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自動車用バッテリーラインインテグレーターのメンテナンス エンジニアは、重量 186 kg の溶接鋼製機械フレームを交換する必要があります。同じ外側エンベロープに合わせて設計された T スロット アルミニウム フレームの重量は、加工前で約 64 kg です。その122kgの差が、 アルミニウムとスチールの密度 (2.70グラム/センチメートル 3 対約7.85グラム/センチメートル 3 ) は、構造材料の比較で最初に引用される数値の 1 つです。
しかし、密度だけでは何も決まりません。分析を開始するだけです。実際の結果は、密度が降伏強度、ヤング率、断面形状、および組み立て方法とどのように相互作用するかによって異なります。この記事では、参考値を示し、強度対重量と剛性の計算を説明し、アルミニウム押出形材と鋼材形材の実際的な選択フレームワークを示します。
スチールはアルミニウムよりも約 2.9 倍密度が高く、その比は一般的な構造グレード全体でほぼ一定のままです。アルミニウム 6061-T6 の寸法は 2.70 g/cm 3 、A36 炭素鋼の寸法は 7.85 g/cm 3 、ステンレス鋼 304 の寸法は約 8.00 g/cm 3 .
一般的な構造金属の密度 (g/cm) 3 。スチールはアルミニウムの約 3 倍の密度があります。
インペリアル単位では、アルミニウム 6061 は 0.098 ポンド/インチです。 3 0.284ポンド/インチのスチール 3 、同じ 2.9 倍の比率を維持します。合金化による値の変化はわずかです。7075-T6 は 2.81 g/cm に達します。 3 、一方、高強度鋼とステンレス鋼は 7.75 ～ 8.10 g/cm にとどまります。 3 範囲。
以下の表は、工業用フレームで定期的に競合する 5 つの金属の降伏強度、弾性率、比強度を追加したものです。
| 材質 | 密度 g/cm 3 | 降伏MPa | EGPa | 比強度 kN・m/kg |
| アルミニウム 6061-T6 | 2.70 | 276 | 68.9 | 102 |
| アルミニウム 7075-T6 | 2.81 | 503 | 71.7 | 179 |
| スチールA36 | 7.85 | 250 | 200 | 32 |
| 鋼 A572 グレード 50 | 7.85 | 345 | 200 | 44 |
| ステンレス304 | 8.00 | 205 | 193 | 26 |
降伏を制限した設計では、アルミニウム 6061-T6 は、同じ重量で A36 鋼の約 3 倍の耐荷重を実現します。
比強度は、降伏強度を密度で割ったものに等しい。 1キログラムの材料が降伏するまでにどれだけの荷重を耐えることができるかを表します。
5 つの構造等級について数値を計算すると、パターンが明確になります。
押出成形品のサプライヤーはこれを実用的な形状に変換します。壁厚 2.0 mm の高強度 3030 プロファイルは、1 メートルあたりの質量がわずかに増加するだけで、標準の 3030 セクションよりも著しく高い荷重を支えます。多くの場合、壁の厚さを指定する方が、より大きなシリーズにジャンプするよりも耐荷重を早く実現できます。
HS-8-3030A 高強度 3030 T スロット アルミニウム プロファイル、壁厚 2.0 mm 厚さ 2.0 mm の壁と 0.85 kg/m の重量を備えたこの 30x30 mm のプロファイルにより、標準の 3030 セクションよりも耐荷重が向上し、剛性が重要な疲労とたわみが制限されたフレームにとって実用的な選択肢となります。 製品を見る→ 疲労はイメージを変えます。鋼の疲労耐久限界はその極限強度の約 40 ～ 50% であり、その応力以下では無限に繰り返し使用できることを意味します。アルミニウムには真の耐久性の限界がないため、サイクル性の高い用途では、重量を犠牲にしてでもスチールを使用することが正当化されることがよくあります。
剛性が制御されたビームの場合、密度だけを比較することはありません。曲げ剛性を比較します。曲げ剛性は、ヤング率 (E) と断面の慣性モーメント (I) の積です。スチールビームの 2.9 倍の高い弾性率は、中立軸からより多くの材料を運ぶアルミニウムセクションの能力によって相殺されます。
100 x 100 x 3 mm の鋼製角管の慣性モーメントは 1.83 x 10 です。 6 mm 4 重さは9.1kg/mです。アルミニウム製 120 x 120 x 5 mm 角チューブの慣性モーメントは 5.08 x 10 6 mm 4 .
曲げ剛性比: (68.9 GPa x 5.08) / (200 GPa x 1.83) = 0.96、鋼製部材の剛性の 4% 以内。重量: 6.2 kg/m 対 9.1 kg/m、32% 節約。
アルミニウム部分をスチールの重量と一致するまでスケールすると、170 x 170 x 5 mm のチューブはスチールの約 2.8 倍の曲げ剛性を実現します。
T スロット アルミニウム押し出し材を使用すると、この幾何学効果を簡単に活用できます。強化壁、深いスロット、幅広のフランジを備えた中空プロファイルは、1 キログラムあたりの高い慣性モーメントを提供します。これは、たわみが制限されたフレームにまさに必要なものです。
HS-8-4040D 高強度 4040 T スロット アルミニウム プロファイル、壁厚 3.2 mm この 40x40mm のプロファイルは、3.2 mm の厚みのある壁を備えており、事前に開けられた穴がないため、1 キログラムあたりの高い剛性を実現します。柱の座屈やたわみが設計上の重要な考慮事項となる重量フレームに適しています。 製品を見る→ 座屈により別の層が追加されます。コラムの座屈荷重は、EI を支持されていない長さの 2 乗で割った値に依存するため、より深いアルミニウム セクションから作られたフレーム脚は、同じ安定性の利点を継承します。高い垂直柱を備えたフレームの場合、これは降伏強度よりも重要です。
選択ルールは直接的です。質量、腐食、モジュール性、または加工コストが重要な場合にはアルミニウムを使用します。固定エンベロープ内の単位体積あたりの剛性、温度耐性、または原材料コストが重要な場合は、鋼を使用します。
一般的なハイブリッド ソリューションでは、アルミニウム製の T スロット上部構造の下にスチール製のベース プレートと頑丈な脚が配置されています。スチールは集中したアンカー荷重を支えますが、アルミニウムフレームは頭上の重量を低く抑えます。
要求の厳しい機械フレームについては、上海恵州アルミ工業技術有限公司などのメーカーが提携しています。 耐久性の高い 6061 プロファイル カスタム金型の作成、CNC 加工、陽極酸化表面仕上げを備えています。 40 mm ～ 120 mm の重荷重シリーズにより、エンジニアは壁の厚さとスロットの形状を剛性の目標に合わせることができます。
HS-10-4545 耐久性の高い 4545 T スロット アルミニウム押出材、壁厚 2.4 mm この 45x45mm の頑丈なプロファイルは、高強度 6063-T5 合金と高トルク接続用の 10.2mm スロットを使用しています。最大の安定性が求められる大型機械ベースや点荷重構造に最適です。 製品を見る→ 設計で集中点荷重を耐える必要がある場合は、密度比のみに依存するのではなく、サポートされていないスパンのたわみを確認してください。 30、40、および 45 シリーズには、中荷重および重荷重に対応する肉厚の高強度プロファイルが含まれています。
アルミニウム 6061-T6 は 2.70 g/cm 3 (2,700kg/m 3 、0.098ポンド/インチ 3 ）。炭素鋼 A36 は 7.85 g/cm 3 (7,850kg/m 3 、0.284ポンド/インチ 3 ）。ステンレス鋼 304 は約 8.00 g/cm 3 。したがって、スチールはアルミニウムよりも約 2.9 倍密度が高くなります。
通常はそうです。アルミニウム 6061-T6 の比強度は約 102 kN-m/kg ですが、A36 鋼の比強度は 32 kN-m/kg、A572 グレード 50 の比強度は 44 kN-m/kg です。降伏が 690 MPa 付近の非常に高張力鋼のみが、6061-T6 の重量効率に近づき始めます。
セクションを深くするスペースのない剛性重視の設計、150°C を超える連続使用、高サイクル疲労、純粋に材料コスト重視のプロジェクト。このような場合には、スチールの高い弾性率、有用な耐久限界、そしてより低い価格が有利になります。
多くのマシン構築では総設置コストが低くなるためです。 T スロット押し出し成形により溶接と位置合わせが不要になり、標準コネクタを使用でき、陽極酸化処理時の洗浄環境にも耐えられ、将来のレイアウト変更に合わせて再構成できます。
