アルミ鋳物 課題解決センター

鋳鉄に比べてアルミ鋳物は、液体から固体に凝固する際の縮み量（凝固収縮量）が大きく、「引け巣」と呼ばれる鋳造欠陥が発生しやすい傾向があります。また、溶けたアルミは大気中の水蒸気と反応して水素（ガス）を吸収します。水素を吸収した溶湯を鋳造すると、鋳物の内部に細かな「ピンホール」と呼ばれるガス欠陥が発生します。
　

また、ガス欠陥には溶湯が鋳型内を流れていく際に、鋳型内の空気を巻き込んでできる「ブローホール」と呼ばれる欠陥もあります。写真１．にアルミ鋳物に発生する代表的な鋳造欠陥を示します。

写真１．アルミ鋳物に発生する鋳造欠陥の一例

これらの鋳造欠陥は、鋳物の内部に発生するため機械加工後に見つかる厄介な欠陥です。

国産の乗用車が生産され始めた１９３０年代、車両の構成材料の８０％以上が鋼板、鋳鉄といった鉄系材料でした。その他はガラス、ゴムなどです。その後、日本経済の高度成長に伴ってモータリゼーションが幕を開け、自動車の生産台数が増加しました。１９６０年代、一部の車両ではエンジンのシリンダーヘッドや駆動部品のトランスミッションケースなどが鋳鉄からアルミ鋳物、ダイカストへと材料置換されました。

１９７３年の中東戦争を機に始まったオイルショック（原油供給危機と価格高騰）、および１９７９年に日本で施行された排ガス規制に伴い、車両軽量化による燃費向上の必要性が高まりました。これに伴い樹脂部品の増加や、鋳鉄からアルミ鋳物、ダイカストへの材料置換が加速しました。

１９９０年代になると地球温暖化防止が検討され、温暖化ガスの一つであるＣＯ２ガスの低減が自動車メーカーの大きな課題の一つとなりました。さらなる車両軽量化のため、これまで鋼板を主体に作られていたボデー構造に、一部の車両ではアルミ板やアルミ鋳物、アルミ押出材が採用されました。また、車体構造全体をアルミ化したオールアルミボデー車も作られました。

軽量化の手段としては、アルミ化だけではなく、鋼板の高強度化も進められました。高張力鋼板をさらに高強度化した超高張力鋼板やホットスタンプ超高張力鋼板などが開発され、鋼板の板厚をより薄くして軽量化が図られました。

これら鋼板、ハイテン材、超ハイテン材やアルミ板、アルミ鋳物、ダイカスト、樹脂などを適材適所に使用した車両構造がマルチマテリアルボデー構造になります。図１．にマルチマテリアルボデー構造の一例を示します。

図１．マルチマテリアルボデー構造の一例（ベンツＣクラス）

砂型鋳造の大きなメリットは、中子を組み合わせることで比較的複雑な中空構造や多方向からのアンダーカット処理に対応しやすいことです。一方、ダイカストでは金型の分割方向やスライド機構の制約を受けるため、同じ形状でも成立条件が変わります。

砂型の自由度と金型の制約

砂型は中子を組み合わせることで、複数方向からの「抜き」に対応しやすい工法です。対して、ダイカストは基本的に一方向、あるいはスライド機構を用いた限定的な方向に制約されます。

ダイカスト量産図面をベースに砂型試作を行う場合、図面上の形状は砂型で再現できることが多い一方、砂型でしか成立しない形状のまま量産設計に進むと、後で再検討が必要になる場合があります。試作段階から、将来の量産工法で制約になりそうな箇所を意識しておくことが重要です。

抜き勾配と相手物との干渉

抜き勾配を単純に付加すると、嵌合する相手部品と干渉したり、アッセンブリ時の精度に影響が出たりします。当社では、相手物との関係を考慮した上で、機能面を阻害しない抜き勾配とパーティングラインを設計段階からご提案しています。

なお、量産図面上のパーティングラインがそのまま砂型に適用できるとは限りません。試作時のパーティング設定についても事前にすり合わせておくと、初回試作の精度を上げやすくなります。

ダイカストを見据えた形状設計

将来的にダイカストへ移行する場合、試作段階の形状がそのまま量産金型に展開できるとは限りません。金型の分割方向、スライドの可否、肉厚バランスなどを考慮した形状整理が必要になることがあります。

こうした量産移行時の再検討リスクを減らすためにも、試作段階で将来の工法制約を念頭に置いた設計確認を行うことが有効です。

加工前提で確認したい基準面と取り代

鋳物は素材ができれば終わりではなく、多くの場合、後加工を経て最終形状になります。

ダイカスト量産図面では、加工基準や取り代がダイカストの寸法精度を前提に設定されていることがあります。砂型試作ではその前提が異なるため、どこを基準にクランプするか、どこを加工で仕上げるか、取り代をどの程度見るかを砂型前提で整理する必要があります。

この整理が試作段階でできていると、初回サンプルの加工トラブルを減らしやすくなります。

肉厚バランスと鋳造品質

鋳物の品質安定には、肉厚のバランスが大きく影響します。薄すぎる部位は湯流れ不良のリスクがあり、厚み変化が急な箇所は引け巣の原因になりやすくなります。

ダイカスト量産図面をベースにした場合、ダイカスト前提で成立する肉厚設計が砂型では成立しにくいことがあります。逆に、砂型試作では成立したが、将来のダイカスト量産では肉厚バランスが課題になるケースもあります。

試作段階で肉厚バランスを確認しておくことは、試作品の品質確保だけでなく、量産時の品質安定性の見通しにもつながります。