機械設計 #54：部品とフレームのAluminum選定 — 「Aluminum」で一括りにしない

「Aluminumを使う」は完全な材料仕様ではありません。A5052、A6061、A7075、Plate、Bar、Casting、Extrusionは、強度、剛性、加工、溶接、表面処理、腐食、熱膨張、費用、供給が異なります。

機能 → 荷重・環境 → Grade・Temper → Process → Joint・Tolerance → Surface → Verification → 保全

1. 機能から始める

Cover、Bracket、Datum、Load path、Moving member、Heat path、Clean surface、Wear itemのどれかを定義します。力、Moment、Vibration、Cycle、Stiffness、Deflection、温度、腐食、清浄、寿命を記録します。

2. A5052、A6061、A7075、Extrusionは同じではない

A5052はFormed sheetと耐食で使いやすく、A6061はMachined partと構造のBalanceが良く、A7075は高Strengthでも腐食、溶接、費用、供給に制約があります。ExtrusionはFrameを効率化しますが、Slot、Section、Joint、Surfaceの前提も設計です。正確なAlloy、Temper、Product form、Certificate、Supplierを確認します。

3. StiffnessとStrengthを分ける

AluminumのModulusはSteelより低く、Yieldを満たしてもSensor gap、Alignment、Seal、Repeatabilityを失うほど曲がることがあります。Bending、Torsion、Joint slip、Bearing、Buckling、Vibration、Thermal movementを確認します。

4. Machining design

Datum、Stock、Clamp、Tool reach、Thin wall、Pocket corner、Burr、Chip、Distortion、Inspectionを決めます。Heat-treated plateは加工後に動くことがあります。Datumを守るSupportと順序を指定します。

5. WeldingでLocal conditionが変わる

Heat affected zone、Distortion、Residual stress、Porosity、Access、Sequence、Post-weld treatmentを考えます。WeldしたA6061がParent materialと同じStrengthとは限りません。Weld procedure、Inspection、After-weld machining、Acceptanceを定義します。

6. FastenerとJoint

Thread engagement、Bearing、Pull-out、Galvanic contact、Preload、Slip、Insert、Washer、Access、Reuseを確認します。Aluminum threadはInsertが必要な場合があります。Extrusion jointはSlot、Friction、Bracket stiffness、Torqueを含め、Catalog loadだけを信じません。

7. Surface treatmentはFunction

Anodizing、Hard coating、Plating、Paint、Chemical film、Bare surfaceは、Thickness、Tolerance、Wear、Electrical contact、Corrosion、Appearance、Repairが違います。Treatment前Datum、Masking、Edge、Color、Inspection、Reworkを記録します。

8. GalvanicとEnvironment corrosion

Steel、Copper、Stainless、Carbon fiber、Coolant、Salt、Cleaning chemicalとの接触で腐食します。Isolation washer、Coating、Drainage、Seal、Compatible fastener、Inspectionを考えます。外観がきれいでも内部Jointが腐食することがあります。

9. ToleranceとThermal expansion

Aluminumは温度で動き、Steel、Glass、Plastic、Precision componentと膨張が違います。Reference temperature、Sliding/Fixed joint、Clearance、Datum、Slot、Preload、Measurementを決め、長いMemberの両端を固定する前にThermal stressを確認します。

10. Extrusion frame design

Span、Deflection、Joint、Cable path、Access、Guard、Load、Future modificationでSectionを選びます。Feet、Leveling、Diagonal stiffness、Panel、Vibration、Fastener torqueを確認します。大きいCatalog sectionでも自動的にRigidではありません。

11. Failure mode

Yield、Deflection、Fatigue、Buckling、Thread strip、Joint slip、Dent、Corrosion、Galvanic attack、Weld crack、Distortion、Surface wear、Burr、Thermal drift、Wrong grade、Mixed temper、Wrong orientation、Wrong fastenerを確認し、原因、影響、検出、Control、Evidenceを記録します。

12. Aluminum sensor frameの例

A6061 frameがVision cameraとGuardを支えるとします。CameraはRepeatable datum、GuardはImpactとAccess、FrameはTemperatureとVibrationを受けます。Extrusion、Machined plate、Welded constructionを比較し、Joint stiffness、Thermal movement、Insert、Surface、Cable、Adjustment、Inspectionを定義します。Assembly、温度、Guard removal、Maintenance後にCamera repeatabilityを検証します。

13. MaintenanceとReplacement

Grade、Temper、Surface、Datum、Fastener、Torque、OrientationをMarkします。JointとAdjustmentへAccessを用意し、AlternateとCertificateを記録します。Frame member交換後はPart numberだけでなく、Alignment、Grounding、Guarding、Baselineを再確認します。

14. Aluminum選定チェックリスト

[ ] Function、Load、Stiffness、Environment、Lifeを定義した。
[ ] Alloy、Temper、Product form、Certificate、Supplierを管理する。
[ ] Strength、Deflection、Thermal、Fatigue、Jointを確認した。
[ ] Machining、Welding、Extrusion、Distortion、Inspectionを計画した。
[ ] Fastener、Insert、Preload、Galvanic isolation、Accessを設計した。
[ ] Surface、Masking、Tolerance、Reworkを定義した。
[ ] Failure modeにControlとEvidenceがある。
[ ] Maintenance、Replacement、Alternate、Baselineを文書化した。

まとめ

Aluminum選定は材料名ではなく、FunctionとProcessの判断です。Grade、Temper、Form、Joint、Surface、Environment、Tolerance、Maintenanceを比較し、実際のAssemblyを検証します。理由があって軽く、寿命中も安定する部品とFrameを設計します。

15. DrawingとMaterial certificate

Alloy、Temper、Product form、Thickness、Surface、Heat treatment、Supplier、Certificate、Inspection、TraceabilityをDrawingまたは管理Specificationへ入れます。Title blockの「Aluminum」だけでは交換や監査に足りません。

16. Sectionの前にJointを設計する

FrameはMember、Bracket、Fastener、Feet、Panel、LoadのSystemです。Joint stiffness、Slip、Preload、Access、Reuse、Cable、Grounding、Guard attachmentを確認します。大きなExtrusionでも、柔らかいJointやTorque不足は補えません。

17. Machined、Welded、Extrudedの比較

Machined plateはDatumとCompact stiffnessを作れますが、Distortionと材料ロスがあります。Welded constructionは効率的でも、Procedure、Distortion control、Inspection、Local strengthが必要です。ExtrusionはModularityを作れますが、Gusset、Insert、Slot jointの管理が必要です。

18. ThermalとEnvironment test

ReferenceとWorst temperature、Cleaning、Guard removal、Maintenance後に、Datum、Sensor、Guard、Seal、Moving interfaceを測定します。Instrument、Condition、Sample、Acceptanceを保存し、室温だけの測定で終わらせません。

19. Aluminum Failure review

Fatigue、Joint loosening、Corrosion、Galvanic、Burr、Wrong temper、Surface damage、Thermal drift、Replacement mix-upをFMEAで確認し、Drawing、Assembly、Inspection、Spare、Baselineへリンクします。

20. Material change control

SupplierがAlloy、Temper、Extrusion source、Coating、Fastenerを変える時は、Technical dataを比較し、Load、Deflection、Corrosion、Joint、Surface、Lifeを再確認します。Commercial labelだけで置換しません。

21. Material baselineと保全

Grade、Temper、Surface、Datum、Fastener、Torque、Replacement orientation、CertificateをAssetとBaselineへ登録します。Frame memberを交換した後はAlignment、Grounding、Guarding、Sensor repeatability、Document、Spareも確認し、Part numberだけでReleaseしません。

公開参考資料

Aluminum Association — Aluminum standards and properties: https://www.aluminum.org/
ISO 6892-1 — Metallic materials tensile testing: https://www.iso.org/standard/78322.html

MINATAの技術記事をすべて見る