アルミニウム加工完全ガイド：ツール、技術、操作解説

アルミニウム加工とは

加工は、ワークピースから材料を除去して所望の部品や製品を作る減法製造プロセスです。非常に汎用性が高く、幅広い金属および非金属基材に対応できます。加工作業で最も一般的に使用される材料の1つがアルミニウムです。

軽量、低硬度、優れた成形性により、アルミニウムは加工やその他の製造作業に最適です。以下では、アルミニウムを加工用途に使用するその他の利点、様々な加工プロセスでのアルミニウムの扱い方、アルミニウムから作られる典型的な機械加工部品について説明します。

アルミニウム加工プロセスの概要

「加工」は、フライス加工、旋削、ドリル加工などの様々な減法製造プロセスを包括する総称です。また、CNC加工、スイス型自動旋盤加工、縦型・横型フライス加工、放電加工（EDM）など、いくつかの加工技術・手法があります。以下では、これら各加工方法でのアルミニウムの扱いを概説します。

• CNC加工（コンピュータ数値制御）： CNC加工プロセスは、コンピュータソフトウェアとCNC互換機器を使用して、工作機械の動きをワークピース表面で制御します。高精度・高精度なアルミニウムCNC部品・製品の生産が可能です。
• スイス型自動旋盤加工： 電子部品や医療部品など、アルミニウム製の小型ながら高精度な円筒部品の生産に最適です。
• 縦型/横型フライス加工： フライス加工は、回転切削工具を使用してワークピースから余分な材料を除去する加工プロセスです。フライス機器は縦型または横型の構成を取り得ます。縦型は少量のシンプルなアルミニウム部品に適し、横型は大量の複雑なアルミニウム部品により適しています。
• 放電加工（EDM）： EDMは、2つの電極間で発生する放電を利用してワークピースから材料を除去します。一般的に硬くて加工困難な材料の処理に使用されますが、アルミニウムを含む導電性材料であれば何でも加工可能です。

アルミニウム加工が難しい理由

農家のジョーのためにブラケットを1個作るだけなら、材料除去の効率はさほど問題になりません。しかし、ハッスルジョーのために週1万個のブラケットを作るなら、しっかりとした仕事をする必要があります。

アルミニウムを効果的に加工する上での主な課題は、何も壊さずに最大の材料除去率を得ることです。

熱が多すぎるとアルミニウムが溶けて工具に融着します。バターのように切れても、アルミニウムが工具に付着して摩擦攪拌溶接状態になれば、もはや加工ではありません。

摩擦を最小限に抑える以外にも、マシンを追い込むときにはチャタリング（びびり）が厄介です。特にきれいなポケットを加工しようとするときに問題になります。愚痴はこれくらいにして、現場で結果を出す方法を見ていきましょう。

アルミニウム用切削工具

アルミニウムに汎用カッターを使用してはいけません。技術的には動作しますが、アルミニウムは鋼とは全く異なります。

マシンの性能を最大限に引き出すための工具選定のポイントをいくつか紹介します。

切削工具材種

超硬合金： これは当たり前のことです。非高性能用途でも、超硬合金は工具寿命あたりのコストと仕上げ面品質の両面でハイス（HSS）を上回ります。

それでも、超硬合金について知っておくと、仕事に最適な工具を選ぶのに役立つことがいくつかあります。本質的に、ツールに何を求めるかを理解するだけです。アルミニウムは軟らかく切削されるため、工具は切削時に硬い衝撃力を受けません。

重要なのは、カミソリのように鋭い切れ刃を維持することです。このため、靭性よりも硬度を材料特性として選びます。この特性に影響する主な2つの要因は、超硬合金の粒度と結合剤比率です。

粒度については、粗い粒はより硬い材料を生み、細かい粒はより衝撃に強い靭性のある材料を生みます。アルミニウムでは切れ刃の鋭さを維持したいので、最大の刃先保持力を得るために微細粒を選びます。

もう1つの要因は結合剤比率です。超硬合金切削工具では、結合剤はコバルトです。コバルト含有量は2〜20%の範囲です。コバルトは超硬粒より軟らかいため、コバルトが多いと靭性のある工具に、少ないと硬い工具になります。つまり、大粒で低コバルト含有量の超硬カッターを探せばよいのです。

送りと速度

多くの人は単純に1000 SFM（表面速度）で回転数を計算します。これでは他の誰よりも速く加工できていることになりません。

正直に言うと、これはほとんどのカッターで推奨される速度です。1000〜1500 SFMは、スピンドルを回すのにまったく正常な速度です。ただし、ハーモニックテストを行えば、この3倍の速度を達成できます。詳細は後ほど。

多くの人がビビってしまうのが送り速度です。1/2インチエンドミルを歯当たり0.003インチで送っているなら、ただ時間を無駄にしているだけです。量産では、カッター径の少なくとも1%を歯当たりあたりの送りにしたいところです。つまり、1/2インチエンドミルなら歯当たりあたり最低0.005インチ必要です。安定したセットアップと短い工具なら、さらにその2倍までいけるかもしれません。

唯一の例外は、1/8インチ以下の小径工具を使う場合です。チップ排出が問題になるため、薄いチップにするために送りを落とす必要があります。

アルミニウム加工の一般的な操作

アルミニウムでよく行う作業と、役立つヒントをいくつか紹介します。

1. 面取り（フェイシング）

シェルミルを使うなら、超積極的なすくい角と研磨されたチップを選びましょう。仕上げ面が素晴らしくなり、回転数を大幅に上げられます。

2. ポケット加工

多くの人が間違えるポイントです。カッター径の半分をステップオーバーにし、半分の深さで切ると、2つの理由で失敗します：

カッターはもっと切れます。ほぼ全幅でいきましょう。私の定石はカッター平坦部の95%です。理由は、コーナーでは无论如何カッターが埋まり込むからです。つまり、工具がコーナーで爆発しないよう送りを落とさなければなりません。100%ステップオーバーにすると、工具と材料のたわみによりツールパス間に紙のように薄いウェハーが残る可能性があります。

50%ステップオーバーは、まともな速度で荒加工する際のハーモニクス（振動特性）にとって最悪です。工具がワークに食い込むインパクトが、毎刃最悪の位置で叩きつけられます。65%ステップオーバーにするだけでも、チャタリングが明確に減少します。

もう1つのヒント：ポケットの内側コーナー半径よりわずかに小さいカッター径を使いましょう。1/4インチRのポケットを1/2インチエンドミルで切ると、工具が方向転換する際にチャタリングでコーナーをえぐる傾向があります。高速では工具は瞬時に方向転換できず、切削抵抗がアンロードされます。これが「チリチリ」音の正体です。

私は通常、コーナーRを0.265インチ（約6.73mm）にリサイズできないか聞きます。これにより工具と部品形状の接触が減り、マシンもその丸みを帯びたターンをより高速で処理できます。レーストラックのコーナーを想像してください。鋭角なら車は減速します。大きなRなら減速不要です。

これで、部品を醜くするコーナーでのチャタリング音をほぼ完全に排除できます。

3. スロット加工

非常に深いスロットには、私にとってうまくいく2つの選択肢があります：トロコイダルフライス加工でカッターのたわみとチャタリングを減らすか、スタブフルートエンドミルを使うかです。

個人的にはスタブフルートが好みです。工具が大幅に強くなり、工具が行き来する無駄な動きがありません。深いスロット加工は、専用工具を使う価値がある数少ない用途の1つです。

浅いスロット（4×D以下）なら特別な配慮は不要。ガンガンいきましょう。

4. ドリル加工

鋭いドリルを使え。超硬ドリルが常に正解とは限りません。スピンドル回転数や生産量が伴わないのに高価な超硬ドリルを走らせる意味はありません。

一般的に、135度シンニング付きドリルを使えばOKです。ドリル先端にウェブ（芯厚）があると、不要な熱が切削点に入ります。

5. タップ加工

汎用タップでも技術的には動作しますが、アルミニウム専用タップの方がはるかに信頼性が高いです。すくい角がより積極的で、切れ味が良く、発熱が少ないです。

また、回転数でビビらないこと。マシンで200 RPM以上回さないなら、ただ時間を無駄にしています。もちろん、マシンが古くてバックラッシュが大きく、これ以上速く切れない場合もあります。でも、そんなマシンではそもそも競争力がありません。要は、アルミニウムのタップ加工は簡単なので、時間を無駄にするなということです。

アルミニウムで素晴らしい仕上げ面を得る方法

高回転。これ以上の秘訣はありません。回せ。

カミソリのように鋭く、高ヘリックス、積極的なすくい角の仕上げ用工具を使うことでも、超光沢仕上げ面を得やすくなります。

ただし、必要以上に見た目を良くするために時間を浪費しないこと。お客様を喜ばせたり感心させたりしたい場合もあるでしょうが、「光沢」と「高いRa（算術平均粗さ）」は別物だということを忘れないでください。

仕上げ切削の最大送り速度を決定するために、仕上げ面計算をしっかり行う価値があります。私は通常計算して、そこから約10%バックオフして安全側に倒します。ギリギリを攻めると、半分の確率で失敗します。

加工作業でアルミニウムを使用する利点

優れた加工性に加え、アルミニウムは加工作業に適した多くの特性を示します：

• 高い強度重量比： アルミニウムは強くて軽量。航空宇宙や自動車産業など、高性能用途の機械加工部品に不可欠な特性です。
• 耐食性： アルミニウムはいくつかのグレードがあり、耐食性の程度が異なります。加工作業で最も一般的に使用されるグレードの1つである6061は、優れた耐食性を発揮します。
• 電気伝導性： アルミニウムは、炭素鋼（700万S/m）やステンレス鋼（150万S/m）など、他の一般的な機械加工金属よりも高い電気伝導性（室温で約3770万S/m）を示します。この特性により、機械加工アルミニウム部品は電気・電子部品として適しています。
• 表面処理とアルマイト処理の可能性： アルミニウムは、塗装、着色、アルマイト処理など、様々な表面処理・仕上げプロセスに容易に対応できます。これにより、機械加工アルミニウム部品・製品の機能的・美的特性を向上させられます。
• リサイクル性： アルミニウムは高度にリサイクル可能で、加工作業で発生するスクラップ材や、寿命を終えた製品からの建設材料を再利用できます。
• コストパフォーマンス： 他の加工材料（黄銅、チタン、PEEKなど）と比較して、アルミニウムは性能を大きく犠牲にすることなく安価です。また、加工性が良いため生産コストが低く、軽量なため輸送コストも低減します。

前述の通り、加工プロセスは金属、プラスチック、紙、木材など多様な材料に対応します。アルミニウム以外にも、他の金属（鋼、ステンレス鋼など）や熱可塑性プラスチックが加工作業で定期的に使用されます。これらの材料と比較して、アルミニウムには多くの利点があります：

鋼やステンレス鋼と比較して、アルミニウムははるかに軽量で、加工性が優れています。

典型的なアルミニウム機械加工部品

業界の専門家は、加工作業でアルミニウムを使用して様々な部品や製品を生産しています。これらのコンポーネントは、以下を含む幅広い業界で応用されています：

• 自動車
• 航空宇宙
• 通信
• 電気・電子製品
• 照明
• 医療

典型的な製品例には、ダウエルピン、EMIハウジング、フロントパネル、照明器具、医療機器、スプラインシャフトなどがあります。