CNC加工に最適な金属選定：強度・耐久性・コストの考慮点

CNC加工用部品を設計する際、多くの場合で金属材料を選定します。これには強度要求、耐薬品性、熱安定性、コストなどの要因を考慮する必要があります。選択肢が多すぎて迷うこともあるでしょう。まず、部品の最も重要な特徴を定義してください。どう機能するか？ どの環境にさらされるか？ 他のコンポーネントとどう相互作用するか？

上記の重要特性を理解した上で、本記事で紹介する硬質・軟質金属加工前の検討すべき6つの要因を組み合わせれば、適切な金属材料選定に役立つはずです。

金属の機械的特性

まず機械的特性から始めましょう。これは異なる力が加わった際の材料性能で測定されます。

検討すべき主要な金属機械的特性は以下の通りです：

硬度

硬い材料は軟らかい材料より傷や皺に強いです。硬質材料はブッシュなどの摩耗部品に適しています。一部の材料は加工後に硬化処理可能です。材料を硬化させると材料特性が変わることに注意してください。例えば、硬化により脆くなることがあります。部品表面はコーティングで表面硬化することも可能です。

以下の図は一般的な金属材料の硬度を簡易比較したものです。

密度

アルミニウムの密度は軟鋼よりはるかに低く、重量は約1/3です。材料グレードによっては、重量比強度（比強度）でアルミニウムが鋼より強い場合もあります。

引張強度

破壊前に材料が耐えられる最大応力です。2つのコンポーネントを接続するブラケットを設計する場合、これらの相互作用を考慮してください。引張強度は材料の破断抵抗能力を表します。

減衰性（硬質金属は減衰能が低い傾向）

脆性

高脆性材料は破断前に伸びたり変形したりしません。部品が継続的に曲げられる用途なら、脆性材料は不適切です。

上記特性のいずれかがプロジェクトで重要なら、各材料の実際の特性値を調査することを推奨します。

金属の摩耗と疲労特性

一般に、プロトタイプのフィットと機能確認のための加工なら、材料摩耗を心配する必要はありません。強度確保や極端な温度など環境特性への耐性が必要な場合、材料選定は極めて重要です。最も重要な疲労特性を整理します。

疲労強度と靭性

これは、一定サイクル数で材料が耐えられる応力です。これらの変化は広く研究され、最終用途要件を満たす適切な材料選定に役立っています。実際、金属疲労とは、材料と部品が1つまたは複数の箇所で繰り返し応力または繰り返しひずみの作用下で、徐々に局所的・永久的・累積的な損傷を受け、一定サイクル数後に亀裂や突然の完全破断に至るプロセスです。全金属破損の約90%は予兆なく急速に発生するため、通常は比率の平均値で疲労強度を測定します。部品が複数の応力サイクルを受けることがわかっている場合、疲労強度レベルの評価を推奨します。

金属部品の作動温度

コンポーネントが動作する環境の作動温度も重要な考慮要素です。使用するCNC材料の融点が作動温度より高くなければならないからです。そうでなければ部品構造が変化する恐れがあります。また、CNC加工材料が極端な温度変化に耐えられることも確認必須です。一部の材料はこれらの温度変化に耐えられますが、一定期間使用後に構造変化を起こす材料もあります。

環境サイクル試験のリソースは多数存在します。多くの場合、材料を制御環境に置き、高温・低温、高湿・低湿、熱サイクル、熱衝撃試験を行います。

• 耐高温金属：チタン、ステンレス鋼
• 極低温で延性を維持できる金属：銅、アルミニウム

クリープ抵抗とは、材料が「クリープ」（長期間にわたる高ストレス曝露による固体材料の変形傾向）を抵抗する能力です。クリープ抵抗は標準応力限度を超える場合があることに注意してください。発生までに時間がかかるためです。ニッケル、チタン、ステンレス鋼が金属中で最も高いクリープ抵抗を持ちます。

金属の耐食性（酸化抵抗）

金属と周囲環境の化学反応による金属腐食は劣化または酸化です。金属腐食には多くの原因がありますが、すべての金属は腐食することに留意すべきです。純鉄は通常非常に速く腐食しますが、鉄と他の合金を組み合わせたステンレス鋼は非常にゆっくりと腐食します。耐食性を重視するなら、ステンレス鋼は優れた選択肢です。

ステンレス鋼の代替案として、陽極酸化アルミニウムがあります。この方法は耐食性向上と非常に耐久性のある仕上げに役立ちます。ニッケルメッキ軟鋼はステンレス鋼使用よりコスト効率が良い場合があります。

金属の熱的特性

金属は膨張、融解、導電します。最も一般的な熱的特性は熱伝導率で、材料が熱を伝導する能力です。熱伝導率が高い材料は熱伝達に優れます。部品が冷却用途に使用される場合、高熱伝導率材料により注力すべきです。

一般的な金属の熱的特性を以下の表にまとめました（参考値）。

製造性（加工性）

加工性とは、材料が切削（加工）によってどれだけ容易に形状変更できるかを示します。例えば、アルミニウムは非常に加工しやすく、他の材料ほど工具を摩耗させません。したがって、加工性の低い材料と比較して、アルミニウムの加工コストは「安価」です。

金属にはさまざまな材料特性があり、これらが最終製品の性能特性を決定します。これらの特性は優れていますが、原材料コストと加工コストとのバランスを取る必要があります。例えば、部品がステンレス鋼指定の場合、コストと材料特性が大きく異なる複数のグレードが存在します。また、一部のステンレス鋼は他より切削が困難で、CNC工作機械でのコストがやや高くなります。