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金属加工とは?加工法の種類や特徴・一覧

金属からいろいろな製品を作るためには、金属を加工する必要があります。しかし金属の加工にはさまざまな方法があり、それぞれの特徴や長所・短所など、なかなかわかりにくいものです。この記事では、金属加工の具体的な種類を紹介しつつ特徴を説明します。

金属加工を検討中なら、自分に適した方法が分かります。御社でどのような製品を作りたいのかをイメージしながらお読みください。


目次[非表示]

  1. 金属加工とは?
  2. 金属加工と機械加工
  3. 金属加工の種類と特徴
  4. 金属加工法の特徴一覧
  5. まとめ


金属加工とは?


「金属加工」は、金属で製品を作るために素材の金属に手を加えることです。加工の目的は様々で、形を作る加工・強度を高める加工・腐食を防ぐための加工などがあります。また、それぞれの目的に対してさまざまな種類の加工方法があります。この記事では、主に形を作るための加工についてまとめます。


金属加工と機械加工


金属を加工するには、工作機械と呼ばれる専用の機械を使います。機械を使って材料を加工することを「機械加工」と呼びます。機械加工ということばは、金属加工とほぼ同じ意味で使われています。

しかし機械加工はさまざまな使われ方をすることばで、とくに金属加工の種類の中でも工作機械がよく用いられる「除去加工」を指して「機械加工」と呼ぶこともあります。


金属加工の種類と特徴


金属加工は、次の3種類に大きく分けられます。

  • 除去加工
  • 成形加工
  • 付加加工

それぞれについて、具体的に見ていきましょう。


除去加工(切削加工)

「除去加工」は、金属から不要な部分を取り除く加工のことを指します。製品を目的の形に成形するために行われます。一部を除去するので、切り屑が出ること・質量が減ることが特徴です。仕上がりの精度が高い製品を生産できるというメリットがあります。自動制御の機械を使う場合、加工のプログラムを作ってしまえば同じ寸法の製品を大量生産することもできます。ただし加工に時間がかかり、材料の無駄が出て歩留まりが悪くなるのがデメリットです。

主な除去加工の具体例としては、次の加工が挙げられます。


■主な除去加工の種類

  • 旋盤加工
  • ねじ切り加工
  • 研磨加工

具体的に見ていきます。


旋盤加工

「旋盤加工」は、回転させた材料に切削工具を押し当てて外周を削ったり穴をあけたりすることです。旋盤加工は旋盤機を使って行います。プログラム制御が可能な旋盤機のことを「NC旋盤」といいます。NC旋盤に対して、プログラム機能が付いていない旋盤機を「汎用旋盤」「普通旋盤」ともいいます。

そのほか旋盤機に似た道具として、材料ではなく工具を回転させて削る道具があります。具体的例としては「マシニングセンタ」「フライス盤」などが挙げられます。

鉄・アルミ・銅・ステンレスなど、さまざまな材質の製品が旋盤加工によって作られています。材料を回転させるため、とくに円筒形の製品を作るのに向いています。金属加工には欠かせない方法で、身の回りのあらゆる機械製品に旋盤で作られた部品が使われています。


ねじ切り加工

「ねじ切り加工」は、ねじのらせん状のギザギザ部分を作ることです。ねじやボルトのように外側にギザギザがあるものを「おねじ」、ナットやねじ穴など内側にギザギザがあるものを「めねじ」といいます。ねじ切り加工は両方のねじの加工を指します。なお参考までに、ねじの頭部にある「+-」の穴は「ねじ穴」ではなく「駆動部」といい、ねじ切り加工とは無関係です。

おねじを作るのには「ダイス」、めねじを作るのには「タップ」と呼ばれる工具を使います。どちらも溝を作るための刃がついており、ハンドルに固定して手作業で溝を切ります。ねじ山の角度や形状には規格があります。ねじ山同士の距離「ピッチ」がおねじ・めねじで合っていないと固定することができません。ねじの材質には鉄・真鍮・ステンレスが主に使われます。

なおねじ山を作る方法としては、除去加工による方法のほか、後ほど説明する「塑性加工」で作る方法もあります。


研磨加工

「研磨加工」は、簡単に言うと表面を磨くことです。製品より硬度のある「砥粒」を使って、製品の表面をわずかに削って凹凸をなくし滑らかにすることをいいます。砥粒と水を混ぜた「スラリー」で研磨する「遊離砥粒方式」と、砥粒を固めた砥石で研磨する「固定砥粒方式」があります。砥粒を使った研磨のほかにも、「パフ研磨」などがあります。

研磨加工に似た加工に「研削加工」があります。どちらも砥粒を使った加工ですが、両者には違いがあります。研削加工は砥石を高速回転させて一定の切り込みを加えて削る作業で、「運動制御方式」に当たります。これに対して研磨加工は工具を一定の圧力で押し当てて摩擦によって磨く作業で、「圧力制御方式」による加工方法です。

研磨加工は精度や美観が求められる製品の仕上げに行われるのが一般的です。ステンレス・鉄・鋼・銅・アルミなどの素材が主な対象です。


成形加工

「成形加工」は、金属に圧力や熱を加えて変形させることをいいます。変形なので、切り屑が出ることがなく加工の前後で質量も変わりません。除去加工よりも生産性が高い(無駄が出ない)ことが特徴です。まず成形作業でおおもとの形を作って、除去作業で精密な完成形にしていくこともよくあります。

主な成形加工の種類には、次の例があります。


■主な成形加工の種類

  • 鋳造
  • 塑性加工

それぞれ具体的に見ていきます。


鋳造

「鋳造」は、作りたい製品の形をした空洞になっている「型」に、液状に溶かした金属を流し込んで冷やし固めて成形することです。この型を「鋳型」といいます。また鋳造によって作られた製品を「鋳物(いもの)」と呼びます。鋳造は鋳型の材料や方法によって多くの種類に分かれます。設備・道具としては、鋳型のほか「ダイカストマシン」・炉・砂づくりのシステムや造形の機械などが必要です。ただし鋳造方法や規模によって使われる設備が異なります。

分かりやすい例ではマンホール、そのほか自動車の部品製造においてタイヤのホイールをはじめ多くの部品で使われている加工方法です。大きさの制限がないので大きな加工物を作ったり、複雑な形の製品を大量生産したりするのに適しています。鉄・銅・アルミ・ブロンズ(すずと銅の合金)などを加工するのに使われています。


塑性加工

「塑性加工」とは、金属に圧力をかけて目的の形に変形させることです。「塑性」とは金属を変形させたあとも変形が残る・元に戻らない性質のことをいいます。塑性加工は金属の塑性を活かした加工方法で、鋼・銅・アルミニウムなどを加工するときに使われます。

具体的な塑性加工の技術としては、金型に圧着させて変形させる「プレス加工」やハンマーなどで金属をたたいて成形する「鍛造」のほか、「圧延」「転造」「押し出し」などがあります。それぞれ特徴とメリット・デメリットがあるため、目的に合った方法を選びます。加工の目的と方法に合わせて、「プレス機」「圧延機」「転造盤」「押出機」「伸線機」などを利用します。


付加加工

「付加加工」は文字通り要素に要素を付け加えることで、金属の材料と材料を接合することをいいます。当然ですが加工をした後は質量が増えます。

付加加工の具体的な方法としては以下の種類があります。


■主な付加加工の種類

  • 溶接
  • ロウ付け
  • はんだ付け

このほか、近年注目を浴びている金属3Dプリンターによる積層造形も付加加工とされます。ここでは上記の3つについて見ていきます。


溶接

「溶接」は、熱や圧力を加えて金属同士を接合することです。溶接の加工方法は60種類以上あると言われています。金属を熱で溶かして接合する方法は「融接」、熱して圧力を加えて接合する方法は「圧接」と呼ばれます。融接・圧接どちらも結合する部分自体を溶かすのが特徴です。

それぞれの具体例としては、融接には「アーク溶接」「レーザー溶接」などが、圧接には「スポット溶接」「プロジェクション溶接」などがあります。溶接の方法によりますが、「溶接機」やガス、「摩擦圧接機」を用いて加工します。

溶接の種類により結合する金属は多少違います。融接はアルミ・ステンレス・鉄など、圧接はステンレスやニッケルなどの加工に使われます。気密性が高いなどのメリットがありますが、母材を加熱する際に変形伸縮してしまう可能性もあります。


ロウ付け

「ロウ付け」は、金属の部品と部品の間に溶かしたロウを流し込み、冷やし固めて接合する方法です。部品を加熱しますが、部品そのものは溶かさない点が溶接と異なります。ロウが接着剤の役割を果たして接合するイメージです。ブロックに細いパイプを接合したり、棒やパイプの先端に球を接合したりする場合に適しています。

「ロウ」と言ってもろうそくのろうではなく、ロウ付けで使う「ロウ材」は金属を混ぜ合わせたものです。銀・亜鉛・銅が混ざった「銀ロウ」がポピュラーですが、「アルミロウ」「銅ロウ」もあり、接合する素材によって使い分けます。銀ロウは汎用性が高く、アルミ・マグネシウム以外の母材にオールマイティーに使えます。融点が違う金属同士の接合にも利用できます。ロウ付けしやすい素材としてはステンレス鋼や鉄鋼などがあります。

ロウ材のほか、耐熱レンガやセラミックボード・ガスバーナーなどの道具があれば作業が可能です。


はんだ付け

「はんだ付け」も、はんだを接着剤のようにして金属同士を接合する加工方法です。ロウ付けと似ていますが、ロウは融点が450度以上なのに対してはんだは450度以下という違いがあります。はんだ付けは金属同士の接合のほか、電子基板などにも使われています。

はんだは鉛とすずの合金ですが、近年は鉛フリーのはんだが使われるようになっています。はんだは接合しやすくする薬品の「フラックス」と合わせて使います。フラックスは、はんだの中に含まれている場合と塗布する場合とがあります。はんだのほか、はんだごて・こて台・ニッパー・温度計などを使います。

ロウ付けほどは強度がないので、「機械的強度」(圧縮や引張など物理的な外力に対する耐久力を表す指標)が必要とされない場面で使用されます。すず・銀・金・銅などを加工するのに適しています。ステンレスには向かないとされてきましたが、近年ステンレス用のはんだも作られるようになりました。


金属加工法の特徴一覧


金属加工は目的に合わせて加工方法を選ぶ必要があります。以下に、おおまかな目安として特徴を一覧にまとめました。



目的
精度
強度
量産性
素材
旋盤加工

表面を削って精度の高い形状にする

◎〇※


〇△※

鉄・アルミ・銅・ステンレスなど

ねじ切り加工

ねじのギザギザ部分を作る

鉄・真鍮・ステンレスなど

研磨加工

表面を滑らかにして仕上げる・精度を高める

◎〇※


ステンレス・鉄・鋼・銅・アルミなど

鋳造

製品の形を作る

〇△※

◎〇※

鉄・銅・アルミ・ブロンズなど

塑性加工

製品を変形させる

◎〇※

鋼・銅・アルミニウムなど

溶接

金属同士を接合する

◎〇※

アルミ・ステンレス・鉄など(融接)、ステンレス・ニッケルなど(圧接)

ロウ付け

金属同士を接合する

〇△※

ステンレス鋼・鉄鋼など

はんだ付け

金属同士を接合する

すず・銀・金・銅など

※印は、方法によって違いがあることを示します。


上記はあくまで目安です。同じ塑性加工でも、プレス加工と鍛造とでは条件が変わります。加工方法によっては、加工者の熟練度も関わってきます。同じ加工方法でも、素材が変わると量産性も変わります。

上記以外にも、初期投資やランニングコストなども考慮しなくてはいけません。条件でコストも変わります。たとえば高い精度の製品を作ろうとするほどコストは上がります。生産個数によって1個当たりのコストも変わります。

どんなことをしたいか・どんな精度を求めるかなど優先順位を決めたうえで、どの加工方法が適しているか総合的に考えることをおすすめします。たとえばねじ1つとっても、低コストで大量生産したいなら塑性加工(転造)が、複雑な形状や多品種少量生産なら切削加工が適しています。まずは求める優先順位を明確にしましょう。


まとめ


金属加工にはいろいろな方法があり、それぞれに特徴とメリット・デメリット、向き不向きがあります。まずは製品の素材や形状はもちろん、加工のコストや時間などさまざまな面の優先順位を決めましょう。そのうえでおのおのの加工法の特徴やメリットを活かせる適した方法はどれか考えましょう。ぜひこの記事を、方法選びの入口にしてみてください。









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