本記事では、業界で使用される25の主流な金属加工方法について解説します。これらは、日常の金属加工や製造において遭遇する中核的な技術です。
金属加工とは
金属加工とは、金属材料にさまざまなプロセスを適用して、部品、コンポーネント、または大型構造物を製造することです。石油掘削装置、船舶、橋梁から、小型エンジン部品や宝飾品に至るまで、あらゆるものを対象とします。要求される仕様を満たすには、利用可能な技術、プロセス、および工具についての確かな理解が必要です。
加工方法の種類
金属加工は一般的に、金属成形、金属切削、金属接合の3つの主要なカテゴリに分類されます。それぞれが、金属材料を成形、除去、または接合するための一連の技術を網羅しています。
鍛造、圧延、押出などの成形方法は、金属の形状と内部構造を変化させます。切削加工（機械加工、穴あけ、切断）は、材料を除去して最終形状を得ます。溶接、はんだ付け、ろう付けなどの接合方法は、別々の部品を1つのアセンブリに融合します。これら3つはすべて、金属部品や構造物を製作する上で不可欠です。
1. ダイカスト
ダイカストは、溶融金属を高圧で金型キャビティに強制的に注入する金属鋳造プロセスです。金型は通常、高強度合金から機械加工され、原理的には射出成形と似ていますが、金属を対象としています。
2. 砂型鋳造
砂型鋳造は、砂を使用して鋳型を形成します。まず、完成品または木型を砂の中に配置し、その周囲に砂を締め固めて硬化させます。鋳型は通常、2つ以上の部分に分割されており、注湯前にパターンを取り外すことができます。鋳型製作中には、金属が流入するための湯口と、ガスが逃げるためのベント穴を設けます。注湯後、金属が凝固するまで鋳型を放置します。部品を取り出した後、砂型は破壊されるため、各鋳造には新しい鋳型が必要です。
3. インベストメント鋳造
インベストメント鋳造（ロストワックス鋳造とも呼ばれる）は、ワックス射出、ワックス修正、ツリー組み立て、セラミックシェル塗布、脱蝋、注湯、後処理を含みます。まず、部品のワックスパターンを作成し、その周囲にセラミックスラリーを塗布してシェルを形成します。シェルが乾燥した後、焼成してセラミックモールドにします。焼成中にすべてのワックスが溶け出し、空洞だけが残ります。通常、シェルには注湯カップが取り付けられ、溶融金属が注がれます。冷却・凝固後、完成部品が得られます。
4. 型鍛造
型鍛造は、金型セットと専用の鍛造設備を使用して、ブランクを鍛造部品に成形します。プレス機の種類に応じて、ハンマー型鍛造、クランクプレス型鍛造、平鍛造機型鍛造、フリクションプレス型鍛造などがあります。
ロール鍛造は、一対の逆回転する金型が材料を変形させて鍛造品または予備成形品を製造する塑性成形プロセスです。これは縦圧延の特定のタイプであり、量産工場で一般的です。
5. 鍛造
鍛造は、鍛造プレスまたはハンマーを用いて金属ブランクに圧縮力を加え、塑性変形させることで、必要な機械的特性、形状、寸法を実現するプロセスです。スタンピングと並んで、鍛造プロセスの2つの主要な分野の1つです。
鍛造には明確な利点があります。溶解プロセスからのポロシティ（気孔）などの鋳造欠陥を排除し、結晶粒組織を微細化します。金属の結晶粒の流れが保持されるため、鍛造部品は一般的に同じ合金の鋳造品よりも優れた機械的特性を発揮します。高負荷、過酷な使用条件向けには、鍛造品は圧延板、棒材、または単純な形状の溶接構造物よりも好まれることがよくあります。
6. 圧延
圧延（カレンダリング）は、インゴットを一対のロールに通して厚みを減らし、材料を成形する金属成形プロセスです。このプロセスは、金属が再結晶温度以上の場合に熱間圧延、以下の場合に冷間圧延として分類されます。熱間圧延は通常、大きな減肉と初期成形に使用され、冷間圧延はより厳しい公差と優れた表面仕上げを提供します。カレンダリングは最も一般的な金属加工方法であり、シート、プレート、ストリップの製造に幅広い産業で使用されています。
ダイカストは、溶融または半溶融状態の金属を高圧で鋼製の金型に高速射出するプロセスです。金属はキャビティを満たし、圧力下で凝固することで、優れた寸法精度と表面性状を備えた鋳造品が得られます。この方法は、複雑で精密な部品の大量生産に非常に効率的であり、一貫性と再現性のある部品を必要とするOEMにとって最適な選択肢です。
7. 低圧鋳造
低圧鋳造は、低圧ガスを使用して溶融金属を金型に充填し、制御された条件下で凝固させる方法です。当初はアルミニウム合金鋳造用に開発されましたが、現在では銅、鉄、さらには高融点鋼にも使用されています。このプロセスにより、重力鋳造と比較して、密度の向上、ポロシティ（気孔）の低減、より厳しい寸法公差を備えた鋳造品が得られます。優れた機械的特性を持つ高品質な構造部品を必要とするOEMにとって、信頼性の高い選択肢です。
8. 遠心鋳造
遠心鋳造は、溶融金属を回転する鋳型に注ぎ込み、遠心力によって金属を分布させて部品を成形する方法です。鋳型の選定は、部品の形状、サイズ、生産量によって異なり、砂型、シェル型、インベストメント鋳型、または耐火被覆や樹脂砂被覆を施した金型などが選択肢となります。この技術により、ポロシティが最小限に抑えられた高密度で高品質な鋳造品が得られ、ブッシュ、リング、パイプなどの円筒部品に最適です。
9. ロストフォーム鋳造
ロストフォーム鋳造は、最終部品形状に一致する発泡スチロール模型から始まります。模型に耐火塗料を塗布し、乾燥させた後、乾燥した石英砂に埋め込みます。溶融金属を真空下で注湯すると、発泡スチロールが気化してキャビティを満たします。その結果、パーティングライン、抜き勾配、バリのない鋳造品が得られ、実質的にネットシェイプとなります。このプロセスは中子ずれを排除し、寸法誤差を低減するため、複雑な形状に対して高精度で費用対効果の高いオプションとなります。
ロストフォーム鋳造は、機械加工代を最小限に抑えたネットシェイププロセスです。中子の除去、パーティング面、砂中子が不要となり、バリ、バリ、抜き勾配のない鋳造品が得られます。また、中子のずれによる寸法誤差も回避できます。OEMにとって、これはよりクリーンな部品、二次加工の削減、生産ロット間での優れた一貫性を意味します。
10. スクイズキャスティング（加圧鋳造）
スクイズキャスティングは、液体鍛造とも呼ばれ、溶融または半凝固状態の金属を開放金型に注入し、その後金型を閉じて部品を成形します。凝固中に高圧を加えることで、凝固したシェルの塑性変形と残存液相の静水圧プレスが生じます。その結果、優れた機械的特性と寸法精度を備えた部品が得られ、鋳造と鍛造の利点を効果的に兼ね備えています。
直接スクイズキャスティングでは、溶融金属を開放金型キャビティに直接注湯します。間接スクイズキャスティングでは、パンチを介して合金を閉鎖金型に射出します。どちらの方法も結晶化中に高圧を適用し、緻密で気孔のない製品を生成します。このプロセスにより、鍛造部品に近い機械的特性を持つ鋳造品が得られ、完全性が重要視される高応力用途に有力な選択肢となります。
11. 連続鋳造
連続鋳造は、溶融金属を水冷式の開放型モールドに注ぎ込みます。金属がモールドの長さに沿って凝固するにつれて、ストランドは底部から連続的に引き出されます。これにより、個別のモールドを必要とせずに、ビレット、スラブ、バー、パイプなどの長尺品が製造されます。このプロセスは非常に効率的で、バッチ鋳造と比較して歩留まりが良く、1トンあたりのコストが低くなります。
連続鋳造は、従来のインゴット鋳造に比べて、スループットの向上、材料歩留まりの改善、操業コストの低減といった大きな利点があります。得られる製品は、内部品質に優れ、ポロシティが低減され、表面が清浄です。これは、鋼、アルミニウム、銅の原料を製造するための標準的な方法であり、後工程に一貫した高品質の出発材料を提供します。
12. 引き抜き加工
引き抜き加工は、金属ブランクをより小さい断面のダイスに通して引っ張り、直径を減らして長さを伸ばす冷間成形プロセスです。これは通常、室温で行われるため、冷間引き抜きまたは冷間加工と呼ばれます。このプロセスは材料を伸延・薄肉化し、厳しい公差と向上した機械的特性を持つワイヤー、チューブ、ロッド、その他の長尺プロファイルを製造します。
冷間引抜きは、熱間圧延材と比較して、表面仕上げを向上させ、引張強度を高め、寸法精度を向上させます。精密な断面と一貫した機械的特性を必要とする部品のために、製造、建設、自動車、航空宇宙産業で広く使用されています。OEMにとって、引抜き製品は信頼性の高い性能と予測可能な機械加工特性を提供します。
13. プレス加工
プレス加工は、板金、ストリップ、またはコイルをプレス機に供給し、金型を使用して成形する冷間成形プロセスです。パンチが材料をダイキャビティに押し込み、塑性変形またはせん断を引き起こして目的の形状を生成します。この方法は、大量生産に非常に効率的で、厳しい公差と再現性のある品質の部品を提供します。
プレス加工は、ブランキング、ピアシング、曲げ、深絞り、コイニングなど、幅広い工程をカバーし、単一または順送金型で複雑な形状を可能にします。自動車、航空宇宙、電子機器、家電製品の部品にとって費用対効果の高いソリューションです。コイル供給プレスと順送金型を使用することで、数百万個の部品にわたって厳しい公差を維持し、一貫した品質を保証できます。
14. 金属射出成形（MIM）
金属射出成形（MIM）は、粉末冶金とプラスチック射出成形を組み合わせたニアネットシェイププロセスです。微細な金属粉末を熱可塑性バインダーと混合して原料を作り、それを高圧で金型キャビティに射出します。冷却後、部品は「グリーン」状態の成形体として取り出され、脱脂と焼結の工程に進みます。
グリーン部品は、熱または溶剤による脱脂工程でバインダーを除去した後、高温焼結により金属粒子を融合させて高密度の固体にします。MIMは、複雑で精密な形状の部品を優れた寸法精度で製造でき、多くの場合、二次加工を不要にします。自動車、医療、エレクトロニクス分野の小〜中サイズ部品において、CNC加工に代わるコスト効率の高い選択肢です。
15. 旋削加工
旋削は、工作物を回転させながら切削工具で材料を除去する、旋盤で行われる基本的な機械加工プロセスです。回転対称性を持つ円筒形、円盤状、またはスリーブ状の部品を製造するための最も一般的な方法です。切削作用は工作物の回転によって生じ、効率的な材料除去と良好な表面仕上げを実現します。
旋削加工は、内外の円筒面、テーパー、端面、溝、ねじ、輪郭形状の加工に最適です。ほとんどの回転部品はこの方法で効率的に製造でき、CNC旋盤を使用することで、単一のセットアップで厳しい公差を維持し、複雑な形状を実現できます。幅広いOEM部品に対応する、汎用性が高く信頼性のあるプロセスです。
16. フライス加工
フライス加工は、回転するカッターを使用して固定されたワークピースから材料を除去し、平面、溝、輪郭、複雑な3D形状を生成します。従来のフライス加工は単純な形状に対応し、CNCフライス盤は金型、ダイス、航空宇宙部品などの複雑な形状に対応する多軸機能を提供します。この柔軟性により、フライス加工は試作品と量産の両方において中核的なプロセスとなっています。
CNCフライス加工は、精密な制御と自動化を提供し、厳しい公差を持つ複雑な部品の効率的な生産を可能にします。多軸機械は、単一のセットアップでアンダーカット、傾斜形状、自由曲面を加工でき、取り扱いを減らし、精度を向上させます。OEMにとって、CNCフライス加工は、少量の試作品から大量生産まで、信頼性の高い選択肢です。
17. 刨削加工
刨削加工是一种通过单点切削刀具在工件上进行直线往复运动以去除材料的加工工艺。它主要用于生产平面、槽及其他直线特征，尤其适用于大型零件。刨削加工通常可达到IT9至IT7的精度，表面粗糙度（Ra）范围为6.3至1.6微米。
刨削加工非常适合加工大型工件或制造具有特定尺寸和表面要求的平面基准面。虽然对于小型零件而言，刨削不如铣削常见，但对于重型设备部件和工装来说，它仍然是一种实用的选择。该工艺具有良好的精度和可预测的表面光洁度，使其成为某些应用中的可靠选择。
18. 磨削加工
CNCフライス加工を機械加工方法として選択する際には、CNCフライス盤の利点と主要な機能を活用することが重要です。これらの機械は、柔軟性、精度、および複雑な形状を処理する能力を提供します。CNCフライス盤の機能を利用することで、メーカーは優れた結果を達成し、生産プロセスを最適化することができます。
17. 平削り加工
平削り加工は、部品の形状を整えるために一般的に使用される切削方法です。これは、ワークピース上を水平方向に直線往復運動する平削り盤を使用します。平削り加工は、主に機械加工プロセス中に特定の形状と寸法を達成するために使用されます。
平削り加工は通常、IT9からIT7の精度範囲を提供し、達成される寸法精度のレベルを示します。表面粗さは、パラメータRaで測定され、6.3から1.6マイクロメートル（um）の範囲内にあります。Ra値は、機械加工された表面の平均粗さを表し、値が低いほど表面仕上げが滑らかであることを示します。
刨削は、さまざまな産業で一般的に使用されており、特に大型ワークの加工や、特定の寸法と表面仕上げを備えた平面を実現する場合に適しています。加工方法として刨削を選択する際には、必要な精度と表面粗さの要件を考慮することが重要です。
18. 研削
研削は、砥粒や砥石を使用してワークから余分な材料を除去する一般的な機械加工です。主に、厳しい寸法公差を維持し、表面仕上げを向上させ、最終組み立てに向けて部品を仕様に適合させるために使用します。
研削では、通常は砥石に結合された砥粒、または遊離砥粒として、制御された圧力と相対運動のもとでワークに接触させます。砥粒は、切削、塑性押し出し、摩擦によって微細な切りくずを除去し、部品の形状を整え、最終的な表面テクスチャと寸法精度を決定します。
研削加工は、鋼、アルミニウム、セラミックス、複合材料、および特定の非金属材料など、幅広い材料に対応します。自動車、航空宇宙、金型、精密加工など、表面性状と公差が重要となる分野で標準的に使用されています。
研削加工の主な利点は、高い精度、厳しい公差、優れた表面仕上げを実現できることです。ベアリングレース、ギア、精密工具、複雑な形状や重要な寸法を持つ部品など、機械加工だけでは達成できない場合に頼りになるプロセスです。
19. 選択的レーザー溶融（SLM）
選択的レーザー溶融（SLM）は、高出力レーザー（通常はファイバーレーザーまたはCO2レーザー）と金属粉末を使用して、完全密度の部品を造形する金属積層造形プロセスです。造形チャンバー内には、微細で均一な粉末のベッドが保持され、それが層ごとに選択的に溶融されます。
SLMでは、コンピュータ制御のレーザーがCADモデルに従って粉末床を走査し、ビームが当たった部分のみを溶融・融合させます。各層が固化した後、新しい粉末層が敷かれ、部品が完成するまでこのプロセスが繰り返されます。その結果、鍛造材に匹敵する機械的特性を持つニアネットシェイプの金属部品が得られます。
SLMは金属3Dプリンティングの一種であり、従来の機械加工やプレス加工では実現できない複雑な形状や内部構造を製造することが可能です。航空宇宙、医療、自動車分野で、高強度で公差が厳しく疲労寿命に優れたカスタム金属部品の製造に広く使用されています。
20. 表面
レーザーは走査された領域の粉末を完全に溶融・結合させますが、照射されなかった粉末はそのままの状態で残ります。この工程全体は、酸化を防ぐために不活性ガスで置換された密閉チャンバー内で行われます。
21. 選択的レーザー焼結
選択的レーザー焼結（SLS）は、熱源として赤外線レーザーを使用し、主に粉末材料を対象とします。粉末は融点直下まで予熱され、各パスの前にローラーまたはブレードで平坦に均されます。
レーザーはCADファイルのスライスデータに基づいて粉末を選択的に焼結し、粒子を融合させて固体層を形成します。各層の後、ベッドが下降し、新しい粉末が敷かれ、このプロセスが繰り返されます。完了後、余分な粉末を除去して最終部品を取り出します。
現在、SLSはワックスおよびプラスチック粉末に対して成熟した技術です。金属およびセラミック粉末はこのプロセスではまだ開発段階にあり、加工は可能ですが、焼結ウィンドウと部品密度の慎重な管理が必要です。
22. 金属堆積 やや可能
金属堆積（ダイレクトメタルデポジションまたはレーザークラッディングとも呼ばれる）はFDMに似ていますが、フィラメントの代わりに金属粉末を使用します。粉末は、高出力レーザーおよび不活性シールドガスとともにノズルから供給されます。
粉末床方式はビルドボックスのサイズに制約されますが、金属堆積は大型部品を直接造形でき、損傷した精密部品の補修に特に有効です。必要な箇所にのみ材料を追加できるため、スクラップや手直しを削減できます。
実際には、粉末を対象表面に噴射し、レーザーで溶融させて母材と冶金的に接合させます。不活性ガスにより溶融池を清浄に保ち、酸化を防ぐことで、接合品質と機械的特性を確保します。
金属堆積は、航空宇宙、自動車、金型分野で、複雑な金属部品のオンデマンド製造や補修に使用されています。摩耗した表面の復元や、ソリッドブロックから始めることなくフィーチャーを造り込む柔軟性を提供します。
23. ロールフォーミング ロールフォーミング
ロールフォーミングは、ステンレス鋼の連続ストリップを一連のロールスタンドに通し、各スタンドで材料を段階的に曲げて最終プロファイルに成形します。ロールシーケンスは、各パスで金属を増分的に変形させるように設計されており、複雑な形状では最大36スタンド、単純なプロファイルでは3〜4スタンドで済む場合もあります。
24. 型鍛造
型鍛造は、専用の鍛造設備で成形ダイスを使用してブランクを最終部品に圧縮します。その結果、高い寸法精度、最小限の機械加工代、優れた構造的完全性を備えた鍛造品が得られ、さらに金型が確立されれば高い生産レートも実現します。
25. 型抜き
ダイカットは、成形されたフィルムや回路をオス型にセットし、型を閉じて余分な材料をトリミングしながら、キャビティに一致する3D形状を保持するブランキング加工です。成形部品を仕上げるための、クリーンで効率的な方法です。
ダイカットでは、フィルムパネルまたは回路は下部プレートに置かれ、ダイは上部ラムに取り付けられます。プレスは下向きの力を加えてブレードを制御し、材料を切断します。打ち抜きダイとは異なり、ダイカットはより滑らかなエッジを残します。また、切断圧力と深さを調整して、スコアリングやハーフカットラインなどの効果を得ることもできます。工具はコスト効率が良く、プロセスは安全で高速、そして簡単に実行できます。
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