鋳造と機械加工：金属部品にはどちらが適していますか?

金属部品の製造において、万能な解決策は存在しません。エンジニアが金属設計図を完成品に仕上げる計画を立て始めると、まず重要な問題に直面します。鋳造と機械加工のどちらを使うべきか？ 鋳造と機械加工はどちらも、何世代にもわたって部品製造に役立ってきました。鋳造の起源は6,000年以上前に遡り、機械加工は20世紀半ば以降急速に発展しました。

金属部品を設計していて、どのプロセスがプロジェクトに最適か迷っているなら、このガイドで各プロセスの主な違い、長所と短所、そして活用例を詳しく解説します。鋳造と機械加工のどちらを選ぶべきか、あるいは両者を組み合わせるべきか、明確な理解が得られるでしょう。

機械加工とは何ですか?

機械加工とは、一連の切削工程を指します。技術者は、ストックと呼ばれる金属の塊をコンピュータ数値制御（CNC）工作機械にセットします。次に、オペレーターは切削工具をどこに動かすかを機械に指示するデジタルプログラムを実行します。機械は、部品がデジタル図面と一致するまで、金属を層ごとに削り取ります。

• 代表的な設備: CNCフライス盤, CNC旋盤、掘削センター。
• 体積範囲: 1つのプロトタイプから数千個の部品まで。
• 一般的な資料: アルミニウム、スチール、真鍮、プラスチック。

CNC加工の長所と短所

CNC 加工の長所と短所を詳しく見てみましょう。

CNC加工の利点	CNC加工の短所
エンジニアは、CAD モデルから完成部品までを数時間で作成できます。	材料の除去とツールの摩耗によりコストが増加します。
機械加工された部品は、すぐに、またはほとんど作業なしで機械から取り出せます。	CNC はより多くの金属を除去し、チップやスクラップを生成します。
標準的な固定具以外に特別なツールは必要ありません。	部品当たりのコストは、数量が増加するにつれて比較的高いままになります。
機械加工により、厳しい許容誤差（多くの場合 ±0.01 mm）を実現できます。	深い内部チャネルに到達するのは難しい場合があります。
デザインを変更するには、新しい金型ではなく、プログラムの更新のみが必要です。	ツールを複数回交換するとサイクル時間が長くなります。
ほとんどの金属グレードおよびエンジニアリングプラスチックは機械加工可能です。	機械の作業範囲によって最大部品サイズが制限されます。

キャスティングとは何ですか?

鋳造とは、金属を溶かして鋳型に流し込む製造工程です。金属が冷えて固まると、鋳型が取り外され、部品は使用可能になります（必要に応じてさらに仕上げを行うこともできます）。鋳型には「鋳型」という用語が付けられることが多いです。死ぬ金属板や高圧法を使用する場合には、「」となります。

• 鋳造技術: ダイカスト、砂型鋳造、重力ダイカスト、精密鋳造、永久鋳型鋳造、遠心鋳造。
• 体積範囲: 中規模から大規模のボリュームでもコスト効率が優れています。
• 一般的な資料: アルミニウム合金、亜鉛合金、マグネシウム、鋳鉄、青銅。

キャスティングの長所と短所

ここでは、プロジェクトに応じてキャスティングが良い選択になるか、あまり良くない選択になるかを簡単に説明します。

キャスティングのメリット	キャスティングのデメリット
鋳造所は金型コストを多くの部品に分散させます。	鋳造所では鋳型を設計し構築するのに時間が必要です。
鋳造では、機械加工では難しい機能を埋め込むことができます。	バリやパーティングラインは洗浄が必要です。
鋳造により、内部の空洞を一度に形成できます。	充填や冷却が不十分だと、欠陥や無駄が生じる可能性があります。
鋳造所ではアルミニウム、鋼鉄、銅などを扱います。	厳しい公差を満たすために、部品に追加の機械加工が必要になる場合があります。
鋳造バルクは一貫した強度を提供できます。	鋳造部品は、多くの場合、研削または研磨が必要です。
自動化された注入と冷却により、オペレーターの時間が短縮されます。	収縮や反りによりばらつきが生じる場合があります。

直接比較：鋳造と機械加工

鋳造と機械加工を比較検討する場合、選択は多くの場合、量、精度、部品の形状、コストによって決まります。

以下の図は、各プロセスで考慮すべき主な要素をまとめたものです。

因子	鋳造	機械加工
形状の複雑さ	深い空洞や張り出し部分に最適	ツールのアクセスと切削形状によって制限される
材料の使用法	ニアネットシェイプ、最小限のスクラップ	減算型、チップを生成
精度と許容範囲	±0.5～1.5 mm（鋳放し）	±0.01～0.1 mm（CNC加工）
表面仕上げ	粗いことが多い（Ra 3.2～6.3 μm）	滑らか（Ra 0.2～1.6 μm）
リードタイム	金型の準備時間が長くなり、大量生産が高速化	プロトタイプの場合は高速、大量生産の場合は低速
部品あたりのコスト	規模は小さいが、初期のツールコストは高い	部品単価は高いが、セットアップコストは低い
設計の柔軟性	低い（金型の変更は高価で時間がかかる）	高（CAMプログラムの更新が容易）
代表的な材質	金属（鉄、アルミニウム、青銅）	金属、プラスチック、複合材料
ツールウェア	最小限（金型はメンテナンスなしで数千サイクル持続します）	継続的（ツールは摩耗し、交換が必要）
ベスト	複雑な形状の大量生産	精密部品、小ロット、試作品

材料オプション

• 鋳造材料
  • 金属：鉄、鋼、アルミニウム、銅合金
  • 非金属：エポキシ、コンクリート、特殊型枠用石膏
• 機械加工材料
  • 金属: アルミニウム、真鍮、スチール、チタン
  • ポリマー: POM、PMMA、PC、PP
  • 複合材料：炭素繊維、ガラス繊維
  • 特殊な工具を使った陶磁器と木材

CNC加工 特殊合金や複合材料など、幅広い材料に対応可能です。鋳造は材料効率に優れていますが、溶解・注入できる材料の種類によって制限があります。

量とコストの考慮事項

機械加工と鋳造のどちらを選ぶかは、生産量によって決まることが多い。生産量に対するコストの推移をまとめると、以下のようになる。

生産量	部品あたりの加工コスト	部品あたりの鋳造コスト
1 100ユニットへ	低いセットアップコスト、中程度のユニットコスト	部品単価が高い、金型償却費が高い
100 1,000ユニットへ	適度なセットアップコスト、安​​定した部品単価	金型コストは高いが、部品あたりのコストは低い
1,000 10,000ユニットへ	工具の摩耗が進むとコストが増加する	規模の経済により総コストが下がる
10,000ユニット以上	機械加工時間と工具コストが高い	増分コストが低く、非常に経済的

多くのメーカーは、部品単価のみに焦点を当てるという間違いを犯しています。しかし、それは近視眼的です。以下の点を含めた総所有コストを検討してください。

• リードタイム
• ツールとセットアップ
• 設計変更
• スクラップとリワーク
• ダウンタイムまたは遅延

機械加工は部品当たりのコストが高く見えるかもしれませんが、数週間の遅延を回避したり、高価な金型の再加工を防いだりできる場合、最終的にはよりコスト効率の高い選択肢になる可能性があります。

表面品質と許容範囲

鋳造と機械加工により、異なる表面仕上げと寸法精度が得られます。

基準	機械加工	鋳造
表面仕上げ	滑らか（Ra < 1.6 µm）	砂：粗い（Ra > 6.3 µm）；ダイ：滑らかな（Ra ~ 3.2 µm）
許容能力	± 0.01 mmより狭い	ダイ: ± 0.1 mm; サンド: ± 0.5 mm
後処理のニーズ	最小限（研磨の可能性あり）	研削、ショットブラスト、機械加工

髪の毛ほどの微細な公差や鏡のように滑らかな表面が必要な場合、機械加工が優位です。鋳造では、仕上げ作業を追加することでのみ、それらのレベルに近づくことができます。

どのプロセスを選択すべきでしょうか?

最適な選択は、目標、スケジュール、予算によって異なります。

次の場合はキャストを選択してください:

• 何千もの同一部品を生産する必要があります。
• 部品には内部機能または複雑な形状があります。
• 大量バッチの単位当たりコストを最小限に抑えたい。
• 精度の若干の変動は許容されます。

次の場合は CNC 加工を選択してください:

• 試作品や限られた数の部品を製作しています。
• プロジェクトでは、厳しい許容誤差や細かい仕上げが求められます。
• 金型設計プロセスをスキップしたい。
• デザインをすぐに調整する必要があるかもしれません。

メーカーによっては、両方のプロセスを組み合わせて使用​​する場合もあります。2つの技術をどのように組み合わせるかについては、後ほど別途ご説明します。

考慮すべき設計要素

プロセスを選択する前に、コスト以外の要素も考慮してください。以下の設計およびエンジニアリング要素を考慮してください。

• 市場投入までの時間
• 必要な許容範囲
• 機械的性質
• 表面仕上げ
• 耐熱性または耐環境性
• サイズと重量

鋳造と機械加工を組み合わせるタイミング

一部の部品では、両方の手法が効果的です。「機械加工鋳造」と呼ばれるこの複合的なアプローチでは、鋳造で基本形状を形成し、その後CNC加工で重要な部分を仕上げます。このハイブリッドプロセスにより、純粋な機械加工よりも低コストで、厳しい公差を備えた複雑な部品を製造できます。

1. テースト CNC加工を使用して部品の試作を行う設計を最終決定し、設計が確定したらダイカストに移行します。
2. 大まかな形状を鋳造してから、より厳しい仕様を満たすために特定の機能 (穴、ねじ、シール面など) を機械加工する場合があります。

このハイブリッドワークフローは、複雑な外形や内部キャビティに加え、高精度な平面や穴加工も求められる部品に適しています。この複合的な手法により、CNCによるフル生産と比較して、材料の無駄を削減し、サイクルタイムを短縮し、部品1個あたりのコストを削減できます。

まとめ：

あらゆる製造方法には長所と短所があります。重要なのは、スピード、コスト効率、精度、柔軟性など、何が最も必要かを理解し、具体的な状況に適した方法を選択することです。多くの成功プロジェクトでは、ニアネットシェイプを鋳造し、重要な形状にはCNC工作機械を使用するという方法で、この2つを組み合わせています。

鋳造、機械加工、またはハイブリッドアプローチのいずれを選択する場合でも、材料の選択、プロセスパラメータ、品質チェックについてアドバイスできる経験豊富なサプライヤーと提携するようにしてください。

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