鋳造の型（砂型と金型）の紹介

アルミニウム製品の代表的な加工方法には、切削のほかに「鋳造（ちゅうぞう）」や「鍛造（たんぞう）」があります。この記事では、実際の砂型と金型、内部の空洞をつくる中子、鋳造後のシリンダーヘッドを写真で紹介します。

鋳造は溶かしたアルミ合金を鋳型に流し込みます

鋳造は、溶かした金属を鋳型へ流し込み、冷やして固めることで目的の形状をつくる加工方法です。鋳型には砂でつくる砂型や、金属でつくる金型などがあり、溶湯の入れ方にも重力を利用する方法、低い圧力を加える方法、高速・高圧で注入する方法があります。

ダイカストも鋳造方法の一つです。精密な金型へ溶湯を高速・高圧で注入する点が、重力を利用する砂型鋳造や金型鋳造との大きな違いです。

砂型と金型の違い

鋳造に使用される砂型

この画像の型は、鋳造で使用される「砂型」です。

内部の茶色い部分が砂でつくられた鋳型で、その外側を金属製の型枠で保持しています。

画像に見える丸い部分や溝は、溶湯を製品部分へ導く湯口や湯道など、鋳造方案を構成する部分です。それぞれの位置と役割に応じて名称が分かれます。

砂型の上下型を組み合わせる

画像の左右の型を合わせる際は、左側を下型として置き、右側をひっくり返して上型にします。

砂型は、つくりたい形状をもとに製作した「木型」と呼ばれる模型を型枠の中に置き、その周囲へ砂を詰めて固めることでつくられます。木型を抜き取ると、砂の中に形状が反転した空間が残ります。

木型は複数の砂型づくりに再利用できます。ただし、完成品と単純に同じ寸法・形状ではなく、金属が冷えて固まる際の収縮、後工程の加工代、木型を抜くための勾配などを考慮して製作されるのが一般的です。

上下の砂型を合わせた空間へ溶湯を流し込み、冷えて固まったあとに砂型を崩して鋳造品を取り出します。使用後の砂は、種類や粘結剤、状態に応じて回収・再生し、再利用される場合があります。

金型鋳造と中子

こちらは金属製の鋳型を使用する金型鋳造の例です。写真の金型では、シリンダーヘッド内部の複雑な空洞をつくるために中子（なかご）を組み合わせています。単純な上下型だけではなく、複数方向へ分割して開く構造になっています。

ここまで金型と中子が組み合わさると、完成する部品の形状が少しずつ見えてきます。

周囲の金型とは色が異なる3つの部分が中子です。鋳造後には、この中子があった部分が製品内部の空洞になります。

この金型は合計4方向に分割される構造です。砂型に比べて金型の設計と製作には手間や費用がかかりますが、同じ金型を繰り返し使用できるため、同一形状を継続して生産する場合に採用しやすくなります。必要な生産数量は、製品形状や金型費などの条件によって異なります。

鋳造後は中子を崩し、製品内部から取り出します。外側の金型では抜くことが難しい複雑な内部形状も、崩して取り出せる中子を使うことで成形できます。

中子を取り出した加工前の鋳造品がバスケットに並んでいます。このあと治具にセットし、寸法精度や表面品質が必要な部分を切削加工して仕上げていきます。

6気筒シリンダーヘッドの鋳造例

エンジンのシリンダーヘッドには、吸気や排気などの気体が通る複雑なポート形状が必要です。中子を利用する鋳造は、このような内部流路を一体で成形しやすい加工方法です。

砂型と金型は製品と生産条件で使い分けます

砂型は試作や少量品、大型品、複雑な形状などに対応しやすく、金型は同じ形状を繰り返し生産する場合に適しています。ただし、どちらが適切かは製品形状、必要な精度、使用するアルミ合金、生産数量によって変わります。

鋳造でおおまかな形状をつくり、重要な部分を切削加工で仕上げるように、複数の加工方法を組み合わせることも一般的です。素材ごとの違いは「アルミ合金の種類と特徴」、金属を型で加圧して成形する方法は「鍛造（たんぞう）金型の紹介」でも紹介しています。