CNC 加工において材料の選択が重要な理由
CNC 加工は、幅広い材料から高精度の部品を製造できる多用途の製造プロセスです。ただし、選択した材料は、部品の機械的特性、表面仕上げ、加工コスト、リードタイムに直接影響します。エンジニアと製品設計者は、用途に適した金属またはプラスチックを選択する際に、強度、重量、耐食性、熱伝導率、機械加工性のバランスを取る必要があります。このガイドでは、CNC 加工で使用される最も一般的な材料、その主な特性、および製造性とパフォーマンスのために設計を最適化するための実際的な推奨事項について説明します。
アルミニウム合金: 軽量で多用途
アルミニウムは、優れた機械加工性、低密度、良好な強度対重量比、および自然耐食性により、CNC 機械加工で最も人気のある材料の 1 つです。一般的な航空宇宙および自動車グレードには、6061、7075、2024 などがあります。
6061アルミニウム
6061 は、優れた機械的特性、溶接性、機械加工性を備えた汎用合金です。構造部品、ブラケット、ハウジング、プロトタイプに最適です。一般的な引張強さは約 45,000 psi です。耐摩耗性と美的外観を向上させるために陽極酸化することができます。
7075アルミニウム
7075 は 6061 よりもはるかに強く (引張強度は最大 83,000 psi)、航空機の部品、自転車のフレーム、工具などの高応力用途によく使用されます。 6061 よりも機械加工がわずかに困難ですが、それでも最新の CNC 機器では非常に扱いやすいものです。
アルミニウム部品は多くの場合、厳しい公差と優れた表面仕上げを必要とします。アルミニウムの機械加工では小さな切りくずが生成され、簡単に排出できるため、高いスピンドル速度と送り速度が可能になります。下の画像は、CNC フライス加工後のアルミニウム製ブラケットとハウジングのバッチを示しており、きれいなエッジと一貫した品質が強調されています。
スチールとステンレススチール: 強度と耐久性
炭素鋼 (例: 1018、1045) および合金鋼 (例: 4140、4130) は、高い強度、硬度、耐摩耗性が必要な場合に広く使用されています。ただし、被削性はアルミニウムよりも低いため、遅い切削速度と堅牢な工具が必要です。ステンレス鋼 (303、304、316 など) は優れた耐食性を備えているため、医療、食品加工、海洋用途には不可欠です。
303 ステンレス鋼
303 は、優れた耐食性を備え、304 や 316 よりも機械加工が容易な快削性ステンレス鋼です。適度な耐食性が許容される継手、シャフト、ファスナーによく使用されます。
304/316 ステンレス鋼
304 は最も一般的なステンレス鋼で、優れた耐食性と成形性を備えています。 316 にはモリブデンが含まれており、塩化物や酸性環境に対する優れた耐性を備えています。どちらも加工硬化を避けるために、切削パラメータを注意深く制御する必要があります。
ステンレス鋼を加工する場合、鋭利な超硬工具、効率的なクーラント供給、びびりや工具の摩耗を防ぐための剛性の高いセットアップを使用することが重要です。下の写真は、CNC 旋削とフライス加工後のステンレス鋼のフランジとスリーブのビンを示しており、ステンレス部品の特徴的な光沢を示しています。
黄銅および銅合金: 優れた機械加工性
黄銅（快削黄銅C36000など）は、切りくずが細かく、良好な仕上げ面で高速加工が可能な優れた被削性で高く評価されています。真鍮は適度な強度、良好な耐食性、そして魅力的な金色の外観を備えています。装飾部品、配管継手、電気コネクタ、ギアやバルブなどの精密部品によく使用されます。
銅とその合金（ベリリウム銅など）は、高い電気伝導率と熱伝導率を備えています。ただし、純銅は機械加工するには粘着性があるため、鋭利な工具と特殊な戦略が必要です。真鍮は、優れた切りくず処理と一貫した仕上げのため、一般に機械加工部品に好まれます。
下の画像では、真鍮のネジ付き継手のセットが、真鍮の CNC 旋削およびネジ切り操作で達成可能な精度を示しています。
チタン: 高性能だが挑戦的
チタン合金 (Ti-6Al-4V など) は、優れた強度重量比、耐食性、生体適合性を備えているため、航空宇宙、医療インプラント、高性能自動車部品に不可欠です。しかし、チタンは熱伝導率が低く、化学反応性が高く、加工硬化する傾向があるため、機械加工が難しいことで知られています。加工を成功させるには、厳密なセットアップ、低い切削速度、高い送り速度、そして熱を管理するための多量のクーラントが必要です。
タービン インペラのような複雑な形状の場合、多くの場合、5 軸 CNC 加工が必要になります。下の写真は、チタンの典型的な用途である 5 軸フライス加工中の大型タービン インペラを示しています。
エンジニアリングプラスチック: 軽量の代替品
このガイドでは金属に焦点を当てていますが、低摩擦、電気絶縁、または軽量化が必要な場合には、ナイロン、デルリン (POM)、ABS、PEEK などのエンジニアリング プラスチックも一般的に機械加工されます。プラスチックは一般に金属よりも機械加工が簡単ですが、溶けたりバリを避けるために鋭利な工具が必要になる場合があります。これらは、ブッシュ、ベアリング、治具、プロトタイプによく選ばれます。
材料選択の重要な要素
CNC 機械加工部品に使用する材料を決定するときは、次の基準を考慮してください。:
- 被削性: 過度の工具の摩耗や表面仕上げの低下を招くことなく、材料をどの程度簡単に切断できるでしょうか?真鍮とアルミニウムが最高のパフォーマンスを発揮します。チタンやステンレス鋼はより困難です。
- 強度と硬度: 部品は静的負荷または動的負荷に耐える必要がありますか?スチールとチタンは高い強度を備えています。アルミニウムは軽いですが強度が劣ります。
- 耐食性: 部品が湿気、化学物質、または塩分にさらされることはありますか?ステンレス鋼、真鍮、陽極酸化アルミニウムが優れた選択肢です。
- 熱特性: 部品は熱を伝導または断熱する必要がありますか?銅とアルミニウムは優れた導体です。プラスチックとチタンは導電性が低いです。
- コストと可用性: アルミニウムとスチールはコスト効率が高くなります。チタンや特殊合金は高価であり、納期が長くなる場合があります。
- 表面仕上げと公差: 一部の素材（真鍮、アルミニウムなど）は鏡面仕上げが可能ですが、その他の素材は後処理が必要な場合があります。
結論
さまざまな CNC 加工材料の特性を理解することで、より賢明な設計上の決定ができるようになります。材料特性を機能要件および製造可能性と調整することで、コストを削減し、部品の品質を向上させ、製品開発を加速できます。多用途性を重視してアルミニウムを選択する場合でも、耐久性を重視してステンレス鋼を選択する場合でも、機械加工性を重視して真鍮を選択する場合でも、常に次のような経験豊富な加工パートナーと協力してください。 ホンケCNC 選択した材料に合わせて部品設計を最適化します。私たちの テクニカルガイド 公差、表面仕上げ、製造設計に関する詳細な記事については、こちらをご覧ください。
