アルミダイカストの設計ガイド

アルミダイカストプロジェクトの設計を正しく行うには、多くの課題が伴います。些細な設計ディテールでさえ、鋳造部品に大きな影響を与える可能性があるため、あらゆるディテールを指針に沿って設計する必要があります。

ここでは、アルミダイカストの構造設計における主要な考慮事項と、各要素の推奨設計ガイドをいくつか示し、製品設計に役立つことを願っています。

I. 材料の選択

製品設計は材料の選択によって大きく異なります。合金の種類によって限界があります。アルミダイカストにおいて最適な強度と完全性を実現するには、慎重な設計と施工が必要です。

アルミニウムに使用される金属元素によって、重量、流動性、強度、導電性、融点などの合金特性は異なります。ただし、すべての合金がダイカストに適しているわけではありません。

ダイカストに使用できる一般的なアルミニウム合金には次のようなものがあります。

• A380
• A383 (ADC12)
• A413

他にも多くのアルミニウム合金をご用意しております。最適な選択は、お客様の具体的なニーズとご予算に応じて異なります。

II. ドラフト角度

アルミダイカストの設計において、抜き勾配は最も重要なパラメータの一つです。抜き勾配とは、金型のパーティング面に対して垂直な、部品のコアと表面に与えられるテーパーまたは傾斜のことです。

設計者は必要に応じて十分な抜き勾配を設けなければなりません。適切な抜き勾配がないと、凝固後に鋳物の取り出しが困難になり、部品や金型自体が損傷する可能性があります。

ドラフト角度を計算するときは、次の要素を考慮してください。

• ほとんどの幾何学的フィーチャーは通常、共通のドラフト角度を採用します。
• 内部の壁や表面の場合、ドラフト角度は通常、外部の壁の 2 倍になります。
• ドラフト角度の要件は合金材料によって異なる場合があり、角度は選択したアルミニウム合金に基づいて計算する必要があります。

より小さな抜き勾配が必要な場合は、精密公差を使用できます。ただし、精密な加工が必要となり、コストも高くなります。そのため、必要がない限り、精密公差の使用は避けることをお勧めします。

III. 可動型と固定型

設計段階では、可動金型（エジェクタ側）と固定金型（カバー側）の嵌合を考慮することが重要です。どちらかの部品に問題があると、アルミニウムの成形が妨げられる可能性があります。 ダイカストプロセス可動金型の設計は考慮すべき部品が多いため、通常はより複雑な課題に直面しますが、固定金型の構造は比較的単純です。材料を金型に注入する際、過剰な材料の圧力によって中子が滑り出し、鋳物が過大サイズになる可能性があるため、注意が必要です。

可動金型部品の公差は、直線公差と投影面積公差の関数です。ここで、直線公差はコアスライドの長さを指し、投影面積は溶融材料に面するコアスライド上面を指します。

変位は投影面積に垂直な直線方向に沿って発生する可能性があります。したがって、理想的には、可動金型部品の公差は最小限に抑える必要があります。

ダイカスト装置の構造上、処理中に達成できる許容差は大きいか正のものに限られます。

IV. パーティングライン

パーティングラインとは、金型の2つの半分が接合して製品構造全体を形成する位置です。パーティングラインはダイカスト工程の基本的な特徴であり、製品設計は少なくとも2つの部品で構成されるため、パーティングラインの存在は不可欠です。

パーティングラインとは、金型の可動部と固定部を明確に区別する境界線です。この境界線は、両者を区別する役割を果たします。パーティングライン公差とは、アルミダイカスト工程の正確な実行を保証するために許容される金型の最大離隔距離を指します。

材料圧力によって金型の両側が押し広げられると、パーティングラインに生じた隙間から材料が流れ出ます。これはダイカストにおけるバリ欠陥として知られています。鋳造部品には、バリ、ランナー、ゲート、オーバーフローを除去するための追加のトリミング工程が必要です。

パーティング ライン許容差は、金型の投影面積の関数であり、溶融材料が金型の一方の半分からもう一方の半分に移動する分離面を表します。

完全に閉じた金型では、金型の2つの半分の間に隙間がないため、投影面積公差は常に正の値になります。金型の隙間の程度は、金型キャビティ圧力と、金型の2つの半分を固定する型締力によって決まります。

パーティングラインの許容差は、合金、部品サイズ、深さによって異なります。ダイカストパーティングラインの推奨標準公差および精密公差をご用意しておりますが、投影面積が300を超える場合は、ダイカストメーカーにご相談ください。

V. 加工代

加工代とは、完成品から取り除くことができる原材料の量を指します。 アルミダイカスト部品ダイカスト製品の表面には多少の粗さがあり、実際の設計から形状がずれる場合があります。そのため、ダイカスト工程後にこれらの誤差を修正するための二次加工が必要となります。

鋳物の最良の機械的特性と密度は、通常、表面またはその近傍にあります。つまり、機械加工においては、これらの特性を損なわないように、材料を削りすぎないようにする必要があります。したがって、低密度部分が貫通しないように、加工代を慎重に決定する必要があります。材料を削りすぎると、製品欠陥につながる可能性があります。

設計段階では、機械加工と鋳造の変数に応じて、特定の取り代を設定する必要があります。取り代が小さすぎると、表面品質要件を満たせず、部品の欠陥につながる可能性があります。逆に、取り代が大きすぎると、製造時間、労力、コストが増加します。そのため、適切な取り代を決定することは非常に重要です。鋳造サプライヤーと早期にコミュニケーションを取ることで、適切な取り代を決定することができます。お客様のニーズと鋳造プロセスの特性に基づいたご提案をさせていただきます。

一般的に、工具の摩耗を抑え、鋳物のポロシティを最小限に抑えるため、推奨される最小取り代は0.2mmです。最大取り代は、この最小値と鋳造物の変形量の合計です。つまり、取り代を決定する際には、鋳造工程中の潜在的な変形も考慮する必要があります。

ただし、平らな部品や大きな部品の場合は特別な配慮が必要です。そのような場合は、鋳造業者にご相談いただき、加工代の値をご確認ください。

VI. 壁の厚さ

製品設計においては、均一な肉厚を維持する必要があります。鋳造工程では、鋳型の隅々まで金属が均一に流れ込む必要があります。肉厚が不均一だと、金属の流れが阻害され、一部が未充填状態になる可能性があります。また、肉厚が均一であれば、均一な冷却と凝固が促進され、より高品質な鋳物が得られます。したがって、肉厚を均一に保つことで、鋳物の品質と完全性を大幅に向上させることができます。

設計上の理由から壁厚を変更する必要がある場合は、急激な変化ではなく、フィレットや丸みをつけるなど、段階的に変化させる必要があります。これにより、設計に鋭いエッジが残るのを防ぐことができます。

鋭利なエッジは、金属の流れに影響を与え、鋳造後の型抜きを困難にするため、製品設計において避けるべきです。ただし、パーティングラインで壁が接合する場合は、エッジをそのままにしておくことができます。ここでの壁厚のわずかな変化は、通常、金属の流れや型抜きに大きな影響を与えません。

アルミダイカストの肉厚には明確な基準はありませんが、一般的には適切な範囲内に抑えることが推奨されています。アルミダイカストの典型的な肉厚は2.0mmから3.5mmです。

ただし、肉厚は合金の種類、部品の構成、部品のサイズ、そしてダイカストの用途によっても影響を受けます。例えば、ダイカストのサイズが小さい場合は、肉厚もそれに応じて薄くすることができ、0.7mmまで薄くなることもあります。

アルミダイカスト部品が小さすぎる、または大きすぎる場合、特殊な状況や要件により、肉厚が通常の制限を超えることがあります。肉厚に関して問題が生じた場合は、ダイカストサプライヤーにご相談ください。

肉厚を厚くすると部品の剛性を高めることができます。しかし、肉厚が厚すぎると冷却時間が長くなり、凝固プロセスが阻害されます。適切な対策を講じないと、鋳造品質の低下につながる可能性があります。

厚い壁は製品の重量を増加させます。そのため、軽量部品を重視する設計者は薄壁を好みます。しかし、壁を薄くしすぎて一定の限界を超えると、剛性が低下し、加工中に部品が容易に変形してしまいます。

変形の問題は段階的な機械加工によって対処できます。しかし、鋳物の薄肉は剛性と強度が不足します。補強リブを設けることで、薄肉の剛性を大幅に向上させ、安定性を高めることができます。

現代のダイカスト技術は、ほとんどの重要な設計パラメータに対応できるほど進歩しています。しかし、部品の性能やコストに影響を与える場合は、肉厚を考慮する必要があります。

VII. 軽量設計

リブ設計と凹部（溝）設計は、軽量設計における一般的な特徴です。これらの特徴により、部品の完全性と強度を損なうことなく、製造に必要な材料の量を大幅に削減できます。

リブ設計では、通常、リブ内に中空空間を設けることで材料使用量を削減し、部品の軽量化を図ります。リブ間の部分は多くの場合あまり役に立たないため、設計から削除しても問題ありません。

アルミダイカストのリブを設計する場合は、次の点に注意してください。

• リブの鋭角エッジは避けてください。鋭角エッジは応力集中を引き起こし、破損のリスクを高める可能性があります。フィレットまたはRを推奨しますが、Rは可能な限り大きくする必要があります。最小半径は0.06インチ（1.524 mm）としてください。
• リブ周辺の壁厚を均一に保つ：これにより、すべてのセクションのリブの強度と耐久性が確保されます。この厚さは推奨値に近い値に保つようにしてください。
• 可能な限り最大のドラフト角度を確保します。

凹部の設計も、材料の軽量化を図るための手法の一つです。凹部は充填する必要がないため、必要な材料の量を削減できます。しかし、凹部は不規則な収縮を引き起こす可能性があるため、設計者は凹部をどこに使用するかを慎重に決定する必要があります。

凹部の構造強度を高めるには、周囲にリブを追加することができます。リブは凹部の剛性を高め、製造中の金属の流れを良くします。さらに、金属の使用量を減らすことで冷却速度が向上し、製造サイクル全体のスピードアップにつながります。

下の図は、部品のリブ付きとリブなしの凹部の効果を示しています。

VIII. リブ

リブは、アルミダイカストの剛性と強度を高めるために設計に組み込まれます。そのため、リブは高品質な鋳物の製造に役立ちます。リブは、薄肉部などの弱い部分と組み合わせて使用​​されることが多く、強度を高めるために使用されます。

リブは、厚い断面を持つソリッド断面よりも高い強度を発揮することがよくあります。これは、厚い断面は気孔率が高く、構造的な耐荷重能力が低下する傾向があるためです。しかし、リブを過度に使用すると、リブのエッジに応力集中が生じる可能性があります。

リブは通常、中空断面を持つように設計され、金属節約凹所設計と呼ばれます。これは、リブの材料使用量を削減し、部品の重量を軽減する方法です。

以下の表は、一般的なシナリオとリブを使用すべきでない状況における推奨リブ寸法を示しています。

IX. 穴の設計とエッジ間隔

アルミダイカストにおいて、穴がエッジに近すぎると、弱点となります。その部分への過度の応力集中を避けるには、穴とエッジの間に最低限のクリアランスを確保する必要があります。したがって、適切な穴とエッジの間隔は、穴径に基づいて決定する必要があります。同様に、隣接する2つの穴の間にも、最低限の正味距離を確保する必要があります。したがって、穴径と応力集中領域の両方を同時に考慮する必要があります。

弱い部分ができないように、十分な間隔を保つことが重要です。穴とエッジの間隔が不十分な場合は、穴の二次加工も検討してください。

X. 穴とスロット

設計の難しさという点では、穴やスロットは通常、それほど心配する必要がないでしょう。しかし、最もシンプルなアルミダイカストであっても、細部の設計には細心の注意を払う必要があります。設計段階で製造性を確保する必要があります。

穴やスロットの最も一般的な用途は、ノートパソコンや電卓などの様々な電子機器の筐体です。これらのデバイスには多数の穴が必要であり、金属の流れに問題が生じる可能性があります。

• 穴やスロットがあると、型から外しにくくなることがあります。部品が固化して収縮すると、鋳物が金型に付着してしまうことがあります。穴やスロットを設計する際には、以下の点に注意することで、これらの問題を解決できます。
• 十分な抜き勾配を設ける：抜き勾配の計算から、穴やスロットは他のどの部品よりも大きな抜き勾配が必要であることがわかります。これは、穴やスロットの内周が平坦で閉じた面であるためです。
• ブリッジのようなフィーチャを使用する: 金属の流れの問題を回避するには、ブリッジのようなフィーチャを使用して、穴とスロット間の連続的な金属の流れを確保できます。
• 大きなスロットを小さな穴に置き換える：設計上可能であれば、大きなスロットを小さな穴に置き換える必要があります。スロットが長すぎると、鋳物の流動が阻害され、鋳物の完全性が損なわれる可能性があります。

XI. スレッド

ねじ山の形成について議論する場合、通常は鋳造の外ねじを指します。理論的には内ねじの鋳造も可能ですが、製造の複雑さとコストの高さから、あまり普及していません。

外ねじは、パーティングラインと正しく位置合わせされていれば、標準的なアルミダイカスト設備、あるいはシンプルなスライド機構を用いて製造できます。一方、内ねじは、金型内でコアを回転させる機構が必要です。これにより、金型と部品のコストが増加します。生産速度と経済性の観点から、内ねじは通常、タッピングなどの二次加工によって加工されます。これにより、穴から切削片を除去する必要もありません。

アルミダイカスト設備は容易にねじ山を成形できます。鋳造ねじは通常、精密な嵌合が要求されない外ねじに限定されます。

部品の精度規格への適合が必要な場合は、ダイカスト工場にご相談ください。より高い精度を得るには、二次加工が必要となる場合があります。また、外径は、両社で合意したねじ山形状の定義に従う必要があります。

ダイカストねじの限界寸法は以下のとおりです。

スレッドをキャストするときは、次の点に注意してください。

• ねじ山の間に形成されたバリを除去するために、追加のトリミング操作が必要になる場合があります。
• 可能な限り、ねじの種類を指定するのではなく、直接許容差を適用するようにしてください。これらの値には、金型の可動部品、パーティングライン、直線寸法の許容差が含まれます。
• より厳しいねじ公差が必要な場合は、ダイカスト工場にご相談ください。
• パーティングラインのねじ山を平坦に保つことで、製造工程を大幅に簡素化できます。必ずしも全径ねじ山である必要はありません。平坦に保つことで、金型のわずかな位置ずれが部品に影響を与えることなく許容されます。

次の図は、外部ねじの推奨構成を示しています。

XII. 挿入物

インサートとは、金型内に挿入され、アルミダイカストと一体化する固体材料のことです。インサートは、選択した合金が要件を満たせず、設計上、ダイカストに他の材料で作られた部品を組み込む必要がある場合に使用されます。

アルミダイカストにおけるインサートには、特殊なシステムがあります。インサートは金型キャビティ内に配置され、溶融アルミニウムがその周囲を流れて鋳造が完了します。

次の場合には、設計にねじ込みインサートを組み込む必要があります。

• ベアリングポイントは摩耗しやすくなります。
• ファスナーの頻繁な分解と取り付けにより、ねじ山が過度に摩耗することがあります。
• 集中荷重に耐えるには、より高い引張強度を持つねじが必要です。

インサートダイカストは通常​​の鋳造よりも高価であり、インサートのセッティングの複雑さが生産コストに影響します。

挿入物の提案:

• ダイカストメーカーと必要な技術仕様を明確に定義してください。金型クリアランスの関係で、インサートにはより厳しい公差が求められる場合が多くあります。インサートの公差が十分であることを確認するために、メーカーとの合意を得てください。
• お客様がインサートを提供する場合は、メーカーと協議し、推奨公差範囲内であることを確認してください。公差が不適切なインサートは、金型に重大な損傷を与える可能性があります。
• インサートによって発生する応力を分析して、長期的な製品パフォーマンスに影響を与えないことを確認します。
• 予想される負荷条件に対して十分な固定力を提供し、構造上の安全性と安定性を確保するために、必要に応じてインサートの形状を調整します。
• 部品に応力集中を引き起こす可能性のある鋭角やその他の特徴を避けてください。

XIII. スロットと溝の設計

スロットとは、端が丸い場合と丸くない場合がある長い穴のことです。主に平らな長方形のアルミニウム部品に見られます。通常、長さは制限されています。スロットは常に「貫通」形状であり、部品を完全に貫通します。長さと形状に応じて、スロットは両面、長さ制限付き、片面、または半円形の長いスロットになります。

溝には、Tスロット、蟻溝、長方形溝、平底溝、V溝、円弧溝など、様々な形状とサイズがあります。通常、溝はエッジに沿って切られ、他の材料で作られた部品を取り付けるために使用されます。

設計上、スロットと溝は他のコンポーネントのクランプ要素として機能したり、スイッチやレバーなどの部品が通過するための開口部を提供したりします。

スロットと溝の設計に関するヒント:

• 他のコンポーネントを挟んだり通過したりする可能性があることに注意してください。
• ノッチをあまり近づけて配置することは避けてください。部品の整合性が損なわれ、製造上の問題が発生する可能性があります。
• 長方形または平底の溝には鋭利なエッジを残さないでください。めっきコストと潜在的な欠陥を最小限に抑えるため、内外のエッジは可能な限り丸みを帯びた形状にしてください。同じ理由で、V溝のエッジも丸みを帯びた形状にする必要があります。

XIV. 鋭いエッジ

アルミダイカストの設計において、鋭利なエッジは望ましくありません。鋳物にホットスポットが生じ、凝固収縮による応力が集中します。そのため、コーナー部に欠陥が発生しやすくなります。さらに、鋭利なエッジのコーティングは困難です。

その結果、デザイナーは、たとえ半径が最小であっても、すべての鋭角な角を丸める傾向があります。フィレット、半径、または 面取り すべての内部および外部の鋭角な角に。

内部の鋭利なエッジに関するもう一つの問題は、金型コストが大幅に増加することです。機械加工コストは高く、精度要件が高まれば高まるほどコストは急激に上昇します。

外刃であれば完璧で鋭い刃先を実現できますが、内刃ではほぼ不可能です。たとえ最も精密な工具を用いても、内刃には必ず最小半径が存在します。

2つの金型が完璧に閉じるように、パーティングラインに沿って鋭角なエッジを付けても問題ありません。それ以外の場合は、鋭角なエッジを最小限に抑えるようにしてください。

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