CNC加工における材料選定のエキスパートガイド

近年、CNC加工の発展に伴い、CNC工作機械の部品も進化を続けています。CNC加工は多くの分野で不可欠となり、各分野ではプロジェクト用の特殊部品を製造する必要があります。CNC材料は、消費者、エンジニア、請負業者、その他の分野のニーズに応えるべく拡大し、非常に特定の用途向けのソリューションを創出しています。最高の完成品を得る鍵は、適切な材料を選ぶことです。

選択肢となる材料は多岐にわたり、全く異なる目的のさまざまな部品に使用できます。材料の種類が豊富なため、用途に最適な材料を選ぶのは困難です。部品に最も適した加工材料の種類を絞り込むことで、最も適切かつコスト効率の良い材料を選定できます。材料選定時には以下の点を考慮する必要があります。

材料選定の考慮要素

部品はどのように使用されますか？

CNC加工が長年発展してきたように、CNC工作機械のコンポーネントも進化してきました。類似の材料が複数の製品に使用され、さまざまな機能を果たします。部品は医療機器、自動車、航空宇宙、機械、産業製造のどこで使用されますか？

絶縁を例にとると、呼気分析装置の絶縁に使用される材料と、カメラの絶縁に使用される材料は異なる場合があります。目的は同じでも、同じように使用できず、同じ結果も得られません。屋外や湿気の多い環境で部品を使用する場合は、炭素鋼ではなくステンレス鋼を使用して錆びを防ぎます。

応力負荷

高い応力負荷は、一部の材料を変形させたり、ひび割れさせたりする原因となります。部品の材料を選ぶ際は、必ず応力負荷を考慮してください。高応力がかかる部品には、応力に耐え変形を防ぐ材料で加工する必要があります。部品が高応力を受ける場合、その材料には負荷に耐え変形を防ぐために必要な要素が求められます。

寸法公差

寸法公差の重要性を決して過小評価しないでください。材料選定に関わるだけでなく、部品およびアセンブリ、切削方法、工具と工作機械の使用にも影響します。寸法公差はプロセス全体の効果と最終的なコストに影響を与えます。

部品に必要な公差を把握する必要があります。古い部品設計やスケッチを使用し、従来の方法を踏襲したい場合でも、公差が適切かどうか再確認するのが最善です。文書にはタイポが入り込みやすいものです。情報が正しくても、部品の性能を損なわずに公差を緩和できるなら、公差を見直すことでコスト削減が可能です。厳しい公差は通常、コストが高くなります。

標準寸法公差がデフォルトで使用されますが、公差を指定しない、または数値が間違っていると、不適切な部品を発注することになります。再加工や再発注には更なる時間がかかり、長期的にはこのシンプルな初期ステップがコスト削減につながります。

必要な部品の正確な公差が不明な場合は、推測せず、専門のCNC加工会社に相談して解決してください。

作動温度

材料を選定する際、材料の融点はプロセスの作動温度より高くなければなりません。また、作動温度に変動があるかどうかを考慮し、材料が時間の経過とともに歪み、変形、破損することなく温度に耐えられる必要があります。

より耐久性の高い材料はこれらの変化に耐えられるよう製造されていますが、多くの材料は時間の経過とともに歪み、膨張、ひび割れの兆候を示します。極端な温度も特定の材料の耐久性に悪影響を及ぼす可能性があります。

CNC加工で材料を加工する際もこの情報を理解することが重要です。切削と成形で発生する熱が部品を変形させないことを確認できます。作動温度と使用材料の関係を確立することは、設計と生産の成功に不可欠です。

重量と応力容量

加工材料の重量は、部品の使用方法によって異なります。
重い材料は多くの圧力を吸収できます。過度な耐荷重と高応力負荷が必要なプロジェクトでは、重い材料を検討すべきです。しかし、重量に敏感なアイテムには適しません。

軽量材料は、重量に敏感なプロジェクトで人気があります。耐久性があり、多くの応力を吸収できますが、より高価です。軽量材料は多くの製品に最適ですが、コストが重要な要素なら最良の選択とは言えません。

重い材料と軽い材料の選択は、CNC加工部品においてどの特性が最も重要かを判断する一例に過ぎません。このように、部品を正常に機能させるために重要な要素を特定し、基準を満たさない材料を除外し、コストを比較できます。

総コストと材料の加工性

最も高価な材料は通常、高強度で軽量なものです。加工材料を選ぶ際、多くの要因が意思決定を助けます。最も互換性のある材料を見つけるには、完成部品にとって最も重要な特性を優先します。強度曲線、温度限界、組立要件を満たす材料を選びます。これらの要件を満たさない材料を除外し、材料コストを比較して選択します。

一般的に、部品に使用する材料が多いほどコストは高くなります。同様に、特殊材料やチタンのような極めて強い材料もコストが高くなります。

無料見積もりと最小注文数量なしを提供する会社を探すことでコスト削減につながります。すべての範囲が絞り込まれれば、よりコスト効率の良い材料でほとんどのニーズを満たせます。

材料選定ガイドライン

SANSは、数百種類の金属、合金、プラスチック材料、および要望に応じたその他のカスタム材料を加工できます。以下では、最も人気のある材料とその特性について説明します。

金属

CNCフライス加工で最も一般的な材料タイプの一つが金属で、選択肢も幅広いです。最もよく知られた選択肢と、各金属に最適な用途を概観しましょう。部品のサイズと形状によっては、材料コストが部品総価格の大部分を占める場合があります。

アルミニウム

アルミニウムはおそらくCNCフライス加工で最も広く使用されている材料で、機械部品と外観部品に最適な選択です。他の金属と比較して、アルミニウムは一般的により速く加工できるため、最も経済的な方法です。アルミニウム製部品は環境にさらされると保護層を形成し、強度と耐食性が向上します。これらの優れた材料特性により、CNCフライス加工されたアルミニウムは自動車、航空宇宙、ヘルスケア、家電業界での使用に非常に適しています。具体的な用途には、航空機部品、電子機器筐体、医療機器、ギア、シャフトなどがあります。

アルミニウム 6061

最も一般的に使用される汎用アルミニウム合金で、優れた強度重量比と優れた切削性を持ちます。最も一般的な汎用アルミニウムグレードで、自動車部品、自転車フレーム、スポーツ用品、RCフレームなどに通常使用されます。

主な合金元素はマグネシウム、シリコン、鉄です。他のアルミニウム合金と同様に、優れた強度重量比を持ち、大気腐食に対して自然に耐性があります。6061の欠点の一つは、海水やその他の化学物質にさらされた場合の耐食性が劣ることです。より要求の厳しい用途では、他のアルミニウム合金ほど強くありません。

アルミニウム 6082の組成と材料特性は6061と類似しています。ヨーロッパでは英国規格に準拠しているため、より一般的に使用されています。

アルミニウム 7075

7075はアルミニウムのハイエンド製品です。主に亜鉛と合金化されています。最も強いアルミニウム合金の一つで、高強度娯楽機器、自動車および航空宇宙フレームに最適です。鋼に対して、アルミニウム7075は優れた疲労特性を持ち、熱処理により高強度と高硬度を達成できるため、軽量化が必須の場合に不可欠です。ただし、溶接が必要な場合は避けるべきです。

アルミニウム 5083

アルミニウム 5083は、他のほとんどのアルミニウム合金より高い強度と優れた耐海水性を持つため、建設と海洋用途でよく使用されます。溶接にも最適な選択です。

アルミニウム部品の詳細は All about CNC Alumunium Machining をご覧ください。

ステンレス鋼

ステンレス鋼合金は、高強度、高延性、優れた耐摩耗性と耐食性を持ち、溶接、加工、研磨が容易です。組成によっては、（実質的に）非磁性または磁性を持ちます。

ステンレス鋼には多くの種類があります。クロムを含み酸化（錆）を防ぐためステンレス鋼と呼ばれます。すべてのステンレス鋼は見た目が同じため、OES検出器などの最新測定機器を使用して、入荷原材料を極めて慎重に検査し、使用する鋼の特性を確認する必要があります。

ステンレス鋼 303

303の場合、硫黄も添加されます。この硫黄により303は最も加工しやすいステンレス鋼となりますが、耐食性が多少低下する傾向があります。

303は冷間成形（曲げ）には適さず、熱処理もできません。硫黄の存在は溶接にも適していないことを意味します。優れた加工性を持ちますが、切削速度/送りと切削工具の鋭さには注意が必要です。

303は通常、ステンレス鋼のナット、ボルト、継手、シャフト、ギアに使用されます。しかし、マリングレードの付属品には使用しないでください。

ステンレス鋼 304

最も一般的なステンレス鋼合金で、優れた機械的特性と良好な切削性を持ちます。ほとんどの環境条件と腐食性媒質に耐えられます。

様々な消費者向けおよび産業用製品で見られる最も一般的なステンレス鋼の形態です。通常18/8と呼ばれ、合金に18%のクロムと8%のニッケルが添加されていることを指し、最も一般的なステンレス鋼の形態です。

304は非常に硬く、非磁性で、加工が容易で通常耐食性があるため、キッチン用品、産業・建設・自動車業界で使用される貯蔵タンクと配管に非常に適しています。

304は加工しやすいですが、303とは異なり溶接可能です。ほとんどの通常（非化学）環境において耐食性もより高いです。機械技師にとっては、非常に鋭い切削工具を使用し、他の金属で汚染されないように加工します。

ステンレス鋼 316

304と類似の機械的特性を持つもう一つの一般的なステンレス鋼合金です。通常マリングレードステンレス鋼と見なされ、タフで溶接が容易です。材料は耐食性が非常に高く、塩溶液（海水など）に対して非常に適しており、建設、船舶部品、産業用配管、自動車用途に適しています。

ステンレス鋼 2205

ステンレス鋼 2205 二相ステンレス鋼は、最も強いステンレス鋼合金（他の一般的なステンレス鋼合金の2倍）で、優れた耐食性を持ちます。過酷な環境で使用され、石油・ガス業界で多くの用途があります。

17-4 ステンレス鋼

17-4 ステンレス鋼（SAE 630グレード）の機械的特性は304と同等です。析出硬化により高度に硬化可能（工具鋼と比較）で、優れた耐薬品性を持ち、タービンブレードの製造など非常に高性能な用途に適しています。

工具鋼

工具鋼は、非常に高い硬度、剛性、耐摩耗性、耐熱性を持つ金属合金です。ダイス、スタンプ、金型などの製造工具を作るために使用されます（名前の由来）。優れた機械的特性を得るには熱処理を受ける必要があります。

工具鋼 D2 は、425°Cまで硬度を保持する耐摩耗合金です。D2鋼は空気硬化性の高炭素・高クロム工具鋼で、高い耐摩耗性を持ちます。熱処理可能で、強い硬度範囲を持ちます。D2鋼は、曲げやすいが曲げる必要がある部品や製品の製造に最適です。

工具鋼 A2 は、空気硬化性の汎用工具鋼で、優れた靭性と高温での優れた寸法安定性を持ちます。射出成形金型の製造に一般的に使用されます。

工具鋼 O1 は、油焼入れ合金で、高硬度65 HRCを持ちます。ナイフや切削工具に一般的に使用されます。

低炭素鋼

別名マイルド鋼とも呼ばれ、良好な機械的特性、優れた切削性、良好な溶接性を持ちます。低コストのため、機械部品、治具、固定具の製造など汎用用途に使用されます。低炭素鋼は腐食や化学薬品の影響を受けやすいです。一般的に使用されるのは

低炭素鋼 1018

低炭素鋼 1018は、優れた切削性と溶接性、優れた靭性、強度、硬度を持つ汎用合金です。最も一般的に使用される低炭素鋼合金です。

炭素鋼 1045

このタフな材料は低炭素鋼で、ステンレスではありません。通常ステンレス鋼より安価ですが、より高い強度を持ちます。この材料は硬化および熱処理可能で、加工と溶接が容易になります。ナット、ボルト、ギア、シャフト、連結ロッドなど、高い靭性と強度を要求される産業用途と機械部品に最も一般的に使用されます。建設にも使用されますが、環境にさらされる場合は通常、防錆のために表面処理が施されます。

低炭素鋼 A36

低炭素鋼 A36は、良好な溶接性を持つ一般的な構造用鋼です。様々な産業および建設用途に適しています

マグネシウム AZ31

アルミニウムと亜鉛の合金であるマグネシウム AZ31は、アルミニウムと比較して35%の軽量化を実現しながら、より高い強度を持ちます。しかし、この材料は一般的に高価で、航空機部品によく使用されます。加工しやすい材料ですが、可燃性の特性があります。

マグネシウムは加工しやすいですが、特に粉末状では非常に燃えやすいため、液体潤滑剤を使用して加工する必要があります。マグネシウムは陽極酸化処理により耐食性を向上させることができます。また、高安定性の構造材料であり、ダイカストに最適な選択です。

軽量で高強度のため、ノートPCの筐体、電動工具、カメラボディ、家庭周りの用途にもよく使用されます。
チタン

チタンは、高強度、軽量、靭性、耐食性で知られています。溶接、不動態化、陽極酸化処理により保護を強化し、外観を改善できます。チタンは研磨効果が低く、電気伝導性は悪いですが、熱伝導性は良好です。加工が難しい材料で、専門的な工具が必要です。

この材料は通常、他の金属より高価です。地殻に豊富に存在しますが、精錬が困難です。軍事、航空宇宙、産業、生物医学用途で最も一般的に使用されます。

真鍮

CNCフライス加工において最もシンプルでコスト効率の良い材料の一つと認識されている真鍮は、銅と亜鉛の合金で、安定していますが強度は十分ではありません。一般的な用途には、医療機器、消費者製品、電気ハードウェアと接点があります。真鍮は摩擦係数が低く耐食性が高いため、エンジニアリング、配管、蒸気工学、さらには楽器にも使用されます。柔らかく加工しやすい特性から、配管付属品、住宅装飾、楽器に使用されます。

優れた切削性と優れた導電性を持ち、低摩擦を要求する用途に非常に適しています。また、美観を意識した金色の外観を出すために建設でもよく使用されます。
真鍮 C36000は、高い引張強度と天然の耐食性を持つ材料です。最も加工しやすい材料の一つであるため、大量生産用途によく使用されます。

銅

CNCフライス加工材料において、銅ほど電気伝導性に優れた金属は少ないです。高い耐食性により錆と戦い、熱伝導性の特性によりCNC加工時の成形プロセスが容易になります。自動車業界でよく利用され、用途には冷却システム、熱交換器、バルブ、ラジエーターなどの様々なエンジニアリング用途が含まれます。しかし、銅は酸、ハロゲン、硫化物、アンモニア溶液など特定の化学物質に弱いことを知っておくことが重要です。

プラスチック

金属材料に加えて、SANSの高精度CNC加工サービスはいくつかのプラスチックにも対応しています。以下はCNCフライス加工技術で最も広く使用されるプラスチックの一部です。

ABS

ABSは最も一般的な熱可塑性材料の一つで、良好な機械的特性、優れた衝撃強度、高い耐熱性、良好な切削性を持ちます。

ABSは密度が低いため、軽量用途に非常に適しています。CNC加工されたABS部品は、射出成形による大量生産前のプロトタイプとして通常使用されます。

ナイロン

ナイロンはポリアミド（PA）としても知られる熱可塑性樹脂です。優れた機械的特性、良好な衝撃強度、高い耐薬品性と耐摩耗性、中程度の難燃性を持つため、絶縁体、ベアリング、射出成形用の短期製品などに一般的に使用されます。欠点は水分を吸収しやすいことです。

POM

POMはデルリンとも呼ばれます。エンジニアリング熱可塑性樹脂で、プラスチックの中で最も高い加工性を持ちます。

POM（デルリン）は、高精度、高剛性、低摩擦、高温での優れた寸法安定性、極めて低い吸水性を要求されるプラスチック部品のCNC加工において、通常最良の選択です。

PTFE

PTFEは、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）として知られるエンジニアリング熱可塑性樹脂で、優れた耐薬品性と耐熱性、既知の固体の中で最低の摩擦係数を持ちます。優れた電気絶縁体です。しかし、機械的特性は純粋ではなく、部品のライニングやインサートとしてよく使用されます。

HDPE

高密度ポリエチレン（HDPE）は、高い強度重量比、高い衝撃強度、良好な耐候性を持つ熱可塑性樹脂です。

HDPEは軽量熱可塑性樹脂で、屋外使用とパイプライン輸送に適しています。ABSと同様に、射出成形前のプロトタイプ作成によく使用されます。

PEEK

PEEKは、優れた機械的特性、広い温度範囲での熱安定性、ほとんどの化学薬品に対する優れた耐性を持つ高性能エンジニアリング熱可塑性樹脂です。

PEEKは高い強度重量比により金属部品の置き換えによく使用されます。医療グレードも利用可能で、PEEKは生物医学用途にも適しています。