はじめての設計:板金部品設計の基本、L字金具の折り曲げと展開図

技術職で採用され設計をすることになったものの、なぜか品証の私に「OJTと称して過去図面の修正やトレースをしていれば設計ができるようになるのでしょうか?」と質問がありました。

ISOと言えば私(はかせ)のところに聞きに来るので分からないでもないのですが、設計はさすがになと思いつつ設計・開発規定を見直して作成していたりもするので、これは設計者になるつもりで実際にやってみるしかないかと、FreeCADを使ってやってみることにしました。

大学で立体図学や製図の勉強はしましたが、苦手意識が残っていて3D CADによるモデリングもなかなか手強いと思っている私(はかせ)ですが、2022年1月、はじめての設計を始めます。

前回は第三角法によるモノを作りやすい図面作成について説明しました。

はじめての設計:第三角法によるモノを作りやすい図面作成
モノづくりの現場では、「モノを作りやすい図面」がよい図面です。加工担当者は、設計者が描いた図面を見て内容を読み取り加工をするからです。「はじめての設計」をテーマに、第三角法によるモノを作りやすい図面作成について説明します。

設計の基本といえば、まずは板金設計です。

ここでは、板金部品展開の基本の1つ、折り曲げと展開について説明します。

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金属板の折り曲げとは

実際に金属板の折り曲げを実際に見る機会は、モノづくりの仕事をしていてもなかなかないかと思います。

まずは、実際の金属板の加工についてプレスブレーキによる曲げ加工を例に説明します。

プレスブレーキによる金属板の折り曲げ

プレスブレーキではどうやって金属板を曲げているかの説明の前に、板金加工(折り曲げ)について、プレスブレーキによる曲げ加工について説明します。

下図は、プレスブレーキによる金属板を加工前の写真です。

金属板を上下の金型で挟み込んで曲げます。

  • 曲げるというよりは、金属板を型でプレスすると言った方が分かりやすいかもしれません。
  • 爪のような上型はパンチ、V字型の溝のある下型はダイといいます。
プレスブレーキによる曲げ加工前

プレスブレーキによる曲げ加工前

図1 プレスブレーキによる曲げ加工前

出典:Pixabayからの画像

下図は、曲げ加工後の画像です。

平板の端が曲げられています。

プレスブレーキによる曲げ加工後

プレスブレーキによる曲げ加工後

図2 プレスブレーキによる曲げ加工後

出典:Pixabayからの画像

プレスブレーキによる折り曲げによる金属板の変形

金属板を下図のようにL字に折り曲げて、L字金具を作るとします。

金属板のL字曲げの図面イメージ

金属板のL字曲げの図面イメージ

図3 金属板のL字曲げの図面イメージ

下図は、プレスブレーキによる折り曲げのイメージです。

金属板を直角に曲げようとしても、角の部分は直角にはなりません。

  • 下図は、Rを付けて曲げた場合ではなく、直角に曲げた場合に角が曲がることを強調しています。
L字金具の折り曲げのイメージ

L字金具の折り曲げのイメージ

図4 L字金具の折り曲げのイメージ

プレスブレーキによる折り曲げは、型を使い曲げるのでかなり角は直角に近づくとはいえ、実際に金属板を直角に曲げることはできません。

加工後は上図のように角の部分にRが付くことがイメージできたでしょうか。

金属板を曲げた時の変形については一端ここまでとして、次に板金部品と展開図について説明します。

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折り曲げ方向による展開形状の違い

部品の図面は、加工後の形状寸法(形と大きさ)で表します。

つまり、板金部品の設計では、展開図を考慮して形状や寸法を決定しますが、最終形状のみの図面を渡して、後は加工屋さん任せというケースも少なくないようです。

はかせ
はかせ

加工をイメージして図面を描くのであれば、当然金属板から部品を切り出して加工するので、展開図があって当たり前ではあるのですが。

OJTと称して過去のCADデータを修正するだけでは気づかないし、展開図をイメージする力量も訓練できないと思うのですが・・・。

ここでは、折り曲げたて穴加工や切断をした場合の、折り曲げ方向による展開形状の違いについて考えてみます。

まず、折り曲げ後に穴加工や切断をした場合の、折り曲げ方向による展開形状の違いについて説明します。

下図は、左側を折り曲げ、板を折り曲げた後に同じ加工(切断)と穴あけを行い、折り曲げ部分を展開した場合のイメージです。

左側を折り曲げ展開した場合のイメージ

左側を折り曲げ展開した場合のイメージ

図5 左側を折り曲げ展開した場合のイメージ

下図は、右側を折り曲げ、板を折り曲げた後に同じ加工(切断)と穴あけを行い、折り曲げ部分を展開した場合のイメージです。

右側を折り曲げ展開した場合のイメージ

右側を折り曲げ展開した場合のイメージ

図6 右側を折り曲げ展開した場合のイメージ

図5と図6を比べると、折り曲げ方向の違いにより、外形は同じですが、丸穴の位置が違っていることが分かります。

展開図が無い場合には、加工担当者が、図面に示された部品を作るためには、展開図をを作ってから加工することになります。

はかせ
はかせ

展開図が無い図面で受注した場合、受注側で展開図を描く場合もあれば、現場の加工担当者が展開図をイメージして加工してしまう場合もあります。

製作側からすれば、展開図もかけない設計レベルと判断しているようです。

設計では、2Dの図面と実際の部品の3D形状とを行ったり来たりするイメージ力が必要です。

3D CADであれば、形状ありきで設計が始まりますが、それでも加工を考慮しないで図面を描くと、3D CADの設計データで加工ができないことが起きます。

この記事の例で説明してきたL字金具の角は、図面では直角でも実際には直角にならないことをイメージして設計することが重要です。

なお、どうしても直角に加工したいのであれば、切削などの加工方法により直角に近づけることは技術的には可能ですが、加工コストも同時に跳ね上がりますので、QCDのバランスを考え必要な加工精度を考慮した設計ができるようになることが必要です。

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まとめ

設計の基本といえば、まずは板金設計です。

ここでは、板金部品展開の基本の1つ、折り曲げと展開について以下の項目で説明しました。

  • 金属板の折り曲げとは
    • プレスブレーキによる金属板の折り曲げ
    • プレスブレーキによる折り曲げによる金属板の変形
  • 折り曲げ方向による展開形状の違い
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