鋳物設計の基本｜肉厚・方案・抜き勾配・公差の確認

まず、使用時に掛かる荷重、温度、腐食などの環境条件から、必要な強度や耐久性を考えて材質を選びます。外形と組付け寸法を決め、鋳造方法や生産数量も考慮しながら、各部の肉厚と内部の形状を検討します。

鋳造で作れる最小肉厚は、材質、鋳造方法、製品の大きさなどによって異なります。使用時の強度を確かめた上で、溶湯が行き渡り、収縮による欠陥を抑えられる肉厚にします。

薄肉部の充填と厚肉部の凝固

薄肉部では冷却が速く、溶湯が行き渡る前に固まると、形状の一部が欠ける湯回り不良につながります。局部的に厚い部分は周囲より凝固が遅れ、収縮を補う溶湯が不足すると、内部に空洞が残る引け巣が生じます。

断面を確認し、急激な肉厚変化や局部的な厚みを減らせるか検討します。補強のためにリブを設ける場合も、本体との交差部が厚くなりすぎないようにします。

たとえば、壁を一様に厚くする案と、壁にリブを付ける案を比較する場合は、使用時の強度だけでなく、リブと壁が交わる部分の断面も確認します。交差部だけ厚くなる形状なら、リブの位置や厚みを変えられるか検討します。これは設計案を比較する例であり、特定の製品で改善した実績ではありません。

分割面は、鋳型を分ける面です。突起やくぼみの位置と、模型や鋳物を抜く方向を合わせて検討します。抜く方向に引っ掛かる形状は、分割面の変更、中子の使用、形状の変更などで作れるかを確かめます。

砂型と金型で異なる型抜きの考え方

模型を砂型から抜いて造型する方法では、模型を取り出す方向に合わせて抜き勾配を付けます。金型鋳造では、凝固した鋳物を金型から取り出せるように抜き勾配を付けます。抜き勾配は、抜く方向に沿って面に設ける傾斜です。

砂型鋳造で模型を抜く工程と、鋳造後に砂型を崩して鋳物を取り出す工程を区別して考えます。抜き勾配を付けると外形や穴の寸法が位置によって変わるため、相手部品との干渉や組付け寸法も確認します。

中子の支持とガス抜き・砂の除去

中子は、鋳物の内部の穴や空間を作るために鋳型へ置くものです。砂中子を使う場合は、中子を支える位置と形状を決め、鋳型内で姿勢が安定するようにします。中子が傾いたり移動したりすると、内部形状や肉厚が変わります。

中子の端を主型で支える部分は、幅木と呼ばれます。支持する部分の形状だけでなく、中子を納める順序と、上型を合わせたときの干渉も確認します。複雑な中子が主型へ当たると、砂型を壊すおそれがあります。

砂中子の周囲を溶湯が取り囲む形状では、中子から発生するガスを外へ逃がす経路が必要です。鋳造後に砂を除去する方法も合わせて検討します。細く入り組んだ内部空間は砂を落としにくいため、中子の形状と除去に使う開口を造型・仕上げの担当者と確認します。

鋳造方案では、鋳造する姿勢、型の分割、湯口・湯道などの通路、押湯などを検討します。製品の形状を基に、どこから溶湯を入れ、どの順序で固まるようにするかを考えます。

湯口・湯道は、鋳型へ溶湯を導く通路です。各部へ溶湯が届く前に固まらないか、湯の流れに空気や異物を巻き込みにくいかを検討します。鋳込み条件も合わせて決めますが、注ぐ温度や速度は材質と鋳型に応じて設定します。

押湯と冷し金の役割

押湯は、収縮を補うために鋳物へ溶湯を供給する部分です。供給できる範囲には限りがあるため、遅く固まる部分へ溶湯が届くように、位置や大きさを検討します。

冷し金は、局部的な冷却を速めるために鋳型へ配置する部材です。金属や黒鉛などを使い、厚肉部の凝固を促す方法があります。押湯と冷し金の使用は、材質、製品形状、鋳型の条件に応じて判断します。

鋳鉄では、黒鉛が晶出するときの膨張も収縮に影響します。そのため、他の合金と同じ考え方で押湯を決めず、鋳鉄の種類、形状、鋳型の強さなどを合わせて検討します。

解析と試作品で形状・方案を評価する

鋳造シミュレーションでは、湯の流れや凝固を予測し、充填しにくい部分や収縮による欠陥が生じやすい部分を調べます。解析に使った材質や鋳型、鋳込み条件が実際の製造条件に合っているかを確かめます。

方案の調整だけでは欠陥を抑えにくい箇所は、必要な強度や組付け寸法を保てる範囲で、肉厚や形状を見直します。試作品では、実際の寸法、欠陥の有無、要求する性能を確認し、形状と方案へ結果を反映します。

完成品図には、機械加工などを終えた形状と寸法を示します。鋳造する素材の形状を示す素材図には、加工で取り除く余肉である加工代を含めます。加工する面と鋳造のまま使う面が分かるように図面を作成します。

鋳造公差・加工公差・加工代・縮み代の違い

加工代は機械加工で削るために残す量で、縮み代は模型や型の寸法を調整するための量です。完成品の寸法、素材の寸法、模型・型の寸法を区別して、どの段階の値かを図面で明確にします。

鋳造公差は、材質、鋳造方法、製品の大きさなどに応じて、適用する規格と版・等級を確認します。たとえば、ISO 8062-3:2023は鋳物の寸法・幾何公差と加工代の一般的な指定を扱いますが、寸法を示していない3Dモデルだけに適用する規格ではありません。必要な寸法と許容差を図面に示します。

加工代は、鋳造時の寸法のばらつきも考慮して決めます。加工代を増やすと素材の肉厚も変わるため、仕上げに必要な量を確保しながら、凝固や溶湯の補給への影響を検討します。

加工と検査に使う基準を決める

機械加工を行う部分では、素材をどの面で支え、どこを固定するかを確認します。加工する面と工具が通る空間も合わせて検討します。

加工や測定に使う基準面を決め、そこから必要な寸法を確認できるようにします。鋳造のまま使う面を加工の基準にする場合は、その面のばらつきを考慮して加工代を決めます。寸法検査で使う基準と測定方法は、図面や検査仕様に記載します。