この問いは新しい機械の開発のたびに持ち上がり、たいてい的外れな軸で議論されます。どちらの材料が優れているかが議論されがちですが、役に立つ問いは、自社の生産数量、自社の精度クラス、自社の日程でどちらが優れているかです。答えは、この3つによって実際に逆転するからです。
それぞれの材料が本当に得意なこと
ねずみ鋳鉄が工作機械で使われる理由は減衰性です。基地中の片状黒鉛が振動エネルギーを内部摩擦として散逸させ、その効果は大きく、ねずみ鋳鉄は同等の鋼製断面よりおよそ1桁高い減衰性を持ちます。仕上げ面の限界がたわみではなくびびり振動で決まる構造では、それがデータシート上の何よりも重要になります。
鋼は比剛性で勝ります。構造用鋼のヤング率は約200 GPaで、ねずみ鋳鉄の約100–130 GPaに対して、適切な位置に配置した材料1キログラムあたりの剛性は約2倍です。適切に箱形とリブで構成した溶接構造物は、置き換える鋳物より軽く、しかも同じ荷重でのたわみが小さくなり得ます。
率直にまとめると、鋳鉄は減衰し、鋼は剛い。実際の判断はすべて、そのどちらが不足しているかにかかっています。
減衰性が決め手でなくなる場合
減衰性の議論が最も強いのは、断続切削や重切削でのびびりが限界となる機械です。旋盤、中ぐり盤、支持のない長いスパンを持つ旧世代のフライス盤などです。次の場合には、その議論はかなり弱まります。
- 固有振動数の高い機械。 剛性が高く、よく箱形に構成された溶接構造物は、1次モードを加工で実際に生じる加振周波数より上に押し上げます。減衰性が最も重要になるのは、切削力のある帯域にモードが存在する場合です。モードを動かせば、問題も一緒に動きます。詳しくは機械構造の固有振動数とびびりで解説しています。
- 継手が減衰を担う機械。 溶接構造物の減衰は、溶接部とボルト締結面に集中します。よく設計された継手と、予圧をかけたボルト締結面を持つ構造は、材料そのものは違っても、実用上は鋳鉄に近づくことがあります。
- 充填した溶接構造物。 箱形断面の内部に砂、コンクリート、エポキシ骨材を充填すると、鋼構造に安価に減衰性を加えられます。ガントリーのクロスレールやコラムのベースで一般的な方法で、差の大部分を埋められます。専用に注型したポリマー構造との詳しい比較は、レジンコンクリートと溶接鋼構造の比較をご覧ください。
たいてい結論を決める、数量の議論
鋳鉄には木型が必要です。機械ベースなら、木製または樹脂製の模型、中子取り、それを引き受ける鋳造所が必要で、最初の鋳物ができるまでに通常数千ドルと6〜10週間かかります。その後は、追加の鋳物1個あたりは安く、すべて同じものになります。
溶接構造物には型の費用がかかりません。切断、組立、溶接は、図面が出たその週に始まります。人件費は模型のように償却されないため、追加の1台あたりのコストは最初の1台とほぼ同じです。
分岐点は実在し、かなり予測可能です。
| 年間数量 | 通常の答え |
|---|---|
| 1–5 | ほぼ常に溶接構造物 |
| 5–25 | 減衰性が制約条件でない限り溶接構造物 |
| 25–100 | 本当に拮抗する。両方の見積を取る |
| 100+ | 部品が大きすぎて経済的に鋳造できない場合を除き、鋳物 |
サイズが大きくなると分岐点は上に移ります。最長寸法がおよそ3メートルを超えると、その注湯ができる鋳造所は急に少なくなり、重い鋳物1個の運賃も高くなるため、小さな部品ならとうに鋳鉄に切り替わる数量でも、溶接構造物が競争力を保ちます。
納期と設計の自由度
溶接構造物は、1台ごとに設計を変更できます。1台目で、コラムの肉厚をあと20 mm増やしたい、リブを別の位置に移したいと分かった場合、その変更にかかるのは図面の改訂と1週間です。鋳物で同じ変更をすれば、模型の修正と鋳造サイクルがもう一巡必要になります。
最終形をまだ模索している機械、つまり試作機、パイロットロット、発売から2年以内の設計では、その柔軟性はたいてい減衰性の差より価値があります。最初の20台や50台は溶接フレームで製作し、形状が固まってから鋳鉄に切り替えるメーカーもあります。それは妥協ではなく、理にかなった手順です。
溶接構造物のルートで失敗する場合
溶接機械ベースへの失望の大半は2つの失敗パターンによるもので、どちらも材料ではなく工程の問題です。
構造内に残った残留応力。 溶接は部品に応力を閉じ込めます。応力除去をせずに面を加工すると、構造はその後の数か月で応力を解放します。検査して受け入れた形状が、静かに失われていきます。溶接ベースが実使用で鋳鉄ベースに劣る最大の理由はこれであり、完全に避けられます。溶接機械ベースの応力除去をご覧ください。
製作中のひずみ。 長いフレームで溶接順序が悪いと、平面から数ミリメートルずれることがあり、残した加工代では吸収できません。これを決めるのは溶接順序、治具、拘束です。その打ち手は大型溶接構造物の溶接ひずみ対策にまとめています。
この両方を適切に処理できる工場は、数十年にわたって形状を保つ溶接ベースを製作します。これらを省く工場は、初品検査には合格しても2年目に不具合を起こすベースを製作します。その違いは見積には表れません。
機能する判断の手順
- 制約条件を特定する。 その機械の限界を決めているのは、びびり、静的たわみ、熱変位、コストのどれか。鋳鉄が強く有利になるのは1つ目だけです。
- 今後3年間の台数を数える。 営業部門が約束している分も含めて、正直に。
- サイズを鋳造所の分布と照らし合わせる。 部品がおよそ3 mまたは5 tを超えると、注湯でき、かつ出荷できる鋳造所のリストは急速に短くなります。
- 設計が確定しているかを確認する。 確定していなければ、溶接構造物なら考えを変える余地が残ります。
- 減衰性では鋳鉄が勝るが数量で負ける場合は、あきらめる前に充填した溶接構造物の見積を取る。充填は安価で、減衰性の数値を大きく改善します。
1〜50台の範囲で製作する機械メーカーの多くは、溶接、応力除去、仕上げ加工を行った構造に落ち着きます。そしてその理由は、冶金上の要求ではなく、日程と型費です。溶接構造物の仕様と工程が適切である限り、それは十分に健全な技術的回答です。
どちらにも転びうるベースの設計があり、模型に投資する前に溶接ルートの価格を正しく把握したい場合は、図面をお送りください。レビューは24営業時間以内にご返信し、その形状がそもそも溶接に適しているかどうかも含めてお伝えします。ネットワークが対応するサイズは対応能力の範囲をご覧ください。