原題は『Die Casting: Dies—Machines—Methods』、著者は Chester L. Lucas です。
例によって、プロジェクト・グーテンベルグさまに御礼。
図版は省略しました。索引が無い場合、それは私が省いたか、最初から無いかのどちらかです。
以下、本篇。（ノー・チェックです）
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「ダイカスト：金型―機械―方法」開始 ***
機械に関する参考資料シリーズ
各番号は、機械設計と工場実務に関する完全なライブラリの1つのユニットであり、
機械工学から改訂および再出版されたものです。
109番
ダイカスト
金型－機械－方法
チェスター・L・ルーカス著
コンテンツ
ダイカスト 3
ダイカストマシン用金型の製作 15
ヴァン・ワグナー製造会社のダイカスト製造工程 27
著作権、1913年、インダストリアル・プレス社（機械出版社） 、
ニューヨーク市ラファイエット通り49-55番地
3
第1章
ダイカスト
ダイカストは、比較的新しい鋳造品製造法ですが、加算機、タイプライター、電話、自動車など、部品の仕上がりと寸法精度が不可欠な多くの製品において、互換性のある部品を経済的に製造する上で重要な要素として急速にその地位を確立しつつあります。「ダイカスト」という用語は、文字通り「金型を用いて鋳造する」という意味です。簡単に説明すると、溶融金属を鋼製の金型に流し込み、金型内で冷却した後、金型を開いて鋳造品を取り出すという工程です。本稿では、ダイカスト工程の概要、その可能性と限界、ダイカスト機械とその操作、関連する基本原理、金型製作方法について説明することを目的としています。また、実際の経験から得られた結果に基づき、最適な金型の例も紹介します。
ダイカストの起源
ダイカスト製法の起源を正確に特定するのはやや困難です。活字鋳造の歴史を紐解くと、1838年にブルースが発明した最初の活字鋳造機は、今日行われているダイカストの原理を応用した機械であったことが分かります。さらに近年では、1885年にオットー・メルゲンターラーがライノタイプ印刷機を発表しました。この機械はダイカスト製法の好例と言えるでしょう。しかし、現代ではダイカストという言葉は活字鋳造やライノタイプ印刷よりも広い意味を持ちますが、その発展は間違いなくライノタイプ印刷機の成功によるものです。厳密に言えば、ダイカストが始まったのは約15年前のことだったのではないかという疑念があり、この分野の活動が特に活発になったのはここ数年のことであることは確かです。
ダイカストの方向への最初の実験の一つは、財政的に危ぶまれ始めていた仕事で利益を出すために、ゴム型部品を安価に製造することを目的として行われました。型は、約3インチ四方、厚さ1/8インチのゴム板を作るためのもので、上面には繊細な浮き彫りのスクロール模様が施されていました。問題となったのは、このスクロール模様でした。型部品をプレス加工しようとして多くの時間と費用を無駄にした後、図1と図2に示すように 、ブロックをねじ込んだ金属密閉型の箱が作られました。このブロックの目的は、型の型を成形し、スクロール模様を転写することでした。図に示すように、箱の両端はねじ込み式で取り外し可能でした。この箱をスクリュープレスの下に置き、箱の上部をちょうど満たすまっすぐなプランジャーをプレスのヘッドに取り付けました。2つを位置合わせした後、溶融した活字金属を箱に注ぎ込み、金属が「ドロドロ」の状態まで冷えるとすぐに、プレスのラムを押し下げました。4図2 に示すように、次に箱の両端を取り外し、ブロックを固定しているネジを外し、ダイカストを箱から押し出した。箱の側面を傾斜させた目的は、ゴム板の鋳造に使用する最終金型内での適切な傾斜形状の部品を作製することであった。図は、圧縮の様子を示している。ダイカストは角が鋭利で欠陥がなく、渦巻き模様もきれいに仕上がった。当然ながら、残りの金型部品も同様の方法で製造され、作業は失敗から成功へと転換した。
図1．ダイカストの初期実験―加圧前 図2．ダイカストの初期実験―加圧後
このような単純な実験から、ダイカスト産業は現在の段階にまで発展しました。ダイカストの進歩を考えると、今日ではわずかしか存在しないのは奇妙です。5 この国では現在、この分野に携わる企業は十数社ほどしかないが、この分野への理解が深まり、その可能性が認識されるにつれて、この種の鋳造品に対する需要が高まり、多くの企業が参入してくるだろう。そして、より経済的な方法でより良い製品を生産するために、多くの工場が自社でダイカスト設備を導入する可能性も十分にある。
ダイカストの利点、可能性、および限界
ダイカストの最大の利点は、鋳造品が金型から取り出した時点で完全に正確に仕上げられていることです。完全に仕上げられているとは、鋳造後に機械加工が一切不要で、そのまま機械や装置に組み込むことができる状態になっていることを意味します。正確に仕上げられているとは、金型から取り出した各部品が、前の部品と全く同じ形状になっていることを意味します。金型が丁寧に作られていれば、外径、穴の直径、半径など、あらゆる寸法において0.001インチ以内の精度で鋳造品を仕上げることができます。すべての穴は鋳造され、リーマ加工よりも滑らかに仕上がります。ラグや歯車の歯も鋳造で一体成形され、外ねじ、内ねじ、任意のピッチのねじ山も鋳造できます。ベアリングにはオイル溝を鋳造でき、つまり、機械加工できる部品はすべてダイカストで製造できるのです。
機械加工の削減は双方にとってメリットがあります。鋳造という単一の工程によって機械加工が不要になるだけでなく、機械工具やその操作・保守に必要な作業員も不要になり、治具や固定具の製作費用も削減できます。さらに、この製造工程ではカッター、リーマ、タップ、ドリルなどの工具も必要ありません。加えて、鋳造機の操作に必要な労働力は、熟練を要しないものと言えるでしょう。機械加工がどれほど複雑で精密なものであっても、また機械加工時にどれほど熟練した作業員が必要とされたとしても、ダイカストによって同じ結果が得られ、通常は機械加工よりも優れた仕上がりになります。金型製作を除けば、熟練を要しない作業員でも部品を製造できるのです。
冶金学的観点から見ると、ダイカストは密度、強度、気泡の発生の少なさにおいて砂型鋳造よりも優れている。また、高温の金属が冷たい金型に接触すると、砂型鋳造における鉄の表面にできるスケールと同様の「皮膜」が形成される。ダイカストは金型から取り出した後、機械加工を必要としないため、この皮膜によって鋳造品の耐摩耗性が向上する。
ダイカストの可能性は数多くあります。この製造方法では、機械加工では到底不可能な部品を鋳造することが可能で、実用的です。例えば、鋼鉄製のハブを備えた亜鉛製のホイールのように、別の金属の部品を挿入した鋳造品を作ることは日常的なことです。また、他の方法では製造できないほど硬く、優れたバビットベアリングを作ることも可能です。多くの場合、以前は別々に製造され、機械加工され、組み立てられていた装置の2つ以上の部品を、一体としてダイカストすることができます。このような場合、生産コストを大幅に削減できます。計数や印刷用のホイールには、数字や文字を凹型または浮き彫りで鋳造できます。6 外装仕上げが必要な作品には、粗い装飾を鋳造することができます。サイズに関しては、鋳造できる作品に明確な制限はありません。現在製作中の作品の一つは、直径16インチの円盤で、縁に直径1インチの丸いフランジが付いています。
図3．ダイカストの例
「大きな利益を得るには、必ず小さな損失が伴う」という言葉は、ダイカストのようなプロセスにも他のあらゆるものと同様に当てはまります。しかし、この作業の限界は少なく、ここでは状況を公平に説明するためにそれらを挙げます。一般的に、必要な部品数が少ない場合は、金型のコストが高額になるため、ダイカストを検討すべきではありません。しかし、機械部品に多くの精密な機械加工が施されている場合、比較的少数の部品に対して金型を作成し、ダイカストすることが経済的になることがよくあります。この点を実際に示す事例が最近発生しました。200台の自動販売機を発注する際、機械加工が難しい部品にダイカストを試してみることにしました。金型は200ドルと高価でしたが、部品数は200個だけだったので、7 鋳造の場合、金型費用は1個あたり1ドルでしたが、当初はその不利な点があったにもかかわらず、従来必要とされていた困難な機械加工のおかげで、ダイカスト部品は大幅なコスト削減を実現し、もちろん結果も優れていました。
機械加工がほとんど、あるいは全く必要ない粗い部品は、ダイカスト加工すべきではありません。なぜなら、重量あたりのコストで比較すると、ダイカスト用金属は鋳鉄や鋼よりも高価だからです。鋳造機は、パンチプレスや自動ねじ切り盤ほど速く、あるいは硬い金属で部品を製造することはできません。このため、真鍮、鉄、または鋼で製造する必要のある部品は、ダイカスト加工できません。ただし、鉄と真鍮とほぼ同等の強度を持つ混合物は、容易にダイカスト加工できます。ダイカスト部品の強度を高めるには、弱い部分や摩耗しやすい部分にウェブやリブを追加したり、真鍮や鉄のピンを挿入したりすることが推奨されます。概して言えば、精密な機械加工を多く必要とする部品は、ダイカスト加工によってコストが最も大きく削減され、場合によっては80%もの節約になることもあります。
ダイカストに使用される金属
最高のダイカスト製品を生み出す金属は、鉛、錫、亜鉛、アンチモン、アルミニウム、銅の合金であり、現在製造されているダイカスト製品の大部分は、これら4つの金属の混合物である。これらの合金を用いることで、ほぼあらゆる部品の要求を満たす組成を作り出すことができる。
天秤の分銅、ショーウィンドウの装飾品など、重量を補う以外にほとんど、あるいは全く実際の作業を行わない部品には、鉛を主成分とし、少量のアンチモンで強度を高めた合金が用いられる。この金属は強度は低いが、軽量で安価であるため使用される。蓄音機、電話機、ガスメーター、加算機などの摩耗しやすい部品には、亜鉛、錫、少量の銅からなる合金が用いられる。この合金はメッキや漆塗りが可能で、一般的な用途に適した金属である。
もう一つの金属は、デザインに繊細な部分があるものの、激しい摩耗にさらされない部品の鋳造に主に使用されるもので、主に錫に鉛と亜鉛を合金化して、作業の要件に合わせています。この混合物は鋳造しやすく、完成した鋳造品は非常にきれいです。さらに別の金属は、主に印刷用の文字や数字が刻まれた部品の鋳造に使用され、標準的な活字金属に似ており、鉛5部とアンチモン1部で構成されています。ただし、印刷ホイールの側面に歯が鋳造されている場合は、歯車の寿命を延ばすために、より硬い混合物が必要になります。
ダイカスト合金、いわゆる「白真鍮」合金の典型的な配合は、銅10部、亜鉛83部、アルミニウム2部、錫5部である。別の配合は、銅6部、亜鉛90部、アルミニウム3部、錫1部である。アンチモンを含む別の配合は、銅5部、亜鉛85部、錫5部、アンチモン5部である。ションバーグの特許合金は、銅3部、亜鉛87部、錫10部である。銅を15～40%、亜鉛を60～85%含む合金は脆く、強度が低い。8 そして延性が低い。銅8％、亜鉛92％の合金は、鋳造亜鉛よりも弾力性と強度に優れているが、延性は劣る。
アルミニウムは鋳造可能ですが、薄肉部や微細な形状への鋳造は難しい金属です。しかし、ダイカストに用いられる優れた合金組成において重要な役割を果たしています。現在、マンガン青銅のダイカストに関する実験が行われており、既に非常に優れた鋳造品がいくつか作られていると言われています。マンガン青銅は耐摩耗性に優れているため、ダイカスト製品の製造に特に適しています。
ダイカストマシン
良質なダイカストに必要な3つの重要な要素は、機械、金型、そして金属です。鋳造機は他の2つの要素と同様に不可欠であり、現在使用されている鋳造機にはさまざまな種類があり、それぞれに設計者の視点から見て利点がありますが、それらすべてが動作する基本原理は同じです。どの鋳造機にも、溶解炉とバーナー、金属を金型に押し込むためのシリンダーとピストン、そして金型があります。9 開閉装置。機械によっては、金属に手動で圧力を加えるものもあれば、動力を用いるものもあり、また別の種類の機械では、圧縮空気で金属を金型に押し込む。金型の開閉機構は機械によって異なり、湯口の切断方法も様々で、加熱装置の種類も多岐にわたる。
ダイカスト業界の大手企業のうち1、2社は、大量生産を非常に迅速に行うための自動鋳造機を保有している。これらの機械は複雑で、大量生産でなければ採算が合わないため、広く普及しているわけではない。一般的に、その動作原理は手動鋳造機と同じだが、金型の自動開閉、金属の圧縮、鋳造品の排出といった工程が自動化されている。
ソス社製ダイカストマシン
ニューヨーク州ブルックリンのソス製造会社が製造・販売したソスダイカストマシンは、一般市場に出回った最初のダイカストマシンでした。このマシンは図4と 図5に示されており、断面図は図6に示されています。ソス製造会社は当初、目に見えないヒンジのみを製造していました。ダイカスト時代の到来とともに、同社はこれらのヒンジをダイカストで製造し始め、大手ダイカスト会社に毎年数千ドル相当の注文を出しました。ダイカストヒンジが市場に出回ってしばらくすると、ヒンジが壊れる、またはヒンジが腐食するという苦情が寄せられ始めました。これらの欠陥のどちらもヒンジの評判を落とすほど深刻でしたが、最初の問題である破損の方がより重要でした。破損したヒンジを調べたところ、鋳造部品は多孔質で欠陥だらけであることが判明した。鋳造業者はヒンジに十分な強度を持つ鋳造部品を製造できなかったため、ソス氏は自ら実験を始めた。この実験がきっかけとなり、ソス式ダイカスト機が開発された。
図4 SOSSダイカストマシンの全体図
図5および図6を参照すると、Aは機械のベースとフレーム、Bは機械の一端に位置する加熱室であり、この加熱室内には図6に示す タンクCがある。このタンクにはダイカストの原料となる金属が入っており、金属はバーナーDによって加熱される。これらのバーナーには、炉の側面および下部の配管を通して空気とガスが供給される。バーナーの点火と状態確認を容易にするため、バーナーの上部と同じ高さに、炉の耐火レンガライニングと外側の鉄壁に開口部（図示せず）が設けられている。また、燃焼によって発生するガスを排出するための開口部が炉壁にも設けられている。タンク底部から炉の内側に向かって、シリンダーEが通っている。タンク底部より下で、シリンダーは直角に曲がり、炉壁を貫通して壁のすぐ外側で終端する。このシリンダーの開口部はゲートFによって制御される。タンク内に上方に伸びるシリンダーの部分には、10 開口部Gは、溶融金属がタンクからシリンダー内に流れ込むようにする。このシリンダー内では、ピストンHが作動し、金属を金型に押し込む。炉の内壁にヒンジで取り付けられた圧縮レバーIは、通常はバネの圧力によって持ち上げられた状態に保たれており、リンクJを介してピストンに接続されている。
図5. Sossダイカストマシンの作動部
炉とは反対側の端には、金型を操作するための機構があります。この機構は、一対の角棒Kからなり、その上にスリーブLが取り付けられています。これらのスリーブは長いベアリング面を持ち、金型プレートMに取り付けられています。 操作機構の端にあるレバーN は、リンクOを介してこれらのスリーブの動きを制御します。これらのスリーブの上には、もう一方の金型プレートQに取り付けられた二次スリーブPが取り付けられており、その11動作はリンクSを介してレバーR によって制御されます。この第2のスリーブセットは第1のスリーブセットと共に自由に移動でき、さらにプライマリースリーブ上で独自の独立した動きもします。レバーRの機能は、リンクSとスリーブPを介してダイプレートQをダイプレートMまで持ち上げることであり、レバーNの機能は、リンクOとスリーブLを介して両方のダイプレートをシリンダーの出口まで持ち上げることです 。このスリーブ取り付けシステムは、Sossマシンの特徴的な特許機能の1つです。シリンダーEのオリフィスは円錐形をしており、ダイプレートMのカップ状の開口部にぴったりと合うため、2つを合わせると接合部は金属的に密着します。この開口部の中心には、ダイプレートMを貫通して、2つのダイプレートの内面に取り付けられたダイにつながる開口部があり、この開口部の延長部がダイプレートQを貫通して、そこでスプルーカッターUが作動します。この金型プレートの外側には、2つのスロット付きブラケットが取り付けられています。一方のブラケットのスロットにはレバーTが枢動し、反対側のブラケットのスロットにはレバーの動きを制限する2つのストッパーがボルトで固定されています。このレバーは、金型プレートQの開口部を通して動作するスプルーカッターUを操作します。スプルー切断機構は、図5 および図6に最もよく示されています。図5の左側には、エア配管に接続されたゴムホースが見えます。このホースは、鋳造作業ごとに金型を清掃するために使用されます。
ダイカストマシンの操作
ダイカストマシン用の金属は、機械本体のタンクに注ぎ込まれる前に、別の炉で作業に適した比率で混合されます。バーナーに点火し、ダイを2枚のダイプレートにセットします。機械が「温まり」、金属が完全に溶けた状態になるとすぐに、スプルー切断レバーTを後ろに倒し、ダイキャビティへの通路を確保します。レバーRを後ろに引くと、ダイプレートQがダイプレートMに上がり、ダイの2つの半分が閉じられます。次に、レバーNを前に倒すと、閉じたダイが機械本体に上がり、ノズルがシリンダーの出口に密着します。次に、ゲートFを開き、圧縮レバーIの作業員がレバーを素早く強く引くと、シリンダー内の金属が下方に押し出され、ダイに流れ込みます。溶けた金属は文字通りダイに「噴出」します。ゲートFは閉じられます。レバーNを後ろに引いて金型をシリンダー出口から取り外し、スプルー切断レバーTを前方に押し出すと、スプルーが切断されてノズルから下の釜に押し出されます。レバーRを前方に押すと、鋳造品が金型から排出されます。
この機械が他のダイカストマシンに比べて持つ重要な利点は、鋳造用の金属が 溶解槽の底から取り出される点です。他のほとんどの機械はタンクの上部から金属を使用します。タンクの底にある金属は不純物や滓がないため常に最良の状態であり、したがってブローホールが発生する可能性はほとんどありません。13 溶解槽は時として金属を清潔に保つのに役立つが、表面に最も近い金属には多かれ少なかれ異物が必ず含まれている。
図6 SOSSダイカストマシンの断面図
ダイカスト機の動作に関するこの説明は、工程が遅いという印象を与えるかもしれませんが、実際には、完成した鋳造品を1つ取り出すのに必要な時間は平均して1分半以内です。鋳造品が金型から取り出された時点で、理論上は製品は完成しますが、実際には、通気孔や金型の不適切な嵌合部分によって、必ず小さな薄い突起がいくつか残ります。しかし、これらの突起を取り除くのはほんの数秒の作業で済み、突起の数が多かったり、過度に厚かったりしない限り、完成した鋳造品の品質や数量に悪影響を与えることはありません。
ダイカストマシンの操作に関するポイント
これまでダイカストマシンの構造と一般的な操作方法について説明してきましたが、他の機械と同様に、その動作には数多くの細かな違いや手順があり、それらを遵守することが良質なダイカストと劣悪なダイカストの分かれ目となります。ここでは、それらのいくつかのポイントについて説明します。
鋳造機は3人で操作するのが最適で、1人が圧縮レバーとタンク内の金属供給を担当します。残りの2人は機械の金型側の両側に立ち、スプルーカッターの操作、金型の開閉、鋳造品の取り出し、金型のエア洗浄と閉鎖、金型プレートをシリンダー出口上の鋳造位置に戻す作業、その他機械の操作に伴う作業を行います。ダイカスト機を最適に操作するには3人の人員が必要ですが、圧縮レバーを担当する人はストロークの合間に十分な時間があり、2台または3台の機械が都合の良い場所に設置されていれば、1人で3台すべてのレバーを簡単に操作できます。
金属は融点よりわずかに高い温度で、かつ均一な温度に保つ必要があります。金属の温度が低すぎると、鋳造品に継ぎ目やしわが多くなり、金型の薄い部分を「埋める」のが難しくなります。一方、金属の温度が高すぎると、金型から過度に長いひだが形成され、鋳造品が金型内で十分に冷却されず、結果として鋳造速度が低下します。金属を均一な温度に保つことが重要であるため、タンク内の金属に随時追加される新しい金属は、別の炉で加熱されます。そのため、タンク内の金属が少なくなっても、新しい金属の供給によって加工中の金属の温度が低下することはありません。鋳造業者の中には、金属の温度を示すために温度計を使用する人もいます。
鋳造金型は頻繁に潤滑する必要があります。潤滑の頻度は、金型の形状、鋳造金属の組成、および金型の一般的な性能によって異なります。蜜蝋は一般的な潤滑剤であり、潤滑方法は、鋳造金属と接触する金型の表面に蜜蝋をこすりつけるだけです。大型部品のダイカストでは、金型が熱くなると鋳造速度が低下するため、何らかの人工的な手段で金型を冷却する必要があります。14 作業効率と鋳造不良の防止。この目的を達成するために、大型の金型に穴を開け、配管を通して水を循環させ、冷却することがある。
Soss社の機械では、シリンダー内の金属がタンク本体内の金属よりもわずかに高い温度に保たれるようにバーナーが配置されています。これは、シリンダーをバーナーの真上に配置することで実現されます。この特徴の利点は、タンク内の金属全体をこの高い温度まで加熱するためにガスを無駄に消費することなく、圧縮された金属を必要な温度に保つことができる点にあります。一般的なダイカストマシンのガス消費量は、1時間あたり約100立方フィートです。
ダイカストの製造速度は、製造する鋳造品のサイズ、鋳造する金属の組成、および使用する金型の形状によって異なります。多くの場合、ダイカストでは、真鍮または鋼の別個の部品が使用され、各工程の前に金型に挿入して、完成した鋳造品の一部となるようにする必要があります。金型は、抜き勾配の問題や、次の鋳造品を製造する前に金型に挿入および取り外す必要があるピンやネジのために、操作が難しい場合があります。これらの異なるタイプの金型については、次の章で詳しく説明します。全体として、ダイカストの速度の上限は1時間あたり10個から60個であり、単純な構造でうまく機能する金型であれば、1時間あたり40個の速度は良好な生産性とみなされます。しかし、鋳造品のサイズが小さく形状が単純な場合は、複数の鋳造品をまとめて鋳造する、あるいは金型を設計して一度に6個以上の鋳造品を製造できるようにすることが可能です。この方法を用いれば、手動式鋳造機で1日10時間、5,000個から6,000個の鋳造品を生産できる場合がよくあります。
15
第2章
ダイカストマシン用金型の製作
鋳型製作には、金型職人の高度な創意工夫と技術が求められます。金型製作において、金型に忠実な作品を生み出す分野は他にないでしょう。金型製作は、金型の持つ品質を反映する細部を際立たせると同時に、もしあれば、その仕上がりの欠陥や不備を露呈させるからです。鋳型（または鋳型と呼ばれることもあります）から作られる鋳物は、必要に応じて1万分の1インチ単位の精度で製作することができ、一度金型が完成すれば、作業条件を一定に保てば、鋳物にわずかなばらつきも生じません。
鋳型製作には緻密な作業が求められるにもかかわらず、その仕事は非常に魅力的です。おそらく、その高い精度が理由でしょう。あるいは、機械鋼で作られているからかもしれません。しかし、おそらく最も大きな理由は、焼き入れの問題がないことでしょう。この仕事を面白くしているもう一つの要因は、その作業に求められる創意工夫です。真に優れた鋳型職人であれば、難しい作業に適した最適な鋳型製作方法を考え出し、計画することを好むものです。
鋳造金型製作の一般原則
鋳造用金型、または鋳型は、砂型とはほとんど共通点がありません。確かに、鋳造用金型は砂型の上型と下型に相当する2つの部分から構成されていますが、それ以外のあらゆる点で大きく異なるため、比較しても何のメリットもありません。
一般的に、鋳型は機械鋼で作られています。例外として、鋳鉄製の重いベースとフレーム、そして工具鋼で作られるダウエルピンと小さなコアがあります。ごくまれな場合を除き、鋳型には焼き入れされた部分はありません。これは、ダイカストされる合金の中には融点が高く、焼き入れされた部分から焼き戻し効果を奪ってしまうものがあるためです。
理想的な金型は構造がシンプルで、部品点数が可能な限り少ないものであるべきです。鋳造品は容易に取り出せ、金型からできるだけフィン（突起）のない状態で取り出せる必要があります。これらの要件を最適に満たすことが、金型職人の創意工夫が試される課題です。金型は主に2つの部品から構成されているため、鋳造品にはパーティングライン（分割線）が必要です。この線は、鋳造品が金型から最も容易に取り出せる位置に常に配置されます。ただし、接合部が完成品の外観に与える影響も考慮する必要があります。この点は砂型鋳造ほど重要ではありません。なぜなら、金型が適切に作られていれば、この接合部はほとんど目立たないからです。可能な場合は、パーティングラインを鋳造品の端に設けるのが賢明です。抜き勾配は不要です。16 直線的な「上下」の部分では可能ですが、もちろんアンダーカットのある部分を描くことは不可能です。鋳造完了後に金型から鋳物を排出する手段が必要であり、通常はエジェクタピンによって行われますが、多くの場合、金型の底部または他の部分を可動にして、複合型絞り金型で使用されるのと同じ原理で排出する方が良いです。精密加工では、収縮が重要な役割を果たし、収縮量は1インチあたり0.002～0.007インチです。アルミニウムは最も大きく収縮し、パーソンズ白真鍮はかなり収縮しますが、錫はほとんど収縮しません。したがって、収縮率の異なる3つまたは4つの金属を含む合金の収縮代を計算するには、判断が必要であることが容易にわかります。空気が「ポケット」になるのを防ぐために、金型キャビティの周囲に頻繁に空気抜き穴が必要です。これらの通気孔は、金型キャビティから金型の表面を横切ってブロックの外縁まで、平らで浅い切り込みをフライス加工することによって作られます。一般的な幅は1/4インチから1/2インチ、深さは0.003インチから0.005インチで、金型のサイズと形状によって異なります。
図7．簡易鋳造金型で鋳造された円盤
ダイカスト用の金型や鋳型は、パンチプレス金型と同様に様々な種類があり、それらを分類するための具体的な規則を定めることは困難です。単純な金型、1つまたは複数のスライドを備えたスライド金型、半円形と全円形の両方のベアリング用金型、ゲート加工用金型、その他多くの重要度の低い種類があります。また、これらの種類の複数に属する特徴を持つ金型もあるため、特定の作業に最適な金型の種類を決定するには、かなりの経験が必要であることは容易にわかります。これらの種類の最も重要なもののいくつかは、さまざまなスタイルで作られた金型を図示し、金型がどのように作られ、組み立てられるかを段階的に示すことで最もよく説明できます。まず、最も単純な形状の鋳造金型の作成について考えてみましょう。
図7には、ダイカストで作られた平らな円盤が示されています。実際には、このような単純な部品のために金型を作ることはありません。ねじ切り盤やプレス工具では製造できないような何らかの特徴がない限りは。例えば、平らな面にカム溝が切られていたり、側面が渦巻き模様で覆われていたり、円周に歯車が刻まれていたりするなど、ダイカストが望ましい製造方法となるような条件は他にも数多くあります。ここでは、鋳造金型の最初の説明を簡略化するために、これらの複雑な要素はすべて省略しています。
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図8．図7に示す鋳造ブロック用の簡易鋳造金型
図8は、この部品の金型を平面図と断面図で示しています。A は、単一の鋳物から作られた正方形の鋳鉄製フレームです。このフレーム、または一般にボックスと呼ばれるものは、上面と下面のみが平削りされています。次に、2つの金型半分BとCが機械鋼から成形されます。この鋳型、および他のほとんどの鋳型では、これらの金型ブロックは正方形です。金型Bの下半分は、皿穴にセットされたフィリスターヘッドねじによって鋳鉄製フレームに固定され、ねじ頭がブロックの表面下に沈みます。金型Cの上半分は、 Bに打ち込まれたダウエルピンによってBの上に位置決めされ、これらのピンはスライドフィットします。18C の穴をリーマ加工します。これが終わったら、ダイハーフBを旋盤のフェースプレートに固定し、ダイキャビティ用の凹部をボーリングします。この作業は、深さ 1/2 インチ、直径 3 インチの直線穴を掘るだけなので、この場合は簡単です。もちろん、この凹部は、ラード油を使用して鋭利な刃先まで研いだ工具で丁寧に仕上げる必要があります。エメリークロスはできるだけ使用しないでください。この穴に抜き勾配をつける必要はありませんが、鋳造品が押し出されなくなるような隆起や跡があってはいけません。ダイの面を、ドリルプレスに挟んだ小さなツゲの木片または生皮で点付けし、小麦粉エメリーを塗布し続けると、ダイカストはこの「鳥の目」仕上げを再現し、その外観は、かかる数分の追加時間を十分に補うものとなります。最も明るい仕上げを得るには、点付けは乾いたエメリー (油なし) で行う必要があります。上側のダイハーフCは、作業面を研削するだけです。金型の両半分の表面の外側の角と縁は、金型が完全に嵌合するのを妨げる可能性のあるわずかなへこみや粗い部分がないように、十分に丸みを帯びさせる必要があります。
次に、排出機構について検討する必要があります。ブラケットEから枢動するレバーDには、ブラケットGの細長い穴に係合する鋼製ピンFが設けられています。レバーDを上方に引くと、排出ピンプレートHに取り付けられたブラケットGが持ち上がります。このプレートは、下型Bに取り付けられたガイドネジIの上に緩く嵌合しています。この金型には4本の排出ピンJがあり、これらは排出ピンプレートにリベット留めされ、下型にドリル加工およびリーマ加工された穴を通して動作します。これらのピンの端部は、動作準備が整ったときに金型の内側と完全に面一になるように仕上げる必要があり、もちろん、金型の穴にスムーズに嵌合する必要があります。
鋳造金型の重要な特徴は、この金型ではKで示されているスプルーカッターです。この金型が作られたディスクに穴や中央の開口部があれば、スプルーカッターはその点で操作するのが最適ですが、このディスクは平滑なので、スプルーカッターは端に配置する必要があります。図 8に示すように、金型キャビティの外側に、スプルーカッター用の開口部がレイアウトされ、ドリルで穴を開け、やすりで形を整えます。鋳造品の外観に途切れが生じないように、金型に隣接するスプルーカッターの側面が金型の輪郭に完全に適合する必要があることは明らかです。スプルーカッター用の開口部は上型金型半分まで延長され、金型の内面から 1/4 インチの位置から、この穴は機械の金型プレートの開口部とほぼ同じ大きさに広がっています。もちろん、上型金型半分の開口部は、金型プレートの開口部よりも大きくあってはなりません。そうでなければ、スプルーを押し出すことができません。スプルーカッター自体は長い棒で、その断面は先ほど開けた穴と同じ形状とサイズで、機械のスプルー切断機構に接続されています。もちろん、スプルーカッターの全長をサイズに合わせて成形する必要はありません。作業端を6インチまたは8インチ分フライス加工した後、残りの部分は丸いままにしておくことができます。スプルーカッターは最初に仕上げられ、その後、金型の2つの穴がスプルーカッターに取り付けられます。嵌合は金属が密着している必要がありますが、完全に自由にスライドできる必要があります。
19ダイは、プレス機のダイプレートにストラップで固定されます。これは、パンチプレスのベッドにボルスターが固定されるのとほぼ同じ仕組みです。ダイプレート上のダイの位置は、スプルーカッターの開口部がシリンダー出口のノズルと一直線になるようにする必要があります。鋳造時のスプルーカッターの位置は、このダイの図（図8）に示すとおりです。この位置では、金属がダイキャビティに入るためのスペースがあり、ダイが金属で満たされた後に切り取って押し戻す金属の量はごくわずかです。
若干の変更を加えることで、上記の金型は、2分割金型から引き抜かれるあらゆる部品の鋳造に使用できます。部品に穴を開ける必要がある場合は、下型Bにコアピンを追加するだけで済みます。この点については後ほど詳しく説明します。金型のキャビティを作る際に、必要に応じて金型の両方の半分を使用できることは言うまでもありません。また、必要なサイズよりも大きく凹部を機械加工し、鋳造品の輪郭の一部が形成された部品をはめ込む方が簡単な場合が多いです。歯車の歯はこのようにして金型に作られます。目的の歯車に似たブローチを切削し、焼き入れして鋼板に打ち込み、その後、金型内の所定の位置に取り付けます。
スライドダイ
図9に示す金型は、様々な鋳造金型の中でも最も成功したものの1つであり、適切に製作されていれば興味深い金型作品となる。スライド金型と呼ばれるこのタイプの金型の主な用途は、図10に示すような部品を鋳造することである。図10は、前述の金型で鋳造しようとしていた円盤に似ているが、縁に浮き彫りの文字があり、中央に穴が開いている点が異なる。前述の金型（図8）では、縁に突起や凹みのある円盤やその他の部品、例えば浮き彫りや凹みのある文字が刻まれた印刷用ホイールや計数用ホイール、溝付きプーリーなどには適さないことは明らかである。簡単に言えば、このタイプの金型は単純な鋳造金型に似ているが、鋳造物の縁を形成するスライドが、必要な数だけ設けられている点が異なる。溝付きプーリー用の金型には2つのスライドしか必要ないが、縁に40文字が刻まれた印刷用ホイール用の金型には、文字ごとに1つずつ、合計40個のスライドが必要となる。図9に示す、これから説明する金型は 、6つの浮き彫り文字が刻まれた車輪を鋳造するために作られたものである。
図9を参照すると、Dは鋳鉄製の箱またはフレーム、Eは下型、Fは上型です。下型を作る際には、まず材料を所定のサイズに成形し、上型用のブランクにダボで固定し、フレームに取り付けるための穴を開けます。分かりやすくするために、これらの穴とネジは図から省略されています。通気孔についても既に説明済みですので省略されています。次に、下型をフェースプレートに固定し、真円に調整し、浮き彫り文字を除く鋳造する部品の本体の直径とほぼ同じ大きさに穴を開けます。この凹部の深さは、印刷ホイールの厚さに3/16インチを加えた値に等しく、これは金型のスライドを往復させるために使用されるカムリングGを収容するためです。カムリングは金型キャビティを覆うのに十分な大きさに作られています。20カム スロットH 用に 1 インチまたは 2 インチの余裕を持たせて、それを囲むスライドも同様に作ります。 6 つのスライドIは、良好なベアリング面を持つように十分な長さに作られています。 カム リングのサイズが決まったら、次にこのカム リングを受け入れるようにダイをボーリングし、凹部の最後の 1 インチをダイ キャビティの深さまで伸ばして、スライドが動作するスロットの終端スペースを作ります。 ダイをフェース プレートから取り外し、スライド用のスロットをレイアウトします。
図9．図10に示す印刷ホイールを鋳造するためのスライドダイ
これらの溝はフライス加工または成形加工で形成できますが、フライス加工が望ましいです。次のステップは、機械鋼製のスライドを製作して取り付けることです。スライドは溝にスムーズに嵌合します。6つのスライドを所定の位置に取り付け、両端が金型本体に突き出るようにします。21次に、カムリングGに スロットHを成形し、そのスロット内で動作するピンJを製作してスライドの穴に打ち込みます。スライドとカムリングを所定の位置に配置したら、カムリングを回転させてすべてのスライドを内側の位置に移動させ、カムリングと仮止めネジで一時的に固定します。スライドが内側または閉じた位置に固定された金型半分を旋盤のフェースプレートにセットし、金型キャビティを上向きに示して仕上げ寸法まで穴あけ加工します。この作業により、スライドの端部も適切な半径に仕上げられます。金型を取り外し、スライドを取り外して、凹面端部に文字を刻印します。刻印はゴートン彫刻機で行うのが最適ですが、そのような機械がない場合は手作業で刻印することもできます。刻印にはスタンピングを使用しないでください。材料の変位が非常に大きくなり、表面を元の状態に仕上げることが不可能になるためです。カムリングを取り付ける前に、ハンドルを必要なわずかな距離だけ回転させるために、金型に開口部をフライス加工する必要があります。カムリングを取り付けた後は、4つの小さなストラップKによって固定されます。これらのストラップは、ネジで下側の金型の角に取り付けられています。
図10．スライドダイで鋳造された印刷ホイール
図には示されていないスプルーカッターは、成形品の中心にある穴を通して作動し、この金型ではもちろん円形である。その動作は前述のものと同じであり、排出装置も同様であるが、排出ピンプレートMに取り付けられたブラケットLは、プレートMの穴を通して作動するスプルーカッターのためのスペースを確保するために、広く離れている。
挿入部品付き鋳造用金型
別の金属片を挿入するダイカスト製品を製造するには、金属ブランクを受け入れ、その周囲に金属を鋳造している間、しっかりと固定できる構造の金型が必要です。もちろん、完成した鋳造品とともにブランクを金型から容易に取り出せるように保持する必要があります。
図11に示す金型は、図12に示す振り子として使用される部品用である。部品の上部は鋼板の打ち抜き加工によって作られており、この部分の軽量化を図るとともに、特に旋回端の穴部分の強度を高めている。鋳造部分は、図に示すように長手方向にスロットが設けられており、3つの穴が鋳造部分を貫通してスロットの両側を貫通している。この金型は、挿入部品用の金型製作方法を示すだけでなく、単純な中空加工の原理も示している。
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図11．図12に示すような挿入部品付き鋳造品を作るための鋳造金型
この金型を作る際、金型の上半分と下半分（AとB）用に2つの機械鋼ブランクを削り出します。下金型は、金型キャビティの大部分が作られる部分であるため、上金型のほぼ2倍の厚さで作られます。この下半分の金型では、鋳造品の平面図の輪郭と同じ形状に材料をフライス加工し、鋳造品の厚さと全く同じ深さまで削り出します。この凹部の広い方の端から、材料をダイブロックの外側に平行な溝状にフライス加工または成形します。23 この幅広スロットの側面下部には、この開口部内で動作するスライドEをガイドするためのT溝が設けられている。側面はフライス加工され、金型のT溝と開口部に嵌め込まれるが、最終寸法よりもかなり長く残される。次に、スライドを旋盤のフェースプレートに取り付け、適切な半径と舌状部を持つ端部を旋削加工して、鋳造品の湾曲端部に形成されるスロットを作製する。スライドの外側端部には、ブラケットKのスタッドを支点としてスライドを往復運動させる 操作レバーFを取り付けるための突起部が残され、そこにドリル加工とタップ加工が施される。
次に、2つの機械加工鋼片を成形および仕上げ加工して、鋳造品の面取り部分を形成し、金型内に挿入される鋼製パンチングを位置決めします。これらの部品CとDの合計厚さ は、鋳造品の厚さから挿入される部品の厚さを差し引いたものに等しくなります。これで、セクションDを下型金型のフライス加工部分の底部に容易に取り付け、セクションCを上型金型の適切な位置に位置決めすることができます。パイロットピン Mは、パンチングの最上端にある穴を介して鋼製パンチングを所定の位置に保持するために、Dに取り付けられます。パイロットピンはこの穴を通ってセクションCの対応する穴まで延びています。挿入される鋼製部品の下端には2つの穴があり、その目的はパンチングをダイカストに固定することです。溶融金属がこれらの穴を通って流れ、実質的にダイカストを挿入された部品にリベット留めします。
図12．鋼板パンチング加工を施したダイカスト製ウェイト
これで、挿入する板金部品を保持するための準備が整い、鋳造用のキャビティ（端部の舌部を含む）が完成しました。次に、スロット部分を貫通する穴の形成方法について説明します。下型半分に、3つの穴Hの位置をレイアウトし、ドリル加工とリーマ加工を行います。次に、2つの型半分を合わせ、スライドを内側の位置にクランプして、スライドと上型を通して穴を転写します。これが完了したら、コアピンを作成し、上型の両端の穴に打ち込むのは簡単です。中央の穴は、後述するスプルーカッターLで加工します 。コアピンは、スライドと下型の穴にスムーズにスライドするようにし、下型の穴に1/4インチから1/2インチほど差し込みます。これらのピンは、穴をコアするだけでなく、鋳造時にスライドEを適切な位置に保持するロックとしても機能します。
スプルーカッターLは中央の穴で操作するのが最も便利で、それによって本来必要となるコアピンが不要になります。このダイではスプルーカッターの説明はほとんど必要ありません。24 スライドダイは、ダイとスライドを貫通する穴にぴったりとはまるだけの、単純な丸棒です。このダイの排出機構は、既に説明したダイと同じであるため、これ以上の説明は不要です。
図13．図14に示す半円形ベアリングの鋳造金型
この金型の操作は非常に簡単です。鋼板片は開いた金型の凹部にピンMで位置決めされます。 レバーFによってスライドEが押し込まれ、金型が閉じられます。25 鋳造時、スプルーカッターは図に示す位置、すなわち金型キャビティをほぼ貫通した位置にあります。前述のとおり、この位置では溶融金属が金型キャビティに流れ込むことができますが、鋳造完了後に切断するスプルーはごくわずかしか残りません。挿入する鋼片は完全に平坦で、金型の半分が適切に接合されるのを妨げるバリがないものでなければならないことに注意してください。
ベアリングダイス
ベアリング金型は、様々な鋳造金型の中でも最も重要なもののひとつです。ダイカスト製法で製造されたベアリングは、他の鋳造方法や機械加工で製造されたものよりもはるかに優れているため、現在では非常に広く使用されています。金型は「半円形」ベアリング用と「全円形」ベアリング用に作られます。全円形金型には特に変わった点はありませんが、半円形金型には多くの興味深い金型製作方法が用いられるため、ここで詳しく説明します。
図13は、半円形ベアリング用の鋳造金型を示しています。半円形ベアリングの金型は、通常、一度に2つのベアリングを鋳造できるように作られています。これは、このような形状の部品を1つ鋳造するのと同様に、2つ鋳造する方が容易であり、さらに金型のバランスもより良くなるためです。他の金型と同様に、最初のステップは、フレームAと2つの金型半分BおよびCを機械加工することです。次に、ベアリングの内側を形成する 部品DとEを旋盤加工し、それぞれの片面を成形して、金型半分Cにあらかじめフライス加工されたスロットに合うようにキー溝を刻みます。これらの部品は、ダボとネジで固定されます。この金型で製造されたベアリングの1つを図14に示します。ベアリングの長さに沿ってオイル溝が内部に設けられていることがわかります。ダイカストにこの溝を形成するには、ベアリングの内径と同じ内径で、油溝の深さと同じ厚さのシェルを旋盤加工して穴を開ける必要があります。この作業が完了したら、シェル上に油溝のレイアウトを描き、ドリルとヤスリで切り出します。外側の角を丸めた後、これらの小さなストリップをコアDとEの所定の位置にピンで固定します。
図14．鋳造油溝を示すダイカスト製半円形ベアリング
この点に関して、もう一つ注目すべき小さな問題点があります。ダイカストを多用する企業では、非常に多くの異なる形状とサイズのベアリングが製造されるため、ダイカストベアリングには識別番号を刻印することが不可欠です。この番号はユーザーにとって重要ではないため、目立たない場所に記載するのが望ましいのですが、削ったりしても消えない場所に刻印する必要があります。ダイカストでは凹文字よりも浮き彫り文字の方がはるかに容易であることを考慮すると、刻印は容易に確認できるはずです。26 オイル溝はベアリング番号を刻印するのに最適な場所である。オイル溝を形成する細い帯状の部分に番号を刻印することで簡単に刻印できる。ベアリングのこの位置であれば、必要に応じて容易に番号を見つけることができ、もちろん機械加工によって番号が消えてしまう心配もない。
下型は、それぞれベアリングの型が刻印された2つのブロックFとGから構成されます。これらの部品を作る最良の方法は、各ブロックの端を適切な半径でレイアウトし、中心がブロックの表面より少し下になるように注意することです。次に、旋盤にセットする前に、ブロックを成形して材料の大部分を取り除きます。各部品の旋盤加工が完了したら（通常は別々に行われます）、2つのブロックの面を型の中心に正確に合わせます。下型には2つのブロックが使用されていることに気づくでしょう。これは、金型の雌型部品を雄型部品に対して適切な位置に配置しやすくするためです。適切な位置に配置した後、ダボとネジでベースプレートBに固定することができます。
図15．ダイカストの興味深い例
平面図に詳しく示されているスプルーカッターHは正方形の形状をしており、スプルーカッターの両側にある細長い開口部で金型キャビティと接続される。各金型に2本ずつあるエジェクタピンIは、ベアリングの両端に配置されている。エジェクタピンプレートJは必然的に大きく、レバーKによって操作される。
図15は、ダイカストの興味深い例をいくつか示している。
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第3章
ヴァン・ワグナー製造会社のダイカスト製造工程
1907年、ニューヨーク州シラキュースのE・B・ヴァン・ワグナー氏は、ダイカスト製品の製造を目的としてE・B・ヴァン・ワグナー製造会社を設立した。工場は、事務部門、金型や鋳造機を製造する機械工場、金属を合金化する冶金研究所、図17に示すダイカスト製品を製造する鋳造部門、そしてトリミング部門から構成されている。
ダイカストの可能性と限界
図16．避けるべきダイカスト構造
まず最初に、ほぼあらゆる部品をダイカストで製造することは可能だが、決して実用的ではないと言えるだろう。実用的にダイカストを行うには、金型の運用と維持にかかるコストが低くなるように金型を設計する必要がある。そうでなければ、ダイカストで利益を上げることはできない。アンダーカット加工、すなわち抜き勾配がなく、金型から引き抜くことができない加工は、実用的ではない。図16のA、図21のMの 内部断面、および同じく図21に示されているOの内部溝がその一例である。どうしても必要な場合は、このような加工は折りたたみ式コアを使用することで可能だが、ここでも金型を適切な状態に維持することが困難であり、さらに、この方法は、これらのコアを迅速に操作することが難しいため、商業的に実用的ではない。図16のCで示されているような蛇口や曲がった配管など、湾曲した芯を必要とする中空部品は製造が難しい。部品を設計する際に、芯を容易に取り外せるような形状にし、図16のCの芯線で示されているように、各方向にわずかな抜き勾配のある2ピースの芯を使用すれば、問題はより簡単になる。多くの場合、この作業は直線状の部品を鋳造することで最もよく行える。28 その後、ダイカストを曲げます。砂型鋳造で同じように効率的に製造できる粗い重い部品を鋳造するのは割に合いません。一般的に、これまで製造に多くの機械加工が必要だった小さな部品をダイカストすることで、最大の節約効果が得られます。大きな平面部品の場合、鋳造に必要な金属の量が、金属のコストの差により過剰になります。ただし、大きな部品を研磨などで細かく仕上げる必要がある場合は、ダイカストの方が有利な場合が多いです。特に図16のBのように、厚い部分と薄い部分を接合する角は、この部品の片面に示されているように、大きくフィレットする必要があります。薄い部分の鋳造に関しては、厚さ3/64インチ未満の部分を鋳造しようとするのは実際的ではありません。金属がそのような狭い場所に流れ込むのが難しいためです。図24のXに示されているような、壁が1/16インチの鋳造品は簡単に鋳造できます。ねじ付き部分、29 ねじ山が細かすぎる場合、例えば1インチあたり24本以下の場合は、ダイカスト成形すべきではありません。なぜなら、中程度の圧力でもねじ山が破損してしまうからです。このような構造物を扱う良い方法は、ねじ山が必要なダイカスト成形品の中に、真鍮製または鋼製のブッシングを組み込むことです。
図17．キャスティングルームの様子
ダイカスト製品の製造精度に関しては、標準寸法から0.0005インチ以内の寸法精度を維持することは可能ですが、そのためには金型を良好な状態に保つための相当な費用がかかります。しかし、0.002インチの精度であれば十分に実現可能であり、容易に維持できます。ダイカスト製品の製造精度を指定する際には、作業コストを最小限に抑えるため、絶対に必要な部品のみ寸法精度を厳守すべきです。ダイカスト製品を使用する大きな利点の1つは、金型から部品を取り出した後に仕上げ加工が不要であることです。合金はこれらの要件に適合する必要があるため、ダイカスト製品の注文時には仕上げ要件を明確に記載する必要があります。
図18．ダイカスト製ギア等とシャフトとの接合方法
もう1つの大きな節約は、浮き彫りまたは凹彫りの文字加工で実現できます。これらの加工の1つが図22のQに示されており、ダイキャスト文字の例を示しています。凹彫り文字は浮き彫り文字よりも好ましいです。後者は損傷しやすいためです。ストレートローレットを使用すれば、ローレット加工は簡単に作成でき、1/4インチを超えるねじ部は、内ねじでも外ねじでも完全に実用的です。外ねじダイキャストは、図22のRとSに示されています。歯車とセグメントの鋳造は、ダイキャストのよく知られた用途です。これは、図21のNの大きな歯車と図23のWのセグメントによって示されており、この種の加工の一般的な特徴がわかります。図21のNのシャフト上の歯車に示すように、プーリー、歯車、および同様の部品をシャフトに鋳造することも簡単にできます。図18に示す図は、シャフト周りのダイカストの3つの方法を示すものです。Dは、鋼製シャフトの周囲に鋳造されたダイカストを示しています。プーリーに入るシャフトの表面に事前にローレット加工が施されていれば、プーリーはシャフトをよりしっかりとグリップしますが、通常の用途では、シャフト周りのダイカスト金属の収縮で十分です。大きな負荷がかかる場合は、30 作業に制約が課せられる場合は、図Eに示すような軸にアンカー穴を設けるのが良いでしょう。ダイカスト金属がこれらの穴を通って、鋳造品と一体化したリベットを形成していることが容易にわかります。軸の端などにレバーを位置決めするには、図18のFに示すように、軸の両側を平らにしてその周囲を鋳造するのが良い方法です。図22のQで部品の下に突き出ているネジは、その場でダイカストされたものです。これらの方法はいずれも推奨され、このような可能性を正しく理解することで、ダイカストの適用範囲が広がります。
図19．ダイカストのいくつかの可能性
ダイカストのもう1つの重要な段階として、ダイカストに鋼鉄やその他の部品を挿入できる可能性が挙げられます。図19のGはその一例で、ヴァン・ワグナー社が電気機器の一部として製造したダイカストであり、鋼鉄製のインサートが接点となっています。ダイカスト金属が耐えられない箇所には、耐久性を高めるために真鍮製のベアリングリングを組み込むことがしばしば推奨されます。図23のUに示されているダイカストは、 Tの真鍮リングが組み込まれており、このような典型的な例です。図19のHや図23のVに示されているような、逆円錐形の開口部を持つ部品をダイカストすることは、一見難しそうに思えるかもしれませんが、実際には十分に可能です。同様に、図19のIや図23のWに示すような分割ブッシングは、シャフトなどを締め付けるためのネジを受け入れるための突起部を備えて鋳造することもできますが、頻繁な締め付けや緩めが必要な場合は、この構造を使用すべきではありません。
図20．収縮点と抜き勾配を示す鋳造品
図21．非実用的なアンダーカット部分を示すダイカスト部品。また、シャフト上の大型ギアのダイカスト部品。
図22．文字刻印とねじ込み加工を施したダイカスト製品
収縮の問題は、他の鋳造工程と同様に、ダイカストでも発生します。異なる金属31 後述するように、収縮の程度は様々です。ただし、ここで重要な点を一つ述べておきます。それは、収縮の量は部品の形状に大きく左右されるということです。例えば、図20のKや図24のXに示すような部品は、鋼製の金型が中心コアによってダイカストの収縮が抑制される形状になっているため、収縮はごくわずかです。一方、図20のLや図24のVに示すような部品は、冷却時に互いに引き寄せ合うのを防ぐものが何もないため、最も大きく収縮します。ダイカストの設計においては、これらの点をすべて考慮する必要があります。ダイカストでは、非常に深い部分を除いて、抜き勾配はほとんど必要ありません。32図20のJ で示されているように、1インチあたり0.001インチの抜き勾配が望ましい。ただし、金属の収縮によって金型から簡単に取り外せるため、完全に真っ直ぐな断面を鋳造することも可能である。
図23．様々な点を示す典型的なダイカスト製品
図24．収縮の極限を示すダイカスト製品
ヴァン・ワグナー社は、設計者が新製品を設計する際にこの点を念頭に置けば、ダイカストのコストを大幅に削減できると考えています。複数の部品を一体化して特殊な部品を鋳造し、設計者にとっては素晴らしいアイデアのように思えるかもしれませんが、実際には部品を複数の部分に分けて製造し、後で組み立てる方が現実的な場合もあります。これはダイカスト業者にとってより簡便なだけでなく、顧客にとっても経済的です。薄肉部分を避けること、角に大きなフィレットを設けること、アンダーカットの問題を考慮することなどは、常識的なことですが、設計者が考慮すれば有益な点と言えるでしょう。
ヴァン・ワグナー社製ダイカストマシン
優れたダイカストの第一の必須条件は、優れた鋳造機です。おそらく最もよく知られている鋳造機の種類は、おなじみの33 プランジャー式にはいくつかの種類があり、空気圧式と回転式または自動式があります。（各種ダイカストマシンの説明については、「ダイカストマシン」、Machinery’s Reference Book No. 108 を参照してください。）しかし、ダイカストを経済的に生産するには、手動式マシンは速度が遅すぎ、自動式マシンは非常に大量生産できる種類の作業にのみ適用できます。これらの理由から、Van Wagner 社は、1907 年に E. B. Van Wagner 氏が特許を取得した圧縮空気式のダイカストマシンを採用しています。図 17に示すように、Van Wagner 社の鋳造部門には、約 30 台のマシンが設置されています。図 27 は、開いた状態のダイカストマシンを示しています。図 26は、ダイ操作機構の拡大図を示しており、図 25は、マシン全体の構造の概要を示すために示されています。
図25．ヴァン・ワグナー式ダイカストマシンの原理を示す図
ヴァン・ワグナー式空気圧ダイカスト機の一部を示す線画図25を参照し、ダイ操作機構およびその他の鋳造機の全体図を示す図26と比較することで、その構造と動作原理をよく理解できる。Aには、溶解ポットBが設置されている機械の基部が見られる。この溶解ポットは、供給パイプCを通ってバーナーC1に送られる燃料油によって加熱される。燃焼に伴うガスを排出するために、排気管Dが設けられている。金属をダイキャビティに「射出」するための圧力は、供給パイプEを通る空気によって供給される。この空気供給はバルブによって制御される。圧力は、特定の鋳造品またはダイに合わせて調整され、適切な圧力は実験によって決定される。同様に、供給パイプの真上に位置する排気管Fは、2本の管に分岐し、34 金型キャビティ内の空気を、金属が投入される前に排出する。金型キャビティ内の空気を解消する方法は、排気法と通気法の2つがあり、ここでは排気法について説明する。
図26．金型操作機構を示す機械の図
図25に示す「ガチョウの首」状の部材Gは、金型に押し込まれる金属を一時的に保持する役割を果たします。機械の各操作の前に、1回のダイカストに必要な量よりわずかに多い量の金属が、手動の取鍋を用いてこのガチョウの首部材に投入されます。ガチョウの首部材の一端は空気管Eに接続され、もう一端はノズルG1で終端しています。このノズルは、図25と併せて図27に示す機械の図を参照すると最もよく理解できます。このガチョウの首部材を使用する利点の1つは、35 その理由は、空気圧のすべてがグースネック内の金属に作用し、また、その隔離された位置のおかげで、グースネックとその内容物は溶解炉の内容物よりもわずかに高温に保たれるからである。
金型操作機構
機械の金型操作機構は、図27に示すように、金型を取り出す位置にあるヒンジ付きフレームワーク内に収められています。図26と線画図25を参照すると、金型保持機構は、機械のベースの端にヒンジで取り付けられた下部金型保持プレートHによって全面的に支持されていることがわかります。ロックJは、金型と操作機構を直立した操作位置に保持する役割を果たし、機構の上部Pに接続されたオーバーヘッドロープから吊り下げられたカウンターバランスによって、この機構の位置変更が容易に行えます。図27に示すように水平位置に投げ出されると、金型が開かれ、鋳造品が排出される間、機構は支持台の上に載ります。
図27．鋳造品の取り出し位置にあるダイカストマシン
下型はH 1で示され、上型K 1は上型保持板Kに取り付けられています。4本のロッドLは、上型保持板が摺動するためのガイド部材として機能します。これらのロッドLは、下型保持板Hの四隅に固定位置に取り付けられており、その上端には操作軸支持板Mが固定位置に配置され、ロッドの上端を支持する役割を果たします。この支持板Mの位置は、チェックナットによってロッド上で調整可能であり、厚い金型と薄い金型の両方に対応できます。この上部プレートにはシャフトOが支持されており、スロット付きレバーO 1とリンクO 2を介して作動する操作レバーNによって、上型保持板と金型を下型から自由に分離することができます。
金属はノズルG 1を通って金型キャビティに入り、固まった後、余分な金属によって形成されたスプルーを切断する必要がある。36金型キャビティの外側に残る。この目的のために、手動レバーQ1 で操作されるスプルーカッターが使用される。このスプルーカッターレバーは支点リンクQ2にヒンジで取り付けられており、ブラケットQ3上の調整可能なストッパーによって鋳造位置に保持される。
図28．トリミング部門の全体像
多くの金型では、ダイカスト作業中に金型ブロックを冷却するために、金型ブロック内に水を循環させる必要があります。図26では、 Rの位置に給水管が示されており、この給水管から金型ブロックの両側にホースが伸びて冷却循環を行っています。この図では、金型キャビティから空気を排出するためのパイプが冷却パイプと混同されやすいのですが、機械に向かって垂直に伸びる2本のパイプをたどっていくと、排気パイプが確認でき、給水管と区別することができます。
ダイカストの製造
ダイカストマシンの動作を明確に理解するために、鋳造品の製造工程の流れを追ってみましょう。機械の操作には2人の作業員が必要です。図27では、作業員がそれぞれの作業位置についている様子が示されています。まず、左側の作業員が手持ちの柄杓で溶融ポットから1回分の鋳造に必要な量の金属をすくい取り、ノズル G1を通してグースネックに注ぎ込みます。その間、 2人目の作業員は金型にコアを戻し、スプルーカッターの位置を調整し、鋳造の準備として金型を閉じます。これが終わると、前述のようにヒンジで連結され、バランスが取れている金型とその操作機構を持ち上げ、垂直位置まで上げます。次に、金型作業員がボックスを取り付け、スプルーカッターを開いた位置まで上げて金属を流し込みます。その後、機械作業員が次の作業員に代わります。37 オペレーターは左手でエアバルブを回します。このエアバルブの操作により、金属の背後に空気が供給され、金属が金型内に押し込まれます。同時に、排気バルブもわずかに早く開きます。排気バルブはエアバルブのすぐ上の2番目の配管上にあり、リンクによって2つのバルブが接続されているため、この1回の動作で金型キャビティから空気が排出され、直後に金属の背後に空気が供給されて、金属が金型内に「射出」されます。これが完了すると、空気が遮断され、金型オペレーターはレバーQ1を使用してスプルーを切断し、金型内のコアを取り外し、金型を開位置（図27に示す位置）にし、排出機構を操作して鋳造品を金型から取り出します。その間、機械オペレーターは金属の供給を管理し、次のダイカスト作業のために金属を満載した取鍋を用意します。図17に示す機械を参照すると、金型の排気用の排気管を備えているものはごくわずかであることがわかる。別の排気方法については後述する。
図29．ヤスリ機によるダイカスト部品のトリミング
1台の機械で1日10時間で製造できるダイカストの数は、ダイカストされる部品の特性、機械の各工程で製造される部品の数、および金型の加工の容易さによって異なります。金型の加工の容易さは、もちろん、各ダイカスト工程で取り扱うコアと部品の数に依存します。図26に示す機械の金型は、各工程で4個のベアリングを製造します。
ダイカストのトリミング
各工程の終わりに、機械のオペレーターは作業内容を点検し、鋳物を湯口から切り離し、不良品をすべて廃棄します。ダイカスト金型がどれほど丁寧に作られていても、金型に空気の隙間が残っているため、完成したダイカスト製品には必ずある程度のトリミングが必要になります。39 通気孔、または金型部品の不適切な嵌合によって生じる突起。これらの「フィン」と呼ばれる突起は、専用の部署で作業員が手作業でトリミングします。このトリミング室の全体像を図 28に示します。通常は、これらのフィンをスクレーピングナイフで削り取るだけで十分ですが、鋳造が特に難しく、金属を流し込むために大きな開口部が必要な場合は、スプルーの異常に厚い部分をやすりで削る必要がある場合があります。図 29 は、やすり機でこのようなダイカストをトリミングする方法を示しています。
図30. E. B. Van Wagner社の金型製作部門の全体像
図31．典型的なダイカスト金型
使用された金型
鋳造機に次いで、金型は最も重要な要素です。ヴァン・ワグナー社の金型製作部門の概略図を図30に示します。高品質のダイカスト金型を製作するために必要な作業を正しく理解するために、金型製作に必要なさまざまなステップを順に見ていきましょう。最初にして最も重要なステップは、金型の適切な設計です。作業を開始する前に、金型の設計を行う必要があります。40 金型、つまりパーティングラインがどこに来るか、部品の排出にどのような方法を使用するか、どの合金を使用するか、鋳造品のゲートをどこに設けるか、そして完成した金型の性能に直接関係する101の細かい点を決定する必要があります。これらの決定はすべて金型職人が行う必要があり、図37では 、マイクロメーターを手に、金型に設ける収縮代を計算している様子が示されています。収縮は合金と部品の全体的な形状によって0.001インチから0.004インチまで変化するため、これは正確な作業を行う上で非常に重要な要素です。
図32．図31に示したダイカスト金型を分解した状態
この工場で行われている金型製作の実際の機械加工工程に入る前に、典型的なダイカスト金型を取り上げ、その一般的な構造を把握しておくと良いでしょう。図31は、典型的なダイカスト金型を閉じた状態で示しており、図32は、同じ金型を分解してベンチ上で構造を示したものです。金型で製作された部品も示されています。図33は、同様の金型の断面図です。これら3つの図から、平均的なダイカスト金型についてよく理解することができます。これらの図を参照すると、この金型の主要部分は、エジェクタボックスAと、ラックCによって操作されるエジェクタプレートBです。エジェクタプレートを操作するために、回転に適したハンドルを備えたピニオンシャフトDが設けられています。これはもちろん、エジェクタボックスの穴に嵌合し、ピニオンをラックと噛み合わせてエジェクタプレートを上昇させます。エジェクタプレートには、鋳物を金型から取り出すための3つのエジェクタピンEがあります。エジェクタピンは穴Fを通して作動します。ピニオンシャフトの向こう側には、この金型が作られた鋳物が見えます。鋳物の上面には、小さな穴が開いた3つの突起があります。このダイカスト面を成形するための機構は金型の下半分Gに設けられており、ダイカストの上半分は41上部プレートH によって処理されます。これら3つのラグを通してコアピンを操作するためのトグルの1つがIに示されています。これらの部品については後ほど詳しく説明します。スプルーカッターは、 Jでダイ内に配置されています。
金型キャビティの機械加工
図30からわかるように、金型製作部門の機械は最新の設計である。なぜなら、ダイカスト金型ほど優れた工具設備と高度な製作技術を必要とする作業は他にないからである。ダイブロックは機械鋼で作られている。図34は、ダイブロックがおおよそ所定のサイズに成形された後のダイカスト金型製作の最初のステップを示している。この作業は、垂直スピンドル研削盤で金型の表面を丁寧に仕上げることである。これはもちろん、ダイブロックの表面を仕上げる迅速な方法であり、これらのプレートの上面と下面が平行になることを保証し、金型面が適切に接合できるようにする。
図33．ダイカスト金型の断面図
次の工程は、図 36に示すように金型のレイアウトです。これは、通常の方法で、銅板を張った表面上で、コンパス、スケール、センターポンチを使用して行います。金型のレイアウトを行う際には、収縮と仕上げに必要な余裕を持たせますが、これらの点は金型の実際の作業を開始する前に計画されています。金型加工の他の段階と同様に、機械加工は可能な限り手作業を行う前に行われます。図 38では、金型職人がダイカスト金型の一部のキャビティを旋盤加工している様子が示されています。この機械加工には最高レベルの熟練した技術が求められ、 金型職人がノギスで金型を測定している図 38から推測できるように、機械加工の後に研削作業は行われないため、測定値は正確でなければなりません。
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図34．金型製作の第一段階―ブロックの表面研磨
図35．金型に対するフライス加工
図35と図39は、ダイカスト金型で行われる典型的なフライス加工を示しています。図39では、金型職人が金型キャビティの一隅にあるピンを指し示し、追加のフライス加工の準備をしている様子が示されています。ブロックは通常通りフライス盤のベッドにクランプで固定され、カッターヘッドの下に適切に配置された後、指示器の代わりに工具が取り付けられ、キャビティのフライス加工が完了します。図35は、右側に示されている鋳造品の製造に使用されるダイカスト金型の一部を示しています。この場合、金型職人は凹部をフライス加工しています。43 手前に写っている鋼鉄製のアーバーは、部材の側面に穴を開けるための支柱として取り付けられます。
図36．金型部品の配置
図37．ダイカスト金型の設計
図38．ダイカスト金型の製作
図39．フライス盤上の金型を示す
図40は、ダイカスト金型の製造におけるいくつかの重要なポイントを示しています。この図は、金型の下半分が乗ったエジェクタボックス、エジェクタ44 ピニオンシャフトによって、プレートがダイプレートの下面に押し付けられている。行われている作業は、エジェクタピン穴のドリル加工である。図32（ちなみに、この図はダイを分解した状態を示している）を参照すると、ドリル加工されている穴は、ピンEを受け入れるためのFで示されている穴である。採用されている方法は、ダイを通してエジェクタプレートに穴を開け、その後、すべての穴をリーマ加工してサイズにし、ピンがダイプレート内を自由にスライドできるようにしながら、エジェクタプレートにピンを打ち込むことである。ここで、エジェクタボックスとプレートが完成して取り付けられ、このプレートを操作するためのピニオンシャフトも取り付けられ、下ダイと上ダイが前述の機械加工によって完成し、すべてが組み立てられていると仮定する。ピンの取り付けの最終作業は図41に示されており、ダイメーカーがこれらのピンの端をやすりで削り、下位置に落としたときに表面と面一になるようにしているのがわかる。これらのピンの長さが不均一だと、鋳造品に不規則な斑点が生じます。次に、鋳造品の3つの突起に穴を形成するコアを操作するために使用されるトグルについて説明します。これらのトグルは3つあり、そのうちの1つが図31のIに示されており、図32にも示されています。45 これらのトグルは、金型プレートに取り付けられたブラケットと、ブラケットの両端を支点としてコアピンを操作するレバーで構成されています。鋳造が完了するたびにこれらのコアピンを取り外し、次の鋳造を行う前に位置を調整する必要があります。
図40．エジェクターピン穴のドリル加工
ダイカスト金型の部品の嵌め合わせは、作業の中でも最も重要な部分の一つです。嵌め合わせが不十分な金型は、不良な鋳造品を生み出すだけでなく、金型自体にも負担がかかるため、最高レベルの職人技が求められます。すべての可動部品がスムーズに動くことが非常に重要です。図42は、ダイカスト金型の組み立て作業を示しており、複製される鋳造品がすぐ手前に示されています。これらの部品はすべてそれぞれの位置にねじ込み、接合部をできる限り気密にする必要があります。不良なダイカスト品の原因の一つは、金型内に空気が閉じ込められることであり、この問題を克服するために様々な方法が用いられています。
怒りを吐き出す
ダイカスト金型に空気が閉じ込められるのを防ぐ方法は 2 つあります。1 つは、金型を空気が閉じ込められないように設計することです。46 金型キャビティ内の空気を金属を流し込む前に排出するか、金型に通気孔を設けて流入する金属によって空気を押し出す方法がある。最初の方法では、金型の接合部をできるだけ密着させる必要がある。そうしないと、金型キャビティ内に真空状態を作り出すことは不可能になる。ただし、金型に多くの部品をはめ込む必要がある場合は、通常、数千分の1インチの深さのフライス加工された凹部からなる通気孔を金型に設けるのが望ましいと考えられている。複数の通気孔が設けられており、そこから金属が金型に流し込まれるときに空気が排出される。もちろん、高温の金属は細いリボンのように通気孔を「通過」するが、鋳造される金属にかかる圧力に影響を与えるほどの量の空気は排出されない。
図41．エジェクターピンの取り付け
金型がどれほど丁寧に作られ、どれほど丁寧に組み立てられたとしても、満足のいく性能を発揮するまでには、必ずある程度の調整が必要になります。鋳造時に多少のムラが生じたり、表面が粗くなったりする可能性があり、こうした問題をうまく解消することが、良質なダイカスト製品の製造につながるのです。
金属のダイカスト
47本書の目的の一つは、ダイカストの可能性に関して広く流布しているいくつかの誤った認識を正すことです。多くの人は、ほぼすべての金属がダイカストできると考えているようですが、実際には、ダイカストに成功できる金属は、鉛、亜鉛、錫、銅、アンチモンの合金など、片手で数えられるほどしかありません。錫を主成分とする金属は収縮率が非常に低い一方、亜鉛を主成分とする金属は収縮率がかなり高く、アルミニウムの含有率が高い金属は収縮率が非常に高くなります。間違いなく、最もよく使われるダイカスト用金属は亜鉛を主成分とする金属です。この種の典型的な金属は、亜鉛約85%、錫約8%、銅約4%、アルミニウム約3%を含んでいます。この金属の融点は約850°Fです。この合金は最も一般的なものの1つですが、錫の含有量が少なすぎるため、決して最良の合金とは言えません。しかし、比較的安価な金属であるため、広く使われていると考えられます。この金属は熱や寒さの影響を受けやすく、経年劣化も速い。鉛系金属の代表例としては、鉛80％、アンチモン15％、錫4％、銅1％を含む合金が挙げられる。この組成の融点は約550°F（約288℃）で、摩耗が少なく、強度もそれほど必要とされない鋳造品に使用される。この金属の最大の欠点はその重さであり、アンチモンの含有量が多いため非常に脆いという点も挙げられる。
図42．ダイカスト金型の組み立て
最高級のダイカスト製品には、錫を主成分とする合金が用いられます。この合金は、錫を60～90％、銅を2～10％、そして少量のアンチモンを配合したものです。この組成の混合物の融点は約675°F（約350℃）です。鋳造品は美しい色合いを持ち、他の合金に比べてはるかに優れた品質を誇ります。48 キャブレター部品やガソリンと接触するその他の部品には、必ず錫をベースとした金属を使用する必要があります。また、鉛や亜鉛合金は汚染作用があるため、食品と接触する部品にも錫をベースとした金属を使用しなければなりません。
アルミニウム合金はフランスやドイツでは少量ながら鋳造されてきたが、融点が高いことと金型への影響から、この国ではほとんど鋳造されていない。アルミニウム合金を金型で短時間鋳造すると、金型の表面にピット（穴）が生じる。原因は不明だが、金型内で鋼の粒子が剥離するように見える。アルミニウム合金を使用する場合、アルミニウム80％、銅3％、亜鉛17％の配合が適している。この合金は収縮率が高く、金型への劣化効果も同様だが、純アルミニウムよりははるかに小さい。
転写者メモ
句読点、ハイフネーション、スペルについては、本書で主流となっている表記法に統一性を持たせた。それ以外の場合は変更しなかった。
単純な誤植は修正したが、時折見られる不均衡な引用符はそのまま残した。
行末にある曖昧なハイフンはそのまま残した。
本文では「die-cavity」と「die cavity」、「die-maker」と「die maker」が使われていますが、ここでは変更していません。
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「ダイカスト：金型―機械―方法」の終了 ***
《完》