金属加工とは、金属材料を切断したり、曲げたり、接合したりすることで目的の形状を作り出し、さらに熱処理や表面処理によって性能を向上させる技術です。自動車や航空機、建築物、産業機械など、多くの製品や構造物に金属加工が活用されています。
ただし、金属加工にはさまざまな種類があり、それぞれ特徴や得意とする用途が異なります。そのため、「金属加工にはどのような種類があるのか知りたい」「製品に適した加工方法の選び方を知りたい」と考えている方もいるのではないでしょうか。
そこで本記事では、金属加工の基礎知識から、形状を変化させる加工と性質を変化させる加工の種類、加工方法を選ぶ際のポイントについて解説します。金属加工について理解を深めたい方は、ぜひ参考にしてみてください。
金属加工とは
金属加工とは、金属材料にさまざまな処理を施し、目的の形状や性能を持つ製品へ加工する技術の総称です。自動車や航空機、建築物、家電製品、産業機械などの多くは、金属加工によって製造された部品によって構成されています。
金属は高い強度や耐久性を持つ一方で、そのままでは製品として利用できません。そのため、切断や曲げ、穴あけなどによって形状を整えたり、熱処理によって硬度や耐久性を向上させたりする必要があります。
金属加工は一般的に「形状を変化させる加工」と「性質を変化させる加工」に大別されます。形状を変化させる加工は材料を削る、曲げる、接合するといった加工方法であり、性質を変化させる加工は熱処理や表面処理などによって金属の性能を向上させる方法です。
近年では製品の高性能化や高精度化が進んでおり、加工方法も多様化しています。目的や用途に応じて適切な加工方法を選択することが、高品質な製品づくりにつながります。
形を変化させる金属加工の種類
金属加工の中でも最も一般的なのが、材料の形状を変化させる加工です。加工方法によって特徴や適した用途が異なるため、製品の形状や必要な精度、生産数量などに応じて適切な方法を選択する必要があります。ここでは、形を変化させる代表的な金属加工として、以下の4種類について解説します。
| 加工方法 | 概要 | 主な特徴 | 代表例 |
|---|---|---|---|
| 除去加工 | 材料の一部を削り取って形状を作る加工 | 高精度・複雑形状に対応しやすい | 旋盤加工、フライス加工、穴あけ加工、研削加工 |
| 塑性加工 | 金属を変形させて形状を作る加工 | 材料ロスが少なく量産向き | 鍛造、圧延、押出し、引抜き、プレス加工 |
| 接合加工 | 複数の部材を結合する加工 | 大型構造物から精密部品まで対応可能 | アーク溶接、TIG溶接、MIG溶接、ろう付 |
| 切断加工 | 材料を必要なサイズや形状に切り分ける加工 | 後工程の前処理として利用されることが多い | レーザー切断、プラズマ切断、ガス切断、シャーリング |
除去加工
除去加工とは、工具を用いて材料の一部を削り取り、目的の形状に仕上げる加工方法です。代表的な加工として、旋盤加工・フライス加工・穴あけ加工・研削加工などがあります。不要な部分を除去しながら形状を作り込むため、高い寸法精度や複雑な形状の加工に対応できる点が特徴です。
例えば、自動車のエンジン部品や工作機械の構成部品、精密機器の部品などは、わずかな寸法誤差が性能に大きく影響します。このような製品では除去加工が欠かせません。
一方で、材料を削り取るため切りくずが発生し、材料ロスが生じる点はデメリットです。また、加工時間が長くなる場合もあるため、大量生産には向かないケースがあります。
塑性加工
塑性加工とは、金属に圧力を加えて変形させることで目的の形状を作る加工方法です。代表的な方法として、鍛造・圧延・押出し・引抜き・プレス加工・曲げ加工などがあります。材料を削ることなく形状を変えるため、材料の無駄を抑えられる点が大きな特徴です。
また、鍛造などの加工では鍛流線（繊維組織）が形成されることで強度や靭性が向上する場合もあります。例えば自動車の足回り部品や建設機械部品など、高い強度が必要な製品では鍛造加工が多く採用されています。プレス加工は大量生産との相性が良く、自動車ボディや家電製品の外装部品などの製造にも利用される方法です。
ただし、金型の製作が必要になる場合が多く、少量生産ではコストが高くなることがあります。
接合加工
接合加工とは、複数の部材を一体化して製品を作る加工方法です。代表的な方法として、アーク溶接・レーザー溶接・TIG溶接・MIG溶接・硬ろう付（ブレージング）・軟ろう付（はんだ付）などがあります。
大型構造物から精密機器まで幅広く利用されており、建築物の鉄骨、自動車の車体、配管設備など、多くの製品で欠かせない技術です。近年ではレーザー溶接や摩擦攪拌接合（FSW）などの高精度な接合技術も普及しており、従来では難しかった異種金属接合や高品質な接合も可能になっています。
接合加工は材料を効率よく組み合わせられる一方で、接合部の品質管理が重要です。溶接条件が不適切な場合、強度不足や変形、割れなどの不具合が発生する可能性があります。
切断加工
切断加工は、金属材料を必要な大きさや形状に切り分ける加工方法です。代表的な方法として、シャーリング・レーザー切断・プラズマ切断・ガス切断・ウォータージェット切断などがあります。
切断加工は多くの場合、後工程の加工を行う前段階として実施されます。例えば板金加工では、まず材料を所定サイズに切断した後に曲げ加工や溶接加工を行います。
レーザー切断は高精度で複雑な形状にも対応できるため、精密部品や試作品の製造で広く利用されています。一方で、厚板加工ではプラズマ切断やガス切断が採用されるケースも少なくありません。
切断方法ごとに対応できる板厚や精度、コストが異なるため、用途に応じた選択が求められます。
性質を変化させる金属加工の種類
金属加工では、形状を変えるだけでなく、材料そのものの性能を向上させる加工も重要です。製品によっては形状が同じでも、強度や耐久性、耐食性などが異なる場合があります。こうした性能の違いを生み出すのが、性質を変化させる金属加工です。
ここでは、性質を変化させる金属加工として、以下の3つについて解説します。
| 加工方法 | 変化する部分 | 主な効果 |
|---|---|---|
| 熱処理 | 金属内部 | 強度・硬度・靭性の調整 |
| 表面処理 | 金属表面 | 防錆・耐摩耗性・外観向上 |
| 表面改質処理 | 金属表面 | 高機能化・高性能化 |
熱処理
熱処理とは、金属を加熱・冷却することで内部組織を変化させ、材料特性を改善する加工方法です。
代表的な熱処理として、焼入れ・焼戻し・焼なまし・焼ならしなどがあります。例えば焼入れは金属を硬くするための処理であり、工具や機械部品、自動車部品などで広く利用されている方法です。一方、焼戻しは焼入れ後に行われることが多く、硬さと粘り強さのバランスを調整する役割があります。
また、焼なましは組織の均質化・軟化や残留応力の除去など複数の目的で実施される熱処理であり、加工途中の中間処理としても広く用いられます。材料の用途に応じて熱処理方法を使い分けることで、求められる性能を実現することが可能です。
真空熱処理や雰囲気熱処理は、酸化や脱炭を抑えながら高品質な処理を可能にする確立した技術です。航空宇宙分野や半導体分野など、高い品質が求められる製品では欠かせない技術です。
表面処理
表面処理とは、金属表面にさまざまな処理を施し、耐久性や機能性を向上させる加工方法です。
代表的な方法として、めっき処理やアルマイト処理があります。例えば、亜鉛めっきは鉄鋼材料の防錆を目的として使用されており、建築資材や自動車部品などで広く採用されています。また、アルマイト処理はアルミニウム表面に酸化皮膜を形成し、耐食性や耐摩耗性を向上させる方法です。
PVD（物理蒸着）やCVD（化学蒸着）は、金属表面にTiNやDLCなどの極めて薄い硬質膜を形成する被覆処理です。素材の組成・構造は変化させず、表面に異種材料の皮膜を積層することで耐摩耗性・耐熱性・耐食性を向上させます。切削工具へのコーティングによる工具寿命延長や、金型・精密機械部品への適用で生産効率向上にも貢献しています。表面処理は製品の外観向上にも効果があり、意匠性と機能性の両立を図れる点も特徴です。
表面改質処理
表面改質処理は、金属表面の組成や構造を変化させることで、より高度な機能を付与する加工方法です。
窒化処理・浸炭処理は材料表面に窒素や炭素を拡散浸透させることで表面の組成・構造を変化させる処理です。めっきやPVD/CVDのような被覆処理とは異なり、素材そのものの表面組成を変化させる点が特徴です。歯車やシャフトなど摩耗しやすい部品に施すことで、表面硬度の向上と寿命延長が可能です。
金属加工方法を選ぶポイント
金属加工にはさまざまな種類があるため、目的に応じて適切な加工方法を選択することが重要です。加工方法の選定を誤ると、品質の低下やコスト増加、生産効率の悪化につながる可能性があります。
まず確認したいのが、製品に求められる形状や寸法精度です。複雑な形状や高い加工精度が必要な場合は、切削加工や研削加工などの除去加工が適しています。一方で、比較的単純な形状を大量に生産する場合は、プレス加工や鍛造加工などの塑性加工の方が効率的です。
また、使用する金属材料の特性も重要な判断基準になります。例えばアルミニウムは軽量で加工しやすい反面、熱による変形に注意が必要です。ステンレスは耐食性に優れていますが、加工硬化しやすいため加工条件を適切に設定しなければなりません。チタンやニッケル合金などの特殊材料は加工難易度が高いため、対応できる設備や技術を持つ加工業者を選ぶ必要があります。
製品の使用環境も加工方法の選定に大きく影響します。高温環境で使用される部品であれば耐熱性を向上させる熱処理が必要になる場合があります。また、腐食環境で使用される部品では、めっき処理やアルマイト処理などによる耐食性向上が欠かせません。摩耗が発生する箇所には窒化処理や浸炭処理などの表面改質処理が有効です。
さらに、生産数量やコストも考慮しなければなりません。試作品や少量生産では柔軟性の高い切削加工が適していますが、量産品では金型を用いたプレス加工や鍛造加工の方がコストを抑えられる場合があります。初期費用だけでなく、長期的な生産コストまで含めて検討することが大切です。
近年では、ひとつの加工方法だけで製品を完成させるケースは少なくなっています。例えば、切削加工によって形状を作り、その後に熱処理で強度を向上させ、さらに表面処理によって耐摩耗性や耐食性を付与するといった複合加工が一般的です。
そのため、加工方法を選ぶ際は個別の加工技術だけを見るのではなく、製品完成までの工程全体を考慮して判断することが重要です。材料特性や使用環境、求められる性能、生産数量などを総合的に検討することで、品質とコストのバランスに優れた製品づくりを実現できます。
まとめ
本記事では、金属加工について解説しました。金属加工とは、金属材料にさまざまな処理を施し、目的の形状や性能を実現するための技術です。大きく分けると、切削や塑性加工、接合加工などの「形を変化させる加工」と、熱処理や表面処理などの「性質を変化させる加工」に分類されます。
また、製品に求められる性能や精度、使用環境によって最適な加工方法は異なります。そのため、高品質な製品を製造するためには、材料特性や用途に応じて適切な加工方法を選択することが重要です。
金属技研では、長年培った金属加工・熱処理技術を活かし、真空熱処理をはじめとする各種熱処理サービスを提供しています。航空宇宙、自動車、半導体、産業機械など幅広い分野に対応しており、部品の性能向上や品質改善をサポートしています。
金属加工や熱処理に関する課題を抱えている場合は、ぜひ金属技研へご相談ください。用途や材料に応じた最適な加工方法をご提案いたします。
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