溶接構造物、鋳物、ブロック材からの削り出し、どれを選ぶべきか
同じ構造部品を作る方法は3つあります。どれが最も安いかは主にサイズと数量で決まり、その判断はたいてい、誰かが機械のチャージを見る前に下されています。
3つの方法をそれぞれ一段落で
機械加工付き溶接構造物は、板材、管材または形鋼を寸法どおりに切断し、溶接して形をつくり、通常は応力除去を行ってから、公差が必要な箇所を機械加工したものです。購入するのは材料と人手です。治具以外に型の費用はかかりません。
鋳物は、木型や金型から作った鋳型にニアネットシェイプで流し込み、重要な面を機械加工したものです。型の費用は一度だけ払い、その後は毎回、より安く速く部品ができます。
ブロック材からの削り出しは、1つのブロックまたは1枚の厚板から削り出したものです。接合はなく、溶接によるひずみもありませんが、切りくずになる材料1キログラムごとに費用を払います。
サイズ：溶接構造物が有利な領域
おおよそ300 mm角の立方体を超えると、削り出しは不合理に見えてきます。ブロックを買い、その大部分を削り取る費用を払い、さらに削り取るための機械の時間にも費用を払うことになります。溶接構造物なら板材を板材の価格で買い、刃物が必要な箇所だけを削ります。
鋳物も大型化できますが、サイズが大きくなるたびに型費が上がり、対応できる鋳物工場が限られ、リスクも増えます。3 mのマシンベースを鋳物で作るのは、長いリードタイムを伴う大がかりなプロジェクトです。溶接構造物であれば、十分な広さの溶接場と十分な能力のクレーンを持つ工場にとってごく普通の仕事です。
機械加工の側にも現実的な上限があります。フレームは、1回の段取りで機械加工できる大きさよりもはるかに大きく溶接できてしまいます。見積を溶接以上に左右するのが加工範囲と段取り回数なのはそのためです。
数量：鋳物が有利な領域
木型や金型の費用は、最初の良品ができる前に支払います。20個に割り振れば大きな負担ですが、2,000個に割り振ればほとんど気になりません。
鋳物は最終形状に近い形で出来上がるため、部品あたりの加工量も材料の購入量も少なくなります。安定した設計を実際の量で繰り返し生産する場合、この部品あたりの有利さが積み重なります。
問うべきなのは「今年何個か」ではなく、「設計が変わるまでに何個か」です。18か月後に改訂される部品が型費を負担すべきではありません。
リードタイムと初品
| 方法 | 初品までの一般的な流れ |
|---|---|
| 溶接構造物 | 切断データ、治具、溶接、応力除去、機械加工。数週間。 |
| 鋳物 | 木型または金型、試作鋳造、承認、量産、機械加工。数か月。 |
| 削り出し | 材料発注、プログラム作成、切削。数日。 |
量産は鋳物の予定であっても、試作品や先行生産品が溶接構造物で作られることが多いのはこのためです。型を確定する前に、実際の材料と実際の剛性を持った本物の部品が手に入ります。
量産開始後の設計変更
溶接構造物の設計変更は、新しい切断データと、場合によっては新しい治具で済みます。鋳物では木型の修正か作り直しに加え、再度の初品承認が必要です。削り出し部品では、より大きなブロックが必要にならない限り、新しいプログラムで済みます。
製品がまだ新しく設計が動いている段階では、この柔軟性には実際のお金に換算できる価値がありますが、価格比較に表れることはめったにありません。
マシンベースの問題
この議論が興味深くなるのが工作機械のベースです。購入しているのが剛性だけではないからです。
鋼の縦弾性係数はねずみ鋳鉄のおよそ2倍なので、よく設計された鋼の溶接構造物は、同じ重量で、置き換え対象の鋳鉄部品より剛性を高くできます。鋳鉄がもたらすのは内部減衰です。鋳鉄の構造物に入った振動エネルギーは、溶接鋼構造物よりも速く減衰します。金属を削る機械では、これが重要になります。
製缶工場はこれに対処する方法を持っています。内部にリブを設けた箱形の溶接構造物に、エポキシと骨材を混ぜたような減衰材を充填すれば、鋼の剛性を保ちつつ減衰性の多くを取り戻せます。これは実際のトレードオフを伴う設計上の判断であり、最初の振動試験の後ではなく、フレームの見積の前に決めておく価値があります。
鋳物から溶接構造物への置き換え
この話が出てくるのは、鋳物工場が撤退したとき、リードタイムが現実的でなくなったとき、数量の見通しが崩れたときです。実現は可能ですが、図面を差し替えるだけでは済みません。
変わる点は次のとおりです。
- 肉厚。 鋳物は湯が回る必要があるため、溶接で同等のものを作る場合より肉厚が厚いことがよくあります。鋳物の肉厚をそのまま板厚にすると、重量と溶接時間が無駄になります。
- Rとすみ肉。 鋳物の大きなRは、機械加工する形状になるか溶接ビードの形状になります。どちらも無料ではありません。
- データム。 鋳物は通常、最初の工程で鋳肌面を基準に位置決めします。溶接構造物には、治具を当てられ、かつ機械加工されるデータムが必要です。
- ひずみ。 鋳物は溶接しないので、溶接によるひずみはありません。溶接構造物にはあり、取り代と応力除去の検討が必要になります。
置き換えには設計工数を見込んでください。うまくいかないのは、鋳物の図面をそのまま送り、製缶工場になんとかしてくれと頼んだ場合です。
簡単な判断基準
- 大型、少量から中量、設計がまだ動いている：溶接構造物。
- 小型、公差が厳しい、接合が許されない：削り出し。
- 設計が安定、実際の量がある、形状が複雑、型の準備を待てる：鋳物。
部品がその境界にある場合は、溶接構造物として見積依頼を出し、見積を出す工場に、安くするには何を変えるかを尋ねてください。機械加工も行う製缶工場はコストの両面を見ているので、部品がほかの工法に向いている場合はそう教えてくれます。
図面をお送りください。同じ建屋内で溶接と機械加工を行う工場をご紹介します。
よくある質問
何個から鋳物のほうが溶接構造物より有利になりますか？
決まった数字はありません。分岐点は型費によって動くからです。溶接構造物には木型の費用がなく、鋳物は型費を償却します。問題は、設計が変わるまでに何個作るかです。数年で数十個程度であれば、たいてい溶接構造物が有利です。
溶接構造物は鋳物より剛性が低いのですか？
本質的にはそうではありません。鋼の縦弾性係数はねずみ鋳鉄のおよそ2倍なので、溶接鋼構造物はキログラムあたりの剛性を高くできます。鋳鉄が優れているのは振動の減衰で、一部の用途で工作機械のベースがいまも鋳物で作られているのはそのためです。
既存の鋳物を溶接構造物に置き換えられますか？
多くの場合は可能で、鋳物工場が部品の製造をやめたり、リードタイムが現実的でなくなったりしたときによく行われます。ただし単純な置き換えではなく再設計です。鋳物に適した肉厚、R、データムが製缶品に適していることはまれだからです。