砂型鋳造の発注——生型と自硬性鋳型、模型の材質と耐用回数、図面の扱い

砂型鋳造を選ぶ理由と、選ばない方がよい場面

砂型鋳造は、砂で作った鋳型に溶けた金属を流し込む、最も古くから使われている鋳造の方法である^[2]。鋳造工学会の連載講座で砂型鋳物の鋳造方案を解説した記事（2014 年）は、金型鋳造でも切削でも鍛造でもなく砂型鋳造を選ぶ理由として、製造数量が金型の製作を許さないほど小さいか単品であること、鋳鉄のように冷却速度を大きくできないことなどを挙げたうえで、型抜きではなく「型ばらし」ができる砂型の成形の自由度を生かしてこそ、砂型鋳造を積極的に使う価値がある、としている^[4]。

同じ記事は、その自由度を保つために砂型は溶湯の流れに対して十分に強くはできず、乱れた流れで簡単に削られてしまうことが、表面状態を悪くする欠陥の原因になるとしている^[4]。複雑な形を一度に作れることと、表面や内部に欠陥が出やすいことは、砂型鋳造の表と裏である。

発注側から見ると、砂型を選ぶのが自然なのは、数量が少ない、形が大きい、内部に複雑な中空がある、材質が鋳鉄・鋳鋼である、といった場合である。逆に、鋳放しのまま高い寸法精度や滑らかな鋳肌が要るなら、精密鋳造やダイカストのほうが合うことがある。精密鋳造との違いはロストワックス（精密鋳造）の発注、ダイカストについてはダイカストを発注するときで扱った。

生型と自硬性鋳型——鋳型の種類で精度も設備も変わる

砂型の造型法を解説した連載講座（2014 年）によれば、量産の砂型造型法には大きく二つの系統がある^[2]。

生型（なまがた）：粘土（ベントナイト）を粘結材にして砂を固める方法で、1950 年代以降、自動車産業の需要もあって、中・小物の鋳鉄鋳物を大量に作るプロセスとして機械化・自動化が進んだ。化学バインダーを使う造型法に比べてランニングコストが安い^[2]。回収した砂は、異物除去・冷却・貯蔵・混練の段階的な処理で水分と性状を管理して使い続ける^[2]。

有機自硬性鋳型：化学樹脂を硬化反応させて、接着剤として砂粒を固める方法で、国内ではフラン自硬性法とアルカリフェノール自硬性法が主流である。中・大物の金枠付き造型にも使われる。回収した砂は、表面に付いた硬化樹脂を剥がす再生処理をして使う^[2]。

中子（中空部を作るための砂の型）には、量産ではシェルモールド法とコールドボックス法が主流とされている^[2]。

どちらの鋳型で作るかで、鋳放し寸法の目安も変わる。JIS B 0403 の附属書 A（参考）は、短期間又は 1 回限り製造する砂型手込めの鋳放し鋳造品の公差等級を、鋳型材料ごとに示している^[1]。抜き出すと次のとおりである。

出典: JIS B 0403 の表 A.2 から抜粋^[1]。表の値は一般に 25 mm を超える基準寸法に適用し、これより小さい寸法には、10 mm までは 3 等級、10 mm を超え 16 mm までは 2 等級、16 mm を超え 25 mm までは 1 等級小さい公差にするのが通常とされている。ここに無い材料や方法にも、受渡当事者間の同意で使える。参考の表で、保証値ではない。

規格は、短期間又は 1 回限り製造する砂型鋳造品で公差を小さくするために金型を使ったり設備・方法を開発したりすることは、一般に実用的でも経済的でもない、としている^[1]。試作の 1 個や少量の注文に、量産の機械込めと同じ等級を求めると、仕入先は造型法を変えるか、削って合わせるかしかなくなる。等級と削り代の図面への書き方は鋳造品の普通許容差の指定で扱ったので、この記事では、どの造型法を前提に等級を決めるのかを見積の段階で仕入先とそろえる、という点だけ押さえる。

模型をどう作るか——数量と期間で材質を選ぶ

砂型は模型を砂に押し付けて型を取るので、模型の出来が鋳物の形を決める。砂型用の主型と中子取り（中子を作る型）の製作を解説した連載講座（2014 年）は、模型の材質を選ぶ決め手として、①生産する期間、②その間に生産する数量、③手込め造型か機械込め造型か、④模型製作にかけられる予算、の四つを挙げている^[3]。現在はほぼすべての材料が NC 工作機械で削られているので、作った直後の寸法精度の違いは無く、違いは繰り返し使ったあとの耐摩耗性や経年変化を含めた耐用命数にある、としている^[3]。講座が示す耐用命数（使える鋳型の数）の目安を並べる。

出典: 田口順「砂型鋳型用主型及び中子取り製作」から作成^[3]。講座は例として、月産 1,000 個を 5 年以上生産するなら金型を選ぶべきで、1 年間の限定生産なら金型の製作費の数分の 1 で済む多数個込めの樹脂型を勧める、としている。生産が延びて摩耗が進めば、3D の CAD データを保存してあれば 2 号型を安く作れる、とも書いている^[3]。

発注側がここから決めることは三つある。第一に、見込みの生産期間と数量を見積依頼に書く。書かなければ、仕入先は自分の想定で模型の材質を選び、数量が増えたときに模型が持たない。第二に、模型の材質と耐用の見込みを見積に書いてもらい、更新が要る時期と費用の負担を決める。第三に、木型を含む型の所有と保管である。発注が長く途絶えた型を取引先に無償で保管させることの扱いは有償支給材と金型代で、型の所有・保管・廃棄の取り決め方は射出成形の金型を発注するときで扱った。

図面と模型——どちらが寸法の基準かを決める

鋼・ニッケル合金・コバルト合金の鋳造品の通則 JIS G 0307 は、引合い時・発注時に文書に含める情報の第一に、模型番号や図面によって鋳鋼品を明確にすることを挙げ、模型が支給される場合は模型一式の明細を明記すること、図面が支給されない場合は鋳鋼品は模型に基づいたものとし、その場合、製造業者は寸法に関する責務をもたないこと、製造業者の技術的要求のために図面に加える修正は受渡当事者間の協定によることを定めている^[6]。

古い部品の補給品などで、図面が見つからず手元の木型だけを仕入先に預けて作ってもらう、ということは珍しくない。その場合、規格の上では、出来上がった鋳物の寸法を仕入先に問えない。模型だけで発注するなら、少なくとも組付けに効く寸法を測った簡単な図面を作って渡すか、初回品を現物合わせで承認する手順を決めておく。この通則の規定は鋳鋼品についてのもので、鋳鉄品やアルミ合金鋳物では材料の規格や協定で決めるが、考え方は同じように使える（当方の提案）。

鋳造品の設計を概説した連載講座（2013 年）は、鋳造品の設計では製品図のほかに削り代を含む素材図が必要で、設計者が作らない場合は鋳造の専門家が作り、湯口や押湯を加えた方案図にするとし、既存の鋳造品を再設計する場合には従来の設計図を過信してはならない、とも書いている^[5]。古い図面の寸法や注記が、今の鋳造工場の設備で取れるとは限らない、ということである。

形で決まる作りやすさ

同じ講座は、鋳造品の形を確かめるチェックポイントとして、鋳込むときにどちらを上にするか、どこまでを上型・下型で作るか、模型が抜けない突起が無いか、模型が抜けやすい勾配になっているか、中子の支持は十分か、中子が薄すぎないか・まわり全体が囲まれていないか、肉厚が局部的に厚くなっていないか、などを挙げている^[5]。中子については、浮力で動いたり変形したりして寸法精度が落ちるのを防ぐために支持しやすくし、中子の数を少なくし、鋳造後に中子砂を出しやすくすることを求めている^[5]。

発注側がこれをすべて判断する必要はないが、見積の段階で仕入先から「中子が増える」「この突起があると型が抜けない」「ここは肉が厚いので引け巣が出やすい」と言われたときに、形を変えられるかどうかを設計と相談する窓口になる。設計の変更で鋳造の欠陥が減るなら、検査で選別するより安く済むことが多い。

方案と試作——量産前に何回作るか

先の方案の記事は、受注鋳物では顧客の図面を出発点に、模型方案・造型方案・湯口系方案を設計し、小物・量産の鋳物では方案を立てた後に試作を複数回繰り返して最適な状態に近づけてから量産に進むが、大型の鋳物は製作数が少なく費用が高いので試作工程が省略されることが多い、と書いている。そして品質確保の観点からは試作工程は重要だとしている^[4]。

同じ記事は、ある研究者の主張として、鋳物の欠陥の 8 割は注湯時の湯面の乱れによるもので、残りは溶湯由来のガス、押湯の設計不備による引け巣、中子からのガスの処理不備などによる、と紹介している^[4]。方案（湯口・湯道・押湯の配置）は鋳造工場の技術で、発注側が決めるものではない。ただ、方案と試作の回数は見積と納期に直結する。発注側は次を決めておく（当方の提案）。

1. 試作の回数と承認の方法
何回までの試作を見積に含めるか。初回品で何を確かめ、誰が承認するか。

2. 方案を変えるときの連絡
量産開始後に方案や造型法を変えると、欠陥の出方も寸法も変わる。変更は事前に連絡をもらう。

3. 大物で試作を省くときの代わり
試作を省くなら、初回の 1 個で非破壊検査を厚くする、凝固のシミュレーション結果を見せてもらう、など、代わりの確認を決める。

量産前に仕入先に何を出させて承認するかは量産前に仕入先に何を出させるかで扱った。

鋳肌と押湯の跡：外観の基準を発注前に決める

JIS G 0307 の附属書 B（追加要求事項）は、鋳肌の外観や、押湯・堰を除去した後の外観について、適用部位と許容限度などの合否判定基準を、注文者が注文前に協定するとしている^[6]。砂型の鋳肌は砂の粒度や塗型で変わり^[5]、押湯や湯口を切った跡の仕上げの程度も工場によって違う。外から見える面、塗装する面、組付けで当たる面を図で示し、それぞれの仕上げの程度を限度見本か数値で決める。材質や内部欠陥の受入基準は鋳物の材質と内部欠陥の受入基準に、鋳鋼品の溶接補修の扱いはSC450 の発注にまとめた。

受け入れるときに確かめること

1. 模型と鋳型の種類
見積で決めた模型の材質・造型法から変わっていないか。模型の番号が現品か送り状に示されているか。

2. 寸法
決めた基準で鋳放し寸法を測る。肉厚は 1 等級大きい公差で見ることなど、規格の読み方を受入の判定表に入れる。

3. 鋳肌・押湯跡
協定した部位と限度見本で比べる。

4. 材質と内部
指定した検査文書と、協定した部位・方法の検査記録。

5. 模型の状態
長期の量産では、模型の摩耗で寸法がずれていく。耐用命数の見込みに近づいたら、模型の点検と更新の時期を仕入先と相談する。講座も、新しく作った模型を測っておき、定期的に測って摩耗の進み具合を確かめ、補修の部位と時期を決める使い方を紹介している^[3]。

注文書・見積依頼の書き方の例

書き方に決まった様式があるわけではない。発注側として書いておきたい内容を一つの例にまとめる。

「製法：砂型鋳造（造型法は見積で提示のこと）。材質：FC250（JIS G 5501）。図面 No.○○（第○版）・素材図 No.○○ による。生産見込み：月 ○○ 個・○ 年。模型：材質と耐用見込みを見積で提示、当社所有とし、保管・更新・廃棄は別紙による。鋳放し寸法の公差：普通公差 JIS B 0403-CT○（基準は図示 A・B・C）。鋳肌・押湯跡の外観は図示部位ごとに限度見本による。試作は ○ 回までを含め、初回品は全寸法測定記録を提出する。模型・造型法・方案・鋳造工場の変更は事前承認を要する。」

よくある質問

試作 1 個なのに木型代がかかるのはなぜですか

砂型は模型で型を取るので、1 個でも模型は要る。講座が示すように木型は耐用命数が小さい代わりに安く^[3]、少量向きの選択である。量産に進むなら、樹脂型や金型への切り替えの時期と費用を見積の段階で聞いておく。

生型と自硬性鋳型、どちらを指定すればよいですか

造型法は工場の設備と製品の大きさ・数量で決まるので、指定するより見積で提示してもらうのが普通である。ただ、短期間・1 回限りの手込めでは、規格の参考で自硬性鋳型のほうが小さい公差等級になっている^[1]。寸法の要求が厳しい部品なら、どの造型法を前提にした見積かを確かめる。

手元の古い木型だけで作ってもらえますか

作ることはできる。ただ鋳鋼品の通則 JIS G 0307 は、図面が支給されない場合は模型に基づいて作り、製造業者は寸法に関する責務をもたないとしている^[6]。鋳鉄品やアルミ合金鋳物でも同じ考えで、組付けに効く寸法だけでも図面にして渡すか、初回品の現物で承認する手順を決める。

まとめ

砂型鋳造は、数量が少ない・形が大きい・内部が複雑・材質が鋳鉄鋳鋼、といった部品に向く。鋳型には生型と有機自硬性鋳型があり、短期間・1 回限りの手込めでは自硬性鋳型のほうが小さい公差等級が目安になっている。模型は材質で耐用命数が桁違いに変わるので、生産期間と数量を見積依頼に書き、模型の材質・耐用・所有・保管・更新を決める。図面が無く模型だけで作る場合、鋳鋼品の通則では寸法の責務が製造業者に無い。鋳鉄品やアルミ合金鋳物でも同じ考えで、図面か初回品の承認手順を用意する。方案と試作の回数、鋳肌と押湯跡の外観の基準も、発注前に決めておく。

同じ束では、ロストワックス（精密鋳造）、硬質アルマイト、摩擦かくはん接合（FSW）、シルク印刷・パッド印刷の発注も扱う。

出典・参考資料

1. JIS B 0403-1995 鋳造品－寸法公差方式及び削り代方式（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／1995 年 2 月 1 日改正・2025 年 6 月 20 日確認）
2. 橋本邦弘「砂型造型法」（連載「鋳造工学概論」）鋳造工学 86 巻 10 号（日本鋳造工学会／2014 年）
3. 田口順「砂型鋳型用主型及び中子取り製作」（連載「鋳造工学概論」）鋳造工学 86 巻 3 号（日本鋳造工学会／2014 年）
4. 辻川正人「砂型鋳物の鋳造方案」（連載「鋳造工学概論」）鋳造工学 86 巻 1 号（日本鋳造工学会／2014 年）
5. 大中逸雄「鋳造品の設計－概論－」（連載「鋳造工学概論」）鋳造工学 85 巻 6 号（日本鋳造工学会／2013 年）
6. JIS G 0307:2014 鋳鋼品の製造，試験及び検査の通則（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2014 年 10 月 20 日改正・2024 年 10 月 21 日確認）

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