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技術情報・技術コラム

金属加工とは?加工の種類や選ぶ際のポイントを分かりやすく解説!

金属加工において、加工方法選びは重要なポイントです。多種多様な金属加工から最適な方法を選ぶには、素材の性質や作りたい形状、それぞれの加工方法の向き不向きなどを理解しておく必要があります。

本記事では、金属加工の概要から加工の種類、加工方法を選ぶ際のポイントまで詳しく解説します。

金属加工とは?

金属加工とは、金属を加工するための種類や方法全般を指します。金属加工の目的は、形状の形成、強度・硬さの向上、腐食防止などです。

金属加工によって、身の回りにも多くの製品が作られています。金属加工を施された製品は、食器やアルミ缶、家電製品、乗り物(自動車や飛行機など)など、挙げればキリがありません。

金属加工の種類

金属加工の種類は、大きく以下の2種類に分類されます。

  • 形を変化させる加工
  • 性質を変化させる加工

金属は、削ったり曲げたりくっつけたりと、さまざまな方法によって形を変えることが可能です。形を変化させる加工には、大きく分けて以下のような加工方法があります。

  • 除去加工・・・切削(せっさく)加工や研削(けんさく)加工、特殊加工
  • 成型加工・・・プレス加工や鋳造(ちゅうぞう)、鍛造(たんぞう)
  • 付加加工・・・溶接、金属3D加工

また金属は、熱や化学処理を加えて性質そのものを変化させることも可能です。性質を変化させる金属加工には、金属そのものの強度を上げたり錆防止に役立てたりと、さまざまな用途が存在します。性質を変える金属加工は、大きく分けて以下の2種類です。

  • 熱処理・・・焼入れ、焼戻し、焼なまし、焼ならし
  • 表面処理・・・めっき、塗装、化成処理
  •  

それぞれの加工方法について解説します。

【形を変化させる】除去加工

除去加工は、機械による切削加工や研削加工、特殊加工などで不要な部分をカットし、素材を作りたい製品へと加工する技術です。

切削加工

切削加工では工具を使用して金属を削り取ります。代表的な切削加工には、旋盤加工やフライス加工などが挙げられます。

旋盤加工では、回転させている金属材料などに工具を当てて削ったり、穴を開けたりします。旋盤加工の特徴は、精度が高くて操作が容易な上、対応可能な素材も多いところです。

フライス加工とは、金属材料を固定して工具を回転させて削る加工のことです。フライス加工の特徴は、材料を作り出す目的に応じて工具を変え、精密で面一な加工を施せる点です。

研削加工

研削加工では砥石を使用し、金属などの材料から余分な部分を除去します。研削加工は切削加工と似ていますが、砥石を使用するのでその分精度が上がります。ただし、時間当たりの削れる量が少ないため、生産性も低くコストがかかるのが難点です。研削加工は、切削加工後の最終的な仕上げとして取り入れることも多く、代表的な研削加工には、円筒研削加工や平面研削加工が挙げられます。

円筒研削加工とは、円筒状の製品の外周面の仕上げなどで用いる加工を指します。平面研削加工とは、製品の表面を滑らかに仕上げる場合に使用される加工です。高い精度で加工が可能で、硬い素材にも対応できるのが特徴です。

特殊加工

特殊加工は、切削加工や研削加工のいずれにも該当しない加工を指します。代表的な例としては、放電加工やレーザー加工などが挙げられます。

放電加工とは、機械エネルギーによる除去ではなく熱エネルギーによる除去加工技術を指します。電極と金属材料の間で放電を繰り返し、材料を少しずつ融解させる技術です。特徴としては、電極近くにある金属材料であれば、多種多様な形の製品が作成可能になります。電気を通す材料であれば、硬度が高くても精度の高い加工が可能です。

レーザー加工とは、高密度のレーザー光を用いて行う加工のことをいいます。特徴としては、加工の自由度が高く高精度で、メンテナンスコストも低いす。ただし大量生産には向かなかったり、熱による変色があったりするので、用途に応じた使い分けが大切です。

【形を変化させる】成型加工

成型加工とは、プレス加工や鋳造、鍛造など金属材料などに熱や圧力を加え目的の形に変化させる加工のことです。除去加工と比較した場合には、材料のロスが少なくて済みます。

プレス加工

プレス加工とは、板状の金属材料を専用のプレス機械でせん断したり、曲げたりする加工のことです。大量生産に適しているプレス加工は、車のボディの加工や、電子レンジ・トースターといった家電製品の加工などに使用されています。

鋳造

鋳造とは、材料を熱で溶かし型どおりに変形させる加工方法です。炉などで溶かした金属を型に流し込んだ後、冷却し、特定の形状へと成型します。

加工の特徴は、複雑な形の製品を大量に生産する場合などに適している点です。製品例としては、エンジンやモーターの部品などに使われています。

鍛造

鍛造とは、加熱した金属材料をハンマーや金型を使い大きな圧力をかけて成型する加工技術です。耐久性や強度などが向上する鍛造は、指輪やペンチ、航空機のジェットエンジン部品に至るまで、強度が必要な製品に多く用いられています。

【形を変化させる】付加加工

付加加工とは、接合加工とも呼ばれる、複数の部品を組み合わせて作る加工の技術です。代表的な付加加工には、溶接や金属3D加工などがあります。

溶接

溶接とは、文字通り「金属を溶かして接合する」ことです。金属加工技術としての溶接は、金属材料の一部を溶かして他の金属材料とくっつけ、冷却する加工のことを指します。主な手法には融接やアーク溶接、ガス溶接などがあり、加工の精度は職人の技術力がそのまま反映されます。

加工の特徴は、気密性が高く短時間で加工が可能という点です。ただし、オーバーラップ(溶着した金属が母材に融合しないで重なることによって発生する溶接の欠陥)など、独特の欠陥が発生したり、強度が低下したりするリスクもあります。

金属3Dプリンター加工

金属3Dプリンターで代表的なのは、金属粉を積み重ね、積層造形を作る技術です。3次元データを元にした加工方法により、除去加工や成型加工では難しい、多種多様で複雑な形状にも対応できます。金属3Dプリンターで可能な加工は、パウダーヘッド方式や指向性エネルギー堆積方式などです。

パウダーヘッド方式とは、金属粉を敷き詰めた粉末床にビーム照射を行い、溶解と凝固を繰り返しながら一層一層作り上げていく加工のことを指します。ビーム照射がされない粉末は、回収後振るいにかけて再利用される仕組みです。粉末ロスも防げるので、材料コストも抑えられます。

指向性エネルギー堆積方式は、金属粉末やワイヤーなどをレーザーやビームで溶解しながら堆積することで形を作る加工です。一般的には、金属パーツの改修などに利用されることが多いです。近年では、航空宇宙分野への利用も検討されています。

【性質を変化させる】熱処理

金属加工における熱処理とは、金属の材料に加熱や冷却を加えて性質を改善する加工技術のことです。熱処理は、全体熱処理と表面熱処理に分けられます。全体熱処理の主な加工方法は、焼入れや焼戻し、焼なまし、焼ならしなどです。

焼入れ

焼入れは、組織構造が変化する温度まで一気に上げて一定時間置いた後、急速冷却して硬くする加工のことを指します。焼入れによって、金属の硬質化や強度の向上などが可能です。

焼戻し

焼戻しは、焼入れをさらに仕上げて粘り強くするための作業を指します。もろくて割れが生じやすい焼入れの状態は、焼戻しをすることで丈夫な製品に仕上がります。加工方法は、焼入れが終わった後に再加熱して硬さを調節します。

焼なまし

焼なましは、製品に加工しやすいように軟らかくする処理のことです。焼なましを行うことで、金属組織の均一化も図れます。焼なましによって、加工ムラや焼入れ時の硬さのばらつきなどの解消が可能です。その他の特徴としては、切削性の向上などが挙げられます。

焼ならし

焼ならしは金属組織の結晶粒を微細化し、均一にするための熱処理です。焼ならしの方法は、金属組織構造が変化する温度よりも高めの温度で再加熱し、その後冷却します。鋳造や鍛造などの加工によって作られた金属組織のひずみが減少し、除去加工などがしやすくなる加工です。

【性質を変化させる】表面処理

表面処理とは、金属の表面に施される加工のことです。表面処理の役割は、見た目を整えるだけでなく、強度や耐久性などを高めたり維持したりする面もあります。表面処理の代表的な加工方法は、めっきや塗装、化成処理などです。

めっき

めっきとは、金属の表面を他の金属の薄い膜で覆う処理のことを指します。めっきの処理を行う理由は、見た目の美化や錆防止、機能性向上(電気を通しやすくするなど)などです。めっきの処理を施した製品は、家庭用品や自動車部品など幅広く使用されています。

塗装

塗装は、めっきと同様に見た目の美しさや錆防止などの目的で施される処理です。金属膜ではなく、樹脂などで金属の表面を覆う点がめっきと異なります。常温や屋外でも処理が可能で、めっきよりも使いやすい上に安価というメリットがありますが、耐久性や密着性ではめっきに劣る部分もあるため、使い分けが必要です。

化成処理

化成処理とは、金属の表面に化学処理を施し質を改良する表面処理のことです。化成処理によって、塗料との相性を向上させることが可能です。化成処理をする場合、金属の種類によって処理剤を変え、塗布します。亜鉛やめっき、カドミウムめっきの場合は、クロメート処理が効果的です。鉄などに処理する場合には、リン酸皮膜処理を行うのが一般的です。

金属加工方法を選ぶ際のポイント

金属加工方法を選ぶ際は、以下のようなポイントに注目しましょう。

  • 加工方法の特徴を理解して選ぶ
  • 材質や形状に適した加工方法を選ぶ
  • 生産性やコストを考慮して選ぶ

それぞれについて解説します。

加工方法の特徴を理解して選ぶ

金属を加工する際は、それぞれの加工の特徴を理解し、適切な方法を選択することが大切です。

前述したとおり金属加工にはそれぞれ、得意な分野と不得意な分野があります。例えば除去加工に関しては、切削加工は研削加工の精度におよびません。しかし研削加工は、切削加工に比べて生産性が低いというデメリットもあります。また表面処理の加工に関しては、塗装よりめっきの方が耐久性や密着性の面で優位です。しかし使いやすさでは、塗装の方が勝っています。

材質や形状に適した加工方法を選ぶ

金属加工では、金属それぞれの性質や作りたい形状に合った加工方法を選ぶことも重要です。

例えば切削加工しやすい金属材料には、鉄やアルミなどが挙げられます。ステンレスやチタンなどの金属材料は、放熱性が悪く切削加工が難しいです。

プレス加工は、効率的にシンプルな製品を大量に作りたい場合に向いています。複雑な形状を求める場合は、プレス加工よりも鋳造などが適しているでしょう。

生産性やコストを考慮して選ぶ

金属加工をする際は、生産性やコストも考慮に入れておきましょう。

例えば特殊加工のレーザー加工は、高精度で自由度の高い加工に魅力があります。ただし生産性の面でいえば、大量生産には不向きです。

また金属3Dプリンターなどを選べば難しい形状の加工が可能となりますが、他の加工と比較すると、ある程度の初期投資がかかる方法といえます。

金属加工の種類や加工方法を知り最適な加工を選定しましょう

金属加工には、除去加工や成形加工、付加加工など多くの加工方法があります。ただし加工方法には得意不得意があり、材料との相性もあるため、ケースごとにどの方法を選択するかが重要です。生産性や必要となるコストを考慮することも欠かせません。

エバーロイ商事株式会社は、超硬素材と超硬加工において、高い加工技術や徹底した素材選定に定評がある会社です。超硬製品の開発や超硬素材の選定などでお困りの際は、ぜひお気軽にご相談ください。

この記事を監修した人

エバーロイ商事株式会社

大久保 文正

エバーロイ商事株式会社

昭和33年の設立以来、長年にわたり超硬工具の販売。
その製品はエバーロイの名で、広く多くのお客様からご支持をいただいております。
技術革新の激しい時代の中、お客様のあらゆるニーズに対応すべく、製販一体となって当社のオリジナリティを生かした営業活動を推進して参ります。

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