砂型鋳造パターンのマスター：信頼性の高い金属鋳造のための鍵プロセス

金属加工業界において、鋳造パターンは鋳造と類似した形状と寸法を持つレプリカです。鋳造パターンは砂型に押し込まれ、溶融金属を注湯・成形できる中空空洞を作成するために使用されます。

砂型鋳造所（鋳鉄鋳造、アルミニウム鋳造、鋼鋳造のいずれであっても）、パターンセットにはパターン、ゲーティングシステム、フィーダーヘッド、ライザー、パターンプレートが含まれます。

パターンの材料、設計、構造は製品品質に大きな影響を与えます。同様に、ランニングとパターン製作コストは鋳造費用に大きく影響します。

金属鋳造における鋳造パターン材料

パターン材料選定のヒント

頑丈で耐久性がある：鋳造プロセス中に長持ちし、歪みや形状変化しないパターン材料を選択。

耐摩耗性と耐水性：鋳造パターンを錆と劣化から保護するため、耐水性と耐食性のある材料を選択することが重要。

成形容易：温度と湿度の変化に影響されない。

低コストと軽量：鋳造所のコストと利益のバランスを確保。

パターン製作のための材料選択

上記基準を確保し、特定業界に依存して、パターン材料はその柔軟性で考慮されるべきです。金属、木材、プラスチックがパターン製作プロセスで優先される材料です。

• 金属パターン：金属製パターンは硬度を確保し、成形も容易です。しかし、金属パターンの弱点は錆びやすく重量が重いことです。さらに金属パターン材料は高度な装置を必要とし、修理が困難で全体的にコストが高くなります。

パターン製作プロセスで一般的に使用される金属にはグレー鉄、鋼、アルミニウム、マグネシウムがあります。これら各パターン材料は異なる収縮特性を持ちます。

• 木製パターン：入手しやすく軽量なため非常に人気のあるパターン材料です。さらに木材は金属パターンよりはるかに安いコストで容易に成形可能です。しかし、木製パターンの欠点は水分を吸収しやすく変形しやすいことです。
• プラスチックパターン：プラスチックとファイバーグラスは最近トレンドです。最大の利点は軽量、防水、耐薬品性です。さらに、プラスチックの表面仕上げは優れた光沢です。しかし、この材料の欠点は鋳造プロセス中の強い衝撃や振動に対して割れやすいことです。
• その他の材料：ワックスとパリ石膏も鋳造プロセスのパターン材料として使用されますが、インベストメント鋳造技術でのみ好ましいです。

金属加工における鋳造パターンの種類

金属鋳造にはさまざまなタイプのパターンがあり、各タイプは特定の鋳造要件に適しています。ここでは、金属鋳造所で主に見られる3つの鋳造パターンタイプを整理します。

1. 単一体パターン（ワンピースパターン）

単一体パターンは最も安価なパターンタイプです。この種類は、鋳造がシンプル、表面が平ら、生産量が少ない場合、および試作開発でよく使用されます。

2. 分割/二体パターン（スプリット/ツーピースパターン）

二体パターンは複雑な物体の鋳造で一般的です。このパターンタイプはパーティングプレーンに分割され、プレーンの位置は鋳造形状によって決まります。

パターンは2つの部分に分割され、一方はドラグ（下型）で成形され、もう一方はコープ（上型）で成形されます。コープ部分には常にダウエルピンがあり、ドラグ部分の精密に作られた穴と一致します。

3. 分割/多体パターン（セグメント/マルチピースパターン）

多体パターンは、他のパターン製法では不可能な超複雑な鋳造部品の鋳造に好まれます。このパターンは上部、中部、下部の3部分を持ちます。

上部はコープ部分、下部はドラグ部分、中部はチェックボックス部分です。マイタージョイント、ダウエルジョイントなど様々な種類のジョイントで使用されます。

鋳造所における鋳造パターン製作プロセス

1. パターン設計

鋳造パターン製作に取り組む技術部門は、鋳造図面を慎重に検討し、期待通りにタイトで効果的なパターンを設計しなければなりません。

考慮しなければならない最も重要なポイントには、パーティングプレーン、鋳造の形状と寸法およびコア、さらにパターン材料が含まれます。

ステップ1：パーティングプレーンの決定

通常、パーティングプレーンはパーティング金型ラインと一致します。

パターンが分割パターンタイプまたは多体パターンの場合、分割面が対称であっても上部と下部を明確に定義しなければなりません。

ステップ2：コアプリントサポートの形状と寸法の決定

コアプリントサポートはコアプリントを金型内で固定するために使用されます。

コアプリントサポートの公差は金型内の寸法公差に直接影響します。したがって、コアプリント形状、コアとパターンの隙間、パターン組立プロセスを考慮してコアプリントサポートを正確に設計する必要があります。

ステップ3：パターン寸法と許容値（アローワンス）の決定

パーティングプレーンを持つパターンでは、各部分が異なる寸法を持ち、これらが組み立てられると鋳造寸法とそれぞれ一致しなければなりません。

パターンが金属製の場合、凝固時に収縮します。したがって、鋳造図面の正しいサイズをモデルとして採用すると、鋳造サイズが大幅に小さくなります。この問題を解決するには、金型空洞を拡大し、パターンサイズを金属の収縮割合に応じて鋳造サイズより大きくしなければなりません。これはパターンアローワンス（許容値）に基づいて決定されます。

ステップ4：パターン材料の決定

• 木製パターン：パターンが小さい場合は無垢材で作れます。パターンが大きく複雑な場合は切り出し木材で作らなければなりません。木製パターン図面を表現するには、全ビューと断面を描くか、パズルピース記号を使用して時間を節約し読みやすくできます。
• 金属パターン：大量生産や大量注文に適用可能。パターン体積が大きい場合、内部を中空にした金属パターンを作ることで重量を減らし材料コストを節約するのが望ましい。パターンが小さい場合は無垢金属を選択。

ステップ5：パターン組立時の位置決め

パーティングプレーンが遠心軸に垂直な円形サンプルの場合、ダウエルピンは1本のみ必要です。

その他のタイプでは、2〜3本のダウエルピンを使用します。

原則として、ダウエルピン間の距離が大きいほど、位置決め精度は高くなります。ピンと穴の構造は容易な引き抜きと分解のために適切なサイズでなければなりません。分割プレーンを持つパターンでは、コープ部分のダウエルピンがドラグ部分の精密に作られた穴と一致しなければなりません。

さらに、パターン図面では部品の表面粗さと塗装色を指定する必要があります。

2. 鋳造パターンアローワンス（許容値）

パターンアローワンスは鋳造金属の特性を反映します。パターン製作時に、完成品図面で指定されたサイズに一定のアローワンスを与え、特定仕様の鋳造品が作れるようにしなければなりません。

以下のアローワンスがあります：

凝固収縮アローワンス（収縮許容値）

ほとんどの金属は冷却時に収縮します。これは液体から固体への移行（液体収縮と呼ばれます）と固体状態での冷却（線収縮と呼ばれます）です。

液体の収縮は凝固時の体積減少（液体から固体へ）です。液体収縮は、液体金属を鋳造に供給するライザーによって金型内で補われます。

固体収縮は、金属鋳造が固体状態で熱を失う際のサイズ縮小です。これを補うため、パターンに収縮アローワンスを設けます。

収縮率とレベルは材料によります。以下の表は異なる金属の収縮率を示します。

材料	収縮率
グレー鉄	1%
鋼	2%
銅/アルミニウム	1.5%
白銑鉄	1.5%
マグネシウム	1.6%

注：収縮は材料サイズにも依存し、サイズが長いほど収縮は大きくなります。

本質的に、パターン製作プロセスの収縮式は：

パターンサイズ = 鋳造サイズ + 金属収縮

しかし、図面記録時には依然として鋳造図面に従ってデータを取る必要があります。パターン製作時には、異なる鋳造合金に応じたサイズ比を使用します。

テーパーアローワンス（ドラフト/テーパー許容値）

パターンを砂型から取り出す際、金型壁がパターンと擦れ、パターンが引き裂かれ損傷する可能性があります。これを避けるため、パターンのすべての垂直面にテーパーを設けなければなりません。これがドラフトアローワンスです。

ここでは、パターン引き抜きが開始される瞬間、そのすべての表面が砂表面から離れます。したがって、金型空洞を損傷せずにパターンを取り出せます。

ドラフト角は、引き抜き方向に平行なパターンのすべての面に作られ、引き抜きプロセスを容易にします。外側面のサイズに応じて、ドラフト角の値は0.5〜3度の範囲です。

材料	与えられた面の高さ (インチ)	ドラフト角 (外面)	ドラフト角 (内面)
木材	1 1-2 2-4 4-8 8-32	3.00° 1.50° 1.00° 0.75° 0.50°	3.00° 2.50° 1.50° 1.00° 1.00°
金属、プラスチック	1 1-2 2-4 4-8 8-32	1.50° 1.00° 0.75° 0.50° 0.50°	3.00° 2.00° 1.00° 1.00° 0.75°

仕上げ/機械加工アローワンス

回収された鋳造品の表面は通常サイズが正確でないため、旋削や研削などの機械加工を行って表面仕上げ品質を向上させる必要があります。

機械加工で金属量が除去されるため、機械加工アローワンスと呼ばれる量の金属をオフセットしなければなりません。機械加工アローワンスは鋳造方法、鋳造サイズ、鋳造材料、鋳造の仕上げ可能性によって影響されます。

金属	寸法 (インチ)	アローワンス (インチ)
鋳鉄	12まで 12-20 20-40	0.12 0.20 0.25
鋳鋼	6まで 6-20 20-40	0.12 0.25 0.30
非鉄	8まで 8-12 12-40	0.09 0.12 0.16

歪み/キャンバーアローワンス

凝固中に、鋳造形状がL、U、V、T...などであるか、長さより薄い場合、垂直面で変形する傾向があります。

この問題の原因は固体金属内部に発生する内部応力です。これらの内部応力は、鋳造の異なる部分の不均一な冷却によって引き起こされ、凝固時の矛盾を生じます。これは歪みアローワンスまたはキャンバーアローワンスと呼ばれます。

この状況の解決策は、パターンを当初から逆方向に歪ませる方向で鋳造設計を修正することです。修正する歪み度はパターン製作者の経験に基づいて評価されます。

ラッピング/シェイキングアローワンス

砂型からパターンを取り出すプロセスで、大型パターンや高精度鋳造の場合、パターンの垂直面周りを叩いて金型空洞を拡大し、パターンをより容易に取り出す必要があります。これはパーティングプレーンに平行な寸法にのみ適用されます。

これを補償するため、元のパターンサイズを縮小する必要があります。これは作業者に大きく依存するため、このアローワンスを計算する標準式はありません。

コアとコアプリント

コアは鋳造に穴や窪みを作るために使用されます。コアは通常グリーンまたはドライ砂で作られます。

コアプリントは金型内でコアの位置決め、配置、支持のために設けられます。砂コアは溶融金属が金型に注湯される際、その位置に留まります。

コアは水平、垂直、または金型空洞内に吊り下げて配置する必要があります。しかし、コアは何の支持もなしに金型空洞内で自己吊り下げすることはできません。コアプリントはパターン上の突起の助けを借りて準備されます。しかし問題は、パターンを取り除く際、その突起の存在により金型が損傷することです。したがって、コアを使用する鋳造プロセスでは分割パターンが使用されます。

コアプリントは、コアの重量と周囲の溶融金属の浮力に耐えられる適切なサイズと形状でなければなりません。

3. パターン製作

ゲーティングシステム設計

各パターンは液体金属を金型空洞に注湯するためのゲーティングシステムを含みます。ゲーティングシステムは、金属が金型に注湯される速度を制御するため非常に重要です。速すぎると金型腐食を引き起こし、遅すぎると空洞充填前に金属が冷えてしまいます。

このゲーティングシステムは以下の接続された部分で構成されます：

• 注湯カップ：金型への円錐形入口。金属流れの乱流を制御し流量を安定させ、注湯時にスラグを分離します。
• スプルー：注湯カップからテーパースプルーを通じて溶融金属を導く漏斗。その後ランナーを通り、ゲートへ順次流入します。
• ゲート：パスの終端、ここから金型空洞が始まります。

ゲートには大型ゲートと小型ゲートの2タイプがあります。大型ゲートは金属を急速冷却し、小型ゲートは緩やかな冷却に使用されます。鋳造の凝固速度要求に応じて適切なゲートを使用します。

• ライザー：溶融金属空洞で、金型の一部として設けられ、温度低下時の金属収縮を補償し、穴を防止します。ライザーは液体金属がゆっくり冷却される場所です。ライザーを見て、作業者は金型が充填されたかどうかを知ります。

鋳造設計に穴がある場合、コアを金型に配置して金属が流れない位置を決定します。

時には鋳造前にパターン表面にチルを配置し、局所的に冷却して液体金属の冷却順序を決定することも可能です。チルは鋳造に付着せず、はるかに低温の単なる金属片であるため、容易に回収・再利用できます。

ゲーティングシステムは手動または自動ソフトウェアで設計できます。

ゲーティングシステム設計の詳細：https://vietnamcastiron.com/gating-system/

パターン製作

前述の通り、パターンは木材、金属、プラスチック、ワックスなど様々な材料で作られます。木材と金属パターン材料は砂型鋳造で一般的に使用され、ワックスはインベストメント鋳造で一般的に使用されます。

パターンはサイズ、形状、必要数量に応じて異なる複雑さを持ちます。

インベストメント鋳造では、各ワックスパターンが鋳造時に破壊されるため、各鋳造にワックスパターンが必要で、これらは金型で作られます。ワックスをこれらの金型に充填し、冷却後、金型を分離してワンピースワックスパターンを抽出します。

砂型鋳造では、通常パターンは金属または木材パターンから作られます。高精度が要求される場合はCNC工作機械で加工されます。

まとめ

以上、VICが金属加工業界における鋳造パターンの作り方とパターン製作プロセスの注意点についてすべて回答しました。

鋳造品の仕上げとサイズは鋳造パターンに大きく依存し、したがって鋳造製品品質の成功を決定します。したがって、パターン製作は経験と高い作業専門知識を必要とする職業です。

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