鋳造完全ガイド:金属鋳造プロセスの基礎から応用まで
鋳造とは?
鋳造は古代から続く製造プロセスであり、現代でも多くのメーカーが部品製造の第一選択として採用しています。まずは鋳造の定義から始めましょう。
鋳造の一般的なプロセス
- 金属を加熱して溶融させる
- 溶融金属を型(鋳型)に流し込み、目的の形状・寸法を与える
- 型内で冷却・凝固させる
- 凝固後に鋳型から取り出し、洗浄・必要に応じて機械加工を行う
凝固後に鋳型から取り出される成形部品を「鋳物(キャスティング)」と呼びます。鋳物を製造する工場・作業場を「鋳造所(ファウンドリ)」と呼びます。
鋳造所の種類
産業界には主に2種類の鋳造所があります:
- ジョビング鋳造所:独立した製造拠点。受注生産で鋳物を製造します。
- 専属鋳造所:大企業が自社専用に所有する鋳造所。親会社の製造部門の一部として機能し、親会社のニーズに合わせて鋳物を製造します。
鋳造プロセスの詳細
鋳造プロセスのフロー
- 木型(パターン)を製作する。材料は木材、金属、プラスチックなど
- 木型を使って鋳型と必要なコアを準備する
- 鋳型をコアを正しく配置して締める
- 鋳造する金属・合金を溶解する
- 溶融金属を鋳型の空洞(キャビティ)に注ぐ
- 冷却・凝固させ、鋳型から鋳物を取り出す(この操作を「シェークアウト」と呼ぶ)
- 鋳物を洗浄・仕上げる
- 試験・検査を行う
- 欠陥があれば可能な限り修正する(サルベージ)
- 熱処理で応力除去を行う
- 再検査する
- 鋳物の完成
木型(パターン)製作
鋳造プロセスは木型製作から始まります。木型は鋳型を作るための製品のレプリカですが、各種縮み代・仕上げ代を含めて少し大きく作られます。
主な代(アローワンス)
- 収縮縮み代:金属は凝固時に収縮するため、それを補うために大きく作る
- 機械加工代:仕上げ加工で削り取られる分を見込んで大きく作る
木型材料の選定
- 少量生産:ホワイトパイン、マホガニー、メイプル、バーチ、チェリーなどの木材。軽量、安価、加工しやすい。プラスチック木型も代替として使用可能。
- 大量生産:真鍮、アルミニウム、ホワイトメタル、鋳鉄などの金属。耐久性が高く、変形しにくく、表面仕上げが良好、耐摩耗性に優れる。
木型の種類
- 一体型木型(ワンピースパターン)
- 分割木型(スプリットパターン・ツーピースパターン)
- ゲート付き木型
- コープ・ドラッグ木型
- スイープ木型
- スケルトン木型
鋳型造り(モールディング)
最も広く用いられるのは砂型鋳造です。砂型は「使い捨て」「一回限り」の鋳型で、鋳物取り出し時に完全に破壊されます。砂にバインダー、添加剤、水を混ぜて造型性を高めます。
鋳型の構成要素:
- コア:砂・木材・金属製。鋳物内部に穴や空洞を形成するために鋳型空洞に配置
- 湯口(注湯盆):コープ上部のスプルー頂部にある溶湯受け
- スプルー(湯道):湯口からランナー・ゲートへ繋がる垂直流路。下向きにテーパーを持たせ、溶湯流速増大に対応
- スプルー底(ウェル):スプルー下端の溜まり。砂の浸食防止と流速減衰の役割
- ランナー:水平流路。スラグを捕捉し、スプルー底からゲートへ溶湯を導く
- ゲート:溶湯が鋳型空洞へ直接流入する流路
- ライザー(湯口頭):凝固収縮による巣(収縮空洞)を防ぐため、凝固中に溶湯を供給し続ける溜まり
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