鋳鉄か溶接構造（製缶）か：マシンベースの構造を選ぶ

鋳鉄と溶接構造（製缶）のマシンベースは、減衰性、リードタイム、型費用、設計の自由度でどう違うのか。経済性が逆転する数量の考え方と、見積依頼に書くべき項目も解説します。

どのマシンベースも、最初は同じ分かれ道から始まります。鋳造するか、溶接するかです。この判断によって、型費用、初品のリードタイム、荷重下での機械の挙動、そして1年後の設計変更がどれほど痛手になるかが決まります。

それぞれの工法の実際

ねずみ鋳鉄では、木型を作り、その周りに砂型を造型し、鉄を鋳込み、鋳物を枯らしてから機械加工します。木型は実際の設備投資であり、実際のリードタイムでもあります。いったん木型ができれば、追加の鋳物1個あたりのコストは安くなります。

鋼板溶接構造では、鋼板と角形鋼管を切断し、治具で組んで溶接して構造物にし、応力除去を行ってから機械加工します。木型は不要です。コストは材料費と溶接工数で、1台でも50台でもほぼ一定のままです。

減衰性こそ鋳鉄を選ぶ正当な理由

ねずみ鋳鉄には片状の黒鉛が含まれています。この黒鉛片が金属の基地を分断し、振動を熱として散逸させるため、この材料は一般構造用鋼よりはるかに高い減衰能を持ちます。この仕組みはねずみ鋳鉄に関する標準的な解説であればどれにも書かれており、特定の鋳造工場ではなく組織そのものの性質です。研削盤、中ぐり盤、精密旋盤では、これが仕上げ面にそのまま表れます。

一般構造用鋼にはこの性質がありません。同じ外形の溶接構造は、鋳鉄のベースが振動を吸収する場面で振動が残ります。一般的な対策は、リブを増やす、質量を増やす、または箱形断面にミネラル系エポキシやコンクリートのコアを充填することです。ここで過小評価されているのが充填溶接構造です。製缶の短いリードタイムを保ったまま、減衰性の効果の大部分を取り戻せます。

剛性と減衰性は別の問題ですが、両者は常に混同されています。鋼の縦弾性係数はねずみ鋳鉄のおよそ2倍なので、同じ断面であれば鋼構造の方が剛性は高くなります。機械は十分な剛性を持っていても、びびることがあります。材料を選ぶ前に、実際に抱えているのがどちらの問題かを見極めてください。

リードタイムと初品

ここでは製缶が勝ち、その差はほとんどの場合に歴然としています。

	鋳鉄	溶接構造
型・治具	木型が必要	治具のみ
初品	数か月（木型と鋳造工場の順番待ち）	数週間
設計変更	木型の新作または改修	切断、リブ追加、再溶接
1台あたりの傾向	数量とともに下がる	ほぼ一定

機械の設計がまだ変わる段階であれば、そして初号機ではたいていそうですが、最後の行が決め手になります。溶接構造の変更は、切断トーチと午後の半日で済みます。鋳物の変更は、木型屋との打ち合わせと、鋳造工場の順番待ちのやり直しを意味します。

経済性が交わる点

製缶は型費用がかからない代わりに、1台あたりの人件費が高くなります。鋳造は型費用が高い代わりに、生産数量が十分に多ければ1台あたりのコストは低くなります。両方を年間数量に対してプロットすると、どこかで交わります。

1台物や試作であれば、溶接構造が文句なしに勝ちます。何年にもわたって安定して生産する機種であれば、通常は鋳物が勝ち、減衰性もおまけとして得られます。その中間の帯域、つまり多くの機械メーカーが実際にいる領域では、部品によって本当に答えが変わり、確かめる唯一の方法は両方の見積を取ることです。

やってはいけないのは、異なる2つの設計について鋳物の見積と製缶の見積を比べ、工法について何らかの結論を出すことです。その比較からは何もわかりません。

実務的な進め方

1. 抱えているのが剛性の問題か減衰性の問題かを判断します。答えはそれぞれ異なります。
2. 木型がすでにある場合を除き、初号機は溶接構造で製作します。設計は必ず変わります。
3. 最初の1〜2台が稼働した後に設計を確定します。
4. 年間数量が現実のものになったら、確定した設計で両方の工法の見積を取り、数字で決めます。

多くのメーカーは、ステップ3の前に木型を作ってしまうことで問題を抱えます。

見積依頼に記載すること

どちらの工法を選ぶにしても、見積可能な引き合いに記載すべき内容は同じです。外形寸法と仕上がり重量、どの面が機能面でそれぞれにどの公差が必要か、それらの公差を測定する基準となるデータムの設定、必要な応力除去の方法、そして実際の年間数量です。どれか1つでも欠けると、互いに比較できない見積が届くことになります。

同じ部品で両方の工法の価格を知りたい場合は、図面を送る際にその旨をお書きください。関連記事：溶接構造ベースの応力除去と平面度。

よくあるご質問

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