砂型鋳造法とは何ですか?仕組みと部品の製造方法

砂型鋳造は、所望の部品のパターンの周りに砂を圧縮することによって形成された型キャビティに溶融金属を注ぎ込む金属鋳造プロセスです。金属が固まると、砂型が砕かれ、完成した鋳物が現れます。 世界で最も広く使用されている鋳造法であり、世界中で生産される金属鋳物の 70% 以上を占めています。 、数グラムから数万キログラムまでの部品を製造することができます。その優位性は、低い工具コスト、広範な材料互換性、および固体ストックからの機械加工が困難または不可能である非常に複雑な形状を鋳造する能力によってもたらされます。

砂型鋳造プロセス: ステップバイステップ

砂型鋳造は、定義された一連の操作に従います。各ステップは、完成した砂型鋳造部品の寸法精度、表面品質、構造の完全性に直接影響します。

1. パターンメイキング: パターン (目的のパーツのレプリカ) は、木材、プラスチック、アルミニウム、またはエポキシから作成されます。パターンは、凝固時の金属収縮を考慮してわずかに大きめに作られています (通常、鉄の場合は 1 ～ 2%、アルミニウムの場合は最大 2.5%)。垂直面には 1 ～ 3 度の抜き勾配が付けられているため、砂から模様をきれいに引き出すことができます。
2. 金型の準備: パターンは、フラスコと呼ばれる 2 つの部分からなる金属または木製のフレームに配置されます (上半分は「コープ」、下半分は「ドラッグ」です)。特別に配合された鋳物砂 (通常は、粘土と水と結合した珪砂 (生砂) または化学結合剤) が、パターンの両側の半分の周りにしっかりと詰め込まれます。砂は、その形状を保持できるほど緻密である必要がありますが、注入中に閉じ込められたガスを逃がすことができるほど十分な透過性を備えていなければなりません。
3. コアの配置 (必要な場合): エンジン ブロック、ポンプ ハウジング、中空ブラケットなど、内部に空洞やアンダーカットがある部品の場合は、2 つの部分を組み立てる前に、中子を金型キャビティ内に配置します。中子は別途砂を作り、それを樹脂バインダーで固めて焼き固めます。
4. 金型アセンブリ: パターンは両方の半分から削除され、砂の中にその部分のネガティブな印象が残ります。コープとドラグは組み立てられ、クランプまたは重りで閉じられます。ゲート システム (スプルー、ランナー、ゲート) は溶融金属をキャビティに流し、ライザーは鋳物が凝固するときの収縮を補うために液体金属の貯留を提供します。
5. 溶かして注ぐ： 金属 (鉄、鋼、アルミニウム、青銅、真鍮、その他の合金) は炉で溶解され、適切な注入温度になります。アルミニウムは通常、次のように注入されます。 680 ～ 760°C (1,256 ～ 1,400°F) ;ねずみ鉄 1,370 ～ 1,480°C (2,500 ～ 2,700°F) 。溶融金属はスプルーに安定して注入され、乱流、酸化、ガスの閉じ込めを最小限に抑えます。
6. 凝固と冷却： 金属が空洞を満たし、凝固し始めます。冷却時間は、小さなアルミニウム部品の場合は数分から、大きな鉄鋳物の場合は数時間までさまざまです。冷却速度は粒子の構造と機械的特性に影響を与えます。冷却を制御すると、より細かく、より強力な粒子が生成されます。
7. シェイクアウト: 固化したら、振動シェイクアウトマシンまたは手動で型を分解します。砂は鋳物から分離され、生砂システムでは再利用のために再調整およびリサイクルされます。 典型的な砂再生率は 85 ～ 95% .
8. 洗浄と仕上げ: ゲート、ライザー、フラッシュ (パーティング ラインにある金属の薄いフィン) は、切断、研削、または鋸引きによって除去されます。鋳肌はショットブラストやタンブリングなどにより付着した砂を除去し洗浄されます。部品仕様に応じて熱処理、機械加工、表面塗装を施します。

砂型鋳造に使用される砂と型システムの種類

すべての砂型鋳造で同じ種類の砂やバインダー システムが使用されるわけではありません。成形材料の選択は、鋳造精度、表面仕上げ、生産速度に直接影響します。

グリーンサンドは最も経済的なシステムです そして大量の鋳物生産を支配しています。ノーベークおよびシェルサンドシステムは、金型あたりのコストが高くなりますが、公差が厳しく、表面仕上げが優れているため、精度の点で好ましい選択肢となっています。 砂型鋳造部品 航空宇宙、自動車、油圧用途で。

砂型鋳造で作られる部品は何ですか?

砂型鋳造では、ほぼすべての業界で幅広いコンポーネントが製造されます。ほぼすべての金属をほぼすべてのサイズで鋳造できるため、他の製造プロセスと比較して独自の多用途性を備えています。

自動車と輸送

• エンジンブロックおよびシリンダーヘッド（ねずみ鉄、アルミニウム）
• トランスミッションハウジングとデフケース
• ブレーキキャリパー、ナックル、サスペンションブラケット
• インテークマニホールドとエキゾーストマニホールド

産業機械・装置

• ポンプハウジング、インペラ、バルブボディ
• ギアボックスのケーシングとベアリング ハウジング
• 工作機械のベース、ベッド、コラム（振動減衰用のねずみ鉄が多い）
• コンプレッサーおよび油圧シリンダー本体

航空宇宙と防衛

• アルミニウムおよびマグネシウム合金製の構造ブラケットとハウジング
• 着陸装置コンポーネントとアクチュエーター ハウジング
• レーダーとアンテナの取り付けフレーム

建設とインフラストラクチャー

• マンホール蓋・排水格子（ダクタイル鋳鉄）
• 管継手、フランジ、バルブ本体
• 建築金物および装飾鉄工品

エネルギーと海洋

• 風力タービンハブおよびナセルフレーム（20,000kgを超えるものもあります）
• 青銅またはステンレス鋼製の船舶のプロペラと舵コンポーネント
• 蒸気およびガスタービンのケーシング

砂型鋳造に対応した材質

競合プロセスに対する砂型鋳造の最大の利点の 1 つは、ほぼ普遍的な材料互換性です。非鉄合金に主に限定されるダイカストとは異なり、砂型鋳造は事実上あらゆる鋳造可能な金属を加工できます。

砂型鋳造の利点と限界

主な利点

• 工具コストが低い: 砂型用の簡単な木型の費用はわずか 500 ～ 2,000 ドルですが、ダイカスト工具の費用は 50,000 ～ 200,000 ドルです。これにより、砂型鋳造はプロトタイプ、少量、大型の部品に対して非常にコスト効率が高くなります。
• サイズ制限なし: 砂型鋳造では、最大の工業用コンポーネントだけでなく、最小の手持ち式ブラケットも製造できます。重量が 20 トンを超える風力タービンのハブは、日常的に砂鋳造されています。
• 複雑な内部形状: 砂中子を使用することで、他のほとんどの鋳造方法では実現できない複雑な内部通路、アンダーカット、中空部分を作成することができます。
• ユニバーサル金属互換性: 砂型は、永久的な金型を破壊してしまう鋼や鉄の高い注入温度に耐えることができるため、多くの鉄合金にとって砂型鋳造が唯一の実用的な選択肢となっています。
• 設計の迅速な反復: パターンの修正は、ハードな工具の変更に比べて安価で迅速であるため、製品開発中の砂型鋳造は理想的です。

主な制限事項

• 表面仕上げ： 通常、生砂鋳造の表面粗さは Ra 12 ～ 25 μm で、ダイカスト (Ra 1 ～ 2 μm) やインベストメント鋳造 (Ra 1.6 ～ 3.2 μm) よりもかなり粗いです。シール面、ベアリング穴、その他の機能領域には二次加工が必要です。
• 寸法公差: 標準の砂型鋳造では、ほとんどの寸法で ±0.5 ～ 1.5 mm の公差が得られます。公差が厳しい場合は、鋳造後にシェル成形または機械加工が必要になります。
• 気孔率のリスク: ガス気孔と収縮気孔は砂型鋳造に固有のリスクです。適切なゲート設計、脱ガス処理 (アルミニウムの場合)、および制御された凝固により、それらは最小限に抑えられますが、完全に排除されるわけではありません。
• ダイカストよりも生産速度が低い: 砂型は流し込むたびに破壊されるため、次の鋳造のために作り直す必要があります。自動生砂ラインは大量生産が可能ですが、サイクル時間は同等の部品サイズのダイカストよりも長くなります。

砂型鋳造と他の鋳造プロセス: 砂型鋳造を選択する場合

次の場合に砂型鋳造を選択してください。 部品が大きいか重い、合金が鉄 (鉄または鋼) である、生産量が高額な工具投資に見合わない、形状に複雑な内部特徴が含まれている、または設計がまだ反復中である。非常に大量生産で公差が厳しい非鉄部品の場合、ダイカストまたは永久金型鋳造は、最終的には部品あたりのコストを低く抑えることができます。

砂型鋳造部品の品質基準と検査

構造用途、圧力がかかる用途、または安全性が重要な用途を目的とした砂型鋳造部品は、定義された品質基準を満たさなければなりません。一般的な検査および合格基準は次のとおりです。

• 寸法検査： 座標測定機 (CMM) または手動測定により、鋳造品が図面公差を満たしているかどうかを確認します。 ASTM A802 または ISO 8062-3 鋳造公差等級（CT等級）。
• 目視および表面検査: 鋳造品は、ASTM E125 または同等の視覚参照基準に従って、コールド シャット、ミスラン、引け巣、砂の混入などの表面欠陥が検査されます。
• 放射線検査 (RT): X 線またはガンマ線検査により、内部の気孔や収縮の欠陥が検出されます。圧力容器本体や航空宇宙部品などの重要な鋳物は定期的に X 線撮影され、 ASTM E94 または ASME セクション V 規格。
• 超音波検査 (UT): X線撮影が現実的ではない厚肉鋳造品の表面下の欠陥を検出するために使用されます。
• 機械的試験: 製造部品と一緒に鋳造されたテストバーは機械加工され、引張強さ、降伏強さ、伸び、硬度がテストされ、合金と熱処理が仕様要件を満たしているかどうかが確認されます。