板金設計マスターガイド：必須原則と製造容易性（DFM）のヒント

板金設計入門

身の回りを見渡せば、板金製品が溢れていることに気づくでしょう。飲料缶、調理器具、ファイリングキャビネットなどの消費者製品から、自動車ボディ、フレーム、排気系などの産業製品まで。板金は産業界と少量生産の両方で貴重な資産です。したがって、本記事は板金設計の基本と設計者への有益なヒントを議論することに捧げられています。多くの産業が「製造のための設計」、通称DFM（Design for Manufacturability）の概念を採用しています。板金設計産業において、DFMは板厚チャートと先行計算に基づき、設計プロセスの技術的エラーを回避し、製造リードタイムを改善するのに役立ちます。それゆえ、板金設計のための製造容易性（DFM）も本記事で議論する重要なトピックです。

板金とは

板金設計の技術的側面を議論する前に、板金が何かを理解することが不可欠です。板金とは、アルミニウム、真鍮、チタン、ニッケル、錫、銅などの金属を、箔、葉、板のような薄く平らなピースに加工したものです。

軽量、薄肉、安定、弾性に形成されるため、産業界で被覆とカバー目的で広く使用されています。

基本的な板金加工操作

板金加工は、金属板、コイル、ストリップに対する成形と切断操作によって製品のコンポーネントと部品を製造します。板金設計にはいくつかの異なる操作があり、以下でいくつかを議論します。

1. 曲げ

局所的な領域に力を加えることで、直線軸を中心に金属板をひずませることを曲げと呼びます。ワークピースをダイブロック上に置き、パンチを押し下げて金属板の所望形状を形成します。異なる産業で金属を曲げる異なる工具を採用していますが、最も一般的な工具はブレーキプレスまたはベンディングブレーキです。

2. 引き抜き（ドローイング）

もう一つの板金加工操作は引き抜きで、カップドローイングやディープドローイングとも呼ばれます。板金を伸ばして中空または凹形状を形成します。ブランクホルダーがワークピースをダイ内で保持し、同時にU字型パンチが板金ワークピースをパンチングします。添付図がプロセスを示しています。

3. せん断

前述の操作とは異なり、せん断はパンチに力を加えてワークピースを切断する板金加工プロセスであり、板金設計成形プロセスではありません。

図示の通り、ダイ上に最初に配置された金属片がパンチの垂直力を受け、せん断効果を生じてワークピースを切断します。

4. その他のプロセス

ダイとパンチ工具を使用するかどうかに関わらず、金属を曲げる板金設計のための様々な他のプロセスがあります。これらには以下が含まれます。

• スピニング： 軸対称金属片を回転チャックまたはマンドレル上に押し付けて金属板を成形する操作。
• ストレッチフォーミング： 板金を伸ばしながら同時に曲げて輪郭形状を形成する。
• エンボッシング： 板金に文字や隆起面を作る。
• 絞り（スキージング）： サイジングとコイニングのようなプロセスの組み合わせで展延性金属を作る。
• トリミング： シャービングとも呼ばれ、切断エッジのバリを除去して滑らかにする。
• ピアッシング： 鋭利な尖ったパンチでワークピースを貫通させ、板金に任意形状の穴を作るプロセス。
• パンチング： パンチとダイを用いて板金片に円形穴を作る。
• ブランキング： 板金ストリップから所定形状を切り出す。この切り出し片をブランクと呼ぶ。ディスクやワッシャー作成に一般的に使用。

板金設計のDFMガイドライン

コンピュータ支援設計と実際製品の変動は避けられませんが、DFMガイドラインに従うことでこれらのエラーを削減できます。DFM（Design for Manufacturability）は、部品、コンポーネント、製品を製造しやすく、低コストになるよう設計する概念に基づいています。リードタイム削減による全体的な製造コスト低減に焦点を当てます。

研究によれば、製造業者は約40%の時間をエラー修正に費やし、そのうち24%が製造容易性エラーです。したがって、産業界はこれらのエラーに対処すべきです。DFMガイドライン遵守により設計エラーを大幅に削減できます。

DFMは、部品設計を簡素化して製造容易性と再現性を高めることに焦点を当てます。部品標準化により部品点数を削減し、コスト効率の良い高品質製品を生産することを提唱します。

板金設計の基本要因

板金製造容易性設計は、全体設計プロセスでクリティカルなポイントに焦点を当てます。以下のガイドラインは設計改善に役立ちます。

• 穴半径

金属片に小さな穴を作ることは避けるべきです。小さなパンチが必要となり、作業中に破損する可能性があるためです。したがって、穴径はワークピース厚以上でなければなりません。

• 曲げ逃げ（ベンドリリーフ）

板金設計上の切り欠きを曲げ逃げと呼び、板金設計プロセス中に曲げプロセスがスムーズになるようにします。曲げ作業中の破損を防止します。

• 穴と曲げのクリアランス

穴と曲げの距離は、板厚の1.5倍に曲げ半径を加えた距離以上とすることが推奨されます。

• 板金曲げ半径

最小板金曲げ半径を採用すべきです。この最小曲げ半径は、金属を曲げるために使用する工具に依存します。金属がより柔軟であれば、より小さな半径が容易になります。

• フランジ幅

板金設計では、最小フランジ幅は理想的に板金厚の4倍であるべきです。この要因は設計の美観と清潔さの面で極めて重要です。

板金設計のDFMヒント

ここでは、あなたの設計を製造するための板金設計ヒントをいくつか紹介します。

1. 板金厚と比較してより大きな穴径を持つことが必要です。

2. 2つの穴の間隔が最も重要です。この距離は板厚の2倍以上であることが推奨されます。この要因はパンチ穴の金属変形防止に役立ちます。

3. パンチ穴が板外縁に非常に近い場合、穴とエッジの間に板厚以上の最小スペースを持つことが推奨されます。

4. 曲げと穴の間には、少なくとも材料厚の1.5倍のスペースを設けるべきです。

DFMのメリット

DFMは、製品品質を向上させながら製造コストを削減するための賢明な選択肢を製造業者に提供します。尽きないメリットリストがあり、いくつかを以下に列挙します。

• 高いコスト効率
• 労務コスト削減
• 製品品質向上
• 顧客満足度向上
• 製品開発時間短縮
• 製造容易性のための設計簡素化と標準化

板金部品設計時に避けるべきミス

板金設計には頻繁に発生する特定の問題があります。以下に、板金部品設計で避けるべき問題をいくつか列挙します。

1. 曲げのない3Dモデルの使用を避ける

2. 板金の完全な垂直と鋭利なコーナーを制限する

3. 曲げライン近くへのフィーチャー配置を防止する

4. 設計された板金部品のフラットパターン選定前に十分な調査を行う

5. 製品設計に不適切な板金加工タイプを選択しない

6. 板金厚チャートに基づき、CAD設計ファイルに詳細仕様を必ず含める

7. 溶接要件に注意し、非現実的なものにしない

8. 材料選定プロセスでU字チャネルの強度を常に考慮する

板金プロトタイピング

板金プロトタイピングは、コンセプトテストのための金属製品サンプルをモデリングすることです。量産投入前にアイデアをテストするのに役立ちます。従来のプロトタイピングとは異なり、板金プロトタイプはより短時間で設計されます。

各社は板金プロトタイプ生産に異なる手法を採用しています。その一部を以下に示します。

• 精密プロトタイプ金属スタンピング： スタンピングプレスで高精度ピースを開発。
• ラピッドプロトタイピング： 3Dバーチャル図面を用いてモデルを製造。
• インクリメンタル板金成形： ダイを使わずフライス盤で製品を成形。

結論

板金は私たちの生活において否定できない意義を持ちます。家電産業、自動車産業、ロボット産業、消費者製品など、用途は広範囲にわたります。したがって、板金設計の基本と製造プロセスで考慮されるDFM板金設計ガイドラインを理解することは不可欠です。