薄くするだけでなく、流体配管内に流れの制約（絞り）を生じさせます。この問題を回避するため、チューブの内側しわを解消する手法として、一般的に2つの方法が採用されています：マンドレル曲げとノンマンドレル曲げです。両手法にはそれぞれ適用場面がありますが、内半径部のしわ防止効果には明確な差があります。本稿では、それぞれの手法について検討し、内側のしわを真に解消する手法を明確に明らかにします。
内側のしわが発生する理由の理解
実際には、チューブが曲げられる際、外側の壁面は伸びる必要があり、内側の壁面は圧縮される必要があります。多くのチューブの薄い壁面、あるいはあまりにも急な半径で曲げられたチューブは、圧縮力に耐えるのに十分な強度を確保できず、結果として内側の壁面が折れ曲がって座屈します。この座屈がしわの原因となります。壁面が薄いほど、曲げ半径が小さいほど、またステンレス鋼（元々非常に硬い材質）などの材料ほど、この問題はさらに悪化します。この問題に対する解決策は、いずれかのアプローチ—すなわち、チューブの内側壁面を物理的に支持するか、あるいは圧縮力を変化させる方法を見つける—が必要です。以下に、この課題に対処するための2つの異なるアプローチに基づく技術を示します。
マンドレルなし曲げ：シンプルさと制約
内部サポートを使用せずに曲げる手法にはさまざまな種類があり、その中で最も単純なものは「空芯（マンドレル不使用）曲げ」です。この曲げ方式では、チューブを曲げる際にベンドダイ、クランプダイ、およびプレッシャーダイ（あるいは場合によってはワイパーダイ）のみを使用し、チューブ内部に何らかの物体を挿入しません。この方法は、肉厚が十分にあり、かつ適切な曲げ半径で曲げられるチューブに対して非常に有効です。たとえば、肉厚2.5 mmのチューブを3D（チューブ外径の3倍）の曲げ半径で曲げた場合、マンドレルを用いなくても良好な成形が得られます。これは、プレッシャーダイがチューブを前方へ押し出す力と、回転するベンドダイとの協働により、チューブ外側表面に引張応力が生じ、その結果として材料が内側へ収縮して変形を抵抗しようとするためです。しかし、肉厚が1.5 mm未満であり、かつ内側曲げ半径が2Dを超える場合には、チューブ内部に形状保持のための支持体がないため、内側のしわ（ウェーブ）を完全に回避することは不可能であり、ある程度のしわ発生は避けられません。非マンドレル曲げの主な利点は、マンドレル曲げと比較して作業速度が速く、また金型の数や複雑さが大幅に少ないことです。ただし、その代償として、内側のしわを根本的に解消する手法ではないという制約があります。
マンドレル曲げ：しわのない仕上がりのための内部サポート
この工程では、マンドレル曲げが採用され、チューブ内にインサート（マンドレル）を挿入します。通常、1個以上の可動式ボールを含むソリッドロッドであるこのマンドレルは、圧縮が発生する正確な位置でチューブ内壁を支持します。チューブが曲げられる際、マンドレルによって内壁の内側への座屈（くしゃっとした変形）が単純に防止されます。ボール自体は可動式であるため、チューブが曲げられながらマンドレルが引き抜かれる際に、すべてのボールがチューブ壁の曲線に適応できます。これは、薄肉チューブ、小半径曲げ、ステンレス鋼などの硬質材料といった課題に対処する上で、これまでに最も成功を収めている方法です。前項で述べたシナリオ（外径25mmのステンレス鋼、肉厚1.2mm、曲げ半径1.8D）においても、2個ボールの可動式マンドレルを用いれば、数千本のパイプにおいてまったくしわが発生しません。添付の図からも明らかなように、マンドレルを用いない曲げと比較した場合の改善効果は極めて顕著です。マンドレル曲げの主な欠点は以下のとおりです：金型コストが大幅に高くなること、少量ロットでは非常に時間がかかる可能性があること、およびすべての部品に対して、ステンレス鋼チューブとマンドレル表面との間で「ガリング（擦れ傷・ seizing）」が発生しないよう潤滑剤を塗布する必要があることです。
実アプリケーションにおける性能比較
典型的な自動車部品、すなわち内径25 mm、壁厚1.2 mm、中心線曲率半径が1.8Dのパイプを例に挙げます。マンドレルを用いずに曲げ加工を行う場合、内面にしわが生じる傾向がほぼ常に見られます。そのしわの発生範囲は部品全体の約30％に及びます。部品の用途によっては、このしわはわずかに目立つ程度で機能上重大な問題を引き起こさない場合もありますが、確実に外観上の品質を損ねるものであり、流体の流れを制限する可能性があります。一方、同様のパイプを適切に設計された2ボールマンドレルを用いて曲げ加工すれば、この問題は完全に解消され、数万本ものパイプをしわなしで製造できます。医療用部品では、壁厚が約1 mm程度のものが一般的であり、満足できる品質を得るためにはマンドレル加工が唯一実現可能な方法であるため、このプロセスが採用されています。
ノンマンドレル曲げが適している場合
とはいえ、すべて前述の通りではありますが、非マンドレル曲げの使用は、非常に肉厚なチューブ（壁厚2 mm以上）や十分に大きな曲げ半径（3D以上）を扱う場合、あるいは試作における納期とコストが仕上げ品質よりも重視される場合には、確かに正当化されます。実際、小規模メーカーでは、極めて肉厚なパイプに対して、壁厚に基づいて曲げ半径を慎重に計算し、内径側でマンドレルを使用せざるを得ないようなチューブの製造をそもそも行わないことで、マンドレル用工具を導入せずに済むケースが多く見られます。ただし、すでに部品にシワが発生している状況で非マンドレル式チューブベンディングを採用している場合、セットアップにマンドレルを追加することが、事実上唯一明確な解決策です。
マンドレル曲げにおける実用上の考慮事項
マンドレル曲げでは、最適な結果を得るためには正しいダイセットを用いることが重要です。一般的には、パイプの壁面と外側ダイの内面との間に0.1 mm～0.2 mmを超えない隙間を設けることが、最適な成形結果を得る上で広く認められています。さらに、ボール（マンドレル）の位置がパイプとベンドダイとの接点（タンジェントポイント）に対していかに配置されているかが極めて重要です。ボールを前方にあまりにも遠く設定すると、マンドレルがチューブ内に楔状に食い込んでしまい、逆に後方にあまりにも遠く設定すると、パイプが再びつぶれてしまいます。最新のCNC油圧チューブベンダーでは、マンドレルの引き戻しをプログラム制御することで、より容易な設定が可能になっています。
結論
内面のしわを除去したい場合——たとえば、薄肉パイプを小半径で曲げる場合や、部品の外観が極めて重要である場合——マンドレル曲げは間違いなく最適な選択です。ノンマンドレル曲げは特定の状況では有効ですが、根本的な問題そのものを解決することはできません。当社Baoruiが提供するすべてのパイプベンディングマシンは、この2種類の曲げ方法に対応するよう設計されています。どちらの方法を選ぶかは常に用途に依存しますが、しわのないチューブを求めるのであれば、マンドレル曲げを超える方法はありません。