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金属成形方法:鋳造と鍛造の利点と欠点の分析

Aug 28, 2024

金属成形方法は部品設計において極めて重要であり、製造業者にとって大きな関心事です。今日は、鋳造、プラスチック成形、機械加工、溶接、粉末冶金、金属射出成形、金属半固体成形、3D 印刷という 8 つの主要な金属成形プロセスについて見ていきましょう。

01 鋳造

鋳造では、溶融金属を部品の形状とサイズに一致する金型の空洞に注ぎ、冷却して固化させてブランクまたは完成部品を得ます。この方法は、一般に液体金属成形または鋳造として知られています。

プロセスフロー:溶融金属→充填→凝固収縮→鋳造

特徴:

複雑な形状、特に複雑な内部空洞を持つ部品を製造できます。

合金の種類に制限がなく、鋳造サイズもほぼ無制限で、適応性が非常に高いです。

材料供給源が広く、廃棄物を再溶解でき、設備投資が少ない。

廃棄率が高く、表面品質が低く、作業環境が悪い。

鋳造タイプ:

砂型鋳造: 砂型で鋳物を製造します。鋼、鉄、およびほとんどの非鉄合金の鋳物に適しています。技術的特徴:

複雑な形状、特に複雑な内部空洞を持つ部品の製造に適しています。

幅広い適応性と低コスト。

鋳鉄のように可塑性が低い材料の場合、砂型鋳造が唯一実行可能な成形プロセスとなることがよくあります。

アプリケーション自動車のエンジンブロック、シリンダーヘッド、クランクシャフト。

ロストワックス鋳造(インベストメント鋳造)ワックスの型から鋳型を作り、それを耐火物でコーティングし、ワックスを溶かし、その鋳型に溶けた金属を流し込みます。利点:

高い寸法精度と幾何学的精度。

表面仕上げも良好。

合金の種類に制限なく複雑な形状を鋳造できます。

デメリット: プロセスが複雑でコストが高くなります。

アプリケーションタービンエンジンブレードなど、複雑な形状と高い精度が求められる小型部品。

ダイカスト: 高圧を使用して溶融金属を精密な金属金型の空洞に押し込み、冷却して固化させます。

プロセスフロー:

利点:

鋳造時の高圧により金属の流れが速くなります。

優れた製品品質、安定した寸法、高い互換性。

生産効率が高く、金型寿命が長い。

大量生産に適しており、経済的メリットも大きいです。

デメリット:

小さな気泡や収縮空洞が発生しやすくなります。

鋳造部品の可塑性が低いため、衝撃荷重や振動には適していません。

高融点合金の金型寿命が短いと、生産規模の拡大に影響します。

アプリケーション: 自動車産業、計測機器、農業機械、工作機械、電子機器、防衛、医療機器、各種消費財。

低圧鋳造低圧({{0}}.02~0.06 MPa)下で液体金属を鋳型に充填し、圧力をかけて固化させます。技術的特徴:

注入圧力と注入速度を調整できるため、さまざまな金型や合金に適しています。

ボトムゲート鋳造は飛散を最小限に抑え、ガスの閉じ込めを減らし、鋳造の歩留まりを向上させます。

明確な輪郭と滑らかな表面を備えた高密度の鋳造構造。特に大型の薄肉部品に適しています。

ライザーの必要性を排除し、金属の使用率を 90-98% に向上します。

シンプルな設備と簡単な自動化により、労働強度が低減し、作業環境が向上します。

アプリケーション: シリンダーヘッド、ホイールハブ、シリンダーフレームなどの従来の製品。

遠心鋳造回転する鋳型に溶融金属を注ぎ、遠心力で鋳型を満たして鋳造物を固めます。利点:

注入およびライザー システムからの金属廃棄物を排除し、プロセスの歩留まりを向上させます。

特に長い円筒形の部品の金属充填能力を強化します。

高密度でガスポケットや介在物などの欠陥が少なく、優れた機械的特性が得られます。

円筒形および管状の鋳造品の製造に最適です。

デメリット:

特定の形状に限定されるため、不規則な鋳造にはあまり適していません。

表面が粗く、加工代が大きい場合、内径が不正確になることがあります。

分離の影響を受けやすい。

アプリケーション: 冶金、鉱業、輸送、灌漑機械、航空宇宙、防衛、自動車などの業界で使用されます。一般的な製品には、遠心鋳鉄管、エンジンスリーブ、ベアリングブッシュなどがあります。

金型鋳造重力下で溶融金属を金型に注ぎ、冷却して固化させます。利点:

金属金型の高熱伝導率により冷却が速くなり、より優れた機械的特性を持つ高密度の鋳物が得られます。

砂型鋳造に比べて寸法精度が高く、表面粗さも小さくなります。

砂コアの使用を最小限に抑えることで、環境への影響と労働集約性を軽減します。

デメリット:

金属製の金型は通気性がないため、空気やガスを排出する対策が必要です。

金型の柔軟性がないため、ひび割れなどの鋳造欠陥が発生する可能性があります。

金型の製造サイクルが長く、コストも高くなるため、主に大量生産に経済的です。

アプリケーション: 複雑なアルミニウム、マグネシウム、非鉄合金鋳物、および鋼鉄鋳物の大量生産に適しています。

真空ダイカスト: 鋳造中に金型キャビティから空気を除去してガス多孔性を排除または低減し、機械的特性と表面品質を向上させる高度なダイカスト方法。利点:

内部のガス多孔性を低減し、機械的性能と表面品質を向上させます。

キャビティ背圧が低いため、より低い圧力とより品質の低い鋳造合金の使用が可能になります。

薄い鋳物の充填条件を改善します。

デメリット:

金型のシーリング構造が複雑なため、製造と設置が困難でコストがかかります。

適切に制御しないと、効果が一定しない可能性があります。

押し出し鋳造:

直接押し出し: コーティングのスプレー、合金の注入、金型の閉鎖、圧力の印加、圧力の維持、圧力の解放、金型からの取り外し、リセットが含まれます。

間接押し出し: コーティングのスプレー、金型の閉鎖、材料の供給、金型の充填、圧力の適用、圧力の維持、圧力の解放、金型からの取り外し、リセットが含まれます。

技術的特徴:

エアポケット、収縮、空洞などの内部欠陥を排除します。

表面粗さが低く、寸法精度が高い。

鋳造割れを防止し、機械化・自動化をサポートします。

アプリケーションアルミニウム、亜鉛、銅、ノジュラー鋳鉄など、さまざまな合金の製造に適しています。

02 塑性成形

塑性成形とは、工具や金型からの外力による可塑性を利用して、切削をほとんどまたはまったく行わずに材料を加工することを指します。主な種類には、鍛造、圧延、押し出し、引抜き、スタンピングなどがあります。

鍛造金属ビレットに圧力を加えて塑性変形を誘発し、特定の機械的特性と寸法を持つ鍛造部品を製造します。

プロセスフロー:ビレット加熱→ビレット準備→成形→トリミング→パンチング→修正→中間検査→熱処理→洗浄→最終検査

特徴:

鍛造部品は鋳造部品に比べて品質が優れており、耐衝撃性、可塑性、靭性が優れています。

材料の節約と加工時間の短縮。

高い生産効率。

自由鍛造は小ロット生産に適しており、柔軟性に優れています。

アプリケーション: 大型製鉄所のローラー、ギア、タービンローター、プレスシリンダー、車軸、クランクシャフトなどの部品。

ローリング: 金属ビレットを回転するロールに通して断面積を減らし、長さを増やします。ローリングタイプ: 縦方向、横方向、斜め方向の圧延。

縦方向ローリング金属が反対方向に回転する 2 つのロールの間を通過し、塑性変形が発生します。

横方向ローリング: 加工後、変形方向はロール軸と一致します。

スキューローリング金属は互いに平行ではないロール間で螺旋運動をします。

アプリケーション: 金属セクション、プレート、チューブの製造。プラスチックやガラスなどの非金属材料にも使用されます。

押し出し: 金属ビレットを金型に押し込んで断面積を減らし、長さを増やします。

プロセスフロー: 準備 → 加熱 → 押し出し → 矯正 → 切断 → サンプリング → 熟成 → 包装

利点:

幅広い製品と仕様。

高い生産柔軟性と小ロット適合性。

高い寸法精度と表面品質。

設備投資が少なく、自動化が容易です。

デメリット:

顕著な幾何学的無駄。

金属の流れが不均一。

押し出し速度が低く、ツールの摩耗が大きい。

アプリケーション: 長い棒、深い穴、薄肉部品、複雑な断面など。

描画: 外力を利用して金属を金型に通し、直径を小さくして希望の形状とサイズを実現します。利点:

高い寸法精度と滑らかな表面。

均一な厚さと制御された許容範囲。

結晶配向による機械的特性の向上。

デメリット:

適切な可塑性を持つ材料に限定されます。

工具と金型の摩耗が大きい。

特定の形状やサイズに合わせた複雑でコストのかかるセットアップ。

アプリケーション: ワイヤー、チューブ、薄肉部品。

スタンピング金型とプレスを使用して金属板を成形および切断し、精密で大量の部品を製造します。利点:

高速かつ効率的。

一貫性と精度の高い部品。

大量生産に適しています。

デメリット:

初期設定コストが高い。

平らな板金と特定の形状に限定されます。

アプリケーション自動車のボディ部品、家電製品、電子機器、その他の消費財。

03 機械加工

機械加工は、ワークピースから材料を除去して目的の形状と寸法を実現する減算製造プロセスです。一般的な方法には、旋削、フライス加工、穴あけ、研削などがあります。

旋回: ワークピースを切削工具に対して回転させて成形します。利点:

高精度の円筒部品の作成に適しています。

さまざまな素材やサイズに柔軟に対応できます。

高い生産効率と表面仕上げ。

デメリット:

回転形状に限定されます。

ツールの摩耗とメンテナンス。

他の方法に比べて材料の無駄が多くなります。

アプリケーション: シャフト、ブッシング、その他の円筒形部品。

フライス加工: 切削工具を回転させて静止したワークピースから材料を除去し、複雑な形状や特徴を実現します。利点:

さまざまな形状やサイズに対応できる汎用性。

高精度、表面仕上げ。

金属・非金属の両方に適しています。

デメリット:

セットアップが複雑で、ツールの摩耗が激しい。

平坦または比較的単純な形状に限定されます。

アプリケーション: 複雑な輪郭、ポケット、スロットを持つ部品。

掘削回転するドリルビットを使用してワークピースに穴を開けます。利点:

正確かつ効率的な穴あけ。

幅広い材質に適しています。

セットアップと操作が簡単です。

デメリット:

穴の作成と関連機能に限定されます。

ツールの摩耗とメンテナンス。

アプリケーション: ファスナー、取り付け、組み立て用の穴。

研削: 研磨ホイールを使用してワークピースから材料を除去し、高精度と表面仕上げを実現します。利点:

高精度で美しい表面仕上げ。

硬くて脆い材料に適しています。

厳しい許容誤差と複雑な形状を実現できます。

デメリット:

ツールの摩耗とメンテナンスが頻繁に発生します。

材料除去速度が遅くなります。

アプリケーション: 仕上げ作業、精密部品、硬質材料。

04 溶接

溶接は、2 つ以上の金属片の表面を溶かして融合させることで接合するプロセスです。アーク溶接、MIG 溶接、TIG 溶接、抵抗溶接など、さまざまな方法があります。

アーク溶接: 電気アークを利用して熱を発生させ、金属を溶かして接合します。種類:

シールドメタルアーク溶接(SMAW): 一般的にスティック溶接として知られ、フラックスでコーティングされた消耗電極を使用します。

ガスメタルアーク溶接(GMAW)MIG 溶接とも呼ばれ、連続的なワイヤ供給とシールドガスを使用します。

ガスタングステンアーク溶接(GTAW)TIG 溶接とも呼ばれ、タングステン電極を使用し、別途フィラーロッドが必要です。

利点:

多用途で、さまざまな金属や厚さに適しています。

溶接後の洗浄を最小限に抑えた高品質の溶接。

薄い素材にも厚い素材にも適しています。

デメリット:

熟練したオペレーターと適切な安全対策が必要です。

設備コストとメンテナンスコストが高い。

アプリケーション: 建設、自動車、航空宇宙、一般製造。

抵抗溶接: 電気抵抗を利用して熱を発生させ、圧力によって金属を接合します。種類:

スポット溶接特定の箇所に圧力と電流を加えて金属板を接合します。

シーム溶接: 重なり合った金属板に沿って連続的に溶接します。

利点:

大量生産に適した高速溶接。

溶接後のクリーンアップは最小限で済みます。

一貫した溶接品質と強度。

デメリット:

薄いシートや特定の材質に限定されます。

正確な位置合わせとセットアップが必要です。

アプリケーション自動車パネル、家電製品製造、板金加工。

05 粉末冶金

粉末冶金では、粉末材料をプレスして焼結することで金属部品を製造します。この方法は、複雑な形状や高性能材料に最適です。

プロセスフロー: 粉末調製 → 混合 → 圧縮 → 焼結 → 仕上げ利点:

複雑な形状や高密度の部品を生産できます。

材料の無駄を減らし、材料の利用率を向上させます。

高性能・特殊素材に適しています。

デメリット:

初期設定と設備コストが高い。

特定の材質と形状に限定されます。

アプリケーション自動車部品、ベアリング、フィルター、航空宇宙部品。

06 金属射出成形

金属射出成形 (MIM) では、金属粉末を結合剤と混合し、その混合物を金型に注入し、結合剤を除去して部品を焼結します。

プロセスフロー: 粉末混合→射出成形→バインダー除去→焼結→仕上げ利点:

高精度で複雑な形状。

廃棄物が少なく、材料を効率的に使用します。

小さく複雑な部品に適しています。

デメリット:

ツールコストが高く、プロセスが複雑です。

特定の金属粉末およびバインダー システムに限定されます。

アプリケーション: 医療機器、自動車部品、家電製品。

07 金属半固体成形

金属半固体成形では、液体と固体の両方の特性を示す半固体状態で金属を加工し、複雑な形状や高強度の部品を製造します。

プロセスフロー:加熱→鋳造→凝固→仕上げ利点:

微細構造と高い機械的特性を備えた部品を生産します。

欠陥が最小限で複雑な形状に適しています。

機械加工の必要性と材料の無駄が削減されます。

デメリット:

温度と材料特性の正確な制御が必要です。

特定の合金および処理条件に限定されます。

アプリケーション: 航空宇宙部品、自動車部品、高性能機械。

08 3D 印刷

3D プリンティングは、積層造形とも呼ばれ、さまざまな材料を使用してデジタル モデルから層ごとに部品を構築します。

種類:

熱溶解積層法(FDM): 熱可塑性フィラメントを溶かして層状に積層して使用します。

ステレオリソグラフィー(SLA): 紫外線を使用して液体樹脂を層ごとに硬化させます。

選択的レーザー焼結(SLS): レーザーを使用して粉末材料を焼結して固体部品を作ります。

電子ビーム溶解法(EBM)電子ビームを使用して金属粉末を溶かして融合します。

利点:

迅速なプロトタイピングと設計の柔軟性。

材料の無駄が少なく、カスタマイズ可能な部品。

複雑な形状や小ロット生産に適しています。

迅速な対応とオンデマンド生産。

リードタイムと在庫コストの削減。

軽量かつ複雑な部品を生産できます。

デジタルモデルから物理部品へ直接。

金属、プラスチック、セラミックなど幅広い材質に対応します。

複雑な形状やカスタム デザインの作成が可能になります。

効率的な少量生産を可能にします。

迅速な反復と設計変更を容易にします。

従来のツールや金型製作の必要性を減らします。

デメリット:

限られた材料特性とサイズの制約。

特定の材料やプロセスのコストが高くなります。

従来の方法に比べて生産速度が遅くなります。

表面仕上げには後処理が必要な場合があります。

解像度と詳細度が制限される可能性があります。

結論

さまざまな金属成形方法の特性、利点、欠点を理解することは、特定の用途に適したプロセスを選択するために不可欠です。各方法には独自の利点と制限があるため、製造する部品の特定の要件に合わせて選択することが重要です。

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