1. ラピッドプロトタイピング技術と3次元ソフトウェアを活用して適切な鋳物形状を作成し、まずパーティング面、湯口システムの位置、金型の熱バランスシステムを決定します。鋳物の2次元図面を要件に応じて3次元ソリッドデータに変換し、鋳物の複雑さや肉厚に基づいて適切な収縮率（通常0.05%～0.06%）を設定します。パーティング面の位置と形状を決定した後、ダイカストマシンのデータに基づいて射出プランジャーの位置と直径、1ショットあたりの鋳造数を選定します。ダイカスト部品を適切に配置し、湯口システムとオーバーフローシステムを3次元モデリングします。
2. 流動場と温度場のシミュレーションを行い、金型の湯口システムと熱バランスシステムをさらに最適化します。鋳物、湯口システム、オーバーフローシステムのデータを処理した後、ダイカスト工程パラメーターや合金の物理特性などの境界条件を入力します。シミュレーションソフトウェアにより、合金の充填過程や金型キャビティ内の溶湯の流動を解析できます。また、凝固シミュレーションと温度場シミュレーションを行い、湯口システムをさらに最適化するとともに、金型の冷却位置を決定します。
シミュレーション結果では、充填過程全体における溶湯の流動方向や温度場の分布を画像で確認できます。解析により、欠陥が発生する可能性のある箇所を特定できます。その後の設計では、内ゲートの位置や向きの変更、スラグ溜まりの追加などの対策を講じ、充填性を高めて鋳造欠陥の発生を防止・抑制します。
3. 3Dモデルに基づいて金型全体の構造を設計します。シミュレーションの実行中に、次のような項目を含む金型の全体レイアウトを設計できます。
(1) ダイカストマシンのデータに基づいて、金型の全体レイアウトを設計します。
全体レイアウト設計では、射出位置とプランジャー径の決定が最初の重要な作業です。ダイカスト部品がダイカストマシンのプラテン中央に配置され、マシンの4本のタイバーがコア抜き機構と干渉しないように射出位置を決めます。射出位置は、ダイカスト部品をキャビティから円滑に押し出せるかどうかに関わります。また、プランジャー径は射出比に直接影響し、ひいてはダイカスト金型に必要な型締力を左右します。そのため、この2つのパラメーターの決定が設計の第一歩となります。
(2) 成形インサートとコアを設計します。
主に、成形インサートの強度と剛性、シール面の寸法、インサート同士の合わせ、押出ピンや冷却点の配置などを検討します。これらを適切に組み合わせることが、金型寿命を確保する基本要件です。大型金型では、摩耗しやすい部品の合わせ方やシール面を特に考慮する必要があります。これは、金型の早期損傷やダイカスト工程中のアルミ漏れを防ぐうえで重要です。また、大型金型の排気や金型加工技術の面でも考慮が必要です。
(3) 金型ベースとコア抜き機構を設計します。
小型・中型のダイカスト金型では、標準金型ベースをそのまま使用できます。大型金型では、ダイカスト工程中の金型ベースの弾性変形がダイカスト部品の寸法精度に影響しないよう、金型ベースの剛性と強度を計算する必要があります。コア抜き機構の設計では、可動部品間のクリアランスと部品間の位置決めを適切に設定することが重要です。金型の作動中に熱膨張が摺動クリアランスに及ぼす影響を考慮し、大型金型の嵌合クリアランスは0.2～0.3mm、成形部の突き合わせクリアランスは0.3～0.5mmを目安に、金型の大きさや加熱条件に応じて選定します。成形スライダーとスライダーシートの位置決めには角キーを使用します。コア抜き機構の潤滑も設計上の重要項目です。潤滑はダイカスト金型の連続稼働の信頼性に直接影響します。優れた潤滑システムは、ダイカストの生産性向上に欠かせません。
(4) 加熱・冷却回路の配置と熱バランス部品の選定を行います。
高温の溶湯が高圧・高速で金型キャビティに流入すると、金型インサートに大量の熱が伝わります。この熱をどのように取り除くかは、金型設計で必ず検討すべき課題であり、特に大型ダイカスト金型では重要です。熱バランスシステムは、ダイカスト部品の寸法と内部品質に直接影響します。迅速な取り付けと正確な流量制御は、最新の金型熱バランスシステムの開発傾向です。加工技術の発展に伴い、熱バランス部品は、部品メーカーが2次元・3次元データを提供し、設計者が必要に応じて選定する方式が主流になりつつあります。これにより、部品の品質を確保しながら設計期間を短縮できます。
(5) 押出機構を設計します。
押出機構は、機械式と油圧式に分けられます。機械式は設備に備わる押出機構を使用し、油圧式は金型に取り付けた油圧シリンダーで押し出します。設計では、押出力の合力中心と離型力の合力中心ができるだけ同心になるようにします。そのためには、押出機構に適切な押出方向、剛性、確実な作動安定性が必要です。大型金型では押出機構が重く、部品やフレームの重量で押出ピンがたわみ、押出不良が起こる可能性があります。また、金型の熱膨張も押出機構に大きく影響します。そのため、押出部品と金型フレームの位置決め、および押出ガイドポストの固定位置が非常に重要です。これらの金型では、通常、押出ガイドポストをテンプレートに固定し、テンプレート、スペーサー、金型フレームの位置決めには大径の丸ピンまたは角キーを使用します。これにより、熱膨張が押出機構に及ぼす影響を最小限に抑えられます。必要に応じて、転がり軸受やガイドプレートで押出部品を支持できます。押出機構の設計時には、部品間の潤滑にも注意します。北米の金型設計者は、押出部品の潤滑性を高めるため、可動側金型フレームの背面に押出ピン用の専用グリースプレートを追加することがよくあります。可動側金型フレームの底部に給油プレートを設け、押出ピンの貫通穴につながる油路を設けます。稼働中に潤滑油を補給して押出機構を潤滑し、かじりを防ぎます。
(6) ガイド機構と位置決め機構を設計します。
金型構造全体の中で、ガイド・位置決め機構は金型の安定性に最も大きく影響する要素であり、ダイカスト部品の寸法精度にも直接関わります。金型のガイド機構には、主に型締めガイド、コア抜きガイド、押出ガイドがあります。一般に、摩耗を抑えるため、特殊材料を用いた摺動部材を採用します。また、適切な潤滑も欠かせません。各摺動部の間には、必要な潤滑油路を設けます。特大スライダーのガイド構造には、一般に銅製ガイドブッシュと硬質ガイドポストを組み合わせたガイド方式を採用し、適切な位置決め構造によってスライダーの円滑な作動と正確な位置決めを実現します。
金型の位置決め機構には、主に可動型と固定型の位置決め、押出・復帰位置の位置決め、成形スライダーとスライダーシートの位置決め、押出部品と金型フレームの位置決めなどがあります。可動型と固定型の位置決めは可動側の位置決めであり、高い位置合わせ精度が必要です。小型金型では、成形インサート間の凸面と凹面をそのまま利用できます。大型ダイカスト金型では、熱膨張の影響を抑えるため、専用の位置決め機構が必要です。その他の位置決め構造は部品間の固定位置決めで、通常は丸ピンや角キーを使用します。成形インサート間の凸面と凹面を位置決めに利用することで、可動型と固定型を正確に合わせ、金型のずれを防ぎます。
(7) 真空、押出、排気機構などを設計します。
上記の構造に加えて、金型によっては真空システム、押出機構、波形プレート排気などの特別な要件があります。真空システムの設計では、主にシール構造を検討します。金型の通常使用温度において成形部品間の良好な密閉性を保つため、一般にシリコーンゴムをシール材として使用します。押出機構の設計では、押出のタイミングと量を制御し、押出効果を確保することが重要です。波形プレート排気は、排気を一箇所に集約する方式です。波形プレートによる排気は、特に薄肉のアルミ合金ダイカスト部品、緻密性が求められる耐圧部品、マグネシウム合金ダイカスト部品で広く使われています。波形プレートの隙間は十分に大きくする一方、ダイカスト工程中に溶湯が飛び散らないようにする必要があります。隙間は通常0.3～0.6mmに設定します。
