適切な CNC 加工材料を選択するにはどうすればよいですか?

材料が間違っていたら、すべてが無駄になってしまう！満足のいく製品を作るためには、材料の選択が最も基本的かつ最も重要なステップです。CNC加工では、金属材料、非金属材料、複合材料など、多くの材料を選択できます。

一般的な金属材料には、鋼、アルミニウム合金、銅合金、ステンレス鋼などがあります。非金属材料には、エンジニアリングプラスチック、ナイロン、ベークライト、エポキシ樹脂などがあります。複合材料には、繊維強化プラスチック、炭素繊維強化エポキシ樹脂、ガラス繊維強化アルミニウムなどがあります。

材料によって物理的・機械的特性が異なるため、適切な材料を正しく選択することが、部品の性能、精度、耐久性に大きく影響します。この記事では、私自身の経験に基づき、数ある加工材料の中から低コストで適切な材料を選ぶ方法をご紹介します。

まず、製品とその部品の最終用途を特定する必要があります。例えば、医療機器は消毒が必要であり、弁当箱は電子レンジで加熱する必要があり、ベアリングやギアなどは荷重を支え、複数の回転摩擦に耐える必要がある、といった具合です。

用途を決定した後、製品の実際の用途ニーズから始めて、製品の使用状況を調査し、その技術的要件と環境要件を分析し、これらのニーズを材料の特性に変換します。たとえば、医療機器の部品はオートクレーブの極度の高温に耐える必要がある場合があります。ベアリング、ギアなどの材料には、耐摩耗性、引張強度、圧縮強度に関する要件があります。主に以下の点から分析できます。

01 環境要件

製品の実際の使用シナリオと環境を分析します。例えば、製品の長期動作温度、最高/最低動作温度はそれぞれ、高温または低温に属するか？屋内または屋外で紫外線保護の要件はありますか？乾燥した環境ですか、それとも湿潤で腐食性のある環境ですか？など。

02 技術要件

製品の技術要件に基づき、必要な機能が分析されます。これには、用途に関連するさまざまな要素が含まれます。例えば、製品には導電性、絶縁性、帯電防止性のうち、どの機能が必要か？放熱性、熱伝導性、難燃性が必要か？化学溶剤への曝露が必要か？などです。

03 身体能力要件

製品の用途と使用環境に基づいて、部品に必要な物理的特性を分析します。高い応力や摩耗にさらされる部品の場合、強度、靭性、耐摩耗性などの要素が重要になります。高温に長時間さらされる部品の場合は、優れた熱安定性が求められます。

04 外観および表面処理に関する要件

製品の市場受容性は外観に大きく左右され、素材によって色や透明度が異なり、仕上げや表面処理もそれぞれ異なります。したがって、製品の美的要件に応じて加工材料を選択する必要があります。

05 処理性能に関する考慮事項

材料の加工特性は、製造工程と部品の精度に影響を与えます。例えば、ステンレス鋼は錆びにくく腐食にも強いですが、硬度が高く加工中に工具が摩耗しやすく、加工コストが非常に高くなるため、加工に適した材料とは言えません。一方、プラスチックは硬度が低いものの、加熱工程で軟化・変形しやすく、安定性に欠けるため、実際のニーズに応じて選択する必要があります。

製品の実際の用途要件は複数の要素から構成されるため、用途要件を満たす材料が複数存在する可能性があります。また、用途要件ごとに最適な材料が異なる場合もあります。結果として、特定の要件を満たす材料が複数存在する可能性があります。したがって、必要な材料特性が明確に定義されたら、残りの選択手順は、それらの特性に最も適合する材料を探すことです。

候補材料の選定は、まず材料特性データのレビューから始まります。もちろん、何千種類もの適用材料を調査することは不可能であり、またその必要もありません。材料のカテゴリーから始め、まず金属材料、非金属材料、複合材料のいずれが必要かを決定します。次に、材料特性に対応する分析結果に基づいて、候補材料を絞り込みます。最後に、材料コスト情報を用いて、多数の候補材料の中から製品に最適な材料を選定します。

現在、Honscnは加工に適した複数の材料を選定・販売しており、これらは顧客から高い評価を得ています。

金属材料とは、光沢、延性、導電性、熱伝導性などの特性を持つ材料を指します。その性能は主に、機械的特性、化学的特性、物理的特性、加工特性の4つの側面から評価されます。これらの特性は、材料の適用範囲と適用の合理性を決定づけるものであり、金属材料を選択する際の重要な参考となります。以下では、機械的特性と加工特性が異なる2種類の金属材料、アルミニウム合金と銅合金について紹介します。

世界には1000種類以上のアルミニウム合金が登録されており、それぞれのブランド名と意味は異なり、硬度、強度、加工性、装飾性、耐食性、溶接性などの機械的特性や化学的特性において、グレードごとに明らかな違いがあり、それぞれに長所と短所があります。

硬度

硬度とは、傷やへこみに対する抵抗力を指します。硬度は合金の化学組成と直接的な関係があり、アルミニウムの硬度は状態によって異なる影響を受けます。硬度は、CNC加工における切削速度や使用可能な工具材料の種類に直接影響します。

達成可能な最高硬度から順に、7シリーズ > 2シリーズ > 6シリーズ > 5シリーズ > 3シリーズ > 1シリーズ。

強度

強度とは、変形や破壊に抵抗する能力を指し、一般的に用いられる指標としては、降伏強度、引張強度などがある。

これは製品設計において考慮すべき重要な要素であり、特にアルミニウム合金部品を構造部品として使用する場合は、加えられる圧力に応じて適切な合金を選択する必要があります。

硬度と強度には正の相関関係があり、純アルミニウムの強度が最も低く、2系および7系の熱処理合金の強度が最も高い。

密度

密度とは単位体積あたりの質量を指し、物質の重量を計算する際によく用いられる。

密度は、さまざまな用途において重要な要素です。用途によって、アルミニウムの密度はその使用方法に大きな影響を与えます。例えば、軽量で高強度のアルミニウムは、建設や産業用途に最適です。

アルミニウムの密度は約2700kg/m³であり、異なる種類のアルミニウム合金の密度値もそれほど大きく変化しない。

耐腐食性

耐食性とは、他の物質と接触した際に腐食に耐える能力を指します。これには、化学的腐食耐性、電気化学的腐食耐性、応力腐食耐性などの特性が含まれます。

耐食性の選択原則は使用場面に基づいて行うべきであり、腐食環境で使用される高強度合金には、様々な耐食性複合材料を使用する必要がある。

一般的に、純アルミニウムの耐食性はシリーズ1が最も優れており、シリーズ5が良好、次いでシリーズ3と6が続き、シリーズ2と7は劣る。

加工性

被削性には成形性と加工性が含まれます。成形性は状態に関連するため、アルミニウム合金のグレードを選択した後、各状態の強度範囲も考慮する必要があります。一般的に、高強度材料は成形が容易ではありません。

アルミニウムを曲げたり、引抜いたり、深絞り加工などの成形加工を行う場合、完全に焼きなましされた材料の成形性が最も優れており、逆に、熱処理された材料の成形性は最も劣る。

アルミニウム合金の被削性は合金組成と密接な関係があり、一般的に強度が高いアルミニウム合金ほど被削性が優れ、逆に強度が低いアルミニウム合金ほど被削性が劣る。

金型、機械部品、その他切削加工が必要な製品にとって、アルミニウム合金の被削性は重要な考慮事項である。

溶接および曲げ特性

ほとんどのアルミニウム合金は問題なく溶接できます。特に、5系アルミニウム合金の中には溶接性を考慮して特別に設計されたものがあります。それに比べて、2系および7系アルミニウム合金の中には溶接が難しいものもあります。

さらに、5系アルミニウム合金は、アルミニウム合金製品の曲げ加工にも最も適している。

装飾品

アルミニウムを装飾や特定の用途に用いる場合、その表面を加工して、適切な色や表面構造を得る必要があります。そのため、材料の装飾特性に注目することが求められます。

アルミニウムの表面処理方法としては、陽極酸化処理とスプレー処理が挙げられます。一般的に、耐食性に優れた材料は、優れた表面処理特性を備えています。

その他の特徴

上記の特性に加えて、電気伝導性、耐摩耗性、耐熱性などの特性も、材料選定においてより考慮する必要があります。

オリハルコン

真鍮は銅と亜鉛の合金です。真鍮中の亜鉛含有量を変えることで、異なる機械的特性を持つ真鍮が得られます。真鍮中の亜鉛含有量が多いほど、強度が高くなり、塑性はやや低下します。

工業用真鍮の亜鉛含有量は45%を超えないように制限されており、亜鉛含有量が多いと脆くなり、合金の性能が低下します。真鍮に1%の錫を添加することで、海水や海洋環境による腐食に対する耐性を大幅に向上させることができるため、「海軍用真鍮」と呼ばれています。

錫は真鍮の被削性を向上させる。鉛真鍮は一般的に、切削しやすい国家規格銅として知られている。鉛を添加する主な目的は被削性と耐摩耗性を向上させることであり、鉛は真鍮の強度にはほとんど影響を与えない。彫刻銅も一種の鉛真鍮である。

ほとんどの真鍮は、色合い、加工性、延性に優れており、電気めっきや塗装も容易である。

赤銅

銅は純銅であり、赤銅とも呼ばれ、電気伝導性、熱伝導性に優れ、可塑性も高く、熱間プレス加工や冷間プレス加工が容易で、板、棒、管、線、帯、箔などの銅製品に加工できます。

放電加工機の製造に使用される電食銅や導電棒など、優れた電気伝導性を必要とする製品、磁気計測機器、および羅針盤や航空計器など、磁気干渉に対する耐性が求められる計測機器が多数存在する。

どのような素材であっても、単一のモデルで製品のすべての性能要件を同時に満たすことは基本的に不可能であり、また必要でもありません。製品の性能要件、使用環境、加工工程などの要因に応じて、様々な性能の優先順位を設定し、性能を確保することを前提として、材料を合理的に選択し、コストを合理的に管理する必要があります。

ハードウェアから始まり、ハードウェアだけで終わるものではありません。Honscnは、ファスナー／CNC加工業界のサプライチェーン全体にわたるワンストップサービスを提供することに尽力しています。