金属加工部品の材質と加工方法の種類、そして精度の向上

金属加工部品の選定から加工までの全知識

この記事のポイント

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加工方法の選定

切削、塑性、接合など、目的の形状やコストに応じた最適な方法を紹介します。

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材質の特性

鉄、アルミ、ステンレスなど、各材質の強度、耐食性、コストを比較解説します。

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品質の向上

熱処理や表面処理で部品の寿命と性能を最大化する秘訣を学びます。

このページの目次

金属加工部品の選定から加工までの全知識

金属加工部品の主な加工方法と種類

金属加工は、その目的や材料の特性に応じて多岐にわたる方法が存在し、大きく「除去加工」「成形加工」「付加加工」の3つに分類されます。それぞれの方法が持つ特徴を理解し、製品の要件に最適な技術を選定することが、品質とコストの両面で重要となります。

除去加工（機械加工）: 材料の塊から不要な部分を削り取って desired shape を得る方法です。代表的なものに、材料を回転させて刃物で削る「旋盤加工」と、工具を回転させて材料を削る「フライス加工」があります。旋盤は主にシャフトのような円筒形の部品製造に用いられ、フライス盤は平面や溝、複雑な三次元形状の加工を得意とします。近年では、これらの機能を併せ持ち、工具を自動交換するマシニングセンタやターニングセンタといったNC工作機械が主流です。

成形加工（塑性加工）: 材料に大きな力を加えて変形させ、目的の形状を作り出す加工法です。金属が持つ「一度変形すると元に戻らない」という塑性を利用します。代表例としては、金型で材料を挟んで圧力をかける「プレス加工」や、ハンマーなどで叩いて内部の結晶を整え、強度を高める「鍛造」が挙げられます。大量生産に向いており、材料の無駄が少ないのがメリットです。

付加加工・接合加工: 材料を付け加えたり、複数の部品を接合したりして形状を作る方法です。古くからある「溶接」は、金属を高温で溶かして一体化させる代表的な接合技術です。また、近年注目されているのが、金属粉末をレーザーなどで一層ずつ溶かし固めていく「金属3Dプリンティング（積層造形）」です。この技術は、従来の加工法では作れなかった複雑な内部構造を持つ部品の製造を可能にします。

この他にも、放電エネルギーで金属を溶かす「放電加工」や、レーザー光で切断する「レーザー加工」など、特殊な加工方法も用途に応じて使われます。

以下のリンクは、国内最大級の部品調達サイト「meviy」による金属加工の種類に関する解説です。図解が豊富で、初心者にも分かりやすくまとめられています。

金属加工って何？加工の種類や選択のポイントを解説！ - meviy

金属加工部品の材質選定とそれぞれの特性

金属加工部品の性能は、その材質によって大きく左右されます。設計する部品の用途、求められる強度、耐食性、そしてコストを総合的に考慮して、最適な材料を選定する必要があります。ここでは、代表的な金属材料とその特性を比較します。

意外と知られていない点として、同じ「鉄」でもSS材とS-C材では炭素の含有量が保証されているか否かという大きな違いがあります。SS材は「引張強さ」を保証するのに対し、S-C材（S45Cなど）は化学成分（炭素量）を規定しているため、熱処理による硬度調整が可能です。このため、強度や耐摩耗性が求められる機械部品にはS-C材が選択されます。材質選定は、単に「鉄かアルミか」だけでなく、より詳細な材料記号レベルでの理解が、高品質な部品製造の鍵となります。

金属加工部品の精度を高める熱処理と表面処理

加工されたままの金属部品は、必ずしも最終製品として最適な状態にあるとは限りません。使用環境や目的に応じて、硬度、靭性（粘り強さ）、耐食性、耐摩耗性などを向上させるために「熱処理」と「表面処理」が施されます。これらは部品に付加価値を与え、寿命を延ばすための重要な工程です。

🔥 熱処理：金属の内部組織を変化させる

熱処理は、金属を特定の温度に加熱し、冷却速度をコントロールすることで、内部の金属組織を変化させ、機械的性質を改善する技術です。

焼なまし（アニーリング）: 金属を高温に加熱後、ゆっくり冷却することで内部の歪みを取り除き、組織を均一化して軟らかくします。これにより、後工程での切削加工などが容易になります。

焼ならし（ノーマライジング）: 焼なましよりやや高い温度から空中で放冷します。鋼の組織を微細化・均一化し、強度や靭性を向上させる目的で行われます。

焼入れ（クエンチング）: 高温状態から水や油で急冷することで、金属組織を硬い「マルテンサイト」という状態に変化させ、硬度と耐摩耗性を飛躍的に高めます。ただし、硬くなる反面、脆くなる（靭性が低下する）欠点があります。

焼戻し（テンパリング）: 焼入れして硬くなった鋼を、焼入れ温度より低い温度で再加熱し、硬度を少し下げて粘り強さ（靭性）を回復させる処理です。焼入れと焼戻しはセットで行われることがほとんどで、これにより「硬くて強い」理想的な状態を作り出します。

✨ 表面処理：部品の表面に新たな機能を与える

表面処理は、部品の母材（ベースとなる金属）はそのままに、表面に薄い皮膜を形成したり、表面層の性質を変化させたりする技術です。

めっき: 最も代表的な表面処理で、金属または非金属の薄膜を表面に析出させます。装飾目的のクロムめっき、防錆目的の亜鉛めっき、電気伝導性向上のための金めっきなど、目的は多岐にわたります。

化成処理: 薬品の化学反応を利用して、金属表面に安定した化合物の皮膜を生成します。リン酸塩皮膜（パーカライジング）は塗装の下地処理として、黒染め（四三酸化鉄皮膜）は錆止めや装飾として利用されます。

アルマイト（陽極酸化処理）: アルミニウムに特有の処理で、電気化学的に表面に厚く安定した酸化皮膜（Al₂O₃）を強制的に生成します。耐食性、耐摩耗性を向上させるほか、皮膜の微細な孔に染料を吸着させることで、様々な色に着色できます。

あまり知られていない事実として、熱処理の一種である「浸炭焼入れ」は、表面は硬く、内部は粘り強いという二つの特性を両立させる高度な技術です。これは、炭素含有量の少ない低炭素鋼の表面に炭素を浸透させ、表面層だけを高炭素鋼に変化させてから焼入れを行うもので、自動車の歯車など、耐摩耗性と耐衝撃性が同時に求められる重要部品に不可欠な処理となっています。

金属加工部品の未来を拓く積層造形（3Dプリンティング）技術

従来の金属加工が、材料の塊から削り出す「引き算」のアプローチ（除去加工）であるのに対し、金属3Dプリンティング、すなわち金属積層造形（AM: Additive Manufacturing）は、材料を一層ずつ積み重ねて立体物を造形する「足し算」のアプローチです。この革新的な技術は、製造業の常識を覆し、金属加工部品の未来に大きな可能性をもたらしています。

主な金属積層造形の方式

パウダーベッドフュージョン（PBF）: 金属粉末を薄く敷き詰め、レーザービームや電子ビームで選択的に溶融・凝固させるプロセスを繰り返します。高精細で複雑な形状の造形が可能で、航空宇宙や医療分野で利用が進んでいます。

マテリアルエクストルージョン（MEAM）: 金属粉末と樹脂バインダーを混ぜたフィラメント状の材料を熱で溶かしながら射出し、積層します。その後、脱脂（バインダー除去）と焼結という工程を経て、最終的な金属部品となります。比較的安価に導入できるのが特徴です。

デポジション（DED）: レーザーなどで溶融した金属（溶融池）に、金属粉末やワイヤーを供給して肉盛りしていく方法です。大型部品の製造や、既存部品の補修などに応用されます。

積層造形がもたらすメリットと意外な課題
金属積層造形の最大のメリットは、**形状の自由度が極めて高い**点にあります。例えば、内部にハニカム構造やラティス構造を設けて軽量化と高剛性を両立したり、従来は複数の部品を組み合わせて作っていたものを一体成型したりすることが可能です。これにより、部品点数の削減や性能向上、開発期間の短縮が期待できます。

一方で、意外な課題も存在します。一つは**内部欠陥のリスク**です。溶融と凝固を繰り返す過程で、微小な空洞（ポロシティ）や未溶融の粉末が内部に残り、部品の強度を低下させる可能性があります。また、急激な加熱と冷却により、内部に応力が蓄積し、変形や割れを引き起こすこともあります。さらに、造形物の表面は一般的に粗いため、摺動部や嵌合部には後加工として切削や研磨といった追加の仕上げ加工が必要になるケースが多いです。

しかし、これらの課題を克服するための技術開発も日進月歩で進んでおり、チタン合金やニッケル基超合金、高導電性の純銅など、扱える材料の種類も増えています。金属積層造形は、もはや試作品を作るためだけの技術ではなく、最終製品を製造するための実用的な選択肢として、その地位を確立しつつあるのです。

金属加工部品の依頼先の選び方とコストダウンのコツ

優れた設計も、それを実現するパートナーがいなければ意味がありません。金属加工部品を発注する際の依頼先選定と、品質を維持しつつコストを抑えるためのポイントは、多くの技術者にとって重要な課題です。

✅ 信頼できる加工依頼先を選ぶためのチェックポイント

得意な加工方法と保有設備: 依頼したい部品の加工方法（旋盤、フライス、板金など）を得意としているかを確認します。会社のウェブサイトで加工事例や設備一覧をチェックするのが有効です。5軸マシニングセンタや複合加工機を保有していれば、複雑な形状にも対応できる可能性が高いです。

品質管理体制: ISO9001などの品質マネジメントシステム認証を取得しているかは、信頼性の一つの指標となります。また、三次元測定器や画像測定器などの検査設備が充実しているかも重要です。

対応可能な材質とロット数: 特殊な材料の加工実績があるか、また「1個から」の試作に対応してくれるのか、あるいは量産が得意なのか、自社のニーズと合致するかを確認します。

技術的な提案力: 図面通りに作るだけでなく、VA/VE提案（価値分析/価値工学）をしてくれる会社は心強いパートナーになります。例えば、「この形状なら溶接より削り出しの方が安く高精度にできます」といった、コストダウンや品質向上につながる提案をしてくれるかどうかがポイントです。

💰 コストダウンを実現するための意外なコツ
コストは単に加工費だけでなく、材料費、管理工数などトータルで考える必要があります。

材料の標準化と変更提案: 特殊な材料や寸法の材料は、それだけで高価になります。広く流通している標準的な材料（例えばSS400やS45C、A5052など）に変更できないか検討し、加工業者に相談してみましょう。

過剰な精度指定を避ける: 図面上のすべての箇所に厳しい公差を指定すると、加工難易度が上がり、コストが跳ね上がります。本当にその精度が必要な箇所と、そうでない箇所（一般公差で十分な箇所）を明確に分けることが重要です。

加工方法を意識した設計: 例えば、深い穴や細い溝は、工具が届きにくかったり、折れやすかったりするため加工コストが上がります。設計段階から、使用する工具の動きや形状を想像することで、加工しやすい（=安い）設計が可能になります。

ワンストップでの依頼: 材料手配、機械加工、熱処理、表面処理、検査までを一貫して請け負ってくれる会社に依頼することで、輸送コストや管理工数を大幅に削減できます。部品ごとに発注先を分けるよりも、トータルコストで安くなるケースは少なくありません。

意外な落とし穴として、見積もりの安さだけで依頼先を決めると、品質問題が発生して手直しや再製作でかえって高くつくことがあります。初回取引では、まず少量の試作品を依頼し、その品質や納期、コミュニケーションの円滑さを見極めるのが賢明なアプローチです。

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