はじめに

機械設計では、製缶部品を使う場面が多くあります。

製缶部品とは、鋼板、角パイプ、アングル、チャンネル、フラットバーなどを切断し、溶接して作る部品のことです。

たとえば、

  • 架台
  • ベースフレーム
  • 機械フレーム
  • 支持ブラケット
  • モーター台
  • ガイド取付ベース
  • タンク
  • シュート
  • ダクト
  • 大型カバーの骨組み
  • 装置の土台

などがあります。

製缶部品は、大きな構造物を作るときに非常に便利です。

切削加工で大きな一体部品を作るよりも、材料費や加工費を抑えやすい場合があります。

しかし、製缶部品には注意点もあります。

特に重要なのが、
溶接によるひずみ
と
溶接後の機械加工
です。

初心者のうちは、

「溶接すれば一体になる」
「角パイプを組めばまっすぐなフレームになる」
「図面通りに溶接すれば寸法は出る」
「穴や取付面は先に加工しておけばよい」
「大きな部品でもCAD通りにできる」

と考えてしまうことがあります。

しかし実務では、製缶部品は溶接で熱が入るため、反り、ねじれ、曲がり、寸法ズレが発生しやすい部品です。

今回は、機械設計初心者向けに
「製缶部品でひずみや後加工を考える」
というテーマで解説します。

製缶部品とは何か

製缶部品とは、板材や鋼材を切断し、溶接で組み合わせて作る部品です。

「缶」と書きますが、タンクのような箱物だけを指すわけではありません。

機械設計の実務では、溶接で組み立てる構造部品全般を製缶部品と呼ぶことがあります。

よく使われる材料には、

  • 鋼板
  • 角パイプ
  • 丸パイプ
  • アングル材
  • チャンネル材
  • H形鋼
  • フラットバー
  • 丸棒
  • 切削加工部品

などがあります。

これらを組み合わせて、必要な大きさ、形状、強度を持つ部品にします。

製缶部品は、装置の土台やフレームなど、機械全体を支える重要な部品になることが多いです。

そのため、見た目の形状だけでなく、強度、剛性、加工精度、組立性まで考える必要があります。

製缶部品は大きな構造に向いている

製缶部品の大きなメリットは、大きな構造を作りやすいことです。

たとえば、大きな装置ベースをすべて切削加工で作ろうとすると、非常に大きな材料が必要になります。

材料費も高くなり、加工できる機械も限られます。

一方、製缶構造にすれば、角パイプや鋼板を組み合わせて必要な形状を作ることができます。

そのため、装置架台やフレームでは製缶構造がよく使われます。

また、板材や鋼材を組み合わせることで、必要な部分にだけ強度を持たせることもできます。

ただし、製缶部品は溶接で作るため、切削部品のような高い寸法精度を全体に求めるのは難しい場合があります。

製缶部品では、
大きな構造を作ることは得意だが、精密部品として扱うには工夫が必要
と考えるとわかりやすいです。

製缶部品でひずみが出る理由

製缶部品でひずみが出る大きな理由は、溶接による熱です。

溶接では、接合部に高い熱を加えます。

熱が入った部分は膨張し、冷えると収縮します。

この収縮によって、部材が引っ張られ、反りや曲がりが発生します。

たとえば、板の片側にだけ溶接ビードを入れると、その部分が縮んで板が反ることがあります。

角パイプフレームでも、片側に熱が集中すると、フレーム全体がねじれたり、対角寸法がずれたりすることがあります。

製缶部品のひずみは、

  • 材料の板厚
  • 部材の長さ
  • 溶接量
  • 溶接位置
  • 溶接順序
  • 固定方法
  • 部材の形状
  • 熱の入り方

によって変わります。

設計者は、製缶部品ではひずみが出ることを前提に考える必要があります。

長い部材は曲がりやすい

製缶部品では、長い部材に注意が必要です。

長い角パイプ、長いフラットバー、長いチャンネル材などは、溶接や加工によって曲がりやすくなります。

図面上では直線でも、実際の部材には材料自体の曲がりや反りがある場合があります。

さらに、そこへ溶接熱が入ることで、変形が大きくなることがあります。

たとえば、長い架台フレームで片側にプレートを溶接すると、フレームがわずかに反ることがあります。

長いベースに多数のリブを溶接すると、全体が弓なりになることもあります。

設計時には、

長い部材に熱が集中しないか
片側だけに溶接が偏っていないか
後加工で基準面を出せる構造か
必要以上に長い一体部品にしていないか

を確認することが大切です。

長い製缶部品では、直角・平行・平面をどこまで求めるのかを慎重に考える必要があります。

薄い板は反りやすい

製缶部品では、薄い板を溶接すると反りやすくなります。

薄板は剛性が低いため、溶接時の熱収縮の影響を受けやすいからです。

たとえば、薄いプレートに補強リブを溶接すると、プレート全体が反ることがあります。

カバーやシュートのような薄板部品でも、溶接位置や溶接量によっては形状が安定しにくくなります。

薄板を製缶構造に使う場合は、

  • 溶接量を必要以上に増やさない
  • 断続溶接を検討する
  • 曲げやリブで剛性を上げる
  • 板厚を見直す
  • 溶接ではなくボルト止めを検討する
  • 重要面から溶接部を離す

といった考え方が必要です。

薄い板に強度や精度を求めすぎると、製作が難しくなります。

薄板では、溶接で固定することと、形状を安定させることを分けて考えましょう。

溶接量が多いほどひずみやすい

製缶部品では、溶接量にも注意が必要です。

溶接を多く入れると、それだけ熱が多く入ります。

熱が多く入れば、収縮量も増え、ひずみが大きくなりやすくなります。

初心者のうちは、
「強くしたいから全周溶接」
「外れたら困るから全部溶接」
と考えてしまうことがあります。

もちろん、強度、水密、気密、安全上の理由で全周溶接が必要な場合はあります。

しかし、すべての接合部に全周溶接が必要とは限りません。

位置保持や軽い固定であれば、断続溶接で十分な場合もあります。

設計時には、

なぜその溶接が必要なのか
全周溶接が必要なのか
断続溶接でよいのか
溶接長さや脚長は適切か
ひずみに対して不利な溶接量になっていないか

を確認することが大切です。

溶接量は、強度だけでなく、ひずみとコストにも関係します。

左右対称に溶接できる構造はひずみを抑えやすい

製缶部品では、片側だけに溶接が集中するとひずみが出やすくなります。

反対に、左右や上下でバランスよく溶接できる構造は、ひずみを抑えやすくなります。

たとえば、片側だけに大きなプレートを溶接すると、その側へ引っ張られて反りやすくなります。

左右に同じような部材を配置できれば、熱の入り方や収縮のバランスを取りやすくなります。

もちろん、実際の溶接順序や治具の使い方にもよります。

設計者が溶接順序まで細かく指示する必要はない場合もあります。

しかし、設計段階で、

片側だけに溶接が偏っていないか
補強材の配置が偏っていないか
熱が集中する場所がないか

を確認することは大切です。

ひずみを完全に消すことは難しくても、ひずみが出にくい形状にすることはできます。

精度が必要な面は後加工を考える

製缶部品で重要なのが、溶接後の機械加工です。

製缶部品は溶接でひずみが出るため、溶接前に精度面を加工しても、溶接後にずれてしまうことがあります。

そのため、精度が必要な面は、溶接後に加工することがあります。

たとえば、

  • モーター取付面
  • ベアリング取付面
  • リニアガイド取付面
  • シリンダ取付座
  • ロボットベース取付面
  • 装置据付面
  • 基準面
  • 高さ決め面

などです。

これらは、溶接後にフライス加工や穴加工を行うことで、必要な精度を出します。

設計時には、

どの面を溶接後に加工するのか
どの寸法を保証したいのか
加工するための基準面はどこか
加工機に載せられる大きさか

を考える必要があります。

製缶部品では、後加工を前提にした設計が非常に重要です。

穴も溶接後加工が必要な場合がある

製缶部品では、穴加工のタイミングも重要です。

部材単体の段階で穴をあけておいても、溶接後に穴位置がずれることがあります。

特に、相手部品と正確に合わせる必要がある穴では注意が必要です。

たとえば、

  • リニアガイド取付穴
  • モーター取付穴
  • ベアリングユニット取付穴
  • 位置決めピン穴
  • 装置据付穴
  • 相手機械との接続穴
  • 高さや平行度に関係する穴

などです。

これらは、溶接後にまとめて加工した方が精度を出しやすい場合があります。

一方で、単なるカバー取付穴や、多少位置ズレを吸収できる余裕穴であれば、溶接前加工でよい場合もあります。

設計時には、

その穴は精度が必要か
相手部品との関係が厳しいか
長穴や調整代で逃がせるか
溶接後加工できる位置か

を確認しましょう。

すべての穴を後加工にするとコストが上がるため、必要な穴だけを見極めることが大切です。

後加工するには加工代が必要

溶接後に機械加工する場合、加工代が必要になります。

加工代とは、後で削って仕上げるために、あらかじめ少し余分に材料を残しておく部分です。

たとえば、溶接後に取付面をフライス加工する場合、その面に削り代がなければ、きれいに面を出せないことがあります。

溶接ひずみで面が反っている場合、加工代が少なすぎると、一部だけ削れて、一部は黒皮や溶接前の面が残ることもあります。

後加工を考えるときは、

加工代をどれくらい取るか
どの面を仕上げるか
削った後に必要な寸法になるか
加工後の板厚や強度は問題ないか

を確認します。

加工代を忘れると、後加工するつもりでも仕上げられない図面になってしまいます。

製缶部品では、
後で削る面には削るための余裕を持たせる
ことが大切です。

加工基準をどこにするか考える

製缶後加工では、加工基準が重要です。

加工基準とは、加工機に部品をセットするときの基準になる面や線のことです。

製缶部品は溶接ひずみがあるため、どこを基準にするかによって加工後の寸法が変わります。

たとえば、架台の上面を加工したい場合、下面を基準に置くのか、側面を基準にするのかで仕上がりが変わります。

取付穴を加工する場合も、どの面から寸法を追うのかが重要です。

設計時には、

機能上の基準面はどこか
加工時に安定して置ける面はどこか
加工者が基準を取りやすい形状か
図面寸法の基準と加工基準が合っているか

を考えます。

基準があいまいな図面では、加工者が判断に迷います。

製缶部品ほど、基準面の考え方が重要になります。

大きすぎる製缶部品は後加工できないことがある

製缶部品では、部品サイズにも注意が必要です。

大きなフレームや架台は、溶接して作ることはできても、機械加工できない場合があります。

加工機に載らない。
加工範囲に入らない。
重量が重すぎる。
固定が難しい。
加工工具が届かない。

このような問題が出ることがあります。

設計時には、

溶接後に加工する必要があるか
必要なら加工機に載るサイズか
分割して加工した方がよいか
現地加工が必要になるのか
後加工しないで済む構造にできないか

を確認することが大切です。

大型製缶品では、設計段階で加工先や製作先に相談することが非常に重要です。

CAD上で作れる大きさと、実際に加工できる大きさは違います。

分割構造にした方がよい場合がある

製缶部品は、一体構造にすると強そうに見えます。

しかし、すべてを一体にすればよいわけではありません。

一体にすると、

  • 大きすぎて加工できない
  • 運搬しにくい
  • 溶接ひずみが大きくなる
  • 塗装や表面処理がしにくい
  • 現地搬入できない
  • 修理や交換が大変
  • 後加工の段取りが難しい

といった問題が出ることがあります。

そのような場合は、分割構造にすることを考えます。

たとえば、

  • 架台を左右に分ける
  • フレーム本体と取付座を別部品にする
  • 精度が必要な部分だけ切削部品にする
  • 摩耗部品をボルト止めにする
  • 現地でボルト組立できる構造にする

といった方法です。

製缶部品では、一体化する部分と分割する部分をうまく分けることで、作りやすく、扱いやすい構造になります。

製缶部品の公差は切削部品と同じに考えない

製缶部品では、公差の考え方にも注意が必要です。

切削加工部品と同じ感覚で、製缶部品全体に厳しい公差を入れると、製作が難しくなります。

製缶品は、切断、仮付け、溶接、ひずみ、仕上げ、後加工という流れで作られます。

そのため、全体寸法や溶接部材の位置には、ある程度のばらつきが出ます。

もちろん、必要な取付面や穴位置には精度が必要です。

しかし、機能に関係しない外形寸法まで厳しくすると、不要なコストアップにつながります。

設計時には、

製缶のままでよい寸法
溶接後加工で精度を出す寸法
組立時に調整できる寸法
一般公差でよい寸法

を分けて考えることが大切です。

製缶部品では、すべてを高精度にするのではなく、必要な部分に精度を集中させます。

取付座を設ける考え方

製缶フレームに精密部品を取り付ける場合、取付座を設けることがあります。

取付座とは、モーター、ガイド、シリンダ、センサーなどを取り付けるための座面です。

製缶フレームに直接穴をあけるのではなく、プレートやブロックを溶接し、その面を後加工して取付面にします。

この方法を使うと、フレーム全体を高精度に加工しなくても、必要な部分だけ精度を出しやすくなります。

取付座を設計するときは、

  • 座面の大きさ
  • 板厚
  • 溶接位置
  • 後加工代
  • 取付穴の位置
  • 相手部品との干渉
  • 加工工具の入りやすさ

を確認します。

精度が必要な部品を取り付ける場所では、
製缶部品に後加工用の取付座を設ける
という考え方が非常に有効です。

黒皮材や鋼材の表面状態も考える

製缶部品では、黒皮材や一般鋼材を使うことがあります。

黒皮とは、鋼材の表面にある酸化皮膜のような表面状態です。

このまま使える面もありますが、精度面や密着面には向かない場合があります。

たとえば、モーター取付面やガイド取付面が黒皮のままだと、部品が正しく密着しないことがあります。

また、塗装やメッキを行う場合、表面処理の前処理も関係します。

設計時には、

黒皮のままでよい面か
機械加工して仕上げる面か
塗装前に処理が必要か
相手部品が密着する面ではないか

を考えることが大切です。

製缶部品では、材料の表面状態まで意識すると、図面の指示がより実務的になります。

溶接ビードと後加工面の干渉に注意する

製缶部品で見落としやすいのが、溶接ビードと後加工面の干渉です。

溶接ビードが後加工する面の近くにあると、加工工具が当たったり、平面加工の邪魔になったりすることがあります。

また、ボルト座面の近くに溶接ビードがあると、ボルトやワッシャが正しく座らない場合があります。

設計時には、

溶接ビードが取付面に干渉しないか
加工工具が入るスペースがあるか
ボルト座面の近くにビードがないか
ビード仕上げが必要ではないか

を確認します。

必要であれば、溶接位置をずらしたり、逃げを設けたり、ビード仕上げを指示します。

製缶部品では、溶接後の実際の形状を想像することが大切です。

塗装や表面処理の前に後加工するか考える

製缶部品は、溶接後に塗装やメッキを行うことがあります。

その場合、後加工と表面処理の順番を考える必要があります。

一般的には、溶接後に機械加工し、その後に塗装や表面処理を行うことが多いです。

しかし、取付面は塗装しない方がよい場合もあります。

たとえば、精密部品を取り付ける面に厚い塗膜があると、部品が浮いたり、寸法が変わったりすることがあります。

また、アースを取る面では塗装が邪魔になる場合もあります。

設計時には、

機械加工面を塗装するのか
塗装禁止面が必要か
マスキング指示が必要か
塗装膜厚が寸法に影響しないか

を考えます。

製缶部品では、溶接、後加工、表面処理、組立の順番を意識することが重要です。

図面では製缶後加工を明確にする

製缶部品の図面では、製缶後加工を明確にすることが大切です。

たとえば、

  • 溶接後加工の指示
  • 機械加工面の指定
  • 加工基準面
  • 後加工する穴
  • 加工代
  • 塗装禁止面
  • 仕上げ面
  • 重要寸法
  • 溶接記号
  • 溶接後の全体寸法

などです。

図面でこれらがあいまいだと、製作側が判断に迷います。

特に、製缶と機械加工が別の業者になる場合は、情報の伝達が重要になります。

「製缶屋で溶接してから機械加工へ回す」
「加工後に塗装する」
「塗装後に購入品を組み付ける」

という流れを図面で意識しておくと、手戻りを減らせます。

製缶部品の図面は、完成形だけでなく、製作工程を伝える図面でもあります。

初心者が確認したいポイント

製缶部品を設計するときは、次のような内容を確認するとよいです。

  • 溶接ひずみが出ることを考えているか
  • 長い部材が反りやすくないか
  • 薄板に溶接を集中させていないか
  • 溶接量を必要以上に増やしていないか
  • 片側だけに溶接が偏っていないか
  • 精度が必要な面は後加工になっているか
  • 後加工するための加工代はあるか
  • 加工基準面は明確か
  • 穴は溶接前加工でよいか、後加工が必要か
  • 大きすぎて後加工できない部品ではないか
  • 分割構造にした方がよくないか
  • 製缶のままでよい寸法と加工精度が必要な寸法を分けているか
  • 取付座を設けた方がよくないか
  • 黒皮のままでよい面か
  • 溶接ビードが取付面や加工面に干渉しないか
  • 塗装禁止面やマスキング指示が必要ではないか
  • 図面で製缶後加工が伝わるか

製缶部品では、形状だけでなく、溶接後の状態と加工工程を考えることが大切です。

まとめ

製缶部品は、板材や鋼材を溶接して作る構造部品です。

架台、フレーム、ベース、取付座、シュート、ダクトなど、機械設計では非常によく使われます。

製缶部品では、

溶接ひずみ
長い部材の反り
薄板の変形
溶接量
後加工
加工代
加工基準
穴加工のタイミング
分割構造
取付座
黒皮面
塗装や表面処理

を考える必要があります。

製缶部品は、大きな構造を作りやすい便利な加工方法です。

しかし、切削部品と同じ感覚で高い精度を求めると、製作が難しくなります。

良い製缶設計とは、
製缶で作る部分と、後加工で精度を出す部分を分けて考えた設計
です。

初心者のうちは、まず次の3点を意識するとよいです。

溶接するとひずみが出る
精度が必要な面や穴は後加工を考える
後加工には加工代と基準面が必要

この考え方を持つだけで、製缶部品の図面はかなり実務に近づきます。

次回は、
「材料取りと標準材を意識した設計」
について解説します。